- •Термодинамика и статистическая физика
- •Лекция № 4
- •Состояние системы детально охарактери- зованное на уровне каждой частицы
- •Детальное описание состояний макроскопи- ческих систем, ввиду колоссальности числа частиц в них, не
- •Основная задача статистической физики: найти наиболее
- •Элементарные сведения из теории вероятностей.
- •Статистические закономерности изучаются теорией вероятностей.
- •Если событие произойти не может, то его называют невозможным. Событие называют случайным, если
- •Математическое определение вероятности: вероятность какого-либо
- •По определению Лапласа,
- •События несовместимы, если появление одного из них исключает появление
- •Сумма вероятностей всех единственно возможных и несовместимых событий
- •Если события А и В независимы (их вероятности не зависят от того, произош-
- •либо зелёным, либо красным (событие А), равна по теореме сложения вероятностей:
- •Существует ещё одна интерпретация вероятности, применяющаяся в физике. Пусть в закрытом сосуде имеется
- •Важным понятием в теории вероятностей и её приложениях является понятие среднего значения. Пусть
- •Отношение n1 , т.е. отношение числа наб- людений при N которых величина x
- •Введём понятие отклонения результатов
- •Распространим полученные результаты на случай когда характеризующая систему ве- личина x может принимать
- •Вероятность того, что результат
- •Столбчатая диаграмма или гистограмма.
- •Гистограмма (столбчатая диаграмма) наг- лядно характеризует вероятность получения результатов измерений, заключающихся в различных
- •ФУНКЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ
- •Площадь столбика ширины dx равна ве- роятности того, что результат измерения окажется в
- •Зная функцию распределения f(x) , можно найти среднее значение результатов измере-
- •Аналогичные рассуждения дают, что сред-
- •Закон распределения Гаусса.
- •Гаусс (Gauss) Карл Фридрих (30.4.1777,
- •Закон распределения скоростей
- •друг друга всякие два противоположно направленные процесса. Скорости таких противоположно направленных процессов должны
- •Закон распределения скоростей Максвелла.
- •Скорости каждой молекулы будет соот-
- •Вследствие равноправности всех направ- лений движения расположение точек отно-сительно начала координат будет сферически
- •Молекулы движутся хаотически. Среди них есть и очень быстрые, и очень медленные. Благодаря
- •Мы будем искать число частиц ( n) скорости которых лежат в определён- ном
- •Ясно так же, что n должно быть
- •Таким образом, f(υ) – имеет смысл вероятности, то есть показывает, какова вероятность любой
- •Функция распределения Максвелла
- •В результате каждого столкно- вения проекции скорости молекулы испытывают случайное изменение на υx,
- •При этом, мы не можем ничего определенного сказать о точном значении скорости той
- •Максвелл Джеймс Клерк
- •Скорость – векторная величина. Для проекции скорости на ось х (x-
- •Видно, что доля молекул со скоростью
- •Приведённое выражение и график справедливы для распределения
- •Вероятность того, что скорость
- •Величина dnxyz не может зависеть от
- •Этот шаровой слой складывается из тех параллелепипедов, о которых говорилось выше.
- •Отсюда следует закон Максвелла
- •При dυ 1 получаем плотность вероятности, или функцию Максвелла
- •Выводы:
- •Распределение Максвелла характеризует распределение молекул по значениям кинетической энергии (то есть показывает, какова
- •Характерные скорости (наиболее вероятная, среднеквадратичная и средняя скорости молекул газа).
- •Из графика видно, что при «малых» υ , т.е.
- •НАИБОЛЕЕ ВЕРОЯТНАЯ СКОРОСТЬ
- •Величина скорости, на которую при- ходится максимум зависимости F( )
- •СРЕДНЯЯ СКОРОСТЬ
- •Средняя скорость υср
- •СРЕДНЯЯ КВАДРАТИЧНАЯ СКОРОСТЬ
- •Среднюю квадратичную скорость
- •Полезно знать, что
- •Зависимость функции распределения Максвелла от массы молекул
- •Из рис. можно проследить за измене-
Вероятность того, что результат
измерений окажется в интервале от нуля до |
|||||||
а , равна: |
Ро |
nо |
|
|
|
|
|
|
|
N |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
n1 |
|
||
|
|
|
|
Р1 |
|
|
|
|
в интервале от а до 2а: |
N |
,…, |
||||
|
|
|
|||||
|
|
|
|
в интервале от x до x n+xа :
Рx N
.
Р
Начертим ось x и отложим вверх отx полоски шириной а и высотой а
Получим столбчатую диаграмму,
неё
.
Столбчатая диаграмма или гистограмма.
Рx |
|
а |
Площадь = ∆Рx |
|
0 а 2а |
x x+a |
Площадь полоски, левый край которой
имеет координату x , равна ∆Рx m ,а
P 1
площадь всей гистограммы – единицеi 1 i .
Гистограмма (столбчатая диаграмма) наг- лядно характеризует вероятность получения результатов измерений, заключающихся в различных интервалах одинаковой ширины а. Чем меньше ширина интервала а, тем деталь- нее будет охарактеризовано распределение вероятностей значений величины x. В преде- ле при а → 0 ступенчатая линия превратится
в гладкую кривую. |
Функция f(x) |
||
f(x) |
называется |
||
Площадь = dРx |
функцией |
||
|
|
|
распределения |
|
|
|
|
|
|
|
вероятностей |
x |
|
x+dx |
x |
|
ФУНКЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ
В пределе вместо ступенек будет гладкая кривая, которая называется функцией распределения вероятностей.
Площадь столбика ширины dx равна ве- роятности того, что результат измерения окажется в пределах от x до x+dx. Обозна-
чив эту вероятность через dPx , получим: dPx = f(x)∙dx
Индекс “x” при dP указывают на то, что имеется в виду вероятность для интервала, левый край которого лежит в точке с коорди- натой x . Площадь, ограниченная кривой распределения, так же как и площадь гисто- граммы, равна единице. Это означает:
f (x)dx dPx 1 - условие нормировки
Зная функцию распределения f(x) , можно найти среднее значение результатов измере-
ния величины x . В dNx N dPx случаях |
|
получается результат, равный x. Сумма |
|
таких результатов определяется |
|
выражением:x dN x N dP |
|
x |
x . Сумма всех возможных |
результатов равна: |
|
|
|
x dNx |
x N dPx |
Разделив это на число измерений N, полу-
чим среднее значение величины x.
x x dPx f (x) x dx
Аналогичные рассуждения дают, что сред-
нее значение некоторой функции φ(x)
можно вычислить по формуле:
(x) (x) f (x) dx
Например:
x2 x2 f (x) dx
Закон распределения Гаусса.
Нормальное распределение, также называ-емое гауссовским распределением или распре-делением Гаусса — распределение вероятнос-тей, которое задается функцией плотности распределения:
где параметр μ ческое ожидание)
координату максимума кривой плотности распределения, а σ² — дисперсия.