Реферат: Концепции современного естествознания

1. Как определили возрасты Солнца, звезд, Вселенной? Каковдиапазон временных интервалов во Вселенной?

2. Дайте представление о научной методологии и формированиикритерия истины в разное время. Чем отличается современная научная картина мираот классической? Как осуществляется преемственность идей и концепций?

3. В чем состоит эффект Доплера и какова его роль в исследованиизвезд, Вселенной?

4. Дайте понятие внутренней энергии. Какие виды внутреннейэнергии вы знаете? Как измеряется внутренняя энергия? В чем сущность первогоначала термодинамики?

5. Приведите уравнение состояния идеального газа. Какаявеличина является мерой средней кинетической энергии молекул? Можно ли передатьтелу некоторое количество теплоты без изменения его температуры?

6. Дайте понятие об обратимых и необратимых процессах.Приведите примеры. Как строится термодинамика открытых систем? Дайтепредставление о прямой и обратной связи в сложной системе.

7. Когда возникает металлическая связь? Дайте представление отеории металлов (классической и квантовой), полупроводниках, диэлектриках иизоляторах.

8. Поясните, как распределяется на Земле солнечная энергия.Дайте понятие о негэнтропии солнечного излучения.

9. Поясните смысл гипотезы Планка о дискретном характереиспускания света? Насколько были решены при этом противоречия в теориитеплового излучения?

10. Каково строение Солнца и его атмосферы? Каковы проявленияи закономерности солнечной активности? В каком состоянии находится солнечноевещество? Каков состав солнечного излучения? Что такое солнечный ветер? Как онпроявляется на Земле?

Список литературы


1. Как определиливозрасты Солнца, звезд, Вселенной? Каков диапазон временных интервалов воВселенной?

Методрадиоактивного распада — важнейший метод определения больших временныхдиапазонов в последние полвека. Известно, что все живое получает двуокисьуглерода из воздуха. Некоторая часть углерода — радиоактивна, и любой образецвещества, приготовленный из живого, содержит эту же долю радиоактивногоуглерода. Измеряя скорость отсчетов для какого-то образца, можно вычислить,сколько лет прошло с того времени, когда данный кусок доски был живым деревом.В детекторе «свежее» вещество даст 16 отсч./мин на каждый грамм углерода, а за5 600 лет оно даст только 8 отсч./мин на 1 г и т.д. Многие археологические находки «датированы» определенным количеством оставшегося в их веществе радиоактивногоуглерода. По нему можно определить возраст до 25 000 лет.

Попериоду полураспада элементов можно заглянуть в прошлое: за это время половинавещества превращается в другой элемент, за следующий период полураспада — ещеполовина и т.д.

Временныеинтервалы: сутки — 8,64 • 104 с; год—3 • 107 с; средняяжизнь человека—2 • 109 с; средний возраст египетских пирамид — 1 •1012 с; зарождение жизни на Земле — 7,5 • 1016 с; времяпоявления первобытного человека — 5 • 1013с; млекопитающих — 5 • 1015с;земноводных — 7,5 • 1015с; время существования человечества — 1 • 1014с; возраст Земли — 1,5 • 1017с; возраст Вселенной —5 • 1017с.

Периодколебаний звуковой волны достигает 0,001 с, радиоволны — 10-6 с.Меньшие промежутки времени связаны с расстояниями в микромире, и их можноизмерять через скорость света. За 10-9 с—свет проходит расстояние в30 см, соответственно, можно рассчитать, что расстояние, равное размеру атома,свет проходит за 10-18 с, атомного ядра — за 10-24 с.Колебания молекул совершаются за период в 10-12 с, атома —10-15с, ядра — 10-21 с.[1]

 2. Дайте представление о научнойметодологии и формировании критерия истины в разное время. Чем отличаетсясовременная научная картина мира от классической? Как осуществляетсяпреемственность идей и концепций?

Напротяжении всей истории западной мысли неоднократно поднимался один и тот жевопрос: что есть возникновение нового в мире, управляемом детерминистическимизаконами? Впервые этим вопросом задались задолго до рождения современной науки.Платон связывал разум и истину с «миром идей» — высшим бытием, неподверженным изменениям, текучести реального мира с его постоянным«становлением». Становление — неиссякаемый поток воспринимаемых намиявлений — философ относил к сфере чистого мнения. Однако Платон сознавалущербность такой позиции, поскольку она принижала и жизнь, и мысль. С той жетрудностью столкнулись и атомисты. Чтобы допустить возникновение нового,Лукрецию пришлось ввести «клинамен» — некий фактор, возмущающийсвободное падение атомов в пустоте. Обращение к клинамену часто подвергалоськритике за введение в атомистическое описание чужеродного элемента. Но и черездва тысячелетия мы встречаем аналогичную попытку в работе Эйнштейна,посвященной спонтанному испусканию света возбужденным атомом. Параллелизмособенно неожиданный, если мы вспомним, что Лукреций и Эйнштейн разделены,по-видимому, величайшей революцией в наших отношениях с природой — рождениемновой науки. Сфера проявлений хаоса чрезвычайно расширилась и включила в себяфактически все системы, описываемые современными теориями взаимодействующихполей. Столь широкое обобщение понятий хаоса требует новой — третьей — формулировки законов физики: первая была основана на исследованиииндивидуальных траекторий или волновых функций; вторая — на теории ансамблейГиббса и Эйнштейна (с динамической точки зрения вторая формулировка не вноситновизны, поскольку, будучи примененной к отдельным траекториям или волновымфункциям, сводится к первой). Теперь мы приходим к третьей формулировке,имеющей совершенно иной статус: она применима только к ансамблям и справедливатолько для динамических систем. Она приводит к выводам, которые не могут бытьполучены ни на основе ньютоновской, ни ортодоксальной квантовой механики.Именно это новое представление, вводящее необратимость в фундамент описанияприроды, позволяет объединить свойства микро и макромира. С глубокой древностии до начала нынешнего столетия космос считали неизменным. Звездный миролицетворял собой абсолютный покой, вечность и беспредельную протяженность.Открытие в 1929 году взрывообразного разбегания галактик, то есть быстрогорасширения видимой части Вселенной, показало, что Вселенная не стационарна.Экстраполируя процесс расширения в прошлое, сделали вывод, что 15-20 миллиардовлет назад Вселенная была заключена в бесконечно малый объем пространства прибесконечно большой плотности и температуре вещества-излучения (это исходноесостояние называют «сингулярностью»), а вся нынешняя Вселеннаяконечна — обладает ограниченным объемом и временем существования[2].Таким образом, на основе уже выдвинутых теорий рождаются новые, которые илидоказывают их или опровергают.

3. В чем состоит эффектДоплера и какова его роль в исследовании звезд, Вселенной?

К.Доплеробнаружил зависимость частоты волнового импульса от скорости при движенииисточника волн относительно наблюдателя, названную эффектом Доплера. Многие нераз сталкивались с ним, когда слышали, как меняется звук предупреждающегосвистка проносящегося мимо платформы поезда. Но эффект Доплера можно не только«слышать», но и «видеть», хотя бы в ванне или пруду. Периодически погружаяпалец в воду, чтобы на поверхности образовались волны, равномерно перемещайтеего в одном направлении. Следуя друг за другом, гребни волн будут сгущаться внаправлении движения пальца и станут более разреженными с другой стороны.Значит, длина волны в направлении вперед станет меньше обычной, в направленииназад — больше

ЭффектДоплера имеет место для всех типов волн — звуковых в атмосфере, упругих втвердом теле, волн на воде, световых волн. Измерение доплеровского смещения вспектрах позволяет с большой точностью, не возмущая измерением движение,определить скорости движущихся объектов.

ЭффектДоплера, как основной в оптике движущихся сред, сыграл решающую роль вэкспериментальном обосновании специальной теории относительности.

4. Дайте понятиевнутренней энергии. Какие виды внутренней энергии вы знаете? Как измеряетсявнутренняя энергия? В чем сущность первого начала термодинамики?

Внутренняяэнергия тела, складывается из кинетической энергии молекул тела и ихструктурных единиц (атомов, электронов, ядер), энергии взаимодействия атомов вмолекулах и т. д. Во внутреннюю энергию не входит энергия движения тела какцелого и потенциальная энергия, которой может обладать тело в каком-либосиловом поле (гравитационном, магнитном и др.). С точки зрения термодинамикипод внутренней энергией тела понимают сумму кинетической энергии хаотическогодвижения составляющих ее частиц и потенциальной энергии их взаимодействия.

Дляслучая перехода системы из состояния 1 в состояние 2 можно записать следующееравенство, позволяющее рассчитать изменение внутренней энергии DU1-2:

DU1-2= Q1-2 + A1-2' = Q1-2 — A1-2

или

Q1-2= DU1-2 + A1-2,

где A1-2 — работа, совершаемая системой против действия внешних сил;

A1-2'- работа, совершаемая внешними силами над системой

Q1-2 — количество теплоты, сообщенное системе.

Припереходе к бесконечно малым изменениям будет справедливо следующее равенство:

δQ = dU + δA,

гдевеличины элементарного количества теплоты δQ и работыи δA положительны, если теплота подводится к системе исистема совершает работу над внешними силами.

Длябесконечно малых приращений параметров состояния первое начало термодинамикиможно сформулировать: элементарное количество теплоты, сообщенноетермодинамической системе, идет на изменение ее внутренней энергии и совершениесистемой работы. Количество теплоты, как следует из первого началатермодинамики, измеряется в тех же единицах, что работа или энергия, т.е. вДжоулях. Существует механический эквивалент теплоты, определенныйэкспериментально. 1 Дж = 4.19 кал.


5. Приведите уравнение состояния идеального газа.Какая величина является мерой средней кинетической энергии молекул? Можно липередать телу некоторое количество теплоты без изменения его температуры?

Состояниеданной массы газа полностью определено, если известны его давление, температураи объем. Эти величины называют параметрами состояния газа. Уравнение,связывающее параметры состояния, называют уравнением состояния.

Дляпроизвольной массы газа состояние газа описывается уравнением Менделеева —Клапейрона:

pV =mRT/M,

где р —давление, V — объем, m — масса, М — молярная масса, R — универсальная газоваяпостоянная.

Физическийсмысл универсальной газовой постоянной в том, что она показывает, какую работусовершает один моль идеального газа при изобарном расширении при нагревании на1 К (R = 8,31 ДжДмоль • К)).

УравнениеМенделеева — Клапейрона показывает, что возможно одновременное изменение трехпараметров, характеризующих состояние идеального газа. Однако многие процессы вгазах, происходящие в природе и осуществляемые в технике, можно рассматриватьприближенно как процессы, в которых изменяются лишь два параметра. Особую рольв физике и технике играют три процесса: изотермический, изохорный и изобарный.

Оттемпературы зависит величина средней кинетической энергии молекул. Поэтомуговорят, что температура — мера средней кинетической энергии молекул.

Такимобразом, передать телу некоторое количество теплоты без изменения еготемпературы нельзя.

6. Дайте понятие обобратимых и необратимых процессах. Приведите примеры. Как строитсятермодинамика открытых систем? Дайте представление о прямой и обратной связи всложной системе.

Процесс,в ходе которого термодинамические параметры во всех точках одинаковы,называется равновесным. Его на графике можно изображать сплошной линией.

Неравновеснымназывается процесс, в котором условия равновесности не соблюдаются. Такойпроцесс на графике можно изображать пунктиром.
Любой равновесный процесс теоретически обратим, т.е. его можно «пустить» в обратномнаправлении. Неравновесный — необратим, т.к. он стремится в направленииустановления равновесия. Пример необратимого процесса — переход механическойэнергии в тепло.

Открытыесистемы, в которых наблюдается прирост энтропии, получили название диссипативных.В таких системах энергия упорядоченного движения переходит в энергиюнеупорядоченного хаотического движения, т.е. в тепло. Если замкнутую системувывести из состояния равновесия, то в ней начнутся процессы, возвращающие ее ксостоянию термодинамического равновесия, в котором ее энтропия достигаетмаксимального значения. Со временем степень неравновесности будет уменьшаться,однако, в любой момент времени ситуация будет неравновесной. В случае открытыхсистем отток энтропии наружу может уравновесить ее рост в самой системе. В этихусловиях может возникнуть и поддерживаться стационарное состояние.

Сложнаясистема — составной объект, части которого можно рассматривать как отдельныесистемы, объединенные в единое целое в соответствии с определенными принципамиили связанные между собой заданными отношениями. Части сложной системы(подсистемы) можно расчленить на более мелкие подсистемы и т. д., вплоть довыделения элементов сложной системы. Свойства сложной системы в целомопределяются как свойствами составляющих ее элементов, так и характеромвзаимодействия между ними, т.е. связь бывает прямой и обратной.

 7. Когда возникает металлическая связь?Дайте представление о теории металлов (классической и квантовой),полупроводниках, диэлектриках и изоляторах.

Связь,которая образуется в результате взаимодействия относительно свободныхэлектронов с ионами металлов, называются металлической связью. Этот тип связихарактерен для простых веществ- металлов.

Сущностьпроцесса образования металлической связи состоит в следующем: атомы металловлегко отдают валентные электроны и превращаются в положительные заряженныеионы. Относительно свободные электроны, оторвавшиеся от атома, перемещаютсямежду положительными ионами металлов. Между ними возникает металлическая связь,т. е. Электроны как бы цементируют положительные ионы кристаллической решеткиметаллов.

Классическаятеория — электроны ведут себя, как атомы идеального газа, но сталкиваются немежду собой, а с ионами кристаллической решетки, чем объяснялось сопротивлениеметаллов. Согласно классической теории, один грамм-моль вещества, содержащий Nчастиц, должен обладать энергией 3RT или теплоемкостью в 6 кал/моль.

Квантоваятеория металлов — внешние электроны обладают коллективными свойствами, и ихкинетическая энергия должна быть порядка ионизационного потенциала, т.е. (5-10)эВ вместо 3 • 10~2 эВ. Впоследствии была учтена разработанная для электронов всоответствии с принципом Паули статистика Ферми-Дирака, волновая природаэлектронов, и движение их в решетке металла стали рассматривать как рассеяниеэлектронных волн. «Валентные электроны» в металле приобрели черты сжатого газа,который подчиняется статистике не Максвелла, а Ферми-Дирака.

Полупроводникихарактеризуются тем, что электроны полностью занимают валентную зону. Поэтомудля увеличения энергии электрона ему нужно сообщить энергию, достаточную дляпреодоления запрещенной зоны. Поэтому электрические свойства кристаллаопределяются шириной запрещенной зоны. Электрическое поле не в состояниисообщить такую энергию, и для небольшой ширины зоны может быть достаточнотепловой энергии. Изоляторы имеют большую ширину запрещенной зоны, и тепловойэнергии уже недостаточно для перевода электронов через нее.

Собственнаяпроводимость возникает в результате переходов электронов с верхних уровнейвалентной зоны в зону проводимости. Так идут два процесса: появление попарносвободных электронов и дырок и рекомбинация, которая приводит к попарномуисчезновению электронов и дырок. В отсутствие поля они движутся хаотически. Привключении поля происходит перенос заряда в кристалле, который накладывается нахаотическое движение.

8. Поясните, какраспределяется на Земле солнечная энергия. Дайте понятие о негэнтропиисолнечного излучения.

Солнечнаяэнергия распределена неравномерно — в экваториальных широтах поверхность Землиперпендикулярна падающим лучам Солнца и нагрев максимальный, а в полярныхширотах те же лучи, падая под углом на поверхность Земли, нагревают гораздобольшие по площади участки — минимальный нагрев.

Из-занаклона оси вращения в зависимости от времени года область, получающаямаксимальное количество солнечной энергии перемещается в интервале от 12 с.ш.во время летнего солнцестояния в северном полушарии ( 21 июня) до 8 ю.ш. вовремя летнего солнцестояния в южном полушарии ( 21 декабря — в северномполушарии в это время зимнее солнцестояние, соответственно).

Земныеисточники энергии — термальные воды, тектоническая и вулканическая активность — вносят малую долю от потока энергии, поступающей на поверхность Земли отСолнца. Температура земной поверхности — около 300 градусов по Кельвину,солнечной поверхности — около 6000. Поступающая при такой колоссальной разноститемператур энергия имеет очень низкую энтропию, она вызывает движение воздуха иморские течения, круговорот воды в природе, является источником жизни.Первичным живым потребителем негэнтропии солнечного излучения являются зеленыерастения. Они преобразуют минеральные вещества и органические остатки в высокоорганизованныевещества за счет этой негэнтропии. Растениями питаются травоядные животные,травоядными — плотоядные. На каждом этапе происходят потери негэнтропии, растетэнтропия, выделяемая в отходах, биомассы на верхних уровнях пищевой пирамидыстановится все меньше. Пройдя все ступени превращений, все вещества вновьвозвращаются в деградированное состояние. Непрерывный круговорот жизни, так же,как и круговорот воды, требует очень высокой оплаты. Природа оплачивает этоткруговорот низкой энтропией и большим количеством солнечной энергии. Этим жеисточником энергии и негэнтропии оплачена в течение двух-трех миллиардов летвся эволюция жизни на Земле[3].

9. Поясните смыслгипотезы Планка о дискретном характере испускания света? Насколько были решеныпри этом противоречия в теории теплового излучения?

Первоначальногипотеза Планка в ее наиболее смелой форме состояла в предположении, чтовещество может поглощать энергию излучения только конечными порциями,пропорциональными частоте. Успех теории черного излучения подтвердилсправедливость этой гипотезы. Но если эта гипотеза верна, то представляетсявполне вероятным, что дискретная природа света, проявляющаяся в моментыпоглощения и испускания, должна сохраняться также и в остальные промежуточныемоменты времени, т.е. тогда, когда излучение свободно распространяется впространстве.

Эйнштейнобъяснил данные наблюдений, опираясь на гипотезу Планка, которую онинтерпретировал с помощью предположения, что свет состоит из так называемых световыхквантов, то есть из квантов энергии, которые движутся в пространстве подобно маленькимкорпускулам. Энергия отдельного светового кванта, в согласии с гипотезойПланка, должна равняться частоте света, помноженной на постоянную Планка.

ГипотезаПланка противоречит классической электродинамике, поскольку, согласнопоследней, электромагнитные волны излучаются зарядом, движущимся ускоренно. Ускорениеже частиц никаких скачков не предполагает.

Затридцать лет своего существования гипотеза о дискретности природы светаоказалась настолько плодотворной, что в настоящее время уже не остаетсясомнений в ее достоверности. Она открывает новую существенную сторонуфизической реальности. Но эта гипотеза встречает на своем пути также трудностии вызывает возражения, возникшие еще во времена первых работ Эйнштейна поквантовой теории света.

Преждевсего, возникает вопрос, как совместить дискретность структуры света с волновойтеорией, столь неоспоримо подтвержденной многими точными экспериментами? Каксовместить между собой существование неделимого кванта света и явленияинтерференции? В частности, как показал Лоренц, невозможно определить разрешающуюспособность оптических инструментов (например, телескопа), исходя изпредположения о концентрации световой энергии в фотонах, локализованных впространстве[4].

10. Каково строениеСолнца и его атмосферы? Каковы проявления и закономерности солнечнойактивности? В каком состоянии находится солнечное вещество? Каков составсолнечного излучения? Что такое солнечный ветер? Как он проявляется на Земле?

Солнцепредставляет собой сферически симметричное тело, находящиеся в равновесии.Всюду на одинаковых расстояниях от центра этого шара физические условияодинаковы, но они заметно меняются по мере приближения к центру. Плотность идавление быстро нарастают вглубь, где газ сильнее сжат давлением вышележащихслоёв. Следовательно, температура также растёт по мере приближения к центру. Взависимости от изменения физических условий Солнце можно разделить на несколькоконцентрических слоёв, постепенно переходящих друг в друга.

Солнечнаяатмосфера так же состоит из нескольких различных слоёв. Самый глубокий и тонкийиз них — фотосфера, непосредственно наблюдаемая в видимом непрерывном спектре.Толщина фотосферы приблизительно около 300 км. Чем глубже слои фотосферы, тем они горячее. Во внешних более холодных слоях фотосферы на фоне непрерывного спектраобразуются Фраунгоферовы линии поглощения. Во время наибольшего спокойствияземной атмосферы можно наблюдать характерную зернистую структуру фотосферы.Чередование маленьких светлых пятнышек — гранул — размером около 1000 км, окруженных тёмными промежутками, создаёт впечатление ячеистой структуры — грануляции.

РадиоизлучениеСолнца имеет две составляющие — постоянную и переменную. Во время сильныхсолнечных вспышек радиоизлучение Солнца возрастает в тысячи и даже миллионы разпо сравнению с радиоизлучение спокойного Солнца. Рентгеновские лучи исходят восновном от верхних слоёв атмосферы и короны. Особенно сильным излучение бываетв годы максимума солнечной активности. Солнце излучает не только свет, тепло ивсе другие виды электромагнитного излучения. Оно также является источником постоянногопотока частиц — корпускул. Нейтрино, электроны, протоны, альфа-частицы, а также более тяжелые атомные ядра составляют корпускулярное излучение Солнца.Значительная часть этого излучения представляет собой более или менее непрерывноеистечение плазмы — солнечный ветер, являющийся продолжением внешних слоёвСолнечной атмосферы — солнечной короны. На фоне этого постоянно дующего плазменноговетра отдельные области на Солнце являются источниками более направленных,усиленных, так называемых корпускулярных потоков.

Солнечнаяактивность — совокупность явлений, периодически возникающих в солнечной атмосфере.Проявления солнечной активности тесно связаны с магнитными свойствами солнечнойплазмы. Возникновение активной области начинается с постепенного увеличениямагнитного потока в некоторой области фотосферы. В соответствующих местаххромосферы после этого наблюдается увеличение яркости в линиях водорода икальция. Такие области называют флоккулами. Примерно в тех же участках наСолнце в фотосфере (т.е. несколько глубже) при этом также наблюдаетсяувеличение яркости в белом (видимом) свете — факелы. Увеличение энергии,выделяющейся

в областифакела и флоккула, является следствием увеличившихся до нескольких десятков экстреднапряженности магнитного поля. Затем в солнечной активности наблюдаютсясолнечные пятна, возникающие через 1-2 дня после появления флоккула в виде маленькихчёрных точек — пор. Многие из них вскоре исчезают, и лишь отдельные поры за 2-3дня превращаются в крупные тёмные образования. Типичное солнечное пятно имеет размерыв несколько десятков тысяч километров и состоит из тёмной центральной части — тени и волокнистой полутени. Важнейшая особенность пятен — наличие в них сильныхмагнитных полей, достигающих в области тени наибольшей напряжённости внесколько тысяч экстред. В целом пятно представляет собой выходящую в фотосферутрубку силовых линий магнитного поля, целиком заполняющих одну или несколько ячеекхромосферной сетки[5].


Список литературы

1.  Горелов А.А. Концепции современного естествознания. –М.: Библионика, 2006.

2.  Гусейханов М.К., Раджабов О.Р. Концепции современногоестествознания. – М.: Просвещение, 2002.

3.  Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания.– Новосибирск: НГУЭУ, 2005.

4.  Концепции современного естествознания. / Аруцев А.А.,Ермолаев Б.В., Кутателадзе И.О., Слуцкий М.С. – М.: Просвещение, 2000.

5.  Поиски жизни в Солнечной системе. — М.: Мир, 1988.

еще рефераты
Еще работы по биологии