Статья «Основное уравнение кинетической теории газов в курсе физики средней школы»

Автор- Черпита Валерий Николаевич,

учитель физики ГБОУ Школы 2051 города Москвы

Основное уравнение кинетической теории газов в курсе физики средней школы

Последовательная реализация концепции «образование как учебная модель науки» требует адекватного представления современной идеологии физики, основанной на признании модельного характера знаний о природе, уже в рамках средней школы. Особенно актуальным становится обоснование и построение продуктивных и представительных моделей реальных физических систем.

Вывод основного уравнения молекулярно-кинетической теории идеального газа занимает особое положение в школьном курсе физики. Здесь впервые строится количественная макроскопическая модель изучаемого макроскопического объекта: рассматриваются микроскопические характеристики системы, координаты и скорости отдельных молекул и на основании анализа их изменения во времени делаются предсказания о поведении макроскопических характеристик системы, таких как давление и температура. Поэтому очень важно при изучении этой темы научить учащихся правильной манере рассуждения, позволяющей делать адекватные выводы о свойствах макроскопических параметров на основе рассмотрения микроскопических параметров.

Как правило, в учебной литературе делается серьезная методическая ошибка, навеянная определенным жаргоном, используемым в статистической физике, которая способна заложить у учащихся совершенно неверные представления о том, как следует проводить рассуждения при переходе от микроскопической картины явления к макроскопической. Речь идет об «усреднении» результата, который получается сначала в предположении об одинаковости скоростей всех молекул газа. Между тем, нужно не «усреднять» результат, полученный в указанном предположении, а, рассмотрев эффект, производимый одной молекулой, суммировать затем по всем молекулам, заменяя возникающие при этом суммы (в данном случае – сумму квадратов скоростей всех молекул) с помощью вводимых по определению средних характеристик.

Нельзя «собирать» окончательный результат, используя какие-то уже усредненные блоки. Другими словами, усреднение проводится только один раз – нельзя, например, умножать «средний» результат удара одной молекулы на «среднее число молекул, движущихся вдоль направления». Указанная ошибка особенно неприятна потому, что приводит к закладыванию неверных знаний и навыков в основу представлений о статистических усреднениях, на которых построен современная статистическая физика.

В работе предлагается доступный учащимся средней школы строгий вывод основного уравнения кинетической теории газов, основанной на минимально возможном числе предположений о свойствах рассматриваемой системы.