Концепции современного естествознания

Оглавление.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Часть а.

1. В чем суть научного познания  метода познания?

 

В любой науке процесс  познания начинается либо с наблюдения явлений в естественных условиях, либо со специально поставленных опытов  - экспериментов.

На основе накопленного экспериментального материал строится предварительное научное предположение  о механизме и взаимной связи  явлений – создается гипотеза. Это еще не научная теория.

Некоторые гипотезы оказываются  ошибочными, другие выдерживают проверку опытом и входят в науку в качестве теорий. Теория должна: исходить из небольшого числа фундаментальных положений; быть достаточно общей; быть точной; допускать возможность усовершенствования.

Вся история  науки показывает, что процесс  познания материального мира не заканчивается  четким простым циклом - от опыта  к теории и от теории обратно к  опыту. Очень скоро обнаруживаются новые области явления и накапливаются факты, объяснение которых не укладывается в рамки существующих теорий и требует выдвижения новых гипотез.

2. Какие малые расстояния человек  сумел оценить, и каким образом  получил о них представление?  Где становится существенными  познания о малом? Каковы размеры живых организмов?

 

Возможность изучения микроорганизмов возникла лишь с  развитием оптических приборов. Первый микроскоп был создан ещё в 1610 году Галилеем. В 1665 Роберт Гук впервые  увидел растительные клетки. Однако 30 кратного увеличения его микроскопа не хватило чтобы увидеть простейших и тем более бактерии. Первооткрывателем микромира называют Антони ван Левенгука. В своём письме Лондонскому Королевскому обществу он сообщает как 24 апреля 1676 года микроскопировал каплю воды и даёт описание увиденных там существ, в том числе бактерий. Левенгук считал обнаруженных им микроскопических существ «очень маленькими животными» и приписывал им те же особенности строения и поведения, что и обычным животным.

Техническая микробиология  изучает микроорганизмы используемые в производственных процессах с целью получения различных практически важных веществ: пищевых продуктов, этанола, глицерина, ацетона, органических кислот и др. За время существования микробиологии сформировались общая, техническая, сельскохозяйственная, ветеринарная, медицинская, санитарная ветви.

• Общая изучает наиболее общие закономерности, свойственные каждой группе перечисленных микроорганизмов: структуру, метаболизм, генетику, экологию и т. д.
• Техническая занимается разработкой биотехнологии синтеза микроорганизмами биологически активных веществ: белков, нуклеиновых кислот, антибиотиков, спиртов, ферментов, а также редких неорганических соединений.
• Сельскохозяйственная исследует роль микроорганизмов в круговороте веществ, использует их для синтеза удобрений, борьбы с вредителями.
• Ветеринарная изучает возбудителей заболеваний животных, методы диагностики, специфической профилактики и этиотропного лечения, направленного на уничтожение возбудителя инфекции в организме больного животного.
• Медицинская микробиология изучает болезнетворные(патогенные) и условно-патогенные для человека микроорганизмы, а также разрабатывает методы микробиологической диагностики, специфической профилактики и этиотопного лечения вызываемых ими инфекционных заболеваний.
• Санитарная микробиология изучает санитарно-микробиологическое состояние объектов окружающей среды, пищевых продуктов и напитков, и разрабатывает санитарно-микробиологические нормативы и методы индикации патогенных микроорганизмов в различных объектах и продуктах.

Величина самых крупных  представителей микромира, лежащих  на границе видимости невооруженным  глазом, приблизительно 100 мкм (некоторые диатомовые водоросли , высшие протисты ). На порядок ниже размеры одноклеточных зеленых водорослей и клеток дрожжей , еще ниже размеры, характерные для большинства бактерий . В среднем линейные размеры бактерий лежат в пределах 0,5-3 мкм, но есть среди бактерий свои "гиганты" и "карлики". Например, клетки нитчатой серобактерии Beggiatoa alba имеют диаметр до 50 мкм; Achromatium oxaliferum , считающийся одним из крупных бактериальных организмов, имеет в длину 15-100 мкм при поперечнике примерно 5-33 мкм, а длина клетки спирохеты может быть до 250 мкм. Самые мелкие из известных прокариотных клеток - бактерии, принадлежащие к группе микоплазм . Описаны микоплазы с диаметром клеток 0,1-0,15 мкм.

3. Какой процесс называется волновым? Дайте определение продольным и поперечным волнам. Сформулируйте принцип суперпозиции волн.

 

Процесс распространения колебаний в сплошной среде называется волновым процессом (или волной). При распространении волны частицы среды не движутся вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия. Вместе с волной от частицы к частице среды передаются лишь состояние колебательного движения и его энергия. Поэтому основным свойством всех волн, независимо от их природы, является перенос энергии без переноса вещества.

Среди разнообразных волн, встречающихся  в природе и технике, выделяются следующие их типы: волны на поверхности жидкости, упругие и электромагнитные волны. Упругими (или механическими) волнами называются механические возмущения, распространяющиеся в упругой среде. Упругие волны бывают продольные и поперечные. В продольных волнах частицы среды колеблются в направлении распространения волны, в поперечных частицы колеблются в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения волны.

Принцип суперпозиции (наложения) волн заключается в следующем: в линейных средах волны распространяются независимо друг от друга, то есть волна не изменяет свойства среды, и другая волна распространяется так, будто первой волны нет. Это позволяет вычислять итоговую волну как сумму всех волн, распространяющихся в данной среде.

4. Какие типы взаимодействия  относятся к дальнодействующим?  Как меняется их величина с  расстоянием? Приведите примеры.

 

К дальнодействующим  взаимодействия относятся электромагнитные и гравитационные.

Гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m1 и m2, разделёнными расстоянием r, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния — то есть

Основной закон электростатики это закон Кулона. Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны  произведению модулей зарядов и  обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:

5. В каких системах справедливы  законы сохранения? Сформулируйте  законы сохранения массы, электрического  заряда. Приведите примеры действия  этих законов в окружающей жизни.

 

Законы сохранения справедливы  в изолированных (замкнутых) системах. Замкнутой системой называется такая  система тел на каждое из которых  не действую внешние силы.

Закон сохранения массы — исторический закон физики, согласно которому масса как мера количества вещества сохраняется при всех природных процессах, то есть несотворима и неуничтожима.

Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака. Пример – электризация трением.

6. На основании каких фактов  и гипотез сформировалась квантовая  механика?

 

Этапы развития квантовой  механики выглядят так:

1) в 1905 г. Альберт Эйнштейн построил теорию фотоэффекта. Данная теория была построена с целью развития идей Планка. Эйнштейн предположил, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется квантами. Следовательно, дискретность присуща самому свету;

2) в 1913 г. Бор применяет идею квантов по отношению к планетарной системе атомов. Данная идея Бора привела к научному парадоксу. Согласно Бору, радиус орбиты электрона постоянно уменьшался. Электрон в конце концов должен был просто «упасть» на ядро. Бор решил, что электрон испускает свет не постоянно, а лишь тогда, когда он переходит на другую орбиту;

3) в 1922 г. американец Комптон доказал, что рассеяние света происходит путем столкновения двух частиц;

4) эффект Комптона привел также к парадоксу. Он утверждал о корпускулярно-волновой природе света. И это было явное противоречие: эти два явления не могли смешиваться. В 1924 г. французский ученый Луи де Бройль выдвинул теорию, согласно которой каждой частице надо поставить волну, которая связана с импульсом частицы;

5) австриец Шредингер доказал гипотезу де Бройля. Шредингер придумал уравнение, которое соответствует поведению волн де Бройля. Данное уравнение получило название «уравнение Шредингера»;

6) в 1926 г. ученые-физики проводили опыты, которые экспериментально окончательно подтвердили теорию де Бройля;

7) в 1927 г. Дирак придумывает свое уравнение, которое становится главным аргументом релятивистской квантовой механики. Это уравнение описывает движение электрона во внешнем силовом поле.

Окончательно квантовая  механика как последовательная теория сформировалась благодаря трудам немецкого  ученого – физика В. Гейзенберга, создавшего формальную схему. Особенностью данной схемы было то, что вместо математических координат и математических скоростей фигурировали абстрактные величины, так называемые матрицы.

7. Сформулируйте первое начало  термодинамики. Дайте определение внутренней энергии системы.

 

Первое начало термодинамики  было сформулировано в середине XIX века в результате работ немецкого  учёного Ю. Р. Майера, английского физика Дж. П. Джоуля и немецкого физика Г. Гельмгольца. Согласно первому началу термодинамики, термодинамическая система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии. Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.

Внутренняя энергия тела (обозначается как E или U) — полная энергия этого тела за вычетом кинетической энергии тела как целого и потенциальной энергии тела во внешнем поле сил. Следовательно, внутренняя энергия складывается из кинетической энергии хаотического движения молекул, потенциальной энергии взаимодействия между ними и внутримолекулярной энергии.

8. Дайте определение детерминированному  хаосу. Приведите примеры использования  этого понятия в экономике и социологии.

 

Детермированность подразумевает однозначную взаимосвязь причины и следствия. Хаос подразумевает изменение во времени состояния системы является случайным (его нельзя однозначно предсказать) и невоспроизводимым (процесс нельзя повторить). Понятия детерминизм и хаос прямо противоположны по смыслу. Детерминизм ассоциируется с полной предсказуемостью и воспроизводимостью, хаос - с полной непредсказуемостью и невоспроизводимостью.

В детермированном хаосе будущее однозначно определено начальным состоянием. Однако, процесс эволюции системы сложный, непериодический. Чисто внешне он ничем не отличается от случайного. Однако при более детальном анализе вскрывается одно важное отличие этого процесса от случайного - этот процесс воспроизводим.

Примеры детермированного хаоса: кризисы в экономике, которые связаны с потерей устойчивости одного режима в связи с резким переходом в другой.

На основе детерминированного хаоса можно обеспечить такой  способ защиты авторских прав и прав на интеллектуальную собственность, как снижение качества информационного продукта при общем доступе. Например, музыкальные треки, закодированные с помощью хаоса, будут распространяться в сети без каких-либо ограничений, так что каждый пользователь сможет воспользоваться ими. Однако при прослушивании без специального декодера качество звука будет низким. Распространяемая информация остается открытой и не подпадает под ограничения, накладываемые применением криптографических методов защиты. Кроме того, потенциальный покупатель имеет возможность ознакомиться с продуктом, а уже потом решить, стоит ли приобретать его высококачественную версию.

9. Шар массой в 1 кг, движущийся  со скоростью 10 м/с, сталкивается  с неподвижным шаром с массой  в 5 кг. Удар центральный и абсолютно упругий. Найдите кинетические энергии шаров после удара.

 

m₁ =  1 кг      V₁= 10 м/с

m₂ = 5 кг      V₂= 0 м/с  - шар неподвижный

            m₁*u₁²

E₁’=                         ; где E₁’ – кинетическая энергия первого шара,

                  2                    u_{1 –} скорость первого шара после удара

 

           m₂*u₂²

E₂’=                         ; где E₂’ – кинетическая энергия второго шара,

                  2                    u_{2 –} скорость второго шара после удара

 

          m₁*V₁-m₂*u₂

u₁=

                            m₁

 

         2m₁*V₁

u₂=

                m₁₊m₂

 

              2*1*10        20      10

u₂=                   =        =          (м/с)

           1+5            6         3

 

        1*10-5*10/3       20

u₁=                         = -          (м/с)

1. 3

 

         1*(-20/3)²     

      E₁’=                      =  22,2   (Дж)

                 2                

 

          5*(10/3)²    

         E₂’=                  =  27,78 (Дж)

               2