Пособие учебно-методическое Омск Издательство Сибади 2005 Е.В. Иванова КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ Федеральное агентство по образованию Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ) Е.В. Иванова Концепции современного естествознания Учебно-методическое пособие Омск Издательство СибАДИ 2005 УДК 5 ББК 2 И 20 Рецензенты д-р техн. наук, проф. В.И. Суриков, канд. хим. наук, доц. Э.Ф. Зорина Работа одобрена редакционно-издательским советом академии в качестве учебно-методического пособия для студентов специальностей 010502 – Прикладная информатика в экономике и 220501 – Управление качеством. Иванова Е.В. Концепции современного естествознания : Учебно-методическое пособие.-Омск: Изд-во СибАДИ, 2005.-79с. Учебное пособие включает в себя 10 семинарских занятий по курсу «Концепции современного естествознания». Для каждого занятия разработан план, содержащий основные вопросы излагаемой темы, приводятся список рекомендуемой литературы, темы ов, словарь терминов. Для контроля знаний предлагаются варианты самостоятельных работ, которые охватывают тематику наиболее значимых семинарских занятий. Табл. 1. Ил. 3. Библиогр.: 86 назв. ISBN 5-93204-228-1 © Е.В. Иванова, 2005 © Издательство СибАДИ, 2005 Оглавление Введение......................................................................................................…. 3 Семинар 1 . Метод научного познания. Физика и картина мира............…..4 Семинар 2. Философские проблемы пространства и времени. Исходные модели материальных объектов……………………………..11 Семинар 3. Классическая физика и законы Ньютона в общей системе знаний. Механическая картина мира.........................15 Семинар 4. Законы сохранения в современной физике..............................18 Семинар 5 . Порядок и беспорядок в природе. Динамические и статистические закономерности. Энтропия.............................22 Семинар 6. Вещество и поле......................................................…........…....26 Семинар 7. Элементы квантовой механики. Квантово-полевая картина мира..............................................................................................29 Семинар 8. Строение и эволюция звезд и планет. Солнечная система. Строение и эволюция Земли…………………………………..33 Семинар 9. Специфика живого. Концепции эволюции в биологии. Человек…………………………………………………………39 Семинар 10 . Современные методы исследования структуры вещества и физические основы высоких технологий…....….43 Тесты к семинарским занятиям…………………………………………….48 Самостоятельная работа № 1 …………………………………..48 Самостоятельная работа № 2 …………………………………..49 Самостоятельная работа № 3 …………………………………..50 Самостоятельная работа № 4 …………………………………..52 Самостоятельная работа № 5 …………………………………..54 Самостоятельная работа № 6 …………………………………..55 Темы ов.....................................................................…............…......57 Великие открытия в физике, отмеченные нобелевскими премиями…….59 Словарь терминов……………………………………………………...……61 Библиографический список…………..............................................….........75 Введение «Концепции современного естествознания» - новая дисциплина в программе высшего образования. В наши дни ни один человек не может считаться образованным, если он не проявляет интереса к естественным наукам. Итак, для чего же нужно изучать современное естествознание? Во-первых, для того, чтобы стать культурным человеком, надо знать, что такое теория относительности, генетика, синергетика, экология и другие науки. Во-вторых, это важно и потому, что многое в нашей жизни строится в соответствии с научной методологией. В-третьих, потому, что знания, необходимые любому специалисту, так или иначе связаны и в какой-то степени основаны на научных данных. Результатами научных исследований являются теории, законы, гипотезы, эмпирические обобщения. Все эти понятия, каждое из которых имеет свое определенное значение, можно объединить одним словом - «концепции». Естествознание в современном понимании – это совокупность наук о природе как системе тел, находящихся во взаимной связи, взаимодействии, движении. Развитие естествознания шло от непосредственного созерцания природы, через расчленение знаний и анализ внутри отдельных научных дисциплин к синтезу наук, к воссозданию картины мира. С ХVIII в. роль науки в обществе стала резко изменяться. Научные открытия ускорили развитие техники и технологий, требовавших, в свою очередь, новых открытий. Таким образом, наука превратилась в производительную силу, в корне изменила жизнь человеческого общества. Человечество, стремясь как можно быстрее получить максимальную выгоду от результатов научных исследований, явно недооценивает роль глобальных проблем, но решение даже такого вопроса, как прогнозирование развития Вселенной поможет лучше обозначить место человека в этом мире. Для более четкой организации работы по подготовке к каждому семинару разработаны рекомендации, в которых указаны основные вопросы, а также приведен библиографический список. Для систематического контроля знаний студентов предлагается несколько вариантов самостоятельных работ, которые составлены в виде тестов. Проверку знаний по тестам можно проводить как отдельное занятие – в виде промежуточной контрольной работы. Одним из видов самостоятельной работы является подготовка а по одной из тем, предлагаемых в конце пособия. В е должны быть представлены: 1) план; 2) излагаемый материал; 3) список используемой литературы. оформляется согласно правилам оформления письменных работ в СибАДИ. Семинар 1. МЕТОД НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ. ФИЗИКА И КАРТИНА МИРА Термин «естествознание» означает знание о природе, природоведение. Естествознание как совокупность наук о природе выросло из натурфилософии, рассматривающей природу как единое целое. Постепенно чисто умозрительное описание природы стало вытесняться экспериментальным изучением ее законов, и выделилась отдельная наука - физика, изучающая наиболее простые и общие свойства материального мира. Законы физики являются обобщением многих опытов, они универсальны не только на Земле, но и во всей Вселенной, отражая материальное единство мира. Поэтому законы физики лежат в основе всех других областей естествознания. Границы между физикой и другими науками, характеризующимися своим предметом и методами исследования, весьма условны. В настоящее время помимо физики, химии, биологии в естествознание входят астрономия, генетика, цитология, электроника и т.п. Часто в естествознание стали включать и психологию, опирающуюся на достижения физиологии и одновременно лежащую на границе с гуманитарными науками. Естествознание не является совокупностью отдельных дисциплин, в отличие от специальных наук оно исследует природу как единое целое с целью выявления ее законов в общей естественно-научной позиции. Целью естествознания в конечном счете является попытка решения так называемых «мировых загадок», сформулированных еще в конце XIX века Э. Геккелем и Э.Г. Дюбуа-Реймоном. Эти «загадки» приведены на рис. 1. Сущность материи и силы Происхождение жизни Возникновение ощущения и сознания Происхождение движения Целесообразность природы Возникновение мышления и речи Свобода воли ↓ ФИЗИКА ↓ БИОЛОГИЯ ↓ ПСИХОЛОГИЯ Рис. 1. Мировые загадки естествознания Метод научного познания . ХХ век – это век науки. Ее авторитет в обществе прочен и устойчив. Существует немало видов знаний, источником которых является практический жизненный опыт, эстетическое впечатление и т.д. Знание, добываемое наукой, намного превосходит остальные виды своей полнотой, убедительностью, чисто практическими силой и пользой. Как это происходит? Прежде всего за счет метода, которым оно добывается, а также при помощи особого способа его организации и построения. Сущность научного метода можно представить очень просто – это такая процедура получения научного знания, которая позволяет его воспроизвести, проверить и передать другим. Основными элементами научного знания являются: 1) твердо установленные факты; 2) закономерности, обобщающие группы фактов; 3) теории, как правило, представляющие собой знания системы закономерностей, в совокупности описывающих некий фрагмент реальности; 4) научные картины мира, рисующие обобщенные образы реальности, в которых сведены в некое системное единство все теории, допускающие взаимное согласование. Наука тем и выделяется из других форм общественного сознания, что в ней методы получения нового знания стали предметом самостоятельного анализа и открытого обсуждения. Методы научного познания включают в себя так называемые всеобщие методы, т.е. методы общечеловеческого мышления, общенаучные методы, и методы конкретных наук . Методы могут быть классифицированы по соотношению эмпирического знания (т.е. знания, полученного в результате опыта, опытного знания) и знания теоретического , суть которого – познание сущности явлений, их внутренних связей. Всеобщих методов в истории познания два: диалектический и метафизический. Диалектический метод – это метод познания действительности в ее противоречивости, целостности и развитии. Метафизический метод – метод, противоположный диалектическому, рассматривающий явления вне их взаимной связи и развития. К общенаучным методам относятся: анализ, синтез, обобщение, абстрагирование, индукция, дедукция, аналогия, моделирование, классификация. К формам научного знания относят проблемы, научные факты, гипотезы, теории, идеи, принципы, категории и законы. В настоящее время стандартная модель строения научного знания выглядит примерно таким образом. Познание начинается с установления путем наблюдения или экспериментов различных фактов. Если среди этих фактов обнаруживается некая регулярность, повторяемость, то в принципе можно утверждать, что найден эмпирический закон, первичное эмпирическое обобщение. Далее, как правило, находятся такие факты, которые не встраиваются в обнаруженную регулярность. Тут на помощь призывается творческий интеллект ученого, его умение мысленно перестроить известную реальность так, чтобы выпадающие из общего ряда факты вписались, наконец, в некую единую схему и перестали противоречить найденной эмпирической закономерности. Обнаружить новую схему наблюдения нельзя, ее нужно сотворить умозрительно, представив первоначально в виде теоретической гипотезы. Если гипотеза удачна и снимает найденное между фактами противоречие, а еще лучше позволяет предсказывать получение новых, нетривиальных фактов, это значит, что родилась новая теория, найден теоретический закон. Что такое наука? Характерные черты науки. Человек всегда находился и находится во взаимосвязи с окружающей средой. Она является объектом его познания. Развитие науки о природе, открытие закономерностей природы было связано с обобщением человеческой материальной практики. Хорошо известно, что общественная практика есть исходный пункт, цель и критерий человеческого познания. Всякая наука сама по себе представляет прежде всего определенную систему идей, понятий, категорий и законов, которые более или менее адекватно отражают действительность, дают достоверные знания о существующем вне и независимы от познающего субъекта в объективном мире. Наука – это многофункциональное явление, которое следует рассматривать в единстве следующих компонент: 1) отрасль культуры; 2) способ познания окружающей действительности; 3) специальная система знаний. Наука обладает характерными (специфическими) чертами . Перечислим их. 1. Универсальность – обобщение истинного знания при тех условиях, при которых оно получено человеком. 2. Фрагментарность – изучение отдельных фрагментов реальности. Каждая наука как таковая есть определенная «проекция на мир», высвечивающая области, представляющие интерес для ученых в данный момент. 3. Общая значимость – знания, получаемые в науке, пригодны для всех людей. 4. Наука обезличена – индивидуальные особенности ученого, его национальные признаки никак не представлены в конечных итогах научного познания. 5. Систематичность – наука обладает определенной структурой. 6. Незавершенность – в том смысле, что хотя научное знание безгранично растет, оно все-таки не может достичь абсолютной истины. 7. Преемственность – новые знания определенным образом и по определенным правилам соотносятся со старыми знаниями. 8. Критичность – наука всегда готова поставить под сомнение и пересмотреть свои даже самые основополагающие результаты. 9. Достоверность – выводы науки требуют, допускают и проходят проверку по отдельным, сформулированным в ней, правилам. 10. Наука внеморальна – научные истины нейтральны в морально-этическом плане, а нравственные оценки могут относиться либо к деятельности по получению знания, либо к деятельности по его применению. 11. Рациональность – знание получено на основе рациональных процедур и законов логики. 12. Чувственность – результаты науки требуют эмпирической проверки с использованием восприятия, и только после этого признаются достоверными. Эти свойства науки образуют шесть диалектических пар, соотносящихся друг с другом: универсальность – фрагментарность, общезначимость – обезличенность, систематичность – незавершенность, преемственность – критичность, достоверность – внеморальность, рациональность – чувственность. Кроме того, для науки характерны свои особые методы и структура исследований, язык, аппаратура. Всем этим и определяется специфика научного исследования и знание науки. В процессе развития познания идет как дифференциация науки на отдельные, изучающие наиболее глубоко частные вопросы многогранной действительности, так и процесс объединения данных , получаемых этими науками, в единую научную картину мира, отражающую общие закономерности развития материальной действительности. Все естественные науки имеют между собой то общее, что они изучают различные стороны единого материального мира. Отсюда следует, что эти науки, наряду со специфическими методами познания, должны пользоваться самыми общими теоретическими и методологическими положениями, адекватно отражающими самые общие свойства материи, находятся в состоянии вечного изменения, движения. Философия как наука о наиболее общих законах развития природы, общества и мышления является единственно научной методологией всех естественных наук. Физика как наука . Физика , как и все естествознание , играет важную роль в жизни общества, оказывает влияние на развитие техники, и в то же время собственное развитие физики находится в прямой зависимости от потребностей общественного производства, условий развития техники и от мировоззрения ее создателей. Физика – это наука о природе, она изучает простейшие материальные структуры – элементарные частицы, атомы, молекулы, тела, поля, системы тел и полей, их строение, взаимодействие и движение . Физика как наука может быть теоретической и экспериментальной. Предметом теоретической физики являются математические модели, заменяющие реальные физические объекты. Метод теоретической физики представляет собой математический анализ этих моделей. Предметом экспериментальной физики является исследование объектов и явлений материального мира, для этого ставится специальный научный эксперимент, в ходе которого целенаправленно изучается явление природы, материальный объект, в строго учитываемых условиях. Практика выдвигает множество задач, решение которых не содержится в накопленных эмпирических фактах, хотя их весьма много и они разнообразны. Теория же (потенциально) содержит ответ на любую задачу, которая относится к области ее применения. На рис. 2 представлена общая структура физических теорий. Объективной основой взаимосвязи диалектического материализма и физики, как и всего естествознания, является материальное единство общего и отдельного в развитии материи, общих и частных законов. ВЫВОДЫ Предсказания новых явлений Объяснение известных фактов Решение конкретных задач ¯ ЯДРО Принципы симметрии и инвариантности Совокупность законов сохранения Система законов (уравнений), определяющая связи и изменения фундаментальных физических величин Законы связи новых и старых теорий Мировые постоянные ¯ ОСНОВАНИЕ Правила действия над физическими величинами Система фундаментальных понятий и физических величин. Идеализированный объект – модель материального объекта. Эмпирический базис. Эмпирические факты Правила соотнесения физических величин с опытом Рис. 2. Структура физических теорий Концепции физической картины мира . Множество теорий, в совокупности описывающих известный человеку природный мир, синтезируются в единую картину мира. Физическая картина мира – это стройная система физических теорий, дающая представление о сущности физических явлений. Это целостная система представлений об общих принципах и законах устройства мироздания, но в процессе получения нового знания о природе возможно изменение отдельных принципов, методов или теорий, которые в конечном итоге приводят к смене научной картины мира. Такая ситуация в науке называется естественно-научной революцией. Революции в естествознании – одна из самых актуальных философских проблем. Задача исследования этой области состоит в реконструкции истории науки, выявлении роли и механизмов революционных фаз в научном прогрессе. Понимание этих механизмов позволяет в какой-то мере прогнозировать возможные пути революционных научных преобразований и тем самым содействовать нахождению обоснованных стратегий научного поиска, выбору наиболее эффективных средств и методов исследования, более объективному подходу к оценке принципиально новых результатов, получаемых при революционных переворотах в естествознании или отдельных его областях. Обычно выделяют три основные черты естественно-научных революций: 1) крушение и отбрасывание неверных идей, ранее господствующих в науке; 2) быстрое расширение наших знаний о природе, исследование новых областей, ранее недоступных для познания; 3) открытие новых фактов и радикально новых теоретических следствий из них. Другими словами, революция совершается в сфере теорий, понятий, принципов, законов науки, формулировки которых подвергаются коренной ломке . Среди естественно-научных революций можно выделить следующие типы: 1) глобальные, охватывающие все естествознание и вызывающие появление не только принципиально новых представлений в мире, нового видения мира, но и нового логического строя науки, нового способа и стиля мышления; 2) локальные – в отдельных фундаментальных науках, при них наблюдаются коренные изменения в этих науках, они приводят к преобразованию их основ, но не вызывают перестройки всего естественно-научного знания, а связаны с распространением на данную науку способа мышления, созданного в ходе глобальной революции. Четко и однозначно фиксируемых радикальных смен научных картин мира или научных революций в истории развития науки вообще и естествознания в частности можно выделить три. Если их персонифицировать по именам ученых, сыгравших заметную роль, то научные революции должны именоваться: аристотелевской, ньютоновской и эйнштейновской. Античная научная картина мира (АНКМ), VI – VI вв. до н.э. В основе этой теории лежит учение Демокрита (автор анатомической теории), Эпикура, Аристотеля (создал формальную логику – учение о доказательстве). Важнейшим фрагментом АНКМ стало последовательное геоцентрическое учение о мировых сферах (сейчас мы знаем, что эта теория была неверна). Вторая глобальная научная революция пришлась на XVI – XVIII вв. Ее исходным пунктом считается переход от геоцентрической модели мира к гелиоцентрической. В этот период происходит становление классического естествознания. Классиками-первопроходцами признаны: Н. Коперник, Г. Галилей, И. Кеплер, Р. Декарт, И. Ньютон. Основной итог этой научной революции – создана механистическая научная картина мира на базе экспериментально-математического естествознания. Бурное развитие физики в начале ХХ века привело к необходимости создания новой картины мира - квантово-полевой, которая основывается на корпускулярно-волновой концепции строения материи. Но это не значит, что процесс познания закончен. Идеи и факты накапливаются ежедневно. Естествознание, развиваясь, приближается к решению этих загадок, но возникают новые вопросы, и процесс познания бесконечен. Контрольные вопросы 1.Методы научного познания: а) эмпирические; б) теоретические. 2.Формы научного знания. 3.Методология физики как науки. Теоретическая и экспериментальная физика. Предмет и метод теоретической физики. 4.Критерии истинности научного знания. 5.Дайте понятие картины мира и приведите примеры из истории науки. Является ли физика точной наукой? 6.Перечислите и дайте краткую характеристику глобальным естественно-научным картинам мира. 7.Опишите процесс научного познания. Библиографический список Основной: [1, гл. 2, 3, 6-8]; [2, разд. 1, гл. 1, § 3]; [3, гл. 1, § 1.4; гл. 2, § 2.1 – 2.6; гл. 3, § 3.1]. Дополнительный : [1, 16, 17, 27, 48, 67, 76]. Семинар 2. ФИЛОСОФСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ. ИСХОДНЫЕ МОДЕЛИ МАТЕРИАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ Материя – объективная реальность, существующая вне и независимо от человеческого сознания. Всеобщим атрибутом материи выступают взаимодействие, движение, пространство, время, бесконечность во времени и пространстве, а также ряд других свойств. В физике понятие материи является центральным. Основные виды материи – вещество и поле. Формы ее существования – пространство и время. Физика исходит из признания неразрывного единства материи, движения, пространства и времени. Материя неисчерпаема в своей структуре, но на разных структурных уровнях проявляются различные формы движения и законов взаимодействия. Существуют тесная взаимосвязь различных форм материи и движения, наличие общих атрибутов, законов сохранения и движения. Это единство физика пытается отразить через разработку единой теории вещества и поля. Структурность и системная организация материи относятся к числу ее важнейших атрибутов. Под структурой материи обычно понимается ее строение в микромире, существование в виде молекул, атомов, элементарных частиц, т.е. микрообъектов. Но если абстрагироваться от этого факта и рассматривать материю в целом, то понятие «структура материи» будет охватывать макро- и мегосистемы. С этой точки зрения структура материи проявляется в ее существовании в виде бесконечного многообразия тесно взаимосвязанных систем. Но из всего этого многообразия форм объективной реальности эмпирически доступной человеку для наблюдения является лишь конечная область материального мира, которая сегодня простирается в масштабах от 10-15 до 1023 см, а во времени - до 20 миллиардов лет. Структурные уровни организации материи представлены в таблице. По современным представлениям материя существует в двух формах: вещество и поле. Частицы вещества обладают относительной дискретностью и локализованностью в пространстве, тогда как поля непрерывно распределены в нем. При этом поля не являются абсолютно континуальными средами. При излучении и поглощении они ведут себя дискретно, в виде квантов. Кванты полей взаимодействуют с частицами вещества как дискретные образования. Вещество может существовать в различных состояниях: оно может быть твердое, жидкое, газообразное, плазмой, нейтронное. Каж­дое состояние вещества характеризуется определенными парамет­рами: давлением, плотностью, температурой, энтропией и др. В обычной природе вещество находится в твердом, жидком или газообразном состоянии. Состояние плазмы и нейтронное состояние вещества ча­ще всего встречаются в космосе и в звездах. Масштабы материального мира Область пространства Протяженность области, м Объекты - структурные единицы деления Размеры объекта, м Масса объекта, кг Состав объекта Мегамир 1026 ...1023 Галактики 1021 1041 Звезды Макромир 1023 ...10-8 Планетные звездные системы, планеты и окружающие нас на Земле тела 1013 106 ...10-2 1030 1024 ...10-3 Планеты Молекулы и атомы Микромир 10-8 ...10-18 Молекулы и атомы Ядра атомов Элемен. частицы 10-8 ...10-10 10-14 ...10-15 10-15 ...10-19 10-27 ...10-24 10-27 ...10-25 10-27 ...10-25 0...10-29 Ядра и электроны Нуклоны Кварки Деление материи на два вида – вещество и поле – имеет смысл, но ограничено. Под веществом имеют в виду частицы и тела, которым присуща масса покоя, тогда как поля и их кванты не имеют массы покоя, хотя обладают энергией, импульсом и другими свойствами. Взаимодействие частиц осуществляется посредством полей. Пространство и время как формы существования материи для физической науки являются исходными понятиями. Современное понимание пространства и времени было сформулировано в теории относительности А. Эйнштейна. Классический принцип относительности был сформулирован Г. Галилеем. Согласно этому принципу, во всех инерциальных системах отсчета, т. е. системах, движущихся прямолинейно и равномерно, движение тел происходит по одинаковым законам. Из этого принципа следует, что между покоем и движением, если оно прямолинейно и равномерно, нет принципиальной разницы, движение и покой относительны. Понятие покоя и движения приобретают смысл тогда, когда указана точка отсчета. В специальной теории относительности (СТО) пространство и время объединяются в единый четырехмерный пространственно-временной континуум, при этом пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения. Пространственные размеры сокращаются в направлении движения при приближении скорости тела к скорости света в вакууме (с =300 000 км/с). Временные процессы при таких высоких скоростях замедляются, а масса тела увеличивается. Абсолютная скорость света не противоречит принципу относительности и полностью совместима с ним. Скорость света - это верхний предел для скорости перемещения любых тел природы: частиц, полей, волн. Представления о пространстве и времени, сформулированные в теории относительности, на сегодняшний день являются наиболее последовательными. В настоящее время ученые предполагают существование кванта пространства (фундаментальная длина L ) и кванта времени , равного отношению L / c , ограничивающего точность определения временных интервалов. Все свойства пространства и времени можно разделить на две большие группы. К всеобщим относятся такие пространственно-временные характеристики, которые проявляются на всех известных структурных уровнях материи, тогда как специфические свойства проявляются лишь на отдельных структурных уровнях. К всеобщим свойствам пространства и времени относятся: ▪ объективность и независимость от сознания человека; ▪ абсолютность, т. е. проявление на всех структурных уровнях материи; ▪ неразрывность между собой и с движущейся материей; ▪ единство непрерывности и прерывистости в их структуре; ▪ количественная и качественная бесконечность, неотделимая от структурной бесконечности материи. К специфическим свойствам пространства относятся: ● протяженность; ● непрерывность и связность (как отсутствие разрывов); ● трехмерность (длина, ширина, высота); ● наличие пространственной формы тел, их расположение в пространстве; ● наличие симметрии или асимметрии; ● изотропность (отсутствие верха, низа и др.). К специфическим свойствам времени относятся: 1) длительность; 2) единство прерывного и непрерывного; 3) необратимость; 4) одномерность (линейная последовательность событий: от прошлого через настоящее к будущему); 5) конкретная длительность существования материальных систем (время от их возникновения до распада, ритмы, циклы); 6) неодновременность событий в разных системах. Кроме физического пространства и времени, иногда выделяют в качестве самостоятельных: биологическое, социальное, индивидуальное, художественное, историческое и др. пространства и время. Основания для этого есть, т.к. во всех этих специфических системах проявляются в большинстве общие пространственно-временные свойства. Для изучения материального мира его объекты – тела, элементарные частицы, электромагнитные поля и др. – заменяют моделями. Различают следующие основные их виды: классическая, или механическая, модель – материальная точка, система материальных точек; полевая модель – применяется для изучения материи в виде макроскопического физического поля; квантово-релятивистская модель – используется для изучения материи в микромире. Объектом исследования классической механики является макроскопическое тело, заменяемое материальной точкой, в релятивистской механике основной объект – элементарная частица. Физические объекты – тела, поля, элементарные частицы – отличаются друг от друга рядом свойств, характеризующихся физическими величинами. Универсальными, т.е. применимыми во всей изученной области пространства, являются энергия, импульс и момент импульса. Эти же величины характеризуют элементарные частицы. Что касается макроскопического поля, то оно обладает энергией, импульсом и моментом импульса, распределенным в пространстве с той или иной плотностью. Контрольные вопросы 1.Каким образом человек сумел проникнуть в чрезвычайно большие масштабы и оценить размеры несравненно большие его самого? 2.Какие малые расстояния человек сумел оценить и каким образом получил о них представление? 3.Геометрическая модель пространства и времени. 4.Как измеряется время? С каким движением связан календарь и что лежит в основе единиц измерения – недели, года, месяца? 5.Как понимаются понятия «пространство» и «время» в разных науках? 6.Основные положения СТО. Кинематические следствия СТО. 7.Чем отличается поле от вещества? Библиографический список Основной : [1, гл. 7, 8, 10]; [2, разд. 1, гл. 2, § 1-4]; [3, гл. 3, § 3.2, 3.4 – 3.6]. Дополнительный: [5, 22, 23, 25, 68, 70]. Семинар 3. КЛАССИЧЕСКАЯ ФИЗИКА И ЗАКОНЫ НЬЮТОНА В ОБЩЕЙ СИСТЕМЕ ЗНАНИЙ. МЕХАНИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА Научная революция ХХ в. началась с работ Коперника, Галилея, Кеплера и Декарта. Появление в 1687 г. «Математических начал натуральной философии» И.Ньютона явилось логическим завершением этих работ и оказало значительное влияние на дальнейшее развитие науки. В своих «Началах» И.Ньютон разработал фундаментальные понятия и физико-математические теории естествознания. В основу первой физической картины мира легла теория всемирного тяготения. Разработанные Ньютоном понятия силы, взаимодействия, инерции и др. позволили ему создать совершенно новую науку – классическую механику. Классическая механика – наука о законах движения и равновесия макроскопических материальных тел. В честь творца классическую механику часто именуют ньютоновской, а основные принципы механики известны под названием законов Ньютона. Приведем формулировки законов, данные Ньютоном, в переводе академика А.Н.Крылова. Закон 1 . Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние. Закон 2. Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует. Закон 3 . Действие всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе взаимодействие двух тел друг с другом равны и направлены в противоположные стороны. Первый закон, по сути, – это закон инерции. Второй является стержнем всей механики, поскольку количество движения, по Ньютону, есть произведение массы тела на его скорость, т.е. m· u , а математическая формула имеет следующий вид: d(m· u )/dt=F . В первом и втором законах говорится о теле, считающемся материальной точкой. В первом оно изолировано от всех остальных тел, во втором рассматривается действие на него другого тела без анализа последствий этого действия для другого тела. В третьем законе Ньютона рассматриваются два тела, моделируемые материальными точками. Точки на расстоянии взаимодействуют между собой. Анализ основного уравнения динамики позволяет рассмотреть причинно-следственные связи при механическом движении. Зная силы, можно определить мгновенные значения ускорений и, располагая скоростями всех точек, найти положение и скорость их в последующий момент времени. Сам же принцип причинности в классической механике состоит в том, что состояние системы материальных точек однозначно определяется их взаимодействием и начальными условиями. Все последующие состояния предопределены предыдущими. Однако большие ансамбли частиц невозможно опи­сать с помощью законов Ньютона. Даже небольшое тело состоит из очень большого (примерно 1026 ) числа молекул. Столкновения молекул носят вероятностный характер. Кроме того, оказалось, что для микрочастиц невозможно одновременно абсолютно точно опреде­лить скорость частицы и ее координату. Поэтому область применения классических законов механики ограничена. Для многих ученых того времени работа Ньютона оставалась сложной для понимания и поэтому долгое время была невостребованной. Однако развитие науки, и прежде всего необходимость развития техники, все чаще заставляла обращаться к работам Ньютона, которые, казалось бы, оперировали абстрактными объектами. В последующие 200 лет картина мира, созданная Ньютоном, была, по существу, единственной, пока не была дополнена электродинамикой и статистической физикой. Необходимо отметить, что теория И. Ньютона опиралась на строгие методологические принципы построения конкретно-научных теорий. К ним относятся: 1) математический язык; 2) закон и начальные условия; 3) метод принципов; 4) гипотетико-дедуктивная структура научной теории. Наука уже признавала опыт как способ создания научной теории. Достаточно высокий уровень развития математики позволил воспользоваться математическим аппаратом для построения физических закономерностей. Механическая картина мира (МКМ) складывалась под влиянием материалистических представлений о материи и формах ее существования. Ядром МКМ является механика Ньютона – классическая механика. Важнейшими принципами МКМ являются: Принцип относительности : Все инерциальные системы отсчета с точки зрения механики совершенно равноправны (эквивалентны). Принцип дальнодействия : Взаимодействие передается мгновенно, и промежуточная среда в передаче взаимодействия участия не принимает. Принцип причинности (лапласовский детерминизм): Всякое имеющее место явление связано с предшествующим на основании того очевидного принципа, что оно не может возникнуть без производящей причины. Законы классической механики, впервые сформулированные И. Ньютоном, не потеряли своего значения и в настоящее время. Динамика Ньютона была проверена на многочисленных объектах Солнечной системы. Она впервые позволила решать любые задачи о положении движущегося тела в любой момент времени как в прошлом, так и в будущем. Однако развитие науки накладывает ограничение на область выполнения законов механики при рассмотрении движения макротел со скоростями, близкими к скорости света. Контрольные вопросы 1.Появление законов Ньютона – закономерный результат обобщения знаний, накопленных предыдущими поколениями. 2.Как вы понимаете принцип относительности Галилея? Приведите примеры. Что такое универсальная гравитационная постоянная? 3.Принцип причинности в классической механике. Принцип механического детерминизма (детерминизм Лапласа). 4.Основные понятия динамики. Система законов Ньютона – основа классической механики. 5.Как можно вырваться из поля действия земного притяжения? Луны? Солнца? 6.Поясните понятия инертной и гравитационной массы. Предположим, вы попали в мир, где гравитационная масса m не равна инертной массе M ?, m=M 2 . Что изменится в законах падения тел? 7.Изменится ли ваш вес при переезде с экватора на полюс? по каким причинам и на сколько? Каково внутреннее строение Земли? 8.Границы применимости классической механики. Единство и противоречие классической и квантовой механик. Идеи механицизма в современной науке. Библиографический список Основной: [1, гл. 6, 8]; [2, разд. 1, гл. 5, § 1, 4, 7,8; гл. 6, § 1-4]; [3, гл. 3, § 3.5, 3.7]. Дополнительный: [4, 13, 22, 49, 57, 58, 63, 72, 76]. Семинар 4. ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ В СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКЕ Проблема неисчерпаемости материального мира тесно связана с законами сохранения. Законы сохранения материи и движения свидетельствуют о многообразии связей объективной реальности. Эти законы отражают определенные взаимосвязи материального мира, характеризуют различные природные процессы, протекающие в системах материальных объектов. Абсолютность материи означает ее всеобщность, несотворимость и неуничтожимость. Это свойство первично по отношению ко всем другим атрибутам материи, в том числе объективности и независимости от нашего сознания, которые производны от сосуществования и взаимодействия. Объективным выражением абсолютности материи является закон сохранения материи и движения. Исторически это первый из законов сохранения, познанных человеком. Формирование понятия массы и формулирование закона ее сохранения становятся необходимыми на основании не только непосредственного изучения свойств вещества, но и общих философских соображений о неуничтожимости всего сущего, являющихся результатом обобщения всей суммы положительных знаний, подтвержденных общественной практикой. Впервые в истории в 1756 г. М. Ломоносовым экспериментально было доказано сохранение массы при химических реакциях. Следующий шаг к раскрытию понятия массы был сделан Ньютоном, когда он, анализируя процесс движения макроскопических тел, открыл три основных закона механики. Созданная в начале ХХ в. А.Эйнштейном теория относительности показала, что зависимость от скорости имеет масса любого происхождения. Вторым очень важным для теории и практики является закон сохранения и превращения энергии . Этот закон был как бы итогом развития механики. Благодаря практике, экспериментальным и теоретическим исследованиям, все больше раскрывалось его глубокое содержание как всеобщего закона природы. В классической механике, кроме скалярного интеграла движения – энергии, возможны два векторных: импульс и момент количества движения. Закон сохранения импульса (или какой-либо его проекции) справедлив для изолированной системы (или при наличии направления, в котором слагающая поля равна нулю). Закон сохранения момента количества движения справедлив для изолированной системы или для системы в поле центральной силы (т.е. если момент сил, действующих на систему, равен нулю). История открытия законов механики и развития отвечающих им понятий, как и история закона сохранения и превращения энергии, неразрывно связана с развитием материально-технической вооруженности человеческого общества и общего уровня естественно-научных знаний. Однако оба они имеют более ограниченную сферу макроскопического проявления, чем закон сохранения энергии, и потому представление об их всеобщности стало возможным лишь с развитием электродинамики, кинетической теории и статистической физики, теории относительности и, наконец, квантовой механики. Чем же объясняется столь существенное значение, которое имеют именно перечисленные интегралы движения механики? Действительно, у механической системы с n степенями свободы всегда имеется (2n -1) интегралов движения. Однако не все они равнозначны. Среди них имеются величины, обладающие тем свойством, что их сумма по всем свободно движущимся телам как до их взаимодействия, так и после, одна и та же и не зависит от конкретной природы имевшего место взаимодействия. Таких независимых интегралов всего семь: энергия, три компоненты импульса и три компоненты момента количества движения. Подобно тому, как уравнения Ньютона приводили к механическим законам сохранения, из уравнений Максвелла непосредственно получается закон сохранения энергии в электродинамике – так называемая теорема Пойтинга . Однако в изучении электрических явлений с самого начала ведущее место принадлежало понятию заряда. С открытием электрохимического эквивалента устанавливается дискретная структура электричества и начинается познание нового фундаментального закона природы – закона сохранения заряда. В начале ХХ в. фундаментальными основами физики и всего естествознания являлись два самостоятельных закона сохранения: массы и энергии. Открытый А.Эйнштейном закон взаимосвязи массы и энергии явился одним из конкретных выражений единства и неразрывности материи и движения: Е= mc 2 . Принципы современной физики - это общие законы, влияющие на все физические процессы и все формы движения материи. Среди всей группы физических принципов важнейшим является принцип симметрии , на основе которого действуют законы сохранения физических величин. Симметрия широко распространена в природе и жизни человека. Кристаллы, молекулы пространственных, оптических изомеров, живые организмы обладают симметрией. На симметрии во многом основывается такое явление, как красота. Симметрия в физике - это свойство физических величин, детально описывающих поведение систем, оставаться неизменными при определенных преобразованиях. Во многих случаях из принципов симметрии логически следуют законы сохранения. В физике различают следующие пространственно-временные симметри и : 1) объективная равноправность всех моментов времени - время однородно и любой момент времени можно взять за начало отсчета (из этого вытекает закон сохранения энергии); 2) однородность пространства, т. е. равноправие всех его точек, сдвиг в пространстве какой-либо системы не влияет на процессы внутри нее (из этой симметрии вытекает закон сохранения импульса); 3) изотропность пространства, т. е. одинаковость его свойств по всем направлениям (из этого следует закон сохранения момента импульса); 4) принцип относительности, определяющий одинаковость законов природы во всех системах отсчета (из него вытекает сохранение скорости движения центра масс); 5) обратимость процессов во времени - действует только на уровне макромира - фундаментальные физические законы не изменяются при обращении знака времени; на уровне микромира наблюдается необратимость процессов; 6) зеркальная симметрия природы - не изменяет физических законов любого природного объекта. Зеркальная симметрия и зарядовое сопряжение сохраняется только при сильных и электромагнитных взаимодействиях, тогда как остальные симметрии выполняются при любых взаимодействиях. История физики свидетельствует, что когда уже открыты законы, лежащие в основе того или иного принципа, т.е. когда уже создается научная теория, эти принципы легко выводятся как следствие из данной теории, из данных законов. Принцип невозможности построения вечного двигателя первого рода вытекает из закона сохранения и превращения энергии, принцип необратимости – из закона монотонного возрастания энтропии. В общем случае принципы физики являются определенной формой обобщения опытных фактов, ведущей к раскрытию законов физических явлений. Одна из разновидностей принципов физики – принципы «запрета», основывающиеся на опытных фактах и служащие первой ступенью в познании законов физических явлений. Принципы «запрета» представляют для нашего познания своего рода правила научной корректности при «разговоре» с природой о ее «тайнах». По сути дела, принципы «запрета» определяют, что не может происходить в природе. Контрольные вопросы 1.О неуничтожимости и несотворимости материи. Масса и закон ее сохранения. 2.Кинетическая и потенциальная энергии. Закон сохранения и превращения энергии как одна из форм выражения неуничтожимости материи. 3.Импульс тела (системы). Закон сохранения импульса. Практическое применение. 4.Момент количества движения тела (системы). Закон сохранения момента количества движения. 5.Закон сохранения энергии в электродинамике. Закон сохранения заряда. 6.Закон взаимосвязи массы и энергии – дальнейшая естественно-научная конкретизация положения о неуничтожимости материи и движения. 7.Законы сохранения в современной физике. Библиографический список Основной: [1, гл. 7, гл. 9]; [2, разд. 1, гл. 4, §1-7; гл. 8, § 6]; [3, гл. 3, § 3.6, 3.8-3.9]. Дополнительный: [8, 12, 22, 25, 45, 55, 67]. Семинар 5. ПОРЯДОК И БЕСПОРЯДОК В ПРИРОДЕ. ДИНАМИЧЕСКИЕ И СТАТИСТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ. ЭНТРОПИЯ Все окружающие нас тела состоят из атомов и молекул. В твердых телах атомы и молекулы располагаются в строго определенном порядке. В газах молекулы движутся хаотически. Существуют также вещества, в которых порядок и беспорядок сосуществуют: жидкости, аморфные тела, жидкие кристаллы. Состояние любой термодинамической системы в целом определяется набором параметров: температурой, давлением, объемом. Однако эти параметры не описывают поведение атомов и молекул, из которых состоит система. Отчасти это затруднено большим числом компонент, их малыми размерами и невозможностью наблюдения. Вопросами поведения отдельных частей термодинамической системы занимается статистическая физика. Движение молекул в газе является случайным процессом, поэтому для описания таких систем пользуются двумя методами: статистическим и вероятностным. Каждый из них имеет свои преимущества, вместе они позволяют наиболее полно ответить на вопросы о распределении молекул по скоростям и энергиям, о вероятности нахождения системы в определенном состоянии и развитии термодинамической системы при изменении внешних параметров. Введение в термодинамику понятия температуры иногда причисляют к нулевому началу термодинамики. Соотношение, связывающее внутреннюю энергию D U с теплотой Q и работой A , носит название первого начала термодинамики, или закона сохранения энергии: Q= D U+A . Из первого начала термодинамики следует важный вывод: невозможен вечный двигатель первого рода, т.е. такой, который совершал бы работу «из ничего», без внешнего источника энергии. При наличии внешнего источника часть энергии неизбежно переходит в энергию теплового, хаотического движения молекул, что и является причиной невозможности полного превращения энер­гии внешнего источника в полезную работу. Всякая предоставленная самой себе система стремится пе­рейти в состояние термодинамического равновесия, в котором тела покоятся относительно друг друга, обладая одинаковыми температурами и давлением. Достигнув этого состояния, система сама по себе из него не выходит. Значит, все термодинамические процессы, приближающиеся к тепловому равновесию, необратимы. Необратимы и все механические процессы, сопровождающиеся трением между телами. Трение вызывает замедление движения тел, при котором кинетическая энергия переходит в тепло. Замедление процесса эквивалентно приближению к состоянию равновесия, при котором движение отсутствует. В системе тел, находящихся в термодинамическом равновесии, без внешнего вмешательства невозможны никакие реальные процессы. Следовательно, с помощью тел, находящихся в термодинамическом равновесии, невозможно совершить никакой работы, так как работа связана с механическим движением, т.е. с переходом тепловой энергии в кинетическую. Утверждение о невозможности получения работы за счет энергии тел, находящихся в термодинамическом равновесии, составляет сущность второго начала термодинамики. Необратимость тепловых процессов имеет вероятностный характер. Количественной характеристикой теплового состояния тела является число микроскопических способов, которыми данное состояние может быть осуществлено. Это число называется статистическим весом состояния, обозначим его буквой W . Тело, предоставленное самому себе, стремится перейти в состояние с большим статистическим весом. Принято пользоваться не самим числом W , а его логарифмом, который еще умножается на постоянную Больцмана k .Определенную таким образом величину S = klnW называют энтропией тела S . Второе начало термодинамики определяет возможное поведение термодинамической системы и устанавливает, что все процессы в природе протекают с возрастанием энтропии: D S ³ 0. Из определения энтропии вытекает, что энтропия всякого тела стремится к нулю при стремлении к нулю температуры. Это утверждение носит название теоремы Нернста и иногда называется третьим началом термодинамики. Окружающая нас среда обладает значительными запасами тепловой энергии. Двигатель, работающий только за счет энергии находящихся в тепловом равновесии тел, был бы для практики вечным двигателем. Второе начало термодинамики исключает возможность создания такого двигателя второго рода. Все естественные процессы происходят так, что вероятность состояния возрастает. Это означает переход от порядка к хаосу. Значит, энтропия характеризует меру хаоса, которая для всех естественных процессов возрастает. В середине XIX в. активно обсуждалась проблема тепловой смерти Вселенной. Рассматривая Вселенную как замкнутую систему и применяя к ней второе начало термодинамики, Р.Ю. Клаузиус свел его содержание к утверждению, что энтропия Вселенной должна достигнуть своего максимума. Это означает, что все формы движения со временем должны перейти в тепловые. Переход же теплоты от горячих тел к холодным приведет к тому, что температура всех тел во Вселенной будет одинаковой, т.е. наступит полное тепловое равновесие и все процессы во Вселенной прекратятся, наступит тепловая смерть Вселенной. Ошибочность вывода о тепловой смерти заключается в том, что бессмысленно применять второе начало термодинамики к незамкнутым системам, например, к такой безграничной и бесконечно развивающейся системе, как Вселенная. В настоящее время понятие энтропии связывают не только с хаотическим движением молекул, но и с процессами мутации генов, ведущих к появлению новых биологических видов, и к творческому процессу, и к шумовым сигналам, специально подмешиваемым в эвристические программы компьютеров. «Стрела времени» . При описании любых явлений, с которыми человеку приходится иметь дело, прошлое и будущее играют разные роли. Это справедливо для физики, изучающей макроскопические явления, биологии, геологии, гуманитарных наук. Для микромира на фундаментальном уровне описания этой направленности времени не существует. Почему это именно так и не иначе? Известный физик Эддингтон придумал яркое название «стрела времени». В настоящий момент имеется фактически три «стрелы времени»: 1) космологическая (расширение Вселенной); 2) психологическая (субъективное восприятие, опыт); 3) термодинамическая (рост энтропии). Тот факт, что эти «стрелы времени» в настоящее время в нашей Вселенной совпадают, является одной из загадок современной картины мира. Синергетика . Немецкий физик Герман Хакен (г. Штутгарт) ввел для процессов самоорганизации обобщающее название «синергетика» ( от греч. synergetike – сотрудничество, совместное действие). Самоорганизация, по определению Хакена, - спонтанное образование высокоупорядоченных структур из зародышей или даже из хаоса, спонтанный переход от неупорядоченного состояния к упорядоченному за счет совместного, кооперативного (синхронного) действия многих подсистем. Как смерть является необходимым условием обновления жизни, так и наличие энтропии, с одной стороны, угрожает всеобщей тепловой смертью, а с другой - служит источником зарождения нового, будоражит и стимулирует жизнь. В этом заключается ее двуединая сущность, столь же диалектически противоречивая, как и весь окружающий мир. Контрольные вопросы 1.Поясните понятие температуры и теплоты. Можно ли передать некоторое количество теплоты телу, не повышая его температуру? Приведите примеры. 2.Какие шкалы температур вам известны? Какая температура имеет одинаковое значение по шкалам Фаренгейта и Цельсия? 3.Упорядоченные и неупорядоченные системы. Макро- и микросостояния. Статистический вес. 4.Энтропия как мера беспорядка системы. 5.Какими способами можно изменить состояние вещества любой системы? 6.Закон возрастания энтропии. Различные формулировки второго начала термодинамики. Технические последствия второго начала термодинамики. 7.Опишите стадии цикла Карно по диаграмме. Чем определяется совершенная работа? Как связана работа с получаемым и отдаваемым теплом? 8.Назовите главное свойство времени. Поясните понятие «стрела времени». Что такое космологическая (термодинамическая, психологическая) стрела времени ? 9.Поясните гипотезу тепловой смерти мира. Каков современный взгляд на эту проблему? 10.Энтропия и законы развития биологических систем. Как формируется последовательность аминокислот в белковых молекулах? Какие еще макромолекулы имеются в живых клетках? 11.Что понимают под термином «самоорганизация»? Какие существуют способы описания «самоорганизации» на языке математики? Что означает термин «синергетика»? Библиографический список Основной: [2, разд. 1, гл. 8, § 1-6; гл. 9, § 1-4; разд. 2, гл. 6, § 1-4]; [3, гл. 3, § 3.8 – 3.9]. Дополнительный: [6, 21, 25, 33, 35, 37, 40, 58, 62, 68, 73, 75, 83, 84]. Семинар 6. ВЕЩЕСТВО И ПОЛЕ Материя есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от нашего сознания. В классическом представлении различают два вида материи: вещество и поле. Вещество – это совокупность дискретных образований, обладающих определенной (ненулевой) массой покоя, это атомы, молекулы и все построенные из них тела, структура и форма которых весьма разнообразны. Поле – особая форма материи, которую называют физическим полем. Оно характеризуется отсутствием массы покоя, но обладает энергией и передает ее. В настоящее время различают че­тыре вида полей соответственно основным видам фундаментальных взаимодействий: гравитационное поле, электромагнитное поле, поле слабых сил и поле ядерных сил. По современным представле­ниям любое взаимодействие тел или обмен энергией происходит че­рез одно из четырех фундаментальных полей. Взаимодействие через поле происходит за счет обмена виртуальными частицами – квантами поля . У каждого поля имеются свои особые кванты, переносчики взаимодействий. Поля бывают векторными и скалярными. Согласно общей теории относительности, источником грави-тационного поля являются масса или энергия, а также импульс и поток массы. Переносчиком гравитационного взаимодействия является частица гравитон (гравитино), масса покоя которой равна нулю. Скорость распространения частиц этого поля равна скорости света. Радиус действия поля равен бесконечности. Поле слабых сил. Переносчиком взаимодействия являются промежуточные векторные базоны. Масса покоя этих частиц довольно велика. Радиус действия сил поля имеет порядок 10-15 м. Поле ядерных сил. Переносчиками взаимодействия являются глюоны. Радиус действия сил поля равен примерно 10-13 м. Электромагнитное взаимодействие. Переносчиками взаимо-действия являются кванты электромагнитного поля – фотоны. Масса покоя фотона равна нулю. Скорость движения всегда равна скорости света. Радиус действия сил поля – бесконечность. В повседневной жизни и технике мы чаще всего встречаемся с различными видами электромагнитных взаимодействий: силы упругости, трения, силы наших мышц и мышц различных животных и т.д. обусловлены ими. Электромагнитное взаимодействие позволяет видеть окружающие нас многообразные предметы и тела, так как свет – одна из форм электромагнитного поля. Сама жизнь немыслима без сил электромагнитной природы. Живые существа и даже человек, как показывают полеты космонавтов, способны длительное время находиться в состоянии невесомости, когда силы всемирного тяготения заметно не проявляются. Но если бы на мгновение прекратилось действие электромагнитных сил, то сразу исчезла бы и жизнь. Строение атомной оболочки, сцепление атомов в молекулы (химическая связь) и образование из вещества тел различной формы определяются исключительно электромагнитным взаимодействием. Виды физических полей – электрическое, магнитное, гравитационное . Электрическое поле - поле, посредством которого взаимодействуют электрические заряды. Основными характеристиками электростатического поля являются: напряженность Е (силовая характеристика), потенциал j (энергетическая). Магнитное поле создается проводниками с током, движущимися заряженными частицами и телами, намагниченными телами, а также переменным электрическим полем и действует только на движущиеся заряженные частицы и тела, а также на намагниченные тела. Силовой характеристикой магнитного поля служит вектор магнитной индукции B . Характеристики электростатического и магнитного полей подчиняются принципу суперпозиции. В действительности существует только одно поле – электромагнитное, подчиняющееся принципу относительности. Гравитационное поле порождается объектами, обладающими массой. Это поле носит центрально-симметричный характер, потенциально. Силы гравитационного взаимодействия имеют однонаправленный характер (в природе существует только гравитационное притяжение). Силы гравитации подобны кулоновским силам. При рассмотрении явлений микромира понятия частицы и поля, которые на макроскопическом уровне относят к различным физическим объектам, сливаются в единое понятие квантового поля как особого вида материи. Частица – это особое состояние поля, квант поля. Физический вакуум. Он назван третьим видом материи и был введен для объяснения происхождения черных дыр . Физический вакуум – это бескрайний океан виртуальных элементарных частиц. Доказательством существования таких частиц является изучение спектра излучения атома водорода, в котором происходит сдвиг энергетических уровней из-за взаимодействия электро­на с физическим вакуумом. Физический вакуум – чрезвычайно сложный и парадоксальный объект, обладающий высокой степенью хаотичности и неопределенности. Потенциально (виртуально) вакуум содержит всевозможные частицы и состояния, которые могут из него получиться при наличии соответствующих условий, но в то же время актуально­го в нем ничего нет. Из физического вакуума могут рождаться элементарные частицы, т.е. привычное для нас вещество. С точки зрения квантовой теории поля нет принципиального различия между вакуумом и частицей, различие между ними – это различие между двумя состояниями одной и той же физической реальности. Микрообъект следует рассматривать как материальную сущность, которая имеет потенциальную возможность при одних условиях проявлять себя как поле, при других – как частица. В макроусловиях она проявляет лишь одну из сторон своих свойств. Характерной особенностью поля является отсутствие у него точной локализации. Физическое тело – это дискретное образование, занимающее определенный объем. Прерывность (дискретность) и непрерывность неотъемлемы друг от друга и объективно существуют только в своем единстве. Контрольные вопросы 1.При каких условиях можно считать полями величины: плотность населения в стране, плотность звезд в галактике, распределение плотности по объему Земли, плотность воздуха в атмосфере, распределение деревьев в роще? Какие поля будут векторными, а какие скалярными? 2.Вещество и поле как формы материи. 3.Электрическое и магнитное поля. Их характеристики. Принцип суперпозиции для электрического и магнитного полей. 4.На основании каких законов были записаны уравнения Максвелла? Почему про них было сказано, что «уравнения умнее нас, умнее их создателя»? В чем это проявилось? 5.Почему после появления уравнений Максвелла перешли от механической к электромагнитной картине мира? Как передавались взаимодействия в той и другой картинах мира? 6.На каком основании можно утверждать, что свет есть электромагнитная волна? 7.Что такое пустота, или вакуум? Библиографический список Основной: [1, гл. 9]; [2, разд. 2, гл. 3, § 1-4]; [3, гл. 3, § 3.10]. Дополнительный: [16, 22, 25, 27, 45, 49, 56]. Семинар 7. ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ. КВАНТОВО-ПОЛЕВАЯ КАРТИНА МИРА В конце XIX - начале XX вв. физика вышла на уровень исследования микромира, для описания которого концептуальные построения классической физики оказались непригодными. В результате научных открытий были опровергнуты представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи. История исследования строения атома началась в 1897 г. благодаря открытию Дж. Томсоном электрона – отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии, помимо электрона, и положительно заряженной частицы. Опыты английского физика Э. Резерфорда с альфа-частицами привели его к выводу, что в атомах существуют ядра – положительно заряженные микрочастицы, размер которых (10-12 см) очень мал по сравнению с размерами атомов (10-8 см), но в которых почти полностью сосредоточена масса атомов. Кроме того, было обнаружено, что атомы одних элементов могут превращаться в атомы других в результате радиоактивности, впервые открытой французским физиком А. Беккерелем. Явление радиоактивности, окончательно опровергнувшее представление о неделимости и непревращаемости атома, заключается в самопроизвольном превращении неустойчивых ядер атомов радиоактивных элементов в результате ядерных излучений. Вопросы радиоактивности различных элементов изучались французскими физиками Пьером и Марией Кюри. Ими были открыты новые элементы – полоний и радий, а также установлено, что в результате радиоактивного излучения атом радиоактивного элемента превращается в атом другого элемента. В конце прошлого века в связи с пристальным вниманием ученых к законам теплового излучения тел возникла проблема получения теоретического выражения для спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела. Решение этой проблемы было получено М.Планком в 1900 г. на основе предположения о том, что энергия атомного осциллятора излучается не непрерывно, а определенными порциями – квантами. Данное высказывание противоречило положениям классической физики. Создавшееся противоречие разрешилось созданием новой теории, отличной от классической, – квантовой механики . Эта теория позволила объяснить и некоторые другие явления (фотоэффект, эффект Комптона, давление света), суть которых невозможно было прояснить с классической точки зрения. Появление квантовой теории продемонстрировало диалектичность науки физики, определило новые направления ее развития. Ряд физических явлений демонстрирует корпускулярную сторону света (свет как частица), с другой стороны, интерференция, дифракция, поляризация подтверждают волновую природу света. А давление и преломление света объясняются и квантовой и волновой теориями. Отсюда следует, что электромагнитное излучение обнаруживает единство взаимоисключающих свойств – непрерывных (волновых) и дискретных (фотоны – кванты света). Французским физиком Луи де Бройлем идея о двойственной природе света была распространена на всю материю. Согласно де Бройлю, с каждой микрочастицей связываются волновые (длина волны l , частота n ) и корпускулярные (энергия E, импульс p ) характеристики. Аналитически связи этих характеристик имеют вид ( h – постоянная Планка) E=h· n , p=h/ l . Любой частице материи ставится в соответствие волновой процесс с длиной волны, которая определяется по формуле де Бройля l =h/p . Э.Шредингер развил гипотезу о волнах материи до логического конца. Ученым было получено уравнение, описывающее движение электрона в атоме. Квадрат модуля волновой функции, входящей в уравнение Шредингера, имеет смысл вероятности обнаружения частицы в некоторой точке пространства:W ~ ½ Y (x,y,z,t) ½ 2 . Таким образом, описание состояния микрочастицы с помощью Y -функции носит вероятностный характер. Соотношения неопределенностей имеют вид D х · D px ³ h/ 2 D y · D py ³ h/ 2 D z · D pz ³ h/ 2, где D х, D y, D z – неопределенности соответствующих координат; D px , D py , D pz – соответствующие им неопределенности импульсов. Данные соотношения демонстрируют принципиальную невозможность одновременного точного определения координаты и импульса частицы. В квантовой теории рассматривается также соотношение неопределенностей для энергии Е и времени t : D E · D t ³ h/ 2. С точки зрения классической механики соотношение неоп-ределенностей представляется абсурдом. Чтобы лучше оценить создавшееся положение, нужно иметь в виду, что мы, люди, живем в макромире и в принципе не можем построить наглядную модель, которая была бы адекватна микромиру . Соотношение неопределенностей есть выражение невозможности наблюдать микромир, не нарушая его. Любая попытка дать четкую картину микрофизических процессов должна опираться либо на корпускулярное, либо на волновое толкование. При корпускулярном описании измерение проводится для того, чтобы получить точное значение энергии и величины движения микрочастицы, например, при рассеивании электронов. При экспериментах, направленных на точное определение места, напротив, используется волновое объяснение, в частности, при прохождении электронов через тонкие пластинки или при наблюдении отклонения лучей. Существование элементарного кванта действия служит препятствием для установления одновременно и с одинаковой точностью величин «канонически связанных», т.е. положения и величины движения частицы. Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов являются результатом неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и макроприборов. Имеются два класса приборов: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других – подобно частицам. В экспериментах мы наблюдаем не реальность как таковую, а лишь квантовое явление, включающее результат взаимодействия прибора с микрообъектом. М. Борн образно заметил, что волны и частицы – это «проекции» физической реальности на экспериментальную ситуацию. Фундаментальным принципом квантовой механики, наряду с соотношением неопределенностей, является принцип дополнительности, которому Н. Бор дал следующую формулировку: «Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего». Каждая фундаментальная теория имеет определенные границы применимости. И эти границы устанавливаются весьма строго и точно, особенно если открыта более глубокая теория, описывающая те же самые процессы. Например, классическая механика Ньютона правильно описывает движение больших тел только в тех случаях, когда скорость движения их много меньше скорости света, что выяснилось только после создания специальной теории относительности и релятивистской механики, справедливой для описания движения тел с любыми скоростями. Но появление новой теории, например, релятивистской механики, совсем не означает, что старая классическая механика утрачивает свою ценность. Движение макроскопических тел со скоростями намного меньше скорости света всегда будет описываться механикой Ньютона, потому что в этой области скоростей релятивистская механика дает ничтожные поправки, учет которых не имеет смысла. Согласно идее Бора законы классической механики подтверждаются с большой точностью в широкой области явлений, поэтому следует считать, что и новая, более точная теория в применении к этим явлениям должна давать те же результаты, что и механика Ньютона. Никакая новая теория не может быть справедливой, если она не содержит в качестве предельного случая старую теорию, относящуюся к тем же явлениям, поскольку старая теория уже оправдала себя в своей области. В общей форме этот принцип формулируется так: теории, справедливость которых была экспериментально установлена для определенной группы явлений, с построением новой теории не отбрасываются, но сохраняют свое значение для прежней области явлений как предельное выражение законов новых теорий . В классической механике причинность имеет механический, а в квантовой – статистический смысл. Понятия «случайность» и «закономерность» дополнительны друг по отношению друг к другу. Они оба одновременно и равно необходимы, чтобы определить новое понятие «квантово-механическая причинность». Свойства квантовых объектов противоречивы, и слить их воедино без насилия над здравым смыслом можно только в уравнениях квантовой механики. Квантовая механика – это математическая схема, позволяющая вычислять физически измеримые характеристики атомных явлений . Контрольные вопросы 1. Недостаточность классического описания природы. 2.Единство корпускулярных и волновых свойств света. Корпускулярно-волновой дуализм материи. Волны де Бройля. 3.Объясните противоречия в теории излучения абсолютно черного тела, которые сложились к началу ХХ в. Объясните суть «ультрафиолетовой катастрофы», приведшей к появлению квантовой гипотезы Планка. Почему сложившаяся ситуация в теории равновесного излучения получила такое название? 4.Волновая механика Шредингера. Смысл Y -функции, ее вероятностный характер. 5.Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Принцип дополнительности. Роль измерительного прибора в физике. 6.Причинность и случайность, вероятность и закономерность. 7.Сформулируйте основные положения квантово-полевой картины мира. 8.Каковы особенности физической реальности в квантовой механике? Библиографический список Основной: [1, гл. 6 – 8]; [2, разд. 2, гл. 8, § 1-7; разд. 3, гл. 3, § 1-4]; [3, гл. 4, § 4.1 – 4.7]. Дополнительной: [9, 25, 39, 56, 57, 61, 78]. Семинар 8. СТРОЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД И ПЛАНЕТ. СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА. СТРОЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЗЕМЛИ Во все времена люди хотели знать, откуда и каким образом произошел мир. Вселенную в целом изучает наука, называемая космологией (наука о космосе). Космология в своей основе открывает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск законов его функционирования. Открытие этих законов и представляет собой цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого. Наряду с космологией, исследованием космических тел и космических явлений занимается такая наука, как астрономия (от греч. астрон - звезда и номос - закон), она первоначально возникла как наука о наблюдаемых на небе звёздах. Сейчас в ХХ веке в связи с развитием технических средств наблюдения и космонавтики она резко расширила границы своего предмета исследования. Различные астрономические дисциплины – астрофизика, астрохимия, астробиология, небесная механика, радиоастрономия и др. - исследуют строение и развитие космических тел и систем: планет, звёзд, галактик и т.д., давая эмпирический материал для глобальных обобщений, которыми занимается космология. Эти учения базируются на нескольких предпосылках: 1) формулируемые физикой универсальные законы функционирования мира считаются действующими во всей Вселенной; 2) производимые астрономами наблюдения тоже признаются распространенными на всю Вселенную; 3) истинными признаются только те выводы, которые противоречат возможности существования самого наблюдателя – человека (антропный принцип ). Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной. Модель расширяющейся Вселенной. Первым событием глобального масштаба в экспериментальной космологии было открытие в 1929 г. американским астрономом Э. Хабблом так называемого «красного смещения» в спектрах галактик. Было обнаружено, что чем больше расстояние до галактик, тем сильнее спектральные линии излучения этих галактик смещаются в красную область светового спектра. Согласно эффекту Доплера, это означало, что все галактики удаляются от нас со скоростями, прямо пропорциональными расстоянию до них. Этот факт говорил о том, что Вселенная расширяется как единое целое. Признание этого факта логически ведет к заключению о том, что расширение должно было начаться когда-то в прошлом, и в этот начальный момент все вещество должно было находиться в сверхплотном состоянии. Так как при сжатии вещество нагревается, следовательно, температура на начальном этапе развития Вселенной должна быть очень высокой, а первые мгновения этого начального этапа должны напоминать гигантский взрыв. Исходя из этих предпосылок, американский физик Г. Гамов создает модель горячей Вселенной, которая получила также название теория Большого взрыва . Согласно этой теории, наша Вселенная возникла в результате гигантского взрыва примерно 20 млрд лет назад. В результате этого взрыва в конечном итоге возникли галактики, звёзды, планеты и другие космические объекты, которые сейчас продолжают разлетаться от эпицентра взрыва, удаляясь друг от друга. Согласно теории Большого взрыва, Вселенная возникла из сингулярности - особого состояния материи с удивительными свойствами. Примерно 20 млрд лет назад, в момент, предшествовавший Большому взрыву, размеры нашей Вселенной составляли несколько десятков сантиметров, плотность вещества была приблизительно 1093 г/см3 , а температура превышала 1013 К. Современная физика пока ещё не разработала теорий, способных описать подобные состояния вещества. Что касается причин взрыва, то для науки это также пока загадка. Через 0,01 с после взрыва температура Вселенной упала до 1011 К. При такой температуре атомы и молекулы вещества существовать не могут - Вселенную наполняли одни лишь элементарные частицы. Через 3 мин температура Вселенной понизилась до 109 К. В этот момент созрели условия для образования вещества - возникли ядра атомов водорода и гелия. После этого момента наступил довольно длительный период (примерно 700000 лет), в течение которого Вселенная расширялась без особых изменений до тех пор, пока ядра атомов водорода и гелия не соединились со свободными электронами и не образовали нормальные нейтральные атомы газов водорода и гелия. Именно в эту эпоху формируется наблюдаемое нами реликтовое излучение. После возникновения водорода и гелия наступает так называемая «звездная эпоха». В действие вступает сила тяготения, отныне преобладающая над всеми другими типами физического взаимодействия. Частицы газа, наполняющие Вселенную, начинают притягиваться друг к другу, и постепенно возникают галактики, звезды и планеты. Примерно через 15 млрд лет после Большого взрыва формируется межзвездное облако, которое дало начало Солнечной системе. В результате его сжатия в течение 400 млн лет возникают планеты, в том числе и Земля. Через 17 млрд лет после Большого взрыва на Земле появляются первые микроорганизмы, и начинается этап биологической эволюции, который приводит, наконец, к возникновению человека (Homo s apiens ). Галактики . Галактика представляет собой гигантские скопления звезд и их систем, имеющие свой центр (ядро) и различную форму (сферические, спиралевидные, эллиптические, сплюснутые и т.д.). Наша Галактика называется Млечный Путь и состоит из 150 млрд звезд. Она состоит из ядра и нескольких спиралевидных ветвей. Ее размеры – 100 световых лет. Большая часть звезд нашей Галактики сосредоточена в гигантском «диске» толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии 30 тыс. световых лет от центра Галактики расположено Солнце. Звезды . Все небесные тела можно разделить на испускающие энергию – звезды и не испускающие – планеты, кометы, метеориты, космическая пыль. Энергия звезд генерируется в их недрах ядерными процессами при температурах, достигающих десятки миллионов градусов, что сопровождается выделением особых частиц – нейтрино. Звезды – это фабрики по производству химических элементов. Могут быть звезды, у которых меняется блеск и спектр - переменные звезды (Тау Кита) и нестационарные (молодые) звезды, а также звездные ассоциации, возраст которых не превышает 10 млн лет. Существуют очень крупные звезды – красные гиганты и сверхгиганты и нейтронные звезды, масса которых близка к массе Солнца, но радиус составляет 1/50000 от солнечного (10-20 км). В 1967 г. были открыты пульсары – космические источники радио-, оптического, рентгеновского и гамма-излучения, приходящие на Землю в виде периодически повторяющихся всплесков. У радиопульсаров (быстро вращающихся нейтронных звезд) период импульсов 0,03-4,00 с, у рентгеновских пульсаров (двойных звезд, где к нейтронной звезде перетекает вещество от второй, обычной звезды) периоды составляют несколько секунд и более. В конце эволюционного цикла, когда все водородное горючее истрачено, звезда сжимается до бесконечной плотности (масса остается прежней). Обычная звезда превращается в белого карлика - звезду, имеющую относительно высокую поверхностную температуру (от 7000 до 300000 С) и низкую светимость, во много раз меньше светимости Солнца. Звездные скопления ¯ Красные гиганты ¬ Нестационарные звезды ® Обычные звезды ¯ ¯ ¯ Нейтронные звезды ¯ Черная дыра Новые и сверхновые звезды ¯ ¯ Белая дыра Газовая туманность Белый карлик Рис. 3. Процесс эволюции звезд. Предполагается, что одной из стадий эволюции нейтронных звезд является образование новой и сверхновой звезд, когда она увеличивается в объеме, сбрасывая свою газовую оболочку, и в течение нескольких суток выделяет энергию, светя, как миллиарды солнц. Затем, исчерпав ресурсы, звезда тускнеет, а на месте вспышки остается газовая туманность. Если звезда имела сверхкрупные размеры, то в конце ее эволюции частицы и лучи, едва покинув поверхность, тут же падают обратно из-за сил гравитации, т.е. образуется черная дыра , переходящая затем в белую дыру . Процесс эволюции звезд представлен на рис. 3. Солнечная система и ее происхождение . Солнце – плазменный шар (плотность 1,4 г/см3 ), температура поверхности 60000 С. Имеет корону, в которой находятся факелы, протуберанцы. Излучение Солнца – солнечная активность - имеет цикл 11 лет. При максимуме солнечной активности на Солнце обычно много пятен. Источник солнечной энергии – термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Скорость движения Солнца вокруг оси Галактики – 250 км/с. Солнечная система совершает один полный оборот вокруг галактического центра за 180 млн лет. Возраст Солнечной системы, зафиксированный по древнейшим метеоритам, - около 5 млрд лет. Общепринята гипотеза, по которой Земля и все планеты сконденсировались из космической пыли, расположенной в окрестностях Солнца. Предполагается, что частицы пыли состояли из железа с примесью никеля либо из силикатов, в состав которых входит кремний. Газы тоже присутствовали, и они конденсировались, образуя органические соединения, в состав которых входит углерод. Затем образовались углеводороды (соединения углерода с водородом) и соединения азота. Солнечная система состоит из девяти планет: Меркурия, Венеры, Земли, Марса, Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна, Плутона. Все планеты движутся в одном направлении, в единой плоскости (за исключением Плутона) по почти круговым орбитам. От центра до окраины Солнечной системы (до Плутона) 5,5 световых часов. Расстояние от Солнца до Земли - 149 млн км.Малые планеты, как и большинство спутников планет, не имеют атмосферы, т.к. сила тяготения на их поверхности недостаточна для удержания газов. В атмосфере Венеры преобладают углекислый газ, в атмосфере Юпитера – аммиак. На Луне и Марсе имеются кратеры вулканического происхождения. Происхождение Солнечной системы и планеты Земля для космологии до сих пор является серьёзной проблемой. Первая научная гипотеза была предложена в XVIII в. немецким философом И.Кантом и французским математиком П.Лапласом. Оба они исходили из предположения о том, что Солнечная система возникла из газопылевого облака. Под действием силы тяготения туманность сжималась вокруг своего центра, а центробежные силы приводили к последовательному отделению от центрального облака ряда колец, из которых постепенно, в результате конденсации, образовались планеты. Центральное же облако породило Солнце. Эта гипотеза была общепризнанной среди астрономов вплоть до начала XX века. Однако при всей своей убедительности она имела и серьёзный недостаток – не могла удовлетворительно объяснить разность в распределении момента количества движения между Солнцем и планетами. В первой трети XX века появляется оригинальная гипотеза Джинса, которая была противоположной гипотезе Канта-Лапласа. Джинс исходил из того, что Солнце возникло гораздо раньше планет и первоначально не имело вокруг себя облака газа. Однако в результате прохождения вблизи Солнца массивной звезды под действием мощных приливных сил с поверхности Солнца отделяется гигантская струя раскалённого газа и остаётся в его сфере притяжения. Затем из этого вещества в результате конденсации формируются планеты. В 1944 г. советский учёный О.Ю.Шмидт предлагает новую гипотезу возникновения Солнечной системы. Он предположил, что планеты возникли из вещества, захваченного Солнцем в сферу своего притяжения при прохождении им плотной газопылевой туманности. Как и в гипотезе Джинса, предполагалось, что Солнце существовало задолго до того, как начался процесс образования планет. Гипотеза Шмидта по сравнению с другими гипотезами имела то преимущество, что прекрасно объясняла распределение момента количества движения в Солнечной системе. Строение и эволюция Земли. Радиус Земли 6,3 тыс. км. Масса 621 тонн. Плотность 5,5 г/см3 . Скорость вращения вокруг Солнца 30 км/с. Земля состоит из литосферы (земной коры), протяженностью 10-80 км, мантии и ядра. В атмосфере Земли, вес которой 5300000 млрд тонн, преобладают азот и кислород. Разделяется она на топосферу (от 9 до 17 км) – «фабрику погоды», стратосферу (до 55 км) – «кладовую погоды», ионосферу, которая состоит из заряженных под воздействием излучений Солнца частиц, и зону рассеивания, располагающуюся на высоте 800-1000 км. Пояса радиации из частиц высоких энергий выше атмосферы предохраняют Землю от жестких космических лучей, губительных для всего живого. В XIX в. в геологии сформировались две концепции развития Земли: 1) посредством скачков («теория катастроф» Жоржа Кювье); 2) посредством небольших, но постоянных изменений в одном и том же направлении на протяжении миллионов лет, которые, суммируясь, приводили к огромным результатам («принцип униформизма» Чарльза Лайелля). Успехи физики XX в. способствовали продвижению в познании истории Земли. В 1908 г. ирландский ученый Д.Джоли сделал сенсационный доклад о геологическом значении радиоактивности. В 1909 г. русский ученый В.И. Вернадский основывает геохимию – науку об истории атомов Земли и ее физико-химической эволюции. В соответствии с современными взглядами температура ядра Земли может быть низкой, а процессы в земной коре имеют радиоактивную природу. Сначала Земля была холодной. Атомы радиоактивных элементов, распадаясь, выделяли тепло, и недра разогревались. Это повлекло за собой выделение газов водяных паров, которые, выходя на поверхность, положили начало воздушной оболочке и океанам. В 1915 г. немецкий геофизик А. Вегенер предположил, исходя из очертания континентов, что в карбоне (геологический период) существовал единый массив суши. Решающим аргументом в пользу принятия данной концепции стало эмпирическое обнаружение в конце 50-х гг. расширения дна океанов, что послужило отправной точкой создания тектоники литосферных плит. Эту теорию подтверждают и биологические данные о распространении животных на нашей планете. Теория дрейфа континентов, основанная на тектонике литосферных плит, ныне общепринята в геологии. Контрольные вопросы 1.Опишите процесс образования звезды. От чего зависит эволюционный путь звезды? Что является источником энергии звезд? Перечислите характеристики звезд. 2.При каких условиях образуется нейтронная звезда? черная дыра ? Опишите основные свойства черной дыры . 3.Перечислите гипотезы возникновения Вселенной. В чем заключается теория Большого взрыва? Перечислите аргументы в пользу этой теории. 4.Опишите строение Солнечной системы. Перечислите основные компоненты Солнечной системы. Сформулируйте особенности планет земной группы, планет-гигантов. 5.Дайте краткую характеристику Солнцу. Какие химические реакции лежат в основе энергии Солнца? Что подразумевают под понятием «солнечная активность»? Чему равен период солнечной активности? Чем обусловлено появление солнечных пятен, что они представляют из себя? 6.Как устроена Галактика? метагалактика? На какие основные типы подразделяются галактики по внешнему виду? Какую форму имеет наша Галактика? 7.Каковы особенности образования планеты Земля? Объясните строение Земли. Каковы особенности естественного отбора химических элементов и их соединений в ходе химической эволюции Земли? Библиографический список Основной: [1, гл. 11-14]; [2, разд. 3, гл. 3, § 1-4; гл. 4, § 1-6; гл. 5, § 1-7]; [3, гл. 5, § 5.1-5.7]. Дополнительный: [2, 7, 14, 19, 24, 25, 36, 38, 43, 46, 51, 64, 66, 71, 80, 81]. Семинар 9. СПЕЦИФИКА ЖИВОГО. КОНЦЕПЦИИ ЭВОЛЮЦИИ В БИОЛОГИИ. ЧЕЛОВЕК Одним из наиболее трудных и в то же время интересным в естествознания является вопрос о происхождении жизни. Ученые сегодня не в состоянии воспроизвести процесс возникновения жизни с такой же точностью, как это было несколько миллиардов лет назад. Даже наиболее тщательно поставленный опыт будет лишь модельным экспериментом, лишенным ряда факторов, сопровождавших появление живого на Земле. Трудность методологическая – в невозможности проведения прямого эксперимента по возникновению жизни (уникальность этого процесса препятствует использованию основного научного метода). Вопрос о происхождении жизни интересен не только сам по себе, но и тесной связью с проблемой отличия живого от неживого, а также связью с проблемой эволюции жизни. В чем сущность живого? Как и насколько механизмы эволюции действовали при зарождении жизни? Отличие живого от неживого . В состав живого обязательно входят высокоупорядоченные макромолекулярные органические соединения (биополимеры) – белки, нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК). В структурном плане живое отличается от неживого клеточным строением. В функциональном плане для живых тел характерно самовоспроизводство самих себя. Также живые тела отличаются от неживых наличием обмена веществ, способностью к росту и развитию, активной регуляцией своего состава и функцией, способностью к движению, раздражимостью, приспособленностью к среде и т.д. Концепции возникновения жизни . Существует пять концепций возникновения жизни: 1) креационизм – божественное сотворение мира; 2) концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества; 3) концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда; 4) концепция панспермии – внеземного происхождения жизни; 5) концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам. ХХ в. привел к созданию первых научных моделей происхождения жизни. В 1924 г. в книге А.И. Опарина «Происхождение жизни» была впервые сформулирована естественно-научная концепция, согласно которой возникновение жизни – результат длительной эволюции на Земле: сначала химической, затем биохимической. Эта концепция получила наибольшее признание в научной среде. В вещественном плане для возникновения жизни нужен углерод. Атомы углерода вырабатываются в недрах больших звезд в необходимом для образования жизни количестве. Углерод способен создавать разнообразные химические структуры. Соединения углерода с водородом, кислородом, азотом, фосфором, серой, железом обладают замечательными каталитическими, строительными, энергетическими, информационными и иными свойствами. По радиоастрономическим данным органические вещества возникали не только до появления жизни, но и до формирования нашей планеты. Следовательно, органические вещества абиогенного происхождения присутствовали на Земле уже в период ее образования. Начало жизни – появление нуклеиновых кислот, способных к воспроизводству белков. Переход от сложных органических веществ к простым организмам пока не выяснен. Теория биохимической эволюции предполагает лишь общую схему. В соответствии с ней на границе между коацерватами – сгустками органических веществ – могли выстраиваться молекулы сложных углеводородов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей коацерватам стабильность. В результате включения в коацерват молекулы, способной к самовоспроизведению, могла возникнуть примитивная клетка, способная к росту. Эволюция форм жизни. Клетки без ядра, но имеющие нити ДНК, напоминают нынешние бактерии и сине-зеленые водоросли. Их возраст - около 3 млрд лет. На следующем этапе (приблизительно 2 млрд лет тому назад) в клетке появляется ядро. Одноклеточные организмы с ядром называются простейшими. Их 25-30 тыс. видов, самые простые – амебы. Примерно 1 млрд лет тому назад появились первые многоклеточные организмы и произошел выбор растительного или животного образа жизни. Возникновение и распространение растительности привело к коренному изменению состава атмосферы, первоначально имевшей очень мало свободного кислорода. Веками накапливавшиеся остатки растений образовали в земной коре грандиозные энергетические запасы органических соединений (уголь, торф), а развитие жизни в Мировом океане привело к созданию остаточных горных пород, состоящих из скелетов и других останков морских организмов. Происхождение и эволюция человека. Существует несколько концепций появления человека: 1) божественное творение человека; 2) происхождение от животного или растения (татемы); 3) происхождение человека от внеземных существ; 4) теория эволюции Дарвина (XIX в.). В ХХ в. теория Дарвина получила генетическое подтверждение, поскольку из всех животных по генетическому аппарату ближе всего к человеку оказались шимпанзе. Так, многие белки человека и шимпанзе, например гормон роста, взаимозаменяемы. Тем не менее анатомические отличия человека от антропоидов (высших обезьян) весьма значительны. И главные из них те, что обеспечивают человеку возможность полноценной трудовой деятельности и богатого речевого общения. Все современное человечество принадлежит к единому полиморфному виду Homo sapiens . Единство человечества основано на общности происхождения, социально-психического развития, способности к скрещиванию людей различных рас, практически одинаковом уровне общего физического и умственного развития. Вид Homo sapiens распадается на три большие расы: австрало-негроидную, европеоидную и монголоидную. С возникновением человека как социального существа биологические факторы эволюции постепенно ослабляют свое действие и ведущее значение в развитии человечества приобретают социальные факторы. Сейчас происходит быстрая перестройка природы в целом в результате человеческой деятельности. Перед человечеством вырисовывается угроза голода, самоотравления, разрушения биологической наследственности. Наука, изучающая взаимодействие организмов с окружающей средой, называется экологий. Современная экология является междисциплинарной наукой, развивающейся на стыке физики, биологии, техники и общественных наук. Время стихийного развития человечества заканчивается, о чем говорил В. И. Вернадский, наступает время управляемого развития (эпоха ноосферы). Если деятельность человека будет по-прежнему направлена на покорение и разграбление природы, то катастрофа неизбежна. Перед человечеством постоянно возникают многочисленные проблемы, требующие безотлагательного решения. Одни из них имеют локальный характер проявления, другие затрагивают крупные регионы мира. Возрастание роли мировой политики и международных отношений, взаимосвязанность и масштабность мировых процессов в экономической, политической, социальной и культурной жизни, включение в международную жизнь и общение все больших масс населения Земли - все это свидетельствует о наличии объективных предпосылок для появления в современном мире таких проблем, которые имеют глобальный, планетарный характер. Они затрагивают жизненные интересы всего человечества. Из всего многообразия глобальных проблем особо выделяется следующая совокупность: предотвращение мирового ядерного конфликта и терроризм; преодоление социально-экономической отсталости развивающихся стран; энергосырьевая, демографическая, продовольственная проблемы; охрана окружающей среды; освоение Мирового океана и мирное освоение космоса; ликвидация опасных болезней. Контрольные вопросы 1.Какие гипотезы происхождения живой материи вам известны? Поясните их суть. 2.По каким признакам отличают живое от неживого? Какие аналогии между живой и неживой материей можно провести? 3.В чем заключается эволюция форм жизни? 4.В чем состоит особенность применения второго начала термодинамики к живым системам? 5.Объясните иерархию целей управления в живых системах. 6.Назовите и объясните основные положения эволюционной теории Дарвина. 7.Перечислите основные доказательства единого происхождения живого. 8.Объясните понятия расы, этноса, нации. Какие понятия связаны с биологическими особенностями, а какие с социально-культурными? 9.Что подразумевают под биосоциальными основами поведения человека? 10.Раскройте учение В.И. Вернадского о биосфере и ноосфере. Поясните его значение на современном этапе развития человечества. 11.Какие глобальные проблемы стоят перед человечеством в ХХI веке? Каковы возможные пути решения этих проблем? Библиографический список Основной: [1, гл. 17-23]; [2, разд. 3, гл. 8, § 1-4; гл. 9, § 1-4; разд. 4, гл. 1, § 1-6; гл. 6, § 1-6]; [3, гл. 7, § 7.1 -7.12]. Дополнительный: [10, 11, 15, 20, 26, 28, 29, 31, 32, 35, 41, 42, 50, 52, 53, 65, 86]. Семинар 10. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ВЕЩЕСТВА И ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ Вторая половина ХХ в. ознаменовалась выдающимися научно-техническими достижениями. Бурное развитие технической базы, информационно-счетных систем, высокочастотной измерительной техники позволило сделать целый ряд фундаментальных открытий в различных областях естествознания. Технология – способ материальной деятельности человека, направленной на преобразование природы с целью обеспечения себя материальными благами и создания комфортных условий существования; результат применения моделей естествознания на практике. Научно-техническая революция (НТР) – процесс совершенствования существующих технологий и создание новых. Этот процесс осуществляется по следующим направлениям: 1. Уменьшение энергоемкости и ресурсоемкости на единицу продукции. 2. Уменьшение трудоемкости на единицу продукции. Это достигается двумя путями: совершенствованием физико-химической основы технологии и внедрением средств автоматизации производства (микроэлектроники). 3. Увеличение производительности или количества продукции за единицу времени. 4. Повышение экологической безопасности, снижение вредного воздействия на окружающую среду и улучшение условий труда. 5. Получение новых возможностей, выпуск продукции с новыми свойствами. Процесс внедрения новых технологий в промышленность связан с экономическим риском, т.к. иногда невозможно точно определить расходы по внедрению технологии и оценить ее конечную эффективность. По мере развития промышленных технологий снижается доля населения, участвующего в производственном секторе, и увеличивается занятость в сфере услуг, науки, образования, здравоохранения и культуры. Среди трудовых навыков умение обрабатывать информацию становится первостепенным. Повышается значимость фундаментального образования. Такое общество называется информационным . Переход к информационному обществу сопровождается увеличением стоимости промышленных технологий, что является следствием повышения их сложности, уменьшения стоимости информационной техники, результатом совершенствования промышленных технологий и увеличением стоимости человекочаса. Процесс познания природы не стоит на месте. Созданы искусственные кристаллы и материалы, не встречающиеся в природе, но обладающие требуемыми технологическими свойствами. На базе новых конструкционных материалов получили широкое развитие новые технологии, способные достичь высоких стандартов. К их числу относятся полупроводниковая электроника и оптоэлектроника, лазерная технология, вакуумная техника и др. В свою очередь открытие новых физических явлений позволило разработать новые методы исследования, обладающие рядом преимуществ по сравнению с существующими традиционными методиками. Новые виды спектроскопических исследований, электронная (растровая и просвечивающая) микроскопия, электронная и ионная дифракции на поверхностных структурах вещества, рентгеноструктурный анализ и т.д. относятся к неразрушающим методам. Они позволяют получить информацию о структуре исследуемых объектов, не изменяя ее. Благодаря широкому использованию вакуума получены сверхчистые вещества. С развитием методов исследования расширился круг изучаемых явлений. Особое внимание ученых различных специальностей привлекают критические состояния вещества. Открыты новые эффекты в области низких (сверхпроводимость, сверхтекучесть и др.) и высоких (плазма) температур. Все эти и другие направления физических исследований вносят свой вклад в развитие современного естествознания и обеспечивают базу для создания техники и технологий будущего. Отметим некоторые из направлений, оказывающих наиболее существенное влияние на развитие цивилизации на рубеже веков. Микроэлектроника - направление технологии, связанное с созданием приборов и устройств в миниатюрном исполнении и использованием интегральной технологии их изготовления. Типичными устройствами микроэлектроники являются: микропроцессоры, запоминающие устройства, интерфейсы и др. На их базе создаются компьютеры, системы автоматизации и управления, контрольно-измерительные приборы, средства связи и передачи информации и т.п. Микроэлектроника базируется на использовании физических эффектов в твердом теле и в первую очередь в полупроводниках. Основа элементной базы микроэлектроники - интегральные схемы - создаются с помощью планарных технологий на монокристаллических подложках и представляют собой матрицу однотипных элементов, например транзисторов , способную выполнять логическую операцию любой сложности. Современные интегральные схемы содержат до 107 элементов на кристалл. Созданные на основе интегральных схем ЭВМ позволяют многократно усилить интеллектуальные способности человека, а в ряде случаев полностью заменить его как исполнителя не только в рутинных вопросах, но и в ситуациях, требующих высокого быстродействия, безошибочности, специфических знаний, или в экстремальных условиях. Лазерная техника. Лазер (оптический квантовый генератор) - источник когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона, действие которого основано на использовании вынужденного излучения атомов и ионов. Слово «лазер» (LASER) - аббревиатура слов английского выражения «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» - усиление света вынужденным излучением. В основе работы лазера лежит способность возбужденных атомов (молекул) под действием внешнего электромагнитного излучения соответствующей частоты усиливать это излучение. Система возбужденных атомов (активная среда ) может усиливать падающее излучение, если она находится в состоянии с так называемой инверсной населенностью , когда число атомов на возбужденном энергетическом уровне превышает число атомов на ниже расположенном уровне. В активной среде лазера, помещенной в оптический резонатор , образованный, например, двумя параллельными друг другу зеркалами, за счет усиления при многократном прохождении излучения между зеркалами формируется мощный когерентный пучок лазерного излучения, направленный перпендикулярно плоскости зеркал. Лазерное излучение выводится из резонатора через одно из зеркал, которое делают частично прозрачным. В основе практического применения лазерной техники лежит использование таких принципиальных отличий лазерного излучения от обычных источников света, как когерентность и монохроматичность , высокая направленность и яркость , возможность получения световых импульсов коротких длительностей. Можно сфокусировать лазерное излучение с помощью оптических систем на материалы с размерами зоны облучения примерно 1-10 мкм, так называемое бесконтактное локальное воздействие. Это широко используется в различных лазерных технологиях, например в машиностроении или в лазерной связи. Катализ . Вещества, не расходующиеся в результате протекания реакции, но влияющие на ее скорость, называют катализаторами . Явление изменения скорости реакции под действием катализаторов называется катализом. Катализатор снижает энергию активации реакции, она проходит через другие промежуточные стадии, энергетически более доступные. В результате молекулы, энергия которых была недостаточна для активных столкновений, оказываются активными. В живых организмах роль катализаторов играют ферменты . В организме человека находится около 30000 различных ферментов, каждый из них служит эффективным катализатором соответствующей реакции. Ферментные технологии . Ферменты, выделенные из бактерий, можно применять для получения важных в промышленности веществ (спиртов, кетонов, органических кислот, полимеров и др.). Громадное преимущество процессов, контролируемых ферментами, заключается в возможности получать при обычном давлении и температуре того же результата, что и при традиционных технологиях, но с меньшими затратами и без вредных экологических выбросов, связанных с необходимостью поддерживать очень высокое давление и температуру. Промышленное производство белка . Белок одноклеточных - ценнейший источник пищи. Получение белка с помощью микроорганизмов имеет целый ряд преимуществ: не нужно больших площадей для посевов; микроорганизмы быстро размножаются на самых дешевых или побочных продуктах сельского хозяйства. Белок одноклеточных можно использовать для увеличения кормовой базы сельского хозяйства. Генная инженерия - так называется совокупность методов введения в клетку желательной генетической информации. Появилась возможность контролировать генетическую структуру будущих популяций путем клонирования (создания генетических копий исходного индивида). На пути к трансплантации ядер у человека есть еще некоторые технические трудности, но готова ли общественная мораль к вечному скитанию периодически обновляемого материального носителя разных человеческих сознаний и какие могут быть последствия таких экспериментов? Генная инженерия может оказаться и крайне опасной при разработке биологического оружия. Поэтому систематически звучат голоса, предлагающие запретить все исследования в этой области. Противоречия современной науки . Миг наибольшего торжества науки, свидетельствовавший о ее мощи, был в то же время началом ее кризиса, потому что создание и применение атомного оружия вело к разрушению и уничтожению человечества. Затем возникла экологическая проблема. Виновны в ней не столько сама наука, сколько цели, которые перед ней ставились, а также нормы, методы и средства, в соответствии с которыми она развивалась. Достижения НТР впечатляющи. Она вывела человека в космос, дала ему новый источник энергии – атомную, принципиально новые вещества и технические средства (лазер), новые средства массой коммуникации и информации и т.д. Но сам термин НТР возник в середине ХХ в., когда человек создал атомную бомбу и стало ясно, что наука может уничтожить нашу планету. Будущее науки в постиндустриальном обществе широко обсуждается, причем оно все более связывается с психологией и человеческими пристрастиями. Единство естествознания и стремление к нему открывают новые возможности познания мира и самого человека. Контрольные вопросы 1.Поясните термины «технология» и «научно-техническая революция». Приведите примеры. 2.Прогресс науки определяется степенью взаимосвязи теории и эксперимента. Что, по вашему мнению, было доминирующим в прошлом и что будет играть большую роль в будущем? 3.Изучение структуры вещества: а) спектроскопия (оптическая, ОЖЭ-спектроскопия, ИК-спектроскопия и др.); б) оптическая и электронная микроскопии: область применения, перспективы развития; в) рентгеноструктурный анализ; дифракционные методы исследования: электронная и ионная дифракции на поверхностных структурах вещества. 4.Критические состояния вещества: а) сверхпроводимость и сверхтекучесть: перспективы практического применения; б) плазменное состояние вещества: природа, способы получения, область научного и технического применения. 5.При каких условиях возможны усиления и генерация вынужденного излучения? Каковы свойства лазерного излучения? Практическое применение лазерного излучения. 6.Создание новых материалов и технологий: а) полупроводниковая электроника (полупроводники, природа проводимости, принцип работы базовых полупродниковых устройств, особенности полупроводниковой технологии, ее преимущества и недостатки); б) жидкие кристаллы (природа, классификация, области применения); в) физический вакуум, вакуумные техника и технология. 7.Оптоэлектроника (современные оптические системы, оптические источники и приемники, принцип действия и классификация основных оптоэлектронных устройств, области научного и технического использования). 8.Какике технологии используются в современной химической промышленности? 9.Генная инженерия - перспективы и проблемы в становлении и развитии этой науки. 10.В чем заключается противоречивость современной науки? Приведите примеры. Библиографический список Основной: [1, гл. 1]; [2, разд. 4, гл. 8, § 1-5]; [3, гл. 8, § 8.1 – 8.8; гл. 9, § 9.1-9.10]. Дополнительный: [3, 18, 30, 43, 47, 54, 59, 79, 83]. ТЕСТЫ К СЕМИНАРСКИМ ЗАНЯТИЯМ Самостоятельная работа № 1 (семинар № 1) 1.Физика – это наука а) о движении тел; б) о молекулярном строении окружающего мира; в) о взаимопревращениях в природе; г) о природе. 2.Знания об окружающей действительности мы получаем а) только из эксперимента в лаборатории; б) из средств массовой информации; в) из анализа всей экспериментальной и теоретической базы; г) из разговора. 3.Картина мира характеризует а) возможность объяснения всего окружающего; б) отрицание всех ранее существующих теорий; в) всеобщую теорию всей неживой природы; г) объединяет все законы о природе. 4.Укажите те науки, которые не относятся к группе естественных: а) физическая химия; б) астрофизика; в) анатомия; г) микроэкономика. 5.Укажите объект, не относящийся к предмету изучения естествознания: а) марсианские каналы; б) скелет человека; в) промышленные работы; г) суспензии. 6.Авторами последней научной революции в физике были а) Аристотель; б) Декарт; в) Эйнштейн; г) Планк. 7.Укажите фамилию ученого, который не является естествоиспытателем: а) А. Бутлеров; б) А. Смит; в) К. Циолковский; г) Ж.Кусто. 8.Физика – это наука а) экспериментальная; б) теоретическая; в) экспериментальная и теоретическая; г) созерцательная. Самостоятельная работа № 2 (семинар № 2) 1.Назовите объекты, которые являются моделями в физике: а) стул; б) материальная точка; в) физический маятник; г) теория. 2.Выберите из нижеперечисленных структур микрообъекты: а) планета; б) Галактика; в) человек; г) атом; д) электрон. 3.Пространство в физике а) четырехмерно; б) двумерно; в) трехмерно; г) одномерно. 4.Пространство и время – это а) характеристики для описания повседневной жизни; б) формы существования материи; в) математические и физические понятия. 5.В СТО время в движущейся системе а) неизменно; б) ускоряется; в) замедляется. 6.Единицей измерения времени в физике (СИ) является а) эра; б) век; в) секунда; г) год. 7.Смена дня и ночи происходит, потому что а) Земля делает полный оборот вокруг Луны; б) Луна делает полный оборот вокруг Земли; в) Земля делает полный оборот вокруг Солнца; г) Земля вращается вокруг собственной оси. 8.Инвариантность физических законов в различных инерциальных системах отсчета означает а) непостоянство условий выполнения; б) разную формулировку; в) одинаковую форму записи; г)постоянство закона по своей сути. 9.Линейные размеры тела в движущейся системе отсчета относительно неподвижной системы в СТО а) увеличиваются; б) неизменные; в) уменьшаются. Самостоятельная работа № 3 ( семинар № 3) 1.Сила – это а) удар; б) мера взаимодействия; в) энергия взаимодействия; г) давление на поверхность. 2.Масса – это а) характеристика гравитационных свойств; б) мера инертности; в) мера инертности и гравитации. 3.Ускорение свободного падения а) одинаково для всех тел в Галактике; б) не зависит от массы планеты; в) зависит от массы планеты; г) зависит от массы планеты и геометрических размеров. 4. Инерциальная система отсчета – это система, где тело а) покоится; б) движется произвольным образом; в) движется равномерно и прямолинейно или покоится; г) движется прямолинейно. 5.Какие силы являются центральными ? а) тяготения; б) упругости; в) магнитные; г) кулоновские. 6. Каковы единицы измерения силы тяжести (СИ)? а) Па; б) Н; в) Дж·с. 7.Инерция – это а) способность сохранять свое состояние; б) способность двигаться прямолинейно; в) способность сохранять состояние покоя; г) способность сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. 8.Ускорение – это а) изменения координаты с течением времени; б) производная от скорости по времени; в) отношение перемещения ко времени; г) отношение силы к массе. 9.Импульсом называется а) действие одного тела на другое; б) произведение массы на ускорение; в) произведение массы на скорость; г) произведение силы на скорость. 10.В классической механике состояние материальной точки характеризуется а) координатой; б) скоростью; в) координатой и ускорением; г) совокупностью координат и проекций импульса; д) силой. 11.Какие из приведенных сил не относятся к фундаментальным взаимодействиям ? а) сила тяжести; б) сила упругости; в) сила Кулона; г)сила Ампера. 12.В классической механике принята концепция а) близкодействия; б) дальнодействия. 13.Закон движения материальной точки представляет собой зависимость а) x ( t ) ; б) a(t) ; в) v ( t ) . 14.Какая сила заставляет падать все тела на поверхность Земли? а) сила трения; б) сила инерции; в) сила тяготения; г) вес тела. 15.Закон всемирного тяготения справедлив для а) каждого неподвижного тела; б) только для заряженных тел; в) для заряженных или намагниченных тел; г) только для материальных точек. 16.В каком случае можно утверждать, что совершается механическая работа? а) если тело деформируется; б) если тело движется под действием силы; в) если тело движется по инерции по гладкой поверхности. Самостоятельная работа № 4 (семинар № 4) 1.Законы сохранения выполняются в а) изолированных системах; б) инерциальных системах; в) неинерциальных системах. 2.Связь между массой и энергией показана в формуле а) m 2 с 2 ; б) m с -2 ; в) m -1 с 2 ; г) m с 2 . 3.Тело обладает потенциальной энергией, если оно а) вращается вокруг собственной оси; б) покоится; в) движется по ветке параболы; г) движется. 4.Наименьшим электрическим зарядом является а) атом; б) нейтрон; в) электрон и нейтрон; г) электрон. 5.Каким способом можно уменьшить потенциальную энергию бруска, поднятого над землей? а) увеличить его плотность; б) уменьшить его массу; в) уменьшить атмосферное давление; г) нагреть. 6.Тело обладает кинетической энергией, если оно а) вращается вокруг собственной оси; б) покоится; в) движется по ветке параболы. 7.При абсолютно неупругом ударе двух тел а) происходит переход энергии во внутреннюю; б) обмена энергиями не происходит; в) происходит переход энергии в кинетическую; г) происходит переход энергии в окружающее пространство. 8.При абсолютно упругом ударе двух тел а) происходит переход энергии во внутреннюю; б) происходит переход энергии в кинетическую; в) происходит переход энергии в окружающее пространство. 9.Закон сохранения энергии означает, что энергия а) переходит в тепло; б) сохраняется; в) перераспределяется в пространстве; г) теряется из-за трения воздуха. 10.Тело массой 5 кг движется со скоростью 2 м/с, тогда его энергия равна а) 8 Дж; б) 11 Дж; в) 10 Дж; г) 9 Дж. 11.Тело массой 6 кг находится на расстоянии 1 м от пола, тогда его энергия равна а) 59,5 Дж; б) 58,8 Дж; в) 61,0 Дж; г) 57,3 Дж. 12.Элементарный заряд электрона равен а) 1,8·10-20 Кл; б) 1,62·10-16 Кл; в) 1,6·10-19 Кл; г) 1,73·10-18 Кл. 13.Закон сохранения энергии записывается как а) Е к + Е п =0; б) Е к + Е п >0; в) Е к + Е п <0; г) Е к + Е п = const. 14.Какие преобразования энергии происходят при работе электродвигателя? а) кинетическая энергия преобразуется в электромагнитную; б) электромагнитная преобразуется в химическую; в) потенциальная преобразуется в электромагнитную; г) электромагнитная преобразуется в кинетическую. Самостоятельная работа № 5 (семинар № 5) 1.Какие из процессов необратимы? а) изотермический; б) передача теплоты от более нагретого тела к менее нагретому в замкнутой системе; в) изохорное охлаждение; г) адиабатическое расширение в пустоту. 2.В замкнутой системе энтропия с течением времени а) увеличивается; б) уменьшается; в) остается неизменной; г) равна нулю. 3.Термодинамика изучает а) микроскопическую структуру вещества; б) процессы преобразования энергии в тепловых источниках; в) газовые законы; г) условия теплового равновесия; д) явления переноса. 4.Уравнением состояния газа является а) уравнение Ван-дер-Ваальса; б) уравнение Менделеева-Клапейрона; в) уравнение Лапласа; г) основное уравнение МКТ; д) второй закон Ньютона. 5.Направленность тепловых процессов определяется а) первым началом термодинамики; б) уравнением теплопроводности; в) законом возрастания энтропии; г) уравнением состояния идеального газа; д) уравнением Менделеева-Клапейрона. 6.Что называют внутренней энергией? а) энергию движения и взаимодействия частиц; б) энергию взаимодействия частей тела; в) энергию движения молекул; г) кинетическую и потенциальную энергии тела. 7.Какой вид теплопередачи сопровождается переносом вещества? а) теплопроводность; б) конвекция; в) излучение; г) теплопроводность и излучение. 8.Частицы, из которых состоит вещество, а) начинают двигаться, если тело бросить; б) находятся в покое, если тело нагреть до 1000 С; в) находятся в покое при 00 С; г) при любой температуре движутся непрерывно и хаотично. 9.Какие физические параметры должны быть одинаковыми у тел, находящихся в тепловом равновесии? а) давление; б) концентрация; в) температура; г) объем. 10.Как обеспечить протекание в газе изотермического процесса? а) газ надо очень быстро нагреть; б) газ надо быстро охладить; в) газ должен неограниченно расширяться; г) газ должен находиться в тепловом равновесии с окружающей средой. Самостоятельная работа № 6 (семинар 7) 1.Какие явления объясняются волновой природой света? а) прямолинейное распространение; б) отражение от поверхности металла; в) дифракция; г) фотоэффект. 2.Соотношения неопределенностей Гейзенберга а) накладывает ограничение на определение траектории частиц; б) позволяет определить координаты частиц; в) позволяет вычислить импульс частицы; г) позволяет определить волновую функцию частицы. 3.Какие явления объясняются корпускулярной природой света? а) дисперсия; б) фотоэффект; в) интерференция. 4.Корпускулярно-волновой дуализм а) является неотъемлемым свойством излучения; б) присущ только микрочастицам; в) является фундаментальным свойством материи; г) присущ только фотонам. 5.В квантовой физике состояние микрообъекта описывается а) волновой функцией; б) спектром энергии; в) координатами и импульсом. 6.Источником монохроматического излучения может служить а) лампа накаливания; б) лазер; в) электрическая дуга; г) лампа освещения. 7.Что может служить дифракционной решеткой для электронного пучка ? а) непрозрачная пластинка с нанесенными штрихами; б) забор; в) кристалл; г) окрашенное стекло. 8.Согласно теории Бора атом может излучать только а) при переходе из одного стационарного состояния в другое; б) находясь в состоянии с определенным значением энергии; в) в процессе ионизации; г) при взаимодействии с другим атомом. 9.Согласно гипотезе де Бройля а) вещество излучает свет квантами; б) микрочастицам присущи волновые свойства; в) ширина спектральных линий зависит от времени жизни стационарных состояний. 10.Принцип дополнительности в квантовой механике состоит в а) возможности определения состояния микрочастицы в последующий момент времени по ее предыдущему состоянию; б) возможности и необходимости описания квантовых систем с помощью взаимоисключающих понятий; в) невозможности одновременного точного определения координаты и импульса микрочастицы. ТЕМЫ ОВ 1. Происхождение и эволюция Солнечной системы. 2. Образование «черных дыр». История открытия. 3. Философские взгляды Эйнштейна и развитие теории относительности. 4. Основные типы взаимодействий и фундаментальные величины. 5. Прерывность и непрерывность пространства и времени в физике микромира. 6. Астрономические основы календаря. 7. Промышленная революция и развитие теории теплоты. 8. Как устроена пустота (физический вакуум)? 9. Ньютон и методология естествознания. 10. Философское значение законов сохранения материи и движения. 11. Открытие электрона и возникновение электронной теории. 12. Элементарные частицы и поиск «первичных объектов». 13. Философские проблемы времени и пространства. 14. Лазеры и их применение. 15. Энтропия: история и современность. 16. Квантовая гравитация. 17. Вещество в экстремальных условиях: белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры , вещество в электромагнитных полях. 18. Планеты и звезды: образование и эволюция. 19. Галактики. Горячая модель эволюции Вселенной. 20. Иерархия структур материи. Частицы и античастицы. 21. Фазовые переходы и критические явления. 22. Сверхтекучесть и сверхпроводимость. 23. Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез. 24. Фундаментальные взаимодействия. Адроны. Ядро атома. Атомы. Молекулы. 25. Электромагнитное излучение. 26. Корпускулярная и континуальная концепции описания природы. Вещество и поле. 27. Макроскопическое состояние вещества: газы, жидкости, твердые тела, плазма. 28. Ноосфера. Взаимосвязь всех явлений в природе. Место человека во Вселенной. 29. Принципы симметрии. 30. Теория тяготения. 31. Развитие представлений о природе света. 32. Особенности образования планеты Земля. 33. Голография. 34. Макроскопические явления в микромире. Элементарные частицы как космологические объекты. 35. Рентгеновские лучи. История открытия. Применение. 36. История физики атомного ядра. 37. Гравитация и антигравитация. 38. Вещество в космическом пространстве. 39. Проблемы развития ядерной энергетики. 40. Космология. 41. Космос и биосфера. 42. Философия физики макромира. 43. Системы управления генетической информацией. 44. Пространство и время в микромире. 45. Математические закономерности эволюции. 46. Проблема неисчерпаемости материального мира. 47. Закономерности эволюции биосферы. 48. Моделирование социальных процессов. 49. Исследование Крабовидной туманности. История открытия и исследования пульсаров. 50. Синергетика и принцип самодвижения материи. 51. Бесконечность материи и развитие Вселенной. 52. О месте человечества во Вселенной. 53. Разнообразие жизни на Земле. 54. Перспективы изменения климата Земли. 55. ДНК в клетках, мутации и генная инженерия. 56. Взаимодействие организмов с окружающей средой. 57. Научные революции в ХХ в. 58. Место и роль науки в общественной жизни современного человека. 59. Связь современного естественно-научного познания с техникой. 60. Основные положения глобальной тектоники. 61. Современные проблемы квантовой механики. Великие открытия в физике, отмеченные нобелевскими премиями 1901г. Вильгельм Рентген – за открытие лучей, названных впоследствии в его честь. 1903г. Пьер Кюри и Мария Складовская-Кюри – за открытие элементов радия и полония, за выявление природы радия и выделение его в металлическом виде. 1906г. Джозеф Джон Томсон – за достижения в области теоретических и экспериментальных исследований проводимости электричества в газах. 1908г. Эрнест Резерфорд – за открытие в области радиоактивности и исследование структуры атома. 1914г. Макс Фон Лауэ – за открытия в области кристаллографии. 1918г . Макс Планк – за открытие квантовой природы излучения. 1921г. Альберт Эйнштейн – за заслуги в области теоретической физики и за открытие закона фотоэлектрического эффекта. 1922г. Нильс Хенрик Давид Бор – за заслуги в изучении строения атомов и испускаемого ими излучения. 1929г.