Контрольная работа по предмету "Концепция современного естествознания"

Санкт-Петербургский  государственный

 университет

 

 

Кафедра современного естествознания  (П-103)

 

 

Контрольная работа

 

 

Дисциплина: «Концепции современного естествознания»

 

 

Вариант 6

 

 

 

 

Выполнил студент I курса,

заочного отделения,

срок обучения 5лет 10 мес.,

группа 7/5001,

студ. билет № 50076/10,

Факультет туризма и

гостиничного хозяйства

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2011

Контрольная работа (часть “a”)

 

ВОПРОС №1:

 

 Какие научные теории  называют парадигмой? Приведите  примеры фундаментальных парадигм  естествознания.

 

ОТВЕТ:

 

Парадигма — это совокупность определенных представлений и определений, каких-либо терминов, а также ценностных установок, которые принимаются и разделяются научным сообществом. Парадигма может также обозначать совокупность, систему фундаментальных научных установок.

Примеры:

Одной из наиболее авторитетных парадигм является объяснение мира исходя из принципа атомизма, или элементарности. Суть данного принципа состоит в утверждении  того, что целое понимается как  сумма частей, элементов. Такое понимание обнаруживается во многих науках. На основе парадигмы атомизма основана классическая механика, учение                       об электричестве и магнетизме, кинетическая теория газов, неорганическая химия, клеточная теория живых организмов. Принцип элементарности реализуется и в социальных теориях (например, в понимании общества как совокупности индивидов).

Иную картину мира дает парадигма  целостности. Она исходит из того, что не существует простых элементов, определяющих свойства и структуру  целого мира. Первичным по отношению к частям может быть целое. Любая вещь обретает определенные свойства благодаря нахождению в системе определенных отношений. Такое понимание целого и части составляет суть системного подхода в науке. Системный подход стал одним из основных       в математике, других естественно - научных предметах. Он широко применяется и в гуманитарных науках. Парадигма целостности подразумевает, что всякое единичное существование является относительным, т. е. оно определяется отношением к «другому».

Принцип относительности наибольшее развитие получил в теории      А. Эйнштейна, в которой пересмотру были подвергнуты фундаментальные представления о пространстве, времени, движении. Понимание относительности физической реальности углубила квантовая физика. В ее рамках изменились представления о самих физических объектах, которые обладают двойственной природой, таких как частицы и волны.

Ограниченные возможности измерения  выражают вероятностную природу  поведения и состояния объектов. Идея относительности наиболее полно отразилась в принципе симметрии, хотя природа знает и явления асимметрии.

На современном этапе все  большую популярность приобретает  синергетическая парадигма. Синергетика изучает общие принципы и закономерности, лежащие в основе процессов самоорганизации в системах различной природы. Синергетические системы характеризуются открытостью, неустойчивостью. Синергетика претендует на создание новой парадигмы в науке, разрабатывая новую картину мира, новые методы познания и практического отношения к действительности.

 

ВОПРОС №2:

 

Какие частицы называются элементарными? На какие классы принято  делить элементарные частицы?

ОТВЕТ:

 

Элементарные частицы - первичные, неразложимые частицы,                 из которых, по предположению, состоит вся материя. В современной физике этот термин обычно употребляется для наименования большой группы мельчайших частиц материи, подчинённых условию, что они не являются атомами или атомными ядрами, за исключением протона.

К элементарным частицам относятся: протоны, нейтроны, электроны,  фотоны, пи-мезоны, мюоны, тяжёлые лептоны, нейтрино  трёх типов, странные  частицы (К-мезоны), гипероны, разнообразные резонансы, мезоны со скрытым очарованием, «очарованные» частицы, промежуточные векторные бозоны и т. п. - всего более 350 частиц, в основном нестабильных. Их число продолжает расти по мере расширения наших знаний. Большинство перечисленных частиц не удовлетворяют строгому определению элементарности, поскольку являются составными системами. Общее свойство всех этих частиц заключается в том, что они представляют собой специфические формы существования материи, не ассоциированной в ядра и атомы.

Элементарные частицы  подразделяются на два класса:

1. Лептоны. К классу лептонов относятся частицы, которые, подобно электрону, не участвуют в водовороте внутриядерных взаимодействий.       На сегодня известно шесть таких частиц. К одному семейству с электроном относятся мюоны и тау-частицы, которые похожи на электрон, но массивнее его. Обе эти тяжелые частицы нестабильны и со временем распадаются        на несколько продуктов, включая электрон. Также имеется три электрически нейтральные частицы с нулевой (или близкой к нулю, на этот счет ученые до конца не определились) массой, получившие название нейтрино.

2. Адроны. К адронам относят частицы, существующие внутри атомного ядра. Самые известные из них — это протон и нейтрон, но быстро распадающихся родственников у них сотни (в буквальном смысле).              За исключением протона все они нестабильны, и их можно классифицировать по составу частиц, на которые они распадаются. Если среди конечных продуктов распада частицы имеется протон, ее называют «барион»; если же протона среди продуктов распада нет, частицу называют «мезон».

 

 

ВОПРОС №3:

 

Приведите формулировку принципа относительности Галилея. К каким явлениям применим этот принцип? Какие системы называются инерциальными?

ОТВЕТ:

 

В классической механике справедлив механический принцип относительности Галилея: законы механики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Это значит, что в разных инерциальных системах отсчета все механические процессы при одних и тех же условиях протекают одинаково. Следовательно, с помощью любых механических экспериментов, проведенных в замкнутой системе тел, нельзя установить покоится эта система или движется равномерно и прямолинейно относительно какой-либо инерциальной системы отсчета. Поэтому механический принцип относительности свидетельствует о равноправности всех инерциальных систем и отсутствии какой-то особой инерциальной системы, относительно которой можно было бы рассматривать механическое движение как «абсолютное движение».

Инерциальная система отсчёта  — система отсчёта, в которой справедлив закон инерции: все свободные тела (то есть такие, на которые    не действуют внешние силы или действие этих сил компенсируется) движутся прямолинейно и равномерно. Эквивалентной является следующая формулировка: Инерциальной называется система отсчёта, по отношению      к которой пространство является однородным и изотропным, а время — однородным.

 

ВОПРОС №4:

 

Какой тип взаимодействия описывается законом всемирного тяготения? Напишите выражение для этого закона. Как зависит этот тип взаимодействия от расстояния?

ОТВЕТ:

 

Законом всемирного тяготения описывается гравитационное взаимодействие:

F = G m₁m₂/r²

G = 6.67 10^-11 Н м²/кг² – гравитационная постоянная

Сила взаимодействия в этом случае убывает обратно  пропорционально квадрату расстояния.

 

ВОПРОС №5:

 

Приведите примеры проявления симметрии в природе.

 

ОТВЕТ:

 

Симметрия, в широком смысле — соответствие, неизменность (инвариантность), проявляемые при каких-либо изменениях, преобразованиях (например: положения, энергии, информации).

 

Например, сферическая симметрия тела означает, что вид тела             не изменится, если его вращать в пространстве на произвольные углы (сохраняя одну точку на месте).

Симметрия в физических явлениях носит фундаментальный  характер, т.к. определяет законы сохранения:

Симметрия в  физике
Преобразования	Инвариантность	Закон  сохранения
трансляции времени	Консервативность	…энергии
изотропия времени	Изотропия времени	…энтропии
трансляции пространства	Однородность	…импульса
Вращения	Изотропность  пространства	…момента  импульса
Группа Лоренца	Относительность  Лоренц-инвариантность	…интервала

 

 

ВОПРОС №6:

 

Когда возникла квантовая  механика? Какие явления она смогла объяснить?

 

ОТВЕТ:

 

Квантовая механика, объясняющая  процессы, происходящие в мире элементарных частиц (микромире) была создана в 1925-1927г.г. 

Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение ядер атомных, изучать свойства элементарных частиц. Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Квантовая механика позволила, например, объяснить температурную зависимость и вычислить величину теплоёмкости газов и твёрдых тел, определить строение и понять многие свойства твёрдых тел (металлов, диэлектриков, полупроводников). Только на основе квантовой механики удалось последовательно объяснить такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость, понять природу таких астрофизических объектов, как белые карлики, нейтронные звёзды, выяснить механизм протекания термоядерных реакций    в Солнце и звёздах.

 

ВОПРОС №7:

 

Дайте определение следующим  процессам: изобарическому, изохорическому, изотермическому, адиабатическому. Напишите основные соотношения, характеризующие эти процессы.

 

ОТВЕТ:

 

Изобарический или изобарный процесс  — термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянном давлении. Согласно закону Гей-Люссака, при изобарном процессе в идеальном газе отношение объема к температуре остается постоянным: V/T = const.

Изохорический или изохорный процесс  — это термодинамический процесс, который происходит при постоянном объёме. Для осуществления изохорного процесса в газе или жидкости достаточно нагревать (охлаждать) вещество в сосуде, который не изменяет своего объёма. При изохорическом процессе отношение давления газа к температуре остается постоянным: р/T = const (Закон Шарля).

Изотермический процесс — это термодинамический процесс, происходящий в физической системе при постоянной температуре.                В идеальном газе при изотермическом процессе произведение давления       на объём постоянно : рV = const (закон Бойля-Мариотта).

Адиабатический процесс  — это термодинамический процесс                  в макроскопической системе, при котором система не получает и не отдаёт тепловой энергии. Соотношение произведения между давлением и объемом идеального газа в адиабатическом процессе имеет вид: pV^γ = const, которое называют уравнением Пуассона.

 

 

 

ВОПРОС №8:

 

Как изменился взгляд на эволюцию неживой природы в  связи с идеями        И. Пригожина?

ОТВЕТ:

 

Яркий представитель брюссельской школы термодинамики необратимых процессов, И. Пригожин принял активное участие в создании термодинамики необратимых процессов. Основная масса его работ посвящена неравновесной термодинамике и статистической механике необратимых процессов. Одно из главных достижений заключалось в том, что было показано существование неравновесных термодинамических систем, которые при определённых условиях, поглощая массу и энергию     из окружающего пространства, могут совершать качественный скачок            к усложнению (Диссипативные структуры). Причём такой скачок не может быть предсказан, исходя из классических законов статистики.

Считая, что неравновесность  может служить источником организации  и порядка, он представил диссипативные  структуры в терминах математической модели с зависимыми от времени нелинейными функциями, которые описывают способность систем обмениваться материей и энергией с внешней средой и спонтанно себя рестабилизировать.

 

ВОПРОС №9:

 

Шар массой в 10кг, двигающийся  со скоростью 20 м/с, сталкивается               с неподвижным шаром с массой в 20кг. Удар центральный и абсолютно упругий. Найдите импульсы каждого из шаров после удара.

 

ОТВЕТ:

 

Согласно закону сохранения импульса:

Согласно закону сохранения энергии:

(так как все слагаемые  имели множитель ½, мы его  сокращаем).

Здесь буква v  описывает скорость до удара, а буква u – после удара.

Преобразовываем уравнения:

Теперь делим второе уравнение на первое:

. Подставляем это в первое  уравнение:

Решаем получившееся уравнение и находим 

. Знак минус говорит о том,  что скорость первого шара  после удара направлена в противоположную сторону от первоначального движения.

Тогда .

Вычисляем импульсы шаров  после удара:

кг×м/с

 кг×м/с

Ответ: импульс первого  шара – 66,67 кг×м/с; импульс второго шара – 266,67 кг×м/с.

 

ВОПРОС №10:

 

Сила тяготения между  двумя наэлектризованными шариками по 1 г уравновешена электростатической силой  отталкивания. Считая заряды шариков одинаковыми, определить их величину. Почему                              при взаимодействии наэлектризованных тел, малых по массе, можно            не учитывать гравитационных сил?