Основы концепции современного естествознания

Содержание

2. Дайте понятия микро- макро- и мегамиру. Какие из объектов приведенные в таблице относятся к микро-, макро- и мегамиру? Заполните таблицу.

3. Назовите виды фундаментальных взаимодействий. В чем проявляется универсальность фундаментальных взаимодействий. В каких процессах играют определяющую роль фундаментальные взаимодействия? Дайте характеристику фундаментальных взаимодействий, заполните таблицу.

4. а) Дайте краткую характеристику солнечной системы. Заполните таблицу.                     

     б) В чем сущность закона Всемирного тяготения? Почему этот закон называется Всемирным? Определите скорость вращения планеты вокруг Солнца, считая, что она движется по окружности.

5. Решение   задачи:

6. Какие виды  энергии Вы знаете? Приведите  примеры следующих энергетических превращений

7. Решение   задачи:

8. В чем состоит  принцип корпускулярно-волнового  дуализма света? Как он связан  с принципом единства природы  света?

9. В каких агрегатных состояниях может находиться вещество? От каких факторов зависит состояние вещества? В каком состоянии вещества находятся звезды? Что является источником энергии Солнца и звезд?

10. Найдите энергию,  выделяющуюся при термоядерной  реакции:

Массы некоторых  изотопов (а.е.м.)

11. Какие виды  радиоактивного (ионизирующего) излучения Вы знаете? Дайте понятие естественного радиоактивного фона. Какое воздействие оказывает радиоактивное излучение на живые организмы?

12. Перечислите виды  симметрии, которыми обладают  следующие объекты:

13. Какие типы химических связей Вы знаете? Объясните на примере молекул воды механизм образования ковалентной и водородной связей. 

Изобразите: а) структуру молекулы воды; б) образование  водородных связей в воде.

Чем определяются уникальные свойства воды? Перечислите  эти свойства и охарактеризуйте их биологическую роль.

14. Какие вещества  называют органическими? Исходя  из положения углерода в периодической системе элементов Д.И. Менделеева, укажите:

15. Какие химические  элементы являются самыми главными  для жизни и почему? Поясните. Напишите о значении для организмов каждого химического элемента.

      15.2  водород, молибден, железо, фтор, азот, углерод

16. Какие органические  вещества входят в состав клетки? Какие органические вещества  являются самыми распространенными  на Земле?

Охарактеризуйте, какие функции в клетках выполняют органические вещества.

17. Дайте сравнительные  характеристики ДНК (дезоксирибонуклеиновой  кислоты) и РНК (рибонуклеиновой  кислоты) по следующим признакам:

18. Постройте  схему из следующих понятий: 1) клетка; 2) вид;    3) молекула; 4) органы, ткани; 5) биосфера; 6) целостный организм;   7) биоценоз. Объясните последовательность схемы. Укажите, где проходит граница между живым и неживым. Укажите основные признаки живого.

19. Какие гипотезы  возникновения жизни на Земле Вам известны? Кратко охарактеризуйте каждую из них. Какой гипотезы Вы придерживаетесь. Обоснуйте ответ

20. Дайте понятие экосистемы. Перечислите важнейшие компоненты  экосистемы и раскройте роль  каждого из них. Являются ли  экосистемы - открытыми системами? Обоснуйте ответ. Опишите экосистему из таблицы согласно своему варианту

21. От каких  факторов зависит климат на  планете Земля? Почему климат  глобальная характеристика? Какие  космические факторы определяют  изменения климата планеты?

       Определите по таблице изменение климата с удалением от океана в глубь материка (заполните таблицу). Какое влияние на климат и оболочки Земли оказывает деятельность человека?

22. Какие основные типы темпераментов Вы знаете? Дайте им краткую характеристику на примере литературных персонажей или исторических личностей. К какому типу темперамента Вы себя относите?

23. Укажите из каких  областей естествознания следующие  термины и понятия, заполните  таблицу.

24.  Объясните значения  следующих терминов и понятий:

2. Дайте понятия микро- макро- и мегамиру. Какие из объектов приведенные в таблице относятся к микро-, макро- и мегамиру? Заполните таблицу.

Микромир (протон,нейрон, электрон) Частицы элементов и ядра атомов – 10^-15 смАтомы и молекулы – 10^-8 – 10^-7 см.

Качественно иную область  представляет микромир (атомы, ядра, элементарные частицы и др), где размеры объектов меньше миллиардных долей сантиметра, а временные промежутки порядка миллиардных долей секунды, т е непосредственно недоступны наблюдению. Для явлений микромира, напротив, характерна тесная связь корпускулярных и волновых свойств, которая находит свое выражение в статистических законах квантовой механики.

Своеобразная граница раздела макро- и микромира была установлена в связи с открытием  Планка — квантадействия. Существенным аспектом этой новой константы явилась “конечность взаимодействия”, означавшая, что любые взаимодействия между объектами в микромире (в т ч между прибором и микрочастицей) не могут быть меньше значения кванта действия Специфика макро- и микромира находит свое отражение в познании, , приводит к ограничению сферы применимости старых физических теорий и возникновению новых (теория относительности, квантовая механика, физикаэлементарных частиц)

          Макромир (человек): Макроскопические тела 10^-6 – 10⁷ см Сфера макроявлений — это обычный мир, в котором живет и действует человек(планеты, земные тела, кристаллы, большие молекулы и др).В макромире материальные объекты имеют четко выраженную прерывную, корпускулярную или непрерывную, волновую природу и их движение подчиняется динамическим законам классической механики.

Мегамир(вселенная, луна, солнце, галактика, земля): Космические системы и неорганические масштабы до 10²⁸см   Мегамир, или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел. Мегамир имеет системную организацию в форме планет и планетных систем, возникающих вокруг звезд, звезд и звездных систем — галактик; системы галактик — Метагалактики.

Материя во Вселенной  представлена сконденсировавшимися космическими телами и диффузной материей. Диффузная материя существует в виде разобщенных атомов и молекул, а также более плотных образований — гигантских облаков пыли и газа — газово-пылевых туманностей. 

3. Назовите виды фундаментальных взаимодействий. В чем проявляется универсальность фундаментальных взаимодействий. В каких процессах играют определяющую роль фундаментальные взаимодействия? Дайте характеристику фундаментальных взаимодействий, заполните таблицу.

  Фундаментальные воздействия, играют определяющую роль в структуре физических норм. Из них формируются фундаментальные безразмерные постоянные единой теорией взаимодействия. Эти и некоторые другие константы, также размерность пронства N определяют структуру Вселенной  и ее свойства.

4. а) Дайте краткую характеристику солнечной системы. Заполните таблицу.

а) Солнечная  система, состоит из центрального светила Солнца и 9 больших планет, обращающихся вокруг него, их спутников, множества малых планет, комет и межпланетной среды. Солнечная система - система космических тел, включающая, помимо центрального светила

Солнца девять больших планет, их спутники, множество малых планет, кометы, мелкие метеорные тела и космическую пыль, движущиеся в области преобладающего гравитационного действия Солнца. Наблюдаемые размеры Солнечной системы определяются расстоянием от Солнца до самой далекой от него планеты

 Плутона (около 40 а. е.; 1 а. е. = 1,49598*10¹¹ м).Однако сфера, в пределах которой возможно устойчивое движение небесных тел вокруг Солнца, занимает гораздо более обширную область пространства, простирающуюся на расстояние порядка 230 000 а. е. и смыкающуюся со сферами влияния ближайших к Солнцу звезд.

б) В чем сущность закона Всемирного тяготения? Почему этот закон называется Всемирным? Определите скорость вращения планеты вокруг Солнца, считая, что она движется по окружности.

                                            m₁ × m₂ 

                                 F = G ¾¾¾

                                                 r²  

где G – гравитационная постоянная Всемирного тяготения, R – расстояние между взаимодействующими телами.

Закон называется Всемирным  в связи с тем, что гравитация является универсальным взаимодействием  между любыми видами материи.

Определим скорость вращения Земли вокруг Солнца.

Если Земля  движется по окружности, то

          (1)

 Из II закона Ньютона                                     (2)

По закону Всемирного тяготения                   (3),       где

m₁ – масса Земли

m₂ – масса Солнца

r   - расстояние между ними

5. Решите  задачи:

5.2. Фотон с  длиной волны 0,2 мкм вырывает  с поверхности натрия фотоэлектрон, кинетическая энергия которого 2 эВ. Определить работу выхода  и красную границу фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта

6. Какие виды энергии Вы знаете? Приведите примеры следующих энергетических превращений:

Кинети́ческая эне́ргия — энергия механической системы, зависящая от скоростей движения её точек.

Потенциальная энергия   — скалярная физическая величина, характеризует запас энергии некоего тела (или материальной точки), находящегося в потенциальном силовом поле, который идет на приобретение (изменение) кинетической энергии тела за счет работы сил поля.

Электромагнитная  энергия — термин, под которым подразумевается энергия, заключенная в электромагнитном поле. Сюда же относятся частные случаи чистого электрического поля и чистого магнитного поля.

 Гравитационная энергия — потенциальная энергия системы тел (частиц), обусловленная их взаимным тяготением. Гравитационно-связанная система — система, в которой гравитационная энергия больше суммы всех остальных видов энергий (помимо энергии покоя).

Ядерная энергия (атомная энергия) — это энергия, содержащаяся в атомных ядрах и выделяемая при ядерных реакциях.

Вну́тренняя эне́ргия тела (обозначается как E или U) — это сумма энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекулы.

Хими́ческий потенциа́л   — один из термодинамических параметров системы, а именно энергия добавления одной частицы в систему без совершения работы.

Взрыв — физический или/и химический быстропротекающий процесс с выделением значительной энергии в небольшомобъёме за короткий промежуток времени, приводящий к ударным, вибрационным и тепловым воздействиям на окружающую среду и высокоскоростному расширению газов.

     6.2. потенциальная ® кинетическая,

При свободных механических колебаниях кинетическая и потенциальная  энергии периодически изменяются. При  максимальном отклонении тела от положения  равновесия его скорость, а следовательно, и кинетическая энергия обращаются в нуль. В этом положении потенциальная энергия колеблющегося тела достигает максимального значения. Для груза на пружине потенциальная энергия – это энергия упругих деформаций пружины. Для математического маятника – это энергия в поле тяготения Земли.

Когда тело при своем движении проходит через положение равновесия, его скорость максимальна. Тело проскакивает положение равновесия по закону инерции. В этот момент оно обладает максимальной кинетической и минимальной потенциальной энергией. Увеличение кинетической энергии происходит за счет уменьшения потенциальной энергии. При дальнейшем движении начинает увеличиваться потенциальная энергия за счет убыли кинетической энергии и т. д. Таким образом, при гармонических колебаниях происходит периодическое превращение кинетической энергии в потенциальную и наоборот.

7. Решите задачи:

7.2. На фотографии, полученной с помощью камеры  Вильсона, ширина следа электрона  составляет 0,8 · 10^-3 м. Найти неопределенность в нахождении его скорости.

А_х= 0,8 · 10^-3 м

Соотношение неопределённости Гейзенберга

∆Х· ∆Р ≥ h

∆Р=m·∆V – неопределенность импульса

Mе – масса электрона

h- постоянная Планка

0,8 · 10^-3 м · 9,11 · 10^-31 · ∆υ ≥ 6,625·10^-24Дж·С    ∆υ ≥ (6,625 / 9,11·0,8) · 10^{10 м/с}

8. В чем состоит  принцип корпускулярно-волнового  дуализма света? Как он связан с принципом единства природы света?

Принцип дополнительности. Итак, из сказанного выше следует, что  корпускулярные и волновые свойства микрообъекта являются несовместимыми в отношении их одновременного проявления, однако они в равной мере характеризуют объект, т.е. дополняют друг друга. Эта идея была высказана Н. Бором и положена им в основу важнейшего методологического принципа современной науки, охватывающего в настоящее время не только физические науки, но и все естествознание – принципа дополнительности (1927). Суть принципа дополнительности по Н. Бору сводится к следующему: как бы далеко не выходили явления за рамки классического физического объяснения, все опытные данные должны описываться при помощи классических понятий. Для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий, совокупность которых дает наиболее полную информацию об этих явлениях как о целостных.

В ходе развития науки открываются все новые свойства элементарных частиц. Взаимная обусловленность свойств частиц свидетельствует о сложной их природе, наличии многогранных связей и отношений. В зависимости от специфики элементарной частицы может появиться тот или иной вид взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое. Сильное взаимодействие обуславливается ядерными силами, оно обеспечивает устойчивость атомных ядер. Электромагнитные взаимодействия, слабые взаимодействия — в процессах распада нейтронов, радиоактивных ядер и предполагают участие в этих взаимодействиях нейтрино. Слабые взаимодействия в 1010—1012 раз слабее сильных. Этот вид взаимодействий в настоящее время достаточно хорошо изучен.

Взаимодействие. Все многообразие взаимодействий подразделяется в современной физической картине мира на 4 типа: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. По современным представлениям все взаимодействия имеют обменную природу, т.е. реализуются в результате обмена фундаментальными частицами – переносчиками взаимодействий. Каждое из взаимодействий характеризуется так называемой константой взаимодействия, которое определяет его сравнительную интенсивность, временем протекания и радиусом действия.

Какие из нижеперечисленных  явлений можно описать на основе:                   а) волновой, б) корпускулярной, в) как волновой, так и корпускулярной теории света?

8.2. дифракция света,  тепловое излучение, прямолинейное 

         распространение света

а) дифракция света  описывается волной теорией.

б) тепловое излучение корпускулярной теорией.

в) прямолинейное распространение света сможет быть объяснено как волновой так и корпускулярной теорией.

9. В каких агрегатных состояниях может находиться вещество? От каких факторов зависит состояние вещества? В каком состоянии вещества находятся звезды? Что является источником энергии Солнца и звезд?

Агрегатные состояния  вещества удобнее всего показывать на одном графике. Графики изменения  потенциальной энергии молекул  в зависимости от расстояния между  ними у различных веществ имеют  индивидуальные характеристики, но одну форму. Индивидуальные характеристики различных веществ можно учесть введением коэффициентов.

Рис. 1. Универсальный  график агрегатных состояний вещества без внешнего давления. 

На (рис.1) показаны зоны твёрдого, жидкого и газообразного состояния  для любых веществ. На универсальном  графике хорошо видно, почему вещество существует в определённых агрегатных состояниях. На основании универсального графика можно дать точные физические признаки агрегатных состояний вещества.

Универсальный график агрегатных состояний  вещества составлен для условий  отсутствия внешнего давления. Внешнее  давление изменяет свойства вещества. Влияние внешнего воздействия на свойства молекул вещества должно рассматриваться в разделе молекулярных основ сопротивления материалов, но современной физике такого раздела нет. Если будет интерес читателей, эта работа будет опубликована позднее.

То, что универсальный график существует, прикладная наука давно заметила, и использует, например, для сравнительного анализа металлов. Чтобы сравнивать свойства различных металлов между собой, испытания проводят при так называемых сходственных температурах, составляющих одинаковую долю от абсолютной температуры плавления, например, 0,5 от абсолютной температуры плавления. Для свинца это  С, для железа  С. При этих температурах свойства свинца и железа достаточно близки. 

Диск нашей  Галактики образован не только звездами. Светящиеся межзвездные облака свидетельствуют  о том, что пространство между  отдельными звездами нельзя считать пустым. Примерно одна сотая часть массы всей нашей Галактики не сосредоточена в звездах, а заполняет межзвездное пространство. Химический состав этого вещества совпадает с составом Солнца, однако его плотность составляет всего одну миллионную часть одной миллиардной части плотности Солнца. В этом межзвездном газе существуют крошечные пылевые частицы. Межзвездные пылевые облака ослабляют свет звезд, которые находятся за ними, и эти звезды кажутся нам более красными, чем на самом деле. Точно так же Солнце на закате кажется нам красным, поскольку его свет проходит через запыленную земную атмосферу. Частицы межзвездной пыли очень малы, их средний диаметр составляет всего около одной десятитысячной миллиметра.

Энергетические запасы Солнца не могут быть бесконечно большими. Солнце имеет конечные размеры, оно содержит конечное количество вещества. Мы можем определить массу Солнца по силе его гравитационного притяжения. Земля и другие планеты движутся вокруг Солнца по замкнутым орбитам, причем притяжение солнечной массы действует на каждую планету с силой, которая равна центробежной силе, стремящейся увести планету с орбиты. Если бы Солнце полностью состояло из каменного угля, то энергии горения этого угля хватило бы на поддержание нынешнего солнечного излучения в течение примерно 5000 лет. Но Солнце светит уже многие миллиарды лет. Если бы в «солнечной печи» сжигали уголь, то она давно бы уже потухла. Другие химические процессы слабо отличаются от горения: они тоже не дают достаточной энергии, чтобы обеспечить излучение Солнца.

Другим источником энергии  Солнца может быть, в принципе, гравитационное взаимодействие между частицами  его вещества. Если бы в недрах Солнца не было никакого другого источника  энергии, то с течением времени Солнце постепенно сжималось бы. Его диаметр становился бы все меньше и меньше, а каждый грамм солнечного вещества постепенно приближался бы к центру Солнца (в самом грубом приближении-с постоянной скоростью)..

Сегодня мы знаем, что атомные  и ядерные реакции служат наиболее мощными из известных источников энергии. Заметная часть электроэнергии вырабатывается сегодня на атомных электростанциях. В реакторах этих электростанций тяжелые ядра атомов урана распадаются на ядра более легких элементов. При таком распаде освобождается энергия. Еще больше энергии выделяется при ядерных реакциях, в которых легкие ядра объединяются в более тяжелые. Одной из таких реакций является слияние ядер водорода.

10. Найдите  энергию, выделяющуюся при термоядерной  реакции:

Массы некоторых изотопов (а.е.м.)

+ =4,02820 а.е.

= 3,01603+1,00867=4,02460 а.е.

∆m=0,003360 а.е.

∆Е=∆m×С²=0,00360×1,6605×10²⁷кг ×(3×10⁸)^{2 м2}/с²=0,054×10^-иДж

11. Какие  виды радиоактивного (ионизирующего)  излучения Вы знаете? Дайте понятие  естественного радиоактивного фона. Какое воздействие оказывает  радиоактивное излучение на живые  организмы?

При радиоактивном  распаде имеют место три основных вида ионизирующих излучений: альфа , бета и гамма.

Естественный радиоактивный фон — доза излучения, создаваемая космическим излучением и излучением радионуклидов, естественно распределенных в земле, воде, воздухе и других элементах биосферы, пищевых продуктах и организме человека.

Действие излучения на организм неощутимо человеком (люди не имеют органов чувств, которые воспринимали бы ионизирующее излучение). Ионизирующее излучение может оказывать вредное воздействие на здоровье человека (границы между вредом и пользой радиации пока не установлены, поэтому к любому ионизирующему излучению следует относиться как к опасному).

Индивидуальные особенности организма человека проявляются лишь при небольших дозах радиации (чем моложе человек, тем выше его чувствительность к облучению; начиная с 25 лет, человек становится наиболее устойчивым к облучению) чем больше доза облучения, полученная человеком, тем выше вероятность появления у него лучевой болезни.

Видимые поражения кожного покрова, недомогание, характерное для лучевой болезни, появляются не сразу, а лишь некоторое время спустя суммирование доз происходит скрытно (со временем дозы излучения суммируются, что приводит к лучевым заболеваниям).

В результате воздействия  радиации в организме человека нарушается течение биохимических процессов  и обмена веществ. В зависимости  от поглощенной дозы и индивидуальных особенностей организма изменения могут быть обратимыми или необратимыми. При небольшой дозе пораженная ткань восстанавливает свою функциональную деятельность, большая доза при длительном воздействии может вызвать необратимое поражение отдельных органов или всего организма в целом.

При возникновении  ЧС, сопровождающейся ионизирующим излучением, необходимо предпринять все меры, чтобы полученная доза была как можно  меньше. Существует три действенных  способа защиты от радиации: защита временем, защита расстоянием, защита.   

12. Перечислите виды симметрии, которыми обладают следующие объекты:

12.2. молекула H₂О, квадрат, яблоко.

а) молекула  Н2О обладает зеркальной симметрией.

б) квадрат обладает центральной  симметрией (при повороте относительно центра квадрата на 90° он совпадет с самим собой.)

в) яблоко обладает осевой симметрией (при вращении относительно оси проходящей через полюса, яблоко совпадет само с собой)

 13. Какие типы химических связей Вы знаете? Объясните на примере молекул воды механизм образования ковалентной и водородной связей. 

Изобразите: а) структуру  молекулы воды; б) образование водородных связей в воде.

Чем определяются уникальные свойства воды? Перечислите  эти свойства и охарактеризуйте  их биологическую роль.

• Одноэлектронная химическая связь
• Металлическая связь
• Ковалентная связь
• Ионная связь
• Ван-дер-ваальсова связь
• Водородная связь
• Двухэлектронная трёхцентровая химическая связь

Молекула воды имеет  следующее строение:

Для возникновения водородных связей важно, чтобы в молекулах  вещества были атомы водорода, связанные  с небольшими, но электроотрицательными  атомами, например: O, N, F. Это создает заметный частичный положительный заряд на атомах водорода. С другой стороны, важно, чтобы у электроотрицательных атомов были неподеленные электронные пары. Когда обедненный электронами атом водорода одной молекулы (акцептор) взаимодействует с неподеленной электронной парой на атоме N, O или F другой молекулы (донор), то возникает связь, похожая на полярную ковалентную.

Учитывая заметную разницу  зарядов на атомах Н и О соседних молекул, дополнительную прочность этой межмолекулярной связи придает притяжение разноименных зарядов. Водородные связи характерны для таких веществ, как вода H₂O, аммиак NH₃, фтороводород HF.

В водных растворах аммиака или HF эти молекулы образуют водородные связи не только между собой, но и  с молекулами воды. Благодаря водородным связям аммиак NH₃ имеет фантастическую растворимость: в 1 л воды может растворяться 750 л газообразного аммиака! В органических веществах встречаются также внутримолекулярные  водородные связи, сильно влияющие на пространственную форму этих молекул.