Реферат: Концепции современного естествознания

Реферат: Концепции современного естествознания

эта работа была сделана на заказ!

список  оригинальных работ( больше 100) в режиме off-line вы можете посмотреть по адресу:

http://www.sinor.ru/~ranger/Ref

также  вы найдете много учебной литературы и статей по всем предметам в моей библиотеке on-line

http://www.sinor.ru/~ranger

Государственный комитет по высшему образованию Российской Федерации

Новосибирская государственная академия экономики и управления

Кафедра концепций современного естествознания

контрольная работа

по курсу:  Концепции Современного Естествознания

Вариант 5

Выполнил ст. 1-го курса

                                                                                 заочного факультета

                                                                                  спец. Бухучет и Аудит

Новосибирск 1999

1.   Использование законов сохранения импульса и момента импульса в современной цивилизации

Законы сохранения импульса и момента импульса выполняются при любом взаимодействии, об этом свидетельствуют многочислен­ные экспериментальные данные. Таким образом, эти законы спра­ведливы в мега-, макро- и микромире, и называются великими за­конами сохранения.

В мега мире закон сохранения момен­та импульса объясняет наблюдаемую форму галактик. Каждая галактика об­разовывалась из очень большой массы газа (порядка 1039—1040 кг), обладаю­щей первоначальным моментом им­пульса. 

Широкое применение в современ­ной технике имеет гироскоп.   Гироскоп — это осе симметричное тело, быстро вращающееся вокруг своей геометрической оси. Простейшим примером этого прибора слу­жит знакомая всем еще с детства игрушка — волчок. Ось вращения сохраняет свое направления в пространстве неизменным, если для удержания гироскопа использовать так называемый карданов подвес. Такие устройства нашли широкое применение в авиации и космо­навтике, в устройствах, обеспечивающих ориентацию судов вблизи магнитного поля Земли.

При выборе огнестрельного оружия предпочтение отдается нарез­ному по сравнению с гладкоствольным. Нарезное оружие, как изве­стно, стреляет на большие расстояния и с большей точностью. Про­ходя через ствол, пуля закручивается и приобретает момент импуль­са, направленный вдоль скорос­ти ее движения. Этот момент им­пульса придает пуле устойчивую ориентацию в пространстве, так, что различные турбулентности воздуха, возникающие в силу быстрого ее движения, не могут отклонить ее от цели.

Из опытных данных хорошо известно, что элементарные час­тицы обладают внутренним мо­ментом импульса.

Экспериментальные методы исследования элементарных частиц основаны на законе сохранения импульса. При столкновении элемен­тарные частицы оставляют видимые следы (треки) в специальных камерах, заполненных перенасыщенными парами воды или перегре­той жидкостью. При этом выводы о массе и свойствах эле­ментарных частиц делаются на основании закона сохранения импульса.

В игре "бильярд" сталкиваются шарики с равной массой. Как мож­но заметить из опыта или заключить из закона сохранения импуль­са, при столкновении двух шариков с равной массой, один из кото­рых покоился, движущийся шарик при столкновении передаст часть или весь свой импульс покоящемуся, а сам замедлит или остановит свое движение. При столкновении шариков с существенно разными массами направление и скорость движения изменит только легкий шарик. По этой причине во многих видах спорта участников сорев­нований делят на группы с примерно одинаковой массой участни­ков в каждой из них.

Любое движение материальных тел осуществляется в строгом со­ответствии с законом сохранения импульса. Поэтому освоение око­лоземного пространства и полеты в космос невозможны без приме­нения реактивной тяги. Закон сохранения импульса ставит непрос­тые вопросы перед "уфологами" периодически вступающими в "кон­такт" с "инопланетным разумом".

2.   поясните понятие инертной и гравитационной массы. Исходя из каких фактов делается утверждение об их эквивалентности? Чтобы изменилось в окружающем мире, если бы эти массы не были пропорциональны друг другу.

Галилей открыл явление падения всех тел на Земле с одинако­вым ускорением. Масса m связана с весом тела, но сам вес зависит от массы того тела, к которому притягивается масса m. Следовательно, вес не может служить коэффициентом пропорциональности между силой и ускорением, поэтому и вводят понятие инертной массы M, которая характеризует "нежелание" тела сдвинуться с места. Мас­са не зависит от направления движения (это многократно проверя­лось экспериментально) и с точностью до 10-9является скалярной (лат. scataris "ступенчатый") величиной.

Ньютон связал понятия массы и веса тела. Чтобы проверить выводы Галилея, Ньютон провел серию опытов с маятниками и убедился, что свинцовый и деревянный шары пада­ют с одинаковыми ускорениями, значит, Земля в этом случае оди­наково действует на оба шара. Такое влияние Земли на каждый шар (или каж­дое тело) можно выражать тяжестью, измеренной на весах путем сравнения с тяжестью тела, принятой за единицу. Развивая мысль Галилея, Ньютон вводит понятие силы F = MW как меру действия одного тела на другое, отождествляя вес с силой действия, оказыва­емого на него Землей.

У Ньютона масса — единственная причина гравитационноного вза­имодействия.

Массы входящие в уравнение закона всемирного тяготения, называют гравитационными. В отличие от инертных масс которые служат коэффициентом пропорциональности между силой, действующей на тело, и его ускорением, гравитационные массы определяют силу гравитационного взаимодействия между телами.Инертная масса была определена в динамическом опы­те: прикладывается известная сила, измеряется ускорение, и из фор­мулы F = MW выводится масса М. В законе гравитационного взаимо­действия иная масса, она может определяться из статического экспе­римента: измеряют силу взаимодействия между двумя телами, рас­положенными на определенном расстоянии.

Галилей пришел к выводу о пропорциональности гравитационной m и инертной М масс, сбрасывая тела с высоты. Попробуем просле­дить за его рассуждениями. Допустим, мы бросили вниз одновремен­но два тела, отличающиеся весом, — m1g и m2g. Согласно второму закону Ньютона, их ускорения соответственно будут определятся из соотношений: F1 = M1W1 и F2 = M2W2. Сила, действующая на каждое тело, равна его весу: m1g = M1W1 и m2g = M2W2. Ускорение каждого тела при падении равно: W1 = (m1/M1)g  и W2 == (m2/M2)g. Эксперимент Галилея показал, что все тела при отсутствии сопротивления падают с одинаковым ускорением, т. е. отношение ускорений равно едини­це, или (W1/M2)= (m1/М1)(М2/m2) = 1. Это возможно только при про­порциональности инертной и гравитационной масс.

Последние эксперименты подтверждают равенство m = М с точ­ностью до 10-11. Опыты венгерского физика барона Лоранда фон Эт-веша   показали универсальный характер пропорциональ­ности гравитационной и инертной масс, т. е. при соответствующем выборе единиц измерения коэффициент пропорциональности можно сделать равным единице. Универсальность означает пропорциональ­ность масс для всех веществ, поэтому они измеряются в граммах. Теория Ньютона не объясняет причину этой пропорциональности.

Наглядным подтверждением совпадения инертной и гравитационной масс служит тот факт, что все тела независимо от массы и состава падают на Землю с одним и тем же ускорением свободного падения. Состояние невесомости  - это состояние свободного падения.

3.   Поясните принцип Ле Шателье. Найдите примеры применения этого принципа вне химии

Поскольку большинство химических реакций не идет до конца,  то становится важным понятие равновесия между прямой и обрат­ной реакциями. В какой-то момент их скорости сравняются, и в дан­ной системе при данных условиях установится динамическое равновеcue. Вывести систему из равновесия можно только изменив условия согласно принципу, предложенному в 1884 г. Анри Луи Ле: "Если в системе, находящейся в равновесии, изменить один из факторов равновесия, например, увеличить давление, то произойдет реакция, сопровождающаяся уменьшением объема, и на­оборот. Если же такие реакции происходят без изменения объема, то изменение давления не будет влиять на равновесие".

Сейчас этот принцип формулируют так: внешнее воздействие, которое выводит систему из состояния термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, направленные на ослабление резуль­татов такого влияния или, еще современнее,  что система выведенная внешним воздействием из состояния с минимальным производством энтропии, стимулирует развитие процессов, направленных на ослабление внешнего воздействия. Ле Шателье применял этот закон в промыш­ленных условиях для оптимизации синтеза аммиака, производства стекла и цемента, выплавки металлов, получения взрывчатых ве­ществ. Катализаторы, как оказалось, не влияют на положение рав­новесия: они одинаково влияют на прямую и обратную реакции,  ускоряют достижение равновесия, но не сдвигают его.

Примером применения этого принципа вне химии может быть следующая ситуация:

Массовое размножение грызунов влечет за собой увеличение численности хищников и паразитов. Они сокращают численность популяции грызунов. Но вслед за этим сокращается численность хищников, так как они начинают погибать от голода. Т. е. Равновесие в экосистеме восстанавливается.

4.   Поясните понятие «фазы» и «фазового перехода». Какие фазовые переходы относят к фазовым переходам первого и второго родов, что лежит в основе такой классификации. Приведите примеры.

фазами называют различные однородные части физико-химичес­ких систем. Однородным является вещество, когда все параметры со­стояния вещества одинаковы во всех его элементарных объемах, раз­меры которых велики по сравнению с межатомными состояниями. Смеси различных газов всегда составляют одну фазу, если во всем объеме они находятся в одинаковых концентрациях. Одно и то же вещество в зависимости от внешних условий может быть в одном из трех агрегатных состояний — жидком, твердом или газообразном. В зависимости от внешних условий система может находиться в рав­новесии либо в одной фазе, либо сразу в нескольких фазах.

Во время фазового перехода температура не меняется, но меняет­ся объем системы. Фазовые переходы бывают нескольких родов. Существуют такие условия давления и температуры, при которых вещество находится в равновесии в разных фазах. Температуры, при которых происходят переходы из одной фазы в другую, называются температурами перехода. Они зависят от дав­ления, хотя и в различной степени: температура плавления — сла­бее, температуры парообразования и сублимации — сильнее.

Изменения агрегатных состояний вещества называются фазовыми переходами 1-го рода, если: 1) температура постоянна во время все­го перехода; 2) меняется   объем системы; 3) меняется энтропия системы.

Чтобы произошел такой фазовый переход, нужно данной массе вещества сообщить определенное количество тепла, соответствующе­го скрытой теплоте превращения. В самом деле, при переходе из бо­лее конденсированной фазы в фазу с меньшей плотностью нужно сообщить некоторое количество энергии в форме теплоты, которое пойдет на разрушение кристаллической решетки (при плавлении) или на удаление молекул жидкости друг от. друга (при парообразова­нии). Во время преобразования скрытая теплота пойдет на преодоле­ние сил сцепления, интенсивность теплового движения не изменит­ся, в результате температура остается постоянной. При таком перехо­де степень беспорядка, следовательно, и энтропия, возрастает. Если процесс идет в обратном направления, то скрытая теплота выделяется.

Фазовые переходы 2-го, 3-го и т.д. родов связаны с порядком тех производных термодинамического потенциала дФ, которые ис­пытывают конечные изменения в точке перехода.

Такая классификация фазовых превращений связана с работами физика-теоретика Пауля Эренфеста. Так, в случае фа­зового перехода 2-го рода в точке перехода испытывают скачки про­изводные второго порядка: теплоемкость при постоянном давлении с = -Т(д2Ф/дТ2), сжимаемость b=-(1/V0)( д2Ф/дp2), коэффициент теплового расширения a= (1/V0)( д2Ф/дTp), тогда как первые произ­водные остаются непрерывными. Это означает отсутствие выделения (поглощения) тепла и изменения удельного объема (Ф — термоди­намический потенциал).

В 1937 г. Ландау показал, что фазовые переходы 2-го рода связаны с изменени­ем симметрии системы: выше точки перехода система, как правило, обладает бо­лее высокой симметрией. Например, в магнетике спиновые моменты выше точки ориентированы хаотически, и одновременное вращение всех спинов вокруг одной оси на одинаковый угол не изменяет свойств системы. Ниже точки перехода спи­ны имеют некоторую преимущественную ориентацию, и одновременный их пово­рот меняет направление магнитного момента системы. Ландау ввел коэффициент упорядочения и разложил термодинамический потенциал в точке перехода по сте­пеням этого коэффициента, на основе чего построил классификацию всех возмож­ных типов переходов, а также теорию явлений сверхтекучести и сверхпроводи­мости.

В окружающей нас природе мы особенно часто наблюдаем фазо­вые переходы воды. При переходе воды в пар происходит сначала испарение — переход поверхностного слоя жидкости в пар, при этом в пар переходят только самые быстрые молекулы: они должны пре­одолеть притяжение окружающих молекул, поэтому уменьшаются их средняя кинетическая энергия и, соответственно, температура жид­кости. Наблюдается в быту и обратный процесс — конденсация.

Оба эти процесса зависят от внешних условий. В некоторых случа­ях между ними устанавливается динамическое равновесие, когда чис­ло молекул, покидающих жидкость, становится равным числу моле­кул, возвращающихся в нее. Опыт показывает, что насыщенный пар, или пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидко­стью, не подчиняется закону Бойля — Мариотта, поскольку его дав­ление не зависит от объема. Процессы испарения и конденсации воды обуславливают сложные взаимодействия атмосферы и гидросферы, имеют важное значение в формировании погоды и климата. Между атмосферой и гидросферой происходит непрерывный обмен веще­ством (круговорот воды) и энергией.

Исследования показали, что с поверхности Мирового океана, со­ставляющего 94 % земной гидросферы, за сутки испаряется около 7 000 км3 воды и примерно столько же выпадает в виде осадков. Во­дяной пар, увлекаемый конвекционным движением воздуха, подни­мается вверх и попадает в холодные слои тропосферы. По мере подъе­ма пар становится все более насыщенным, затем конденсируется, об­разуя дождевые и облачные капли. В процессе конденсации пара в тропосфере за сутки выделяется около 1,6-1022 Дж теплоты, что в десятки тысяч раз превосходит вырабатываемую человечеством энер­гию за то же время.

Если процесс перехода жидкости в пар происходит во всем объе­ме, то его называют кипением. Разрыв пузырьков у поверхности ки­пящей жидкости свидетельствует, что давление пара в них превыша­ет давление над поверхностью жидкости.

Поздней осенью, когда после сырой погоды наступает резкое по­холодание, на ветвях деревьев и на проводах можно наблюдать иней — это десублимировавшие кристаллики льда. Подобное явление ис­пользуют при хранении мороженого, когда углекислота охлаждает­ся, так как переходящие в пар молекулы уносят энергию. На Марсе явления сублимации и десублимации углекислоты в его полярных шапках играют такую же роль, что и испарение — конденсация в атмосфере и гидросфере Земли.

5.   в чем уникальность строения атома углерода и почему он так распространен в соединениях. Почему нашу жизнь иногда называют углеродной.

С точки зрения химии жизнь — это всевозможные превращения разнообразных крупных и сложных молекул, главным элементом ко­торых является углерод. Он важен не с точки зрения распространенности на Земле, в земной коре углерода всего 0,055 %, в то время как кислорода 60,50 %, кремния 20,45 % и даже титана 0,27 %. В атмосфере двуокиси углерода 0,03 %, т. е. углерода всего 0,008 %. Все биологически функциональные вещества, кроме несколь­ких солей и воды, содержат углерод. Это белки, жиры, углеводы, гормоны, витамины. Число соединений углерода огромно. Они назы­ваются органическими соединениями, поскольку когда-то считалось, что такие молекулы могут образовываться только в живых организ­мах.

Органическая химия посвящена изучению углерода и его соеди­нений. Атомный номер углерода — 6, его ядро содержит шесть про­тонов и шесть нейтронов, вокруг ядра вращаются шесть электронов, масса атома С равна 12. При химических реакциях углерод способен присоединить 4 электрона и образовать устойчивую оболочку из восьми электронов, т. е. имеет валентность, равную четырем, и спо­собен к прочной ковалентной (присоединением электронов) связи. Например, эмпирическая формула одного из таких прочных соеди­нений — метана — СН4, а в структурном изображении — это тетра­эдр (четыре симметричные связи углерода).

Уникальным свойством углерода является его способность образо­вывать стабильные цепи и кольца, которые обеспечивают разнооб­разие органических соединений, причем эти связи могут быть крат­ными. При этом важно расположение атомов в пространстве, которое приводит к оптической активности вещества, к отличию в повороте плоскости поляризации проходящего света  (рис. 1). Структурные формулы наглядно отражают связь формулы со свойствами вещества, с их помощью стало возможным объяснение изомерии и предсказа­ние свойств неизвестных еще соединений.

Рис. 1. Способы соединения атомов углерода друг с другом Черточки со свободными концами при каждом атоме углерода показывают, что он может образовывать связи с атомами других элементов (обычно это водород, кислород, азот, сера)

Зная валентность углерода, можно достаточно просто изобразить положение всех недостающих водородных атомов, что позволяет со­средоточить внимание на наиболее важных связях и химических груп­пах. Такие прочные ковалентные связи углерод может образовывать и с атомами других элементов (Н, О, Р, N, S), и с углеродными (С-С связь). Внутреннее отличие органики от большинства неорга­нических соединений выражается в том, что химические связи, как правило, в органических соединениях валентные, а ионные связи — очень редки.  Поэтому углерод обладает этими уникальными свойствами, среди которых еще не отмечена способность соединений углерода к полимеризации и поликонденсации, а наша жизнь называется углеродной.

6.   Преобразования энергии и круговорот веществ в природе. Чем они отличаются и что между ними общего.

Биосфера представляет из себя единство живого и минеральных элементов, вовлеченных в сферу жизни. Она распределена по земной поверхности крайне неравномерно и в различных природных услови­ях принимает вид относительно независимых комплексов — биогеоценозов (или экосистем). Живая часть биогеоценоза — биоценоз - состоит из популяций организмов разных видов.

Одним из самых больших достижений науки в XX в. является выяснение механизмов превращения энергии в биологических системах Сейчас уже понятно, как солнечная энергия преобразуется в специальных пигментных структурах расте­ний в энергию химических связей, как превращаются вещества в процессах бро­жения и гликолиза (окисление углеводов без кислорода), как происходит внутри­клеточное дыхание — перенос электронов в митохондриях от коферментов к кис­лороду. В центре этих превращений в клетке находится АТФ, которая синтезирует­ся из АДФ и Н3РО4 за счет световой энергии или энергии, выделяемой при гликолизе, брожении или дыхании. При гликолизе АТФ выделяется энергия, необходимая для совершения всей работы живого организма — от создания градиентов концен­трации ионов и сокращения мышц до синтеза белка.

Биосфера улавливает лишь небольшую часть солнечной энергии, поступающей на Землю. Ультрафиолетовая часть солнечного излучения, которая  составляет 30 % всей солнечной энергии, доходящей до Земли, практически полностью задерживается атмосферой. Половина поступающей энергии превращается в тепло и затем излучается в космическое пространство, 20% расходуется на испарение воды и образование облаков и только около 0,02 % используется биосферой. Зеленые расте­ния усваивают эту энергию, поглощая молекул».) хлорофилла, и про­цессе фотосинтеза преобразуют ее и запасают и форме сахарен.  От этого процесса зависит нее существование биосферы.

Животные, поедая растения, а хищники — травоядных животных, освобождают для себя эту энергию, сжигая сахара и другие пита­тельные вещества при помощи кислорода. Переработка пищи в орга­низмах сопровождается выделением энергии, при этом часть ее запа­сается в форме химической энергии и используется для совершения работы. В отличие от простейших существ, у которых сжигание веществ может происходить в любой части организма, высшие животные обладают специальной системой, распределяющей по орга­низму кислород и энергоносители. В легких кровь поглощает кисло­род и выделяет углекислый газ, в кишечнике она получает пита­тельные вещества. Процессы переваривания пищи обеспечивают раз­ложение сложных компонентов пищи на более простые, которые усваиваются кишечником и поступают в кровь, при этом высво­бождается энергия. Конечные продукты обмена веществ (избыток солей, воды, чужеродные и токсичные соединения) поступают через почки в мочу и выводятся из организма.

Животные не получают необходимую им энергию непосредствен­но от Солнца. Для добывания пищи им нужна сенсорная система ее обнаружения (глаза, уши, нос или сонар — ультразвуковой лока­тор, иные органы) и мускульная система, приводящая в движение их органы (руки, ноги, плавники, крылья и т.д.). Кроме того, у растений и животных имеются регулирующие системы — железы, выделяющие гормоны, и нервная система. В организме постоянно со­вершается работа: перекачивается кровь, поглощаются питательные вещества, происходят процессы возбуждения молекул, в которых запасается энергия, выводятся отходы жизнедеятельности и вредные вещества и т. д. Для создания упорядоченных систем (высокого уров­ня генетической или нервной организации) тоже необходима энер­гия. Эффективное функционирование всех систем обеспечивается также информацией о внешнем и внутреннем окружении. Работа со­стоит в выработке сигналов, которые регулируют энергетические процессы, организуют биоструктуры, контролируют расход энергии на разные раздражители и т. п.

Удовлетворение энергетических потребностей организмов проис­ходит в рамках равновесия, которое устанавливается между различ­ными организмами данной среды обитания (экосистемы). Среди оби­тателей обычно выделяют два типа организмов: одни способны не­посредственно использовать солнечную энергию и перерабатывать

в пищу вещества из неживой окружающей среды (автотрофы), дру­гие зависят от остальных производителей энергии, т. е. сами не про­изводят необходимую им пищу {гетеротрофы). Все элементы, из ко­торых построены организмы, многократно используются в биосфе­ре, тем более, что масса всего живого, когда-либо заселявшего Зем­лю, много больше массы самой Земли. Обмен энергии в биосфере отличается от круговорота веществ в ней. Частично энергия рассеива­ется при переходе от продуцентов (зеленых растений) к травоядным, а затем и к плотоядным животным (редуцентам), поэтому необходи­ма постоянная подпитка биосферы солнечной энергией.

Основу биосферы составляет биотический круговорот органичес­ких веществ при участии всех населяющих ее организмов. В законо­мерностях этого круговорота решена проблема развития и длитель­ного существования жизни. Мы не говорим "бесконечного", потому что все на земле имеет конец: сама Земля представляет собой огра­ниченное тело, конечен запас минеральных элементов и т. д. "Един­ственный способ придать ограниченному количеству свойство беско­нечного, — писал академик В. Р. Вильяме, — это заставить его вращаться по замкнутой кривой. Зеленые растения создают органическое вещество, незеленые разрушают его. Из минеральных соединений, полученных из распада органического вещества, новые зеленые растения строят новое органическое вещество и так без конца".

Жизнь на Земле идет именно таким путем. Каждый вид — это только звено в биотическом круговороте. Непрерывность жизни обес­печивается процессами синтеза и распада, каждый организм отдает или выделяет то, что используют другие организмы. Особенно вели­ка в этом круговороте роль микроорганизмов, которые превращают остатки животных и растений в минеральные соли и простейшие органические соединения, вновь используемые зелеными растения­ми для синтеза новых органических веществ. При разрушении слож­ных органических соединений высвобождается энергия, теряется ин­формация, свойственная сложно организованным существам. Любая форма жизни участвует в биотическом круговороте, и на нем основана саморегуляция биосферы. Микроорганизмы при этом играют двоякую роль: они быстро приспосабливаются к разным условиям жизни и могут использовать различные субстраты в качестве источ­ника углерода и энергии. Высшие организмы не обладают такими способностями и потому располагаются выше одноклеточных в эко­логической пирамиде, опираясь на них, как на фундамент.

Страницы: 1, 2