[其他]气体分子运动论模拟实验仪

说明书

本装置属物理演示实验仪器。

气体分子运动是一种微观运动，常用的卡尔顿板只能模拟气体分子混乱运动的正态分布规律，但不能定量、半定量地演示理想气体状态方程、实际气体（范氏气体）状态方程、道尔顿分压定律、阿麦伽分体定律和玻尔兹曼分布定律（非正态分布律）。

研制本仪器的目的是要宏观地模拟气体分子的微观运动，从而在物理教学中可定量、半定量地演示上述多种气体分子运动规律。

该仪器用大量钢珠振子在透明方箱中的混乱运动模拟演示气体分子运动规律。钢珠振子在电机带动的振板撞击下形成混乱运动状态。通过附加砝码改变浮动活塞重量P（表示压强），测定振子数N和相应压强下振子的活动容积V（在考虑到气体分子体积修正项条件下），再计算出振子数密度n＝ (N)/(V) ，从而可定量演示理想气体状态方程P＝nKT（其中K为常数，T代表气体温度，由振板的振动能量确定）；测量计算出钢珠振子的体积，可得范德瓦尔斯气体（钢珠模型）分子体积的修正项b（b＝4NV₀，N为振子数，V₀为一个钢珠振子的体积），从而可演示实际气体（范氏气体）状态方程P（V－b）＝RT（其中R为常量）；在方箱容积一定条件下，分别依次加入不同大小的钢珠振子，测出浮动活塞重量P₁、P₂，可演示道尔顿分压定律，即总压强为分压强之和（P＝P₁＋P₂）；在浮动活塞一定条件下，分别依次加入不同大小的钢珠振子，测出各自的活动容积V₁、V₂，可演示阿麦伽分体定律，即总体积为分体积之和（V＝V₁＋V₂）；在方箱中加入数百粒振子，当钢珠振子于重力场中混乱运动时，利用粒子数分离隔槽（插板）和半对数板描点，可演示粒子数按重力势能的e指数分布规律——波尔兹曼分布律。

该仪器可显明、直观地模拟气体分子混乱运动，从而可定量、半定量地演示以上气体分子运动定律。演示结果符合理论规律。本仪器可直接观测，也可投影放大供几百人观察，演示效果良好。该仪器可供大、中、专各类院校物理教学使用。

图1为气体分子运动论模拟实验仪结构示意图。

本仪器具体构成如下：

透明方箱〔1〕由有机玻璃板和平板玻璃制成，方箱上部有可取下的盖板〔5〕，由盖板上的橡胶塞〔3〕和活塞杆〔2〕限定浮动活塞〔4〕的运动，增减砝码〔13〕来改变浮动活塞的重量。方箱一侧壁为一多缝隔板〔6〕，缝隙小于钢珠振子〔14〕的直径，穿过它可插入粒子数分离隔槽〔7〕。振板〔8〕用有机玻璃板制造，与箱壁间隙小于振子直径，使其能在方箱中上下自由移动为宜。振板在曲柄连杆机构〔9、10、11、17〕带动下振动，撞击钢球振子〔14〕造成振子的混乱运动，模拟气体分子的混乱运动状态。曲柄连杆机构通过飞轮〔16〕由直流电机〔12〕带动，改变电源〔15〕的电压调节电机转速，可变化振板的振动频率，从而造成振子（模拟气体分子）的不同混乱运动状态。

本仪器在演示玻尔兹曼定律时，需另加一半对数板，具体演示方法为：在模拟箱内加入数百粒振子，在振板撞击下振子于重力场中按高度形成一定分布。稳定片刻后，迅速将粒子数分离隔槽插入箱内，使振子分隔在不同高度的槽中。然后把方箱向一侧倾斜，使各层钢珠形成单层紧密排列。按粒子排列长度可直接画出玻尔兹曼分布曲线；再按排列长度在半对数板上描点可得一直线，从而可验证上述曲线为e指数规律曲线，即玻尔兹曼分布曲线。