40

Оглавления

1. Практические задачи…………………………………………………………...3

1.1 Задание 1,2…………………………………………………………………….3

1.2 Задание 2,2…………………………………………………………………….6

1.3 Задание 3,2…………………………………………………………………….7

1.4 Задание 4,2…………………………………………………………………...12

1.5 Задание 5,2…………………………………………………………………...17

1.6 Задание 6,2…………………………………………………………………...20

1.7 Задание 7,2…………………………………………………………………...22

1.8 Задание 8,2…………………………………………………………………...26

1.9 Задание 9,2…………………………………………………………………...29

1.10 Задание 10,2………………………………………………………………...34

2. Тестовое задание………………………………………………………………38

Библиографический список……………………………………………………..40

1.2. Покажите последовательным выводом, что закон сохранения импульса в классической механике органично связан с основным законом динамики Ньютона. На какое расстояние сместится неподвижная лодка (длиной 5 м и массой 280 кг), если человек (массой 70 кг) перейдет с ее носа на корму? Сопротивлением воды пренебречь. Как этот закон сохранения связан со свойствами симметрии пространства-времени?

В динамике Ньютона масса не меняется с изменением скорости. При движении со скоростями, много меньшими, чем скорость света, это выполняется. Так как произведение массы на скорость есть импульс Р, второй закон может быть переформулирован (и этим пользовался сам Ньютон) — сила равна изменению импульса в единицу времени; в изолированной системе импульс не меняется (сохраняется).

Понятиями момент силы и момент импульса пользуются при изучении вращений тел. Они определены через операцию, называемую векторным произведением.

Момент силы есть векторное произведение: М = [rF]. Момент импульса тела определяется выражением: L = [r, mv]. При отсутствии действия внешних сил (система изолирована) действует закон сохранения импульса для поступательного движения и момента импульса — для вращательного. Момент силы и момент импульса связаны по второму закону Ньютона: М = dL/dt.

Дано: .

Найти

Решение: За положительное направление выберем направление движения человека. В этом направлении никаких внешних сил не действует, поэтому импульс должен сохраняться. , где - скорость человека относительно неподвижной воды, , - скорость человека относительно лодки, - скорость лодки относительно воды. Проектируя на выбранное направление:

. Тогда , . Человек движется по лодке в течение времени , за которое лодка сместится на расстояние .

Ответ: .

Одной из важнейших особенностей геометрических симметрий является их связь с законами сохранения. Значение законов сохранения (законы сохранения импульса, энергии, заряда и др.) для науки трудно переоценить. Дело в том, что понятие симметрии применимо к любому объекту, в том числе и к физическому закону. Вспомним, что согласно принципу относительности Эйнштейна, все физические законы имеют одинаковый вид в любых инерциальных системах отсчета. Это означает, что они симметричны (инвариантны) относительно перехода от одной инерциальной системы к другой.

Наиболее общий подход к взаимосвязи симметрий и законов сохранения содержится в знаменитой теореме Э.Нетер. В 1918 г., работая в составе группы по проблемам теории относительности, доказала теорему, упрощенная формулировка которой гласит: если свойства системы не меняются относительно какого-либо преобразования переменных, то этому соответствует некоторый закон сохранения. Рассмотрим переходы от одной инерциальной системы к другой. Поскольку есть разные способы таких переходов, то, следовательно, есть различные виды симметрии, каждому из которых, согласно теореме Нетер, должен соответствовать закон сохранения.

Важно отметить, что физические законы не являются симметричными относительно вращающихся систем отсчета. Вращение замкнутой системы отсчета можно обнаружить по действию центробежных сил, изменения плоскости качания маятника и др. Кроме того, физические законы не являются симметричными и относительно масштабных преобразований систем – т.н. преобразований подобия. Поэтому законы макромира нельзя автоматически переносить на микромир и мегамир.

Все законы Природы относительно них инвариантны с большой степенью точности, а соответствующие им законы являются фундаментальными. К этим законам относятся соответственно:

1. Закон сохранения импульса как следствие однородности пространства.

2. Закон сохранения момента импульса как следствие изотропности пространства.

3. Закон сохранения энергии как следствие однородности времени.

4. Закон сохранения скорости центра масс (следствие изотропности пространства-времени).

В 1918 г. немецкий математик Э.Нетер доказала теорему о том, что с симметриями связаны законы сохранения. С однородностью времени оказался связан закон сохранения энергии, с однородностью пространства — закон сохранения импульса, с изотропией — закон сохранения момента импульса. И эти законы сохранения потому и стали великими, что связаны и определяются свойствами симметрии пространства и времени. На фундаментальный характер свойств симметрии обратил внимание еще И. Кеплер в своем труде «О гармонии мира», опубликованном в 1619 г.

2.2. Назовите планеты, видимые простым глазом, по порядку удаления от Солнца. Каковы? Оцените по законам движения планет, на каком среднем расстоянии от Солнца находится планета Юпитер, если его период обращения составляет почти 12 земных лет?

Планеты, видимые простым глазом: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн

Орбиты планет - пути в пространстве, по которым планеты обращаются вокруг Солнца; их формы близки к круговым а плоскости близки к плоскости эклиптики за исключением мало массивных тел

Дано: .

Найти

Решение: По третьему закону Кеплера , где T₁ и T₂ - периоды обращения двух планет вокруг Солнца, а a₁ и a₂ - длины больших полуосей их орбит. Отсюда , тогда .

Ответ: .

3.2. В чем суть отличий экспериментального метода от наблюдений? Приведите пример, показывающий, как из результатов процесса измерений можно получить закон естествознания. Где на Земле можно наиболее приблизиться к центру Земли? Как были впервые измерены размеры Земли, Луны, Солнца?

Наблюдения еще не связаны с какой-либо теорией, но формулировка вопросов вызвана какой-то проблемной ситуацией. Наблюдение предполагает наличие определенной программы исследования, какой-то пробной гипотезы, подвергаемой анализу и проверке. На наблюдениях и аналогиях строилась натурфилософия. Наблюдения и ныне — начальный источник информации, целенаправленный процесс восприятия предметов или явлений. Они используются там, где нельзя поставить прямой эксперимент, например в вулканологии или космологии. Каждая наука использует свои методы познания мира в зависимости от характера решаемых задач. Сначала на опытной стадии за систематическими наблюдениями следует специально поставленный эксперимент, в котором производятся измерения. Сравнение и измерение — частные случаи наблюдения.

Эксперимент, поставленный вслед за наблюдениями, уже выделяет интересующее явление среди других; предполагает опытное определение параметров исследуемых явлений или объектов. Галилей проверял гипотезы экспериментом, производил измерения и обрабатывал результаты математически. Измерения позволяют поставить физическим величинам в соответствие некоторые числа. С той поры, названной Новым временем, измерения проводятся более точно, их результаты обрабатываются специальными вычислительными приемами, да и сами эксперименты усложнились технически. И многие науки изменили свой облик.

Из предварительной гипотезы путем логики выводят следствия, которые и проверяют с помощью наблюдений и экспериментов. Но все измерения проводятся с определенной точностью, и, как выяснилось в XX в. при изучении микромира, не всегда ее можно повысить и не всегда условия эксперимента можно точно повторить. Меняется и понятие средней величины. Если над телами сложно или невозможно провести эксперимент, все чаще пользуются косвенными экспериментами.

Возможность манипулирования переменными - одно из важных преимуществ экспериментатора перед наблюдателем. Основное достоинство метода эксперимента - в том, что можно специально вызвать какой-то психический процесс, проследить зависимость психического явления от изменяемых внешних условий.

Основная масса эмпирических фактов получена экспериментальным путем. Но метод эксперимент применим не во всякой исследовательской задаче. Так, затруднительно экспериментальное исследование характера и сложных способностей. Недостатки эксперимента оказываются обратной стороной его преимуществ. Весьма сложно организовать эксперимент так, чтобы испытуемый не знал о том, что он испытуемый. Если это не удается, то более чем вероятны скованность испытуемого, сознательная или бессознательная тревога, боязнь оценки и пр. Для обеспечения скрытности процесса естественного эксперимента, его нельзя проводить многократно и ограничиваются возможности использования аппаратуры, что является также негативной стороной данного метода.

Вращение земли создаёт экваториальную выпуклость, поэтому экваториальный диаметр на 43 км больше, чем диаметр между полюсами планеты. Высшей точкой твёрдой поверхности Земли является гора Эверест (8 848 м над уровнем моря), а глубочайшей — Марианская впадина (11 022 м под уровнем моря). Поэтому, по сравнению с идеальным эллипсоидом, Земля имеет допуск в пределах 0,17 % (1/584), что меньше 0,22 % — допустимого допуска для бильярдного шара. Из-за выпуклости экватора, самой удалённой точкой поверхности от центра Земли фактически является вершина вулкана Чимборасо в Эквадоре.

Размеры Земли оценил удивительно точно Эратосфен еще во II в. до н. э., измерив угловое отклонение Солнца от зенита в Александрии в 7°30', тогда как в Сиене (современный Асуан) оно было в зените. При этом 7°30' составили такую долю от 360°, какую составляет расстояние 800 км между городами от полной длины окружности Земли. Так он получил эту длину — 40 000 км, сейчас 40075,696 км (рис. 1). Поскольку она равна 2πR, определил радиус Земли в 6400 км (в геодезии этот метод называется методом периангуляции).

Имея пропорции, можно построить и примерную схему Солнечной системы. Для получения абсолютных значений расстояний в ней нужно знать радиус орбиты хотя бы одной планеты. Его можно определить с помощью радара. Сейчас все расстояния определены достаточно точно и разными методами. При радиолокационном методе на исследуемый объект посылают мощный кратковременный электромагнитный импульс, а затем принимают отраженный сигнал. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме с = 299 792 458 м/с. Если точно измерить время, которое потребовалось сигналу, чтобы дойти до объекта и обратно, то легко вычислить искомое расстояние. Радиолокационные наблюдения позволяют с большой точностью определить расстояния до небесных тел Солнечной системы. Этим методом уточнены расстояния до Луны, Венеры, Меркурия, Марса, Юпитера.

Рис. 1. Определение размеров земли по Эратосфену

Третий закон движения планет Кеплера (1618) гласит: отношение кубов больших полуосей орбит двух планет Солнечной системы равно отношению квадратов периодов их обращения вокруг Солнца. Этот закон позволил оценить размеры Солнечной системы. Для круговых орбит это означало, что

По форме Солнце близко к идеальной сфере с диаметром 1392000 км. Оно вмещает в себя орбиту Луны, и еще остается много места. Фактически более миллиона таких планет как Земля свободно поместились бы внутри Солнца. Кроме того, если бы вы смогли вести машину по его поверхности со скоростью 88 км/ч, у вас бы ушло 5 с половиной лет, чтобы объехать Солнце один раз (притом не останавливаясь). Но размер Солнца не постоянен. Современные исследования показывают, что диаметр Солнца уменьшается приблизительно на 1 метр в час. Если этот феномен проходил и в прошлом столетии, тогда Солнце, которое мы видим сейчас на 800 км меньше, чем то, которое видели наши предки. Возможно, это солнечное сжатие является частью долговременного колебания, которое помогает стабилизировать громадный выброс энергии

Аристарх Самосский впервые в истории науки пытался установить расстояния до Луны и Солнца и их размеры. Аристарх использовал научный метод, основанный на наблюдении лунных фаз и солнечных и лунных затмений. Его построения основаны на предположении, что Луна имеет форму шара и заимствует свет от Солнца. Следовательно, если Луна находится в квадратуре, то есть выглядит рассечённой пополам, то угол Земля-Луна-Солнце является прямым.

Аристарх привлёк некоторые сведения о солнечных затмениях: чётко представляя себе, что они происходят тогда, когда Луна загораживает от нас Солнце, Аристарх указал, что угловые размеры обоих светил на небе примерно одинаковы. Следовательно, Солнце во столько же раз больше Луны, во сколько раз дальше, то есть (по данным Аристарха), отношение радиусов Солнца и Луны примерно составляет 20.

Следующим шагом было измерение отношения размеров Солнца и Луны к размеру Земли. На этот раз Аристарх привлекает анализ лунных затмений. Причина затмений ему совершенно ясна: они происходят тогда, когда Луна попадает в конус земной тени. По его оценкам, в районе лунной орбиты ширина этого конуса в 2 раза больше диаметра Луны. Зная это значение, Аристарх с помощью довольно остроумных построений и выведенного ранее отношения размеров Солнца и Луны заключает, что отношение радиусов Солнца и Земли составляет больше чем 19 к 3, но меньше, чем 43 к 6. Был оценён также радиус Луны: по Аристарху, он примерно в три раза меньше радиуса Земли, что не так уж и далеко от правильного значения (3/11 радиуса Земли, всего на 6 % меньше значения Аристарха).

4.2. Какова специфика микромира по сравнению с изучением мега- и макромира? Как описывается состояние объекта микромира? Поясните суть принципа соответствия. Определите, можно ли по следу, оставленному электроном на фотопластинке в камере Вильсона, шириной 1 мкм обнаружить отклонение в движении этого электрона от законов классической механики (кинетическая энергия электрона равна 1,5 кэВ).

Микромир - мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых объектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10^-8 до 10^-16 см, а время жизни - от бесконечности до 10^-24 с. Мегамир — мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов - миллионами и миллиардами лет. Макромир — мир объектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах, метрах и километрах, а время — в секундах, минутах, часах, годах.

В повседневной жизни имеется два способа переноса энергии в пространстве — посредством частиц или волн. Чтобы, скажем, скинуть со стола костяшку домино, балансирующую на его краю, можно придать ей необходимую энергию двумя способами. Во-первых, можно бросить в нее другую костяшку домино (то есть передать точечный импульс с помощью частицы). Во-вторых, можно построить в ряд стоящие костяшки домино, по цепочке ведущие к той, что стоит на краю стола, и уронить первую на вторую: в этом случае импульс передастся по цепочке — вторая костяшка завалит третью, третья четвертую и так далее. Это — волновой принцип передачи энергии. В обыденной жизни между двумя механизмами передачи энергии видимых противоречий не наблюдается. Так, баскетбольный мяч — это частица, а звук — это волна, и всё ясно.

Однако в квантовой механике всё обстоит отнюдь не так просто. Даже из простейших опытов с квантовыми объектами очень скоро становится понятно, что в микромире привычные нам принципы и законы макромира не действуют. Свет, который мы привыкли считать волной, порой ведет себя так, будто состоит из потока частиц (фотонов), а элементарные частицы, такие как электрон или даже массивный протон, нередко проявляют свойства волны.

Принцип дополнительности — простая констатация этого факта. Согласно этому принципу, если мы измеряем свойства квантового объекта как частицы, мы видим, что он ведет себя как частица. Если же мы измеряем его волновые свойства, для нас он ведет себя как волна. Оба представления отнюдь не противоречат друг другу — они именно дополняют одно другое, что и отражено в названии принципа.

Философия науки выиграла от такого корпускулярно-волнового дуализма несопоставимо больше, чем было бы возможно при его отсутствии и строгом разграничения явлений на корпускулярные и волновые. Сегодня совершенно очевидно, что объекты микромира ведут себя принципиально иным образом, нежели объекты привычного нам макромира. Но почему? На каких скрижалях это записано? И, подобно тому как средневековые натурфилософы мучительно пытались понять, является ли полет стрелы «свободным» или «вынужденным», так и современные философы бьются над разрешением квантово-волнового дуализма. На самом же деле и электроны, и фотоны представляют собой не волны и не частицы, а нечто совершенно особенное по своей внутренней природе — и потому не поддающееся описанию в терминах нашего повседневного опыта. Если же и дальше пытаться втиснуть их поведение в рамки знакомых нам парадигм, неизбежны всё новые парадоксы. Так что главный вывод здесь состоит в том, что наблюдаемый нами дуализм порожден не присущими квантовым объектам свойствами, а несовершенством категорий, которыми мы мыслим.

В мире квантовой механики, где всё определяют принцип неопределенности Гейзенберга и уравнение Шрёдингера, картина происходящего кардинально отличается от привычного нам мира классической механики, где действуют законы движения Ньютона. Однако же наш макроскопический мир соткан из микроскопических атомов, и законы макро- и микромира не могут не быть увязаны между собой. Впервые принцип соответствия законов микро- и макромира был озвучен датским физиком-теоретиком Нильсом Бором, и за иллюстрацией для лучшего понимания этого принципа лучше всего обратиться к упрощенной модели атома, которую также впервые представил миру этот же ученый.

В атоме Бора электроны могут находиться только на «разрешенных» орбитах. Орбиты выстраиваются по главным квантовым числам. Ближайшая к ядру орбита имеет главное квантовое число, равное 1, следующая — 2 и т. д. Чем выше квантовое число электронной орбиты, тем дальше она удалена от ядра. По контрасту — в классическом ядре, предсказываемом ньютоновской механикой, электроны могут обращаться вокруг ядра по произвольным орбитам, находящимся от ядра на любом удалении (это, собственно, и могло бы происходить, не принимай мы во внимание квантовые эффекты).

Теперь, хотя физический радиус орбит и увеличивается неуклонно по мере возрастания главного квантового числа, кинетическая энергия электронов на этих орбитах увеличивается отнюдь не пропорционально расширению орбит, а снижающимися темпами, причем имеется верхний предел энергии удержания электронов на орбите вокруг ядра, который принято называть энергией срыва или энергией ионизации. Разогнавшись до такой энергии, электрон, теоретически, оказывается на орбите бесконечного радиуса, то есть, иными словами, превращается в свободный электрон и высвобождается из ионизированного атома. Между этим крайним пределом энергии высвобождения электрона и другим крайним пределом энергии нахождения электрона на первой к ядру орбите имеется счетный (но бесконечный) ряд допустимых дискретных энергетических состояний, в которых может находиться удерживаемый ядром электрон, причем, согласно законам квантовой механики, на достаточно удаленных от ядра расстояниях допустимые орбиты электронов начинают накладываться одна на другую. Происходит это в силу того, что допустимая энергия электрона на определенной орбите (и радиус этой орбиты, как следствие) определяется не точным квантовым числом, а, в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга, размыто — то есть, мы имеем лишь распределение вероятностей нахождения электрона на одной из соседних орбит. Здесь и начинается «стирание различий» между квантовомеханической моделью атома, где электрон может находиться лишь в фиксированных энергетических состояниях, поглощать и испускать энергию фиксированными порциями (квантами) и, соответственно, обитать на строго определенных орбитах, и классической моделью атома, где электрон обладает произвольной энергией и движется по произвольным орбитам. Иными словами, на больших удалениях от ядра атом начинает представлять собой классическую систему, подчиняющуюся законам механики Ньютона. Это, пожалуй, самый иллюстративный пример принципа соответствия в действии.

Принцип соответствия вступает в силу на нечеткой границе между квантовой и классической механикой и еще раз демонстрирует нам, что в природе нет явных границ между явлениями, как нет и четкого разграничения между теоретическими описаниями природных явлений. И еще он демонстрирует нам то, о чем уже говорилось во Введении относительно тенденций развития теоретической науки. Квантовая механика, например, отнюдь не отменяет и не подменяет собой классическую механику Ньютона, а лишь представляет собой предельный случай при переходе явлений в масштабы микромира. Вообще, естественнонаучные теории вырастают одна из другой по мере расширения наших ранее накопленных знаний подобно новым свежим побегам на древе познания окружающего мира.

Дано: .

Найти

Решение: Неопределенность координаты и импульса электрона связаны соотношением , где – неопределенность координаты электрона; – неопределенность его импульса.

Физически разумная неопределенность импульса не должна превышать значения самого импульса р, т.е. . Импульс р связан с кинетической энергией Т соотношением .

Заменим значением . Переходя от неравенства к равенству, получим . Отсюда .

Так как , то обнаружить отклонение в движении этого электрона от законов классической механики нельзя.

Ответ: нет.

5.2. Что такое «термодинамическая система»? Как по теплоемкости можно судить о внутренней структуре вещества? Чем отличается термодинамический подход от статистического подхода? Проанализируйте связь между ними на примере понятия «температура». Определите температуру идеального газа, если средняя кинетическая энергия поступательного движения его молекул равна 7,87·10^-21 Дж.

Термодинамическая система — это некая физическая система, состоящая из большого количества частиц, способная обмениваться с окружающей средой энергией и веществом. Так же обычно полагается, что такая система подчиняется статистическим закономерностям. Для термодинамических систем справедливы законы термодинамики. Термодинамическая система, объект изучения термодинамики, совокупность физ. тел, которые могут взаимодействовать энергетически между собой и с другими телами, а также обмениваться с ними веществом. Термодинамические системы состоят из столь большого числа частиц, что их состояние можно характеризовать макроскопическими параметрами: плотностью, давлением, концентрацией разных веществ, образующих термодинамических систем и т. д. Термодинамическая система находится в равновесии, если параметры системы с течением времени не меняются и в системе нет каких-либо стационарных потоков (теплоты, вещества и др.). Для равновесных термодинамических систем вводится понятие температуры как параметра состояния, имеющего одинаковое значение для всех макроскопических частей системы. Свойства термодинамических систем, находящихся в термодинамическом равновесии, изучает термодинамика равновесных процессов (термостатика); свойства неравновесных систем — термодинамика неравновесных процессов. В термодинамике рассматривают закрытые термодинамические системы, не обменивающиеся веществом с др. системами; открытые системы, в которых происходит обмен веществом и энергией с др. системами; адиабатные термодинамические системы, в которых отсутствует теплообмен с др. системами; наконец, изолированные термодинамические системы, не обменивающиеся с др. системами ни энергией, ни веществом.

Статистический метод, используемый и развитый в молекулярной физике, состоит в изучении совокупностей большого числа частиц, участвующих в тепловом движении и образующих физические тела, находящиеся в различных агрегатных состояниях. Законы поведения совокупностей большого числа частиц, исследуемых статистическими методами, называются статистическими закономерностями. Математическим аппаратом метода является теория случайных величин и процессов. То есть статистический метод является методом исследования систем, состоящих из большого количества частиц, и использующий статистические закономерности и средние значения физических величин, характеризующих всю совокупность частиц.

Статистический подход является по сути молекулярно-кинетической теорией, основанной на определенных представлениях о строении вещества. Задачей статистической механики является установление законов поведения макроскопических систем, состоящих из большого числа частиц, на основе известных динамических законов поведения отдельных частиц. При этом статистическая механика дает возможность установить связь между макроскопическими параметрами большой системы и средними значениями микроскопических величин, характеризующих отдельные молекулы. Так как макроскопические параметры системы зависят от движения молекул, задачей статистической физики заключается в том, чтобы выразить свойства системы в целом через характеристики отдельных молекул.

Термодинамический метод исследования систем, состоящих из большого числа частиц, отличается от статистического тем, что оперирует величинами, характеризующими систему в целом, такими как, например, температура и давление. Термодинамические методы не рассматривают процессы, происходящие на микроуровне.

Термодинамический метод исследования систем, состоящих из большого числа структурных элементов, строится на основе применения к системам нескольких принципов, гипотез, аксиом, которые либо являются обобщением опыта, либо их применение не противоречит ему. Термодинамика представляет собой феноменологическую теорию, основанную на небольшом числе установленных законов, таких, как, например, закон сохранения энергии. В методе не рассматривают микроструктуру систем и механизм совершающихся в них микропроцессов. Основные понятия термодинамики вводятся на основе физического эксперимента, при этом связь между различными макроскопическими параметрами устанавливается опытным путем. Поэтому результаты и методы термодинамики могут быть применимы для любых систем без конкретизации деталей их устройств. Термодинамический подход дает возможность решать конкретные задачи, не имея сведений о свойствах атомов или молекул.

Задача.

Дано: .

Найти

Решение: Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы не зависит от её природы и пропорциональна абсолютной температуре газа T, т.е. , отсюда , т.е. .

Ответ: .

6.2. В каких явлениях проявляются волновые свойства света? Какое явление показывает, что свет - поперечная волна? Как было показано, что свет есть электромагнитная волна? Если при отражении от горизонтальной поверхности озера солнечным луч оказался плоско-поляризованным, то какова была высота Солнца над горизонтом?

Свет  - это то же, что и видимое излучение, т. е. электромагнитные волны в интервале частот, воспринимаемых человеческим глазом (7,5·10¹⁴—4,3·10¹⁴ гц, что соответствует длинам волн в вакууме от 400 до 700 нм). С. очень высокой интенсивности глаз воспринимает в несколько более широком диапазоне частот. Зависимость чувствительности среднего человеческого глаза к свету от частоты света (спектральная чувствительность глаза) характеризуется функцией спектральной световой эффективности (т. н. кривой видности глаза). Эта функция лежит в основе всех светотехнических расчётов. Различие в частоте (или совокупности частот) световых волн в общем — но не в каждом отдельном — случае воспринимается человеком как различие в цвете.

По Ньютону, «каждый луч света имеет противоположные стороны, одни – наделенные неким свойством, от которого зависит необыкновенное преломление, и другие, не обладающие этим свойством». Для Гука свет – быстрое колебательное движение, причем он распространяется с одинаковой скоростью в однородной среде. В последствии спустя два столетия был признан принцип Гюйгенса – Любая точка, до которой дошло волновое возбуждение, является центром вторичных элементарных сферических волн.

Волновая теория должна объяснить и явление интерференции. Т. Юнг, поставив опыт с двумя щелями (1807), заключил, что две волны могут интерферировать, если они когерентны, и показал, что все части фронта волны, выходящей из малого отверстия, можно рассматривать как почти когерентные. Исследованием интерференции поляризованных волн занялись Френель с Араго. Они установили, что два луча, поляризованные в параллельных плоскостях, интерферируют, а в перпендикулярных — нет. Аналогии с акустикой тут не могло быть. Френель предположил, что световые волны поперечны, так как явление поляризации свойственно лишь поперечным волнам. Но тогда тончайший и невесомый эфир должен быть твердым, так как поперечные волны распространяются лишь в твердых телах. Гипотеза была столь смелой, что Араго отказался подписаться под статьей, в которой она излагалась. И Френель один строил теорию.

Свет меняет свою поляризации при его падении под прямым углом на четвертьволновую пластинку, следовательно, Солнце находилось под углом 90⁰ относительно горизонта.

7.2.Докажите, что естественный отбор является направляющим фактором эволюции. Против какого аллеля – доминантного или рецессивного – выше эффективность отбора? Какая форма изменчивости дает исходный материал для естественного отбора в природе. Сопоставьте понятия «популяция» и «вид». Почему именно популяция является в современной теории эволюции основной единицей эволюции?

Движущие силы эволюции видов в природе — наследственная изменчивость и естественный отбор. Наследственная изменчивость дает материал для эволюции, а естественный отбор определяет, насколько полезен возникший из-за мутаций признак. По Дарвину, основа естественного отбора — борьба за существование. Это может быть борьба внутривидовая — за воду и свет, за лучшие участки и доступ к водоему и др.; межвидовая — между хищниками и грызунами на одной территории; борьба с неблагоприятными условиями среды. И все новые признаки, возникающие в результате наследственной изменчивости, проверяются естественным отбором. Доказательством существования отбора он считал тот факт, что каждая пара организмов дает больше потомков, чем их дорастет до взрослого состояния. В борьбе за существование выживают те, которые смогли передать своим потомкам набор признаков, обеспечивающий им лучшую приспособляемость, которая выражается в строении организмов, поведении и т.д. Но она носит относительный характер, помогая выживать только в условиях, в которых сформировалась.

Так, осетр мечет 2 млн икринок, а доживают до взрослых рыб — единицы. Вблизи промышленных предприятий темноокрашенные особи как менее заметные вытеснили светлоокрашенных. Некоторые животные выработали окраску, которая делает их похожими на опасные виды, чтобы защититься от нападения хищников. Особенности формы дельфина позволяет ему развивать скорость до 40 км/ч. Стриж имеет длинные узкие крылья, помогающие ему прекрасно летать, но не позволяющие взлетать с ровных поверхностей и, если ему не с чего спрыгнуть, он погибает.

Под действие отбора могут попасть и отдельные особи, и целые популяции. Он определяет направление эволюции, собирая и интегрируя многочисленные случайные отклонения, сохраняя не признаки, а комплекс признаков или фенотипы, т. е. определенные комбинации генов, свойственных организму. Выделяют несколько форм отбора.

Движущий отбор проявляется при изменении условий существования вида. Его давление направлено в пользу особей, имеющих отклонение определенного признака от нормы. Происходит сдвиг общей нормы и возникает новая. Дивергенция между старой и новой нормами ведет к видообразованию. Движущий отбор лежит в основе появления популяций насекомых, устойчивых к определенному яду. Эти особи приобретают преимущества при размножении, и их потомки занимают места умерших насекомых, которые не обладали этим признаком. Таким путем исчезли и многие органы, не используемые несколькими сотнями поколений.

Стабилизирующий отбор действует в почти неизменных условиях существования. Он оказывает давление в пользу особей, имеющих средние значения какого-то признака. В результате происходит их укрепление, предохранение от разрушающего действия мутаций. И в местностях, где условия жизни не менялись, сохранились древние виды, вымершие в других местах. Например, сохранился реликтовый таракан, голосеменное растение гинкго, кистеперая рыба латимерия.

Разрывающий отбор действует при изменении условий существования, его давление направлено в пользу организмов, имеющих отклонения от нормы в обе стороны. И формируется новая норма реакции. Так, на островах, где сильны ветры, мухи с нормальными крыльями сдуваются и гибнут. Преимущество у мух или с недоразвитыми крыльями (они ползают), или с длинными крыльями (они хорошо летают и оказывают сопротивление ветру).

Популяция (позднелат. populatio, от лат. populus — народ, население) в генетике, экологии и эволюционном учении, совокупность особей одного вида, более или менее длительно занимающая определённое пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений; особи одной П. имеют большую вероятность скрещиваться друг с другом, чем с особями других П.; это связано с тем, что данная совокупность особей отделена от других таких же совокупностей особей той или иной степенью давления различных форм изоляции. Основной характеристикой П., определяющей её центральное положение как элементарной единицы эволюционного процесса, является её генетическое единство: в пределах П. в той или иной степени осуществляется панмиксия. Вместе с тем особям, составляющим П., присуща генетическая гетерогенность (в пределах единого генофонда П.), определяющая приспособленность П. к различным условиям среды обитания и создающая столь важный для эволюции резерв наследственной изменчивости. Вследствие генетической и морфофизиологической неравноценности особей, неоднородности окружающей среды П. имеет сложную структуру: особи различаются по полу и возрасту, принадлежности к разным, обычно перекрещивающимся поколениям, к разным фазам жизненного цикла, к тем или иным малоустойчивым группировкам внутри П. (стадо, колония, семья и т.п.).

Вид (species), основная структурная единица в системе живых организмов, качественный этап их эволюции. Вследствие этого В. — основное таксономическое подразделение в систематике животных, растений и микроорганизмов. У половых, перекрёстно оплодотворяющихся организмов, к которым относятся почти все животные, значительная часть растений и ряд микроорганизмов, В. — совокупность популяций особей, способных к скрещиванию с образованием плодовитого потомства и вследствие этого дающих переходные гибридные популяции между местными формами, населяющих определённый ареал (территорию, акваторию), обладающих рядом общих морфо-физиологических признаков и типов взаимоотношений с абиотичной (косной) и биотичной (живой) средой, отделённых от др. таких же групп особей практически полной нескрещиваемостью в природных условиях.

8.2. Как можно менять направление химических реакций? Может ли вызвать смещение равновесия изменение температуры, если реакция происходит без тепловых эффектов? Поясните принцип Ле Шаталье. При определенных условиях реакция хлорводорода с кислородом является обратимой: 4HCl(г) +O₂(г)  2Cl₂(г) + 2H₂O. Какое влияние на равновесное состояние системы окажут: а) увеличение давления; б) повышение температуры; в) введение катализатора?

Управление химическими процессами составляет одну из основных научных проблем в этой области знаний. Дело в том, что большинство химических реакций развивается стихийно, и поэтому они трудноуправляемы. В частности, некоторые из них протекают неоднозначным образом, реализуя тот или иной вариант развития процесса и создавая при этом множество побочных продуктов. Другие, например реакции горения и взрыва, невозможно или очень трудно остановить. Наконец, определенные в принципе возможные реакции пока не удается осуществить.

Для многих химических реакций характерна обратимость, т. е. они могут протекать в обратном направлении с образованием исходных продуктов.

В зависимости от природы реагентов и условий протекания равновесие между прямой и обратной реакциями может смещаться в одну или другую сторону. Реакции, у которых равновесие смещено в прямом направлении, т. е. в сторону образования целевых продуктов, не нуждаются в специальном управлении. Однако известно значительное количество реакций, у которых равновесие смещено в обратном направлении. Для получения целевых продуктов такими реакциями необходимо управлять. Во многих случаях требуемый результат достигается применением термодинамических методов, т. е. проведением реакций при повышенных температуре, давлении и концентрации реагирующих веществ.

Возможность протекания реакций химических и их направление может определяться как термодинамическими факторами (значениями энтропии и DG), так и кинетическими (энергией активации, величиной предэкспоненциального множителя в Аррениуса уравнении) - соответственно термодинамический и кинетический контроль реакции.

Ле Шателье выдвинул принцип подвижного равновесия (1884). Сейчас его формулируют так: внешнее воздействие, которое выводит систему из состояния термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, направленные на ослабление результатов такого влияния. Появилась возможность смещать равновесие в сторону образования продуктов реакции через изменение температуры, давления и концентрации реагентов. Эти методы назвали термодинамическими.

Принцип Ле Шателье—Брауна означает, что система, выведенная внешним воздействием из состояния с минимальным производством энтропии, стимулирует развитие процессов, направленных на ослабление внешнего воздействия. В самом деле, внешнее воздействие меняет фиксированные термодинамические силы (градиент температур, например), система откликнется на это воздействие изменением потока, связанного с этой силой (потока энергии). Вторая нефиксированная сила (например, градиент концентраций) может испытывать флуктуации. Они увеличат производство энтропии по отношению к ее минимуму в стационарном состоянии. В результате система будет эволюционировать в новое стационарное состояние, в котором изменение потока энергии будет меньше первоначального. В 80-е гг. XX в. принцип был обобщен профессором МГУ Е. В. Ступоченко.

В стационарных неустойчивых состояниях, когда фиксирована одна из термодинамических сил, вторая может испытывать флуктуации. Производство энтропии возрастет, и система может выйти из стационарного состояния. Однако в силу самопроизвольного стремления в состояние с наименьшим производством энтропии она может вновь перейти в стационарное состояние.

а) Рассчитаем количества вещества исходных соединений и образовавшихся продуктов, поскольку все вещества в системе - газы, то их мольные соотношения равны коэффициентам в уравнении реакции: . Поскольку произошло уменьшение объемов газов, то при увеличении давления .

б) Определим какой является реакция по тепловому эффекту: , т.е. - реакция экзотермическая. При повышении температуры экзотермической реакции .

в) Катализатор не влияет на состояние химического равновесия.

9.2. Какие процессы на Солнце связаны с явлениями на Земле? Как распределяется на Земле солнечная энергия? Насколько можно считать Землю тепловой машиной? Почему Земля не перегревается, хотя непрерывно получает энергию от Солнца?

Солнце — рядовая звезда нашей Галактики, горячий шар из плазмы. Его когда-то считали твердым шаром и даже пригодным для жизни. Радиус Солнца 6966000 км, масса 1,99 • 10³⁰ кг, средняя плотность 1,41 кг/м³. Его возраст оценивается в 4,6 млрд лет, как и у всех тел Солнечной системы. Для Земли Солнце — ближайшая звезда, источник жизни. Среднее расстояние от Земли до Солнца 149,6 млн км или 1 а. е. Земля вращается, как и другие планеты, по эллиптической орбите, ее расстояние зимой меньше на 2,5 млн км, а в июле — на столько же больше. Мощность, излучаемая Солнцем, составляет 3,86 • 10⁴⁰ Дж/с, или 3,86 • 10²⁰ МВт, из которой до Земли доходит только одна двухмиллиардная часть. Эффективная температура поверхности Солнца равна 5806 К, оно относится к спектральному классу желтых карликов.

Солнечная активность, совокупность явлений, наблюдаемых на Солнце и связанных с образованием солнечных пятен, факелов, флоккулов, волокон, протуберанцев, возникновением солнечных вспышек, возмущений в солнечной короне, увеличением ультрафиолетового, рентгеновского и корпускулярного излучения и др. Активные образования наблюдаются обычно на ограниченном участке поверхности Солнца — в т. н. активной области Солнца, которая существует от нескольких дней до нескольких месяцев. При зарождении активной области появляются флоккулы (увеличивается яркость в линиях поглощения водорода и ионизованного кальция), а спустя некоторое время (обычно нескольких дней) возникают мелкие пятна. Постепенно количество пятен и их величина возрастают, растет интенсивность и др. проявлений С. а. Избыток излучения в линиях водорода и кальция, характеризующий активную область, сильно увеличивается во время солнечных вспышек. Солнечные вспышки возникают вблизи развивающихся или распадающихся групп пятен и проявляются как внезапное появление эмиссии в сильных линиях поглощения (линии водорода Н_, Н_; линии Н и К ионизованного кальция и др.) и увеличение интенсивности ультрафиолетового и рентгеновского излучения и корпускулярного потока. Повышается также уровень излучения в радиодиапазоне. Слабые вспышки наблюдаются в больших группах пятен почти ежедневно, мощные же вспышки — явление довольно редкое. Продолжительность вспышек — от нескольких минут до нескольких часов. Напряжённость магнитного поля в пятнах достигает нескольких тысяч э.

Интенсивность явлений С. а. характеризуют условными индексами — относительным числом солнечных пятен (Вольфа числа), площадью пятен, площадью и яркостью факелов, флоккулов, волокон и протуберанцев. Средняя годовая величина таких индексов изменяется периодически. Так, числа Вольфа изменяются со средним периодом около 11 лет (период колеблется от 7,5 до 16 лет). Величина максимума 11-летнего цикла изменяется с периодом около 80 лет.

Активные области занимают на диске Солнца два пояса, расположенных параллельно экватору по обе стороны от него. Удаление этих поясов от экватора изменяется также периодически. В начале 11-летнего цикла активные области наиболее удалены от солнечного экватора, а затем постепенно к нему приближаются (к концу цикла средняя гелиографическая широта составляет ± 8°). С. а. оказывает существенное влияние на земные явления

Солнечная система представляет собой группу небесных тел, весьма различных по размерам и физическому строению. В эту группу входят: Солнце, девять больших планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон), десятки спут­ников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотни комет и бесчисленное множество метеоритных тел, движущихся как роями, так и в виде отдельных частиц. К 1979 г. было известно 34 спутника и 2000 астероидов. Все эти тела объединены в одну систему благодаря силе притяжения центрального тела — Солнца. Солнечная система является упорядоченной системой, имеющей свои закономерности строения. Единый характер Солнечной системы проявляется в том, что все планеты вра­щаются вокруг Солнца в одном и том же направлении и почти в одной и той же плоскости. Большинство спутников планет (их лун) вращается в том же направлении и в большинстве слу­чаев в экваториальной плоскости своей планеты. Солнце, пла­неты, спутники планет вращаются вокруг своих осей в том же направлении, в котором они совершают движение по своим траекториям. Закономерно и строение Солнечной системы: ее радиус – около 6 млрд. км; ка­ждая следующая планета удалена от Солнца примерно в два раза дальше, чем предыдущая. Земля находится от Солнца примерно в 150 млн. км.

В западноевропейской астрономии с древности и до Нового времени господствовала идея сотворенности мира (называемого космосом, а затем Вселенной) Богом. Сотворенная Вселенная считалась определившейся раз и навсегда, статичной, не меняющейся во времени. В середине XVIII в. после научной революции предшествующего века начинают строиться различные научные объяснения строения Вселенной и появления Солнечной системы. Одни философы и ученые причиной образования Земли считали космические катастрофы, как Жорж Бюффон, который в 1749 году в своей работе «Теория Земли» выдвинул гипотезу, согласно которой Земля – это осколок, оторванный от Солнца упавшей на него кометой и постепенно остывший.

Известный немецкий философ И. Кант в его «Всеобщей естественной истории и теории неба» (1755 г.) предложил эволюционную космогоническую гипотезу. Согласно ей, Солнечная система образовалась из первоначальной туманности, представлявшей собой огромное облако диффузного вещества, находившегося в единообразном вращательном движении вокруг центрального сгущения - Солнца. Кант полагал, что процесс образования новых космических систем из первичной диффузной газово-пылевой туманности с образованием Земли не окончился, он продолжается без конца на все более далеких расстояниях от центра Вселенной. Кантовская вселенная мыслилась, таким образом, бесконечной в пространстве и времени. Это означало, что во Вселенной одновременно должны существовать и более старые, и более молодые космические образования.

Температурный градиент в данном случае называют инверсным, так как жидкость у нижней поверхности из-за теплового расширения имеет меньшую плотность, чем вблизи верхней. Из-за силы тяжести и выталкивающей архимедовой силы система оказывается неустойчивой, слои «хотят» поменяться местами. При меньшей разнице температур между поверхностями из-за вязкости движения жидкости не возникало, теплота распространялась лишь путем теплопроводности, но начиная с некоторого значения обмен ускорился, так как возник конвекционный поток. Флуктуации сначала из-за вязкого трения затухали, в сверхкритической области вдруг резко выросли, достигая макроскопических масштабов. Для устойчивости потоков жидкости необходимо регулировать подогрев, и он происходит самосогласованно. Возникает структура, обеспечивающая максимальную скорость тепловых потоков, и ее внутренняя структура (или самоорганизация) поддерживается за счет поглощения отрицательной энтропии, или негэнтропии.

Земля - это тепловая машина, в которой тепло преобразуется в энергию движения. Для того чтобы движение этой машины состоялось, необходим поршень, «парораспределитель», направляющий «пар» то с одной стороны, то с другой. Таким регулятором и являются континенты, которые распределяют тепловой поток и заставляют литосферу 3емли все время меняться и находиться в постоянном движении, от объединения материков в единый континент до его распада и образования затем нового суперматерика. Именно благодаря материкам сформировались современный лик 3емли и ее литосфера.

Под действием солнечного света на Земле происходят такие природные явления, как дождь, снег, град, ураган. Происходит перемещение огромного количества воды на Земле, действуют такие океанические течения как Гольфстрим, течение Западных Ветров и т. д. Происходит интенсивное испарение влаги, которая затем охлаждается и выпадает в виде дождя. Не будь всего этого — на Земле не было бы жизни. Под действием солнечного тепла образуются облака, бушуют ураганы, дует ветер, существуют волны на море, а также происходят медленные, но необратимые процессы выветривания, эрозии горных пород. Все эти явления и делают нашу планету настолько разнообразной, неповторимой и красивой. Все эти процессы на Земле происходят за счёт воздействия на Землю не всех видов солнечного излучения, а только некоторыми его видами — это, в основном, видимое излучение и инфракрасное. Именно воздействие последнего вида излучения нагревает Землю и создаёт погоду на ней, определяет тепловой режим планеты.