Сущность статистического метода

Для описания свойств совокупности большого числа хаоти­чески движущихся молекул предполагается, что каждая моле­кула движется по законам механики. Однако было бы бесполезно пытаться описать свойства молекулярной систе­мы методами механики. В этом случае для установления связи между макроскопическими свойствами системы и свойствами молекул нам потребовалось бы следить за движением каждой отдельной молекулы. Но в любом макроскопическом теле чис­ло N молекул столь велико, что практически методами меха­ники невозможно описать их движение: если бы даже мы и уме­ли написать уравнение движения для каждой молекулы (а это­го делать мы не умеем), то при условии, что мы будем писать по уравнению в секунду, лишь для написания N уравнений для N молекул, содержащихся в 1 см³ газа, нам потребовалось бы около 1012 лет.

Главное, однако, заключается в том, что система, состоящая из большого числа хаотически движущихся частиц, имеет такие качества (свойства), которых нет у каждой молекулы в отдель­ности. Система молекул газа, например, характеризуется давле­нием. Это понятие неприменимо к одной молекуле. В связи с этим для вычисления свойств системы молекул потребовалось найти методы, отличные от методов механики.

Совокупность большого числа молекул оказалось возмож­ным исследовать с помощью математической теории вероятно­стей, которая была разработана для массовых явлений, напри­мер, таких, в которых участвует большое число частиц. Метод описания, использующий теорию вероятностей, называют стати­стическимметодом, а закономерности, выявляемые с помощью этого метода – статистическими закономерностями.

Статистические методы описания случайных явлений широко используются в самых различных областях знания: в физике, химии, астрономии, биологии, экономике, языкознании, в вычис­лительной технике, инженерном деле и др. Мы познакомимся с применением этого метода в молекулярной физике. С начала нам потребуется ввести необходимые понятия.

Важнейшие понятия статистического метода – понятие о случайном событии, вероятности события, статистическом рас­пределении, среднем значении случайной величины[1].

Статистическая физика (статистическая механика) – раздел физики, изучающий свойства макроскопических тел как систем из очень большого числа частиц (молекул, атомов, электронов). В статистической физике применяют статистические методы, основанные на теории вероятностей. Статистическую физику разделяют на статистическую термодинамику, исследующую системы в состояниях статистического равновесия, и кинетику физическую, или неравновесную статистическую термодинамику, изучающую неравновесные процессы. Статистическая физика, основанная на законах квантовой механики, называется квантовой статистикой. Основные задачи статистической физики – вычисление наблюдаемых макроскопических величин, характеризующих систему, на основе закона движения составляющих ее частиц; в случае статистического равновесия – вычисление термодинамических потенциалов (свободной энергии, давления и др.) в зависимости от температуры и др. параметров, в неравновесном случае – получение уравнений, описывающих неравновесные процессы. Статистическая физика – основа теории газов, жидкостей и твердых тел, имеет широкую область применения.

Молекулярная физика, раздел физики, изучающий физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их молекулярного строения. Из молекулярной физики выделились в самостоятельные разделы физика твердого тела, физическая кинетика, физическая химия и т. д.

Место курса физики в школьном образовании определяется значением физической науки в жизни современного общества, в решающем ее влиянии на темпы развития научно-технического прогресса. Обучение физике в школе служит целям образования и воспитания личности: вооружать учащихся знаниями и умениями, необходимыми для их развития, подготовки к работе и продолжения образования. В задачи обучения физике входит:

а) воспитание учащихся на основе разъяснения роли физики в ускорении научно-технического прогресса, раскрытия достижений науки и техники и перспектив их развития, ознакомления с вкладом отечественных и зарубежных ученых в развитие физики и техники;

б) формирование знаний об экспериментальных фактах, понятиях, законах, теориях, методах физической науки, современной научной картине мира;хники, атомной энергетики, технологии производства и обработки новых материалов, с применением физических законов в технике и технологии производства;

в) формирование умений самостоятельно приобретать и применять знания, наблюдать и объяснять физические явления, а также умений пользоваться учебником, справочной и хрестоматийной литературой;

г) формирование некоторых экспериментальных умений: умений пользоваться приборами и инструментами, обрабатывать результаты измерений и делать выводы на основе экспериментальных данных, соблюдать правила техники безопасности;

д) развитие познавательного интереса к физике и технике, творческих способностей; формирование осознанных мотивов учения; подготовка к сознательному выбору профессии на основе тесной связи обучения физике с жизнью.

Решение задач образования и развития школьников, подготовки их к труду возможно лишь при условии усвоении ими основ физической науки. На это направлена реализация принципа генерализации учебного материала, такого его отбора и такой методики преподавания, при которых главное внимание уделено изучению основных фактов, понятий, законов, теорий и методов физической науки, обобщению широкого круга физических явлений на основе теории. Отсюда вытекает повышение требований к умению учащихся применять основные положения науки для самостоятельного объяснения физических явлений, результатов эксперимента, действия приборов и установок.

В каждый раздел курса включен основной материал, глубокого и прочного усвоения которого следует добиваться, не загружая память учащихся частными фактами. Таким основным материалом для всего курса физики служат законы сохранения (энергии, импульса, электрического заряда); для первой ступени обучения физике — молекулярно-кинетические и электронные представления, понятия массы, плотности, силы, энергии, законы Паскаля и Ома; для механики—идеи относительности движения, законы Ньютона; для молекулярной физики — основные положения молекулярно-кинетической теории, основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа, первый закон термодинамики; для электродинамики — учение об электромагнитном поле, электронная теория, законы Кулона и Ампера, явление электромагнитной индукции; для квантовой физики — квантовые свойства света, квантовые постулаты Бора, закон взаимосвязи массы и энергии. В основной материал также входят важнейшие следствия из законов и теорий, их практическое применение.

При изучении физических теорий, мировоззренческой интерпретации законов формируются знания учащихся о современной научной картине мира. В содержании школьного курса физики отражены теоретико-познавательные аспекты учебного материала — границы применимости физических теорий и соотношения между теориями различной степени общности, роль опыта в физике как источника знаний и критерия правильности теорий, сведения из истории развития науки.

Воспитанию учащихся служат сведения о перспективах развития физики и техники, о роли физики в ускорении научно-технического прогресса, из истории развития науки (молекулярно-кинетической теории, учения о полях, взглядов на природу света и строение вещества).