Особенности эксперимента как научного метода на примере броуновского движения

Министерство  образования и науки Российской Федерации

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 Теоретическая часть

       Для начала дадим определение. Броуновское  движение  —  в естествознании, беспорядочное движение микроскопических, видимых, взвешенных в жидкости (или газе) частиц (броуновские частицы) твёрдого вещества (пылинки, крупинки взвеси, частички пыльцы растения и так далее), вызываемое тепловым движением частиц жидкости (или газа).

       Сущность  явления заключается в том, что  броуновское движение происходит из-за того, что все жидкости и газы состоят из атомов или молекул — мельчайших частиц, которые находятся в постоянном хаотическом тепловом движении, и потому непрерывно толкают броуновскую частицу с разных сторон. Было установлено, что крупные частицы с размерами более 5 мкм в броуновском движении практически не участвуют, более мелкие частицы (менее 3мкм) двигаются поступательно по весьма сложным траекториям или вращаются. Когда в среду погружено крупное тело, то толчки, происходящие в огромном количестве, усредняются и формируют постоянное давление. Если крупное тело окружено средой со всех сторон, то давление практически уравновешивается, остаётся только подъёмная сила Архимеда — такое тело плавно всплывает или тонет. Если же тело мелкое, как броуновская частица, то становятся заметны флуктуации давления, которые создают заметную случайно изменяющуюся силу, приводящую к колебаниям частицы. Броуновские частицы обычно не тонут и не всплывают, а находятся в среде во взвешенном состоянии.

       Это явление открыто Р. Броуном в 1827 году, когда он проводил исследования пыльцы растений. Шотландский ботаник Роберт Броун ещё при жизни как лучший знаток растений получил титул «князя ботаников». Он сделал много замечательных открытий. В 1805 после четырёхлетней экспедиции в Австралию привез в Англию около 4000 видов не известных ученым австралийских растений и много лет потратил на их изучение. Описал растения, привезенные из Индонезии и Центральной Африки. Изучал физиологию растений, впервые подробно описал ядро растительной клетки. Петербургская Академия наук сделала его своим почетным членом. Но имя учёного сейчас широко известно вовсе не из-за этих работ.

       В 1827 Броун проводил исследования пыльцы растений. Он, в частности, интересовался, как пыльца участвует в процессе оплодотворения. Как-то он разглядывал  под микроскопом выделенные из клеток пыльцы североамериканского растения Clarkia pulchella (кларкии хорошенькой) взвешенные в воде удлиненные цитоплазматические зерна. Неожиданно Броун увидел, что мельчайшие твёрдые крупинки, которые едва можно было разглядеть в капле воды, непрерывно дрожат и передвигаются с места на место. Он установил, что эти движения, по его словам, «не связаны ни с потоками в жидкости, ни с ее постепенным испарением, а присущи самим частичкам».

       Наблюдение  Броуна подтвердили другие учёные. Мельчайшие частички вели себя, как  живые, причем «танец» частиц ускорялся  с повышением температуры и с  уменьшением размера частиц и  явно замедлялся при замене воды более  вязкой средой. Это удивительное явление  никогда не прекращалось: его можно  было наблюдать сколь угодно долго. Поначалу Броун подумал даже, что  в поле микроскопа действительно  попали живые существа, тем более  что пыльца – это мужские половые  клетки растений, однако так же вели частички из мертвых растений, даже из засушенных за сто лет до этого  в гербариях. Тогда Броун подумал, не есть ли это «элементарные молекулы живых существ», о которых говорил  знаменитый французский естествоиспытатель Жорж Бюффон (1707–1788), автор 36-томной Естественной истории. Это предположение отпало, когда Броун начал исследовать  явно неживые объекты; сначала это  были очень мелкие частички угля, а  также сажи и пыли лондонского  воздуха, затем тонко растертые  неорганические вещества: стекло, множество  различных минералов. «Активные  молекулы» оказались повсюду: «В каждом минерале, – писал Броун, – который мне удавалось измельчить в пыль до такой степени, чтобы она могла в течение какого-то времени быть взвешенной в воде, я находил, в больших или меньших количествах, эти молекулы».

       Надо  сказать, что у Броуна не было каких-то новейших микроскопов. В своей статье он специально подчеркивает, что у  него были обычные двояковыпуклые линзы, которыми он пользовался в течение  нескольких лет. И далее пишет: «В ходе всего исследования я продолжал  использовать те же линзы, с которыми начал работу, чтобы придать больше убедительности моим утверждениям и  чтобы сделать их как можно  более доступными для обычных  наблюдений».

       Сейчас, чтобы повторить наблюдение Броуна, достаточно иметь не очень сильный  микроскоп и рассмотреть с  его помощью дым в зачерненной  коробочке, освещенный через боковое  отверстие лучом интенсивного света. В газе явление проявляется значительно  ярче, чем в жидкости: видны рассеивающие свет маленькие клочки пепла или  сажи (в зависимости от источника  дыма), которые непрерывно скачут туда и сюда. Удается наблюдать броуновское  движение и в растворе туши: при увеличении 400^х движение частиц уже легко различимо. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       2 Практическая часть

       В данной лабораторной работе нам нужно  было провести два эксперимента. В ходе первого эксперимента для числа столкновений броуновской частицы N=10 нам необходимо произвести n=10 измерений случайной величины r – отклонения броуновской частицы от первоначального положения после N столкновений броуновской частицы с другими частицами.

       Все полученные данные заносим в Таблицу 1.

       Таблица 1. Отклонение броуновской частицы после 10 соударений

        

       Далее мы рассчитываем r ср – среднее отклонение броуновской частицы от первоначального положения после N столкновений броуновской частицы с другими частицами.

       Для расчёта r ср мы складываем 10 результатов r и поле делим полученную сумму на 10. В результате  получаем, что r ср = 14,9.

       Потом рассчитываем  | r i - r ср  |. Все полученные данные мы заносим во вторую колонку Таблицы 1.

       Затем находим  | r i - r ср  |² . Заносим результаты в третью колонку Таблицы 1.

       Приступаем  к выполнению второго эксперимента. Задача второго эксперимента состоит  в проверки справедливости закона диффузии. Для этого нам необходимо провести три серии экспериментов по 20 измерений отклонений броуновской частицы от первоначального положения за 5, 10, и 15 секунд.

       В результате этого эксперимента у  нас получилось 3 таблицы. Что ниже мы и продемонстрируем. Для каждой из трёх таблиц рассчитывались  случайные  и средние значения коэффициента диффузии, квадратичные отклонения его  от среднего значения и их сумма.

       Приступим к выполнению Таблицы 2.

       Таблица 2. Отклонение частицы, случайные и  средние значения коэффициента диффузии, t= 5 с