103.麦克斯韦速率分布.PDFVIP

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103.麦克斯韦速率分布

物理学的历史负担 103.麦克斯韦速率分布 主题: 根据麦克斯韦速率分布规律,我们可以计算气体分子速率的函数分布。结果表明,当 v=0 时,其分布函数的值为零。随着速率的增大,分布函数的值有一最大值,然后当v→∞ − 时又回到零。最可几速率(most probable speed )v 、平均速率(mean speed ) 和方均根 v mp 速率(root mean square speed )vrms 的值都是不同的。分子速率分布是通过分子束来测定的。 这可以通过模型实验(model experiment )来想象:充当着气体分子的一个个运动小球从气 体模型的出口处飞出来。我们根据它们飞出来的速率来对它们进行分类。 缺点: 图 1 所示的曲线通常叫做麦克斯韦分布曲线。这个曲线的样子是令人难以置信的。象 曲线所表示的那样,我们可以接受这样的事实,即高速分子是少数的。但是,难道速率越 小概率越大吗?在许多教科书中没有讨论这个明显的问题。实际上,分布函数的这种情况 可以认为是人为造成的一种不恰当的表示。 图 1. 速度绝对值的分布 这个曲线表示的是速率的分布,即速度绝对值的分布。速度是矢量。当我们用力学量 (速度、动量、力)的绝对值来表示力学定律时,这些定律会变得很复杂。在我们所讨论 的例子中,我们并不是要求速率区间dv 中分子出现的概率,而是要求速度区间dv dv dv 中 x y z 分子出现的概率。这样,我们就得到了以v = 0 (零矢量)为中心的高斯分布。图2 给出了 速度矢量的一个分量的概率分布(见图 3 中的方程(1))。为什么当v →0 时速度的绝对值 (速率)趋向于零?其原因是我们没有比较速度空间的相等体积,而是比较相等区间dv 。 在给定的dv 中,在速度空间中属于dv 的体积4 πv2dv随速率的平方而增大(见图 3 中的方程 1 物理学的历史负担 (2 ))。这样,速率大的分子是“特许的”,速率小的分子是“受阻的”。在麦克斯韦的原 著中清楚地区分了这两种情况。 图2. 速度的 x 分量的分布 2 .我们经常强调,图 1 中的曲线是不对称的。但我们总没有提起它包含的意思:曲 线本身没有对称轴,或者说,曲线没有以纵轴为对称轴。我们也这样说,由于曲线的不对 − 称性,v 、 和v 的值都是不同的。有时我们甚至强调,必须严格区分这些值。对学生来 v mp rms 说,他们不知道在什么情况下这种区分是重要的。也许更多的是,学生们从来没有机会来 混淆这三个值。 → 速度矢量为 v 的粒子 2 mv → − F v A e( 1 ) ⋅ 2kT

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