1

المرجع الالكتروني للمعلوماتية

تاريخ الفيزياء

علماء الفيزياء

الفيزياء الكلاسيكية

الميكانيك

الديناميكا الحرارية

الكهربائية والمغناطيسية

الكهربائية

المغناطيسية

الكهرومغناطيسية

علم البصريات

تاريخ علم البصريات

الضوء

مواضيع عامة في علم البصريات

الصوت

الفيزياء الحديثة

النظرية النسبية

النظرية النسبية الخاصة

النظرية النسبية العامة

مواضيع عامة في النظرية النسبية

ميكانيكا الكم

الفيزياء الذرية

الفيزياء الجزيئية

الفيزياء النووية

مواضيع عامة في الفيزياء النووية

النشاط الاشعاعي

فيزياء الحالة الصلبة

الموصلات

أشباه الموصلات

العوازل

مواضيع عامة في الفيزياء الصلبة

فيزياء الجوامد

الليزر

أنواع الليزر

بعض تطبيقات الليزر

مواضيع عامة في الليزر

علم الفلك

تاريخ وعلماء علم الفلك

الثقوب السوداء

المجموعة الشمسية

الشمس

كوكب عطارد

كوكب الزهرة

كوكب الأرض

كوكب المريخ

كوكب المشتري

كوكب زحل

كوكب أورانوس

كوكب نبتون

كوكب بلوتو

القمر

كواكب ومواضيع اخرى

مواضيع عامة في علم الفلك

النجوم

البلازما

الألكترونيات

خواص المادة

الطاقة البديلة

الطاقة الشمسية

مواضيع عامة في الطاقة البديلة

المد والجزر

فيزياء الجسيمات

الفيزياء والعلوم الأخرى

الفيزياء الكيميائية

الفيزياء الرياضية

الفيزياء الحيوية

الفيزياء العامة

مواضيع عامة في الفيزياء

تجارب فيزيائية

مصطلحات وتعاريف فيزيائية

وحدات القياس الفيزيائية

طرائف الفيزياء

مواضيع اخرى

علم الفيزياء : مواضيع عامة في الفيزياء : مواضيع اخرى :

Quivering Mirror

المؤلف:  Sidney B. Cahn, Gerald D. Mahan And Boris E. Nadgorny

المصدر:  A GUIDE TO PHYSICS PROBLEMS

الجزء والصفحة:  part 2 , p 43

3-9-2016

1347

Quivering Mirror

a) A very small mirror is suspended from a quartz strand whose elastic constant is D. (Hooke’s law for the torsional twist of the strand is τ = -Dθ, where θ is the angle of the twist.) In a real-life experiment the mirror reflects a beam of light in such a way that the angular fluctuations caused by the impact of surrounding molecules (Brownian motion) can be read on a suitable scale. The position of the equilibrium is ⟨θ⟩ = 0. One observes the average value ⟨θ2⟩, and the goal is to find Avogadro’s number (or, what is the same thing, determine the Boltzmann constant). The following are the data: At T = 278 K, for a strand with D = 9.43 × 10­-9 dyn.cm, it was found that ⟨θ2⟩ = 4.20 × 10-6. You may also use the universal gas constant R = 8.31 × 107 erg/K mole. Calculate Avogadro’s number.

b) Can the amplitude of these fluctuations be reduced by reducing gas density? Explain your answer.

SOLUTION

a) When the mirror is in thermal equilibrium with gas in the chamber, one may again invoke the equipartition theorem and state that there is (1/2)τ of energy in the rotational degree of freedom of the torsional pendulum, where the torque is given by τ = -. The mean square fluctuation in the angle would then be given by

 (1)

So,

(2)

Now, Avogadro’s number NA = R/kB, and we obtain

(3)

b) Even if the gas density were reduced in the chamber, the mean square fluctuation ⟨θ2⟩ would not change. However, in order to determine whether individual fluctuations might have larger amplitudes, we cannot rely on the equipartition theorem. We instead will examine the fluctuations in the frequency domain. ⟨θ2⟩ may be written

(4)

where ω(f ) is the power spectral density of θ. At high gas density, ω(f ) is broader and smaller in amplitude, while the integral remains constant. This corresponds to more frequent collisions and smaller amplitudes, whereas, at low density, ω(f ) is more peaked around the natural frequency of the torsional pendulum  where I is its moment of inertia, still keeping the integral constant. It then appears that by reducing the density of the gas we actually increase the amplitude of fluctuations!

EN

تصفح الموقع بالشكل العمودي