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1、什么是統(tǒng)計(jì)物理?Statistical Physics,熱力學(xué)(Thermodynamics) 研究熱現(xiàn)象和物質(zhì)性質(zhì)的宏觀理論 (macroscopic theory),微觀( microscopic),熱傳導(dǎo)現(xiàn)象,,,,,Cu,宏觀規(guī)律: 熱量不能自發(fā)地從低溫流向高溫(Second Law )。,——婦孺皆知的常識(shí),但是,物理學(xué)家要問“前因后果”。,,后果,Second Law,Carnot定理,,,熵(
2、Entropy),原因? 必須深入到物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu),,,,Cu,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,分子、電子間碰撞傳遞能量——熱傳導(dǎo),根據(jù)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)來研究熱現(xiàn)象和物性。,統(tǒng)計(jì)物理(Statistical Physics),微觀理論(microscopic theory),,,,在經(jīng)典物理中,單個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)遵守牛頓力學(xué)規(guī)律,若已知某個(gè)粒子在初始時(shí)刻的位置和速度后,求解牛頓方程可預(yù)言該粒子在任何時(shí)間的位置。
3、,宏觀體系是由大量原子和分子組成的。例如,在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體,每立方厘米有 個(gè)分子。物體的宏觀性質(zhì)(壓強(qiáng)、比熱、相變等)是大量分子運(yùn)動(dòng)的平均結(jié)果。,統(tǒng)計(jì)規(guī)律性,如果想根據(jù)牛頓力學(xué)來確定氣體的宏觀性質(zhì),就要求解 個(gè)相互碰撞的分子的牛頓方程。顯然,這在實(shí)際上是不能辦到的,而且也沒有必要,因?yàn)榇罅苛W咏M成的體系出現(xiàn)了新的規(guī)律性——統(tǒng)計(jì)規(guī)律性。根據(jù)這種新的規(guī)律性,就能確定宏觀物體的性質(zhì)。,顯示統(tǒng)計(jì)規(guī)律性的一
4、個(gè)例子是氣體分子運(yùn)動(dòng)的速率分布。,分子運(yùn)動(dòng),按速率來統(tǒng)計(jì)分子數(shù)目的分布,,分子數(shù)目按速率的分布,復(fù)旦大學(xué)物理系鐘萬蘅教授領(lǐng)導(dǎo)的“復(fù)旦大學(xué)CAI研發(fā)中心”研制成了一套軟件,可模擬各種分子運(yùn)動(dòng)論的演變過程,包括平衡態(tài)和非平衡過程,受到各國(guó)同行專家的稱贊,達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。,,彈性碰撞公式,,,,,,,5個(gè)粒子的速率分布,500個(gè)粒子的速率分布,2000個(gè)粒子的速率分布,可以想象,當(dāng) 很大很大時(shí),像在氣體中那樣,
5、 ,速率分布 將趨向此穩(wěn)定曲線,起伏非常小,稱為 Maxwell分布。,速率分布的時(shí)間平均值,有了統(tǒng)計(jì)分布,就可以通過計(jì)算平均值來求得各種宏觀物理量,不用知道各個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)了。,前面的演示只是從計(jì)算機(jī)模擬看到的現(xiàn)象,我們自然會(huì)提出一個(gè)問題:此現(xiàn)象背后的物理原理是什么?如何從基本原理推導(dǎo)出Maxwell 分布?這是統(tǒng)計(jì)物理的基礎(chǔ),也是本門課程所要講解的中心內(nèi)容。,粒子速率分布的動(dòng)態(tài)演示,10個(gè)粒子的速率分布,10
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