IT-Reviews    

АВТОРСКАЯ ПРОГРАММА КУРСА СТАТИСТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ ДЛЯ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ

c78089d0 Источник:
Московский С.Б. Статья в формате PDF 241 KB

Курс статистической физики и термодинамики преподается автором в Ярославском государственном педагогическом университете им. К Д. Ушинского более 15 лет для студентов специальности «физика» как раздел дисциплины государственного образовательного стандарта «теоретическая физика». По курсу издан авторский учебник с рекомендательным грифом Министерства образования Российской Федерации1.

Лекционный курс построен в соответствии с общепринятой в настоящее время схемой, называемой методом Гиббса. Сутью этого метода является развитие статистических моделей равновесных систем с большим количеством степеней свободы с целью рационального обоснования термодинамики.

В начале теоретического курса развивается статистический метод исследования классических и квантовых равновесных систем. Вводятся понятия вероятности и функции распределения. Устанавливается связь между распределениями по состояниям и по энергиям для равновесных систем. При этом применяется формализм Гиббса - вероятности и функции распределения рассматриваются для микросостояний и энергий всей системы. Далее находится общий вид равновесных функций распределения для замкнутых и квазизамкнутых систем.

На основе наиболее общего статистического подхода строится термодинамика (статистическая термодинамика). Даются статистические определения основных термодинамических функций состояния: внутренней энергии, энтропии, температуры, давления. Обосновываются первое и второе начала термодинамики. Далее рассматриваются традиционные вопросы термодинамики: уравнения состояния, политропические процессы, теория тепловых машин, эффект Джоуля-Томсона, тепловая теорема Нернста. Обосновывается универсальный метод термодинамических потенциалов. Формулируются общие условия равновесия термодинамических систем.

В рамках метода термодинамических потенциалов устанавливается их зависимость от числа частиц, и на основе этой зависимости каноническое распределение Гиббса обобщается на случай квазизамкнутых систем с переменным числом частиц.

Рассматривается термодинамическая теория фазовых переходов 1 рода. Дается понятие о фазовых переходах 2 рода.

После построения статистической термодинамики рассматриваются конкретные модели вещества: идеальные и реальные газы, вырожденные квантовые газы. Демонстрируются статистические способы вычисления их характеристических функций.

Для самостоятельного изучения предлагаются вопросы теории флуктуаций Эйнштейна, броуновское движение, основы кинетики.

Цикл практических занятий строится не параллельно по отношению к теоретическому лекционному курсу. Он начинается с наиболее простых вопросов термодинамики, известных студентам из курса общей физики. Начала термодинамики, определения термодинамических функций состояния на практических занятиях сначала формулируются на основе феноменологического подхода. По мере подхода к окончанию раздела «термодинамика» на практических занятиях в лекционном курсе уже дается статистическое обоснование начал термодинамики и раскрывается статистический смысл термодинамических функций состояния. Тема «Характеристические функции и термодинамические потенциалы» на лекционных и практических занятиях проходится в одно время или с разрывом не более недели.

Второй раздел практического цикла, «статистическая физика», примерно равный по объему разделу «термодинамика», начинается в середине семестра с возврата к тематике начала лекционного курса. Здесь происходит закрепление пройденного материала на основе решения практических задач. Начиная с темы «Распределение Максвелла-Больцмана» практический цикл и лекционный курс ведутся в традиционном режиме: на практических занятиях решаются задачи по темам, только что пройденным на лекциях.

Каждый из разделов практического цикла завершается индивидуальной домашней контрольной работой.

Семинарские занятия представляют отчеты по самостоятельному изучению теоретического материала в ходе семестра (в форме докладов на аудиторных занятиях).

Таблица 1. Почасовой план лекционного курса, практических и семинарских занятий приведен ниже

Тематика занятий

Кол-во часов

Лекции:

1. Основные понятия статистической физики

Системы с большим числом частиц, фазовое пространство, фазовые переменные, микро- и макросостояния для классических и квантовых систем, вероятность и функция распределения в классической статистике, теорема Лиувилля, равновесные и неравновесные макросостояния, квазизамкнутые подсистемы, принцип равновероятности микросостояний с одинаковой энергией, распределения по состояниям и по энергиям, квантовые распределения.

2. Равновесные статистические распределения

Микроканоническое распределение, каноническое распределение Гиббса, следствия из распределения Гиббса для классических систем: независимость распределений по координатам и импульсам, теорема о равномерном распределении энергии по степеням свободы, распределение Максвелла.

3. Статистическая термодинамика

Внутренняя энергия, энтропия, закон возрастания энтропии, обратимые и необратимые процессы, температура, давление, основное термодинамическое тождество, первое и второе начала термодинамики, уравнения состояния, теплоемкости и политропические процессы, тепловые машины, теорема Карно, циклы Отто и Дизеля, термодинамические потенциалы и характеристические функции, соотношения Максвелла, общие условия термодинамического равновесия, эффект Джоуля-Томсона, теорема Нернста, зависимость термодинамических функций от числа частиц, большое каноническое распределение.

4. Фазовые переходы

Общие условия равновесия фаз, фазовые переходы 1 и 2 рода, формула Клапейрона-Клаузиуса, критическая точка, изотермы Ван-дер-Ваальса и конденсация газов, закон соответственных состояний.

5. Идеальные и реальные газы

Распределение Максвелла-Больцмана, статистический интеграл одноатомного идеального газа, два способа вычисления характеристических функций, статистическая сумма многоатомного идеального газа, статистический интеграл реального газа, теория теплоемкости газов: классическая теория теплоемкости, квантовый подход к оценке энергий внутреннего движения молекул многоатомного газа, квантовая теория теплоемкости газов: колебательная теплоемкость, вращательная теплоемкость.

6. Вырожденные идеальные газы

Симметрия волновых функций тождественных частиц, распределения Ферми и Бозе, плотность квантовых состояний, критерий вырождения, вырожденный ферми-газ, вырожденный бозе-газ, бозе-конденсация, омега-потенциал и термодинамика вырожденных газов, статистика равновесного излучения.

7. Основы теории флуктуаций

Принцип Больцмана, распределение Гаусса для вероятностей флуктуаций, флуктуации основных термодинамических величин, броуновское движение, связь между подвижностью и коэффициентом диффузии.

8. Элементы теории неравновесных процессов

Кинетическое уравнение Больцмана, распределение Максвелла-Больцмана как следствие кинетического уравнения Больцмана для равновесных идеальных газов, Н-теорема Больцмана и закон возрастания энтропии.

Практические занятия

Термодинамика

1. Уравнения состояния идеальных и реальных газов

2. Работа газов в различных процессах

3. Тепло, теплоемкости и политропические процессы

4. Термическое и калорическое уравнения состояния, их связь

5. Вычисление к.п.д. тепловых двигателей

6. Циклы Отто и Дизеля

7. Энтропия идеального газа и ее изменение в различных процессах

8. Изменение энтропии в необратимых процессах

9. Характеристические функции и термодинамические потенциалы

Статистическая физика

10. Вычисление фазовых объемов, распределение Гиббса

11. Распределение Максвелла

12. Распределение Больцмана

13. Вычисление статистических интегралов

14. Вырожденный ферми-газ

15. Вырожденный бозе-газ, бозе-конденсация

Семинарские занятия

1. Основные понятия статистической физики

Фазовая точка и фазовая траектория, фазовый объем, вероятности и функции распределения, распределение по энергиям, микроканоническое распределение, вывод канонического распределения Гиббса для системы в термостате.

2. Основные понятия статистической термодинамики

Внутренняя энергия, энтропия, закон возрастания энтропии, статистические определения температуры и давления, основное термодинамическое тождество, первое и второе начала термодинамики, принцип работы тепловых машин, невозможность создания вечных двигателей 1 и 2 рода, вывод основного термодинамического тождества из распределения Гиббса, связь статистических и термодинамических величин.

36

4

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

16

 

 

3

 

 

 

6

 

 

4

 

 

самост.

изуч.

 

 

самост.

изуч.

36

18

2

2

2

2

2

2

2

2

2

18

2

4

4

4

2

2

8

4

 

 

 

4

Отдельные вопросы преподавания статистической физики и термодинамики, а также программа и структура курса представлялись автором ранее на международных конференциях и публиковались в открытой печати2-5.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Московский С.Б. Курс статистической физики и термодинамики. Ярославль: изд-во ЯГПУ, 1998, 267 с.
  2. Московский С.Б. Распределение Максвелла и парадоксы классической статистики. - Яросл. пед. вестник, 1998, № 2, с.125-129.
  3. Московский С.Б. Программа и структура организации учебного процесса по дисциплине «Статистическая физика и термодинамика». Тез. докл. 5 Междунар. конф. «Физика в сист. совр. образ. (ФССО-99)», т. 1, с.186-187, СПБ.: изд-во РГПУ,1999 г.
  4. Московский С.Б. Программа и структура организации учебного процесса по дисциплине «Статистическая физика и термодинамика». Физич. образование в вузах, 1999, т. 5, № 3, с. 166-172.
  5. Московский С.Б. Новый подход к трактовке парадоксов Лошмидта и Цермело в классической статистической физике Тез. докл. 6 Междунар. конф. «Физика в сист. совр. образ. (ФССО-01)» том 1, стр.120-121, Ярославль, изд-во ЯГПУ, 2001 г.

Работа представлена на IV научную конференцию с международным участием «Стратегия естественнонаучного образования», 19- 26 февраля 2005г. Хургада (Египет). Поступила в редакцию 12.01.05 г.




Отзывы (через Facebook):

Оставить отзыв с помощью аккаунта FaceBook:

МИРОВОЙ ФИНАНСОВЫЙ КРИЗИС 2008–2009 ГГ.

Статья в формате PDF 294 KB...

27 02 2021 23:17:57

КАРАМОВА ЛЕНА МИРЗАЕВНА

Статья в формате PDF 77 KB...

25 02 2021 7:44:15

ВОДНЫЙ РЕЖИМ РЕК СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО КАВКАЗА

Статья в формате PDF 126 KB...

20 02 2021 1:56:37

ХЛОР КАК ТОКСИЧЕСКИЙ АГЕНТ

Статья в формате PDF 256 KB...

12 02 2021 10:42:12

СТУК ИЗ ПРОШЛОГО

Статья в формате PDF 257 KB...

07 02 2021 13:26:46

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОГЕННОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ ТАЕЖНЫХ ЛАНДШАФТОВ НА СООБЩЕСТВА МЕЛКИХ МЛЕКОПИТАЮЩИХ ЗАПАДНОЙ ЯКУТИИ

Рассматриваются показатели видового разнообразия мелких млекопитающих в зоне влияния алмазодобывающей промышленности Западной Якутии. Исследования проводились на территории двух крупных промышленных узлов – Мирнинского (среднетаежная подзона) и Айхало- Удачнинского (северотаежная подзона). Отработано около 7040 конусо-суток, 4700 ловушко-суток и отловлено 1920 экз. мелких млекопитающих, относящихся к 17 видам. Отмечено, что при масштабных преобразованиях ландшафтов, характерных для деятельности предприятий горнодобывающей промышленности, происходят изменения состава сообществ и популяционных параметров мелких млекопитающих, что свидетельствует о пессимизации среды обитания. Причем негативные трансформации более резко выражены в пределах северотаежной подзоны. ...

03 02 2021 21:49:51

НАШ ОПЫТ ЛЕЧЕНИЯ ПОЛИПОЗНЫХ РИНОСИНУСИТОВ

Статья в формате PDF 309 KB...

02 02 2021 5:37:23

ВЛИЯНИЕ СОЧЕТАНИЯ ФИТОГОРМОНОВ И ВИТАМИНОВ НА РОСТ И ПРОДУКТИВНОСТЬ ХЛОПЧАТНИКА В УСЛОВИЯХ ВОЛГО-АХТУБИНСКОЙ ПОЙМЫ АСТРАХАНСКОЙ ОБЛАСТИ

Установлено, что предпосевное замачивание семян и опрыскивание вегетирующих растений хлопчатника (Gossipium hirsutum L.) растворами сочетаний фитогормонов кинетина ( К Н) и гибберелловой кислоты ( Г К) и совместно с витаминами никотиновой кислотой ( Н К) и пантотеновой кислотой ( П К) эффективно стимулирует полевую всхожесть семян, рост стебля и образование побегов, среднюю площадь листа и общую фотосинтетическую листовую поверхность, улучшение водного режима. Также отмечено увеличение числа коробочек, длины волокна и выхода волокна с растения от 34,6 до 60,4 %. Наиболее эффективно предпосевное замачивание семян сочетанием фитогормонов совместно с витаминами. ...

27 01 2021 9:21:18

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СТРУЙНОЙ АЭРАЦИИ ЖИДКОСТИ

Статья в формате PDF 115 KB...

23 01 2021 6:51:14

ДИАГНОСТИКА ЖЕЛЕЗОДЕФИЦИТНОЙ АНЕМИИ У ДЕТЕЙ

Статья в формате PDF 302 KB...

17 01 2021 9:17:40

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ АППРОКСИМАЦИИ ДАННЫХ

Статья в формате PDF 253 KB...

12 01 2021 6:53:22

ПОЧВЕННЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ В ЗОНЕ УРАНОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЭЛЬКОНСКОГО ГОРСТА

Установлены специфические особенности микробного населения почв мерзлотных горно-таежных техногенных ландшафтов Эльконского ураново-рудного района на территории Южной Якутии. Такие как высокая численность эколого-трофических групп микроорганизмов (2,0·103–7,6·107 кл/г), сопоставимая с плотностью микробов в лугово-степных почвах Центральной Якутии и особый характер распределения их по профилю почв в зависимости от содержания в них урана. В почве радиоактивно-загрязненного разреза с уменьшением содержания урана до 161 мг/кг наблюдается увеличение численности всех исследованных групп микроорганизмов. В остальных образцах данного разреза с увеличением содержания урана в почве наблюдается исчезновение или спад численности микроорганизмов на 1–2 порядка. В отличие от загрязненного разреза в почве нативного ландшафта численность микроорганизмов остается достаточно высокой по всему почвенному профилю. ...

01 01 2021 16:51:26

АНТИМИКРОБНЫЕ СВОЙСТВА СУХИХ ЭКСТРАКТОВ ИЗ СЫРЬЯ ВИДОВ РОДА VERONICA L.

Статья посвящена вопросам изучения антимикробных свойств природных биологически активных соединений – флавоноидов и фенолкарбоновых кислот, извлекаемых методом вихревой турбоэкстракции из сырья растений рода Veronica L. (сем. Scrophulariaceae Juss.) Предуралья. На основании проведенного исследования авторы делают вывод о возможности применения растительного сырья Veronica L. в медицинской практике. ...

31 12 2020 1:18:40

АЛЕКСЕЕВ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

Статья в формате PDF 338 KB...

24 12 2020 10:54:58

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ИСТИННЫХ УЧИТЕЛЕЙ

Статья в формате PDF 104 KB...

21 12 2020 14:43:18

КАЩЕНКО МИХАИЛ ПЕТРОВИЧ

Статья в формате PDF 319 KB...

18 12 2020 3:14:50

ГРИПП. КЛИНИЧЕСКАЯ СИМПТОМАТИКА

Статья в формате PDF 146 KB...

17 12 2020 7:50:19

ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ДЛИНУ ШИШКИ УРАЛЬСКОЙ ЕЛИ

Применен метод дисперсионного анализа для изучения силы влияния различных комплексных природных факторов на изменчивость длины шишки ели сибирской, произрастающей в Уральской лесорастительной провинции. Показано, что наибольшее влияние на изменчивость длины шишки в этом районе имеют индивидуальные особенности деревьев, долгота местности и высота над уровнем моря. ...

14 12 2020 11:51:44

ОЦЕНКА КЛИНИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ АНТИБИОТИКОТЕРАПИИ САЛЬМОНЕЛЛЕЗОВ У ДЕТЕЙ

В работе проводились исследования 129 больных в возрасте от 1 месяца до 14 лет. У 68 (52,7 %) детей был диагностирован сальмонеллез еnteritidis, а у 61 (47,3 %) – сальмонеллез typhimurium. В ходе исследования проведена оценка клинической эффективности антибиотикотерапии с определением чувствительности к антимикробным препаратам. Выявлено, устойчивость клафорана к действию большинства бета-лактамаз, определена его клиническая эффективность в терапии тяжелых форм сальмонеллеза еnteritidis. Подтверждена не высокая эффективность монотерапии ципрофлоксацином. Рекомендована коррекция лечения путем использования комбинации препаратов – ципрофлоксацин + меронем. ...

13 12 2020 12:14:59

ИЗУЧЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ В ТРАВЕ ОВСА ПОСЕВНОГО

Изучен химический состав травы овса посевного. Качественными реакциями обнаружены аминокислоты, крахмал и флавоноиды. Разработана методика спекторофотометрического определения суммы аминокислот по реакции с нингидрином. Установлено, что в траве овса содержится до 1% аминокислот в пересчете на кислоту глютаминовую. ...

11 12 2020 8:45:38

Успехи и перспективы развития эмбриологии

Статья в формате PDF 104 KB...

08 12 2020 3:51:38

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ В ФОРМАЛИЗОВАННОМ ВИДЕ

Представлена система управления в формализованном виде, что облегчает анализ свойств системы, позволяет намечать пути ее совершенствования. ...

04 12 2020 18:14:46

ИЛЬМУШКИН ГЕОРГИЙ МАКСИМОВИЧ

Статья в формате PDF 293 KB...

01 12 2020 10:32:54

АНАТОМИЯ ПОЯСНИЧНЫХ СТВОЛОВ БЕЛОЙ КРЫСЫ

Статья в формате PDF 115 KB...

25 11 2020 4:53:16

ЭКОНОМЕТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Статья в формате PDF 345 KB...

15 11 2020 22:45:39

Правовые аспекты эвтаназии

Статья в формате PDF 102 KB...

09 11 2020 17:37:49

КОМПЕТЕНТНОСТИ – РЕЗУЛЬТАТИВНО-ЦЕЛЕВАЯ ОСНОВА ОБУЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ В КОНТЕКСТЕ ДЕЯТЕЛЬНОСТНОГО ПОДХОДА

Обобщаются понятия «компетентность». Формулируются компетентности, необходимые для решения проблем безопасности жизнедеятельности в практической работе инженера. Предлагается направление целевого развития компетентностей выпускника технического вуза в процессе его обучения. ...

05 11 2020 15:31:11

ИССЛЕДОВАНИЕ ОНКОЛОГИИ

Статья в формате PDF 379 KB...

31 10 2020 21:52:23

ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ АЛГОРИТМ (2,1)-МЕТОДА ПЕРЕМЕННОГО ШАГА

Статья в формате PDF 505 KB...

22 10 2020 19:39:34

ОСНОВЫ АНЕСТЕЗИОЛОГИИ И РЕАНИМАЦИИ (учебное пособие)

Статья в формате PDF 104 KB...

15 10 2020 12:30:12

Кристаллографические методы исследования сперматозоидов крыс при воздействии несимметричного диметилгидразина (НДМГ)

Для определения возможности использования кристаллографического метода в оценке нарушений сперматогенеза при действии химических факторов были изучены кристаллограммы лизата сперматозоидов крыс после введения Н Д М Г в дозах 5, 25, 40 и 70 мг/кг. Экспериментальные исследования проводились на белых крысах-самцах. Анализ тезиограмм показал превалирование нарушений с увеличением введенной дозы Н Д М Г, начальные нарушения выявляются на ранних сроках, во всех диапазонах доз Н Д М Г. Максимальные нарушения прослеживаются при острой интоксикации в дозе 70 мг/кг и сроке 24 часа, о чем свидетельствует увеличение центров кристаллизации, формированием грубых монокристаллов и поликристаллов. Изменения кристаллоографической картины в тезиограммах лизата спермы крыс свидетельствуют о метаболических изменениях в сперматозоидах, развивающихся в ответ на действие Н Д М Г, что позволяет рекомендовать кристаллографические методы для оценки действия репродуктивных токсикантов и они могут служить индикаторами функционального состояния организма. ...

08 10 2020 22:53:45

Еще:
Обзоры -1 :: Обзоры -2 :: Обзоры -3 :: Обзоры -4 :: Обзоры -5 :: Обзоры -6 :: Обзоры -7 :: Обзоры -8 :: Обзоры -9 :: Обзоры -10 :: Обзоры -11 ::

Последовательность подготовки научной работы может быть такой:

Выбор темы. Это важный этап. Во-первых, тема должна быть интересна не только вам, но и большинству слушателей, которым вы будете её докладывать, чтобы вы видели заинтересованность в их глазах, а не откровенную скуку.

Выбор целей и задач своей научной работы. То есть, нужно сузить тему. Например, тема: «Грудное вскармливание», сужение темы: «Грудное вскармливание среди студенток нашего ВУЗа». И если общая тема мало кому интересна, то суженная до рамок собственного института или университета, она становится интересной практически для всех слушателей. Целью может стать: «Содействие оптимальным условиям вскармливания грудью детей студентов нашего ВУЗа», а задачей — доказать, что специальные условия, созданные для кормящих студенток, не помешают их успеваемости, но уменьшат количество пропусков, академических отпусков и способствуют выращиванию здоровых детей — нашего будущего. Понятно, что эта тема подходит для студентов медицинских и педагогических ВУЗов, но и в других учебных учреждениях можно найти темы, интересные всем.

Разработать методы исследования и сбора информации. В случае с естественным вскармливанием, скорее всего, это будет анкетирование студенток, имеющих детей.

Систематизировать материал и подготовить презентацию.

Подготовиться к выступлению.

Выступить и получить: награду, удовольствие и опыт, чтобы в следующем году выступить ещё лучше и сорвать шквал аплодисментов, стать узнаваемым, а значит — более конкурентоспособным!