Контрольная работа по КСЕ (конспект)

Контрольная работа по КСЕ (конспект)

Институт Туризма и Гостеприимства

Государственный Университет Сервиса

Контрольная Работа

По теме: концепция современного естествознания

Сдал: студентка 2 курса, специальность 2305,

Вишневская Екатерина

Принял:

Москва 2000 год

Глава 1. Введение

Восприятие пространства-времени

О структуре мира рассуждения велись еще с ХVI века. И в каждый период существования данного вопроса ученые по-разному отвечали на него. Но отказ от старого геоцентризма произошел фактически во времена Галилея, т.е. было признано, что небеса бесконечны.

Земля- простая песчинка космической пыли.
Из-за отсутствия видимых ориентиров было труднее выявить реальный возраст
Земли, т.к. для этого надо было чтобы человек случайно заинтересовался жизнью или даже вулканами.

На первых стадия человеческого интереса к космическим далям пространство и время оставались независимыми друг от друга. И лишь в конце
XIX века и начале ХХ века под влиянием биологии была выявлена необратимая связь всего существующего. Таким образом солидарность и последовательность существа зависит от их конкретного места в общем генезисе, время и пространство органически соединяются, чтобы вместе создавать ткань универсума.

Глава 2. Развитие естествознания в ранние и средние века

Научная революция Коперника.

Николай Коперник (1473-1543)-известный ученый средневековья, написавший в
1530 году знаменитое сочинение «Малый Комментарий». В этом труде он изложил собственную теорию, по которой не Солнце вращалось вокруг Земли , а наоборот. Такая теория была революционной не только с точки зрения церкви-
Земля и человек перестали быть главными во вселенной, - но и с точки зрения механики- никогда еще относительность движения не использовалась для решения конкретных задач. Коперник упростил схему планетной системы, по которой суточное движение неба объяснялось вращением Земли вокруг своей оси, годичное- обращением вокруг Солнца., а попутное движение звезд- разной угловой скоростью движения планет на своих орбитах.
Система Коперника была гораздо точнее птолемеевской. Кроме того, изменения системыне повлияли на результаты вычислений. Такая система получила название гелиоцентрической.
Таким образом труд Коперника стал основой для всей будущей науки. А чтобы построить систему Коперника, необходимо знать отношения расстояний всех планет до Солнца к среднему расстоянию от Земли до Солнца. Среднее расстояние от Земли до Солнца было названо астрономической единицей ( ок.
150 млн. км).
Остальные расстояния определяются по наблюдениям за планетами.

Глава 3. Механика Ньютона и ее влияние на формирование теоретической физики. Законы сохранения в механике.

Вывод законов Ньютона из принципа сохранения импульса.

Для изолированной системы двух частиц дифференцируя это уравнение по времени, получим

Ускорения общих частиц обратно пропорционально их инертным массам, т.е.

Пусть сила , с кот. частица А действует на частицу В. Тогда
Мы получили принцип равенства действия и противодействия , называемый третьим законом Ньютона.

Наконец, для одной изолированной частицы имеем одновременно

Это закон инерции, или первый закон Ньютона.
Второй закон Ньютона можно записать также в виде

Если сила действует на частицу в течение конечного промежутка времени от 0 до t, то

Интеграл в левой части формулы называется импульсом силы , кот. равен изменению импульса частицы ( тела), кот. происходит в результате действия приложенной силы.

Глава 4. Элементы теории поля. Электромагнитные волны.

Уравнение Максвелла

В отсутствие диэлектриков и магнетиков уравнения Максвелла имеют вид:

Первые два уравнения Максвелла- это теорема Гаусса для электрических полей.
Третье- закон электромагнитной индукции Фарадея и четвертое – закон Ампера, обобщенный Максвеллом.
1) Поток вектора напряженности электрического поля через произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме зарядов, охватываемых этой поверхностью ( - электрическая постоянная).
2) Поток вектора магнитной индукции сквозь произвольную замкнутую поверхность S равен нулю.
Это уравнение является следствием того, что свободных магнитных зарядов в природе не существует.
3) Циркуляция вектора напряженности электрического поля по произвольному замкнутому контуру равна скорости изменения магнитного потока, взятого с обратным знаком сквозь поверхность, ограниченную этим контуром.
4) Циркуляция вектора магнитной индукции по замкнутому контуру равна полному току ( ), пронизывающему поверхность
, ограниченную этим контуром.

Уравнения Максвелла имеют следующий смысл:
1. обобщенный закон Кулона, связывающий электрическое поле с его источниками, электрическими зарядами.
2. Математическое выражение факта отсутствия изолированных магнитных зарядов: силовые линии магнитного поля замкнуты.
3. Изменения магнитного поля порождает электрическое.
4. Магнитное поле создается электрическим током или изменяющимся электрическим полем.
Уравнения Максвелла выражают основные законы электромагнетизма и являются такими же необходимыми, как и законы Ньютона.

Глава 5. Пространство, время и материя в контексте культуры.

Преобразования Галилея и Лоренца.

Рассмотрим математические соотношения: связывающие величины в одной инерциальной системе отсчета с эквивалентными величинами в другой инерциальной системе отсчета.

Пусть в начальный момент времени системы отсчета S и S’ совпадают и система
S’ движется вправо равномерно и прямолинейно (v= const). Рассмотрим, что происходит в точке Р. Т.к. системы отсчета первоначально совпадают, то через промежуток времени t’ система отсчета S’ сдвинется на расстояние vt'.
Следовательно, в момент t’ получим x=x’+vt’; y=y’, z=z’. Наконец, т.к. время в физике Галилея является абсолютным, показания часов в обеих системах отсчета совпадают: t=t’.
В итоге получаются формулы преобразования Галилея: x=x’+vt’, y=y’, z=z’, t=t’. (*)
Теперь пусть точка Р движется со скоростью u и имеет компоненты в системе
S’: U’x, U’y, U’z, а в системе S: Ux, Uy, Uz по определению U’x=dx’/dt’;
U’y= dy’/dt’; U’z=dz’/dt’ .
Их связь с компонентами скорости в системе S можно найти , продифференцировав соотношения (*). Для Ux получим
Ux=dx/dt=d(x’+vt’)/dt’=Ux’+v; для других компонентов скорости Uy=U’y;
Uz=Uz’. Мы получили галилеевы формулы преобразования скоростей, кот. справедливы только при скоростях , значительно меньших скорости света С.

Преобразования Лоренца.
Они были предложены для объяснения отрицательного результата эксперимента
Майкельсона - Морли и для придания одинакового вида уравнениям Максвелла во всех инерциальных системах отсчета.

Эйнштейн предположил , что все физические законы не должны меняться от преобразований Лоренца. Для того , чтобы наступила гармония между уравнениями Ньютона и Максвелла нужно, чтобы масса (m) в уравнении Ньютона определялась соотношением

, где - масса покоя, v-скорость движения тела, с - скорость света.
Формула преобразования скорости имеет вид:

Из последней формулы следует, что при скоростях , малых по сравнению со скоростью света, это соотношение переходит в классическую формулу сложения скоростей.

Глава 6. Оптика.

Поляризация света при отражении. Закон Брюстера.

Получить поляризованный свет можно путем отражения.
Когда свет падает на неметаллическую поверхность под любым углом, кроме прямого , отраженный луч оказывается частично плоскополяризованным.
Направим на отражающую поверхность ХХ естественный луч SO. На пути отраженного луча ОК поставим поляроид D, пройдя через кот., луч будет освещать экран К.

При повороте поляроида интенсивность освещения экрана станет изменяться.
Это значит, что отраженный луч был частично поляризован. Степень поляризации луча зависит от его угла падения. При изменении луча от 0 до 90 градусов степень поляризации луча сначала возрастет, в некоторой точке достигнет максимума- став вполне поляризованным, а потом начнет убывать.
Угол падения, при котором отраженный луч становится поляризованным, называется углом полной поляризации, а его тангенс равен показателю преломления отражающей среды, т.е.

Оказалось, что отраженный луч всегда поляризуется в плоскости падения, т.е. колебания вектора Е происходят в плоскости перпендикулярной плоскости падения.
Преломленный луч достигает максимального уровня поляризации при угле падения луча , для этого этот луч надо пропустить через стопу пластинок
(Столентова). Преломленный луч поляризуется в плоскости перпендикулярной плоскости падения.

Глава 7. Возникновение и сущность квантовой теории.

Фотоны и рождение пар.

Фотон- частица, кот. двигается со скоростью света. Масса любой частицы равна

Т.к. у фотона v=c, то знаменатель равен нулю. Значит либо масса покоя фотона ( ) равна нулю, либо его энергия бесконечна.
Импульс фотона можно вычислить по формуле: p=E/c. Т.к. E=vh, импульс фотона связан с его длинной волны соотношением p=hv/c=h/л.

Фотон обладает энергией, кот. может превращаться в массу (энергию покоя).
Это чаще всего происходит при рождении позитрона и электрона. Позитрон имеет ту же массу, что и электрон, но у него противоположный знак заряда.
Такой процесс называется рождением электрон-позитронной пары и сопровождается исчезновением фотона.

Глава 8. Ядерная физика.

Деление ядер.

С ростом значения массового числа А удельная энергия связи увеличивается вплоть до А~50. Это объясняется тем, что энергия связи усиливается, если его притягивают несколько других кулонов. Ядерные силы притяжения короткодействующие. В элементах со значением массового числа больше А=50 удельная энергия связи начинает уменьшаться.
Если сблизить электрон и протон, высвободится энергия 13,6 эВ и масса атома водорода оказывается на 13,6 эВ меньше суммы масс свободного электрона и протона. Если их соединить, то они сольется с выделением энергии, кот. соответствует разности масс. Этот процесс называется синтезом ядер.
Если тяжелое ядро расщепляется на два, то их масса будет меньше первоначальной массы ядра примерно на 0,1%. Энергия атомной бомбы является энергией, высвобождающейся при делении ядер.
Энергия водородной бомбы- энергия ядерного синтеза.
Благодаря цепной реакции процесс деления ядер можно сделать самоподдерживающимся. При каждом делении ядер высвобождаются 2-3 нейрона которые могут вызвать деление другого ядра урана, тогда процесс станет самоподдерживающимся. Совокупность делящегося вещества, удовлетворяющая этому требованию, называется критической сборкой.
Массу можно сделать надкритической. Тогда возникающие при делении нейтроны будут вызывать несколько вторичных делений. Такое устройство называется атомной бомбой. Сферу из плутония переводят в надкритическое состояние обычно с помощью взрыва. Подкритическую сферу из плутония окружают химической взрывчаткой. При ее взрыве плутониевая сфера подвергается мгновенному сжатию. Скорость поглощения нейтронов оказывается выше скорости потери нейтронов за счет их вылета наружу. В этом и заключается условие надкритичности.
Взрыв атомной бомбы можно сделать эффективным, когда большая часть плутония прореагирует, а не разлетится.

Глава 9. Физика элементарных частиц.

Теория великого объединения.

Успехи единой электрослабой теории стимулировали в последнее время попытки включить ее и квантовую хромодинамику для сильного взаимодействия в рамки так называемой теории великого объединения. В одном варианте этой теории, включающей электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия, существует только один класс частиц- лептоны и кварки, принадлежащие одному семейству и способные свободно превращаться друг в друга, а три типа сил представляют собой различные аспекты единого взаимодействия. Если две частицы ( лептоны или кварки ) сближаются на расстоянии меньшем , то между ними перестает существовать какое-либо различие и кварк может легко превратиться в лептон или наоборот. Тогда слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия сливаются в одно. Такое превращение схоже с превращением протона в нейтрон.
То, что происходит на расстояниях , превышающих масштаб сближения ( ) называют нарушением симметрии, т.е. возникают три разных взаимодействия.
В простейшем варианте теории Великого объединения оценка времени жизни протона равна лет. Но эксперименты показали, что нижний предел времени гораздо больше. Другое предсказание говорило, что первые сек. после великого взрыва, в результате которого возникла наша Вселенная, температуры были столь высоки, что частицы обладали энергиями, соответствующими масштабу объединения. Это значит, что барионный заряд не сохранялся. Этим объясняется наблюдаемое в настоящее время преобладание вещества над антивеществом во Вселенной от пример показывает глубокую связь между исследованиями, проводимыми на противоположных концах шкалы размеров: теории занимающейся изучением элементарных частиц и теории Вселенной как целого. Еще более грандиозными являются попытки включить в единую схему и гравитационное взаимодействие, объединив тем самым в рамках единой теории все четыре фундаментальных взаимодействия.
Для увеличения энергии заряженных частиц до больших значений, используются ускорители. Частицам высоких энергий соответствуют очень малые длины волн, поэтому их можно использовать для получения подробной информации о строении бомбардируемых объектов. При столкновении частиц с высокой энергией происходит образование новых частиц.
Сильное взаимодействие переносится мезонами, обладающими массой покоя или безмассовыми глюонами.
Античастица имеет такую же массу, что и частица, но противоположный по знаку заряд. Во всех ядерных реакциях и реакциях с участием частиц выполняются следующие законы сохранения энергии: импульса, массы-энергии, момента импульса, электрического заряда, барионного и лептонного зарядов.
Частицы можно классифицировать как лептоны и адроны; фотон образует отдельный класс. Лептоны участвуют в слабом и электромагнитном взаимодействиях. Адроны- еще и в сильном. Адроны подразделяются на мезоны
(с нулевым барионным зарядом) и барионы (с ненулевым зарядом).
Последние теории элементарных частиц основаны на гипотезе кварков как составных частей адронов. Ожидается, что число кварков совпадает с числом лептонов (известны шесть кварков) и что кварки и лептоны являются истинно элементарными частицами. Кварки обладают цветом. Согласно квантовой хромодинамике переносчиками сильного цветового взаимодействия между зарядами служат глюоны.
Теория, объединяющая взаимодействия, предполагает, сто на очень коротких расстояниях и при очень высоких энергиях слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия проявляются как единая сила, а фундаментальное различие между кварками и лептонами исчезает.

Глава 10. Самоорганизация и хаос.

Самоорганизация в неравновесных системах.

В середине Х1Х века были сформулированы второе начало термодинамики и законы биологической эволюции. Однако вопрос о совместимости концепции тепловой смерти (процесс хаотизации) с процессом самоорганизации оставался на протяжении целого столетия открытым.
Выяснилось, что самоорганизация присуща не только «живым» системам, но также и всем открытым системам (т.е. тем, в которых возможен обмен энергией с окружающей средой). При этом источником упорядоченности является неравномерность.
Жизнь на Земле стала возможна лишь благодаря негэнтропии (энтропии с обратным знаком) солнечного излучения. Сфера жизни на Земле- это упорядоченная структура, которая питается негэнергией.
Энергия солнечного излучения поступает на Землю из высокотемпературного источника и уходит в космическое пространство при низкой температуре. Если предположить, что в среднем энергия на Земле не накапливается, то поток энтропии от Солнца на Землю будет меньше потока энтропии от Земли в космическое пространство.
Т.е. Земля получает высококачественную энергию от Солнца, перерабатывает ее, что сопровождается ростом энтропии, и выбрасывает ее в космическое пространство вместе с наработанной энтропией. Это обеспечивает жизнедеятельность на Земле.
Явления, происходящие в жидкости, лазерах и химических реакциях имеют много общего. В ходе неравновесного процесса из пространственно-однородного состояния у всех них спонтанно возникает пространственная или временная структура, которая называется диссипативной. Такие структуры образуются в открытых системах.
В прошлом веке была широко распространена теория тепловой смерти Вселенной, но в настоящее время она оказалась непризнанной.

Глава 11. Астрофизика

Рождение Вселенной.

Одну из гипотез происхождения Вселенной предложил Джордж Гамов, которая получила название «теории большого взрыва». По этой теории начальным условием для рождения Вселенной было наличие в трехмерном пространстве физического вакуума.
Взрывная модель расширяющейся Вселенной заключается в том, что в начальный момент времени полная ее масса, энергия и давление были заключены в точечной сингулярности (области с бесконечно малыми размерами), и потом это сингулярность стала распространяться из этой точки со скоростью света.
Температура огненного шара, которым была вначале Вселенная, была крайне велика. Простейшее предположение о начальном составе огненного шара- весь он состоял из излучения.
Столкновения фотонов в первые мгновения приводили к образованию частиц вещества (электронов, мезонов, и нуклонов). В последующих столкновениях фотонов с ними стали образовываться и многие другие частицы. Но при всех условиях частицы появлялись парами: «частица-античастица», т.о. возникало и вещество, и антивещество. Наконец, между полем излучения и веществом наступило равновесие.
Аннигиляция частиц уничтожала вещество и превращала его в излучение, а в столкновениях с фотонами оно вновь образовывалось. При последующих реакциях между элементарными частицами возникали также и ядра элементов, но расширение поля излучения было слишком быстрым, а температура слишком высокой, поэтому в этот период образовались только водород и гелий.
Особенностью огненного шара на первых стадиях было то, что он имел очень большую теплоемкость, а значит должны быть сильные флуктуации плотности.
Постепенно некоторые флуктуации замораживались, т.е. области с высокой плотностью жили дольше и перемешивались с областями с низкой плотностью.
Так в шаре постепенно возникли первые неоднородности, которые, возможно, стали первым скоплением галактик.
Излучение к тому моменту охладилось до такой степени, что перестало быть источником частично- античастичных пар. Огненный шар расширился, охладился и представлял собой облако из областей плотного вещества, перемежающихся областями, в которых практически не было вещества. Конденсированные области обладали своими гравитационными полями, которые «вытягивали» более тяжелые компоненты первичной плазмы- нуклоны и способствовали их отделению от более легких компонент-электронов. В этой плазме была смесь двух газов: одного, состоящего из электронов и позитронов, и другого, в 1840 раз более тяжелого, состоящего из протонов и антипротонов. Так эти два газа стали разделяться в гравитационном поле.
Электромагнитные поля, созданные на ранних стадиях расширения, стали разделять положительные электроны от отрицательных и протоны от антипротонов, благодаря чему противоположные токи концентрировали вещество в центре, а антивещество по бокам. Т. о. Получились области с преобладанием вещества над антивеществом, и другие области наоборот.
В последствии каждая область стала состоять либо из вещества, либо из антивещества. Эти области были разделены пространством, в котором аннигиляция полностью уничтожала вещество, так что оно оказалось пустым в отношении наличия вещества.

Глава 12. Жизнь во Вселенной.
Возникновение мысли.

Человек в том виде, в котором его удается воспроизвести сегодняшней науке- животное, подобное другим.
Ступень рефлексии (размышление, самопознание)
Рефлексия-это приобретенная сознанием способность сосредоточиться на самом себе и овладеть самим собой как предметом, обладающим своей специфической устойчивостью и своим значением. Рефлектирующее существо в силу сосредоточения на самом себе внезапно становится способным развиваться в новой сфере.
Абстракция, логика, изобретательность, математика, искусство, восприятие времени и пространства- не что иное, как возбуждение вновь образованного центра. Разум- эволюционное достояние только человека.
Для большинства биологов нет четкого различия между инстинктом и мыслью: и то и другое своего рода поверхностное свечение, под которым скрывается игра детерминизма матери (объективная, закономерная связь и причинная обусловленность всех явлений).
Рефлексия –форма теоретической деятельности человека, направленная на осмысление действия.
Человек с его сознанием – это вершина эволюции. Но в человеке, рассматриваемом как зоологическая группа, мы по-прежнему находим и половое влечение, и тенденцию к борьбе за существование , и любопытство к окружающему миру.
Изменение биологического состояния, приведшее к пробуждению мысли, не просто соответствует критической точке, пройденной индивидом или даже видом. Будучи более обширным, это изменение затрагивает саму жизнь в ее органической целостности и, следовательно, оно знаменует собой трансформацию, затрагивающую состояние всей планеты.
Геологи допускают зональность нашей планеты: в центре металлическую барисферу, окруженную каменистой литосферой, поверх которой находятся текучие оболочки гидросферы и атмосферы. К четырем покрывающим друг друга оболочкам наука прибавляет живую пленку, образованную растительным и животным миром- биосферу.
Признав в истории эволюции новую эру образования, ученые выделили еще одну пленку- ноосферу. Это новый покров, который зародившись в конце третичного периода, разворачивается с тех пор над миром растений и животных. Несмотря на незначительность анатомического скачка, с гоминизацией начинается новая эра. Нам известны пока два представителя нижнечетвертичного человека: питекантроп с Явы и синантроп из Китая. Эти существа по своей анатомии имеют человеческие формы. Синантроп был обнаружен в своем жилище- пещере, где изобилуют каменные орудия очень хорошего качества. Он добывал огонь.
Далее следует огромный провал в антропологии. Около 60000 лет назад предгоминиды исчезли и появились неандертальцы, для которых было характерно разностороннее развитие мозга. Появилась пещерная индустрия и первые захоронения, т.е. все то , что определяет и выражает человека. После неандертальца появился Homo Sapiens, человек , которого мы знаем в конце четвертичного периода- это уже действительно современный во всех отношениях человек.
У неандертальцев обнаруживается психическая ступень, т.е. наличие настоящего разума.
Вследствие быстрого роста числа индивидов свободная территория уменьшается.
Группы сталкиваются между собой. Под давлением необходимости использовать небольшие территории по максимуму возникает идея сохранения и воспроизводства на месте. Разведение скота и земледелие заменяют охоту и сбор плодов.
Появляется вкус к элементарным исследованиям. В результате торговли предметами и передачи идей образуются традиции. Развивается коллективная память.
В следствие случайной конфигурации континентов на Земле имеются районы более благоприятные для объединения и смешения рас. В этих привилегированных местах и стремилась накапливаться человеческая масса.
Этим объясняется появление высшего и нового состояния ноосферы. В прошлом выделяют пять таких очагов: Центральная Америка с цивилизацией майя, Южные моря с полинезийской цивилизацией, долины Ганга и Инда с цивилизациями
Индии, бассейн желтой реки с китайской цивилизацией, и наконец, Нил и
Месопотамия с Египтом. Эти очаги появились ( за исключением первых 2) почти в одно время. Египет , Эллада и вскоре Рим и Иерусалим дали людям цивилизацию и духовную форму.

Глава 13. Биосфера и человек.
Ноосфера.

Современный человек сформировался около 30-40 тысяч лет назад. С того времени в эволюции биосферы стал действовать новый – антропогенный фактор.
Палеолит- первая культура, созданная человеком. Она совпала с длительным периодом оледенения. Тогда экономической основой жизни была охота на крупных животных, что привело к исчезновению многих видов.
Дополнительные сложности для травоядных животных возникли вследствие изменения природных условий в конце палеолита, когда наступило резкое потепление, отступил ледник, леса распространились по Европе, вымерли крупные животные. Закончился период развития общества, характеризовавшийся чисто потребительским отношением к окружающей среде.
Во времена Неолита наряд ус охотой, рыбной ловлей и собирательством все большее значение приобретает процесс производства пищи. Происходят первые попытки одомашнивания животных, зарождается производство керамики.
Уже 9-10 тыс. лет назад существовали поселения, среди остатков которых обнаруживают пшеницу, кости коз , свиней. В разных местах развиваются зачатки земледельческого и скотоводческого хозяйства. Начинается освоение минеральных ресурсов, зарождается металлургия.
Рост населения, качественный скачок в развитии техники и науки за последние столетия привели к тому, что деятельность человека стала направляющей силой дальнейшей эволюции биосферы.