Контрольная работа_2 / 2- 0_Концепции современного естествознания

Министерство образования Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра Экономики

Контрольная работа №2

По дисциплине «Концепции современного естествознания»

Нижневартовск 2008

\

Вопросы 2:

1. Как происходит обмен веществ и энергии в живой клетке? Чем он отличается от обменных процессов в неживой природе?

2. Дайте представление о фазовых переходах, приведите примеры фазовых переходов разных типов (родов). Поясните суть явлений сверхтекучести и сверхпроводимости.

3. Опишите модель реального газа. К каким состояниям газов она применяется? Какая температура (и плотность) называется критической? Каковы особенности сжижения газов в естественных и искусственных условиях?

4. Поясните суть гипотезы Луи де Бройля. Как она была экспериментально подтверждена, какое значение для естествознания имеет использование корпускулярно-волновых свойств вещества? Что узнали о живой материи с помощью электронного микроскопа и на каких принципах он работает?

5. Какова специфика микромира по сравнению с изучением мега- и макро мира. Поясните принципы соответствия и дополнительности.

6. Какие частицы составляют ядро атома, каковы его размеры? Как это было установлено?

7. Какова роль мутаций и окружающей среды в эволюции живого? Какие мутации бывают? Сравните биомассу поверхности суши, почвы и мирового океана и сделайте выводы.

8. Поясните, что такое Вселенная, каковы ее размеры, какие объекты ее составляют и какие модели развития Вселенной вам известны.

9. Какова природа земного магнетизма? Как проявляется тектоническая активность Земли? Может ли тектоническая активность служить критерием жизнеспособности планеты?

10. Как были открыты малекулярно-генетические механизмы изменчивости? Какие виды изменчивости вам известны, в чем их сходства и отличия? Объясните, какая форма изменчивости дает исходный материал для естественного отбора в природе.

1) Основное жизненное свойство клетки – обмен веществ. Из межклеточного вещества в клетки постоянно поступают питательные вещества и кислород, выделяются продукты распада. Вещества, поступившие в клетку постоянно участвуют в процессе биосинтеза.

Биосинтез – это образование специфических белков, жиров, углеводов и их соединений из более простых веществ.

В процессе биосинтеза образуются вещества, свойственные определенным клеткам организма. Например, в клетках мышц синтезируются белки, обеспечивающие их сокращение. Одновременно с биосинтезом в клетках происходит процесс распада органических соединений. В результате распада образуются вещества более простого строения. Большая часть реакций распада идет с участием кислорода и освобождением энергии. Эта энергия расходуется на жизненные процессы. Протекающие в клетке процессы биосинтеза и распада составляют обмен веществ, который сопровождается превращениями энергии.

Клеткам свойственны рост и размножение. Клетки тела человека размножаются делением пополам. Каждая, из образовавшихся дочерних клеток растет и достигает размеров материнской. Новые клетки выполняют функции материнской клетки. Продолжительность жизни клеток различна: от нескольких часов до десятков лет. Живые клетки способны реагировать на физические и химические изменение окружающей их среды. Это свойство клеток называется возбудимостью. При этом из состояния покоя клетка переходит в рабочее состояние – возбуждение. При возбуждении в клетках меняется скорость биосинтеза и распада веществ, потребление кислорода, температура. В возбужденном состоянии клетки выполняют свойственные им функции: железистые клетки образуют и выделяют вещества, мышечные – сокращаются, в нервных возникает слабый электрический сигнал – нервный импульс, который может распространяться по клеточным мембранам.

2) Всякое вещество может, вообще говоря, находиться в одном из трех фазовых, или агрегатных, состояний (фаз) - твердом, жидком и газообразном. Так, известное всем химическое вещество Н2О может находиться в жидком (вода), газообразном (пар) и твердом (лед) состояниях. Переходы между этими состояниями, происходящие при определенных температуре и давлении, называются фазовыми переходами первого рода.

Возможны и переходы без изменения фазового состояния, когда при определенной температуре происходит скачкообразное изменение свойств вещества. Например, при повышении температуры ферромагнетик внезапно при критической температуре Тс (температура Кюри) становится парамагнетиком. Жидкий гелий при температуре ниже критической температуры Т0 переходит в сверхтекучее состояние. Аналогично происходит переход некоторых веществ в сверхпроводящее состояние и обратно. Такие переходы, в которых фаза вещества не меняется, а меняются свойства вещества, называются фазовыми переходами второго рода.

Пример: Насыщенный пар. Как известно, при нагревании твердого тела при определенном давлении сначала происходит нагревание тела до температуры плавления, затем тело превращается в жидкость при постоянной температуре, далее жидкость нагревается до температуры кипения, затем испаряется при постоянной температуре и, наконец, продолжает нагреваться образовавшийся пар.

Рассмотрим переход жидкость - пар. Пусть жидкость занимает часть объема замкнутого сосуда. При любой температуре существует некоторое количество достаточно энергичных молекул внутри жидкости, которые способны разорвать связи с соседними молекулами и вылететь из жидкости. В то же время в паре, занимающем остальной объем внутри сосуда, всегда найдутся молекулы, которые влетают обратно в жидкость и не могут вылететь обратно. Таким образом, в этом сосуде все время происходят два конкурирующих процесса - испарение и обратная конденсация. Когда число молекул, покидающих жидкость, становится равным числу молекул, возвращающихся обратно, то наступает динамическое равновесие между жидкой и газообразной фазой. Говорят, что пар достиг насыщения. Давление насыщенного пара существенно зависит от температуры: чем она выше, тем больше молекул имеют достаточную энергию, чтобы покинуть жидкость, следовательно, должна возрасти и плотность насыщенного пара. Как следует из газовых законов, давление пара пропорционально его плотности и температуре, т.е. давление насыщенного пара всегда растет с ростом температуры и не зависит от объема. Это означает, что в замкнутом сосуде, содержащем жидкость и пар в равновесии друг с другом при фиксированной температуре, давление насыщенного пара не зависит от относительного количества жидкости и пара. Если при неизменной температуре увеличить объем сосуда, часть жидкости дополнительно испарится, если уменьшить объем сосуда, часть пара сконденсируется в жидкость, но в любом случае давление насыщенного пара не изменится.

Кипение жидкости. В реальных условиях жидкости нагреваются в открытых сосудах, т.е. на них действует внешнее давление. Если давление насыщенного пара при данной температуре меньше внешнего давления, то образующиеся внутри жидкости пузырьки пара не могут достичь поверхности и схлопываются. При повышении температуры достигается температура кипения, когда давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению. В этом случае газовые пузырьки из глубины жидкости могут достичь поверхности и жидкость вскипает. Как известно, дальнейшее нагревание жидкости не меняет ее температуры, пока вся она не превратится в пар.

Сублимация. Рассмотрим переход твердое тело - пар. Если внешнее давление очень мало, то твердое тело может непосредственно испаряться, минуя жидкую фазу. Этот процесс называется сублимацией.

Сверхпроводимость-свойство многих проводников, состоящие в том, что их электрическое сопротивление скачком падает до нуля при охлаждении ниже определенной критической температуры, характерное для данного материала.

Сверхизлучение - образование электромагнитных волн ускоренно движущихся зараженными частицами.

3) Модель реального газа была предложена в 1873г. Ван дер Ваальсом. Она отличается от модели идеального газа только тем, что в этой модели учитываются объем самих молекул и их притяжения. Притяжение здесь уменьшает давление.

Модель реального газа применяется к равновесному и неравновесному состояниям газов.

Критическая температура – температура, при которой исчезает различие в физических свойствах между жидкостью и насыщенным паром.

4) Синтез корпускулярных и волновых представлений предложил 1924г. Французский физик Луи Виктор де Бройль, приписав любой частице некий внутренний периодический процесс и рассмотрев единым образом частицы света и вещества.

В 1921г. Американский физик К. Дж.Дэвиссон, работающий тогда в фирме «Белл телефон», обнаружил , что электроны , отражаясь от никелевой пластинки, рассеиваются под определенным углом. Тогда он не сумел найти подходящего объяснения этому явлению. Но после появления работ Луи де Бройля Дэвиссон провел дополнительное исследование и в 1927г. Вместе с американским физиком Л. Джермером получил четкую картину рассеяния электронов , которая соответствовала теории Бройля.

Логическим развитием идеи о корпускулярных свойствах света (“волны могут вести себя подобно частицам”) явилось признание волновых свойств у частиц (электрон, нейтрон, протон и т.д. мало отличаются от фотонов и подобно им могут проявлять волновые свойства).Например, в случае очень близкого расположения небольших щелей в опыте Юнга с источником электронов вместо светового так же возникает интерференционная картина. Основные положения теории атома сформулировал Нильс Бор. Этот величайший переворот в физике произошел на рубеже ХХ века.

Именно в это время великие принципы классической физики обнаружили свою несостоятельность перед лицом новых фактов. Но эти трудности оказались трамплином для новых теорий ХХ века - теории относительности и квантовой механики. Физики перешли границы новой неведомой области, имя которой - микромир.

В основе работы электронного микроскопа лежит свойство неоднородных электрических и магнитных полей, обладающих вращательной симметрией, оказывать на электронные пучки фокусирующее действие. Таким образом, роль линз в электронном микроскопе играет совокупность соответствующим образом рассчитанных электрических и магнитных полей; соответст­вующие устройства, создающие эти поля, называют «электронными линзами». В зависимости от вида электронных линз электронные мик­роскопы делятся на магнитные, электростатические и комбинированные.

Какого же типа объекты могут быть исследованы с помощью электронного микроскопа? Так же как и в случае оптического микро­скопа объекты, во-первых, могут быть «самосветящимися», т. е. служить источником электронов. Это, например, накаленный катод или освещаемый фотоэлектронный катод. Во-вторых, могут быть исполь­зованы объекты, «прозрачные» для электронов, обладающих определённой скоростью. Иными словами, при работе на просвет объ­екты должны быть достаточно тонкими, а электроны достаточно быстрыми, чтобы они проходили сквозь объекты и поступали в систему электронных линз. Кроме того, путём использования отражённых элек­тронных лучей могут быть изучены поверхности массивных объектов (в основном металлов и металлизированных образцов). Такой способ на­блюдения аналогичен методам отражательной оптической микроскопии.

На уровне размеров, разрешаемой современной электронной микроскопией, разворачиваются события, играющие в конечном итоге исключительно важную роль в жизни человека, природе и технике. Прежде всего биология. Живые клетки представляют собой сложные структурные образования; в них протекают сложнейшие, изученные лишь частично биохимические процессы. Ход этих процессов опреде­ляет жизнедеятельность клеток, их взаимосвязь и в конечном итоге жизнедеятельность организмов.

В этом мире нашему взору открываются ранее не известные нам населяющие его «жители», их действия и привычки, взаимоотношения между собой, их дружба и маленькие трагедии, которые в конечном итоге приводят к событиям, играющим важнейшую роль в масштабах природы и человечества. Здесь на молекулярном уровне хранится ве­личайшая тайна  тайна жизни, ее вечного воспроизведения и совершенствования. Здесь же спрятаны такие факторы, как причины болезней и смерти, либо прерывающие жизнь, либо делающие ее тра­гической; вирусы многих грозных болезней «легких», таких, как грипп, и страшных - таких, как чума; сложные молекулярные структуры  моле­кулы ДНК, РНК, хранящие вековечный код жизни, воспроизводящие и осуществляющие эту жизнь,  принадлежат к этому миру.

Многие свойства материалов, являющихся основой современной техники и использующихся в повседневной жизни человека и общества в целом, определяются свойствами микроструктур вещества, также относящихся к этому миру.

Таким образом, мир, который открывают нам методы электрон­ной микроскопии, не только многообразен и по своему красочен, но и играет чрезвычайно важную роль в жизни природы и человечества.

5) Микромир – невидимый мир микрообъектов – атомов, электронов, нейтронов, протонов и пр. он не может быть описан понятиями и принципами классической физики, которые в некоторой мере соответствуют наглядным представлениям. Классическая физика признает наличие материи в виде как вещества, так и поля. Но она не допускает существование объектов, обладающих свойствами и поля, и вещества. Подчеркивая кажущуюся противоречивость свойств микрообъектов, у которых корпускулярные и волновые свойства дополняют друг друга, Н.Бор выдвинул принцип дополнительности.

Принцип дополнительности сформулированный Н. Бором – положение, сыгравшее важную роль в становлении квантовой механики, согласно которому получение экспериментальных данных об одних физических величинах, описывающих микрообъект (например, электрон, протон, атом), неизбежно связано с изменением таких данных о величинах, дополнительных к первым. Такими взаимно дополнительными величинами являются, например, координата и импульс частицы. Принцип дополнительности содержится в принципе неопределённостей, математическим выражением которого являются соотношения неопределённостей.

При одном описании или наблюдении за микрочастицей существенно волновое представление, а при другом – она ведет себя как частица. Единая картина синтезирует эти описания. После доказательства волновых свойств электрона и "полного успеха" корпускулярно-волнового дуализма вещества необходимо было подвести теорию к объяснению явлений.

С позиции статистических методов к созданию формализма квантовой механики подошел М.Борн. он показал, что интенсивность шредингеровских волн есть мера вероятности положения частицы в определенном месте. Борн с 1922г. начал работать над теорией атома Бора, сумев собрать в Геттингене одаренных молодых физиков-теорериков из разных стран и воодушевить их на разработку новой, квантовой физики. По воспоминаниям Гейзенберга, именно благодаря Борну Геттинген, славившийся своей математической школой, стал также центром атомной физики.

Границы применимости существуют у каждой теории. Так, классическая механика описывает движение макроскопических тел при скоростях, существенно меньших скорости света. Эти границы выяснились только после создания теории относительности. Тогда была создана релятивистская механика, которая расширила классическую механику Ньютона на случай больших скоростей, и ее область применимости стала шире – ограничения скорости больше нет. Ценность механики ньютона не уменьшилась – для малых по сравнению со скоростью света скоростях тел поправки теории относительности малы. При создании квантовой механики было важно построить новую теорию так, чтобы ее соотношения между ее величинами были аналогичны соотношениям классических величин. Т.е. каждой классической величине нужно было поставить в соответствие квантовую величину, а потом найти соотношение между квантовыми величинами, пользуясь классическими законами. Такие соответствия можно было найти только из операций измерения. В 1923г. Н.Бор сформулировал принцип построения новых теорий в других областях:

Принцип соответствия – новая теория не может быть справедливой, если не будет содержать в качестве предельного случая старую теорию, относящуюся к тем же явлениям, если она уже подтверждена опытом в этой области. Этот принцип отражает диалектику соотношения абсолютной и относительной истин. Смена теорий (относительных истин) есть шаг на пути приближения к абсолютной истине.

Гейзенберг шел от наглядных феноменологических моделей. В 1927г. он при поддержке бора и его школы предложил устранить противоречие "волна – частица", которое он понимал как аналогию. Считая, что "совокупность атомных явлений невозможно непосредственно выразить нашим языком", он предложил отказаться от предоставления о материальной точке, точно локализованной во времени и пространстве. Либо точное положение в пространстве при полной неопределенности во времени, либо наоборот – таково требование квантовых скачков.

6) Ядро атома любого химического состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих электрического заряда нейтронов. Массы нейтрона mn и протона mp в углеродной шкале атомных масс (а. е. М.): mn=1,00865017(37) а. е. м., mp=1,007276470(11) а. е. м. Числа в круглых скобках представляют собой среднеквадратичные погрешности в последних цифрах.

В 1920г. Резерфорд начал облучать азот альфа-частицами, в результате чего он получил ионы водорода с одним зарядом, которые еще в 1914г. Марсден назвал протонами. Позже, в 1921-22 г.г. Резерфорд и Чэдвик облучили бериллий, в результате чего обнаружились частицы с массой протона без заряда, которые Чэдвик назвал нейтронами.

7) Какова роль мутаций и окружающей среды в эволюции живого? Какие мутации бывают? Сравните биомассу поверхности суши, почвы и мирового океана и сделайте выводы.

Мутации – это внезапные скачкообразные и ненаправленные изменения исходной формы с появлением у живых организмов качественно новых наследственных признаков и свойств, которых ранее в природе не существовало. Для эволюции или селекции новых пород и сортов необходимы те редкие особи, которые имеют благоприятные или нейтральные мутации Эволюционное значение мутаций состоит в том, что именно они создают наследственные изменения, являющиеся материалом для естественного отбора в природе. Мутации необходимы также для искусственного отбора особой с новыми, ценными для человека свойствами. Окружающая среда способствовала этому. Она на разных этапах эволюции менялась, что влияло и на эволюцию живого. Окружающая среда приютила живые организмы, когда начался процесс вылазки из водной среды на сушу, предоставляла пищу, менялся состав воздуха, в результате чего происходили различные мутации, приспосабливающие организмы к данным условиям.

Различают несколько типов мутаций – геномные – изменение числа хромосом в геноме клетки; хромосомные – изменение структуры хромосом, которые можно выявить и изучить под световым микроскопом; и генные – изменение нуклеотидной последовательности молекулы ДНК в определенном участке хромосомы.

На поверхности суши Земли подавляющая часть биомассы принадлежит растениям. Она составляет около 90% всей биомассы биосферы и около 97% всей биомассы суши. Общее количество биомассы увеличивается по направлению от полюсов к экватору. Большая биомасса почвы в сочетании с высоким видовым разнообразием обеспечивает сложность почвенных экосистем, разнообразие цепей питания, где наряду с микроорганизмами большое место принадлежит личинкам насекомых и особенно дождевым червям. Многие почвенные бактерии играют важную роль в биосферном круговороте азота. Для экосистем Мирового океана, наоборот, характерна относительно малая биомасса растений, которые представлены в морях исключительно водорослями. Основную массу среди них составляет фитопланктон – микроскопические, обычно одноклеточные водоросли, являющиеся главным продуцентом в Мировом океане. Биомасса животных в Мировом океане приблизительно в 20 раз больше, чем биомасса растений. Общая биомасса Мирового океана примерно в 1000 раз меньше, чем биомасса суши.

8) Вселенная всеобъемлюща, в ней заключено абсолютно все, что есть на свете, - от мельчайших субатомных частиц до сверхскоплений галактик (самых больших из известных ныне объектов). Пределов Вселенной не знает никто, но, по оценкам ученых, в ней, вероятно около 100 млрд. галактик, содержащих в среднем по 100 млрд. звезд.

Самая распространенная точка зрения на возникновение Вселенной – теория Большого взрыва. Согласно этой теории, Вселенная появилась 10 – 20 млрд. лет назад в результате сильнейшего взрыва. Сначала это был огненный шар расширяющегося и остывающего газа. Примерно через миллион лет посоле взрыва газ, видимо, начал собираться в сгустки – протогалактики. Последующие 5 млрд. лет протогалактики все больше уплотнялись, образуя галактики, в которых рождались звезды. Даже сейчас, через миллиарды лет, расширение Вселенной в целом продолжается, хотя в локальных участках объекты удерживаются силами гравитации: например, многие галактики образуют скопления.

Теорию Большого взрыва подтверждает открытие слабого низкотемпературного фонового излучения, идущего равномерно со всех сторон. Считается, что это "отголосок" излучения, вызванного Большим взрывом. Малые колебания температуры фонового излучения свидетельствуют о слабых колебаниях плотности в начале развития Вселенной, приведших к образованию галактик. Астрономы пока не знают "замкнута" ли Вселенная (т.е. не будет ли она снова сжиматься) или "открыта" (и будет расширяться всегда).

В классической науке существовала так называемая теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой Вселенная всегда была почти такой же, как и сейчас. Астрономия была статичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды, создавались их классификации, что было, конечно, очень важно. Но вопрос об эволюции Вселенной не ставился.

Классическая ньютоновская космология явно или неявно принимала следующие постулаты:

Вселенная – всесуществующая, "мир в целом". Космология познает мир таким, как он существует сам по себе, безотносительно к условиям познания.

Пространство и время Вселенной абсолютны, они не зависят от материальных объектов и процессов.

Пространство и время метрически бесконечны.

Пространство и время однородны и изотропны.

Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изменяться могут конкретные космические системы, но не мир в целом.

В ньютоновской космологии возникали два парадокса, связанные с постулатом бесконечности вселенной.

Первый парадокс получил название гравитационного. Суть его заключается в том, что если Вселенная бесконечна и в ней существует бесконечное количество небесных тел, то сила тяготения будет бесконечно большая, и Вселенная должна сколлапсировать, а не существовать вечно.

Второй парадокс называется фотометрическим: если существует бесконечное количество небесных тел, то должно быть бесконечная светимость неба, что не наблюдается.

Эти парадоксы, не разрешимые в рамках ньютоновской космологии, разрешает современная космология, в границах которой было введено представление о расширяющейся и эволюционирующей Вселенной.

Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А.Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свойства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами.

Современная релятивистская космология строит модели Вселенной, отталкиваясь от основного уравнения тяготения, введенного А.Эйнштейном в общей теории относительности. Уравнения тяготения А.Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной. Первая модель была разработана самим А.Эйнштейном в 1917г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности пространства и времени. В соответствии с космологической моделью Вселенной. А.Эйнштейна мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием. Модель А.Эйнштейна носит стационарный характер, поскольку метрика пространства рассматривается как независимая от времени. Время существование Вселенной бесконечно, т.е. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно.

В том же 1917г. Голландский астроном Виллем де Ситтер предложил другую модель, представляющую собой также решение уравнений тяготения. Это решение имело то свойство, что оно существовало бы даже в случае "пустой" Вселенной, свободной от материи. Если же в такой Вселенной появлялись массы, то решение переставало быть стационарным: возникало некоторого рода космическое отталкивание между массами, стремящееся удалить их друг от друга и растворить всю систему. Тенденция к расширению, по В. Де Ситтеру, становилась заметной лишь на очень больших расстояниях.

В 1922г. Русский математик и геофизик А.А.Фридман отбросил постулат классической космологии о стационарной Вселенной и получил решение уравнений Эйнштейна, описывающее Вселенную с "расширяющимся" пространством.

Решение уравнений А.А.Фридмана допускает три возможности. Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине, мировое пространство оказывается евклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния. Если плотность меньше критической, пространство обладает геометрией Лобачевского и также неограниченно расширяется. И наконец, если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния.