МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ – ПЕТЕРБУРГСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

ИНЖЕНЕРНО – ЭКОНОМИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

 
 

Кафедра современного естествознания 

Контрольная работа

Дисциплина: «КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ» 

Вариант 1

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2008

    Вариант 1.

     Контрольная работа (часть “a”)

    1. Кратко охарактеризуйте  основные этапы  развития естествознания, взяв за основу следующие имена: Аристотель, Коперник, Планк, Пригожин.

    Древнегреческий философ Аристотель (384 – 322 гг. до н.э.) создал  формальную логику, т.е. фактически учение о доказательстве – главный инструмент выведения и систематизации знания; разработал категориально-понятийный аппарат; утвердил своеобразный канон организации научного исследования(история вопроса, постановка проблемы, аргументы «за» и «против»,обоснование решения); предметно дифференцировал само научное знание, отделив науки о природе от метафизики (философии), математики и т.д.

    Аристотель  делил природу на органическую и  неорганическую, он пытался классифицировать все многообразие природы, в том числе ее живые формы. Аристотель отмечает, что для живой материи, к ней ближе функция, чем морфологические признаки. Простейшая из функций живого – самосохранение и воспроизведение рода – обеспечивается «формой» живого, его душой. Душа бывает растительная (питание), животная (движение и ощущение) и разумная (мышление). У растений одна душа, у животных –две, у людей – три.

    Аристотель  формулирует четыре причины, материю  и форму, возможность Ии действительность; у него уже нет единого принципа – разные науки связаны с метафизикой, а та в свою очередь – с общественной жизнью, и не более того.

    Аристотель  поднимал вопрос о причинах движения. Все механические движения он делил на: круговые, естественные и насильственные. По Аристотелю, круговое движение – это самое совершенное движение, которое присуще только небесному миру. Это движение вечно и неизменно, а причиной его является перводвигатель – бог, живущий за сферой неподвижных звезд, там, где кончается материальная Вселенная. Земные же движения, где все имеет начало и конец, бывают естественные и насильственные. Естественное движение – это движение тяжелого тела вниз, к центру Мира, к центру Земли, и легко – вверх. Данное движение тел происходит само собой, в результате стремления тела занять свое естественное место. Оно не нуждается в силах. Отсюда он сделал вывод о невозможности существования вакуума – ведь тело в пустоте должно двигаться бесконечно и быстро, т.е. проходить путь в «никакое время». Поскольку этого не наблюдается, понятие пустоты не имеет смысла. Все остальные движения на Земле насильственные и могут происходить только под действием внешних сил. Основной принцип динамики Аристотель формулирует так: «Все что находится в движении, движется благодаря воздействию другого». Делая выводы, Аристотель совершенно не обращался к опыту, так как, по его мнению «эксперимент нарушает жизнь природы и искажает ее познание». Он считал, что для того, чтобы сделать какие-то научные выводы, достаточно рассуждений.

    Ошибочность этих положений механики Аристотеля впервые показали Галилей, а вслед за ним – Ньютон.

    Коренное  изменение пространственной и всей физической картины произошло в  гелеоцентрической системе мира, развитой Н.Коперником в работе «Об обращении небесных сфер». Принципиальное отличие этой системы мира от прежних теорий состояло в  том, что в ней концепция единого однородного пространства и равномерности течения времени обрела реальный эмпирический базис.

    Признав подвижность Земли, Н.Коперник в  своей теории отверг все ранее существовавшие представления о ее уникальности, «единственности» центра вращения во Вселенной. Тем самым теория Н.Коперника не только изменила существовавшую модель Вселенной, но и направила движение естественно-научной мысли к признанию безграничности и бесконечности пространства.

    Уже Копернику были известны кинематические следствия орбитального движения Земли  относительно звезд. Орбита Земли должна отображаться в перспективно уменьшенных окружностях, описываемых светилами на небесной сфере – параллаксах.

    Аристотель 

    Немецкий  физик М. Планк (1858 – 1947 гг.) в процессе работы по исследованию теплового излучения пришел к выводу о том, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных пропорциях – квантах. Сумма энергий этих мельчайших порций энергии – квантов определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и универсальную естественную константу, которую М.Планк ввел в науку под символом h: E = hу, ставшим впоследствии знаменитым (где  hу – квант энергии, у – частота). Таким образом, М.Планк ввел свою постоянную – h – постоянная Планка.

    В день опубликования формулы 14 декабря 1900 был заложен фундамент квантовой  теории. А поскольку понятие элементарного кванта действия служило в дальнейшем основой для понимания всех свойств атомной оболочки  и атомного ядра, то 14 декабря 1900 г. следует рассматривать как день рождения всей атомной физики, химии и биологии и начало новой эры естествознания.

    За  открытие кванта действия Планк стал лауреатом Нобелевской премии по физике за 1918 г.

    Илья  Пригожин, физикохимик по роду занятий, мыслитель по существу, русский по происхождению, франкоязычный бельгиец по культурной принадлежности — человек с чрезвычайно своеобразной интеллектуальной судьбой. Еще своеобразнее культурные последствия того, что он сделал. Его называют «современным Ньютоном», а сделанное им в науке признают основой возможной в будущем новой модели мироздания — третьей в европейское Новое время после моделей Ньютона и Эйнштейна.

    Всю свою естественнонаучную жизнь он занимался  неравновесной термодинамикой открытых систем - термодинамикой вдали от равновесия, которую он же, со своими брюссельскими  коллегами, и создавал. Ему обязана  существованием брюссельская школа термодинамики - крупнейшая в своей области; с нею - важный этап в становлении термодинамики необратимых процессов; одна из самых удачных, как говорят, математических моделей в теории самоорганизации и химических колебательных систем - так называемый брюсселятор. В 1977 году Пригожин получил Нобелевскую премию - за достижения сугубо химические: "за работы по термодинамике необратимых процессов и химических колебательных систем, особенно за теорию диссипативных структур". Он ввел само понятие "диссипативные структуры" (исходно - устойчивое упорядоченное неравновесное состояние системы, через которую проходят потоки энергии, массы и энтропии).

    Издавался он много, в том числе по-русски, но ранние его книги - "Введение в  термодинамику необратимых процессов", "Неравновесная статистическая механика", "Химическая термодинамика", "Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций" - не читались как мировоззренческие, философские, хотя там практически все для этого уже было. Только после 1977 года сам Пригожин приступил к осуществлению программы, конечной целью которой было изменить состав фундаментальных законов физики: включить в него необратимость и вероятность. Занявшись выяснением математических и физических оснований Времени (понятого как принцип бытия - потому мы и пишем его здесь с большой буквы), он поставил себе цель проследить эти основания до самых - естественнонаучно формулируемых - корней бытия. Так химик Пригожин стал превращаться в философа. 

    2. Приведите шкалу  размеров всего  существующего во Вселенной и укажите место живых организмов на ней. Каким образом человек сумел проникнуть в чрезвычайно большие масштабы и оценить размеры, несравненно большие его самого?

    Шкала размеров на рисунке в папке.

    Невозможно  охватить масштабы расстояний во Вселенной. Диаметр живой клетки, например, в 100 000 раз меньше человеческого роста. Молекулы состоят из атомов, которые в 100 000 раз меньше клеток. Большинство атомов имеют примерно одинаковые размеры, отличаясь в пределах одного порядка, в зависимости от химических элементов, в состав которых они входят. Атом состоит из ядра и электронов. Ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, в 100 000 раз меньше его, а сам атом представляет собой (по сравнению с собственным ядром) громадное и практически пустое пространство.

    Обратимся к большим по сравнению с человеком, размерам. Самые крупные животные на Земле больше человека только в 10 – 20 раз. Все живые существа на Земле занимают по своим размерам довольно малую область величин. Отрезок пути длиной примерно 150 км в 100 000 раз больше человеческого роста, а расстояние от Новосибирска до Екатеринбурга – в 1 миллион раз. Радиус Земли равен 6,4 · 10⁶ м, а луны – в 4 раза меньше. Все эти соотношения пока еще недоступны человеческому восприятию.

    3. Дайте определение колебательному процессу. Дайте определение основным характеристикам колебательного процесса.

    Колебательный процесс или просто колебания  характеризуются (обычно с течением времени) чередованием возрастания  и убывания какой-либо колебательной  величины.

    Колебательными  величинами могут быть: угол, температура, механическая сила, смещение движущейся точки, скорость или ускорение ее, сила тока, электродвижущая сила и  т. д. Колебания некоторых величин  могут иметь место не только с  течением времени. Например, на диаграмме, отображающей какой-либо физический процесс, ординаты точек кривой также возрастают и убывают, но в зависимости от абсциссы, которая не всегда является функцией времени.

    В отношении повторяемости значений колебательной величины во времени колебания можно подразделить на непериодические и периодические.

    Наглядным примером периодического колебательного процесса являются свободные малые  колебания маятника с небольшим  трением. Если такой маятник отклонить  от вертикали на угол, не превышающий 5°, то он будет длительно колебаться около положения равновесия, отклоняясь от последнего в обе стороны практически на одинаковое расстояние через одинаковые промежутки времени. Круговое равномерное вращение точки вокруг оси также является колебательным периодическим процессом относительно любой неподвижной оси, проходящей в плоскости вращения через центр вращения. Колебательные величины, определяющие положение точки в этой плоскости, например, проекция радиуса-вектора точки на неподвижную ось, дуга или угол, не превышающий 360°, между этой осью и радиусом-вектором точки и т. д., с течением времени возрастают и убывают, а значения этих величин повторяются через одинаковые промежутки времени в одной и той же последовательности.

    Полное  отклонение колебательной величины от одного крайнего положения до другого называется размахом колебаний и равно разности наибольшего и наименьшего значений.

    Колебательный процесс – это движения или  изменения состояния, в той или  иной степени повторяющиеся во времени.

    Основные  характеристики колебательного процесса:

    1. T – период, время одного полного колебания;

    2. υ – частота, число колебаний в единицу времени (за 1 секунду);

    3. ω – циклическая частота, число колебаний за 2π секунд (круговая частота);

    4. А – амплитуда, модуль наибольшего смещения тела, от положения равновесия;

    5. φ – фаза колебаний, величина стоящая под знаком sin или cos. 

    4. Перечислите основные  типы взаимодействия. Расположите их в порядке возрастания величины.

    Все процессы в которых участвуют  элементарные частицы, обусловлены взаимодействиями между ними. В настоящее время различают 4 типа фундаментального взаимодействия:

1. сильное взаимодействие связано с тяжелыми частицами, начинающимися с пионов;
2. в электромагнитном взаимодействии непосредственно участвуют только электрически заряженные частицы и фотоны;
3. слабое взаимодействие характерно для всех частиц, кроме фотонов;
4. гравитационное взаимодействие присуще всем телам Вселенной, проявляясь в виде сил всемирного тяготения.

    Электромагнитные  и гравитационные силы относятся к силам далекого действия, так как с ростом расстояния они убывают медленно – по степенному закону. Сильное взаимодействие сказывается лишь на малых расстояниях R~10^-15м; радиус слабого взаимодействия еще меньше.

     

    5. В каких системах  справедливы законы сохранения? Сформулируйте законы сохранения энергии, импульса и момента импульса. Приведите примеры действия этих законов в окружающей жизни.

    Законы  сохранения справедливы в изолированных (замкнутых) системах. Замкнутая система тел – это совокупность тел, взаимодействующих между собой, но не взаимодействующих с другими телами.

    Закон сохранения энергии: полная механическая энергия замкнутой системы тел, между которыми действуют только консервативные силы, остается постоянной.