Кодекс и Законы Понятие научной картины мира 2
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-29Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Вариант N№2
1. Закон сохранения импульса в классической механике
и связь его с законом динамики Ньютона. Пример использования
этого закона сохранения. Как он связан со свойствами
пространства-времени, и почему этот закон фундаментален?
2. Суть законов Кеплера и их связь с законом всемирного
тяготения. Насколько применима модель, принятая
Ньютоном? Определите массу Солнца, если известно, что
Земля движется вокруг него со скоростью 30 км/с на
среднем расстоянии 150 млн км.
3. Роль измерений в получении законов естествознания.
Понятие о метрической системе. Где на Земле можно
наиболее приблизиться к центру Земли? Как измерили
размеры Земли, Луны, Солнца? Каков диапазон расстояний
во Вселенной?
4. Какова специфика микромира по сравнению с изучением
мега- и макромира. Поясните принципы соответствия
и дополнительности.
5. Что изучает термодинамика? Что такое «термодинамическая
система», «равновесное состояние»? Определите
понятия «теплоемкость» и «удельная теплоемкость». Как
по ним можно судить о внутренней структуре вещества?
6. Опишите, как развивались представления о свете, в
каких явлениях проявляются его волновые свойства?
Какое явление показывает, что свет – поперечная волна?
Как и кем было показано, что свет есть электромагнитная
волна? Если при отражении от горизонтальной стеклянной
пластинки солнечным луч оказался плоскополяризованным,
то какова была высота Солнца над горизонтом?
7. Развитие идей эволюции видов. Докажите, что
естественный отбор является направляющим фактором
эволюции. Сопоставьте понятия «популяция» и «вид».
8. Каковы особенности строения и функции ядра клетки
и цитоплазмы? Опишите функции клеточных мембран. Что
такое «ионный насос»?
9. Поясните понятие «солнечная активность». Какие
процессы на Солнце связаны с явлениями на Земле? Как
распределяется на Земле солнечная энергия? Насколько
можно считать Землю тепловой машиной? Дайте понятие
о негэнтропии солнечного излучения.
10. Дайте понятие «научной картины мира» и приведите
примеры.
1. Закон сохранения импульса в классической механике и свяжите его с законом динамики Ньютона. Пример использования того закона. Как он связан со свойствами пространства-времени, и почему этот закон фундаментален?
Момент импульса системы тел сохраняется неизменным при любых взаимодействиях внутри системы, если результирующий момент внешних сил, действующих на нее, равен нулю.
Закон сохранения импульса является следствием законов Ньютона, являющихся основными за-конами динамики. Однако этот закон универсален и имеет место и в мик-ромире, где законы ньютона неприменимы.
Следствия:
1) В случае изменения скорости вращения одной части системы другая также изменит скорость вращения, но в противоположную сторону таким образом, что момент импульса системы не изменится; При движении человека, находящегося на поверхности диска, по окружности с центром, совпадающим с центром масс диска, последний начинает поворачиваться в сторону, противоположную движению человека относительно Земли.
2) Если момент инерции системы в процессе вращения изменяется, то изменяется и ее угловая скорость таким образом, что момент импульса системы останется тем же самым;
3) В случае, когда сумма моментов внешних сил относительно некоторой оси равняется нулю, момент импульса системы относительно этой же оси остается постоянным.
Импульсом тела или количеством движения называют произведение массы тела на его скорость. P - векторная величина. Направление импульса тела совпадает с направлением скорости. Установленные в наше время связи между свойствами пространства и времени и законами сохранения импульса содержались в скрытой форме и в принципах классической механики Галилея - Ньютона. Галилей рассматривал пространство и время как реальности, которые существуют вне человеческого сознания. Открытый им принцип однородности отражал однородность и изотропность пространства. У Ньютона пространство и время абсолютны в том смысле, что свойства пространства не зависят от движущихся в нем тел и протекающих механических явлений, а свойства времени - от движущейся материи. Пространство и время не связаны между собой, они представляют как бы арену, где происходят события. Однородность и изотропность пространства и времени необходимо следуют из законов Ньютонов. В последствии оказалось, что законы Ньютона можно заменить единым постулатом - вариационным принципом, который был удобнее во многих отношениях, в частности, в том, что его можно использовать при формулировке сложных задач. В механике материальной точки этот постулат равноценен законам Ньютона.
2. Суть законов Кеплера, и их связь с законом всемирного тяготения. Насколько применима модель, принятая Ньютоном? Определите массу солнца если известно что Земля движется вокруг него со скоростью 30 км/с на среднем расстоянии 150 млн.км.
Первый закон Кеплера. Орбита каждой планеты есть эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце. Второй закон Кеплера Радиус-вектор планет за равные промежутки времени описывают равные площади. Третий закон Кеплера. Квадраты периодов обращения двух планет относятся как кубы больших полуосей их орбит. Законы Кеплера применимы не только к движению планет, но и к движению их естественных и искусственных спутников. Кеплеровские законы были уточнены и объяснены на основе закона всемирного тяготения Исааком Ньютоном. В рамках классической механики, гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m1 и m2, разделённых расстоянием R есть , Здесь G -- гравитационная постоянная, равная - 6,673(10)*10-11 мі/(кг сІ). Знак минус означает, что сила, действующая на тело, всегда противоположна по направлению радиус-вектору, направленному на тело, т. е. гравитационное взаимодействие приводит всегда к притяжению любых тел. Таким образом в формулировке Ньютона законы Кеплера звучат так:
первый закон: под действием силы тяготения одно небесное тело может двигаться по отношению к другому по окружности, эллипсу, параболе и гиперболе. Надо сказать, что он справедлив для всех тел, между которыми действует взаимное притяжение.
формулирование второго закона Кеплера не дана, так как в этом не было необходимости.
третий закон Кеплера сформулирован Ньютоном так: квадраты сидерических периодов планет, умноженные на сумму масс Солнца и планеты, относятся как кубы больших полуосей орбит планет.
Из формул центробежной силы, закона всемирного тяготения выражаем массу Солнца. , . Центробежная сила Земли рассчитывается следующим образом: , где m - масса Земли; v - скорость движения Земли вокруг Солнца; к - радиус Земли. mEarth = 5.9*1024 кг; Радиус Земли составляет 6358 км. F = 5.9*1024кг * 30000 м/с / 6358000 = 0,028*1024 Н. Таким образом, масса Солнца = (0,028*1024 Н * 22500000 м2)/ (6.67·10-11 Нм2/кг2 * 5.9*1024кг) = 1 989 100*1024 кг.
3. Роль измерений и получений законов естествознания. Понятие о метрической системе. Где на Земле можно наиболее приблизиться к центру Земли? Как измерили размеры Луны, Земли, Солнца? Каков диапазон расстояний во Вселенной?
Метрическая система - десятичная система мер и весов, возникшая во Франции. Основной единицей этой системы является метр, приблизительно равный одной десятимиллионной части расстояния по меридиану от экватора до полюса, или около 39,37 дюйма. Масштабы за пределом размера атома уже недоступны непосредственному измерению. То есть так, как здесь, метр приложить мы не можем, это уже какие-то косвенные измерения в рамках некоторых теоретических предположений. То есть мы предполагаем какую-то структуру пространства-времени на этих расстояниях, и вот потом, используя эти теоретические представления, мы энергию или передачу импульса переводим в расстояние. Для измерения макроскопических расстояний в настоящее время используется эталон метра, равный расстоянию, которое проходит луч света в вакууме за 1/299792458-ую долю секунды. Cледует отметить, что таким образом эталон метра привязан к эталону секунды. Такой стандарт, однако, непригоден в микромире, когда речь идет об измерении атомных расстояний: просто длина волны видимого света слишком велика для таких измерений. Поэтому здесь требуется иной эталон: не противоречащий, разумеется, основному определению метра, но удобный для практического измерения расстояний порядка межатомных. Сейчас таким «опорным расстоянием» является постоянная кристаллической решетки (т.е., в данном случае - расстояние между ближайшими атомами в решетке) чистого кремния, которая равна a = 5,43102088х10-10 м с точностью 0,03 ppm.
Природа жидкости по Архимеду такова, «что из ее частиц, расположенных на одинаковом уровне и прилегающих друг к другу, менее сдавленные выталкиваются более сдавленными, и что каждая из ее частиц сдавливается жидкостью, находящейся над ней, по отвесу». Это определение позволяет Архимеду сформулировать основное положение: «Поверхность всякой жидкости, установившейся неподвижно, будет иметь форму шара, центр которого совпадает с центром Земли». Путем логических рассуждений Архимед приходит к предположениям, содержащим формулировку его закона: Измерение расстояний в астрономии одна из самых важных и трудных задач, так как мы лишены прямого контакта с исследуемыми телами. Однако методы бесконтактных определений расстояний были известны уже давно - это методы параллактических углов. Для измерения расстояния до тел Солнечной системы применяется метод параллакса. Сейчас для определения расстояния до некоторых тел (Луна, Венера) используют методы радиолокации: посылают радиосигнал на планету, сигнал отражается и фиксируется приёмной антенной. Зная время прохождения сигнала определяют расстояние, с - скорость света. Другим примером расстояния в (а значит и по массе) галактике является средняя по величине спиральная галактика в созвездии Треугольника. Она занесена в каталог Месье под номером 33. Галактика располагается гораздо ближе к Туманности Андромеды, а от нас удалена на 2,2- 2,7 млн. световых лет (по разным оценкам). Все остальные галактики ближайшего окружения - карликовые эллиптические и неправильные, которые, как мы помним, тоже редко бывают большими. Но две ближайших к нам неправильных галактики можно назвать крупными представителями рода неправильных галактик. Магеллановы Облака являются спутниками нашей Галактики Млечный Путь - это еще два внегалактических объекта, видимые невооруженным глазом, правда, в южном полушарии.
4. Какова специфика микромира по сравнению с изучением мега- и макромира. Поясните принципы соответствия и дополнительности
По поводу вероятностного характера законов микромира можно отметить следующее. В своей основе такие представления предполагают отсутствие внутренних механизмов явлений и внутренней структуры частиц, а также представления о неизменности частиц во все время их существования. Игнорирование особенностей строения частиц приводит к представлениям об интенсивности как о вероятности появления частиц в данной точке пространства. Анализ взаимодействий вихрей друг с другом позволяет создать совершенно детерминированное представление практически о всех явлениях на уровне микромира.
Начнем со связи между дополнительностью и соответствием. Еще в самом начале создания теории атома водорода Бор применял неквантовые понятия к квантовой физике настолько, насколько это было возможно, невзирая на распространенное мнение о том, что классические понятия неадекватны в квантовой области. Бор понимал, что переход к атомным системам нельзя осуществить в полной мере с помощью классического аппарата, но отмечал, что динамическое равновесие системы в стационарных состояниях можно рассматривать с помощью обычной механики, правда переход системы из одного стационарного состояния в другое нельзя трактовать на этой основе. Известно было также, что законы, относящиеся к области длинноволнового излучения, соответствуют законам классической электродинамики. Если принцип соответствия требует рассматривать квантовую теорию как рациональное обобщение классической теории излучения, то по аналогии Бор утверждает, что принцип дополнительности является рациональным обобщением самого классического идеала причинности. Дополнительный способ описания в действительности не означает произвольного отказа от привычных требований, предъявляемых ко всякому объяснению; напротив, он имеет целью подходящее диалектическое выражение действительных условий анализа и синтеза в атомной физике.
5. Что изучает термодинамика? Что такое «термодинамическая система», «равновесное состояние»? Определите понятие «теплоемкость» и «удельная теплоемкость». Как по ним можно судить о внутренней структуре вещества?
Термодинамика изучает состояние системы - некоторого определенного количества вещества. Термодинамическая система - макроскопическое тело, выделенное из окружающей среды при помощи перегородок или оболочек (они могут быть также и мысленными, условными) и характеризующееся макроскопическими параметрами: объемом, температурой, давлением и др. Для этого термодинамическая система должна состоять из достаточно большого числа частиц.
Равновесное состояние системы обусловлено возможностью достижения постоянного значения пространственно-временной плотности системы за счет неограниченного пространства и времени.
От воздействия внешней среды атом может быть возбужден или разрушен. Все зависит от величины энергетического воздействия, от состояния атома в момент воздействия и от потенциальных возможностей атома реагировать на воздействие. Но из этих двух следствий воздействия энергии среды на атом следует, что в возбужденном состоянии атом может соединится с другим атомом. И в этом случае возможна нормализация плотности материи. Эта нормализация происходит в условиях новой системы состоящей из двух атомов.
Теплоемкость - количество теплоты, которое необходимо подвести к телу, чтобы повысить его температуру на 1 К, точнее - отношение количества теплоты, полученного телом (веществом) при бесконечно малом изменении его состояний в каком-либо процессе, к вызванному им приращению температуры. Теплоемкость единицы массы называют удельной теплоемкостью. Теплоемкость единицы массы называют удельной теплоемкостью. Если процесс теплопередачи не сопровождается работой, то на основании первого закона термодинамики количество теплоты равно изменению внутренней энергии тела.
6. Опишите как развивались представления о свете и в каких явлениях проявляется его волновые свойства? Как и кем было показано, что свет есть электромагнитная волна? Если при отражении от горизонтальной стеклянной пластинки солнечный луч оказался плоскополяризованным то какова была высота Солнца над горизонтом?
В XVII веке возникло две теории света: волновая и корпускулярная. Корпускулярную теорию предложил Ньютон, а волновую - Гюйгенс. Согласно представлениям Гюйгенса свет - волны, распространяющиеся в особой среде - эфире, заполняющем все пространство. Две теории длительное время существовали параллельно. Когда одна из теорий не объясняла какого-то явления, то оно объяснялось другой теорией. Существует несколько способов определения скорости света: астрономический и лабораторные методы.
Впервые скорость света измерил датский ученый Ремер в 1676 г., используя астрономический метод. Он засекал время которое самый большой из спутников Юпитера Ио находился в тени этой огромной планеты. Ремер провел измерения в момент, когда наша планета была ближе всего к Юпитеру, и в момент, когда мы находились немного (по астрономическим понятиям) дальше от Юпитера. В первом случае промежуток между вспышками составил 48 часов 28 минут. Во втором случае спутник опоздал на 22 минуты. Из этого был сделан вывод, что свету необходимо 22 минуты, чтобы пройти расстояние от места предыдущего наблюдения до места настоящего наблюдения. Зная расстояние и время запаздывания Ио он вычислил скорость света, которая оказалась огромной, примерно 300 000 км/с. Впервые скорость света лабораторным методом удалось измерить французскому физику Физо в 1849 г. Он получил значение скорости света равное 313 000 км/с.
Длина световой волны: с/w, где с=3*108 м/с - скорость света в вакууме; w - частота излучения. Абсолютный показатель преломления среды n=c/v где v - скорость света в среде. Т.к. луч плоскополяризован то по закону Брюстера , Для стекла =1,53 для воздуха =1. =1,53, =56,8?. С- расстояние от Земли до Солнца = 1,496*1011м.
Следовательно высота, = 1,496*1011*cos56,8?=8.191*1011 м.
7. Развитие идей эволюции видов. Докажите что естественный отбор является направляющим фактором эволюции. Сопоставьте понятия популяция и вид.
Естественный отбор - направляющий фактор эволюции. Естественный отбор - это дифференциальное выживание и размножение особей, которые отличаются друг от друга генетически детерминированными признаками. Более приспособленные к данным условиям среды особи оставляют больше потомков, чем менее приспособленные. Эффективность естественного отбора зависит от его интенсивности и запаса наследственной изменчивости, накопленного в популяции. Интенсивность отбора определяется тем, какая доля особей доживает до половой зрелости и участвует в размножении. Чем меньше эта доля, тем больше интенсивность отбора.
Популяция - структурная единица вида. Популяция - совокупность особей одного вида, занимающих определенный ареал, свободно скрещивающихся друг с другом, имеющих общее происхождение, генетическую основу и в той или иной степени изолированных от других популяций данного вида.
Важный признак вида -- расселение его группами, популяциями в пределах ареала. Популяция -- совокупность свободно скрещивающихся особей вида, которые длительное время существуют относительно обособленно от других популяций на определенной части ареала. Факторы, способствующие объединению особей в популяции, - свободное скрещивание (взаимоотношения полов), выращивание потомства (генетические связи), совместная защита от врагов, типы взаимоотношений организмов разных видов: хищник--жертва, хозяин--паразит, симбиоз, конкуренция.
Вид -- таксономическая, систематическая единица, группа особей с общими морфо - физиологическими, биохимическими и поведенческими признаками, способная к взаимному скрещиванию, дающему в ряду поколений плодовитое потомство, закономерно распространённая в пределах определенного ареала и сходно изменяющаяся под влиянием факторов внешней среды. Вид - реально существующая генетически неделимая единица живого мира. Основная структурная единица в системе организмов, качественный этап эволюции жизни.
8. Каковы особенности строения и функции ядра клетки и цитоплазмы? Опишите функции клеточных мембран. Что такое «ионный насос»?
Клетка - самая мелкая единица живого, лежащая в основе строения и развития растительных и животных организмов нашей планеты.
Ядро. Ядро - обязательная часть всякой полноценной, способной делиться клетки высших животных и растений. От цитоплазмы ядра обычно отделяются четкой границей. Бактерии и некоторые низшие водоросли (сине-зеленые) не имеют сформированного ядра: их ядра лишены ядрышка и не отделены от цитоплазмы отчетливо выраженной ядерной мембраной. Однако основной компонент ядра - носители наследственной информации клетки, хромосомы, присутствуют во всех без исключения ядрах. Форма ядер довольно разнообразна и в ряде случаев соответствует форме клетки. Количество ядер также может варьировать: типична одноядерная клетка, но встречаются клетки двуядерные (некоторые клетки печени и хрящевые клетки) и многоядерные (например, волокна поперечнополосатой мышцы и клетки сифонных водорослей содержат несколько сот ядер). Отношение объема ядра к объему цитоплазмы (ядерно-плазменное отношение) в клетках определенного типа в строго стандартных условиях в известной мере постоянно.
Цитоплазма. Основное вещество цитоплазмы, называемое также гиалоплазмой или матриксом, - это полужидкая среда клетки, в которой располагается ядро и все органоиды клетки. Под электронным микроскопом вся гиалоплазма, располагающаяся между органоидами клетки, имеет мелкозернистую структуру. Слой цитоплазмы формирует разные образования: реснички, жгутики, поверхностные выросты. Последние играют важную роль в движении и соединении клеток между собой в ткани.
Несмотря на существование многочисленных моделей мембран и различия в их некоторых деталях, все они основываются на представлениях о мембране как о жидком бислое определенным образом ориентированных фосфолипидных молекул, в который вмонтированы собранные в сетку-каркас белки. Основные функции клеточных мембран заключаются в отделении содержимого клеток от внешней среды, в создании внутренней архитектуры клетки, поддержании градиента концентраций и электрохимического градиента, осуществлении транспорта веществ. Это барьерная, транспортная, осмотическая, структурная, энергетическая, биосинтетическая, секреторная, рецепторно-регуляторная и другие функции.
Ионный насос представляет собой камеру, присоединяемую непосредственно к откачиваемому объему. Электроны, испускаемые катодом прямого накала или возникающие в статическом разряде, ионизуют молекулы газа в столкновениях с ними. Ионы переносятся электрическим полем к коллектору и связываются на его поверхности. Существуют два механизма связывания: одни ионы адсорбируются на поверхности коллектора, а другие вступают в химическую реакцию с материалом коллектора, образуя устойчивые соединения. Для химически активных газов эффективны оба механизма, а для инертных - только первый. Коллекторные поверхности большинства ионных насосов покрыты титаном. Под действием ионов, бомбардирующих коллектор, его поверхность распыляется, так что непрерывно открываются свежие слои титана, способные связывать ионы химически активных газов.
9. Разъясните понятие солнечной активности. Какие процессы на солнце связанны с явлениями на Земле. Как распределяется на Земле Солнечная энергия? Насколько можно считать Землю тепловой машиной? Дайте понятие солнечного излучения.
Солнечная активность - совокупность наблюдаемых изменяющихся (быстро или медленно) явлений на Солнце.
Самое сильное проявление солнечной активности, влияющее на Землю, - солнечные вспышки. Они развиваются в активных областях со сложным строением магнитного поля и затрагивают всю толщу солнечной атмосферы. Энергия большой солнечной вспышки достигает огромной величины, сравнимой с количеством солнечной энергии, получаемой нашей планетой в течение целого года. Это приблизительно в 100 раз больше всей тепловой энергии, которую можно было бы получить при сжигании всех разведанных запасов нефти, газа и угля. В то же время это энергия, испускаемая всем Солнцем за одну двадцатую долю секунды, с мощностью, не превышающей сотых долей процента от мощности полного излучения нашей звезды.
Атмосфера Земли может рассматриваться как гигантская тепловая «машина», в которой роль нагревателя и холодильника играют экваториальная зона и зоны полюсов, а источником энергии является солнечная радиация. Считая, что полный поток солнечной энергии, поступающий на Землю, равен JW =1,7*107 Вт, а КПД h рассматриваемой «машины» на порядок меньше максимально возможного, оценить среднюю мощность <P>, расходуемую на образование векторов, в расчете на 12 земной поверхности. По мере удаления от центра температура и давление уменьшаются. На расстоянии более 0,3 радиуса Солнца температура становится ниже 5 млн. градусов, а давление ниже 10 млн. атмосфер. В этих условиях термоядерные реакции протекать уже не могут. В результате термоядерных реакций в ядре Солнца возникают жесткие гамма-кванты, обладающие огромной энергией. Вышележащие слои только передают и переизлучают наружу излучение, выделившееся в ядре. В этих слоях атомы и ядра, поглощая квант большой энергии, как правило, излучают несколько квантов меньшей энергии. На пути от ядра до поверхности Солнца происходит многократное «дробление» жестких квантов на менее энергичные. В результате с поверхности Солнца вместо жестких гамма-квантов излучаются кванты со значительно меньшей энергией - рентгеновские, ультрафиолетовые, видимые и инфракрасные.
Электроны, протоны, алфа-частицы, а так же более тяжелые атомные ядра составляют корпускулярное излучение Солнца. Значительная часть этого излучения представляет собой более или менее непрерывное истечение плазмы - солнечный ветер, являющийся продолжением внешних слоёв Солнечной атмосферы - солнечной короны.
Наконец, с солнечными вспышками связаны наиболее мощные кратковременные потоки частиц, главным образом электронов и протонов. В результате наиболее мощных вспышек частицы могут приобретать скорости, составляющие заметную долю скорости света. Частица с такими большими энергиями называются солнечными космическими лучами. Солнечное корпускулярное излучение оказывает сильное влияние на Землю, и прежде всего на верхние слои её атмосферы и магнитное поле, вызывая множество интересных геофизических явлений.
10. Дайте понятие «научной картины мира» и приведите примеры.
На предшествующих этапах развития науки, начиная от становления естествознания вплоть до середины XX столетия, такое «организмическое» понимание окружающей человека природы воспринималось бы как своеобразный атавизм, возврат к полумифологическому сознанию, не согласующемуся с идеями и принципами научной картины мира. Но после того как сформировались и вошли в научную картину мира представления о живой природе как сложном взаимодействии экосистем, после становления и развития идей В.И. Вернадского о биосфере как целостной системе жизни, взаимодействующей с неорганической оболочкой Земли, после развития современной экологии это новое понимание непосредственной сферы человеческой жизнедеятельности как организма, а не как механической системы, стало научным принципом, обоснованным многочисленными теориями и фактами.
Развитие современной научной картины мира обосновывает в качестве своих мировоззренческих следствий новые способы понимания мира, которые перекликаются с забытыми достижениями традиционных культур. Можно констатировать, что развитие современной научной картины мира органично включено в процессы формирования нового типа планетарного мышления, основанного на толерантности и диалоге культур и связанного с поиском выхода из современных глобальных кризисов. Приобретая открытый характер, научная картина мира вносит свой вклад в процессы синтеза различных культур. Она соединяет новые подходы, возникшие на почве развивающейся научной рациональности, всегда выступавшей ценностью техногенной (западной) цивилизации, с идеями, разработанными в совсем иной культурной традиции и возникшими в восточных учениях и в философии «русского космизма». Современная научная картина мира включена в диалог культур, развитие которых до сих пор шло как бы параллельно друг другу. Она становится важнейшим фактором кросскультурного взаимодействия Запада и Востока.
