Динамические и статистические закономерности в физике. Статистический и термодинамический методы исследования

Динамические и статистические закономерности в физике. В молекулярной физике приходится иметь дело с очень большим числом частиц (порядка числа Авогадро). Казалось бы можно записать уравнение движения для каждой частицы и затем, решив систему уравнений, описывающих все частицы, описать поведение колектива из этих частиц в целом, однако такая задача оказывается невыполнимой даже по чисто техническим причинам. В настоящее время с помощью мощных ЭВМ удается решать такую задачу для коллектива 1000 частиц. Результат такого решения показывает, что даже в этом случае поведение коллектива не зависит от поведения каждой частицы в отдельности. Поведение коллектива в целом является результатом усреднения поведения каждой частицы в отдельности, поэтому в молекулярной физике применение обычных законов динамики не позволяет описать поведение колектива из большого числа частиц, поэтому физические свойства макроскопических систем в молекулярной физике изучаются двумя взаимодополняющими друг друга методами — статистическим и термодинамическим.

Статистический метод основан на использовании теории вероятности и определенных моделях изучаемой системы. Поведение большого числа частиц, координаты и импульсы которых меняются случайным образом, проявляет статистические закономерности.

Раздел физики, в котором с помощью статистического метода изучаются физические свойства макроскопических систем называется статистической физикой. Связь между динамическими закономерностями, описывающими поведение каждой частицы в отдельности и статистические закономерности, описывает поведение системы в целом, заключается в том, что законы движения отдельных частиц после усреднения по всей системе определяют ее свойства.

Термодинамический метод основан на анализе условий и количественных соотношений превращений энергии, проходящих в системе. Термодинамический метод не рассматривает поведение каждой частицы в отдельном.

Динамические законы

Многие физические явления в механике, электромагнетизме и теории относительности подчиняются, так называемым динамическим закономерностям. Динамические законы отражают однозначные причинно-следственные связи, подчиняющиеся детерминизму Лапласа

Причина Следствие

Динамические законы – это законы Ньютона, уравнения Максвелла, уравнения теории относительности

2.1. Классическая механика Ньютона

Основу механики Ньютона составляют закон инерции Галилея, два закона открытые Ньютоном, и закон Всемирного тяготения, открытый также Исааком Ньютоном

1. Согласно сформулированному Галилеем закону инерции, тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не выведет его из этого состояния

2. Этот закон устанавливает связь между массой тела, силой и ускорением

3. Устанавливает связь между силой действия и силой противодействия

4. В качестве IV закона выступает закон всемирного тяготения

Два любых тела притягиваются друг к другу с силой пропорциональной массе сил и обратно пропорциональной квадрату расстояния между центрами тел.

2.2. Уравнения Максвелла

Уравнения Максвелла – наиболее общие уравнения для электрических и магнитных полей в покоящихся средах. В учении об электромагнетизме они играют такую же роль, как законы Ньютона в механике. Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле связано с порождаемым им магнитным, т. е. электрическое и магнитное поля неразрывно связаны друг с другом – они образуют единое электромагнитное поле

Из уравнений Максвелла следует, что источниками электрического поля могут быть либо электрические заряды, либо изменяющиеся во времени магнитные поля, а магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися электрическими зарядами (электрическими токами), либо переменными электрическими полями. Уравнения Максвелла не симметричны относительно электрического и магнитного полей. Это связано с тем, что в природе существуют электрические заряды, но нет зарядов магнитных

2.3. Уравнения теории относительности

Специальная теория относительности, принципы которой сформулировал в 1905 г. А.Эйнштейн, представляет собой современную физическую теорию пространства и времени, в которой, как и в классической ньютоновской механике, предполагается, что время однородно, а пространство однородно и изотропно. Специальная теория часто называется релятивистской теорией, а специфические явления, описываемые этой теорией - релятивистским эффектом (эффект замедления времени)

В основе специальной теории относительности лежат постулаты Эйнштейна:

принцип относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой;

принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета

Первый постулат, являясь обобщением механического принципа относительности Галилея на любые физические процессы, утверждает таким образом, что физические законы инвариантны по отношению к выбору инерциальной системы отсчета, а уравнения, описывающие эти законы, одинаковы по форме во всех инерциальных системах отсчета. Согласно этому постулату, все инерциальные системы отсчета совершенно равноправны, т. е. явления механические, электродинамические, оптические и др. во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково

Согласно второму постулату, постоянство скорости света в вакууме – фундаментальное свойство природы.

Общая теория относительности, называемая иногда теорией тяготения – результат развития специальной теории относительности. Из нее вытекает, что свойства пространства-времени в данной области определяются действующими в ней полями тяготения. При переходе к космическим масштабам геометрия пространства-времени может изменятся от одной области к другой в зависимости от концентрации масс в этих областях и их движения

3. Статистические закономерности

При попытке использовать однозначные причинно-следственные связи и закономерности к некоторым физическим процессам обнаружилась их недееспособность. Появились многозначные причинно-следственные связи, подчиняющиеся вероятностному детерминизму

Следствие

Причина Следствие

Статистические закономерности и законы используют теорию вероятностей. Это наука о случайных процессах. В этих рамках следует пояснить следующие понятия:

Достоверные события, невозможные события и промежуточные между достоверными и невозможными случайные события.

Количественно случайные события оцениваются при помощи вероятности:

Статистическая вероятность

Достоверные и невозможные события можно рассматривать как частные случаи случайных событий:

Вероятность достоверна = 1

Вероятность невозможна = 0

Классическая вероятность

Этой вероятностью называется отношение числа элементарных событий к общему числу равнозначных событий

Например рассмотрим куб. У него 6 граней. 6 – это число равнозначных событий. Появление определенной грани – это элементарное событие (в данном случае 1). Следовательно:

P = 5

Приведем пример статистического закона, который описывает физические явления, наблюдаемые в физических средах, состоящих из большого числа частиц:

Закон распределения Максвелла

Этот закон устанавливает зависимость вероятности в распределении скорости движения молекул газа от скорости движения молекул, причем с вероятной скоростью движется большинство молекул.