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1 原子的运动

参阅《费曼物理学讲义(第1卷)》第1—3章。

运用这些章节所讲述的想法,并结合你的经验,发挥你的想象力,来分析以下习题。在大部分情况下,不要奢求得到精确的数值结果。

1.1 如果热仅仅是分子运动,那么一个热的、静止的棒球与一个冷的、快速运动的棒球有什么区别?

1.2 既然一切物体的原子都处于永恒的运动中,为何可以有恒定的物体存在,例如经年历久的印章痕迹?

1.3 定性解释:运动的物体为什么可以产生热?怎样产生热?如果你可以,也请解释:反过程为什么不可行,即利用热产生有意义的运动?

1.4 化学家已经发现,橡胶是由纵横交错的长链组成的。那么,请解释:当橡胶带被拉伸时,为什么会变热?

1.5 一个悬挂有一定重量的橡胶带,当被加热时,将会有什么现象发生?(试着通过实验看看结果如何。)

1.6 你能解释为什么晶体不可能由正五边形组成吗?(正三角形、正方形以及正六边形是晶体组成的常见形式。)

1.7 在你面前有大量铁球——直径全部是 d ,以及一个容器——体积是 V 。在任意维度上,容器的长度都远远大于铁球的直径。请问,把铁球放进容器里,最多可以放进多少个?

1.8 气体的压强 P 如何随气体中单位体积的原子数 n 以及原子的平均速率〈 v 〉变化?(是线性变化吗?还是 P 的变化行为比线性关系更迅速或更缓慢?)

1.9 一般空气的密度大约是0.001g cm -3 ,液态空气的密度是1.0g cm -3 。请估测:

(a)1cm 3 一般空气中的分子数 n G ;1cm 3 液态空气中的分子数 n L

(b)一个空气分子的质量 m

(c)在常温、常压的情况下(20℃,1个标准大气压),在与其他分子碰撞前,一个空气分子所行走的平均距离 L 。这个距离被称为 平均自由程

(d)真空系统应在多少压强 P (用标准大气压表示)下运行,以使得分子平均自由程大概为1m?

1.10 在6.0×10 -4 mmHg压强下,通过1.0mm厚度的氩原子层后,一准直钾原子平行光束的强度降低了3%。计算每个氩原子的有效靶面积。

1.11 X射线研究表明NaCl晶体是立方晶格结构。最近邻格点之间的距离是2.820Å。查阅NaCl的密度以及分子质量,计算阿伏伽德罗常数 N A 。(这是测量阿伏伽德罗常数最精确的实验方法之一。)

1.12 博尔特伍德(Boltwood)和卢瑟福(Rutherford)发现:在镭及其裂变产物处于平衡时,每克镭每秒钟可以产生13.6×10 10 个氦原子。他们同样测量出在 标准温度及压强 (Standard Temperature and Pressure,简写为STP,指0℃,1个标准大气压)下,192mg镭的裂变每天可以产生0.0824mm 3 的氦。利用这些数据计算:

(a)在STP情况下,1cm 3 氦气中氦原子的数目 N H

(b)阿伏伽德罗常数 N A

1.13 瑞利发现,当0.81mg橄榄油展开在水表面时,会形成直径84cm的单层分子层。假定橄榄油的构成分子H(CH 2 ) 18 COOH大致呈线性链状排列,橄榄油的密度为0.8g cm -3 ,据此判断阿伏伽德罗常数 N A 应是多少?

1.14 在1860年左右,麦克斯韦提出气体的黏度可以表示为,

η = ρvl

其中, ρ 是气体密度, v 是分子平均速率, l 是分子平均自由程。麦克斯韦早前已经提出:

其中, σ 是分子直径, N g 是STP状态下1cm 3 气体中所含有的分子数。洛施密特于1865年利用实验测量值 η ρ (气体), ρ (固体)以及焦耳计算得到的 v 值,求得了 N g

已知: η =2.0×10 -4 g cm -1 s -1 ρ (气体)=1.0×10 -3 gcm -3 ρ (固体)=1.0g cm -3 以及 v =500m s -1 ,计算 N g

1.15 一整杯水放于加利福尼亚的某个户外窗台上。

(a)你认为这一杯水完全被蒸发掉需要多少时间 T

(b)求以此蒸发速率,每秒、每立方厘米离开杯子的水分子数 J

(c)以上答案与全球平均降雨量有关系吗?如果有,请简述之。

1.16 午后,雷阵雨降临,一个雨滴落在一片古生代泥土之上,并留下一个印记。后来,这雨滴被一个又热又渴的地质学学生当作化石捡起。在他喝光水壶里的水,无所事事之际,想知道那滴古老的水滴中有多少水分子。运用你所知道的数据进行计算。(对你所不清楚的必要信息进行合理假设。) BwGXN2B9ShrjXSsoBaOqkd6J6nOnOu+cAnTb3glz0SDuPeEi6tBlOR1EkAfvOI/S

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