Реферат: Динамические и статистические законы

Министерство общего и профессионального образования.

Государственный Университет Управления.

Реферат

        натему:

“Динамические и статистические законы”

 Выполнена студентом

Коноваловым АлександромВладимировичем.

    Студенческий билет № Э-52-99

     Группа №2

     Дата выполнения10.12.1999

Руководитель Евгений Васильевич Ергопуло.

Аннотация.

    В этой работе речь пойдето закономерностях, деление которых приводит к появлению статистических идинамических. Суть их заключается и подчиняется так называемойпричинно-следственной связи, основоположником и представителем которой был ПьерСимон Лаплас. Каким образом она(связь) здесь выступает поговорим позже. Авторпопытается показать суть и динамических и статистических закономерностей,причем грань различия между ними будет показана не размывчатая, а четкая иясная.

   Оглавление:

1.  1.   Введение                                                   стр.4

2.  2.   Детерминизм Лапласа                            стр.4

3.  3.   Динамические закономерности            стр.6

4.  4.   Статистические закономерности

·   ·    Вероятностный характер микропроцессов стр.12

·   ·    Статистическая физика                                 стр.14

5.  5.   Заключение                                             стр.18

6.  6.   Литература                                              стр.19

Введение.

     Современная физикаизучает огромнейшее количество различных процессов в природе. Не все из нихподдаются изучению и объяснению. Безусловно многое человеку еще не известно, аесли известно то может быть не объяснено сейчас. Тем не менее наука идет впереди общие (классические) концепции существования природы известны уже сейчас.

     Процессы протекающиевокруг нас не всегда поддаются точному объяснению. Как раз на этом этапе передчеловеком и встала проблема создания таких моделей и методов познания, которыебы смогли объяснить непознанное. Несомненно в решении этой нелегкой задачиглавную роль сыграло не только физическое толкование и применение физики, апришлось обращаться к математики, к прикладной математики и ряду других точныхнаук. Результат? Постепенное постижение истины.

     Как уже говорилось ранеев этой работе речь пойдет о динамических и статистических законах, на которыхсегодня и держится современная картина мира. Такое деление законов еще разподтверждает что непознаное, не точно исчисляемое и объясняемое постепенностановится явью с помощью новых концепций. Появление статистических методов впознании, а также развитие теории вероятностей ¾ вотновое оружие современного ученого.

Детерминизм Лапласа.

    Причинное объяснение многих физических явлений, т. е. ре­альное воплощениезародившегося еще в древности принципа причинности в естествознании, привело вконце XVIII — начале XIX вв. к неизбежной абсолютизации классической механики.Возникло философское учение — механистический детерми­низм, классическимпредставителем которого был Пьер Симон Лаплас (1749—1827), французскийматематик, физик и философ. Лапласовский детерминизм выражает идеюабсолютного детерми­низма — уверенность в том, что все происходящее имеет причи­нув человеческом понятии и есть непознанная разумом необхо­димость.      Суть егоможно понять из высказывания Лапласа:

     Современные событияимеют с событиями предшествующими связь, осно­ванную на очевидном принципе, чтоникакой предмет не может начать быть без причины, которая его произвела…Воля, сколь угодно свободная, не мо­жет без определенного мотива породитьдействия, даже такие, которые счи­таются нейтральными… Мы должнырассматривать современное состояние Вселенной как результат ее предшествующегосостояния и причину после­дующего. Разум, который для какого-нибудь данногомомента знал бы все силы, действующие в природе, и относительное расположениеее составных частей, если бы он, кроме того, был достаточно обширен, чтобыподвергнуть эти данные анализу, обнял бы в единой формуле движения самыхогромных тел во Вселенной и самого легкого атома; для него не было бы ничегонеяс­ного, и будущее, как и прошлое, было бы у него перед глазами… Кривая,описываемая молекулой воздуха или пара, управляется столь же строго иопределенно, как и планетные орбиты: между ними лишь та разница, что на­лагаетсянашим неведением.

     Дальнейшее развитие физики показало, что в природемогут происходить процессы, причину которых трудно определить. Например,процесс радиоактивного распада происходит случайно. Подобные процессыпроисходят объективно случайно, а не потому, что мы не можем указать их причинуиз-за недостатка наших знаний. И наука при этом не перестала развиваться, аобогатилась новыми законами, принципами и концепциями, которые показываютограниченность классического принципа — лапласовского детерминизма. Абсолютноточное описание всего прошедшего и предсказание будущего для колоссальногомного­образия материальных объектов, явлений и процессов — задача сложная илишенная объективной необходимости. Даже в самом простейшем случае классическоймеханики из-за неустранимой неточности измерительных приборов точноепредсказание со­стояния даже простого объекта — материальной точки — такженереально.

Динамические закономерности.

     Физические явления вмеханике, электромагнетизме и теории относительности в основномподчиняются, так называемым динамическим закономерностям.Динамические законы отражают однозначные причинно-следственные связи,подчиняющиеся детерминизму Лапласа.

/>

Причина                      Следствие

     Динамические законы – это законы Ньютона, уравненияМаксвелла, уравнения теории относительности.

Классическая механикаНьютона.

     Основу механики Ньютонасоставляют закон инерции Галилея, два закона открытые Ньютоном, и законВсемирного тяготения, открытый также Исааком Ньютоном.

1.  1.   Согласносформулированному Галилеем закону инерции, тело сохраняет состояние покоя илиравномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороныдругих тел не выведет его из этого состояния.

2.  2.   Этотзакон устанавливает связь между массой тела, силой и ускорением.

3.  3.   Устанавливаетсвязь между силой действия и силой противодействия.

4.  4.   Вкачестве IV закона выступает закон всемирного тяготения.

Двалюбых тела притягиваются друг к другу  с силой пропорциональной массе сил иобратно пропорциональной квадрату расстояния между центрами тел.

Уравнения Максвелла.

     Уравнения Максвелла –наиболее общие уравнения для электрических и магнитных полей в покоящихсясредах. В учении об электромагнетизме они играют такую же роль, как законыНьютона в механике. Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитноеполе всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменноеэлектрическое поле связано с порождаемым им магнитным, т. е. электрическое имагнитное поля неразрывно связаны друг с другом – они образуют единоеэлектромагнитное поле.

     Из уравнений Максвелласледует, что источниками электрического поля могут быть либо электрическиезаряды, либо изменяющиеся во времени магнитные поля, а магнитные поля могутвозбуждаться либо движущимися электрическими зарядами (электрическими токами),либо переменными электрическими полями. Уравнения Максвелла не симметричныотносительно электрического и магнитного полей. Это связано с тем, что вприроде существуют электрические заряды, но нет зарядов магнитных.

Уравнения теорииотносительности.

     Специальная теорияотносительности, принципы которой сформулировал в 1905 г. А.Эйнштейн,представляет собой современную физическую теорию пространства и времени, вкоторой, как и в классической ньютоновской механике, предполагается, что времяоднородно, а пространство однородно и изотропно. Специальная теория частоназывается релятивистской теорией, а специфические явления, описываемыеэтой теорией — релятивистским эффектом (эффект замедления времени).

     В основе специальнойтеории относительности лежат постулаты Эйнштейна:

1.  1.   принцип относительности: никакие опыты(механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальнойсистеме отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система илидвижется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантныпо отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой;

2.  2.   принцип инвариантности скорости света: скоростьсвета в вакууме не зависит от скорости движения света или наблюдателя иодинакова во всех инерциальных системах отсчета.

     Первый постулат, являясьобобщением механического принципа относительности Галилея на любые физическиепроцессы, утверждает таким образом, что физические законы инвариантны поотношению к выбору инерциальной системы отсчета, а уравнения, описывающие этизаконы, одинаковы по форме во всех инерциальных системах отсчета. Согласноэтому постулату, все инерциальные системы отсчета совершенно равноправны, т. е.явления механические, электродинамические, оптические и др. во всехинерциальных системах отсчета протекают одинаково.

     Согласно второмупостулату, постоянство скорости света в вакууме – фундаментальное свойствоприроды.      

     Общая теорияотносительности, называемая иногда теорией тяготения – результатразвития специальной теории относительности. Из нее вытекает, что свойствапространства-времени в данной области определяются действующими в ней полямитяготения. При переходе к космическим масштабам геометрия пространства-времениможет изменятся от одной области к другой в зависимости от концентрации масс вэтих областях и их движения.

Статистические закономерности.

     При попытке использоватьоднозначные причинно-следственные связи и закономерности к некоторым физическимпроцессам обнаружилась их недееспособность. Появилисьмногозначные причинно-следственные связи, подчиняющиеся вероятностномудетерминизму.

/>/>/>                               Следствие

Причина              Следствие

                              Следствие

/>/>/>                                  Причина

Следствие               Причина

                                  Причина

     Статистическиезакономерности и законы используют теорию вероятностей. Это наукао случайных процессах. В этих рамках следует пояснить следующие понятия:

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

     Количественно случайныесобытия оцениваются при помощи вероятности:

1.  1.   Статистическая вероятность.

/>

     Достоверные иневозможные события можно рассматривать как частные случаи случайных событий:

     Вероятностьдостоверна  = 1

     Вероятностьневозможна = 0

2.  2.   Классическая вероятность.

Этойвероятностью называется отношение числа элементарных событий к общему числуравнозначных событий.

Напримеррассмотрим куб. У него 6 граней. 6 – это число равнозначных событий. Появлениеопределенной грани – это элементарное событие (в данном случае 1). Следовательно:

 P = 5

     Приведем пример статистического закона, которыйописывает физические явления, наблюдаемые в физических средах, состоящих избольшого числа частиц:

Законраспределения Максвелла.

Этот закон устанавливаетзависимость вероятности в распределении скорости движения молекул газа отскорости движения молекул, причем с вероятной скоростью движется большинствомолекул.

Распределение Гаусса.

Или еще функция Гаусса – этозакономерность, подчиняющаяся результатам измерений.

/>/>/>

                        ∑ ∆x

/>/>/>Sx=                           ¾  среднеквадратичнаяошибка.

                         n

             X2

S =  ∫f(x)dx       ¾  вероятность того, что полученый 

            X1                                         результат лежит в пределах от X1                    

                                                  до  X2.

 Вероятностный характер микропроцессов.  

     Вероятностные процессытакже наблюдаются в поведении отдельновзятых микрочастицах: 

   Y— волновая функция. ( де Бройля ).

Необходимостьвероятностного подхода к описанию микро­частиц — важная отличительнаяособенность квантовой теории. Можно ли волны де Бройля истолковывать как волнывероятно­сти, т. е. считать, что вероятность обнаружить микрочастицы вразличных точках пространства меняется по волновому закону? Такое толкованиеволн де Бройля неверно уже хотя бы потому, что тогда вероятность обнаружитьчастицу в некоторых точках пространства может быть отрицательна, что не имеетсмысла.

Чтобы устранитьэти трудности, немецкий физик М. Борн (1882—1970) в 1926 г. предположил, что поволновому закону меняется не сама вероятность, а амплитуда вероятности, назван­наяволновой функцией. Описание состояния микрообъекта с по­мощьюволновой функции имеет статистический, вероятност­ный характер:

квадрат модуляволновой функции (квадрат модуля амплитуды волн де Бройля) определяетвероятность нахождения частицы в данный момент времени в определенном,ограниченном объеме.

                  dP

/>      /Y/ =                   ¾  вероятность обнаружения

                 dV                 частицы в данной точке     

                                                                пространства.

Статистическая физика.

     Раздел физики, изучающий закономерности процессов,наблюдающихся в макроскопических телах (физические системы, состоящие избольшого числа взаимодействующих частиц).

Статистическая механика.

     К концу XIXв. была создана последовательная теория поведения больших общностей атомов имолекул – молекулярно-кинетическая теория, или статистическаямеханика. Многочисленными опытами была доказана справедливость этой теории.

    Процессы, изучаемые молекулярной физикой, являются

результатом совокупногодействия огромного числа молекул.

Поведение громадного числамолекул анализируется с помощью

статистического метода, который основан на том, что свойствамакроскопической системы в конечном результате определяются свойствами частицсистем, особенностями их движения и усредненными значениями кинетических идинамических характеристик этих частиц (скорости, энергии, давления и т.д.).         Например, температура тела определяется скоростью беспорядочногодвижения его молекул, но так как в любой момент времени разные молекулы имеютразличные скорости, то она может быть выражена только через среднее значениескорости движения молекул. Нельзя говорить о температуре одной молекулы.Макроскопические характеристики тел имеют физический смысл лишь в случаебольшого числа молекул.

    После создания молекулярной физики термодинамика не ут­ратила своего значения.Она помогает понять многие явления и с успехом применяется при расчетах многихважных механиче­ских устройств. Общие законы термодинамики справедливы для всехвеществ, независимо от их внутреннего строения.

    Однако при расчете различных процессов с помощью термодинамики многиефизические параметры, например теплоемко­сти тел, необходимо определятьэкспериментально. Статистиче­ские же методы позволяют на основеданных о строении веще­ства определить эти параметры. Но количественная теориятвер­дого и особенно жидкого состояния вещества очень сложна. По­этому в рядеслучаев простые расчеты, основанные на законах термодинамики, оказываютсянезаменимы.

     Внастоящее время в науке и технике широко используются как термодинамические,так и статистические методы описания свойств микросистемы.

Термодинамика.

1.  1.   Первое начало термодинамики.

     Количество теплоты ∆Q, сообщенноетелу, идет на увеличение его внутренней энергии  ∆U ина совершение телом работы ∆A, т. е.

∆Q = ∆U + ∆A

     Всякаяпредставленная самой себе системастремится перейти в состояние термодинамического равновесия, в которомтела покоятся друг относительно друга, обладая одинаковыми температурами идавлением. Достигнув этого состояния, система сама по себе из него не выходит.Значит все термодинамические процессы, приближающиеся к тепловому равновесию,необратимы.

2.  2.   Второе начало термодинамики.

     Сущность второго началатермодинамики составляет утверждение о невозможности получения работы за счетэнергии тел, находящихся в термодинамическом равновесии.

 Окружающаянас среда обладает значительными запасами тепловой энергии. Двигатель,работающий только за счет энер­гии находящихся в тепловом равновесии тел, былбы для прак­тики вечным двигателем. Второе начало термодинамики исклю­чаетвозможность создания такого вечного двигателя.

Необратимость тепловыхпроцессов имеет вероятностный характер. Самопроизвольный переход тела изравновесного со­стояния в неравновесное не невозможен, а лишь подавляющемаловероятен. В конечном результате необратимость тепловых процессовобусловливается колоссальностью числа молекул, из которых состоит тело.

Молекулы газа стремятсяк наиболее вероятному состоянию, т. е. состоянию с беспорядочнымраспределением молекул, при котором примерно одинаковое число молекул движетсявверх и вниз, вправо и влево, при котором в каждом объеме находится примерноодинаковое число молекул, одинаковая доля быстрых и медленных молекул в верхнейи нижней частях какого-либо сосуда. Любое отклонение от такого беспорядка,хаоса, т. е. от равномерного и беспорядочного перемешивания молекул по местам искоростям, связана с уменьшением вероятности, или представляет собой менее вероятноесобытие. Напротив, явле­ния, связанные с перемешиванием, с созданием хаоса изпоряд­ка, увеличивают вероятность состояния. Только при внешнем воздействиивозможно рождение порядка из хаоса, при котором порядок вытесняет хаос. Вкачестве примеров, демонстрирую­щих порядок, можно привести созданные природойминералы, построенные человеком большие и малые сооружения или про­сто радующиеглаз своеобразные фигуры.

     Количественной характеристикойтеплового состояния тела является число микроскопических способов, которыми этосо­стояние может быть осуществлено. Это число называется статистическим весомсостояния; обозначим его буквой W. Тело, пре­доставленное самому себе,стремится перейти в состояние с большим статистическим весом. Принятопользоваться не самим числом W, а его логарифмом, которыйеще умножается на посто­янную Больцмана k . Определенную таким образом величину

S= k lnW

называютэнтропией тела.

Нетрудноубедиться в том, что энтропия сложной системы равна сумме энтропии ее частей.

Закон,определяющий направление тепловых процессов, можно сформулировать какзаконвозрастания энтропии:

для всехпроисходящих в замкнутой системе тепловых процес­сов энтропия системывозрастает; максимально возможное значе­ние энтропии замкнутой системы достигаетсяв тепловом равно­весии:

∆S ≥

    Данноеутверждение принято считать количественной формулировкой  второго  закона термодинамики,  открытого Р.Ю.Клаузиусом (его молекулярно-кинетическоеистолкование дано Л.Больцманом).

     Идеальномуслучаю — полностью обратимому процессу замкнутой системы — соответствует неизменяющаяся энтропия. Все естественные процессы происходят так, чтовероятность со­стояния возрастает, что означает переход от порядка к хаосу.Значит, энтропия характеризует меру хаоса, которая для всех естественныхпроцессов возрастает. В этой связи закон о невоз­можности вечного двигателявторого рода, закон о стремлении тел к равновесному состоянию получают своеобъяснение. По­чему механическое движение переходит в тепловое? Да потому, чтомеханическое движение упорядочено, а тепловое беспоря­дочно, хаотично.

Заключение.

     В заключении нужно сказать, что из выше сказанногои описанного все законы и принципы применяются сейчас в современной физике,космологии, а также в развивающемся сейчас естествознании и в ряде других наук,изучающих природу в целом.

     Также нельзя утверждатьчто статистические законы более точные и более применимые в описании явленийвокруг нас по сравнению с динамическими закономерностями и принципами. Ни вкоем случае, вед каждая из предложенных к рассмотрению совокупность законоврассматривает абсолютно не идентичные процессы, да и протекают они (процессы)совершенно по разному. Поэтому и произошло такое разделение на две составныечасти.

     Литература.

1. 1.    Е.В. Ергопуло,  Лекции по КСЕ.

2. 2.    Карпенков С.Х.Концепции современного    естествознания. М.: 1997

3. 3.    Физическаяэнциклопедия.

4. 4.     Р. Фейнман. Характер физических законов.