Примеры ответов на вопросы.

1. Проанализируйте приведенный перечень биологических дисциплин, который построен в определенном порядке (рис.1). Объясните эту последовательность списка и постройте аналогичную последовательность для физики и химии. Какие естественные науки, кроме перечисленных выше, Вы еще знаете? Что изучают эти науки?

БИОЛОГИЯ
Ботаника	Анатомия	Бактериология	Молекулярная биология
Зоология	Физиология	Вирусология	Биохимия

ФИЗИКА
Квантовая физика	статистическая физика	кинетическая теория газов	физика плазмы
нелинейная физика	нелинейная динамика	теория диссипативных структур	физика лазеров
биологическая физика

ХИМИЯ
физическая химия	молекулярная химия	биохимия	квантовая химия
Геохимия	Биохимия

2. Укажите в какой период развития науки и в каких областях естествознания работали следующие ученые: А. Авогадро, А. Ампер, Аристарх Самосский, Аристотель, Архимед, А. Беккерель, К. Беккерель, К. Бернар, Й. Берцелиус, Ал-Беруни, Л. Больцман,

Авогадро (Avogadro) Амедео (1776-1856), итальянский физик и химик. В 1811 выдвинул молекулярную гипотезу строения вещества, установил один из газовых законов, названный его именем. Лоренцо Романо Амедео Карло Авогадро ди Кваренья э ди Черрето родился 9 августа 1776 года в Турине - столице итальянской провинции Пьемонт в семье служащего судебного ведомства Филиппе Авогадро. Авогадро начал свою научную деятельность с изучения электрических явлений. Этот интерес особенно усилился после того, как Вольта в 1800 году изобрел первый источник электрического тока, а также в связи с дискуссией между Гальвани и Вольта о природе электричества. Работы Авогадро, посвященные разным проблемам электричества, появлялись вплоть до 1846 года. В 1803 и 1804 годах Амедео, совместно со своим братом Феличе, представил в Туринскую Академию наук две работы, посвященные теории электрических и электрохимических явлений, за что и был избран в 1804 году членом-корреспондентом этой академии. В первой работе под названием "Аналитическая заметка об электричестве" он объяснял поведение проводников и диэлектриков в электрическом поле, в частности явление поляризации диэлектриков. Он умер в Турине 9 июля 1856 года и похоронен в семейном склепе в Верчелли.

Андре-Мари Ампер родился 20 января 1775 года в Лионе в семье образованного коммерсанта. Отец его вскоре переселился с семьёй в имение Полемье, расположенное в окрестностях Лиона, и лично руководил воспитанием сына. Уже к 14 годам Ампер  прочитал все 20 томов знаменитой “Энциклопедии” Дидро и д’Аламбера. Проявляя с детства большую склонность к математическим наукам, Ампер к 18 годам  в совершенстве изучил основные труды Эйлера, Бернулли и Лагранжа. К тому времени он хорошо владел латынью, греческим и итальянским языками. Иными словами, Ампер получил глубокое и энциклопедическое образование. С 1820 по 1826 год Ампер опубликовал ряд теоретических и экспериментальных трудов по электродинамике и почти еженедельно выступал с докладами к Академии наук. В 1822 году он выпустил “Сборник наблюдений по электромагнетизму”, в 1823 году – “Конспект теории электродинамических явлений” и, наконец, в 1826 году – знаменитую “Теорию электродинамических явлений, выведенных исключительно из опыта”. Ампер получает всемирную известность как выдающийся физик.

Аристарх Самосский (Ar?starchos S?мios) (конец 4 в. - 1-я половина 3 в. до н. э.), др.-греческий астроном. В сочинении "Псаммит" Архимед сообщает краткие сведения об астрономической системе А. С., изложенной в не дошедшем до нас его сочинении. Как и Птолемей, А. С. считал, что движения планет, Земли и Луны совершаются внутри сферы неподвижных звезд, которая, по представлению А. С., неподвижна, как и Солнце, находящееся в ее центре. Земля движется по кругу, в центре которого находится Солнце. Построения А. С. - высшее достижение древней гелиоцентрической доктрины; их смелость навлекла на автора обвинение в богоотступничестве, и он вынужден был покинуть Афины. Единственный сохранившийся небольшой по объему труд А. С. "О размерах и расстояниях Солнца и Луны" был впервые издан в 1688 в Оксфорде на языке оригинала.

Бор Нильс (1885-1962) Дания Важнейшие работы и открытия в области химии: Теория строения атома.

Ломоносов Михаил Васильевич (1711-1765) Россия Важнейшие работы и открытия в области химии: Закон сохранения массы веществ. Применение количественных методов в химии, развитие основных положений кинетической теории газов. Основание первой русской химической лаборатории. Составление руководства по металлургии и горному делу. Создание мозаичного производства.

3. Дайте понятия микро- макро- и мегамиру. Какие из объектов приведенные в таблице относятся к микро-, макро- и мегамиру? Заполните таблицу.

Дайте понятия микро-, макро- и мегамиру. Каки из объектов, приведенные в таблице относятся к микро-, макро- и мегамиру?

Заполните таблицу.

Микромир:

Частицы элементов и ядра атомов – 10^-15 см

Атомы и молекулы – 10^-8 – 10^-7 см

Макромир:

Макроскопические тела 10^-6 – 10⁷ см

Мегамир:

Космические системы и неорганические масштабы до 10²⁸см

Расстояние, м	Некоторые Характерные расстояния	Промежуток времени, с	Промежут­ки времени	Масса, кг	Объекты во Вселенной
1020	Расстояние от Солнца до центра	1576,8 · 1014	Возраст Земли	1050	Вселенная
4,04 · 1015	До Альфа Центавра (ближ. зв)	1016	Время обращения Солнца вокруг центра Галактики	1040	Галактика
9,46 · 1015	Один световой год	632612,16 · 105	Время от начала нашей эры	1,99 · 1030	Солнце
149,6 · 109	Среднее расстояние от Земли до Солнца	315,36 · 108	Жизнь человека	5,98 · 1024	Земля
696 · 106	Радиус Солнца	315,36 · 105	Время обращения Земли вокруг Солнца (1 год)	7,35 · 1022	Луна
384,4 · 106	Среднее расстояние от Земли до Луны	315,3 · 105	Время в течение которого свет от Солнца доходит до Земли	103	1 т
Экваториаль­ный R 6378160 Полярный R 6356780	Радиус Земли	1	Промежут­ок времени между двумя биениями сердца	60	Человек
4 · 10-7…7 · 10-7	Диапазон длин видимого света	0,001	Период одного колебания в наиболее слышимом звуке	1	1 кг
10-10	1 ангстрем	0,333 · 10-8	Свет проходит 1 м	10-3	1 г
0,53 · 10-10	Радиус атома водорода	24 · 10-18	Время обращения электрона вокруг ядра в атоме водорода	1,673 · 10-27 1,675 · 10-27	Протон, нейтрон
1,5347 · 10-18	Радиус протона	3,18 · 10-18	Свет проходит диаметр атома	9,109 · 10-31	Электрон

Ответ:

Макромир: концепции классического естествознания.

к концу XIX в. физика пришла к выводу, что материя существует в двух видах:

дискретного вещества и непрерывного поля.

• Вещество и поле различаются как корпускулярные и волновые сущности: вещество дискретно и состоит из атомов, а поле непрерывно.

• Вещество и поле различаются по своим физическим характеристикам: частицы вещества обладают массой покоя, а поле — нет.

• Вещество и поле различаются по степени проницаемости: вещество мало проницаемо, а поле, наоборот, полностью проницаемо.

• Скорость распространения поля равна скорости света, а скорость движения частиц вещества меньше ее на много порядков.

В результате же последующих революционных открытий в физике в конце прошлого и начале нынешнего столетий оказались разрушенными представления классической физики о веществе и поле как двух качественно своеобразных видах материи.

Микромир: концепции современной физики.

Атомистическая концепция строения материи.

Атомистическая гипотеза строения материи, выдвинутая в античности Демокритом, была возрождена в XVIII в. химиком Дж. Дальтоном, который принял атомный вес водорода за единицу и сопоставил с ним атомные веса других газов. Благодаря трудам Дж. Дальтона стали изучаться физико-химические свойства атома. В XIX в. Д. И. Менделеев построил систему химических элементов, основанную на их атомном весе.

В физику представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи пришли из химии.

Собственно физические исследования атома начинаются в конце XIX в., когда французским физиком А. А. Беккерелем было открыто явление радиоактивности, которое заключалось в самопроизвольном Превращении атомов одних элементов в атомы других элементов. Изучение радиоактивности было продолжено французскими физиками супругами Пьером и Марией Кюри, открывшими новые радиоактивные элементы полоний и радий.

Мегамир, или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел. Мегамир имеет системную организацию в форме планет и планетных систем, возникающих вокруг звезд; звезд и звездных систем — галактик.

Все существующие галактики входят в систему самого высокого порядка - Метагалактику. Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет 15— 20 млрд. световых лет.

Понятия «Вселенная» и «Метагалактика» — очень близкие понятия:

они характеризуют один и тот же объект, но в разных аспектах. Понятие «Вселенная» обозначает весь существующий материальный мир; понятие «Метагалактика» — тот же мир, но с точки зрения его структуры — как упорядоченную систему галактик.

Строение и эволюция Вселенной изучаются космологией. Космология как раздел естествознания, находится на своеобразном стыке науки, религии и философии. В основе космологических моделей Вселенной лежат определенные мировоззренческие предпосылки, а сами эти модели имеют большое мировоззренческое значение.

4. Назовите виды фундаментальных взаимодействий. В чем проявляется универсальность фундаментальных взаимодействий. Дайте характеристику фундаментальных взаимодействий, заполните таблицу. В каких процессах играют определяющую роль фундаментальные взаимодействия?

Ответ:

Гравитационное взаимодействие

Это взаимодействие носит универсальный характер, в нем участвуют все виды материи, все объекты природы, все элементарные частицы! Общепринятой классической (не квантовой) теорией гравитационного взаимодействия является эйнштейновская общая теория относительности. Гравитация определяет движение планет в звездных системах, играет важную роль в процессах, протекающих в звездах, управляет эволюцией Вселенной, в земных условиях проявляет себя как сила взаимного притяжения. Конечно, мы перечислили только небольшое число примеров из огромного списка эффектов гравитации.

Согласно общей теории относительности, гравитация связана с кривизной пространства-времени и описывается в терминах так называемой римановой геометрии. В настоящее время все экспериментальные и наблюдательные данные о гравитации укладываются в рамки общей теории относительности. Однако данные о сильных гравитационных полях по существу отсутствуют, поэтому экспериментальные аспекты этой теории содержат много вопросов. Такая ситуация порождает появление различных альтернативных теорий гравитации, предсказания которых практически неотличимы от предсказаний общей теории относительности для физических эффектов в Солнечной системе, но ведут к другим следствиям в сильных гравитационных полях.

Если пренебречь всеми релятивистскими эффектами и ограничиться слабыми стационарными гравитационными полями, то общая теория относительности сводится к ньютоновской теории всемирного тяготения. В этом случае, как известно, потенциальная энергия взаимодействия двух точечных частиц с массами m1 и m2 дается соотношением, где r - расстояние между частицами, G - ньютоновская гравитационная постоянная, играющая роль константы гравитационного взаимодействия. Данное соотношение показывает, что потенциальная энергия взаимодействия V (r) отлична от нуля при любом конечном r и спадает к нулю очень медленно. По этой причине говорят, что гравитационное взаимодействие является дальнодействующим.

Из многих физических предсказаний общей теории относительности отметим три. Теоретически установлено, что гравитационные возмущения могут распространяться в пространстве в виде волн, называемых гравитационными. Распространяющиеся слабые гравитационные возмущения во многом аналогичны электромагнитным волнам. Их скорость равна скорости света, они имеют два состояния поляризации, для них характерны явления интерференции и дифракции. Однако в силу чрезвычайно слабого взаимодействия гравитационных волн с веществом их прямое экспериментальное наблюдение до сих пор не было возможно. Тем не менее данные некоторых астрономических наблюдений по потере энергии в системах двойных звезд свидетельствуют о возможном существовании гравитационных волн в природе.

Теоретическое исследование условий равновесия звезд в рамках общей теории относительности показывает, что при определенных условиях достаточно массивные звезды могут начать катастрофически сжиматься. Это оказывается возможным на достаточно поздних стадиях эволюции звезды, когда внутреннее давление, обусловленное процессами, ответственными за светимость звезды, не в состоянии уравновесить давление сил тяготения, стремящихся сжать звезду. В результате процесс сжатия уже ничем не может быть остановлен. Описанное физическое явление, предсказанное теоретически в рамках общей теории относительности, получило название гравитационного коллапса. Исследования показали, что если радиус звезды становится меньше так называемого гравитационного радиуса Rg = 2GM / c 2, где M - масса звезды, а c - скорость света, то для внешнего наблюдателя звезда гаснет. Никакая информация о процессах, идущих в этой звезде, не может достичь внешнего наблюдателя. При этом тела, падающие на звезду, свободно пересекают гравитационный радиус. Если в качестве такого тела подразумевается наблюдатель, то ничего, кроме усиления гравитации, он не заметит. Таким образом, возникает область пространства, в которую можно попасть, но из которой ничего не может выйти, включая световой луч. Подобная область пространства называется черной дырой. Существование черных дыр является одним из теоретических предсказаний общей теории относительности, некоторые альтернативные теории гравитации построены именно так, что они запрещают такого типа явления. В связи с этим вопрос о реальности черных дыр имеет исключительно важное значение. В настоящее время имеются наблюдательные данные, свидетельствующие о наличии черных дыр во Вселенной.

В рамках общей теории относительности впервые удалось сформулировать проблему эволюции Вселенной. Тем самым Вселенная в целом становится не предметом спекулятивных рассуждений, а объектом физической науки. Раздел физики, предметом которого является Вселенная в целом, называется космологией. В настоящее время считается твердо установленным, что мы живем в расширяющейся Вселенной.

Современная картина эволюции Вселенной основывается на представлении о том, что Вселенная, включая такие ее атрибуты, как пространство и время, возникла в результате особого физического явления, называемого Большой Взрыв, и с тех пор расширяется. Согласно теории эволюции Вселенной, расстояния между далекими галактиками должны увеличиваться со временем, и вся Вселенная должна быть заполнена тепловым излучением с температурой порядка 3 K. Эти предсказания теории находятся в прекрасном соответствии с данными астрономических наблюдений. При этом оценки показывают, что возраст Вселенной, то есть время, прошедшее с момента Большого Взрыва, составляет порядка 10 млрд лет. Что касается деталей Большого Взрыва, то это явление слабо изучено и можно говорить о загадке Большого Взрыва как о вызове физической науке в целом. Не исключено, что объяснение механизма Большого Взрыва связано с новыми, пока еще неизвестными законами Природы. Общепринятый современный взгляд на возможное решение проблемы Большого Взрыва основывается на идее объединения теории гравитации и квантовой механики.