ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
MICROSOFT EXCEL ДЛЯ
АНАЛИЗА ЗАВИСИМОСТИ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН В МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКЕ
Зарубин Н.П., Емельянова М.Г.
Использование современных информационных технологий
позволяет глубже изучать различные физические процессы и явления. Рассмотрим
примеры использования Microsoft Excel для расчёта и анализа физических величин
в молекулярной физике.
Пример 1
Определим радиусы атомов веществ.
Представляя атомы вещества твердыми шариками, объем
которых , где R – радиус атома, определим объём
одного моля вещества. По закону Авогадро, в моле любого вещества содержится NА = 6,02
·1023 молекул, а количество молей определяется соотношением , где m – масса вещества, а μ – молярная
масса. Следовательно, все атомы занимают объём . Но
объём вещества через массу и плотность определяется V = , где ρ – плотность вещества. Из
равенства объемов выразим радиус .
Исходные
данные, результаты расчётов, диаграмма на рисунке 1.
В ячейку F2 введена формула =(3*C2/(4*ПИ()*$B$13*B2))^(1/3)
Чтобы представить величину молекул и их число,
проведем следующие расчёты.
1.
При нормальных условиях в
1 м3 содержится 2,7·1025 молекул воздуха. Если молекулы
выложить в одну цепочку, получим 10-9 м 1025
= 1016 м = 1013 км. Расстояние до Луны ≈105
км, т.е. цепочка протянулась бы в миллион раз дальше, чем до Луны.
2.
Если бы сложить столько теннисных мячей (диаметр мяча 6,4 см), сколько молекул
в одном м3 воздуха в кучу, то их объём 3·1022
м3. Площадь поверхности Земного шара м2.
Если мячи рассыпать по всей поверхности Земного шара, получится слой высотой
≈108 м.
3. В
стакане воды содержится 1,2·1024 молекул. Водяная оболочка Земли
1,4·1021 кг. Если бы молекулы одного стакана воды распределились
равномерно во всей воде Земного шара, то в каждом стакане воды оказалось бы молекул.
4. При нормальном
дыхании легкие человека вмещают ≈500 см3 воздуха, т.е. 1,3·1025
молекул. Масса атмосферы Земли 5,1·1018 кг. При плотности воздуха
1,25 кг/м3, в легких ≈6,25·10-4 кг. Если молекулы одного
вдоха распределились бы во всей воздушной оболочки Земли, то при каждом вдохе
человек вдыхал бы молекулы.
Рисунок
1 – Результаты расчётов радиусов атомов веществ
Пример
2
Определим среднеквадратичные скорости движения молекул
водорода (μ = 2·10-3 кг/моль), кислорода (μ =32·10-3 кг/моль),
азота (μ = 28 ·10-3 кг/моль)
при температуре от -20оС до 120оС, сравним кинетические
энергии поступательного движения молекул газов при различных температурах.
Зависимость скорости движения молекул газа от
температуры выражаются зависимостями: наиболее вероятная
скорость , среднеарифметическая , среднеквадратичная , где μ – молярная масса газа, R –
универсальная газовая постоянная.
Исходные
данные, результаты расчётов, диаграмма на рисунке 2.
Рисунок
2 – Результаты расчётов среднеквадратичных скоростей молекул водорода,
кислорода, азота при разных температурах
В ячейки С7,
D7, E7 введены соответственно
формулы:=КОРЕНЬ(3*$B$5*B7/$B$2),=КОРЕНЬ(3*$B$5*B7/$B$3),
=КОРЕНЬ(3*$B$5*B7/$B$4).
В ячейках С2, С3, С4 рассчитана масса молекул.
Соответствующие формулы: =B2/6,02*10^(-23), =B3/6,02*10^(-23),
=B4/6,02*10^(-23).
В столбцах F, G и H рассчитана
кинетическая энергия молекул при различных температурах. Формула в ячейкеF7 – это =$C$2*C7^2/2.Формула
в ячейке G7 – это =$C$3*D7^2/2.Формула
в ячейке Н7 – это =$C$4*E7^2/2.
Задание: вычислить среднеарифметические и наиболее
вероятные скорости молекул различных газов при разных температурах.
Пример
3. Изотермический процесс.
Изотермический
процесс описывается формулой: .
Построение изотерм разных масс газа приведено на
рисунке 3.
Рисунок
3 – Построение изотерм разных масс газа
В ячейки D2, E2, F2 введены
соответственно формулы:=$B$6*$B$1*$B$4/($B$3*C2),
=$B$7*$B$1*$B$4/($B$3*C2), =$B$8*$B$1*$B$4/($B$3*C2).
Задание: построить изотермы для разных температур.
Пример 4. Распределение молекул по скоростям.
Закон распределение Максвелла молекул по скоростям .
Исходные
данные, результаты расчётов, диаграмма на рисунке 4.
Рисунок 4
– Построение кривых Максвелла
Для
построения кривых Максвелла в ячейки G2 и H2 вводим формулы:
=4*F2^2/КОРЕНЬ(ПИ())*($B$2/(2*$B$1*$B$3))^(3/2)*
*EXP(-$B$2*F2^2/(2*$B$1*$B$3)),
=4*F2^2/КОРЕНЬ(ПИ())*($B$2/(2*$B$1*$B$4))^(3/2)*
*EXP(-$B$2*F2^2/(2*$B$1*$B$3)) соответственно. Формулы
скопированы до ячеек G61, H61.
Меняя значения температуры, массу молекул можно наблюдать
изменение кривой распределения.
Систематическая
работа с табличным процессором Microsoft Excel помогает
выработать навыки самостоятельной учебной деятельности в осуществлении
компьютерного эксперимента, развивать познавательные потребности в создании
различных информационных моделей.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.