Содержание


1. Сформулируйте закон сохранения импульса в классической механике и свяжите его с законом динамики Ньютона. Приведите пример использования этого закона. Как он связан со свойствами пространства и времени, и почему этот закон фундаментален?. 3

2. Как измеряются расстояния в микромире? Дайте понятие о метрической системе. Где на Земле можно наиболее приблизиться к центру Земли?. 4

3. Дайте представление о модели гармонического осциллятора и использовании этой модели. Что такое «когерентность», «резонанс», «поляризация»?. 5

4. В чем суть законов Кеплера? Поясните их связь с законом всемирного тяготения. Насколько применима модель, принятая Ньютоном? Что такое «лапласовский детерминизм»?. 6

5. В каких единицах измеряются энергия, работа и мощность? Как эти величины связаны между собой и что они характеризуют? Что такое механический эквивалент теплоты? Какие виды энергии вы знаете? В каких системах она сохраняется и как закон сохранения энергии связан со свойствами пространства-времени?. 8

6. Как соединяются атомы в молекулы? Какие виды химической связи вам известны, какова их энергетическая значимость? Какова роль энергии и энтропии в образовании молекул?. 9

7. Опишите спектр электромагнитного излучения. Как были открыты инфракрасное и ультрафиолетовое  излучение, рентгеновские лучи?. 10

8. Поясните особую роль математики и моделирования в естествознании. Как осуществляется математическое моделирование биологической эволюции?. 11

9. Дайте определение «экосистеме» и «трофическому уровню». Поясните, как происходит передача энергии вверх по трофическим уровням экосистем. Какие модели описывают отношения между трофическими уровнями в биоценозах?. 12

10. Как происходит обмен веществ и энергией в живой клетке? Чем он отличается от обменных процессов в неживой природе? Как вы представляете человека как предмета обществоведения и естествознания? Насколько можно применить естественнонаучные модели к общественным процессам?. 13

Список литературы.. 15


1. Сформулируйте закон сохранения импульса в классической механике и свяжите его с законом динамики Ньютона. Приведите пример использования этого закона. Как он связан со свойствами пространства и времени, и почему этот закон фундаментален?

Из повседневного жизненного опыта мы знаем, что действие, которое может совершить движущееся тело, зависит от его массы и скорости. Так, например, если мяч, летящий с большой скоростью, футболист может остановить ногой или головой, то вагон, движущийся по рельсам даже очень медленно, человек не остановит. Теннисный мяч, попадая в человека, вреда не причиняет, однако пуля, которая меньше по массе, но движется с большой скоростью (600—800 м/с), оказывается смертельно опасной. Молотки разной массы могут оказать одинаковое действие на забиваемый гвоздь при условии, что скорость молотка с меньшей массой при ударе должна быть во столько раз больше, во сколько раз меньше массы другого молотка его масса. Таким образом, всякое движущееся тело можно характеризовать физической величиной, учитывающей как массу, так и скорость этого тела. Такую физическую величину назвали импульсом тела или количеством движения.

Импульсом тела называют векторную физическую величину, являющуюся количественной характеристикой поступательного движения тел. Импульс обозначается р. Импульс тела равен произведению массы тела на его скорость: р = mv. Направление вектора импульса р совпадает с направлением вектора скорости тела 0. Единица измерения импульса — кг • м/с.

Импульсом тела называется произведение массы тела на скорость, с которой это тело движется: =m. Так как масса тела скалярная, а скорость - векторная величина, то импульс тела тоже является векторной величиной. Направление вектора импульса тела совпадает с направлением вектора скорости. Единица импульса тела 1 кг·м/с.[1]

Пусть два тела сначала покоятся в данной инерциальной системе отсчета, а затем в результате какого-либо взаимодействия друг с другом они начинают двигаться в противоположных направлениях со скоростями 1 и 2 (рис. 1). Тогда по определению отношение их масс должно быть обратно пропорционально отношению модулей приобретенных скоростей: m1/m2=v2/v1, из чего следует, что в процессе взаимодействия оба тела приобретают равные по модулю импульсы: m2v2=m1v1 или |1|=|2|. Если же учесть, что эти импульсы как векторы направлены в противоположные стороны, то последняя запись в векторной форме будет выглядеть так: 1=-2. И следовательно 1+2=0. Проанализируем этот результат подробнее.

Рисунок 1

Рис. 1

Прежде всего, учтем, что в нашем примере мы рассмотрели взаимодействие двух тел только друг с другом. Так поступают только в том случае, если можно пренебречь побочными эффектами. Кроме того, надо вспомнить понятие «замкнутая система тел».  Систему тел считают замкнутой, если внешними взаимодействиями по сравнению с внутренними в ней можно пренебречь. В примере, который упоминается выше, система двух тел, взаимодействующих друг с другом, с хорошей степенью точности рассматривалась как замкнутая система. Надо обратить внимание и на то, что до взаимодействия оба тела покоились: импульс каждого из них был равен нулю. После взаимодействия импульсы тел изменились, но суммарный импульс всей системы все равно остался равным нулю.

Мы приходим к очень важному выводу: суммарный импульс замкнутой системы в результате происходящих внутри системы взаимодействий не меняется. Это один из основных законов природы, называемый законом сохранения импульса. Справедливость этого закона подтверждается всей совокупностью физических знаний.

Сформулированный вывод получили из анализа поведения двух тел, покоившихся до взаимодействия. Оказывается, что этот вывод является совершенно общим, справедливым для любой замкнутой системы, состоящей из произвольного числа тел, взаимодействующих друг с другом произвольным образом. Каковы бы ни были импульсы этих тел до взаимодействия и как бы они ни изменились в результате взаимодействия, их суммарный импульс при этом не меняется.

Экспериментальные исследования взаимодействий различных тел — от планет и звезд до атомов и элементарных частиц — показали, что в любой системе взаимодействующих тел при отсутствии действия со стороны других тел, не входящих в систему, или равенстве нулю суммы действующих сил геометрическая сумма импульсов тел действительно остается неизменной.

В механике закон сохранения импульса и законы Ньютона связаны между собой. Если на тело массой т в течение времени t действует сила и скорость его движения изменяется от v0 до v, то ускорение движения а тела равно ответы на экзамен 2004

Ha основании второго закона Ньютона для силы F можно записать ответы на экзамен 2004, отсюда следует:

ответы на экзамен 2004    

 Ft — векторная физическая величина, характеризующая действие на тело силы за некоторый промежуток времени и равная произведению силы на время ее действия, называется импульсом силы. Единица импульса силы в СИ — Н*с.

Закон сохранения импульса лежит в основе реактивного движения. Реактивное движение — это такое движение тела, которое возникает после отделения от тела его части.

Пусть тело массой т покоилось. От тела отделилась со скоростью vl какая-то его часть массой т1. Тогда оставшаяся часть придет в движение в противоположную сторону со скоростью D2, масса оставшейся части т2. Действительно, сумма импульсов обеих частей тела до отделения была равна нулю и после разделения будет равна нулю:

ответы на экзамен 2004

Закон сохранения импульса связан со свойствами однородности пространства. Закон определяет  во многом свойство симметрии материальных тел во Вселенной.


2. Как измеряются расстояния в микромире? Дайте понятие о метрической системе. Где на Земле можно наиболее приблизиться к центру Земли?

Период колебания звуковой волны достигает 0,001 с, радиоволны – 10-6с. Меньшие расстояния связаны с расстояниями в микромире, и их можно измерять через скорость света. За одну миллиардную долю секунды – 10-9с – свет проходит расстояние в 30 см., соответственно, можно рассчитать, что расстояние равное размеру атома, свет проходит за 10-18с, атомного ядра – за 10-24 с. Колебания молекул совершаются за период в 10-12с, атома – 10-15с, ядра – 10-21с.[2]

Метрическая система – это общее название международной десятичной системы единиц, основными единицами которой являются метр и килограмм. При некоторых различиях в деталях элементы системы одинаковы во всем мире.

Метрическая система выросла из постановлений, принятых Национальным собранием Франции в 1791 и 1795 по определению метра как одной десятимиллионной доли участка земного меридиана от Северного полюса до экватора.

Декретом, изданным 4 июля 1837, метрическая система была объявлена обязательной к применению во всех коммерческих сделках во Франции. Она постепенно вытеснила местные и национальные системы в других странах Европы и была законодательно признана как допустимая в Великобритании и США. Соглашением, подписанным 20 мая 1875 семнадцатью странами, была создана международная организация, призванная сохранять и совершенствовать метрическую систему.

Ясно, что, определяя метр как десятимиллионную долю четверти земного меридиана, создатели метрической системы стремились добиться инвариантности и точной воспроизводимости системы. За единицу массы они взяли грамм, определив его как массу одной миллионной кубического метра воды при ее максимальной плотности. Поскольку было бы не очень удобно проводить геодезические измерения четверти земного меридиана при каждой продаже метра ткани или уравновешивать корзинку картофеля на рынке соответствующим количеством воды, были созданы металлические эталоны, с предельной точностью воспроизводящие указанные идеальные определения.

Вскоре выяснилось, что металлические эталоны длины можно сравнивать друг с другом, внося гораздо меньшую погрешность, чем при сравнении любого такого эталона с четвертью земного меридиана. Кроме того, стало ясно, что и точность сравнения металлических эталонов массы друг с другом гораздо выше точности сравнения любого подобного эталона с массой соответствующего объема воды.

В связи с этим Международная комиссия по метру в 1872 постановила принять за эталон длины «архивный» метр, хранящийся в Париже, «такой, каков он есть». Точно так же члены Комиссии приняли за эталон массы архивный платино-иридиевый килограмм, «учитывая, что простое соотношение, установленное создателями метрической системы, между единицей веса и единицей объема представляется существующим килограммом с точностью, достаточной для обычных применений в промышленности и торговле, а точные науки нуждаются не в простом численном соотношении подобного рода, а в предельно совершенном определении этого соотношения». В 1875 многие страны мира подписали соглашение о метре, и этим соглашением была установлена процедура координации метрологических эталонов для мирового научного сообщества через Международное бюро мер и весов и Генеральную конференцию по мерам и весам.


3. Дайте представление о модели гармонического осциллятора и использовании этой модели. Что такое «когерентность», «резонанс», «поляризация»?

Один из наиболее распространённых типов движения механических систем представляют собой малые колебания, которые система совершает вблизи положения равновесия. Наиболее простым с математической точки зрения оказывается описание движения систем, имеющих одну степень свободы. Примером такой системы является тело массой m, расположенное на абсолютно гладкой горизонтальной поверхности и прикреплённое к свободному концу пружины жёсткости k (рис. 1).  Гармонический осциллятор — это грузик на гладком стержне, поддерживаемый с двух концов пружинами. Для него в качестве единственной обобщенной координаты можно взять декартову координату x.

Будем описывать положение тела координатой x и примем за начало отсчёта (x=0) точку равновесия груза на пружине. При смещении тела из положения равновесия на небольшое расстояние x со стороны пружины будет действовать возвращающая сила, пропорциональная величине смещения и направленная в сторону положения равновесия:

F = - kx       (1)


    Знак минус в (1) указывает на то, что сила стремится вернуть тело в положение равновесия. На основании второго закона Ньютона

     

Задача гармонического осциллятора является одной из  самых известных задач классической механики: об одномерном движении материальной точки, удерживаемой у некоторого неподвижного центра силой, пропорциональной расстоянию от него. Изучение этой задачи важно не только само по себе, но и потому, что движение более сложных систем часто можно рассматривать как совокупность нормальных колебаний, формально эквивалентных колебаниям гармонических осцилляторов. В квантовой механике задача линейного осциллятора связана с малыми колебаниями атомов в молекуле. Тепловое движение в кристалле также может быть представлено в виде совокупности линейных гармонических осцилляторов. С задачей о гармоническом осцилляторе сталкиваются и в квантовой электродинамике, где произвольное электромагнитное поле представляется в виде суперпозиции независимых квантовых осцилляторов.[3]

Термин когерентность (от лат. cohaerentia - сцепление, связь) в физике понимается как символ процессов, которые протекают во времени и/или в пространстве согласованным образом. Когерентность обычно проявляется в физических явлениях, обусловленных интерференцией, то есть сложением волн с выраженной фазовой памятью. Это сложение может приводить к усилению волновых полей в определенных областях пространства или в некоторые моменты времени, и тогда говорят о конструктивной интерференции. Интерференция может быть и деструктивной, если она приводит к подавлению волновых процессов.

Поляризация - совокупность явлений волновой оптики, в которых проявляется поперечность электромагнитных световых волн.

Резонанс – резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний.


4. В чем суть законов Кеплера? Поясните их связь с законом всемирного тяготения. Насколько применима модель, принятая Ньютоном? Что такое «лапласовский детерминизм»?

Законы Кеплера - это три закона движения планет относительно Солнца. Установлены Иоганном Кеплером в начале XVII века как обобщение данных наблюдений Тихо Браге. Причем особенно внимательно Кеплер изучал движение Марса. Рассмотрим законы подробнее.

Первый закон Кеплера: Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Форму эллипса степень его сходства с окружностью будет тогда характеризовать отношение: e=c/a, где с - расстояние от центра эллипса до его фокуса; а - большая полуось. Величина "е" называется эксцентриситетом эллипса. При с=0 и е=0 эллипс превращается в окружность.

Второй закон Кеплера: Каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причем площадь сектора орбиты, описанная радиусом-вектором планеты, изменяется пропорционально времени. Применительно к нашей Солнечной системе, с этим законом связаны два понятия: перигелий - ближайшая к Солнцу точка орбиты, и афелий - наиболее удаленная точка орбиты. Тогда можно утверждать, что планета движется вокруг Солнца неравномерно: имея линейную скорость в перигелие больше, чем в афелие.

Третий закон Кеплера: Квадраты времен обращения планеты вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний от Солнца. Этот закон, равно как и первые два, применим не только к движению планет, но и к движению как их естественных, так и искуственных спутников.

Кеплеровские законы были уточнены и объяснены на основе закона всемирного тяготения Исааком Ньютоном. Закон же всемирного тяготения гласит: Сила F взаимного притяжения между материальными точками массами m1 и m2, находящиеся на расстоянии r друг от друга, равна: F=Gm1m2/r^2, где G - гравитационная постоянная. Закон открыт Ньютоном также в XVII веке (понятно, что на основе законов Кеплера).

Таким образом в формулировке Ньютона законы Кеплера звучат так:

- первый закон: под дествием силы тяготения одно небесное тело может двигаться по отношению к другому по окружности, эллипсу, параболе и гиперболе. Надо сказать, что он справедлив для всех тел, между которыми действует взаимное притяжение.

- формулирование второго закона Кеплера не дана, так как в этом не было необходимости.

- третий закон Кеплера сформулирован Ньютоном так: квадраты сидерических периодов планет, умноженные на сумму масс Солнца и планеты, относятся как кубы больших полуосей орбит планет.

Детерминисты считают, что все происходящее в мире рассматривается как следствие действия объективных однозначных законов, а случайность является выражением непознанной необходимости

Причинное объяснение многих физических явлений, т. е. реальное воплощение зародившегося ещё в древности принципа причинности в естествознании, привело в конце XVIII — начале XIX вв. к неизбежной абсолютизации классической механики. Возникло философское учение механический детерминизм, классическим представителем которого был Пьер Симон Лаплас (1749—1827) — французский математик, физик и философ. Лапласовский детерминизм выражает идею абсолютного детерминизма — уверенность в том, что всё происходящее имеет причину в человеческом понятии и есть непознанная разумом необходимость.

Принципы детерминизма были четко сформулированы П. Лапласом в 1775 году в его работе «Опыты философии теории вероятности». Он писал: «ум, которому были бы известны для какого-либо данного момента все силы, одушевляющие природу, если бы вдобавок он оказался достаточно обширным, чтобы подчинить все данные анализу, обнял бы в одной формуле движения величайших тел Вселенной наравне с движениями легчайших атомов; не осталось бы ничего, что было бы для него недостоверно, и будущее, так же как и прошедшее предстало бы перед его взором»

Концепция детерминизма по Лапласу, предполагает однозначность и предопределенность будущего, это вытекает из признания жесткой причинно-следственной связи между событиями и явлениями и отрицает объективность случайности. В мире все объективно предопределено и детерминировано. Не может быть никаких «либо, либо». Будущее также однозначно, как и прошлое. Все, что происходило, происходит и будет происходить в мире, можно сравнить с демонстрацией бесконечного фильма, в котором протекают разные события, его герои живут и умирают, действуют и ошибаются, сталкиваются с кажущимися случайностями и неожиданностями, но все это уже снято на пленку и ничего изменить нельзя. Все запрограммировано объективной детерминистической связью и подчинено жесткому сценарию, созданному самым прозорливым сценаристом — природой. Этот процесс находит отражение в непрерывно действующих причинно-следственных связях.

Лапласовский детерминизм основывается на представлении, согласно которому весь окружающий нас мир — это огромная механическая система, начальное состояние которой является точно заданным и в которой не делается никакого различия между движениями «величайших тел Вселенной и легчайших атомов»

Разумеется, Лаплас отдавал себе отчет в том, что такая ситуация в реальном мире невозможна и поэтому она представляет собой идеализацию, но в то же время нельзя не признать, что в её основе лежит именно механистический взгляд на мир, согласно которому Вселенная уподобляется гигантскому механизму, все будущие состояния которого строго детерминированы или предопределены его начальным состоянием.


5. В каких единицах измеряются энергия, работа и мощность? Как эти величины связаны между собой и что они характеризуют? Что такое механический эквивалент теплоты? Какие виды энергии вы знаете? В каких системах она сохраняется и как закон сохранения энергии связан со свойствами пространства-времени?

Энергия — универсальная мера различ­ных форм движения и взаимодействия. С различными формами движения мате­рии связывают различные формы энергии: механическую, тепловую, электромагнит­ную, ядерную и др. В одних явлениях форма движения материи не изменяется (например, горячее тело нагревает холод­ное), в других—переходят в иную фор­му (например, в результате трения меха­ническое движение превращается и тепло­вое). Однако существенно, что во всех случаях энергия, отданная (в той или иной форме) одним телом другому телу, равна энергии, полученной последним телом.

Изменение механического движения тела вызывается силами, действующими на него со стороны других тел. Чтобы количественно характеризовать процесс обмена энергией между взаимодействующими телами, в механике вводится по­нятие работы силы. Единица работы и энергии — джоуль  ( Дж ): 1 Дж - работа, совершаемая силой в 1 Н на пути в 1м  (1 Дж = 1Н-м).

Переданная в процессе работы энергия также называется работой, а переданная в процессе теплопередачи энергия называется количеством теплоты. Таким образом, работа и количество теплоты - родственные понятия. То и другое выражает собой переданную энергию (а не энергию, содержащуюся в теле), но только переданную разными способами. Рассмотрим понятие работы. Итак, работа есть прежде всего изменение энергии тела. Из определения работы вытекает основная формула, на которую часто приходится опираться в решении задач.

f2_48.gif (245 bytes)

Чтобы охарактеризовать скорость со­вершения работы, вводят понятие мощности:

                                    

За время dt сила  совершает работу , и мощность, развиваемая этой силой, в данный момент времени,

                                            

т. е. равна скалярному произведению век­тора силы на вектор скорости, с которой движется точка приложения этой силы; N — величина скалярная. Единица   мощности — ватт   (Вт): 1 Вт — мощность, при которой за время 1 с совершается работа в 1 Дж (1 Вт=1Дж/с).

Виды энергии можно разделить на две категории: Энергия в открытой форме и в скрытой форме.

а) энергия в скрытой форме (атомная энергия всех химических элементов и химическая энергия всех видов топлива);

б) энергия в открытой форме (энергия движения, тепловая, световая и электрическая).

Закон сохранения энергии связан со свойствами пространства-времени в том, что он поддерживает однородность времени и симметрию, т.е. цикличность и повторяемость событий во времени.[4]


6. Как соединяются атомы в молекулы? Какие виды химической связи вам известны, какова их энергетическая значимость? Какова роль энергии и энтропии в образовании молекул?

Любое химическое вещество образовано большим числом одинаковых частиц или групп частиц (атомов, молекул, ионов), которые обладают одинаковыми свойствами и поэтому связаны между собою одинаково во всём объёме вещества. При достаточно низкой температуре, когда тепловое движение частиц затруднено, такое одинаковое взаимодействие приводит к образованию периодически повторяющейся в пространстве структуры — кристаллической решётки. Образование молекул из атомов приводит к выигрышу энергии, так как в обычных условиях молекулярное состояние устойчивее, чем атомное. Учение о строении атомов объясняет механизм образования молекул, а также природу химической связи.

У атома на внешнем энергетическом уровне может содержаться от одного до восьми электронов. Если число электронов на внешнем уровне атома максимальное, которое он может вместить, то такой уровень называется завершенным. Завершенные уровни характеризуются большой прочностью. Таковы внешние уровни атомов благородных газов: у гелия на внешнем уровне два электрона (s2), у остальных - по восемь электронов (ns2np6). Внешние уровни атомов других элементов незавершенные и в процессе химического взаимодействия они завершаются.

Химическая связь образуется за счет валентных электронов, но осуществляется она поразному. Различают три основных типа химических связей: ковалентную, ионную и металлическую.

Химическая связь — это взаимодействие частиц (атомов, ионов), осуществляемое путем обмена электронами. Различают несколько видов связи.

Ковалентная связь образуется в результате обобществления электронов (с образованием общих электронных пар), которое происходит в ходе перекрывания электронных облаков. В образовании ковалентной связи участвуют электронные облака двух атомов.

Различают две основные разновидности ковалентной связи: а) неполярную и б) полярную.

а) Ковалентная неполярная связь образуется между атомами неметалла одного и того лее химического элемента. Такую связь имеют простые вещества, например О2; N2; C12.

Можно привести схему образования молекулы водорода: ответы на экзамен 2004(на схеме электроны обозначены точками).

б) Ковалентная полярная связь образуется между атомами различных неметаллов.

Схематично образование ковалентной полярной связи в молекуле НСi можно изобразить так:      ответы на экзамен 2004Общая электронная плотность оказывается смещенной в сторону хлора, в результате чего на атоме хлора возникает частичный отрицательный заряд ответы на экзамен 2004, а на атоме водорода — частичный положительный ответы на экзамен 2004. Таким образом, молекула становится полярной: ответы на экзамен 2004[5]

 Ионной называется связь между ионами, т. е. заряженными частицами, образовавшимися из атома или группы атомов в результате присоединения или отдачи электронов/ Ионная связь характерна для солей и щелочей. Сущность ионной связи лучше рассмотреть на примере образования хлорида натрия. Натрий, как щелочной металл, склонен отдавать электрон, находящийся на внешнем электронном слое. Хлор же, наоборот, стремится присоединить к себе один электрон. В результате натрий отдает свой электрон хлору. В итоге образуются противоположно заряженные частицы — ионы Na+ и Сl-, которые притягиваются друг к другу. Следует обратить внимание, что вещества, состоящие из ионов, образованы типичными металлами и неметаллами. Они представляют собой ионные кристаллические вещества, т. е. вещества, кристаллы которых образованы ионами, а не молекулами.

Для ковалентной неполярной, полярной и ионной связи общим является участие в образовании связи внешних электронов, которые еще называют валентными. Различие же состоит в том, насколько электроны, участвующие в образовании связи, становятся общими. Если эти электроны в одинаковой мере принадлежат обоим атомам, то связь ковалентная неполярная; если эти электроны смещены к одному атому больше, чем другому, то связь ковалентная полярная. В случае, если электроны, участвующие в образовании связи, принадлежат одному атому, то связь ионная.

Металлическая связь — связь между ион-атомами в кристаллической решетке металлов и сплавах, осуществляемая за счет притяжения свободно перемещающихся (по кристаллу) электронов (Mg, Fe).

Все вышеперечисленные отличия в механизме образования связи объясняют различие в свойствах веществ с разными видами связей.


7. Опишите спектр электромагнитного излучения. Как были открыты инфракрасное и ультрафиолетовое  излучение, рентгеновские лучи?

Спектр (от лат. - представление, образ, видение). Спектром, в широком смысле, называется совокупность всех значений какой-либо величины.

Спектром электромагнитного излучения называется совокупность всех значений его интенсивностей для любых длин волн, частот или энергий его квантов. Его принято разбивать на несколько диапазонов. Начиная с коротковолнового конца спектра это: гамма, рентгеновский, ультрафиолетовый, видимый, инфракрасный, микроволновой и радио диапазоны. Спектр проявляется в результате разложения - дисперсии - излучения по длинам волн, частотам или энергиям его квантов, либо на основе прямых измерений интенсивностей излучения в различных его диапазонах.

Дисперсия электромагнитного излучения производится в его видимом, ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах с помощью спектрометров. Для исследований спектров этого излучения в гамма-, рентгеновском или радиодиапазоне используются другое оборудование и специализированные для каждого диапазона методики.

Регистрации интенсивностей энергии излучения для тех или иных длин волн, частот или квантов электромагнитного излучения производится с помощью соответствующих приемников излучения. В зависимости от параметров наблюдаемого объекта - агрегатного состояния и температуры - наблюдатель может зафиксировать три различных типа спектров этого излучения - непрерывный спектр, линейчатый спектр излучения и спектр поглощения.

Линейчатый спектр электромагнитного излучения в оптическом диапазоне представляет собой ряд параллельных цветных линий или полос. В невидимых глазом диапазонах излучения характер этого спектра такой же. Излучение с таким спектром испускает нагретый газ, находящийся под не слишком высоким давлением. Положения линий в спектре излучения зависят от химического состава излучающего газа или смеси газов.

Непрерывный спектр электромагнитного излучения в оптическом диапазоне представляет собой сплошную непрерывную цветную полоску с изменением цветов от красного до фиолетового. Если бы человеческий глаз был способен воспринимать электромагнитное излучение в других длинах волн, мы бы увидели продолжение этой непрерывной полоски как в сторону коротких, так и длинных волн. Другими словами, если в потоке излучения присутствуют волны любой длины, оно имеет непрерывный спектр. Такой спектр имеет излучение от нагретых твердых тел, а так же от солнечной и большинства звездных фотосфер.

Спектр поглощения в оптическом диапазоне представляет собой непрерывный спектр с рядом темных линий или полос. В невидимых глазом диапазонах излучения характер этого спектра такой же. Спектром поглощения обладает электромагнитное излучение, которое прошло сквозь газ, имеющий температуру, меньшую, чем у объекта, испускающего это излучение. Положение темных линий и полос в спектре зависит от химического состава поглощающего газа или смеси газов.

ИК-излучение или инфракрасные лучи, это электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны 0,74 мкм) и коротковолновым радиоизлучением (1-2 мм). Инфракрасную область спектра обычно условно разделяют на ближнюю (от 0,74 до 2,5 мкм), среднюю (2,5 - 50 мкм) и далёкую (50-2000 мкм).

Открытие инфракрасного излучения произошло в 1800 г. Английский учёный В. Гершель обнаружил, что в полученном с помощью призмы в спектре Солнца за границей красного света (т. е. в невидимой части спектра) температура термометра повышается. Было доказано, что инфракрасное излучение подчиняется законам оптики и, следовательно, имеет ту же природу, что и видимый свет. В 1923 советский физик А. А. Глаголева-Аркадьева получила радиоволны с длиной волны приблизительно равной 80 мкм, т. е. соответствующие инфракрасному диапазону длин волн. Таким образом, экспериментально было доказано, что существует непрерывный переход от видимого излучения к инфракрасному излучению и радиоволновому и, следовательно, все они имеют электромагнитную природу.

Ультрафиолетовое излучение (УФ) было открыто в 1801 году И. Риттером, У. Гершелем и У. Уолластоном. В спектре оптического диапазона оно занимает чуть более 1%. Фотобиологи условно разделяют весь спектр УФИ на 3 области соответственно его длине волны и особенностям биологического действия. Область А — от 0,400 до 0,320 мкм, которая обладает наиболее выраженным пигментообразованием; область В — от 0,320 до 0,275 мкм; область С — от 0,275 до 0,180 мкм. УФ-излучение проникает в ткани на глубину 0,62 мм. Однако благодаря большой энергии фотона оно оказывает выраженное фотофизическое и фотохимическое воздействие. Естественной реакцией кожи на УФ-излучение является ультрафиолетовая эритема, которая определяет противовоспалительные и обезболивающие свойства УФ-излучения.

8 ноября 1895 г. профессор университета баварского города Вюрцбурга на юге Германии Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923) впервые наблюдал неизвестные ранее лучи, проникающие через непрозрачные преграды.

Очевидцев открытия Рентгена не было. Сам он не рассказывал об истоках опыта, выполненного 8 ноября 1895 г., когда при включении обернутой в светонепроницаемую бумагу высоковольтной вакуумной трубки впервые наблюдал действие неизвестного излучения. Оно сводилось к вспышкам маленьких флуоресцирующих кристаллов, лежащих на лабораторном столе, и бледно-зеленому свечению бумажной ширмочки, покрытой платиносинеродистым барием.


8. Поясните особую роль математики и моделирования в естествознании. Как осуществляется математическое моделирование биологической эволюции?

В математике и логике моделью какой-либо системы аксиом называют любую совокупность (абстрактных) объектов, свойства которых и отношения между которыми удовлетворяют данным аксиомам, служащим тем самым совместным (неявным) определением такой совокупности.

Моделирование в естествознании – это исследование каких-либо явлений природы, процессов или систем объектов природы путем построения и изучения их моделей; использование моделей для определения или уточнения характеристик и рационализации способов построения вновь конструируемых объектов природы.

Примером моделирования может служить разработка модели Земли. В первой половине 20 века норвежские, бельгийские, французские и русские путешественники обследовали приполярные области, составили их описания и карты. В 1909 А. Мохорович выделил планетарную границу раздела, являющуюся подошвой земной коры. В 1916 сейсмолог Б.Б. Голицын зафиксировал границу верхней мантии, а в 1926 Б. Гутенберг установил в ней наличие сейсмического волновода. Этот же ученый определил положение и глубину границы между мантией Земли и ядром. В 1935 Ч. Рихтер ввел понятие магнитуды землетрясения, разработал совместно с Гутенбергом в 1941-45 шкалу Рихтера. Позднее на основе этих сейсмологических и гравиметрических данных была разработана модель внутреннего строения Земли, которая остается практически неизменной до наших дней. С 1980-90-х гг. развивается геофизическая томография, с помощью которой построены сейсмические разрезы нижней и верхней мантии, что в совокупности с геотермическими и другими геофизическими данными позволило осуществить качественное и количественное моделирование мантийной конвекции циркуляционного перемещения вещества мантии.

Математическое моделирование биологической эволюции осуществляется путем выявления функциональных зависимостей в протекании природных процессах.

Значение величины, свойственное тому или иному объекту, меняется при определенном изменении значения другой величины этого объекта. Чтобы выяснить характер зависимости одной величины от другой, проводят серию измерений их значений, а результаты заносят в таблицу. Если по данным таблицы построить график, то можно с достаточной степенью точности определить значение одной величины при значении другой.[6]



9. Дайте определение «экосистеме» и «трофическому уровню». Поясните, как происходит передача энергии вверх по трофическим уровням экосистем. Какие модели описывают отношения между трофическими уровнями в биоценозах?

Экосистема – динамичное целое, состав, структура и роли различных элементов которого постоянно развиваются во времени. Экосистема состоит из сообщества организмов, их окружения и взаимодействий между ними. Экосистемы формируются на очень различных уровнях, начиная от микроучастков и кончая всей биосферой. Лес представляет собой экосистему, наравне со стволом мертвого дерева, рекой, прудом, горой, морем и даже всей планетой.

В зависимости от выполняемых функций в отношении питания все популяции разделяют на три основные группы или трофических уровня: продуценты, консументы и редуценты. Каждый биоценоз в экосистеме включает представителей всех трех трофических групп, хотя эти группы состоят из различных популяций организмов и имеют различный видовой состав. Все организмы, выполняющие в экосистеме (биоценозе) одинаковые трофические функции, составляют определенный трофический уровень.

Первый трофический уровень образуют автотрофные организмы (автотрофы). Они создают уровень первичной продукции и являются первичными продуцентами. Именно они утилизируют внешнюю энергию солнца, создают массу органического вещества (биомассу), являются основой существования жизни вообще и биоценоза в частности. К числу первичных продуцентов относятся растения, фотоавтотрофные бактерии, а также некоторые хемосинтезирутощие бактерии.

В отличие от растений бактерии, грибы и животные не способны строить свое тело из простых химических веществ: им для этого необходимы более сложные органические вещества, богатые энергией. Они получают энергию, питаясь растениями или другими организмами, которые тоже питаются растениями и по характеру питания являются гетеротрофами. Таким образом, они строят свое тело за счет автотрофных организмов, а также организмов, питающихся автотрофами. Их относят к вторичным продуцентам. Количество биомассы, создаваемой на этом уровне, называют вторичной продукцией.

Эту группу организмов объединяют во второй трофический уровень, который представлен так называемыми консументами. Консументы иногда называются также трансформаторами или фаготрофами (от греч. - пожиратель). Гетеротрофы в основном представлены животными, бактериями и грибами, получающими энергию путем усвоения органических веществ, разложения мертвых тканей. Образующиеся в результате жизнедеятельности гетеротрофов простые неорганические соединения усваиваются автотрофами. Консументы выделяют различные биоактивные вещества, стимулирующие или угнетающие другие организмы. В этой группе выделяют несколько порядков: консументы первого порядка, второго порядка и т. д.

Третья группа, обеспечивающая в экосистеме функционирование биоценоза - организмы, разлагающие отходы жизнедеятельности и отмершие организмы до минеральных веществ - редуценты.

Нельзя забывать, что минерализация органических веществ осуществляется не только редуцентами (бактериями, простейшими, грибами), но и консументами - растениями и животными - в процессе метаболизма. Наряду с минеральными солями, они выделяют в окружающую среду диоксид углерода и воду, которые являются конечными продуктами метаболизма.

Первыми участниками процессов разложения мертвой органики становится группа консументов - сапрофаги. Сапрофаги разрушают мертвое органическое вещество. В наземных экосистемах этот первый этап происходит Преимущественно в лесной подстилке и в почве.

Сапрофаги почвы - это беспозвоночные животные: черви, членистоногие, а также множество микроорганизмов. Крупные сапрофаги механически разрушают мертвое органическое вещество, как бы подготавливая его для редуцентов.

Таким образом, на уровне консументов поток органического вещества раздваивается: живое органическое вещество следует по цепям выедания, а мертвое - по цепям разложения.

В наземных экосистемах цепи разложения вносят значительный вклад в круговорот вещества и энергии, в них перерабатывается до 90 % прироста биомассы растений, попадающей в эти цепи в виде опада. В водных же экосистемах большее значение имеют пастбищные цепи.


10. Как происходит обмен веществ и энергией в живой клетке? Чем он отличается от обменных процессов в неживой природе? Как вы представляете человека как предмета обществоведения и естествознания? Насколько можно применить естественнонаучные модели к общественным процессам?

Обмен веществ и энергии в клетке - это совокупность физических, химических и физиологических процессов превращения веществ и энергии в клетке, а также обмен веществами и энергией между клеткой и окружающей средой. Обмен веществ заключается в поступлении из внешней среды в клетку различных веществ, в превращении и использовании их в процессах жизнедеятельности и в выделении образующихся продуктов распада в окружающую среду.

Все происходящие в организме преобразования вещества и энергии объединены общим названием - метаболизм (обмен веществ). На клеточном уровне эти преобразования осуществляются через сложные последовательности реакций, называемые путями метаболизма, и могут включать тысячи разнообразных реакций. Эти реакции протекают не хаотически, а в строго определенной последовательности и регулируются множеством генетических и химических механизмов. Метаболизм можно разделить на два взаимосвязанных, но разнонаправленных процесса: анаболизм (ассимиляция) и катаболизм (диссимиляция).

Анаболизм - это совокупность процессов биосинтеза органических веществ (компонентов клетки и других структур органов и тканей). Он обеспечивает рост, развитие, обновление клетки, а также накопление энергии (синтез макроэргов). Анаболизм заключается в химической модификации и перестройке поступающих с пищей молекул в другие более сложные биологические молекулы. Например, включение аминокислот в синтезируемые клеткой белки в соответствии с инструкцией, содержащейся в генетическом материале данной клетки.

Катаболизм - это совокупность процессов расщепления сложных молекул до более простых веществ с использованием части из них в качестве субстратов для биосинтеза и расщеплением другой части до конечных продуктов метаболизма с образованием энергии. К конечным продуктам метаболизма относятся вода (у человека примерно 350 мл в день), двуокись углерода (около 230 мл/мин), окись углерода (0,007 мл/мин), мочевина (около 30 г/день), а также другие вещества, содержащие азот (примерно б г/день).

Катаболизм обеспечивает извлечение химической энергии из содержащихся в пище молекул и использование этой энергии на обеспечение необходимых функций клетки. Например, образование свободных аминокислот в результате расщепления поступающих с пищей белков и последующее окисление этих аминокислот в клетке с образованием СО2, и Н2О, что сопровождается высвобождением энергии.[7]

Процессы анаболизма и катаболизма находятся в организме в состоянии динамического равновесия. Преобладание анаболических процессов над катаболическими приводит к росту, накоплению массы тканей, а преобладание катаболических процессов ведет к частичному разрушению тканевых структур. Состояние равновесного или неравновесного соотношения анаболизма и катаболизма зависит от возраста (в детском возрасте преобладает анаболизм, у взрослых обычно наблюдается равновесие, в старческом возрасте преобладает катаболизм), состояния здоровья, выполняемой организмом физической или психоэмоциональной нагрузки.

Между обменными процессами в живой и неживой природе есть существенное различие. Так, в неживой природе обменные процессы затухают, поскольку отдавая "большее", природа получает "меньшее", что обусловливает явление энтропии и регрессивную эволюцию. В живой природе и в обществе тот же самый процесс обмена выглядит иначе. Здесь ситуация такова, что отдавая "меньшее" необходимо получать "большее". Отсюда следует противоположный энтропии процесс, обусловливающий прогрессивную эволюцию.

Выходит, что в неживой природе движущей силой эволюции является стремление к тождеству, а в обменном процессе доминирует "сходящаяся" пара противоположностей. Тогда как в живой природе и социуме движущей силой эволюции является стремление к различию, а в обменном процессе доминирует "расходящаяся" пара противоположностей. Желание человека получить нечто требует от него некоторых затрат, которые он оценивает ниже тех благ, которые хочет получить. На этих различиях между элементарными актами неживой, живой и социальной природы, видимо, и надо строить теорию прогрессивной и регрессивной эволюции.

Человек как предмет естествознания – сложная система жизни, которая является с одной стороны продуктом общественных отношений, а с другой стороны результатом длительной биологической эволюции, что обуславливает особенности физиологического, психического и энергетического строения.

Естественные процессы полностью регулируют любые формы жизни во Вселенной, но человек – это существо особенное. Человек единственное существо, имеющее право на  свободу воли, свободу выбора. Поэтому естественные процессы, хоть и регулируют и направляют процесс жизнедеятельности человека и общества, но при этом носят вероятностный характер, как возможный путь развития при определенных условиях.


Список литературы

1.      Дубнищева Т.Я. Концепции Современного естествознания. Основной курс в вопросах и ответах – Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2003.

2.      Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: УМК. – Новосибирск: НГАЭиУ, 2004 – С.185.

3.      Дубнищева Т.Я. Пигарев А.Ю. Современное естествознание. Уч. Пособ. – Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 1998 – с. 95.

4.      Небел Б. Наука об окружающем мире. Как устроен мир. – М.: Мир, 2000.

5.      Пахустов Б.К. Концепции современного естествознания: УМК. – Новосибирск: СибАГС, 2001.

6.      Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учебник. – Новосибирск: ЮКЭА, 1997.


[1] Дубнищева Т.Я. Пигарев А.Ю. Современное естествознание. Уч. Пособ. – Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 1998 – с. 54.

[2] Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учебник. – Новосибирск: ЮКЭА, 1997. – с.65.

[3] Небел Б. Наука об окружающем мире. Как устроен мир. – М.: Мир, 2000. – с. 97.

[4] Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учебник. – Новосибирск: ЮКЭА, 1997. – с. 93.

[5] Пахустов Б.К. Концепции современного естествознания: УМК. – Новосибирск: СибАГС, 2001. – с. 69.

[6] Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учебник. – Новосибирск: ЮКЭА, 1997. – с.48.

[7] Пахустов Б.К. Концепции современного естествознания: УМК. – Новосибирск: СибАГС, 2001. – с. 112.