Т. Г. ШАПОВАЛЕНКО
УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ
КАК ПРОЯВЛЕНИЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ
Статистические представления лежат в основе многих природных явлений массового характера, а так же многочисленных экономических, исторических, социальных и других явлений. Закономерности, которые проявляются в этих явлениях, не менее фундаментальны, а в микромире даже более фундаментальны, первичны, нежели вполне однозначные динамические закономерности.
Школьное образование построено так, что на начальной ступени формируется преимущественно детерминистический подход к изучению различных явлений, окружающего нас мира. Мира, где на первый взгляд каждому событию есть определенная причина, и из каждого события существует строго определенное следствие. И поскольку этот подход формируется на начальной стадии обучения, естественно он составляет саму базу школьного образования. Дальнейшее познание мира происходит на основе лапласовского (однозначного) детерминизма.
Изучение физических явлений, формирование основных, фундаментальных представлений начинается уже в младших классах на уроках природоведения и естествознания. И там рассматривается поведение отдельных тел (материальных точек), где совершенно определенно проявляются детерминистические законы. То есть у учащихся закладываются детерминистические представления. На этом этапе они проще, нагляднее все объясняют. Они привычны и естественны.
В жизни, как правило, мы наблюдаем не отдельные тела, а системы, состоящие из большого количества частиц, не отдельные явления, а совокупность однотипных явлений. Если в закономерностях поведения отдельной частицы все четко определено законами Ньютона, то при большом огромном числе частиц проявляются закономерности другого рода, отличные от динамических. Они играют более существенную и определяющую роль. Это статистические закономерности.
Статистические закономерности в молекулярной физике проявляются наиболее ярко, кроме того, ряд фундаментальных понятий, таких, например, как температура, давление имеют явно статистический смысл.
Все макроскопические тела состоят из огромного множества частиц. Описать поведение всего коллектива молекул с помощью законов механики практически невозможно, да и не нужно. Хаос и массовость приводят к тому, что в рассматриваемых явлениях наблюдается нечто общее. Так полный хаос, который существует, например, в газе, приводит к тому, что газ будет стремиться заполнить весь предоставленный объем равномерно, частицы будут перемещаться до тех пор, пока плотность по всему объему не станет одинаковой.
Здесь кроме всего прочего, будет наблюдаться равномерное распределение в пространстве направления движения частиц. Сколько частиц движется в одном направлении, столько же в среднем и в любом другом направлении. То есть в этом хаосе уже есть свои определенные закономерности, обусловленные движением и взаимодействием огромного количества частиц.
Эти общие закономерности позволяют вывести газовые законы, не вникая в поведение отдельных частиц. Рассмотрим это на примере вывода закона Бойля – Мариотта.
Как известно, для данного объема газа: PV = const.
Если газ, находящийся в некотором сосуде сжать, то поскольку произведение давления на объем для данной массы газа есть величина постоянная, давление возрастет. И это можно доказать следующим образом.
Пусть для простоты газ находится в сосуде, имеющем форму шара радиуса R, хотя, по сути, форма неважна. Число частиц N, занимающих объем 
= 
, оказывают на стенки этого шара давление 
на поверхность 
. Пусть некоторым способом удалось сжать этот газ, и теперь он находится в сосуде, имеющем форму шара с вдвое меньшим радиусом 
. То же число частиц N (поскольку оно не изменилось) занимают теперь объем 
. То есть, объем уменьшился в восемь раз, и газ оказывает давление 
на поверхность 
.
Выходит, что тоже число частиц оказывает давление на вчетверо меньшую поверхность, значит, давление должно возрастать в четыре раза. Но во втором случае кроме всего прочего уменьшается еще и длина свободного пробега молекул в два раза, а значит, они будут в два раза чаще сталкиваться друг с другом и со стенками. Следовательно, давление возрастет еще в два раза по этой причине, а в общем - в восемь раз.
Таким образом, уменьшение объема в восемь раз привело к увеличению давления в восемь раз, произведение же этих величин осталось величиной неизменной: 
8р=const, PV=const.
Мы видим, что закон Бойля – Мариотта не определяется свойствами отдельной частицы, а определяется поведением коллектива молекул как целого. Газовые законы – это законы массового количества частиц. Речь здесь не идет об отдельной частице. Именно появление массовости дает закономерность.
Формирование представлений о статистических закономерностях, является необходимым компонентом формирования современного взгляда человека на окружающий мир, современного научного мировоззрения.
____________________
1. Мощанский, мировоззрения учащихся при изучении физики. – Пособие для учителей. / . – М.: Просвещение, 1976. – 160 с.
2. Мякишев, и статистические закономерности в физике / . – М.: Наука, 1973. – 272 с.
3. Ноздрев, статистической физики / , . – М.: Изд-во «Высшая школа», 1965. – 288 с.
4. Пономарев, вероятностного мышления при изучении школьного курса физики: Материалы XXXVII Зональной конференции / , . – Оренбург: Издательство ОГПУ, 2004. – С. 60-65.
5. Пятницын, проблемы вероятностных и статистических методов / . – М.: Издательство «Наука», 1976. – 336 с.
6. Разумовский, общего образования: интеграция и гуманитаризация / , // Советская педагогика. – 1988 – №7.
7. Сборник нормативных документов. Физика / Сост. , . – М.: Дрофа, 2004. – 111,(1) с.
8. Шаповаленко, представлений о статистических закономерностях в курсе физики средней школы. Материалы XIII Международной научно – практической конференции / . – Челябинск: Изд-во ИИУМЦ «Образование», 2006. – С. 173-176.
