【實驗操作與現象】

• 布朗運動的演示

（1）把約300粒鋼球放入模擬箱內，使鋼球大體鋪滿箱底一層，再將布朗粒子（發泡塑料塊）放入，這時把浮動活塞插入并蓋上蓋板。在活塞桿上套一帶孔的橡膠塞，用它調節并固定浮動活塞在一定高度上（一般可在10—15cm高度）。

（2）接通電源，振子鋼球在振板的撞擊下（振子也相互碰撞）作混亂運動。調節電壓可使振子混亂運動激烈程度變化。這時，可以看到布朗粒子在鋼球（分子）碰撞下不斷運動。由于布朗粒子形狀不規則，實驗中可看到布朗粒子邊轉邊移動，形成明顯的布朗運動。

2．氣體壓強統計意義的演示

（1）實驗原理

理論研究表明，氣體壓強可由分子對某一面（如器壁）碰撞造成的沖量變化求出，而每一瞬間哪些分子碰撞器壁，碰撞時傳給器壁沖量的大小，都具有偶然性，因而反映大量分子碰撞沖量的統計平均（氣體壓強）必有起伏。起伏的大小與分子數有關（起伏與1/n成比例），當分子密度n小時，其起伏就大；而分子數密度n大時，其起伏小。利用分子運動理論演示器就可以演示氣體壓強的這種統計意義。

（2）實驗操作

在方箱中裝幾十個振子，這時振板使少量振子振動造成的壓強值就很不穩定，實驗時我們看到浮動活塞上下起伏很大；當方箱中放入大量振子時，就會看到有一個穩定的壓強值，這時浮動活塞在大量振子的撞擊下處于某一位置，起伏很小。

3．理想氣體狀態方程的演示

利用分子運動理論關于理想氣體模型的假設，可推導出理想氣體的狀態方程，即

或（74-1）

對于一定質量（一定或總分子數一定）的理想氣體，從其狀態方程可知，當溫度一定時，氣體壓強與分子數密度成正比。

在模擬箱中放入振子約300粒，即分子總數N=300個，如圖74-2所示。在電機額定轉數情況下，由于振板的撞擊造成振子的混亂運動，產生一定壓強（由浮動活塞的重量表示），這時可測得浮動活塞在位置；在電機額定轉數不變情況下，這相當于保證溫度恒定（即造成的振子混亂運動激烈程度不變），用備制的砝碼將活動活塞重量增加一倍，這時壓強變為，可測得浮動活塞在位置；當壓強為時，測得容積為。

由此可知，當壓強為時，相應的分子密度；當壓強為時，；當壓強為；可見，在溫度一定（電機轉速一定）時，壓強與粒子數密度成正比，即。

4．實際氣體狀態方程的演示

（1）實驗原理

對于鋼球模型，實際氣體狀態方程可寫為：

（74-2）

式中為氣體質量，為氣體摩爾質量，為一修正值，是鋼球振子本身的體積。本演示儀可在電機額定功率下（對應溫度一定）通過實驗求得，從而演示實際氣體狀態議程。

（2）演示方法

在模擬箱中鋪滿一層鋼球振子（300粒），令電機在某一額定轉速下，造成浮動活塞在A位置，如圖74-2所示。保證電機額定轉速不變，用備制砝碼使浮動活塞加重一倍，是活塞達到B位置。按理想氣體考慮，在溫度及粒子數一定情況下，氣體壓強和體積之積為一常量，即pV=常量

本實驗對應的情況是

則

圖74-2

而

故

依上所述計算，圖中C線上面的容積正是理想氣體分子活動的容積，而C線下到振板(居中位置)的容積則是實際氣體分子(鋼球振子)本身有一定體積所造成的體積修正量。實驗測出的大小，再與鋼球振子（粒）本身體積相比，計算結果表明：

 （ 74-3）

由此可見，考慮到分子本身體積的影響，實際氣體分子活動容積應為，這樣就演示了一種氣體的狀態方程。

5．玻爾茲曼分布律的演示

（1）實驗原理

在重力場中理想氣體分子數密度按高度服從玻爾茲曼分布律，即

 （74-4）

（2）演示方法：

1）在模擬箱中放入振子300粒（或更多此），蓋好蓋板，并把分子數分離隔槽（多層插板）端頭插在有縫隙的箱擋板中。

2）調整電壓（一般不必太大，如5V）使振子振起來，這時大量振子在重力場中按高度形成一定分布。穩定片刻后，迅速用手把多層插板插入模擬箱之中，此時振子就被分離隔槽分割在不同高層里。關掉電源。

3）把方箱向右側傾斜，各層的振子鋼球則在各自的隔槽中排布起來。

觀測各層粒子數的多少，從隔槽的第一層起，畫一曲線，可以看出該曲線隨著高度按的負指數衰減，從而演示了玻爾茲曼分布律。