Ход урока:

1. Организационный момент – 1 мин

2. Объяснение нового материала – 35 мин

3. Закрепление материала – 7 мин

4. Домашнее задание – 2 мин

Конспект урока:

В настоящее время макроскопические явления в физике описываются законами механики и термодинамики, а атомно-молекулярные (микроскопические) — законами квантовой физи­ки. При двух различных подходах к описанию явлений, один из которых оперирует непрерывными величинами, а второй — ди­скретными, возникает необходимость связать их между собой. Это означает получить физические законы макросистем на осно­вании, рассмотрения свойств отдельных микрочастиц. Статисти­ческая физика и образует именно такой «мост» между двумя подходами.

Понять свойства макросистем, анализируя поведение только, отдельной частицы, невозможно. Большая система — ан­самбль — ведет себя не как «простая» сумма своих частей. Поведение каждой части изменяется вследствие процессов взаи­модействия. Состояние газа характеризуется некоторым давле­нием на стенки сосуда, однако попробуйте ответить на вопрос: какое давление оказывает на стенку одна молекула? Одна молекула не создает никакого давления, а лишь эпизодически сталкивается со стенками сосуда. Таким образом, ансамбль молекул приобрел новое свойство, которым не обладает каждая из частиц в отдельности,— оказывать давление.

Статистическая физика изучает свойства ансамблей, состоя­щих из большого числа простых систем, таких, как молекулы в газе, атомы в кристалле, звезды в Галактике и т. д. Главная цель   статистической   физики — описать   поведение   ансамбля в целом на основе анализа свойств и особенностей взаимодей­ствия составляющих его систем.

Датой рождения статистической физики считается 1849 г., когда Максвелл на заседании Британской ассоциации содей­ствия развитию науки прочитал свой доклад, в котором был впервые использован статистический подход к решению физиче­ских проблем.

Напомним, что классическая термодинамика основана на эмпирических результатах, которые были обобщены и сформули­рованы в виде ряда законов — начал. Эти законы позволяют получать соотношения между различными величинами, характе­ризующими механические и тепловые процессы. Физические величины, используемые в термодинамике, можно условно раз­делить на три группы.

К первой группе относятся внешние параметры системы, определяемые внешними условиями, в которых она находится. Типичными примерами внешних параметров являются объем сосуда V, в котором содержится газ, число частиц N в системе, величины известных внешних полей (электрического, магнитного или гравитационного).

Ко второй группе относятся механические величины, характе­ризующие частицы, составляющие систему, например их импульс р, энергия Е.

К третьей группе термодинамических величин относятся те, которые не имеют какого-либо «микроскопического» смысла и понять их можно только на «макроскопическом» уровне. Такие величины представляют собой примеры коллективных свойств, характеризующих взаимодействие и поведение всех частиц ан­самбля. В качестве примера приведем температуру: можно определить энергию отдельной молекулы, но нельзя говорить о ее температуре, поскольку температура характеризует всю систему в целом.

Однако термодинамике присущи свои «слабости» и недостат­ки. Термодинамика дает соотношения между различными пара­метрами, но не позволяет вычислить их значения. Например, термодинамика устанавливает связь между внутренней энергией системы и количеством переданной ей теплоты, однако она ничего не говорит о том, каким образом найти внутреннюю энергию системы.

Статистическая физика восполняет этот пробел и позволяет решать проблемы «двоякого» рода. С одной стороны, она дает возможность находить термодинамические параметры из микроскопических харак­теристик, а с другой — определять   микроскопические   свойства,     исходя     из     результатов   измерении   макроскопиче­ских термодинамических параметров.

Для изучения свойств ан­самблей Максвелл предложил ставить задачу иначе, чем это делалось в механике Ньютона. Для этого он ввел понятие вероятности, применяемое в математике при анализе случайных явлений.

Поясним понятие вероятности на примере. Если бросать кубик несколько раз, то будут выпадать различные целые числа от 1 до 6, нанесенные на его грани. Если кубик не имеет никаких дефектов, то при многократном бросании все числа будут по­являться примерно одинаковое число раз или равновероятно. Всего чисел шесть, следовательно, вероятность выпадения како­го-либо числа (например, четверки) при одном бросании будет

Другими словами, четверка в среднем должна появить­ся в одной из шести попыток. Если же бросают одновременно два   кубика,   то   вероятность   одновременного   выпадения   двух четверок (сложное событие) равна  , т. е. это событие произойдет в среднем 1 раз за 36 попыток. Подчеркнем, что «в среднем» означает, что в какой-то конкретной серии это событие может вообще не произойти, а в какой-то произойти более одного раза. В этом и состоит суть вероятностного подхо­да: можно только оценить вероятность того или иного события, но гарантировать его наступление в каком-то конкретном опыте невозможно.

Хотя описание поведения молекул газа в сосуде гораздо сложнее описания бросания кубиков, но и здесь можно обнару­жить количественные закономерности, если ставить задачу так же, как и в теории игр. Например, можно найти вероятность того, что скорость некоторой молекулы газа , будет находиться в интервале. Максвелл понял, что случайное поведение отдельных молекул подчинено закономерностям вероятностного или статистического характера.

В статистической физике состояние системы носит вероят­ностный характер, т. е. определяются не сами физические вели­чины, а вероятности того, что их значения лежат внутри тех или иных интервалов. Однако средние значения физических величин определяются однозначно, что и является главной задачей ста­тистической физики.

1. Какие системы изучает статистическая физика?

2.   Какие проблемы решает статистическая физика?

3.   Какому закону подчинено поведение отдельных молекул ансамбля?

4.   Чему равна вероятность выпадения двух пятерок при од­новременном бросании двух игральных кубиков?