Контрольная работа по концепции современного естествознания
Вариант №10
Содержание
1. Чем отличается живая система от неживой? Как развивалась биология? В чем суть и значение дарвиновской теории в развитии биологии? Каковы структурные уровни познания живой материи?............................................................................... 4
2. В чем суть концепции атомизма? Какие структуры материи Вам известны? С какими учеными связана данная концепция? Как развивалась концепция атомизма и как она связана с современными проблемами построения единой физической теории? Каковы особенности использования этой модели для описания вещества как системы частиц?............................................................................................................. 6
3. Как происходит процесс теплопередачи? Характеризуйте теплопроводность, конвекцию и излучение и приведите примеры............................................ 12
4. Определите понятия теплоты и температуры. Как связаны эти величины, в каких единицах измеряются? Сколько времени нужно выполнять физические упражнения мощностью в 700 Вт, чтобы сбросить свой вес на 450 г (на расщепление 1 г жира расходуется около 40 к Дж, а 1 г углеводов -
20 кДж) ?........................................................................................................ 14
5. Поясните понятия энтропии и термодинамической вероятности. В чем состоит принцип Больцмана? Что общего между понятиями "энтропия" и "информация"? поясните понятие информация, укажите на ее связь с законом необходимого разнообразия кибернетики........................................................................... 16
6. Что такое - фазовое равновесие, перегретая жидкость? Опишите физическую картину процесса кипения. Как зависит точка кипения от внешнего давления? Какое значение в природе имеют процессы сублимации и десублимации? Приведите примеры......................................................................................................... 18
7. Поясните смысл понятия "фотон". Какие явления, и каким образом были объяснены с помощью квантовой теории света?............................................................ 20
8. Сопоставьте понятия "популяция" и "вид". Докажите, что популяция является единицей эволюции. Почему разные популяции одного вида отличаются по частоте генов?............................................................................................................. 23
9. Как происходит деление клеток, ядра и ДНК? Как реализуется система воспроизводства на молекулярном уровне? В чем особенности биотехнологий: генной и клеточной инженерии, каковы их возможности и перспективы?............. 24
10. Что такое синергетика и каково ее значение для современной картины мира? Какие этапы можно выделить в развитии самоорганизующихся систем? Каково соотношение случайного и закономерного в концепции развития? Поясните понятия "хаоса", "бифуркации", "катастрофы". Опишите процессы самоорганизации материи в процессе эволюции
галактик и звезд............................................................................................. 26
Список литературы............................................................................. 30
1. Чем отличается живая система от неживой? Как развивалась биология? В чем суть и значение дарвиновской теории в развитии биологии? Каковы структурные уровни познания живой материи?
Живые системы отличает от неживых (косных, по выражению В.И. Вернадского) множество признаков, которые перечисляются в любом учебнике школьной биологии. Но по отдельности каждый из этих признаков может быть обнаружен и в системах, которые живыми назвать никак нельзя. Но есть такие признаки, которые, особенно характерны для живых систем и тем не менее нечасто фигурируют в их самых общих описаниях.
Живые организмы являются открытыми системами, потребляющими энергию внешней среды. Все живые организмы содержат четыре главных класса органических соединений: углеводы, лепиды, белки и нуклеиновые кислоты
Развитие, спонтанное повышение степени гетерогенности (разнообразия частей) при укреплении взаимосвязей между ними - один из наиболее характерных признаков живого, будь то индивидуальный организм, популяция или биосфера. Теория биологического поля Гурвича позволяет найти подход к решению принципиальных вопроса о том, как можно объяснить это явление исходя из единого принципа (постулата о существовании такого поля). Но любой процесс, а все жизненные проявления - или, говоря словами Гурвича, Структурированные Процессы невозможно рассматривать без привлечения понятия энергии. Структурно - энергетическая специфичность жизни и ее отличие в этом отношении от процессов, протекающих в неживых объектах, отражена в принципах теоретической биологии, сформулированных Э. Бауэром.
Первый его принцип (постулат, утверждение, вытекающее только из наблюдений и которое может быть отвергнуто только если появятся наблюдения, ему противоречащие) гласит: "Все и только живые системы никогда не находятся в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянно работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях". Другими словами, принципиальное отличие между живыми и неживыми системами Бауэр видит в следующем. Любая живая система с момента своего возникновения уже одарена неким запасом избыточной энергии по сравнению с окружающей ее средой. Эта энергия обеспечивает постоянно реализуемую работоспособность живой системы, а вся ее работа направлена на возрастание или, по меньшей мере, на сохранение достаточного для продолжения жизнедеятельности уровня активности. Бауэр назвал это состоянием "устойчивого неравновесия" живой системы относительно окружающей ее среды.
В современном преставлении биология - совокупность наук о живой природе - об огромном многообразии вымерших и ныне населяющих Землю живых существ, их строении и функциях, происхождении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой. Биология устанавливает общие и частные закономерности, присущие жизни во всех ее проявлениях.
На начальном этапе развития биология носила описательный характер и позднее она была названа традиционной биологией. Объект изучения ее - живая природа в ее естественном состоянии и целостности .
Карл Линней внес значительный вклад в традиционную биологию, создав систему растительного и животного мира и построил наиболее удачную классификацию растений и животных, подробно описав около 1500 растений. Классификация производилась по определенным признакам, отражающим закономерности в живой природе.
Материал традиционной биологии накапливается в результате непосредственного наблюдения объекта изучения - живой природы, воспринимаемой как единое целое во всем многообразии ее форм и проявлений.
Эволюционная биология построена на концепции развития в биологии. Эв., биология начиналась с теории Ч. Дарвина. Эволюция, по Дарвину, осуществляется в результате, взаимодействия 3 основных факторов: изменчивости, наследственности и естественного отбора. Изменчивость служит основой образования новых признаков и особенностей в строении и функциях организмов. Наследственность закрепляет эти признаки. Под действием естественного отбора устраняются организмы, не приспособленные к условиям существования. Благодаря наследственной изменчивости и непрерывному действию естественного отбора организмы в процессе эволюции накапливают все новые приспособительные функции, что, в конечном счете, ведет к образованию новых видов.
Выделяют следующие уровни познания живой материи:
· Клеточный: уровень элементарной жизни, мельчайший элемент организма, изучаются особенности строения, взаимодействия с окружающей средой, влияние окружающей среды на клетку и ее реакции и т.д.;
· Межклеточный: особенности взаимодействия клеток, взаимные реакции, влияние друг на друга;
· Организменный: строение организма, его функционирование (жизнь), взаимодействие организма с окружающей средой и влияние внешней среды на организм;
· Межорганизменный: особенности взаимодействия организмов, взаимное влияние.
2. В чем суть концепции атомизма? Какие структуры материи Вам известны? С какими учеными связана данная концепция? Как развивалась концепция атомизма и как она связана с современными проблемами построения единой физической теории? Каковы особенности использования этой модели для описания вещества как системы частиц?
Атомизм, атомное учение, атомистика, учение о прерывистом, дискретном (зернистом) строении материи. А. утверждает, что материя состоит из отдельных чрезвычайно малых частиц; до конца 19 в. они считались неделимыми. Для современного А. характерно признание не только атомов, но и других частиц материи как более крупных, чем атомы (например, молекул), так и более мелких (атомные ядра, электроны и др.). С точки зрения современного А., электроны суть "атомы" отрицательного электричества, фотоны - "атомы" света и т.д. А. распространяется и на биологические явления, в том числе на явления наследственности. В более широком смысле под А. понимается иногда дискретность вообще какого-нибудь предмета, свойства, процесса.
А. выступал почти всегда как материалистическое учение. Поэтому борьба вокруг него отражала, прежде всего, борьбу между материализмом и идеализмом в науке А. уже с древности был направлен против идеалистического и религиозного взгляда на мир, ибо всё сущее он объяснял при помощи частиц материи, не прибегая к сверхъестественным причинам. Материалистическое течение в А. исходит из тезиса, согласно которому атомы материальны, существуют объективно и познаваемы. Идеалистическая позиция выражается в отрицании реальности атомов; в объявлении их лишь удобным средством систематизации опытных данных, в отрицании их познаваемости.
Атомистические воззрения первоначально (на Др. Востоке, в античных Греции и Риме, отчасти в средние века у арабов) были лишь гениальной догадкой, превратившейся затем в научную гипотезу (17,18 вв. и первые две трети 19 в) и, наконец, в научную теорию. С самого зарождения и до конца 1-й четверти 20 в. в основе А. лежала идея о тождестве строения макро - и микрокосмоса . Из непосредственно наблюдаемой расчленённости видимого макромира (прежде всего звёздного) на отдельные более или менее обособленные друг от друга тела был сделан вывод, что природа, будучи единой, должна быть устроена в малейшей своей части так же, как и в величайшей. Древние атомисты считали поэтому непрерывность материи кажущейся, как кажется издали сплошной куча зерна или песка, хотя она состоит из множества отдельных частичек.
Известны следующие структурные уровни материи:
1. Атомарный - уровень элементарных частиц;
2. Молекулярный - уровень межатомарного взаимодействия, образование молекул;
3. Вещественный - уровень объединения материи в различные структуры, образование веществ.
Признание единства строения макро - и микрокосмоса открывало путь к перенесению на атомы таких механических, физических или химических свойств и отношений, которые обнаруживались у макротел. Исходя из теоретически предугаданных свойств атомов, можно было сделать заключение о поведении тел, образованных из атомов, а затем экспериментально проверить это теоретическое заключение на опыте.
Идея о полном подобии строения макро - и микрокосмоса, казалось бы, окончательно восторжествовала после создания в начале 20 в. планетарной модели атома, основу которой составляло положение, что атом построен подобно миниатюрной Солнечной системе, где роль Солнца выполняет ядро, а роль планет - электроны, вращающиеся вокруг него по строго определенным орбитам. Почти вплоть до 2-й четверти 20 в. идея единства строения макро - и микрокосмоса понималась слишком упрощённо, прямолинейно, как полное тождество законов и как полное сходство строения того и другого. Отсюда микрочастицы трактовались как миниатюрные копии макротел (как чрезвычайно малые шарики), двигающиеся по точным орбитам, которые совершенно аналогичны планетным орбитам, с той лишь разницей, что небесные тела связаны силами гравитационного взаимодействия, а микрочастицы - электрического. Такая форма А. названа классическим А.
Современный А., воплотившийся в квантовую механику, не отрицает единства природы в большом и малом, но раскрывает качественное различие микро - и макрообъектов: микрочастицы представляют единство противоположностей прерывности и непрерывности, корпускулярности и волнообразности. Это не шарики, как думали раньше, а сложные материальные образования, в которых дискретность (выраженная в свойствах корпускулы) определенным образом сочетается с непрерывностью (выраженной в волновых свойствах). Поэтому и движение таких частиц (например, электрона вокруг атомного ядра) совершается не по аналогии с движением планеты вокруг Солнца (т.е. не по строго определённой орбите), а скорее по аналогии с движением облака ("электронное облако"), имеющего как бы размытые края. Такая форма А. названа современным (квантово-механическим) А.
После открытия электрона (английский физик Дж.Дж. Томсон, 1097), создания теории квантов (М. Планк, 1900) и введения понятия фотона (А. Эйнштейн, 1905) А. принял характер физического учения, причём идея дискретности была распространена на область электрических и световых явлений и на понятие энергии, учение о которой в 19 в. опиралось на представления о непрерывных величинах и функциях состояния. Важнейшую черту современного А. составляет А. действия, связанный с тем, что движение, свойства и состояния различных микрообъектов поддаются квантованию, т.е. могут быть выражены в форме дискретных величин и отношений. В итоге вся физика микропроцессов, поскольку она носит квантовый характер, оказывается областью приложения современного А. Постоянная Планка (квант действия) есть универсальная физическая константа, которая выражает количественную границу, разделяющую две качественно различные области: макро - и микроявлений природы. Физический (или квантово-электронный) А. достиг особенно больших успехов благодаря созданию (Н. Бор, 1913) и последующей разработке модели атома, которая с физической стороны объясняла периодическую систему элементов. Создание квантовой механики (Л. де Бройль, Э. Шрёдингер, В. Гейзенберг, П. Дирак и др., 1924-28) придало А. квантово-механический характер. Успехи ядерной физики, начиная с открытия атомного ядра (Э. Резерфорд, 1911) и кончая открытием серии элементарных частиц, особенно нейтрона (английский физик Дж. Чедвик, 1932), позитрона (1932), мезонов различной массы, гиперонов и др., также способствовали конкретизации А. Одновременно в 20 в. шло развитие химического А. в сторону открытия частиц более крупных, чем обычные молекулы (коллоидные частицы, мицеллы, макромолекулы, частицы высокомолекулярных, высокополимерных соединений); это придавало А. надмолекулярно-химический характер. В итоге можно выделить главные виды А., которые явились вместе с тем историческими этапами в развитии А.: 1) натурфилософский А. древности, 2) механический А.17-18 вв., 3) химический А. 19 в. и 4) современный физический А.
С открытиями в области А. связаны крупные научные эпохи. "Новая эпоха начинается в химии с атомистики..., - писал Энгельс, - а в физике, соответственно этому, - с молекулярной теории". Революцию в физике на рубеже 19 и 20 вв. вызвали, по словам В.И. Ленина, "новейшие открытия естествознания - радий, электроны, превращение элементов... ". Начало века атомной энергии непосредственно связано с дальнейшим развитием современным физическим А.
Неисчерпаемость электрона наглядно обнаружилась после неудачи попыток построить модель атома, исходя из представления об электронах-шариках (или даже точках), наделённых определенной массой и зарядом и двигающихся вокруг ядра по законам классической механики. Ядерная же физика показала, что электрон может рождаться из нейтрона, гиперонов и мезонов (с выделением нейтрино), может поглощаться и исчезать как частица в атомном ядре (при захвате), может сливаться с позитроном, словом, испытывать такие многообразные и сложные коренные превращения, которые неоспоримо свидетельствуют о его реальной неисчерпаемости. В истории познания каждый крупный успех А. составлял не только революцию в физическом учении о материи и её строении, но вместе с тем очередное поражение идеалистического взгляда на природу (хотя сам по себе А., конечно, отнюдь не всегда и не во всех своих конкретных формах непосредственно выражал научную истину). Так, открытие Дальтоном закона простых кратных отношений в химии привело в начале 19 в. к крушению идеалистической теории динамизма (Кант, Шеллинг, Гегель и др.), согласно которой основу природы составляет не материя, а прерывные силы. В конце 19 в. в физике и химии получило распространение феноменологическое, агностическое течение, связанное с термодинамикой и наиболее отчётливо обнаружившееся в энергетическом мировоззрении (В. Оствальд, 1895). Энергетизм, как и махизм, отрицал реальность атомов и молекул; он пытался построить всю физику и химию на представлении о чистой энергии, комплексом различных видов которой объявлялась сама материя и все её свойства. Успехи физики и химии на рубеже 19 и 20 вв., особенно подсчёт числа ионов - газовых частиц, несущих электрические заряды, а также изучение "броуновского движения" и др. показали совпадение значений Авогадро числа, определённого самыми различными физическими методами. В 1908 Оствальд признал своё поражение в борьбе против А. "Я убедился, что в недавнее время нами получены экспериментальные подтверждения прерывного, или зернистого, характера вещества, которое тщетно отыскивала атомистическая гипотеза в течение столетий и тысячелетий. Изолирование и подсчет числа ионов в газах..., а также совпадение законов броуновского движения с требованиями кинетической теории... дают теперь самому осторожному ученому право говорить об экспериментальном подтверждении атомистической теории вещества... Тем самым атомистическая гипотеза поднята на уровень научно обоснованной теории".
В конце 1-й четверти 20 в. оказалось, что выбрасываемые при b-распаде электроны уносят только часть энергии, теряемой ядром. Отсюда был сделан вывод, что другая её часть попросту уничтожается. Материалистическое решение возникшей трудности (В. Паули, 1931) состояло в предположении, что при b-распаде наряду с электроном из ядра вылетает другая, неизвестная ещё частица материи, с очень малой массой и электрически нейтральная, которую назвали "нейтрино". Без представления о нейтрино невозможно понять многие ядерные превращения, а также и превращения элементарных частиц (мезонов, нуклонов, гиперонов).Т. о., и здесь успех А. принёс поражение идеализму в физике.
После открытия позитрона И. и Ф. Жолио-Кюри наблюдали (1933) превращение позитронов и электронов в фотоны; наблюдалось также рождение пары - электрона и позитрона - при прохождении фотона - g-лучей вблизи атомного ядра. Эти явления были истолкованы как аннигиляция (уничтожение) материи и как её рождение из энергии. Развивая А., физики-материалисты (С.И. Вавилов, Ф. Жолио-Кюри и др.) показали, что в данном случае происходит взаимопревращение одного физического вида материи (вещества) в другой её вид (свет). Следовательно, и в этом отношении А. нанёс своими открытиями удар идеализму.
3. Как происходит процесс теплопередачи? Характеризуйте теплопроводность, конвекцию и излучение и приведите примеры.
Процессы теплопередачи, как внутри одного тела, так и от одного тела к другому, находящимся с ним в прямом контакте, происходят по той причине, что кинетическая энергия атомов и молекул из участков, где она выше, под влиянием упругих соударений с соседними атомами переходит в области, где кинетическая энергия атомов и молекул меньше. В соответствии с этим, описание процессов теплопередачи должно осуществляться не на основе разности температур, как это делалось до сих пор, а на основе разности их внутренних энергий теплового движения.
Поэтому процесс переноса тепла от тела с большей кинетической энергией к телу с меньшей кинетической энергией может происходить, даже если температура первого меньше температуры второго, т.е. тепло может переходить от более холодного тела к более горячему, что противоречит формулировке второго закона термодинамики. Его следует сформулировать более точно: тело с меньшей кинетической энергией теплового движения атомов (молекул) не может отдать тепло телу, атомы (молекулы) которого обладают большей кинетической энергией теплового движения.
Если привести в соприкосновение два разных металла или полупроводника с сильно отличающимися характеристическими температурами, то, кроме контактной разности температур, возникает и контактная разность потенциалов. Не исключено поэтому, что, составив замкнутую электрическую цепь, за счет контактной разности температур и потенциалов можно получить электродвижущую силу и создать, таким образом, новый прямой способ преобразования тепловой энергии окружающей среды в электрическую - один из способов, предложенных П.К. Ощепковым.
Кроме основной, традиционной, формулировки второго закона термодинамики (тело с более низкой температурой самопроизвольно не может отдавать тепло телу с более высокой температурой), существуют еще две. Одна из них: при всех процессах в замкнутых системах энтропия не убывает. Эта, претендующая на всеобщий закон, формулировка абстрактна, и ее правильность, по мнению С.В. Цивинского, не подтверждена ни экспериментами, ни безупречными теоретическими выводами. Более того, правильность этой формулировки, как закона природы, не подтверждается даже простым рассмотрением процесса смешения двух идеальных одноатомных газов в замкнутой системе: никакого изменения энтропии здесь не будет. Понятие энтропии не пригодно для точного описания тепловых процессов, так же, как и традиционная формулировка второго закона термодинамики.
Теплопроводность является одним из видов переноса тепла. Способность вещества проводить теплоту характеризуется коэффициентом теплопроводности l. Согласно основному закону теплопроводности (закону Фурье - q = - l grad t) коэффициент теплопроводности равен плотности теплового потока q при градиенте температуры 1 К/м. Наименьшим коэффициентом теплопроводности обладают газы, наибольшим - металлы. Для сравнения воздух имеет l "0,025 Вт/(мЧК), вода l" 0,6 Вт/(мЧК), сталь l "50 Вт/(мЧК), серебро и медь l" 400 Вт/(мЧК). В ограждениях холодильников используемые строительные материалы (кирпич, бетон) имеют l "0,7…1,0 Вт/(мЧК), а теплоизоляция (пенопласты, минеральная вата l "0,04…0,09 Вт/(мЧК).
Теплоотдача путем конвекции - перемещение частиц газа или жидкости, смешивание их нагретых слоев с охлажденными. В воздушной среде даже в условиях покоя на теплоотдачу конвекцией приходится до 30% потерь тепла. Роль конвекции на ветру или при движении человека еще более возрастает.
Передача тепла излучением от нагретого тела к холодному совершается согласно закону Стефана-Больцмана и пропорциональна разности четвертых степеней температуры кожи (одежды) и поверхности окружающих предметов. Этим путем в условиях "комфорта" раздетый человек отдает до 45% тепловой энергии, но для тепло одетого человека особой роли теплопотери излучением не играют.
4. Определите понятия теплоты и температуры. Как связаны эти величины, в каких единицах измеряются? Сколько времени нужно выполнять физические упражнения мощностью в 700 Вт, чтобы сбросить свой вес на 450 г (на расщепление 1 г жира расходуется около 40 к Дж, а 1 г углеводов - 20 кДж) ?
Температура - характеристика степени нагретости тела. Теплота кинетическая часть внутренней энергии вещества, определяемая интенсивным хаотическим движением молекул и атомов, из которых это вещество состоит . Мерой интенсивности движения молекул является температура. Количество теплоты, которым обладает тело при данной температуре, зависит от его массы; например, при одной и той же температуре в большой чашке с водой заключается больше теплоты, чем в маленькой, а в ведре с холодной водой его может быть больше, чем в чашке с горячей водой (хотя температура воды в ведре и ниже).
Количество тепловой энергии в веществе нельзя определить, наблюдая за движением каждой его молекулы по отдельности. Напротив, только изучая макроскопические свойства вещества, можно найти усредненные за некий период времени характеристики микроскопического движения многих молекул. Температура вещества - это средний показатель интенсивности движения молекул, энергия которого и есть тепловая энергия вещества.
Тепловое равновесие. Очевидно, что если два тела A и B плотно прижать друг к другу, то, потрогав их спустя достаточно долгое время, мы заметим, что температура их одинакова. В этом случае говорят, что тела A и B находятся в тепловом равновесии друг с другом. Однако тела, вообще говоря, не обязательно должны соприкасаться, чтобы между ними существовало тепловое равновесие, - достаточно, чтобы их температуры были одинаковыми. В этом можно убедиться с помощью третьего тела C, приведя его сначала в тепловое равновесие с телом A, а затем сравнив температуры тел C и B. Тело C здесь играет роль термометра. В строгой формулировке этот принцип называется нулевым началом термодинамики: если тела A и B находятся в тепловом равновесии с третьим телом C, то эти тела находятся также в тепловом равновесии друг с другом. Этот закон лежит в основе всех способов измерения температуры.
Теплота представляет собой одну из форм энергии, а поэтому должна измеряться в единицах энергии. В международной системе СИ единицей энергии является джоуль (Дж). Допускается также применение внесистемных единиц количества теплоты - калорий: международная калория равна 4,1868 Дж, термохимическая калория - 4,1840 Дж. В зарубежных лабораториях результаты исследований часто выражают с помощью т. н.15-градусной калории, равной 4,1855 Дж. Выходит из употребления внесистемная британская тепловая единица (БТЕ): БТЕсредн = 1,055 Дж.
Время выполнения физических упражнений зависит от мощности этих упражнений и скорости (интенсивности) их выполнения.
Т = Р / V. Скорость расщепления зависит от веса, которую необходимо сбросить и энергии расщепления жира и углеводов.
V = m* (m*v2/2) = 0.25 * 0.04*105/2 = 200;
V = 0.2*0.02*105/2 = 40;
Таким образом, t = 700 / 240 = 3 часа.
5. Поясните понятия энтропии и термодинамической вероятности. В чем состоит принцип Больцмана? Что общего между понятиями "энтропия" и "информация"? поясните понятие информация, укажите на ее связь с законом необходимого разнообразия кибернетики.
Энтропия - степень хаоса или беспорядка в системе. Второе начало термодинамики определяет важную тенденцию в эволюции физического мира - с течением времени в замкнутой изолированной системе энтропия должна возрастать. В результате энергии распределяются по рангам так, что высший занимают те, которые способны превратиться в большее число видов энергии. Тогда низший ранг останется теплоте, превращения которой ограничены принципом Карно. Из энергий, встречающихся в физике и химии, высший ранг имеют механическая и электрическая энергии, промежуточный - химическая энергия (из-за тепловых явлений, сопровождающих химические реакции). Психологически удобно, поскольку наш ум привык негативно воспринимать потерю чего-либо, пользоваться величиной, равной энтропии, но с обратным знаком, которую предложил ввести Шредингер. Один из творцов теории информации французский физик Бриллюэн (1889-1969) назвал ее негэнтропией: N = - S. Негэнтропия представляет качество энергии, а принцип Карно выражает закон оценивания энергии, ее деградации. Система, способная производить механическую работу (сжатая пружина, заряженная батарея, поднятый над Землей груз), может рассматриваться как источник негэнтропии, и, совершая работу, она теряет ее запас.
Во второй половине нашего столетия проблема информации стала одной из самых актуальных научных проблем, обсуждаемой в разных аспектах и на разных уровнях. Так, специалист в области передачи информации уделил бы основное внимание, например, количественным характеристикам, кодированию, влиянию шумов, помех, специалист по информатике интересуется поиском и хранением информации, информационным обеспечением науки и т.п.
Развитие науки о системах управления и кибернетики выдвинуло задачу исследования природы и сущности информационных процессов, без которых немыслима работа ЭВМ и систем управления. Исследования генетиков привели к выводу, что в основе биологической наследственности также лежит информация, благодаря которой живое воспроизводит себя в потомстве. В нейрофизиологии представление об информации позволило сформулировать закон о пропорциональности ощущения логарифму возбуждения, поскольку нервные волокна, передающие сигнал от акцепторов к мозгу, действуют по принципу идеального канала связи. Специалист по семантике смотрит на информацию как на систему знаков.
В обыденном сознании, по мнению академика В.М. Глушкова, понятие информации охватывает как те сведения, которыми располагают и обмениваются люди, так и те, что существуют независимо от них. Объем этой информации растет, так что можно говорить об информационном буме.
Прогресс кибернетики связан и с совершенствованием средств оценки измерений информации. Винер, один из создателей этой науки, не дал определения информации, но отметил, что "это не материя, и не энергия", это просто "информация". В 1927 г. Р.В. Хартли предложил исходить из того, что количество информации, заключенной в любом сообщении, связано с количеством возможностей, исключающихся этим сообщением.
Клод Шеннон и Уоррен Уивер в своем фундаментальном труде "Математическая теория связи" (1949 г) развили идею Хартли и представили формулу вычисления количества информации, в которой последняя возрастала с уменьшением вероятности отдельного сообщения. Так информация была ими определена как мера свободы чьего-либо выбора, как логарифм доступных выборов.
В 40-х годах Шеннон, исследуя пропускную способность каналов связи, вывел простую формулу, по которой можно рассчитать количество информации, отвлекаясь от ее качественных характеристик. Количество информации стали понимать как меру упорядоченности структур в противовес мере хаоса - энтропии.
Эта формула была функционально эквивалентна формуле, написанной Планком для термодинамической энтропии. Ряд ученых предполагали огромные возможности, открывающиеся из-за этого совпадения. Другие были осторожными в своих оценках. Эшби, например, заметил: "Движение в этих областях напоминает движение в джунглях, полных ловушек".
6. Что такое - фазовое равновесие, перегретая жидкость? Опишите физическую картину процесса кипения. Как зависит точка кипения от внешнего давления? Какое значение в природе имеют процессы сублимации и десублимации? Приведите примеры.
Нальем в сосуд водопроводной воды и поместим над горелкой. Вскоре на дне и стенках сосуда мы заметим многочисленные пузырьки. Они содержат водяной пар и воздух, который всегда растворен в воде за счет явления диффузии.
Рассмотрим пузырек, возникающий около горячего дна. Увеличиваясь в объеме, пузырек увеличивает площадь своего соприкосновения с еще недостаточно прогревшейся водой. В результате воздух и пар внутри пузырька охлаждаются, их давление уменьшается, и тяжесть слоя воды "захлопывает" пузырек. В этот момент закипающая вода издает характерный шум. Он возникает из-за ударов воды о дно сосуда там, где захлопываются пузырьки. Постепенно вода прогревается, и давление пара внутри пузырьков уже не уменьшается. Пузырьки перестают схлопываться и начинают расти. С этого момента шум становится тише. По мере увеличения объема пузырьков возрастает архимедова сила, и они начинают всплывать.
Итак, кипением называется интенсивное (бурное) парообразование, происходящее по всему объему жидкости внутрь возникающих и всплывающих на поверхность многочисленных пузырей пара.
Опыты показывают, что во время кипения температура жидкости и пара над ее поверхностью одинакова и остается постоянной до полного выкипания жидкости. Поэтому температура кипения - одна из характеристик вещества.
По мере кипения масса жидкости уменьшается (говорят, что она "выкипает"). Пар, покидающий сосуд, уносит с собой часть внутренней энергии. Поэтому для поддержания кипения жидкости необходимо постоянно передавать ей теплоту. Измерив массу выкипевшей жидкости, легко подсчитать количество теплоты, затраченное на образование пара. Для этого служит формула Q=rm, изучение которой предусмотрено на факультативных занятиях.
Кипение не при атмосферном давлении. Оказывается, что слова "кипяток" и "горячий" - не синонимы, то есть имеют разный смысл. Чтобы уяснить эту разницу, рассмотрим опыт. Возьмем колбу и вскипятим в ней воду. Немного подождем, чтобы вода чуть-чуть остыла, а затем закроем колбу пробкой с трубкой, присоединенной к насосу. Откачав из колбы воздух, мы заставим воду кипеть вновь!
Итак, опытным путем мы установили, что при уменьшении давления жидкость начинает кипеть при меньшей температуре. Будет верным и обратное утверждение: увеличение давления на поверхность жидкости приведет к возрастанию температуры ее кипения. Объясним этот факт.
Рассмотрим давление, воздействующее на зарождающийся пузырек пара. Оно складывается из гидростатического давления слоя жидкости (pж=rgh) и внешнего давления (pатм = 101,3 кПа), которое передается пузырьку через слой жидкости согласно закону Паскаля. Если какое-либо из этих давлений вдруг уменьшится, то давление пара внутри пузырька сможет расширять его даже при меньшей температуре, что мы и наблюдали на опыте. И наоборот: увеличение давления на зарождающийся пузырек (например, по причине толстого слоя налитой воды) приведет к необходимости прогрева жидкости до более высокой температуры. Только в этом случае давление пара сможет расширять пузырьки, заставляя воду кипеть.
Сублимация - это переход состояние через фазу - т.е. из твердого в газообразное. Десублимация - переход агрегатного состояния через фазу в обратном направлении - из газообразного в твердое. Переход вещества из твердого состояние непосредственно в газообразное можно наблюдать, например, в оболочках кометных хвостов. Когда комета находится далеко от Солнца, почти вся ее масса сосредоточена в ядре. Ядро окружено небольшой оболочкой газа. При сближении кометы с Солнцем ядро и оболочка кометы начинают нагреваться, вероятность сублимации растет, а десублимации - уменьшается.
7. Поясните смысл понятия "фотон". Какие явления, и каким образом были объяснены с помощью квантовой теории света?
В современной физике фотон рассматривается как одна из элементарных частиц, которая обладает следующими свойствами :
Фотон является электрически нейтральной частицей, т.е. его заряд равен нулю (q = 0).
Во всех системах отсчета скорость фотона равна скорости света в вакууме (м = с).
Энергия фотона пропорциональна частоте электромагнитного излучения, квантом которого он является (Е = hv).
Импульс фотона равен отношению его энергии к скорости и обратно пропорционален длине волны
Рассмотрение электромагнитного поля даже в рамках классической теории позволяет приписать ему "традиционные" для частиц характеристики: энергию и импульс. Квантованный характер обмена энергией между веществом и полем и открытые законы фотоэффекта делали весьма соблазнительной идею рассмотрения поля как совокупности частиц фотонов, рождающихся и гибнущих при излучении и поглощении света соответственно. Поскольку скорость распространения электромагнитного поля в вакууме совпадает с предельным значением с, фотон является ультрарелятивистской частицей с равной нулю массой покоя: в противном случае импульс фотона был бы бесконечно большим, и процедура загорания на пляже не доставляла бы нам ни малейшего удовольствия:
Наличие импульса у фотона позволило изящно и количественно правильно описать явление светового давления как простое следствие закона сохранения импульса при поглощении света веществом.
Концепция фотонов привела к большим трудностям при интерпретации экспериментов по интерференции и дифракции, доказывающих волновую природу света.
В 1900 г. Планк выдвинул гипотезу о квантованности излучаемой энергии. Порция излучаемой энергии равна
? = h·?, где h - постоянная Планка, ?? - частота электромагнитного излучения.
Идея квантования является одной из величайших физических идей. Оказалось, что многие величины считавшиеся непрерывными, имеют дискретный ряд значений. На базе этой идеи возникла квантовая механика, описывающая законы поведения микрочастиц.
Гипотеза Планка получила дальнейшее развитие в работах Эйнштейна. Электромагнитная волна не только излучается, но и поглощается и распространяется в виде потока квантов. Итак, электромагнитное излучение (в том числе и свет) представляет собой поток фотонов.
Фотон - мельчайшая частица электромагнитного излучения, имеющая энергию в один квант.
Световые частицы (фотоны) одновременно обладают и волновыми и корпускулярными свойствами. Фотоны, как любые частицы, имеют массу. Из закона взаимосвязи массы и энергии следует, что энергию фотона можно выразить как ??m·c2. Из формул 1 и 2 получим, что масса фотона равна m = h·??c2.
Масса определяемая соотношением 3, является массой движущегося фотона. Фотон не имеет массы покоя (m0 = 0), так как он не может существовать в состоянии покоя. Все фотоны движутся со скоростью с = 3·108 м/с. Очевидно импульс фотона P = m·c, откуда следует, что P = h·??c = h/?.
Наличие импульса у фотона экспериментально подтверждается открытием давления света. В таблице приведены волновые и корпускулярные характеристики фотона, и их взаимосвязь.
Величины, описывающие волновые свойства Величины, описывающие квантовые свойства Формулы, объединяющие два класса величин
Частота - ? Масса фотона - m m = h·??c2
Период - T Скорость фотона - c
Длина волны - ? Импульс фотона - p = m·c p = h·??c =h/?
V = ?·? Энергия E = m·c2 E = h·?
8. Сопоставьте понятия "популяция" и "вид". Докажите, что популяция является единицей эволюции. Почему разные популяции одного вида отличаются по частоте генов?
Популяция - структурная единица вида. Популяция - совокупность особей одного вида, занимающих определенный ареал, свободно скрещивающихся друг с другом, имеющих общее происхождение, генетическую основу и в той или иной степени изолированных от других популяций данного вида.
Важный признак вида - расселение его группами, популяциями в пределах ареала. Популяция - совокупность свободно скрещивающихся особей вида, которые длительное время существуют относительно обособленно от других популяций на определенной части ареала.
Факторы, способствующие объединению особей в популяции, - свободное скрещивание (взаимоотношения полов), выращивание потомства (генетические связи), совместная защита от врагов, типы взаимоотношений организмов разных видов: хищник-жертва, хозяин-паразит, симбиоз, конкуренция .
Популяция - структурная единица вида, характеризуется определенной численностью особей, ее изменениями, общностью занимаемой территории, определенным соотношением возрастного и полового состава. Изменение численности популяций в определенных пределах, сокращение ее ниже допустимого предела - причина возможной гибели популяции.
Изменение численности популяций по сезонам и годам (массовое размножение в отдельные годы насекомых, грызунов). Устойчивость численности популяций, особи которых имеют большую продолжительность жизни и низкую плодовитость.
Причины колебания численности популяций: изменение количества пищи, погодных условий, экстремальные условия (наводнения, пожары и пр.). Резкое изменение численности под влиянием случайных факторов, превышение смертности над рождаемостью - возможные причины гибели популяции.
Саморегуляция численности популяции. Вслед за возрастанием численности одних видов появляются факторы, вызывающие ее ограничение. Так, возрастание численности растительноядных животных сопровождается увеличением численности хищников, паразитов. Вследствие этого происходит снижение численности растительноядных животных, а затем и численности хищников. Таков механизм саморегуляции численности всех популяций, сохранения ее на определенном уровне.
Разные популяции одного вида могут отличаться по частоте генов. Важнейшим свойством генов является сочетание их высокой устойчивости в ряду поколений со способностью к наследуемым изменениям (мутациям), служащим основой изменчивости организмов, дающей материал для естественного отбора. Так же число генов, зависит от особенностей окружающей среду, где обитает популяция, поэтому в разных условиях окружающей среды число генов может меняться.
9. Как происходит деление клеток, ядра и ДНК? Как реализуется система воспроизводства на молекулярном уровне? В чем особенности биотехнологий: генной и клеточной инженерии, каковы их возможности и перспективы?
Деление клеток - основа роста и размножения организмов, передачи наследственной информации от материнского организма (клетки) к дочернему, что обеспечивает их сходство. Деление клеток образовательной ткани - причина роста корня и побега верхушками.
Ядро и расположенные в них хромосомы с генами - носители наследственной информации о признаках клетки и организма. Число, форма и размеры хромосом, набор хромосом - генетический критерий вида. Роль деления клетки в обеспечении постоянства числа, формы и размера хромосом. Наличие в клетках тела диплоидного (46 у человека), а в половых - гаплоидного (23) набора хромосом. Состав хромосомы - комплекс одной молекулы ДНЯ с белками.3. Жизненный цикл клетки: интерфаза (период подготовки клетки к делению) и митоз (деление).
1) Интерфаза - хромосомы деспирализованы (раскручены). В интерфазе происходит синтез белков, липидов, углеводов, АТФ, самоудвоение молекул ДНК и образование в каждой хромосоме двух хроматид;
2) фазы митоза (профаза, метафаза, анафаза, телофаза) - ряд последовательных изменений в клетке: а) спирализация хромосом, растворение ядерной оболочки и ядрышка; б) формирование веретена деления, расположение хромосом в центре клетки, присоединение к ним нитей веретена деления; в) расхождение хроматид к противоположным полюсам клетки (они становятся хромосомами); г) формирование клеточной перегородки, деление цитоплазмы и ее органоидов, образование ядерной оболочки, появление двух клеток из одной с одинаковым набором хромосом (по 46 в материнской и дочерних клетках человека).
Репликация ДНК происходит следующим образом. Двойная спираль раскручивается по разрывающимся водородным связям. Определенные ферменты строят новые цепи, связывая между собой нуклеотиды, комплиментарные нуклеотидам каждой из двух исходных цепей спирали ДНК .
Значение митоза - образование из материнской двух дочерних клеток с таким же набором хромосом, равномерное распределение между дочерними клетками генетической информации.
Современный уровень знаний в области биохимии позволяет не только понять и проследить тонкие процессы происходящие на генном уровне, но и использовать их в своих целях. Разрабатываются методы генной инженерии, позволяющие внедрить в клетку желаемую генетическую информацию. Появилась возможность изучать распределение нуклеотидов в определенном гене или получать нужный белок. Для этого создается рекомбинатная ДНК, которая возникает, когда ДНК одного организма внедряется в клетку другого. Так, в 80-е годы были разработаны интерфероны - белки, способные подавлять размножение вирусов.
10. Что такое синергетика и каково ее значение для современной картины мира? Какие этапы можно выделить в развитии самоорганизующихся систем? Каково соотношение случайного и закономерного в концепции развития? Поясните понятия "хаоса", "бифуркации", "катастрофы". Опишите процессы самоорганизации материи в процессе эволюции галактик и звезд.
Около 50 лет назад в результате развития термодинамики возникла новая дисциплина - синергетика. Являясь наукой о самоорганизации самых различных систем - физических, химических, биологических и социальных - синергетика показывает возможность хотя бы частичного снятия междисциплинных барьеров не только внутри естественно научной отросли знания, но так же и между естественно научной и гуманитарной культурами. Слово "синергетика" и означает "совместное действие", подчеркивая согласованность функционирования частей, отражающихся в поведении системы как целого. То есть предлагаются базовые модели, новые понятия и методы, которые могут быть применены в данной ситуации, которые могут стать основой построения новой нелинейной познавательной парадигмы, а могут остаться находками в различных дисциплинах.
Дерзкая мысль о поиске аналогий и общих закономерностей преобразования структур в столь разнообразных по форме и различных по своей природе системах показалось весьма привлекательной профессору Хакену. Он назвал общие черты изучаемых синергетикой систем. Такие системы:
· состоят из одинаковых или различных систем, взаимодействующих друг с другом;
· нелинейные;
· открытые и далеки от теплового равновесия;
· подвержены внутренним и внешним колебаниям;
· способны эволюционируя, утрачивать устойчивость и становиться нестабильными.
Любое синергетической исследование начинается с описания состояния системы, - иными словами ее параметров или переменных состояний. Их полный набор определяет состояние системы.
Говоря о состоянии системы, нельзя не упомянуть о случайных событиях. Они подразделяются на два типа: события остающиеся случайными при любом уровне знаний (например, невозможно предсказать, в какой момент времени произойдет распад радиоактивного атома) и события случайность которых связана с полнотой знаний, т.е. с уровнем описания (таковы флуктуации плотности в жидкостях, газах, твердых телах или флуктуации электрического тока в металлах и полупроводниках)
Случайность в обыденном смысле есть проявление хаоса. Это нечто непредвиденное, беспричинное, бессмысленное. В современной науке случайное превратилось в отвечающую всем научным стандартам, строго и полно определенную форму порядка. Создать работающие модели многих явлений удалось только после кардинального изменения подхода к случайному.
Путь развития сложной системы всегда неединственный. Можно вмешаться в нужный момент в ход событий и изменить его. Таким образом, будущее также, оказывается, имеет неединственный вариант. В данном случае ответ синергетики состоит в том, что во множестве случаев происходит самоорганизация, связанная с выделением так называемых параметров порядка.
Синергетика занимается изучением систем, состоящих из многих подсистем самой различной природы, таких, как электроны, атомы, молекулы, клетки, нейтроны, механические элементы, фотоны, органы, животные и даже люди. При выборе математического аппарата необходимо иметь в виду, что он должен быть применим к проблемам, с которыми сталкиваются физик, химик, биолог, электротехник и инженер механик. Не менее безотказно он должен действовать и в области экономики, экологии и социологии. Во всех этих случаях нам придется рассматривать системы, состоящие из очень большого числа подсистем, относительно которых мы можем не располагать всей полной информацией. Для описания таких систем не редко используют подходы, основанные на термодинамики и теории информации.
Во всех системах, представляющих интерес для синергетики, решающую роль играет динамика. Как и какие макроскопические состояния образуются, определяются скоростью роста (или распада) коллективных "мод". Можно сказать, что в определенном смысле мы приходим к своего рода обобщенному дарвинизму, действие которого распознается не только на органический, но и на неорганический мир: возникновение макроскопических структур обусловленных рождением коллективных мод под воздействием флуктуаций, их конкуренцией и, наконец, отбором "наиболее приспособленной" моды или комбинации таких мод. Ясно, что решающую роль играет параметр "время". Следовательно, мы должны исследовать эволюцию систем во времени. Именно поэтому интересующие нас уравнения иногда называют "эволюционными".
Хаос - неупорядоченно, неструктурированное состояние системы. Катастрофа - резкое разрушение системы в результате роста энтропии и хаоса.
Бифуркация в широком понимании - приобретении нового качества движениями динамической системы при малом изменении ее параметров (возникновение при некотором критическом значении параметра нового решения уравнений). Отметим, что при бифуркации выбор следующего состояния носит сугубо случайный характер, так что переход от одного необходимого устойчивого состояния к другому необходимому устойчивому состоянию проходит через случайное (диалектика необходимого и случайного). Любое описание системы, претерпевающей бифуркацию, включает как детерминистический, так и вероятностный элементы, от бифуркации до бифуркации поведении системы детерминировано, а в окрестности точек бифуркации выбор последующего пути случаен. Проводя аналогию с биологической эволюцией можно сказать, что мутации - это флуктуации, а поиск новой устойчивости играет роль естественного отбора. Бифуркация в некотором смысле вводит в физику и химию элемент историзма - анализ состояния, например, подразумевает знание истории системы, прошедшей бифуркацию.
Список литературы
4. Пахустов Б.К. Концепции современного естествознания: УМК. - Новосибирск: СибАГС, 2001.
5. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учебник. - Новосибирск: ЮКЭА, 1997.
6. Дубнищева Т.Я. Концепции Современного естествознания. Основной курс в вопросах и ответах - Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2003.
|
