Концепция современного естествознания

Томский межвузовский центр дистанционного образования

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)

Кафедра экономики

















Контрольная работа №1

Концепция современного естествознания







Выполнила

Студентка гр.З-828-Б

Специальности 080105

Афонина Юлия Владимировна

24 января 2008 г.













Г. Нефтеюганск


Чем отличается естественнонаучный подход от философского? Какова дисциплинарная структура естествознания, как она сложилась и как менялась? Каковы критерии истинности знания? Что такое «научная картина мира»? Приведите примеры



Естествознание исследует органическую и неорганическую природу на Земле и во вселенной. Специфика естествознание заключается в том, что знание о природе отличается объективностью, постоянно совершенствуется и представляет собой наиболее достоверную часть всего знания человечества. В начале естествознание изучалось с точки зрения философии. Представление о мире формировалось на основе догадок, рассуждений, наблюдений, сопоставлений, учением о боге, чертежах и доказательств «от противного». Постепенно сведения становились более конкретными и описание природы стало вытесняться экспериментами, изучением ее законов, выделились разные предметы познания и соответствующие им понятия и методы. Были открыты фундаментальные законы, которые составили фундаментальные теории разных дисциплин. Появилась классическая наука, начался переход в неклассический, а затем постнеклассический ее период. Возникновение фундаментальных наук: физика, химия, астрономия, биология. Затем биохимия, геофизика, химическая физика, физическая химия, астрофизика, геохимия, астронавтика, математика.

Научные программы задают определенную «картину мира» . изменение картины мира перестраивает весь стиль научного мышления и вызывает изменение в научных теориях. К первым научным программам относится математическая, континуалистическая, атомистическая. Научные картины мира делятся на:

Механическая

Электромагнитная

Квантово-полевая

Электромагнитная основана на идее динамического атонизма и континуальном понимании материи и связанными с ними понятием близкодействия.

Квантово-полевая связана со строением вещества и взаимосвязью вещества и энергии.

Механическая – открыты законы взаимодействия электрических зарядов и взаимодействия точечных магнитных помосов, построена космогония солнечной системы.

Основная цель картин мира – объяснение и истолкование фактов и теорий, тогда как одной из целей теорий является описание опытных фактов. Современная эволюционная картина мира отражает появление междисциплинарных подходов и технические возможности описания состояний и движений сложных систем. Современная картина мира включает естествонаучное и гуманитарное знание.



Что такое астероиды, где они расположены, каковы их орбиты и размеры? Назовите наиболее крупные из них. Период обращения Плутона равен 250 земных лет, так каково его расстояние от солнца и какую часть своего года он прошел после того, как его открыли?



В 1800 году команда астрономов собралась в обсерватории Иоганна Шретера в Лилиентале. Они назвали себя «небесной полицией». Джузеппе Пиации на Сицилии случайно заметил медленно движущийся объект , который оказался маленьким планетоидом, движущийся в области Солнечной системы. Его число Боде составляло 27,7 , и Пиации назвал его Церерой в часть богини- покровительницы Сицилии. В период между 1802 и 1808 годами были открыты еще три тела в этом же регионе: Палладу, Юнону, Весту.

В 1845 году немецкий астроном Хенке обнаружил пятый астероид, названный Астреей. Теперь общее число известных астероидов перевалило за 5000.

Церера, с диаметром 584 мили, возглавляет список астероидов, а из остальных лишь Веста и Паллада имеют в поперечнике более 300 миль. Только весту можно увидеть невооруженным глазом. Большинство астероидов крошечные и имеют ассиметричную форму. Даже у Паллады она близка к треугольной. Церера и Веста кажутся шарообразными. После точного расчета орбиты каждому астероиду присваивается порядковый номер и название. Некоторые названия весьма эксцентричны: №518 Халва, №1625 NORC, №2309 Мистер Спок.

Нынче считается, что крупная планета не могла сформироваться в поясе астероидов из-за разрушительного воздействия тяготения Юпитера. Более того, как в главном поясе астероидов есть заметные «пробелы», где орбитальные периоды соответствуют правильным дробям от орбитального периода Юпитера. Астероиды так же имеют тенденцию собираться в группы и столкновение между ними должны часто происходить даже в наше время.

Некоторые астероиды богаты силикатными соединениями, а некоторые состоят из металлов. Веста покрыта слоем изверженных пород, первоначально существовавших в виде жидкой лавы. В отличии от больших планет, орбиты астероидов отклоняются от плоскости эклиптики: наклон орбиты Паллады составляет почти 35 (орбитальный период 4,6 года.) Церера, Паллада, Веста, взятые вместе, составляют 55% общей массы астероидов, но сама эта масса составляет лишь 3%массы Луны, или 0,04%массы Земли.

Некоторые астероиды удаляются от главного роя и вторгаются во внутренние области Солнечной системы. Первым из таких астероидов бал №433 (Эрос), который двигался по орбите пересекающей орбиту Марса. Его наибольшее сближение с Землей составляет 15000000 миль.

Орбиты двух астероидов №1566 (Икар) и №3200 (Фаэтон) частично проходят ближе к Солнцу, чем орбита Меркурия, поэтому в перигелии они должны раскаляться докрасна. Фаэтон движется по одной орбите с метеорным потоком Геминид и может быть «прародителем» этого потока; тогда мы получаем связь между кометами и малыми астероидами. Существует несколько крошечных астероидов , чьи орбиты в целом проходят ближе к Солнцу, чем орбита Земли. К их числу принадлежит : №2100 (Ра-Шалом), огибающий Солнце на расстоянии от 43000000 до 78000000 миль за 283 дня. Его диаметр составляет не более двух миль, а возможно значительно меньше.

Есть также рои астероидов за пределами главного пояса. Один из них – Троянский рой, движущийся по одной орбите с Юпитером, но сохраняющий дистанцию в 450дуги впереди или позади огромной планеты. Таким образом, астероиды не подвергаются риску быть захваченными мощным тяготением Юпитера.

Самым любопытным астероидом является №2060 (Хирон). По меркам астероидов он достаточно большой – более 150 миль в диаметре, и проводит большую часть времени между орбитами Сатурна и Урана. Его расстояние от Солнца составляет 794000000 миль , в афелии он удаляется на 1700000000 миль, орбитальный период равен 51 году. В 1988 году этот астероид внезапно увеличил свою яркость – несильно , но довольно заметно.

Были открыты другие небесные тела. Некоторые из них движутся по очень вытянутым орбитам, которые выводят их за пределы Солнечной системы в глубине Космоса. Так астероид №5365 (Дамокл) движется по орбите пересекающей орбиты Марса, Юпитера, Сатурна, Урана. №4145 (Фолус) движется от внутренней части орбиты Сатурна далеко за пределы орбиты Нептуна, совершая полный оборот за 93 года. Он имеет красный оттенок и его диаметр составляет от 150 до 200 миль.

Период обращения Плутона равен 250 земных лет: среднее расстояние от Солнца составляет 3666 000000 миль, орбитальный период равен 428 годам. Нельзя сказать, что Плутон странствует в одиночестве. У него есть спутник Харон, чей диаметр составляет больше половины диаметра самой планеты. Их разделяет лишь 20 000 миль и орбитальный период Харона совпадает с периодом осевого вращения Плутона: 6 дней и 9 часов.



Поясните понятие «энергия». Какие виды энергии вы знаете? В каких системах энергия сохраняется, как закон сохранения энергии связан со свойствами пространства – времени?



Энергия (греч. Energia – действие, деятельность) – общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. Энергия не возникает не из ничего, и не исчезает, она способна лишь переходить из одного состояния в другое.

Термин энергия – впервые введенный в науку Юнгом, автором принципа интерференции световых волн, окончательно вошел в научный обиход в 1849 году, после работ Кельвина. Полная энергия тела складывается из кинетической энергии движения тела как целого, из потенциальной энергии его во внешнем поле сил и внутренней энергии. Внутренняя энергия относительно только к равновесным состоянием систем. Внутренней энергией системы называют такую функцию состояния, приращение которой во всяком процессе, совершаемом системой в адиабатической оболочке, равно внешних сил над системой при переходе из начального состояния в конечное. Увеличение внутренней энергии зависит от молярной теплоемкости вещества. Полная внутренняя энергия определяется кинетической энергией поступательного движения частиц. Поэтому при изменении температуры меняется внутренняя энергия.

Закон сохранения и приращения энергии формируется так: «энергия сохраняется» или «тепло» полученное системой идет на приращение ее внутренней энергии и на производство внешней работы.

Сохраняется именно энергия, а не теплота. Под энергией понимают способность тела совершать работу. Энергия не уничтожается.

Первое начало термодинамики связанно с законом сохранения энергии и приращения энергии.

Превращение внутренней энергии при переходе системы из одного состояния в другое , складывается из суммы работы внешних сил над системой и количества теплоты, полученной системой. Оно требует сохранение энергии изолированной системы.

В изолированных системах при движении сохраняется и полная энергия системы. Потенциальная энергия «уходит» на время кинетической энергии. Силу, которую развивает система при убывании ее потенциальной энергии, выражается через наклон кривой потенциальной энергии, взятой со знаком «минус».

Работа равна изменению потенциальной энергии, той системы на которую воздействует. Сила может увеличивать скорость тела (кинетическую энергию) и его потенциальную энергию. С временем связан закон сохранения энергии, с пространством – закон сохранения импульса.



Как определить возраст археологической находки, нашей планеты? Какие движения легли в основу календаря? Какие календари используются?



В науке о земле для обозначения времен и последовательности образования горных пород, слагающих земную кору, принято считать термин «геохронология». Относительный возраст пород оценивался в одном геологическом разрезе, поскольку каждый налегающий пласт образовался позднее того пласта, на который он ложиться. Геохронологическая школа была принята в 1881 году на Международном геологическом конгрессе, были введены термины: эра, период, эпоха, век, время.

Вся история планеты делится на 2 неравные части. Более молодая, составляющая 570 млн лет и названа фанерозоем, изучена лучше. К ней относятся геологические формации палеозоя, мезозоя, кайнозоя. Более древняя охватывает огромный интервал времени от 570 до 3 800 млн лет назад. Ее называли криптозоем, или периодом со скрытым развитием органической жизни. Хотя криптозой изучен не достаточно, ученые установили необратимый характер осадкообразования и основные тенденции эволюции Земли под влиянием развивающейся жизни.

Возраст планеты рассматривали в каждые годы по разному. Некоторые ученые обращались к времени. Геологи рассматривали временную последовательность «раньше-позже». Он естествен для тех, кто рассматривал историю планеты через наслоение в камне. В 60-80- годы 20 века рассматривали как «прошлое» и «будущее». Современная наука считает, что время вселенной началось 15 млрд лет назад.

Эволюция земли как планеты и эволюция живого взаимосвязаны и взаимозависимы. Развитие человеческой культуры тесно связанно с календарем – системой2 упорядоченного счета времени. Основой появления календаря в древности было развитие связи трудовых процессов с ритмикой природы – сменой дня и ночи, фазы Луны, время года и т.п. Первой единицей меры времени были сутки.

Известно много календарных сооружений, среди них Перуанский календарь (1939) – это огромные четкие рисунки протяженностью в десятки километров. Древнейший каменный календарь – английский Стаухендж (бронзовый период 3-2 тыс. лет до н.э.) – каменные монолиты высотой более 5 метров, стоящие в строгом порядке, причем центральный камень ориентирован на положение восхода солнца в день летнего солнцестояния, а 4 опорных камня – на точки равноденствия. Интересны передвижные календари – Персидский, Вавилонский, Греческий. Новый стиль – Григорианский календарь.



Дайте представления о модели гармоничного осциллятора и использование этой модели. Что такое «когерентность», «резонанс», «поляризация».

Физическая система, совершающая колебания, называется осциллятором. Гармонический осциллятор – определяемый колебаниями массы, прикрепленной одним концом к пружине, является самым простым примером гармонического движения. Если сместить массу, а затем воздействие устранить, то со стороны пружины на массу будет действовать возвращающая сила, направленная в сторону, противоположную силе вызвавшей смещение (трение отсутствует). Для небольших смещений возвращающая сила



F=-kх.



Для закона простого гармонического колебания можно использовать 2 закон Ньютона



F=MW=-KX



откуда ускорение равно



w=-(k/m)x.



Основной закон простого гармонического колебания - ускорение материальной точки математического маятника пропорциональна смещению. при малой амплитуде почти каждый колебательный процесс можно считать гармоническим. Период колебания маятника определяется его длиной и не зависит от массы маятника. Гармонические колебания описываются функцией:



A=A0+Asin(kt+φ0),



где A, A0, φ0, k- постоянные величины. A – амплитуда колебаний, kt+φ0 – фаза, A0 – центр гармонического колебания, k – круговая частота. (2𝜋/k)=T – период колебаний, (1/T)=V – частота.

Если амплитуда убывает, то колебания затухающие, если под действием повторяющейся внешней силы- вынужденные, если за счет внутренних сил системы, после выделения системы из состояния равновесия – свободные колебания.

Гармонический источник возбуждает монохроматическую волну. Если колебание проходит по гармоническому закону, то при распространении волны от источника до точки волна происходит с запозданием. В плоской волне амплитуда одинакова везде, а в сферической – убывает обратно пропорционально квадрату радиуса.

Если тело участвует в нескольких волновых движениях , то эти движения складываются в одно. Волновое движение образуется, если частиц много и они связаны между собой. Каждая из колеблющихся частиц испытывает влияние сил, стремящихся вернуть их в первоначальное положение. Если сами частицы или частицы пружины больших движений не совершают , то вдоль пружины распространяется импульс.

Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при совпадении частот вынуждающей внешней силы с собственной частотой системы, называется резонансом. Явление имеет простой характер, если внешнее воздействие не меняет колебательных свойств системы, и свойства системы не меняют внешнего воздействия. Если отношения частот колебаний кратны отношению целых чисел, эти частицы находятся в резонансе. При этом может происходить взаимодействие тел. Если оно поддерживает кратность частот, то резонанс носит устойчивый характер. Свойства резонанса обеспечивают устойчивость вращения и обращений в солнечной системе.

Одним из свойств волн, которые совершают гармонические колебания, является поляризация. Явление поляризации, свойственно только поперечным волнам, состоит в следующем: луч света, проходя через два кристалла шпата, подвергался двойному лучепреломлению в зависимости от взаимной ориентации осей кристаллов. Двойное лучепреломление всегда возникает при отражении луча от поверхности и только угол меняется в зависимости от коэффициента преломления вещества. Закономерности поляризации были изучены в 1815 году , но были объяснены только через 7 лет. Направление поляризации связывают с направлением вектора, плоскость поляризации – это плоскость содержащая вектор и направление распространения волны. Вектор перпендикулярен плоскости поляризации. Большинство источников испуская некогерентный и неполяризованный свет, когда направление непрерывно меняется в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. При пропускании неполяризованного света через поляризатор можно сделать его поляризованным. В качестве поляризатора может служить экран из тонких параллельных проволочек для микроволнового излучения или фильтр из кристаллической пластинки.

Когерентность – согласованное протекание во времени и в пространстве несколько колебательных и волновых процессов, проявляющихся при их сложении. Когерентность излучения волн синхротрона доказал Прохоров в 1951 году. Его разработки молекулярных стандартов частоты и времени привели к создания первого мазера, после чего были созданы лазеры, мазеры. Лазер использовался дл проверки эффектов теории относительности и приложений к биологии и медицине.

Приведите уравнение состояния идеального газа. Какая величина является мерой средней кинетической энергии молекул? Определить температуру идеального газа, если средняя кинетическая энергия поступательного движения его молекулы, равна 7,87*10Е-21Дж

Идеальный газ – теоретическая модель газа, в которой не учитывается взаимодействие частиц газа (средне кинетическая энергия частиц много больше энергии их взаимодействия). Газ – это совокупность слабо связанных части атомы в газах находятся на значительном расстоянии друг от друга и обладают свободой движения, хаотически сталкиваясь друг с другом и со стенками сосуда. Идеальный газ – это газ молекулы которого пренебрежимо малы, свободно двигаются и сталкиваются по законам упругого удара. Частицы принимаются за материальные точки, взаимодействующие на расстоянии.

Различные тела могут быть в разных агрегатных состояниях – газообразном, жидком, твердом или в виде плазмы. Но они имеют общее в своем строении . элементарная молекулярно- кинетическая теория газов основана на классической механики, а молекулы представляются материальными точками. Газовые законы были получены эмпирически для равновесного состояния.

Газовые законы:

Закон Бойля-Мариота выполняется при постоянной температуре.



P1V1=P2V2,



т.е. описывается изотермой на PV диаграмме.

Закон Гей-Люссака:

Изменение объема с температурой при постоянном давлении.



V=V0(1+𝛽𝛥T);



Т.е описывается изобарой.

3. закон Шарля.

Изменение давления с температурой при постоянном объеме.



P=p0(1+𝛼𝛥T);



Т.е. изохорный процесс. Здесь термический коэффициент давления и коэффициент объемного расширения одинаковы для всех газов и равны (1/273).

Параметры газа связанны между собой уравнением состояния. Уравнение состояния газа ввел Клайперон. Оно связывает давление, объем, температуру заданной массы газа, т.е объединяет все три газовых закона. Он записал объединенный закон Бойля-Мариота и Гей-Люссака в виде



pV=R(267+t).



Клайперон впервые употребил графическое изображение обратимых круговых процессов и вычислил работу как соответствующую площадь на графике.

Уравнение Клайперона-Манделеева получено при обобщении Менделеевым уравнения Клайперона с учетом закона Авогадро – Ампера – Жерара



pV=(m/µ)RT,



где m- масса газа, µ - его молекулярный вес, R – универсальная газовая постоянная, равна 8,31 (Дж/Моль*К). согласно закону Авогадро моли всех газов при одинаковой температуре и давлении занимает одинаковый объем. При нормальных условиях но равен 22,4 л=22,4·10-3 м3.

Так как молекул иного и они часто ударяются о стенку, их действие на поверхность можно заменить одной непрерывно действующей силой. Эта сила сглаживает отдельные точки. Средне кинетическая энергия поступательного движения молекулы газа в состоянии теплового равновесия она одинакова для всех молекул газа, находящихся в тепловом контакте, и для различных молекул газовой смеси.

Температура газа должна определятся средней кинетической энергией его молекул.

Для определения температуры нужно найти величину, которая бы обладала свойствами температуры – быть одинаковой у всех тел, находящихся в состоянии теплового равновесия. Физик Больцман установил, что этим свойствам обладает средне кинетическая энергия поступательного движения молекул:



Еср.=(3/2)kT,



где k=1,38*10-23(Дж/К). значит температура мера средней кинетической энергии поступательного движения идеального газа.

Если средне кинетическая энергия поступательного движения молекулы равна 7,87*10Е-21 Дж, то температура идеального газа =0,26·10-22



Когда возникает металлическая связь? Дайте представление о теории металлов (классической и квантовой), полупроводниках, диэлектриках, изоляторах



Твердые тела, как и жидкость, относят к конденсированным средам. Внутренняя энергия твердого тела состоит из кинетической энергии колебаний и потенциальной энергии связи.

Металлическая связь возникает при сближении атомов на расстоянии, меньшее размеров облака внешних электронов. Согласно принципу Паули, при такой конфигурации растет энергия внешних электронов, и ядра соседей начинают притягивать эти внешние электроны, размывая электронные облака. И внешние электроны, наконец-то, равномерно распределяются по металлу, образуя электронный газ.

Классическая теория металлов разработана в 1900 году ученым П.Друде на основе представлений о носителях тока в металлах. По классической теории металлов, электроны ведут себя как атомы идеального газа. Но в отличии лот молекул идеального газа электроны проводимости сталкиваются не между собой, а с ионами, образующими кристаллическую решетку. Столкновения устанавливают равновесия между этими двумя подсистемами. Согласно кинетической теории, средняя скорость теплового движения электронов равна 105 м/с. Сопротивление металлов объяснялось соударением электронов с ионами, и плотность тока прямо пропорциональна напряженности поля (закон Ома) с коэффициентом проводимости. К концу свободного пробега электрон приобретает дополнительную кинетическую энергию, которую теряет при столкновении с ионом. Эта энергия переходит во внутреннюю и способствует повышению температуры. Количество этой энергии пропорциональна квадрату напряженности поля.

Но классическая теория вызывала противоречия, которые были сняты в квантовой теории металлов. Первым успехом явилось объяснение Эйнштейном в 1906 году малой теплоемкости твердых тел при низких температурах. Теплоемкость твердых тел при малой температуре меняется пропорционально кубу температур. Грюнайзен вывел новое уравнение состояния твердых тел и получил из него зависимость между линейным коэффициентом расширения твердого тела и его сжимаемостью. Внешние электроны обладают коллективными свойствами, и их кинетическая энергия равна (5-10)Эв, вместо 3*10-2Эв. Энергетической состояние любого электрона определяется четырьмя квантовыми числами. Невозбужденное состояние соответствует минимуму свободной энергии. Каждый энергетический уровень при сближении атомов расщепляется, образуя металлическую зону плотно расположенных уровней. Эти зоны разрешенных уровней , разделены промежутками – зонами запрещенных уровней.

Деление веществ по проводимости тока:

Проводники

Полупроводники – они характеризуются тем, что электроны полностью занимают валентную зону. Поэтому для увеличения энергии электрона ему нужно сообщить энергию достаточную для преодоления запрещенной зоны. Поэтому электрические свойства кристалла определяется шириной запрещенной зоны. Полупроводники стали активно выходить в технику в 20 г. 20 века. Появились выпрямители и фотоэлементы. Собственная проводимость возникает в результате переходов электронов с верхних уровней в зону проводимости. Освобождаемое место называется дыркой. В отсутствии поля они движутся хаотически. При включении поля происходит процесс заряда в кристалле, который накладывается на хаотическое движение. Каждой температуре соответствует определенная концентрация электронов и дырок. Примесная проводимость полупроводников возникает, если некоторые атомы в узлах кристаллической решетки заменить на другие, валентность которых отличает на единицу.

Диэлектрики – диэлектрики или изоляторы имеют большую ширину запрещенной зоны, и тепловой энергии уже не достаточно для перевода электронов через нее. Сегнетоэлектрики – группа кристаллических диэлектриков, которая способна к самопроизвольной поляризации в отсутствии внешнего электрического поля. Для каждого сегнетоэлектрика существует область, когда эти свойства проявляются. Поляризация в них возникает при механической нагрузке в степени, пропорциональной степени упругой деформации. Кристаллическая решетка может быть представлена в виде нескольких простых решеток, вставленных друг в друга. Если у кристалла нет центра симметрии, при деформации происходит относительное перемещение простых решеток и возникает поляризация.

Сейчас в природе существуют конденсированные среды, для которых характерно неупорядоченное расположение атомов. Это стекло, сталь, сплавы. Свобода расположения атомов в пространстве изменяет электрические, магнитные, сверхпроводящие свойства этих тел.



Фундаментальные типы взаимодействий в физике. Почему они так называются? Какие законы сохранения фундаментальны для всего естествознания и почему?



Мир не представляется набором тел, он подвижен, активен и все, что заполняет мир, подвержено движению и изменению. Классическая механика признала, что существует движение и без приложенной силы, и только отклонение от прямолинейности равномерности требует силы. Ньютон установил, что сила вызывает ускорение, и получил простую формулу, отражающую эту связь. Механика Ньютона была признана, изменилось описание движений, но происхождение сил в ней не обсуждались.

Существует 4 типа взаимодействия в природе.

Гравитационное: гравитация стала первым исследуемым взаимодействием. Сначала ее связывали только с Землей, считали, что тяжелое стремиться только вниз, а легкое – вверх. По закону всемирного тяготения Ньютона, гравитационные силы прямопропорциональны произведению тяготеющих масс и обратно пропорциональны квадрату расстояния между их центрами. Основное свойство гравитационного взаимодействия – его универсальность. Гравитационные силы действуют по закону обратных квадратов расстояния между массами тел и всегда направлены на притяжение. Гравитация универсальна, все тела подвержены гравитации. Величина гравитационного взаимодействия мала, а между макроскопическими телами она еле заметно. Гравитация – это проявление искривления пространства – времени.

Электромагнитное : обусловлено электрическими и магнитными зарядами. Силы взаимодействия между зарядами зависят от положения и движения зарядов. Если два заряда не подвижны и сосредоточенны в точках на расстоянии, то взаимодействие между ними электрической и определяется законом Кулона. Электрический заряд всегда связан с элементарными частицами. Заряд протона считается – положительным, нейтрона – отрицательным. Магнитные силы порождаются электрическими токами. Поэтому величина е определяет и интенсивность магнитного взаимодействия. Если электрические заряды движутся с ускорением, то они отдают энергию в виде света, радиоволн или рентгеновских лучей. Видимый свет является электромагнитным излучением определенного диапазона частот. Электромагнитное взаимодействие определяет структуру и поведение атомов, удерживают атомы от распада, отвечают за связями между молекулами. Электромагнитные силы действуют по закону обратных квадратов расстояния между электрическими зарядами е1 и е2 , сила электрического взаимодействия направлена вдоль прямой, соединяющей заряды и зависит от их знаков.

Слабое ядерное: сильные и слабые взаимодействия короткодействующие и проявляются только в пределах размеров атомного ядра, т. е в областях порядка 10-14 м. слабое ядерное взаимодействие ответственно за многие процессы. Например, превращение нейтронов в протоны. Эффективность слабого взаимодействия можно охарактеризовать универсальной постоянной связи g(W), определяющей скорость протекания процессов типа распада нейтрона. Это взаимодействие вызывает множество превращений. Сверхновые звезды – пример слабого взаимодействия.

Сильное ядерное: оно препятствует распаду атомных ядер, не будь его, ядра распались бы из-за сил электрического отталкивания протонов. С этим типом взаимодействия связанны энергия, выделяемая солнцем и звездами, превращение в ядерных реакторах и освобождение энергии. Сильное взаимодействие не удовлетворяет закону обратной пропорциональности, как гравитационное или электромагнитное – оно очень резко спадает за пределами эффективной области радиусом около 10-15 м. внутри протонов и нейтронов тоже существует сильное взаимодействие между теми элементарными частицами, их которой они состоят, следовательно, взаимодействие протонов и нейтронов есть отражение их внутренних взаимодействий. Сильные ядерные взаимодействия связывают между собой кварки, входящие в состав протонов и нейтронов и других частиц, которые имеют сейчас адронами. Оно ответственно за удержание протонов и нейтронов в ядре.

Перечисленные виды взаимодействий имеют разную природу. Самым сильным является короткодействующее сильное взаимодействие, электромагнитное слабее его на 2 порядка, слабое на 14 порядков, гравитационное самое слабое.

Идея сохранения энергии можно перейти от механических движений к тепловым далее – к микроструктуре вещества. Таким образом, Вселенная это совокупность частиц, которые могут взаимодействовать только 4 способами, и подчиняться небольшому числу фундаментальных законов



Охарактеризуйте распространенность химических элементов на Земле и в ее биосфере. В чем принципиальное единство химического состава живых организмов и неживой природы



Примерно из ста химических элементов, встречающихся на земле, для жизни необходимы только 16, причем 4 из них: водород (Н), углерод (С), кислород (О) и азот (N), наиболее распространены в живых организмах и составляют 99% массы живого. Биологическое значение этих элементов связанно с их валентностью (1,2,3,4,) и способность образовывать прочные ковалентные связи, которые оказываются прочнее, чем связи, образуемые другими элементами той же валентности. Следующими по важности являются фосфор (P), сера (S), ионы натрия, магния, хлора, калия и кальция (Na,Mg,Ci,K,Ca). В качестве микроэлементов в живых организмов присутствуют железо (Fe), кобальт (Co), медь (Cu), цинк (Zn), бор (B), алюминий (AI), кремний (Si), ванадий (V), молибден (Mo), иод (I), марганец (Mn).

С точки зрения химии – это всевозможные превращения разнообразных крупных и сложных молекул, главным из которых является углерод. В земной коре углерода всего 0,055%, кислорода 60,50%, кремния 20,45% и титана 0,27%. В атмосфере двуокиси углерода 0,03%, т.е. углерода всего 0,008%. Все биологически функциональные вещества, кроме нескольких солей и воды, содержит углерод. Это белки, жиры, углеводы, гормоны, витамины. Число соединений углерода огромно.

Соединениями углерода занимается органическая химия. Органика разлагается, горит при высоких температурах, при сгорании в воздухе углерод окисляется до СО2. Химический характер веществ зависит от природы и количества его составных частей и химического строения соединения. Благодаря этому было сформулировано понятие химического строения как способа связей в молекуле. Структурные формы отражали связь со свойствами вещества, объяснили изомерию, предсказали свойства еще неизвестных соединений, и помогли развить систематику органических соединений.

Свойства углерода – образовывать стабильные кольца и цепи – октан – это 8 атомов углерода в окружении водородных, образующих цепочку, в которой атомы лежат не параллельно, а зигзагообразно, свободно вращаясь в местах сочленения.

Кратные связи, кроме углерода, могут образовывать фосфор и кислород. Размеры органических молекул определяются углеродным скелетом, а химические свойства – присоединенными к нему элементами и химическими группами.

Обменные процессы в живой природе характеризуется круговоротом веществ. В круговорот втянуты все геосферы, в них происходит процесс переноса веществ. Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере осуществляется при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция) или она протекает в среде геохимические особенности которой (кислород, углеродный газ, водород) обусловлены живым веществом, которое в настоящее время населяет биосферу .



Какими методами удалось изучить состав живой клетки и ее молекулярное строение? Каково значение неорганических компонентов клетки в обеспечении процессов ее жизнедеятельности?



Клетка – элементарная живая система. На нашей планете все живое развивалось в несколько миллионов видов, но все они от бактерий до высших живых – состоят из клеток. Об открытии клеточного строения жилого вещества сообщил в 1665 году Гук. Он впервые применил микроскоп для исследования живой ткани, увидел только клеточные стенки отличающиеся размером и толщиной.

Клеточная теория сложилась в течении 19 века в результате микроскопических исследований , когда появились более совершенные микроскопы. Основа клеточной теории: клетка основная структурная единица теории и единица развития живых организмов; ядро – основная составляющая клетки; клетки размножаются только делением; всем клеткам присуща мембранное строение; клеточное строение – свидетельство единого происхождения растительного и животного мира. Современная клеточная теория исходит из единства растленности многоклеточного организма на клетки и его целостности, основанной на взаимодействии клеток. Размеры клеток измеряются в микрометрах (мкм) и в нанометрах (нм).

Ткань образуют клетки одного типа, сгруппированные вместе. Каждый орган состоит из ткани, каждая ткань состоит из клетки. При большем увеличении в клетках можно обнаружить органеллы, выполняющие свой набор функций. В ядре хранится генетическая информация, в секреторных гранулах запасаются вещества, которые затем выделяются из клетки. Наружная мембрана контролирует поступление веществ внутрь клетки и выход из нее. Органелла выполняет свою функцию через серию химический реакций, каждая из которых катализируется ферментом. Органелльная организация клетки играет важную роль в ее функционировании, иначе активность клетки была бы невозможна.

Химический состав клетки: кроме воды (около 70%) в клетке содержаться белки, кислоты, углеводы, жироподобные вещества, ионы минеральных солей. Каждая клетка выполняет свою функцию в организме.

Количество клеток в разных организмах отличается . в соответствии числом клеток все организмы делятся на пять царств.

Вирусы – они в 50 раз меньше бактерий. Они обладают генетическим материалом (ДНК или РНК). Они являются паразитами. Проникнув в чужую клетку, вирусы как бы отключают хозяйскую ДНК и заставляет ее производить только вирусы.

Прокариоты

Эукариоты

Бактерии

Водоросли.

Ядро – основная часть клетки. В ядре различают кариоплазму, хроматин и ядрышко.

Кариоплазма – это жидкая часть ядра, в которой находятся растворенные продукты жизнедеятельности. Под электронным микроскопом ядро выглядит беспорядочно зернистым и только в одной ее части зернистость резко возрастает – образуя ядрышко. Ядро расположено в центральной части клетки, окружена мембранной и содержит ДНК, в ядрышке, которых бывает несколько ,только РНК. Ядрышко – это скопление рибосомальных белков и частей рибосом , в основе которого лежит участок хромосомы, определяющий ее структуру, несущий ген. Благодаря ДНК ядро выполняет свои функции: хранение и воспроизведение генетической информации и регуляции процессов метаболизма в клетке. Жизненный цикл клетки – это промежуток времени от ее возникновения до ее гибели.

Клетки могут делиться и размножаться. Совокупность процессов период к подготовки к делению и сам процесс называется митотическим циклом. Деление клетки делят на : митоз (процесс деления клетки, состоящий в точном распределении генетического материала между дочерними клетками. Деление начинается с ядра, когда хромосомы уже удвоились.); мейоз (делению подвержены только клетки с двойным набором хромосом – диплоидные).

Виды размножения:

Бесполое – новая особь развивается из соматических клеток.

Половое – смена поколений и развитие организмов на основе половых клеток, называемых «гаметами». Половые клетки объединяются и их ядра сливаются с образованием зиготы.

Клетке присуще мембранное строение . среди мембранных органоидов: наружная цитоплазматическая мембрана , эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосомы, митохондрии, пластиды. В основе всех этих органелл лежит биологическая мембрана и все они имею единое строение. Мембрана обеспечивает стабильность химического содержимого клетки и регулирует обмен с окружающей средой. Вещества растворимые в липидах, проходят через мембрану, не растворяясь в ней. Специальные белковые молекулы в мембране переносят различные вещества. Клеточная мембрана, по мимо барьерной функции обеспечивает обмен между цитоплазмой и внешней средой, из которой в клетку поступает вода, ионы, различные молекулы, а выводятся продукты обмена веществ и синтезированные в клетке вещества.

В растительных клетках имеются еще хлоропласты и вакуоли (пространство заполненное клеточным соком).




Литература



Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: учеб. пособие для студ. вузов / Татьяна Яковлевна Дубнищева. — 6-е изд., испр. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2006. — 608 с.

Дубнищева Т.Я. Современное естествознание / Т.Я.Дубнищева, А.Ю.Пигарев. — Новосибирск: ЮКЭА, 1998. — М.: Маркетинг, 2000.

Липкин А. И. Основания современного естествознания. — М.: Вузовская книга, 2001.

Электронный учебник «концепции современного естествознания»

Астрономия с Патриком Муром/ Патрик Мур.- пер. с англ. К. Савельева. – М.: ФАИР_ПРЕСС, 2004.- 368 с.:- (Грандиозный мир).