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Vidéo de question : Identifier une caractéristique d’un mouvement qui n’est pas brownien Physique

Le schéma suivant montre une région dans un gaz contenant un certain nombre des molécules du gaz. Les vecteurs vitesse des molécules sont indiquées par les flèches. De quelle manière le schéma ne montre-t-il pas correctement le mouvement brownien des molécules? [A] Les molécules ont toutes des vitesses différentes. [B] La distance entre la plupart des molécules est significativement différente de la distance moyenne entre les molécules. [C] Chaque molécule se déplace en ligne droite. [D] Les molécules se déplacent toutes dans la même direction.

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Transcription de vidéo

Le schéma suivant montre une région dans un gaz contenant certaines des molécules du gaz. Les vecteurs vitesse des molécules sont indiquées par les flèches. De quelle manière le schéma ne montre-t-il pas correctement le mouvement brownien des molécules? (A) Les molécules ont toutes des vitesses différentes. (B) La distance entre la plupart des molécules est significativement différente de la distance moyenne entre les molécules. (C) Chaque molécule se déplace en ligne droite. (D) Les molécules se déplacent toutes dans la même direction.

Rappelons que parmi ces options de réponse, nous essayons de choisir laquelle indique comment le schéma présenté ne représente pas correctement le mouvement brownien. Nous pouvons commencer par rappeler que le mouvement brownien est le mouvement apparemment aléatoire de particules dû à des collisions avec d’autres particules. Nous nous attendons à voir un mouvement brownien, par exemple, parmi les molécules qui composent un gaz.

On nous dit que notre schéma nous montre les molécules dans une région d’un plus grand gaz. Sur la base des flèches indiquant les vecteurs vitesse de ces molécules, nous voyons qu’elles se déplacent toutes dans la même direction et à des vitesses différentes. Si nous imaginons avoir un ensemble de molécules de gaz dans un récipient, nous pourrions nous attendre à tout moment à ce que ces différentes molécules se déplacent dans des directions et à des vitesses différentes. C’est dans un environnement comme celui-ci que se produit un mouvement brownien.

Disons que nous devons suivre le mouvement de cette particule de gaz particulière ici, surligné en orange. Cette molécule se déplace en ligne droite jusqu’à ce qu’elle entre en collision avec une autre molécule. À la suite de cette collision, elle sera redirigée d’une manière ou d’une autre. Plus tard, elle va se heurter à nouveau à une autre et sera redirigé puis se heurtera encore et encore à un autre et, encore et encore, encore et encore pour créer une trajectoire qui ressemble à quelque chose comme ça. S’il s’agit d’un mouvement brownien, alors nous voulons déterminer en quoi notre schéma est incompatible avec ce type de mouvement.

La réponse (A) indique que les molécules ont toutes des vitesses différentes. C’est vrai; nous le savons parce que les vecteurs vitesse de ces molécules ont des longueurs différentes, mais nous nous attendons à cette condition pour que le mouvement brownien se produise. Le fait que les molécules aient toutes des vitesses différentes n’est pas une raison pour laquelle le schéma ne montre pas correctement un mouvement brownien.

La réponse (B) nous dit que la distance entre la plupart des molécules, c’est-à-dire les molécules de ce plus grand gaz, est très différente de la distance moyenne entre les molécules que nous voyons sur notre schéma. Cela peut être le cas, mais même si c’est le cas, ce n’est pas une raison pour laquelle le schéma ne montre pas correctement un mouvement brownien. À tout instant donné dans une situation où un mouvement brownien se produit, nous pouvons trouver des densités variables des particules impliquées. La réponse (B) n’est donc pas une raison pour laquelle le schéma ne montre pas correctement un mouvement brownien.

L’option (C) dit que chaque molécule se déplace en ligne droite. Cela est vrai dans le sens où les molécules se déplaceront dans la même direction jusqu’à ce qu’elles soient touchées par une autre molécule lors d’une collision. Mais il est généralement vrai qu’un objet se déplaçant dans une certaine direction continuera dans cette direction jusqu’à ce qu’il soit soumis à une force. Chacune des molécules de notre gaz ici, par exemple, se déplace en ligne droite à un instant donné, mais les directions de ces mouvements changent avec le temps lorsque les molécules entrent en collision les unes avec les autres. La réponse (C) n’est pas non plus une raison pour laquelle le schéma ne montre pas un mouvement brownien.

La réponse (D) nous dit que toutes les molécules se déplacent dans la même direction. Nous voyons, tout d’abord, que cela est vrai pour notre schéma et aussi que c’est incompatible avec un scénario général impliquant un mouvement brownien. Compte tenu des molécules d’un gaz, nous nous attendons à ce qu’elles se déplacent dans toutes les différentes directions à tout moment. C’est ce genre de mouvement qui aide à créer la trajectoire apparemment aléatoire d’une particule donnée dans cet ensemble. Ainsi, le fait que les six molécules de ce schéma se déplacent dans la même direction n’est pas cohérent avec un mouvement brownien.

La manière dont notre schéma n’indique pas correctement le mouvement brownien est le fait que les molécules du schéma se déplacent toutes dans la même direction.

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