Наибольшее… — Задание 17 ЕГЭ по математике №00045641
Наибольшее и наименьшее значение в физических задачах
№2. Задание 17
ID: 00045641
Распределение скорости молекулы метана при тепловом движении имеет функцию плотности $f(v)=4\pi v^2\left(\dfrac M{2\pi RT}\right)^{\dfrac32}\cdot e^{-\dfrac{Mv^2}{2RT}}$ (распределение Максвелла). В этой формуле $v$ — скорость молекулы в м/с, $R$ — универсальная газовая постоянная, $M=0{,}016\,\dfrac{\text{кг}}{\text{моль}}$ — молярная масса метана, $T$ — температура газа в кельвинах. При каком значении скорости $v$ функция плотности принимает наибольшее значение, если $T=600$ К?
Источник: Сборник Ященко 2027
Решение
Заменим квадрат скорости новой переменной $z=v^2\geqslant0$. При неотрицательных скоростях эта замена однозначна, поэтому максимум по $z$ даст максимум по $v$.
Постоянные соберём в множитель $A\gt0$, обозначим $b=\dfrac{M}{(2RT)}$. Плотность имеет вид $H(z)=Az e^{-bz}$.
Её производная $H'(z)=Ae^{-bz}(1-bz)$. Она положительна при $z\lt\dfrac{1}{b}$ и отрицательна при $z\gt\dfrac{1}{b}$. В нуле плотность нулевая; максимум достигается при $z=\dfrac{1}{b}=\dfrac{2RT}{M}$.
Для метана $z=2\cdot\dfrac{600R}{0{,}016}=\dfrac{1200R}{0{,}016}=75000R=2500\cdot30R$.
Возвращаемся к скорости: $v=\sqrt z=50\sqrt{30R}$ м/с.
Проверим качественно: при увеличении температуры значение $\dfrac{2RT}{M}$ растёт, при увеличении массы уменьшается. Формула даёт более быстрые молекулы при нагреве и более медленные при большей массе, как и ожидается.
Ответ
$v=50\sqrt{30R}\ \text{м/с}$.
Другие задания по теме «Наибольшее и наименьшее значение в физических задачах» (8)
- Задание 17 №00045649 — На противоположных берегах прямого участка реки друг напротив друга на…
- Задание 17 №00045648 — На противоположных берегах прямого участка реки друг напротив друга на…
- Задание 17 №00045647 — При подключении источника переменного тока к цепи, состоящей из конденсатора,…
- Задание 17 №00045646 — При подключении источника переменного тока к цепи, состоящей из конденсатора,…
- Задание 17 №00045645 — К блоку солнечных панелей с электродвижущей силой эпсилон равно 30 В и…
- Задание 17 №00045644 — К блоку солнечных панелей с электродвижущей силой эпсилон равно 30 В и…
- Задание 17 №00045643 — Круизный лайнер стоит в океане бортом к волне. Под действием волн он испытывает…
- Задание 17 №00045642 — Круизный лайнер стоит в океане бортом к волне. Под действием волн он испытывает…