Контрольная работа по «Концепции современного естествознания»

    Министерство  образования Российской Федерации

    Уфимский  государственный авиационный

    технический университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Контрольная работа

    по  дисциплине

    «Концепции  современного

    естествознания» 
 
 
 

    Студент: Рахимова Лэйла 

    Фанилевна

    Факультет ИНЭК, группа ПИЭ-102

    Вариант № 9

    Преподаватель: Иванова Лидия

    Николаевна              
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Уфа 2011

 

     План 

    Введение

    1 Роль  гипотез в естествознании

    2 Корпускулярная  и континуальная концепции описания  мира. Квантово-волновой дуализм

    3 Геном.  Генетический код

    4 Энтропия открытой системы. Теорема Пригожина

    5 Задача 5

    6 Задача 6

    7 Задача 7

    8 Задача 8

    9 Задача 9

    10 Список используемой литературы

 

     1 Роль гипотез  в естествознании 

    Гипотеза  – это, в сущности, утверждение  о том, как, по нашему мнению, обстоят  дела в действительности. Она сообщает о том, что мы ожидаем увидеть в результате правильно организованных наблюдений за событиями, происходящими в реальном мире. Гипотезы представляют собой декларативные предположения, описывающие ожидаемые нами взаимосвязи между явлениями, обозначаемыми нашими понятиями.

    Гипотеза, можно сказать, представляет собой  такой же инструмент исследований, как микроскоп, осциллограф или  центрифуга. Но у каждого инструмента  есть своя специфика и, соответственно, своя область применения, свой круг задач. Микроскоп предназначен для исследований крайне малых объектов, осциллограф – для исследований быстро протекающих процессов, центрифуга – для исследований веществ, отличающихся по плотности. У гипотез другое назначение. Они позволяют переходить от лобового исследования трудноразрешимой проблемы к изучению следствий гипотезы, относящихся, как правило, к иным, часто – более изученным, разделам науки. Иначе говоря, гипотезы, выдвигаемые при решении трудных проблем, предназначены для переноса исследований из области, почему-либо неудобной для изучения, в другую, более удобную область, где, возможно, исследования уже проведены или где провести их намного легче.

    Специфичной чертой гипотез, как инструмента  исследований, является их сугубая  индивидуальность по отношению к решаемой проблеме и большая интеллектуальная трудоёмкость. Если для решения многих проблем достаточно один раз изобрести микроскоп, то гипотезы в каждом случае требуется изобретать заново. Поэтому, как не все могут быть грузчиками или молотобойцами, так далеко не каждому по силам создавать пригодные для применения в исследованиях гипотезы. Возможно, это является одной из причин отрицательного отношения части учёных к подобным путям исследований.

    Раскрывая роль гипотез в научном познании, ряд авторов отмечает, что научная ценность гипотез далеко не одинакова. Одни гипотезы подтверждаются, превращаются в теории, другие подвергаются проверке, развитию, третьи опровергаются как несостоятельные. Есть и так называемые рабочие гипотезы, "первоначальные предположения", предназначенные для первичной систематизации научного материала. И.Д.Андреев отмечает, что "если идея, лежащая в основе рабочей гипотезы, оказывается несостоятельной..., то она отвергается и замещается другой рабочей гипотезой".

    В целом следует заметить, что гипотезы играют огромную роль в развитии теоретических знаний и в формировании научных теорий.

 

    2 Корпускулярная и  континуальная концепции  описания мира. Квантово-волновой  дуализм. 

    Участвуя  в выработке естественнонаучной или «физической» картины мира, естествознание главным образом своей теоретической частью (понятия, категории, законы, принципы, теории), а также разработкой приемов и методов научного исследования примыкает к философскому материализму. С каждым этапом развития естествознания закономерно сменялась форма развития материализма в зависимости от естественнонаучных открытий.

    В целом ход развития естествознания это от созерцания природы (древность) через аналитическое расчленение (15-18 вв.), где получил метафизический взгляд на природу, к синтетическому воссозданию картины природы в ее всесторонности, целостности и конкретности (19-20 вв.).

    В центре современного естествознания до середины 20 в. стояла физика, искавшая способы использования атомной  энергии и проникавшая в область микромира, в глубь атома, атомного ядра и элементарных частиц. Так например, физика дала толчок в развитии других отраслей естествознания – астрономии, космонавтики, кибернетики, химии, биологии, биохимии и других естественных наук. Физика вместе с химией, математикой и кибернетикой помогает молекулярной биологии решать теоретически и экспериментально задачи искусственного биосинтеза, способствует раскрытию материальной сущности наследственности. Физика также способствует познанию природы химической связи, решению проблем космологии и космогонии. В последние годы начинает лидировать целая группа наук – молекулярная биология, кибернетика, микрохимия.

    К современному естествознанию относятся  концепции, возникшие в ней в  ХХ веке. Но не только последние научные данные можно считать современными, а все те, которые входят в толщу современной науки, поскольку наука представляет собой единое целое, состоящее из разновременных по своему происхождению частей.

    В отличие от классической механики исследования микрочастиц к началу XX века были в начальной стадии. Лишь в самом конце XIX века в результате серии экспериментов В. Крукса, Ж. Перрена, Дж.Дж. Томпсона и Ч. Вильсона был открыт электрон. Результаты этих экспериментов показали, что электрон представляет собой микрочастицу, отрицательно заряженную, имеющую массу порядка 10~27 г (что примерно в 2000 раз меньше массы атома водорода), распространяющуюся в вакууме при отсутствии внешних полей прямолинейно и отклоняющуюся под действием электрического или магнитного полей. Такие свойства электрона находились в полном соответствии как с классической механикой, так и с классической электродинамикой.

    В 1913 году Э. Резерфорд предложил планетарную  модель атома с электронами, вращающимися вокруг атомного ядра, а Н. Бор сформулировал свои знаменитые постулаты, определяющие строение атома. При этом не возникало никаких сомнений, что этот новый и еще детально не изученный субатомный мир микрочастиц описывается законами классической механики.

    Единственный  эксперимент тех лет вызывал недоумение — это эксперимент К. Дэвиссона 1921—1922 годов, в котором наблюдался процесс рассеяния электронов тонкими металлическими фольгами. Было рассеяния достаточно узкого пучка достаточно монохроматических электронов классическая механика предсказывала, что электроны должны рассеиваться также в виде узкого пучка, направленного под определенным углом к падающему пучку. Предположили, что наблюдаемый эффект является результатом наличия неоднородностей на поверхности фольги.

    Квантово-волновой дуализм. 

    Трудности теории Бора

    - В  теории Бора сохранились представления  об орбитальном движении электронов  в кулоновском поле ядра.

    - Классическая  ядерная модель атома Резерфорда  была дополнена в теории Бора  идеей о квантовании электронных  орбит. 

    - Поэтому  теорию Бора иногда называют полуклассической. 
 

    Объяснение  правила квантования:

    - В  стационарном квантовом состоянии  атома водорода на длине орбиты  должно укладываться по идее  де Бройля целое число длин волн λ, т. е.  nλn = 2πrn.

    - Подставляя  длину волны де Бройля λ = h/p, где p = meυ – импульс электрона, получим:

    

    

    Иллюстрация идеи де Бройля о возникновении стоячих волн на стационарной орбите для случая n = 4. 
 
 

      
 
 
 
 
 
 
 
 

     

    Квантование электронных орбит.

 

     Экспериментальное подтверждение гипотезы де Бройля. 

     1927 г. - американские физики К. Девиссон и Л. Джермер: 

    пучок электронов, рассеивающийся на кристалле  никеля, дает отчетливую дифракционную  картину, подобную той, которая возникает  при рассеянии на кристалле коротковолнового рентгеновского излучения. В этих экспериментах кристалл играл роль естественной дифракционной решетки.

    1928 г. английский физик Дж. П. Томсон: наблюдение  дифракционной картины, возникающей при прохождении пучка электронов через тонкую поликристаллическую фольгу из золота. 
 

    Дифракция электронов

    Картина дифракции электронов на поликристаллическом  образце при длительной экспозиции (a) и при короткой экспозиции (b). В случае (b) видны точки попадания отдельных электронов на фотопластинку.  

    Опыты Фабриканта, Бибермана, Сушкина 

    Опыт  Дж. Томсона был многократно повторен с неизменным результатом, в том числе при условиях, когда поток электронов был настолько слабым, что через прибор единовременно могла проходить только одна частица (В. А. Фабрикант, 1948 г.). Таким образом, было экспериментально доказано, что волновые свойства присущи не только большой совокупности электронов, но и каждому электрону в отдельности. 

    Волновые  свойства макроскопических тел 

    - Впоследствии  дифракционные явления были обнаружены  также для нейтронов, протонов, атомных и молекулярных пучков.

    - Экспериментальное  доказательство наличия волновых  свойств микрочастиц привело  к выводу о том, что это  универсальное явление природы,  общее свойство материи. 

    - Следовательно,  волновые свойства должны быть  присущи и макроскопическим телам. Однако вследствие большой массы макроскопических тел их волновые свойства не могут быть обнаружены экспериментально.

    Например, пылинке массой 10–9 г, движущийся со скоростью 0,5 м/с соответствует волна де Бройля с длиной волны порядка 10–21 м, т. е. приблизительно на 11 порядков меньше размеров атомов. Такая длина волны лежит за пределами доступной наблюдению области.  

    Квантовая механика 

    Гипотеза  де Бройля основывалась на соображениях симметрии свойств материи и не имела в то время опытного подтверждения. Но она явилась мощным революционным толчком к развитию новых представлений о природе материальных объектов.

    В течение нескольких лет целый  ряд выдающихся физиков XX века – В. Гейзенберг, Э. Шредингер, П. Дирак, Н. Бор, М. Борн и другие – разработали теоретические основы новой науки, которая была названа квантовой механикой.  

    Принцип дополнительности Н.Бора 

    - Всем  микрообъектам присущи и волновые, и корпускулярные свойства, однако, они не являются ни волной, ни частицей в классическом  понимании.

    - Разные  свойства микрообъектов не проявляются  одновременно, они дополняют друг  друга, только их совокупность  характеризует микрообъект полностью. 

    Можно условно сказать, что микрообъекты распространяются как волны, а обмениваются энергией как частицы. 

    Соотношение неопределенностей  В.Гейзенберга 

    

    Микрочастицы  в принципе не имеют одновременно точного значения координаты и соответствующей  проекции импульса.

    • Является проявлением двойственной корпускулярно-волновой природы материальных микрообъектов.

    • Позволяет оценить, в какой мере можно применять к микрочастицам  понятия классической механики.

    • Показывает, в частности, что к  микрообъектам неприменимо классическое понятие траектории, так как движение по траектории характеризуется в  любой момент времени определенными значениями координат и скорости.  

    Распределение вероятности обнаружения  электрона в атоме  водорода

    

    Вероятность обнаружения электрона в состоянии 2s максимальна на расстоянии r = 4r1 от ядра. 

    Электрон  в состоянии 1s (основное состояние атома водорода) может быть обнаружен на различных расстояниях от ядра. С наибольшей вероятностью его можно обнаружить на расстоянии, равном радиусу r1 первой боровской орбиты.