Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
КСЕ – ответы.
Вопрос 1. Естествознание как отрасль научного познания.
Естествознание – раздел науки, который изучает мир в его естественном состоянии (совокупность наук о природе). «Концепции» - результаты научных исследований – теории, законы, модели, гипотезы…
Естествознание – важнейший элемент культуры человечества, один из существенных показателей уровня развития цивилизации.
Задачей естествознания является изучение объективных законов природы и использование этих законов в практических целях и интересах человека.
Классификация естественных наук:
1. Науки о явлениях природы (физика, химия…); о предметах природы (сюда относили весь окружающий материальный мир: небесные тела, земля, находящиеся на ней живые существа, человек,..).
2. Науки о живой и неживой природе.
Науки также делятся на прикладные и фундаментальные. Фундаментальные науки изучают объективные законы природы (физика, астрономия и пр.). Прикладные науки применяют объективные законы природы в практических интересах человека (медицина, растениеводство и пр.)
Вопрос 2. Методы научного познания
2.1 Понятие метода. Классификация методов.
Понятие метод (от греческого слова «методос» — путь к чему либо) означает совокупность приемов и операций практического и теоретического освоения действительности.
Методология - «учение о методах» (термин происходит от двух греческих слов: «методос» — метод и «логос» — учение. Важнейшей задачей методологии является изучение происхождения, сущности, эффективности и других характеристик методов познания.
Методы научного познания принято подразделять по широте применимости на:
1. Всеобщие методы, в истории познания известно два: диалектический и метафизический.
2. Общенаучные методы, которые используются в самых различных областях науки.
Различают два уровня научного познания: эмпирический и теоретический.
Эмпирический уровень научного познания характеризуется непосредственным исследованием реально существующих, чувственно воспринимаемых объектов. На этом уровне накапливается информации об исследуемых объектах, явлениях. Здесь производится также первичная систематизация получаемых фактических данных.
Теоретический уровень научного познания осуществляется на рациональной (логической) ступени познания. На данном уровне происходит раскрытие наиболее глубоких, существенных сторон, связей, закономерностей, присущих изучаемым объектам, явлениям. Теоретический уровень — более высокая ступень в научном познании. Результатами теоретического познания становятся гипотезы, теории, законы.
3. Частнонаучные методы, используемые только в рамках исследований какой-то конкретной науки или какого-то конкретного явления.
Вопрос-3. Общенаучные методы эмпирического познания
2.2.1 Наблюдение
Наблюдение есть чувственное отражение предметов и явлений внешнего мира. Это исходный метод эмпирического познания, позволяющий получить некоторую первичную информацию об объектах окружающей действительности.
При непосредственных наблюдениях те или иные свойства, стороны объекта воспринимаются органами чувств человека.
Опосредованные наблюдения проводятся с использованием тех или иных технических средств.
При косвенных наблюдениях исследуются не сами объекты, а только результаты их воздействия на определенные объекты.
2.2.2 Эксперимент
Эксперимент —предполагает активное, целенаправленное и строго контролируемое воздействие исследователя на изучаемый объект для выявления и изучения тех или иных его сторон, свойств, связей. При этом в отличие от наблюдения экспериментатор может преобразовывать исследуемый объект, создавать искусственные условия его изучения, вмешиваться в естественное течение процессов.
Эксперименты подразделяются на исследовательские и проверочные.
Исследовательские эксперименты дают возможность обнаружить у объекта новые, неизвестные свойства. Результатом такого эксперимента могут быть выводы, не вытекающие из имевшихся знаний об объекте исследования.
Проверочные эксперименты служат для проверки, подтверждения тех или иных теоретических построений.
2.2.3 Измерение
Измерение—это процесс, заключающийся в определении количественных значений тех или иных свойств, сторон изучаемого объекта, явления с помощью специальных технических устройств.
Результат измерения получается в виде некоторого числа единиц измерения. Единица измерения – это эталон, с которым сравнивается измеряемая сторона объекта или явления (эталону присваивается числовое значение «1»). Единицы измерения подразделяются на основныe, выбираемые в качестве базисных при построении системы единиц, и производные, выводимые из других единиц с помощью каких-то математических соотношений.
В настоящее время в естествознании действует Международная система единиц (СИ) принятая в 1960 г. XI Генеральной конференцией по мерам и весам. Международная система единиц построена на базе семи основных (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела, моль) и двух дополнительных (радиан, стерадиан) единиц.
Вопрос -4. Общенаучные методы теоретического познания
2.3.1 Абстрагирование.
Абстрагирование заключается в мысленном отвлечении от каких-то менее существенных свойств, сторон, признаков изучаемого объекта с одновременным выделением, формированием одной или нескольких существенных сторон, свойств, признаков этого объекта. Результат, получаемый в процессе абстрагирования, именуют абстракцией.
Пример: группировка всего множества растений и животных, обитающих на нашей планете, в особые виды, роды, отряды и т. д.
2.3.2 Идеализация.
Идеализация представляет собой мысленное внесение определенных изменений в изучаемый объект в соответствии с целями исследований.
В результате таких изменений могут быть, например, исключены из рассмотрения какие-то свойства, стороны, признаки объектов. Пример: широко распространенная в механике идеализация, именуемая материальной точкой, подразумевает тело, лишенное всяких размеров. Такой абстрактный объект, размерами которого пренебрегают, удобен при описании движения. Причем подобная абстракция позволяет заменить в исследовании самые различные реальные объекты: от молекул или атомов при решении многих задач статистической механики и до планет Солнечной системы при изучении, например, их движения вокруг Солнца.
2.3.3 Формализация. Язык науки
Под формализацией понимается особый подход в научном познании, который заключается в использовании специальной символики, позволяющей отвлечься от изучения реальных объектов и оперировать вместо этого некоторым множеством символов (знаков).
Примером формализации являются широко используемые в науке математические описания различных объектов, явлений, основывающиеся на соответствующих содержательных теориях. При этом используемая математическая символика не только помогает закрепить уже имеющиеся знания об исследуемых объектах, явлениях, но и выступает своего рода инструментом в процессе дальнейшего их познания.
2.3.4 Индукция и дедукция
Индукця (от лат. inductio —наведение, побуждение) есть метод познания, основывающийся на формально-логическом умозаключении, которое приводит к получению общего вывода на основании частных посылок. Другими словами, это есть движение нашего мышления от частного к общему.
Например, в процессе экспериментального изучения электрических явлений исследовались проводники тока, выполненные из различных металлов. На основании многочисленных единичных опытов сформировался общий вывод об электропроводности всех металлов.
Дедукция (от лат. deductio — выведение) есть получение частных выводов на основе знания каких-то общих положении. Другими словами, это есть движение нашего мышления от общего к частному. Например, из общего положения, что все металлы обладают электропроводностью, можно сделать дедуктивное умозаключение об электропроводности конкретной медной проволоки (зная, что медь—металл).
Вопрос – 5. Общенаучные методы, применяемые на эмпирическом и теоретическом уровнях познания
2.4.1 Анализ и синтез
Под анализом понимают разделение объекта (мысленно или реально) на составные части с целью их отдельного изучения. В качестве таких частей могут быть какие-то вещественные элементы объекта или же его свойства, признаки, отношения и т. п.
Анализ - необходимый этап в познании объекта. С древнейших времен анализ применялся для разложения на составляющие некоторых веществ. Например, в Древнем Риме анализ использовался для проверки качества золота и серебра в виде купелирования (анализируемое вещество взвешивалось до и после нагрева).
Синтез - изучение объекта как единого целого. При этом синтез не означает простого механического соединения разъединенных элементов в единую систему. Он раскрывает место и роль каждого элемента в системе целого, устанавливает их взаимосвязь, т. е. позволяет понять подлинное диалектическое единство изучаемого объекта.
2.4.2 Аналогия и моделирование
Под аналогией понимается подобие, сходство каких-то свойств, признаков или отношений у различных в целом объектов. Установление сходства (или различия) между объектами осуществляется в результате их сравнения.
Существуют различные типы выводов по аналогии. Но общим для них является то, что во всех случаях непосредственному исследованию подвергается один объект (модель), а вывод делается о другом объекте (оригинале). Таким образом, модель всегда выступает как аналогия.
В зависимости от характера используемых в научном исследовании моделей различают несколько видов моделирования.
1. Мысленное (идеальное) моделирование. К этому виду моделирования относятся самые различные мысленные представления в форме тех или иных воображаемых моделей. Например, модель атома, предложенная Резерфордом, напоминала Солнечную систему: вокруг ядра («Солнца») обращались электроны («планеты»).
2. Физическое моделирование. Оно характеризуется физическим подобием между моделью и оригиналом и имеет целью воспроизведение в модели процессов, свойственных оригиналу. По результатам исследования тех или иных физических свойств модели судят о явлениях, происходящих (или могущих произойти) в так называемых «натуральных условиях». Пример: модель здания.
3. Символическое (знаковое) моделирование. Оно связано с условно-знаковым представлением каких-то свойств, отношений объекта-оригинала. К символическим (знаковым) моделям относятся разнообразные топологические и графовые представления (в виде графиков, номограмм, схем и т.п.) исследуемых объектов или, например, модели, представленные в виде химической символики и отражающие состояние или соотношение элементов во время химических реакций.
Вопрос – 6. Прикладные и фундаментальные науки.
Фундаментальные научные исследования – это глубокое и всестороннее исследование предмета с целью получения новых основополагающих знаний, а также с целью выяснения закономерностей выясняемых явлений. Результаты которых не предполагаются для непосредственного промышленного использования. Термин (на латыни fundare — «основывать») отражает направленность этих наук на исследование первопричинных, основных законов природы.
Прикладные научные исследования – это такие исследования, которые используют достижения фундаментальной науки, для решения практических задач. Результатом исследования: создание и совершенствование новых технологий
Вопрос – 8.Античный период развития естествознания.Древнегреческий этап (6 в. до н.э. – 4 в. до н.э.)
Впервые наука зародилась в Древней Греции в 6 веке до н.э. Под наукой понимается определенная система знаний, а не просто отрывочные сведения. В ряде древних цивилизаций (Египет, Вавилон, Индия, Китай, Ассирия) отдельные науки достигли высоких ступеней развития. Но эти науки были прикладными, эмпирическими, научно-теоретическое знание начинает развиваться именно в Древней Греции.
Первой формой науки была натурфилософия, она считалась “наукой наук”, и являлась вместилищем всех человеческих знаний об окружающем мире, а отдельные науки были составными частями натурфилософии.
Милетская школа натурфилософии.
Непосредственно возникновение науки связывают с милетской школой. Представители этой школы (Фалес Милетский, Анаксимандр, Анаксимен) сформулировали первую фундаментальную проблему: все предметы окружающего мира состоят из простейших начал – “стихий”, к ним чаще всего относили огонь, воду, воздух и пр.
Пифагор.
В городе Кротоне сложилась школа Пифагорейский союз – закрытая тайная организация, со свои уставом, который предписывал размеренный, созерцательный образ жизни. Представление о космосе – упорядоченное, гармоничное, симметричное целое, которое дано постигнуть только избранным, кто ведет созерцательный образ жизни. За первооснову Вселенной принимали число (“Мир есть число”).
Пифагорейская школа внесла величайший вклад в развитие математики: доказательство положений, полученных в египетской и вавилонской математике; разработка теории чисел; разработка теории пропорций.
Демокрит.
Основные положения атомистического учения Демокрита:
Аристотель.
Круг интересов Аристотеля различен:
Космологическое учение: Земля в форме шара неподвижно располагается в центре Вселенной. Вокруг Земли на твердых прозрачных сферах закреплены небесные тела (сфера Луны, сфера Меркурия, Венеры и т.д.). Крайняя сфера соприкасается с “перводвигателем Вселенной” – бог, который придает движение сферам
Вопрос – 9. Эллинистически – римский период (4 в. до н.э. – 5 в. н.э.)
Евклид.
Основной труд Евклида – “Начала”, в котором в систематической форме в 13-ти томах изложены все математические достижения.
В 1-4 томах – геометрия на плоскости;
В 5-6 томах – теория отношений Евдокса;
В 7-9 томах – теория целых и рациональных чисел;
В 10 томе – свойства квадратичных иррациональностей;
В 11 томе – основы стереометрии;
В 12 томе – метод исчерпывания Евдокса;
В 13 томе – свойства правильных многогранников.
Архимед.
В области математики решил ряд задач по вычислению площадей поверхностей и объемов.
Считается основоположником статики и гидростатики: ввел понятие центра тяжести тел, методы его определения для различных тел, математический вывод законов рычага.
Изобрел “Архимедов винт” – устройство для подъема воды, военные метательные машины.
Птолемей.
Птолемей создал первую математическую теорию астрономических явлений. Птолемей полагал, что движение небесных тел происходит по круговой орбите (эпициклу), центр которой в свою очередь совершает равномерное вращение вокруг Земли по круговой орбите (деференту), центр которой не совпадает с центром Земли.
Теория Птолемея позволила предвычислять сложные движения планет. На основе созданных Птолемеем астрономических таблиц вычислялось положение планет с высокой точностью.
Построение Птолемеем геоцентрической системы завершило становление первой естественно-научной картины мира.
Вопрос-10. Геоцентрическая система Птолемея.
Великий астроном и математик Клавдий Птолемей (87 - 165) сделал выбор в пользу геоцентрической модели Мира. Он завершил начатое Гиппархом математическое описание движений небесных тел и блестяще выполнил программу Платона- "с помощью равномерных и правильных круговых движений спасти явления, представляемые планетами ". Он пытался объяснить устройство Вселенной с учетом видимой сложности движения планет. Считая Землю шарообразной, а размеры ее ничтожными по сравнению с расстоянием до планет и тем более звезд. Птолемей, однако, вслед за Аристотелем утверждал, что Земля - неподвижный центр Вселенной.
В основе системы мира Птолемея лежат четыре постулата:
I. Земля находится в центре Вселенной.
II. Земля неподвижна.
III. Все небесные тела движутся вокруг Земли.
IV. Движение небесных тел происходит по окружностям с постоянной скоростью, т. е. равномерно.
Так как Птолемей считал Землю центром Вселенной, его система мира была названа геоцентрической. Вокруг земли, по Птолемею, движутся (в порядке удаленности от Земли) Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн, звезды. Но если движение Луны, Солнца, звезд круговое, то движение планет гораздо сложнее. Каждая из планет, по мнению Птолемея, движется не вокруг Земли, а вокруг некоторой точки. Точка эта в свою очередь движется по кругу, в центре которого находится Земля. Круг, описываемый планетой вокруг движущейся точки, Птолемей назвал эпициклом, а круг, по которому движется точка около Земли,- деферентом. Птолемей построил геоцентрическую модель Мира (по сути дела - модель солнечной системы), которая позволила объяснить все наблюдаемые особенности движения планет, Солнца и Луны, а главное, стала мощным инструментом для предсказания (предвычисления) положений этих небесных тел. Главный труд Птолемея - "Большое математическое построение ", по гречески "Мегале математикес синтаксеос ",- еще в древности получил широкую известность под названием "Магисте синтаксеос " ( "Величайшее построение "). Отсюда искаженный арабский вариант названия - "Ал Магесте ", или "Альмагест ", под которым этот 13-томный труд известен в современном мире. "Альмагест " - это подлинная энциклопедия астрономических знаний того времени, один из шедевров мировой научной литературы.
Вопрос-11. Естествознание в эпоху Средневековье
3.2.1 Достижения средневековой арабской культуры (5-12вв.)
Математика: Трактат Аль-Хорезми “Об индийских числах”, посвященный десятичной системе счисления. “Трактат о доказательствах задач” Омара Хайяма – наиболее значительные достижения в алгебре, посвящен решению кубических уравнений. В систематическом виде тригонометрия представлена в работах Аль-Баттани.
Физика: Применяли закон Архимеда для определения удельных весов элементов.
Астрономия: усовершенствовали технику астрономических наблюдений, значительно дополнили и уточнили данные о движении небесных тел. Азрахель из Кордовы составил Толедские планетные таблицы. Улугбек построил в Самарканде астрономическую обсерваторию, где были созданы “Новые астрономические таблицы”.
3.2.2 Средневековая Европа (12-13вв.)
В 12 в. в Европе были открыты первые университеты. Первоначально университеты предназначались для подготовки духовенства, но в них уже тогда начинали изучаться предметы математического и естественного направлений, а само обучение носило систематический характер.
Научная картина мира в средневековье не изменилась. Причина застоя науки – усиление влияния церкви на жизнь общества.
Вопрос-12.Научные революции.
В развитии науки выделяют две фазы – фаза спокойного развития науки и фаза научной революции.
В период “нормальной науки” ученые имеют дело с накоплением фактов. Развитие “нормальной науки” длится до тех пор, пока существующая парадигма (совокупность представлений об окружающем мире) не утрачивает способности решать научные проблемы. На одном из этапов развития “нормальной науки” возникают несоответствия наблюдений и предсказаний парадигмы, аномалии. Когда таких аномалий накапливается достаточно много, прекращается нормальное течение науки и наступает кризис, который разрешается научной революцией, приводящей к ломке старой и созданию новой научной теории – парадигмы. Т.о. в результате научной революции коренным образом меняются представления об окружающем мире.
Таких научных революций в истории науки известно четыре:
1.Гелиоцентрическая система Коперника.( Первая научная революция: гелиоцентрическая система Коперника.
3.Диалектизация естествознания (Небулярная гипотеза Канта – Лапласа, эволюционная теория Дарвина).
4.Возникновение релятивистской и квантовой физики (Специальная теория относительности Эйнштейна, квантовая физика Планка).
Вопрос-13. Первая научная революция: гелиоцентрическая система Коперника.
В 1543г. была опубликована работа Н.Коперника “Об обращении небесных сфер”, где была изложена математическая теория сложных видимых движений Солнца, Луны, пяти планет и сферы звезд. В центре мира Коперник поместил Солнце, вокруг которого движутся планеты, среди них Земля со своим спутником Луной. На огромном расстоянии от планетной системы находится сфера звезд.
Система Коперника была проще и точнее системы Птолемея. Он впервые представил движение небесных тел как единую систему. Объяснил смену времен года. Объяснил сложное движение планет кажущимся эффектом, как результат перемещения самого наблюдателя (т.е. наблюдение ведется с движущейся Земли).
Коперник разделял многие представления старой космологии: представлял Вселенную замкнутым пространством, ограниченную сферой звезд; принял круговые, равномерные движения небесных тел; центральное положение Солнца во Вселенной; ограничил мир единственной планетной системой.
Вопрос-14.Классическая механика Ньютона.
В систематической форме изложение классической механики было дано Ньютоном в книге «Математические начала натуральной философии», которая вышла в свет в 1687 г.
Ньютон сформулировал три основных закона движения, которые легли в основу механики, как науки.
Первый закон – это принцип инерции, сформулированный ещё Галилеем: всякое тело находится в состоянии покоя, либо равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока на тело не действует какая-либо сила.
Второй закон – приобретаемое телом под действием какой-то силы ускорение прямо пропорционально этой силе и обратно пропорционально массе тела.
Третий закон – закон равенства действия и противодействия: действие двух тел друг на друга всегда равны по величине и направлены в противоположные стороны.
Данная система законов движения была дополнена открытым Ньютоном законом всемирного тяготения – все тела, независимо от их свойств и от свойств среды, в которой они находятся, испытывают взаимное притяжение, прямо пропорциональное их массам и обратно пропорциональное квадрату расстояний между ними.
Формирование основ классической механики — величайшее достижение естествознания XVII в. Классическая механика была первой фундаментальной естественно-научной теорией. В течение трёх столетий (с XVII в. по начало XX в.) она выступала единственным теоретическим основанием физического познания, а также ядром второй естественно-научной картины мира — механистической. Ньютон отбросил всё лишнее, размеры тел, их внутреннее строение, идущие в них процессы. Оставил только массы и расстояния между центрами этих масс, связанные несложной формулой. Ньютон абстрагируется, но он оставляет самое существенное и создаёт единую картину мира.
3.4 Научная революция 17 века. Возникновение классической механики.
3.4.1 И. Кеплер.
В 1609 г. И. Кеплер после математической обработки огромного материала астрономических наблюдений опубликовал законы планетных движений.
1-ый закон: утверждал эллиптическую форму орбит.
2-ой закон: утверждал, что скорость движения планеты по орбите не постоянна, она тем больше, чем ближе планета к солнцу.
3-ий закон: установил универсальную зависимость между периодами обращения планет и их средним расстоянием от солнца.
Т.о. Кеплер показал, что законы надо искать в природе, а не выдумывать их как искусственные схемы, а затем подгонять под них явления природы.
Вопрос-15.Развитие учения об электричестве и магнетизме в XVII - IX в.
Систематическое изучение магнитных и электрических явлений начинается в XVII в.
В 1600 г вышла в свет книга английского ученого, врача королевы Елизаветы У. Гильберта «О магните, магнитных телах и великом магните Земли». В книге изложены свойства магнитных явлений: магнитные свойства присущи только магнитной руде, железу и стали; магнит всегда имеет два полюса и одноимённые полюса отталкиваются, а разнополюсные — притягиваются; описывается явление магнитной индукции. Гильберт высказал также гипотезу о земном магнетизме: Земля представляет собой большой шарообразный магнит, полюса которого расположены возле географических полюсов.
В 1729 г. англичанин С. Грей открыл явление электрической проводимости. Он обнаружил, что электричество способно передаваться некоторыми телами, и все тела разделил на проводники и непроводники.
Француз Ш.Ф. Дюфе открыл существование отрицательного и положительного электричества и обнаружил, что «однородные электричества отталкиваются, а разнородные притягиваются».
В1745 г. была изобретена лейденская банка (физики смогли получать значительные электрические заряды и экспериментировать с ними).
Во второй половине XVIII в. изобретение А. Вольтом источника постоянного тока («Вольтов столб»).
Т.о. с одной стороны, были установлены многочисленные законы различных электрических и магнитных явлений, но они не имели целостного теоретического обоснования. С другой стороны, построенная Фарадеем полевая концепция электрических и магнитных явлений не была математически оформлена.
Дж. К. Maксвелл создал теорию электромагнитного поля, которая была изложена в работе «Динамическая теория электромагнитного поля», опубликованной в 1864 г.
Эта теория существенно изменила представления о картине электрических и магнитных явлений, объединив их в единое целое. Основные положения и выводы этой теории следующие.
• Электромагнитное поле реально и существует независимо от того, имеются или нет проводники и магнитные полюса, обнаруживающие его.
• Изменение электрического поля ведет к появлению магнитного поля и наоборот.
• Векторы напряженности электрического и магнитного полей перпендикулярны.
• Скорость передачи электромагнитных колебаний равна скорости света (с).
Экспериментальное подтверждение теории Максвелла в 1887 г. в опытах Г. Герца произвело большое впечатление на физиков. И с этого времени теория Максвелла получает признание подавляющего большинства ученых.
Вопрос-16.Теории света
В 1672 г. Ньютон изложил свою новую корпускулярную концепцию света. В соответствии с этой концепцией свет представляет собой поток «световыx частиц», наделенных изначальными неизменными свойствами и взаимодействующих с телами на расстоянии. Корпускулярная теория хорошо объясняла аберрацию и дисперсию света, но плохо объясняла интерференцию, дифракцию и поляризацию света.
Вместе с тем Гюйгенсом в 1690 г. была высказана волновая теория света, в соответствии с которой свет — это волновое движение в эфире.
В начале XIX в. в поле зрения физиков попадают вопросы интерференции, дифракции и поляризации света, которые неудовлетворительно объяснялись корпускулярной теорией. Это приводит к возрождению, казалось, забытых идей волновой оптики.
Первым в защиту волновой теории света выступил в 1799 г. врач Т. Юнг. Он поставил опыт, демонстрирующий явление интерференции света от двух источников.
В 1818 г. Френель представил работу о дифракции света на конкурс, объявленный Французской академией наук.
Заключительным аккордом в борьбе корпускулярной и волне теорий света явились результаты измерения скорости света в воде. Согласно корпускулярной теории, скорость света в оптически более плотной среде должна быть больше, чем в оптически менее плотной, а по волновой теории — наоборот. В 1850 г. французский физик Ж.Б. Фуко показал, что скорость света в воде меньше, чем в воздухе, и тем самым окончательно подтвердил волновую теорию света.
Вопрос-17.Естествознание 18-19 веков. Теплородная и кинетическая теории теплоты
Теплота по теплородной теории – особого рода “невесомая жидкость”, способная перетекать из одного тела к другому. Чем больше теплорода в теле, тем выше температура тела. Теплород — «некая жидкость, крайне мелкие частицы которой наделены силой взаимного отталкивания. В этом случае большее или меньшее скопление этой жидкости в телах определяет их состояние».
Кинетическая теория теплоты связывает сущность тепловых явлений с движением атомов, из которых состоят тела. Кинетической теории теплоты придерживались многие ученые. Среди них—Фрэнсис Бэкон, Рене Декарт, Даниил Бернулли, М Ломоносов, Л.Эйлер. Однако господствующей на протяжении столетий являлась теплородная теория.
Вопрос-18.
3.5.4 Открытие закона сохранения и превращения энергии
Закон сохранения и превращения энергии был открыт работами Майера, Джоуля, Кольдинга и Гельмгольца.
Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает, количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.
Вопрос-19. Первое и второе начала термодинамики
Клаузиус определил эквивалентность работы и количества теплоты как первое начало термодинамики: .
Внутреннюю энергию тела () можно увеличить двумя эквивалентными способами: произведя над телом работу (A) или сообщая ему количество теплоты (Q).
Т.о. первое начало термодинамики утверждает невозможность возникновения или исчезновения энергии, но в процессе любого превращения одного вида энергии в другой всегда происходит снижение качества энергии или уменьшается количество полезной энергии. Например: 5% электрической энергии проходя через проволоку лампы накаливания превращается в световое излучения, остальные 95% - в тепло, которое рассеивается в окружающей среде. Т.е. все, что мы наблюдаем в природе (при любом превращении энергии, некоторое количество энергии переходит в менее качественную энергию, которая обычно рассеивается в окружающей среде в виде низкотемпературного тепла) сформулировано во втором начале термодинамики: в природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении – передачи тепла от более горячих тел, менее горячим.
В 1865г. Клаузиус ввёл новое понятие – энтропия (от греч. поворот, превращение). Энтропия – мера внутренней неупорядоченности системы. Когда к газу подводят некоторое количество теплоты dQ, то энтропия (S) возрастает на величину, равную dS=dQ/T.
Второе начало термодинамики с использованием понятия энтропии называется законом возрастания энтропии: в термодинамике различают два типа процессов: обратимые – энтропия максимальна и постоянна и необратимые – энтропия возрастает.
Вопрос-20.Статистическая физика
Больцман свел отличие между обратимыми и необратимыми процессами с макроскопического на микроскопический уровень.
Макросостояние – состояние тела, заданное с помощью макропараметров – давление, температура, объем и пр. Микросостояние – состояние макроскопического тела, когда заданы состояния всех образующих тело молекул. Всякое макросостояние можно задать различными способами, каждому из которых соответствует некоторое микросостояние системы. Число различных микросостояний, соответствующих данному макросостоянию, называется термодинамической вероятностью (W).
Рассмотрим на примере. Поместим в сосуд с теплоизолированными стенками некоторое количество газа, число молекул которого равно N. Выделим одну молекулу. Наблюдая за этой молекулой, мы скоро убедимся, что она может занимать любое положение в сосуде. Теперь разделим сосуд на две половины. Наша молекула, беспорядочно блуждая, сталкиваясь с другими молекулами, пробудет в одной половине сосуда половину времени, в течение которого мы за ней наблюдаем, т.е. вероятность её пребывания в одной половинке сосуда равна ½. Если мы будем наблюдать за двумя молекулами, то вероятность того, что мы обнаружим сразу обе молекулы в одной половине сосуда окажется равной произведению вероятностей каждой молекулы ½*½.=1/4.Аналогично для 3х молекул: (1/2)3, для N молекул (1/2)N. Например, в 29 гр. воздуха содержится N=6,02323. Т.е. вероятность нахождения сразу всех молекул в одной половине сосуда ничтожно мала (маловероятно). Вероятность же того, что все молекулы находятся во всём объеме данного сосуда максимальна и равна 1 (W max). Допустим, нам с помощью перегородок в некоторый момент времени удалось загнать все молекулы в верхнюю часть сосуда. Остальной объем сосуда остался пустым. Далее, если уберём перегородку, то все молекулы заполнят весь объём сосуда, т.е. перейдут из состояния с меньшей вероятностью в состояние с большей вероятностью. Или, другими словами, процессы в системе идут в одном направлении: от некоторой структуры, порядка, когда все молекулы содержались в верхней части сосуда, к полной симметрии: хаосу, беспорядку, когда молекулы могут занимать любые точки пространства сосуда. Больцман доказал знаменитую Н-теорему, согласно которой идеальный газ, находящийся первоначально в нестационарном состоянии, с течением времени сам собой должен переходить в состояние статистического равновесия. Больцман выводит энтропию через логарифм вероятности состояния системы S = k InW. Эта формула высечена на памятнике Больцману над его могилой на кладбище в Вене.
Идея Больцмана стала развитием нового подхода при описании систем, состоящих из большого числа частиц. Это был иной подход, чем в механике Ньютона. Очевидно, что наш пример с меченными молекулами в принципе неосуществим, невозможно длительное время следить за движением отдельной молекулы, невозможно точно определить координаты и скорость всех молекул макроскопического тела одновременно. Следовательно, задачу необходимо ставить иначе. А именно, найти вероятность того, что данная молекула обладает каким-то значением скорости. Используя новый подход, Максвелл вывел закон распределения числа молекул по скоростям: распределение молекул по направлениям скоростей изотропное, что естественно, поскольку в пространстве ни одно из направлений ничем не выделено.
Вопрос-21.Великие открытия конца XIX начала XX века, которые привели к новой научной революции.
Конец XIX в. в истории физики отмечен рядом принципиальных открытий, которые привели к научной революции на рубеже XIX—XX вв.
В 1895 г. В. Рентген обнаружил лучи, получившие впоследствии название рентгеновских. Были выяснены необычные свойства этих лучей (способность проходить через светонепроницаемые тела, ионизировать газы и т.д.), но их природа оставалась неясной.
Открытие Томсоном первой элементарной частицы электрона и определение его заряда и массы.
В 1896 г. Антуан Анри Беккерель открыл явление самопроизвольного излучения урановой соли.
К великим открытиям второй половины XIX в. следует также отнести создание Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеевым, экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Г. Герцем, открытие явления фотоэффекта, тщательно проанализированное А.Г. Столетовым. В этом же ряду обнаружение того, что отношение заряда электрона к его массе не является постоянной величиной, а зависит от скорости электрона.
В таких условиях в физике складывается атмосфера разочарования в возможностях научного познания истины, начинается «брожение умов», распространяются идеи релятивизма и агностицизма. Ситуацию, сложившуюся в физической науке на рубеже XIX—ХХ вв. А. Пуанкаре назвал кризисом физики.
Вопрос-22.Создание А. Эйнштейном специальной теории относительности
В сентябре 1905 г. в немецком журнале «Annalen der Physik» появилась работа А. Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел». Эйнштейн сформулировал основные положения СТО, которые объясняли и отрицательный результат опыта Майкельсона, и смысл преобразований Лоренца и, кроме того, содержали новый взгляд на пространство и время.
Принципы СТО:
Выводы о закономерностях пространственно-временных отношений вещей:
1. Относительности размеров тел. Длина тела в движущейся системе будет наименьшей по отношению к покоящейся.
2. Промежуток времени, в течение которого длится какой-либо процесс, наоборот замедляется.
3. Масса тела также является относительной величиной, зависящей от скорости, а между массой тела и его полной энергией существует определенное соотношение. Он формулирует следующий закон: «масса тела есть мера содержащейся в нем энергии» в соотношении Е = тс2.
Создание СТО было качественно новым шагом в развитии физического познания. От классической механики СТО отличается тем, что в физическое описание релятивистских явлений органически входит наблюдатель со средствами наблюдения. Описание физических процессов в СТО существенно связано с выбором системы координат. Физическая теория описывает не физический процесс сам по себе, а результат взаимодействия физического процесса со средствами исследования.
Вопрос-23.Создание и развитие общей теории относительности
Классическая механика и СТО формулируют закономерности физических явлений только для инерциальных систем отсчета, не предлагая средств для реального выделения таких систем. Вполне закономерно возникла проблема, как распространить законы физики и на неинерциальные системы. После создания СТО Эйнштейн стал задумываться над этой проблемой применительно к принципу относительности: можем ли мы сформулировать физические законы таким образом, чтобы они были справедливыми для всех систем координат, не только для систем, движущихся равномерно и прямолинейно по отношению друг к другу?
Возможность реализации этой идеи Эйнштейн увидел на пути обобщения принципа относительности движения — распространение принципа относительности не только на скорость, но и на ускорение движущихся систем. Если не приписывать абсолютный характер не только скорости, но и ускорению, то в таком случае выделенность класса инерциальных систем потеряет свой смысл и можно так формулировать физические законы, чтобы их формулировка имела смысл в отношении любой системы координат. Это и есть содержание общего принципа относительности.
Это означает, что точно так же, как нельзя говорить о скорости тела вообще безотносительно к какому-нибудь телу, так, очевидно, и ускорение имеет конкретный смысл по отношению к некоторому фактору, вызывающему и определяющему его.
Вопрос-24.Возникновение и развитие квантовой физики
В 1900 г. М. Планк сформулировал квантовую гипотезу: излучение энергии происходит не непрерывно, а дискретно, определенными порциями — квантами (). Более того, не является любой величиной, а именно, h, где h — определенная константа, a — частота света. Это вело к признанию наравне с атомизмом вещества атомизма энергии или действия, дискретного, квантового характера излучения, что не укладывалось в рамки представлений классической физики.
Формулировка гипотезы квантов энергии была началом, новой эры в развитии теоретической физики. С большим успехом эту гипотезу начали применять для объяснения других явлений, которые не поддавались описанию на основе представлений классической физики.
Существенным новым шагом в развитии квантовой гипотезы было введение понятия квантов света. Эта идея была разработана в 1905 г. Эйнштейном и использована им для объяснения фотоэффекта. В 1909 г. Эйнштейн показывает, что свет обладает одновременно и волновыми, и корпускулярными свойствами. Становилось все более очевидно, что корпускулярно-волновой дуализм светового излучения нельзя объяснить с позиций классической физики.
Теория атома Резерфорда - Бора.
В 1911 г. Резерфорд сформулировал планетарную модель атома. По модели Резерфорда, атом состоит из положительного ядра гораздо меньших размеров, нежели атом, — порядка 10-13 см. Вокруг ядра вращаются электроны. Общий заряд атома равен нулю. Резерфорд полагал также, что число электронов в атоме должно быть равно порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева. Но модель Резерфорда не объясняла многих выявленных к тому времени закономерностей излучения атомов, вид атомных спектров и др.
В 1913 г. молодой датский физик Н. Бор взял за основу модель атома Резерфорда и дополнил ее новыми гипотезами, которые известны как постулаты Бора:
1. В любом атоме существует несколько стационарных орбит электрона, двигаясь по которым, электрон не излучает электромагнитной энергии.
2. При переходе из одного стационарного состояния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии. При переходе электрона на более далёкую от ядра орбиту, происходит увеличение энергии атома, а при переходе электрона на более близкую к ядру орбиту происходит уменьшение энергии атома.
Квантовые постулаты Бора были лишь первым шагом в создании теории атома, поэтому пришлось воспользоваться следующим принципом: сначала задача решалась при помощи классической механики (неприменимой к атомным движениям), а затем из непрерывного множества состояний движения на основе квантовых постулатов отбирались квантовые состояния. Такой подход является частным случаем общего принципа соответствия – всякая неклассическая теория в соответствующем предельном случае переходит в классическую.
Вопрос-25.
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 надру-гую 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 Шредингердоказал 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.
Работы Гейзенберга были развиты другими учеными (например, Борном, Иорданом и др.). Работа немецкого физика Гейзенберга стала основой для матричной механики.
Также Гейзенберг является автором гипотезы о том, что любая физическая система никогда не может находиться в состоянии, в котором координаты ее центра инерции и импульса принимают одновременно равные значения.
Этот принцип известен в науке как «соотношение неопределенностей».
Вопрос-26.
4.6. Фундаментальные физические взаимодействия
4.6.1 Гравитация
В свой повседневной жизни человек сталкивается со множеством сил, действующих на тела: сила ветра или потока воды; давление воздуха; мускульная сила человека; вес предметов; давление квантов света; притяжение и отталкивание электрических зарядов; сейсмические волны; вулканические извержения; и т.д. Но, как выяснилось в результате развития естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести четырем фундаментальным взаимодействиям. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех материальных преобразований тел, процессов.
Гравитация первым из четырех фундаментальных взаимодействий стала предметом научного исследования.
Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий:
1. малая интенсивность. Гравитационное взаимодействие в 1039 раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов.
2. универсальность. Ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества.
3. дальнодействующая сила. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.
Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание еще никогда не наблюдалось.
4.6.2 Электромагнетизм
1. По величине электромагнитные силы намного превосходят гравитационные, поэтому в отличие от слабого гравитационного взаимодействия электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.).
2. Не универсально. С электромагнитным полем связаны только заряженные частицы.
3. Электрическая и магнитная силы (как и гравитация) являются дальнодействующими, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника.
Электромагнитное взаимодействие определяет также структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных). К нему сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др.
4.6.3 Слабое взаимодействие
Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц, и поэтому с его проявлением столкнулись с открытием радиоактивности и исследованием бета-распада.
У бета-распада обнаружилась в высшей степени странная особенность. Исследования приводили к выводу, что в этом распаде как будто нарушается один из фундаментальных законов физики — закон сохранения энергии. Казалось, что часть энергии куда-то исчезала. Чтобы «спасти» закон сохранения энергии, В. Паули предположил, что при бета-распаде вместе с электроном вылетает, унося с собой недостающую энергию, еще одна частица. Она — нейтральная и обладает необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Ферми назвал эту частицу-невидимку «нейтрино». Как же они возникали? Было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существуют в ядре в «готовом виде», а каким-то образом образуются из энергии радиоактивного ядра. Дальнейшие исследования показали, что входящие в состав ядра нейтроны, предоставленные самим себе, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо одной частицы появляется три новые. Анализ приводил к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой. Исследования показали, что этой силе соответствует некоторое слабое действие.
Особенности:
1. Слабое взаимодействие по величине значительно меньше всех взаимодействий, кроме гравитационного.
2. Слабое взаимодействие распространяется на очень незначительных расстояниях. Радиус слабого взаимодействия очень мал. Слабое взаимодействие прекращается на расстоянии, большем 10-16 см от источника.
3. Когда началось лавинообразное открытие множества нестабильных субъядерных частиц, то обнаружилось, что большинство из них участвуют в слабом взаимодействии.
4.6.4 Сильное взаимодействие
К представлению о существовании сильного взаимодействия физика пришла в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать положительно заряженные протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация слишком слаба и не может это обеспечить. Очевидно, что необходимо какое-то взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено.
Особенности:
1. По своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия.
2. Как и в случае слабого взаимодействия, радиус действия новой силы оказался очень малым: сильное взаимодействие проявляется на расстоянии, определяемом размерами ядра, т.е. примерно 10-13 см.
3. Сильное взаимодействие испытывают не все частицы. В сильном взаимодействии участвуют обычно только тяжелые частицы.
Оно ответственно за образование ядер и многие взаимодействия элементарных частиц.
Вопрос-27.
4.7. Классификация элементарных частиц
4.7.1 Характеристики субатомных частиц
Исторически первыми экспериментально обнаруженными элементарными частицами были электрон, протон, а затем нейтрон. Казалось, что этих частиц и фотона (кванта электромагнитного поля) достаточно для построения известных форм вещества — атомов и молекул. Однако вскоре выяснилось, что мир устроен значительно сложнее. По мере развития экспериментальной ядерной физики к этим частицам добавились еще свыше 300 частиц.
Характеристиками субатомных частиц являются масса, электрический заряд, спин, время жизни частицы и др.
Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, поскольку она не зависит от состояния движения. Частица, имеющая нулевую массу покоя, движется со скоростью света (фотон). Нет двух частиц с одинаковыми массами. Электрон — самая легкая частица с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон тяжелее электрона почти в 2000 раз. А самая тяжелая из полученных в ускорителях элементарных частиц (Z-частица) обладает массой в 200 000 раз большей массы электрона.
Электрический заряд меняется в довольно узком диапазоне и всегда кратен фундаментальной единице заряда — заряду электрона (- 1). Некоторые частицы (фотон, нейтрино) вовсе не имеют заряда.
Важная характеристика частицы — спин — собственный момент импульса частицы. Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинакова. Частицы со спином 1 принимает тот же вид после полного оборота на 3600.
В зависимости от спина все частицы делятся на две группы:
бозоны — частицы с целыми спинами 0, 1, 2;
фермионы — частицы с полуцелыми спинами 1/2, 3/2.
Частицы характеризуются временем жизни. По этому признаку частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы — это электрон, протон, фотон и нейтрино. Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 минут. Все остальные известные частицы нестабильны, время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 10-24 с.
Физики выяснили, что прежде всего свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами. Частицы, не участвующие в сильном взаимодействии называются лептонами. Кроме того, существуют частицы – переносчики взаимодействий.
Рассмотрим свойства этих основных типов частиц.
Вопрос-28.
4.7.2 Лептоны
Среди лептонов наиболее известен электрон. Электрон — это первая из открытых элементарных частиц.
Другой хорошо известный лептон — нейтрино. Нейтрино являются наиболее распространенными частицами во Вселенной. Вселенную можно представить безбрежным нейтринным морем, в котором изредка встречаются острова в виде атомов. Но, несмотря на такую распространенность нейтрино, изучать их очень сложно, т.к. нейтрино почти неуловимы, они проникают через вещество, как будто его вообще нет.
Достаточно широко распространены в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Мюон — одна из первых известных нестабильных субатомных частиц, открытая в 1936 г. Во всех отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех те взаимодействиях, но имеет большую массу и нестабилен
В конце 70-х гг. был обнаружен третий заряженный лептон, получивший название тау-лептон. Это очень тяжелая частица. Ее масса около 3500 масс электрона, но во всем остальном он ведет себя подобно электрону и мюону.
Значительно расширился список лептонов в 60-х гг. Было установлено, что существует несколько типов нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. У каждого лептона есть своя античастица, таким образом, общее число лептонов равно двенадцати.
Вопрос-29.
4.7.3 Адроны
Если лептонов двенадцать, то адронов сотни, и подавляющее большинство из них резонансы, т.е. крайне нестабильные частицы. Наиболее известны такие адроны, как нейтрон и протон. Остальные адроны короткоживущие и быстро распадаются.
В 1963 г. была предложена кварковая модель адронов. Основная идея этой теории: все андроны построены из более мелких частиц – кварков. Кварки несут дробный электрический заряд: -1/3, либо +2/3 заряда электрона. Комбинация из 2-х или 3-х кварков может иметь суммарный заряд, равный 0 или 1. Основоположники теории кварков Гелл-Манн и Цвейг в 60-е гг. ввели три сорта (аромата) кварков: u (от up-верхний), d (от down - нижний) и s (от strange - странный).
Кварки могут соединяться друг с другом либо тройками, либо парами кварк-антикварк. Пр.: протон состоит из двух u- и одного d-кварка (uud), нейтрон udd.
Из различных комбинаций трех основных частиц получили все известные адроны. Но в 70-ые гг. были открыты новые адроны (пси-частицы, ипсилон-мезон и др.). Это нанесло удар по первому варианту теории кварков, т.к. в том варианте уже не было места для новых частиц. Проблему решили за счет трёх новых ароматов: с – очарованный, b – прелестный, и t – истинный.
Вопрос-30.
Частицы - переносчики взаимодействий
Перечень известных частиц не исчерпывается лептонами и адронами, образующими строительный материал вещества. Есть еще один тип частиц, которые не являются строительным материалом материи, а непосредственно обеспечивают четыре фундаментальных взаимодействия, т.е. образуют своего рода «клей», не позволяющий миру распадаться на части.
Переносчиком электромагнитного взаимодействия выступает фотон.
Глюоны — переносчики сильного взаимодействия (связывают кварки попарно или тройками).
Переносчики слабого взаимодействия три частицы — W и Z0 - бозоны.
Высказывается мнение, что возможно существование и переносчика гравитационного поля — гравитона. В принципе гравитоны можно зафиксировать в эксперименте. Но поскольку гравитационное взаимодействие очень слабое и в квантовых процессах практически не проявляется, то непосредственно зафиксировать гравитоны очень сложно и пока не удалось.
Классификация частиц на лептоны, адроны и переносчики взаимодействий исчерпывает мир известных нам субатомных частиц. Каждый вид частиц играет свою роль в формировании структуры материи. Вселенной.
Вопрос-31.Теория эволюции Ламарка.
Ж.Б. Ламарк, ботаник при Королевском ботаническом саде, первый предложил развернутую концепцию эволюции органического мира. Ламарк сформулировал гипотезу эволюции, базирующуюся на следующих принципах:
Согласно этой теории, современные виды живых существ произошли от ранее живших путем приспособления, обусловленного их стремлением лучше гармонизировать с окружающей средой. Например, жираф, доставая растущие на высоком дереве листья, вытягивал свою шею, и это вытягивание было унаследовано его потомками.
Хотя эволюционная концепция Ламарка казалась его современникам надуманной и мало кем разделялась, тем не менее, она носила новаторский характер, была первой обстоятельной попыткой решения проблемы эволюции органических форм.
Вопрос-32.Катастрофизм.
Иным образом конкретизировалась идея развития в учении катастрофизма (Ж. Кювье, Л. Агассис, и др.).
Главный принцип катастрофизма: история Земли есть процесс периодической смены одного типа геологических изменений другим, причем между сменяющими друг друга периодами нет никакой закономерной, преемственной связи, как нет ее между факторами, вызывающими эти процессы. По отношению к органической эволюции эти положения конкретизировались в двух принципах:
во-первых, в принципе коренных качественных изменений органического мира в результате катастроф;
во-вторых, в принципе прогрессивного восхождения органических форм после очередной катастрофы.
Катастрофизм есть такая разновидность гипотез органической эволюции, в которой прогресс органических форм объясняется через признание неизменяемости отдельных биологических видов. Только в периоды катастроф исчезают одни виды животных и растений и появляются другие, качественно новые.
Эмпирические предпосылки катастрофизма: отсутствие палеонтологических связей между историческими сменяющими друг друга флорами и фаунами; существование резких перерывов между смежными геологическими слоями; отсутствие переходных форм между современными и ископаемыми видами; малая изменяемость видов на протяжении культурной истории человечества; устойчивость, стабильность современных видов; редкость случаев образования межвидовых гибридов; обнаружение обширных излияний лавы; обнаружение смены земных отложений морскими и наоборот; наличие целых серий перевернутых пластов, существование трещин в пластах и глубинных разломов коры.
Значение этой концепции в истории геологии, палеонтологии, биологии велико. Катастрофизм способствовал развитию стратиграфии, связыванию истории развития геологического и биологического миров, введению представления о неравномерности темпов преобразования поверхности Земли, выделению качественного своеобразия определенных периодов в истории Земли и др.
Вопрос-33.Дарвинизм
Чарльз Дарвин в создании своей эволюционной теории опирался на материал, собранный как его предшественниками, так и им самим в ходе кругосветного путешествия на корабле «Бигль». Определенную конструктивную роль в выработке принципов селекционной теории эволюции сыграло утверждение (сформулированное Т.Р. Мальтусом) о том, что имеется потенциальная возможность размножения особей каждого вида в геометрической прогрессии. Основные эмпирические обобщения, наталкивающие на идею эволюции органических форм, Дарвин привел в работе «Происхождение видов» (1859г).
Дарвиновская теории эволюции опирается на следующие принципы:
• борьбы за существование;
• наследственности и изменчивости;
• естественного отбора.
«Борьба за существование» - каждый вид производит больше особей, чем их выживает до взрослого состояния; среднее количество взрослых особей находится примерно на одном уровне; каждая особь в течение своей жизнедеятельности вступает в множество отношений с биотическими и абиотическими факторами среды (отношения между организмами в популяции, между популяциями в биогеоценозах, с абиотическими факторами среды и др.).
Дарвин разграничивает два вида изменчивости — определенная и неопределенная.
Определенная изменчивость (в современной терминологии — адаптивная модификация) — способность всех особей одного и того же вида в определенных условиях внешней среды одинаковым образом реагировать на эти условия (климат, пишу и др.). По современным представлениям адаптивные модификации не наследуются и потому не могут поставить материал для органической эволюции. (Дарвин допускал, что определенная изменчивость в некоторых исключительных случаях может такой материал поставлять.)
Неопределенная изменчивость (в современной терминологии — мутация) предполагает существование изменений в организме, которые происходят в самых различных направлениях. Неопределенная изменчивость в отличие от определенной носит наследственный характер, и незначительные отличия в первом поколении усиливаются в последующих. Неопределенная изменчивость тоже связана с изменениями окружающей cреды, но уже не непосредственно, что характерно для адаптивных модификаций, а опосредованно. Дарвин подчеркивал, что решающую роль в эволюции играют именно неопределенные изменения. Неопределенная изменчивость связана обычно с вредными и нейтральными мутациями, но возможны и такие мутации, которые в определенных условиях оказываются перспективными, способствуют органическому прогрессу.
Естественный отбор – механизм, который позволяет выбраковывать ненужные формы и образовывать новые виды. Тезис о естественном отборе является ведущим принципом дарвиновской теории. В нем отражается одна из фундаментальных черт живого – диалектика взаимодействия органической системы и среды. Эти принципы являются краеугольным основанием научной биологии.
Вопрос-34.Синтетическая теория эволюции.
Синтетическая теория эволюции (СТЭ) – современная эволюционная теория, которая является синтезом Дарвинизма и генетики и также опирается на палеонтологию, молекулярную биологию, экологию и др.
Элементарной единицей эволюции считается локальная популяция.
Естественный отбор рассматривается как главная причина видообразования и происхождения надвидовых таксонов, развития адаптаций.
Наследственные изменения в каком либо определенном направлении осуществляются также под воздействием ряда эволюционных факторов:
Кроме этого СТЭ разграничивает микроэволюцию и макроэволюцию. Микроэволюция – это совокупность эволюционных изменений, происходящих в генофондах популяций за сравнительно небольшой период времени и приводящих к появлению новых видов. Макроэволюция – эволюционные преобразования за длительный исторический период времени, которые приводят к возникновению надвидовых форм организации живого.
Вопрос-35.Теории возникновения жизни
.1 Креационизм (creatio – создание, сотворение) – теория божественного сотворения жизни.
.2 Теория самопроизвольного зарождения жизни – жизнь возникает непрерывно и самопроизвольно из неживой материи.
Эта теория господствовала со времен Аристотеля. В 16 веке её активно развивали Парацельс и Ван Гельмонт (метод производства мышей из пшеничных зерен, помещенных в шкаф вместе с грязным бельем). Итальянский врач Франческо Реди продемонстрировал, что на самом деле насекомые, жабы, лягушки и пр. рождаются из оплодотворенных яиц. Однако этот вопрос возник снова примерно в 1675 году вслед за открытием микроорганизмов. Нидхем показал, что если баранью подливку и подобные ей настои нагреть, а затем герметически закрыть в сосуде, то в течение нескольких дней они обязательно порождают микроорганизмы. Он полагал, что раз нагревание убивает все ранее существовавшие микроорганизмы, то полученный результат служит доказательством самозарождения. Окончательно опроверг идею самозарождения Пастер.
.3 Теория панспермии – теория занесения жизни на Землю из космоса. Согласно этому представлению, “зародыши жизни” блуждают в космическом пространстве до тех пор, пока не попадают на планету с подходящими условиями. В 1908 г. Аррениус предположил, что бактериальные споры и вирусы могут уноситься с планеты, где они существовали под действием электростатических сил, а затем перемещаться в космическом пространстве под давлением света.
В последние годы американские астрофизики Хойл и Викрамасингхом пришли к заключению, что не менее 80% частиц межзвездной пыли состоят из клеток бактерий и морских водорослей.
Совсем недавно возникла гипотеза “направленной панспермии”, согласно которой жизнь на Землю занесена не случайно, доставлена разумными существами.
Вопрос-36.Теория биохимической эволюции. Современная теория происхождения жизни впервые была сформулирована А.И.Опариным в 1924г. Он утверждал, что условия на первичной Земле отличались от современных: в земной атмосфере того времени отсутствовал кислород. В ходе химических реакций синтезировались органические соединения, которые накапливались в океане. Энергией химические реакции обеспечивало коротковолновое излучение, которое в наши дни не пропускается к поверхности озоновым слоем.
Предполагается, что в хаосе химических реакций закреплялись реакции циклических типов, обладающие способностью к самоподдержанию.
Одновременно с отбором циклических реакций происходила самосборка липидных оболочек, которые отделяли объемы с упорядоченными реакциями от окружающей среды, не лишая их возможности обмена со средой.
Каким-то образом процесс самосборки оболочек и процесс отбора циклических реакций объединялись и привели к появлению неравновесных, отделенных от окружающей среды самоподдерживающихся образований, которые стали предшественниками простейшей клетки.
Вопрос-37. Биологическая эволюция человека.
Факторы биологической эволюции человека: прямохождение, уровень развития головного мозга, степень развития руки.
Предшественники человека.
Дриопитек (древесная обезьяна) – предок шимпанзе, гориллы и человека. Обитал в тропических лесах 18-8 млн. лет назад. Некоторые «спустились с деревьев на землю».
Австралопитеки (южные обезьяны) обитали в африканской саванне свыше 5 млн. лет назад. Размер головного мозга 650 см3. Прямохождение высвободило руки. Использовали палки, камни, кости, рога и пр. Утратили «шубу».
Homo habilis (человек умелый).
Homo erectus (человек выпрямленный) другая ветвь эволюции, к этому виду относят питекантропа (обезьяночеловека), синантропа (китайского человека). Жили 2 млн. – 500 тыс. лет назад. Объем головного мозга достигал 1250 см3. Пользовались примитивными орудиями труда в виде обтесанных камней – рубила, скребки, наконечники и пр. Использовали огонь, владели примитивной членораздельной речью.
Неандертальцы. Жили в ледниковую эпоху 200-35 тыс. лет назад. Жили в пещерах, использовали огонь, одевались в шкуры. Изготавливали ножи, скрелба, ударные орудия и пр. Жили группами, мужчины охотились, женщины и дети собирали плоды, корни, старики изготавливали орудия. Считаются тупиковой ветвью эволюции, последние неандертальцы жили среди первых современных людей и были ими вытеснены.
Кроманьонцы – современные люди (homo sapiens- человек разумный). Возникли 100-40 тыс. лет назад.
Вопрос-38.Социальная эволюция человека.
Факторы социальной эволюции человека: речь, труд, разделение труда, передача опыта, совместная деятельность и пр.
Вопрос-39.Небулярная гипотеза Канта-Лапласа (от лат. nebula – туманность).
Эта гипотеза впервые попыталась объяснить происхождение солнечной системы: солнце, планеты и их спутники возникли из некоторой первоначальной, бесформенной туманной массы, некогда равномерно заполнявшей мировое пространство. Под влиянием притяжения частиц образовывались отдельные скопления, сгущения, становившиеся центрами притяжения. Из одного такого центра притяжения образовалось солнце, вокруг которого частицы туманности начали двигаться по кругу. В круговых туманностях образовались зародыши планет, которые также начали вращаться вокруг своей оси. Т.о. впервые была создана развивающаяся картина мира.
Вопрос-40.Солнечная система.
В состав Солнечной системы входят Солнце, большие планеты, их спутники, малые планеты (астероиды), кометы, метеорные потоки, отдельные метеорные тела и межпланетный газ.
Известно, что в состав Солнечной системы входя девять больших планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Первые четыре образуют Земную группу планет: они имеют твердые поверхности и сравнительно медленно вращаются вокруг своей оси. Следующие четыре планеты принадлежат к группе планет-гигантов, названные так потому, что их диаметры в несколько раз превышают диаметр Земли. Планеты-гиганты не имеют твердой поверхности, т.к. состоят в основном из газов, больная часть их составов приходится на водород и гелий. Каждая из планет-гигантов имеет кольца, которые состоят из пыли, камней и льда. Астрономы считают, что подобные кольца – это части необразовавшихся спутников. Последняя планета – Плутон по своим физическим характеристикам относится скорее к планетам Земной группы.
Большинство планет, кроме Меркурия и Венеры имеют спутники. Всего в настоящее время насчитывается свыше 60 спутников планет.
Вопрос-41.Звезды, их эволюция.
1. Гравитационное сжатие. Звезды образуются из газопылевой межзвездной среды. Под действием сил гравитации «протозвезда» сжимается и разогревается. Когда температура достигнет приблизительно 10 млн. К, внутри звезды начинается термоядерная реакция превращения водорода в гелий, и для звезды начинается новая стадия.
2. Стационарное состояния. Силы гравитации уравновешиваются давлением внутри звезды, возникшим вследствие протекания термоядерной реакции. В этом состоянии звезда может существовать долгое время. Когда водород, необходимый для термоядерной реакции, будет израсходован, наступает новый этап эволюции звезды.
3. Красный гигант. Ядро, состоящее из гелия (продукт термоядерной реакции) начинает сжиматься и, как следствие, разогреваться. Термоядерная реакция будет продолжаться на периферии, где еще сохранился водород. Размер звезды и ее светимость будут увеличиваться, звезда превращается в красный гигант. В гелиевом ядре начинается новая термоядерная реакция превращения гелия в углерод.
Дальнейшая эволюция звезды зависит от ее массы.
Если масса звезды небольшая, то звезда постепенно остывая, превращается в черный карлик. Это мертвые, холодные звезды очень большой плотности. Их размеры меньше размеров Земли, а масса сравнима с солнечной.
Иначе свой путь заканчивают более массивные звезды. Гравитационные силы приводят к гравитационному коллапсу – катастрофически быстрому сжатию, в результате которого образуется нейтронная звезда. Плотность вещества в ядре становится столь высокой, что протоны и электроны сливаются друг с другом, превращаются в нейтроны. Внешние газовые слои, падающие на ядро, ударяются о него и отскакивают с большой скоростью, стремительно разлетаясь в околозвездном пространстве. Этот явление называется вспышкой сверхновой звезды.
Самые массивные звезды не могут обрести устойчивость на стадии образования нейтронного ядра. Если центральная область звезды будет сжата до величины гравитационного радиуса (для Солнца, например, эта величина равна 3 км.), то образуется черная дыра – сфера, в которой поле тяготения столь велико, что никакое излучение или частицы не могут выйти их этой сферы.
Вопрос-42.Эволюция Вселенной.
В основе современных представлений об эволюции Вселенной лежит теория “Большого взрыва”, основы которой были заложены в трудах Д. Гамова. Эта теория предполагает, что Вселенная спонтанно возникла в результате взрыва из состояния с бесконечно большой плотностью и бесконечно большой внутренней энергией (состояние сингулярности). По мере расширения Вселенной температура падала – сначала быстро, а затем все медленнее до довольно низкой величины, при которой возникли условия, благоприятные для образования звезд и галактик.
Эта теория получила экспериментальное подтверждение после открытия в 1965 году “реликтового излучения” – микроволнового фонового излучения и расширения Вселенной
Вопрос-43.Экология, объект изучения.
Термин экология был предложен впервые в 1869 г. Эрнстом Геккелем (с греч. oicos – дом, logos - наука), т.е. буквально – наука о том, где обитают живые организмы, т.е. об окружающей нас природной среде.
Экология изучает взаимодействие между животными и растениями и их средой обитания.
Объектом изучения экологии являются взаимодействие 5-ти уровней организации материи: живые организмы, популяции, сообщества, экосистемы и биосфера.
Живой организм – это любая форма жизнедеятельности.
Популяция – это группа организмов одного вида, проживающих в определенном месте (все окуни в пруду).
Сообщество – это несколько популяций различных видов, живущих в определенном месте и взаимодействующих друг с другом (все животные, растения и деструкторы пруда).
Экосистема – взаимосвязь сообществ с физическими и химическими факторами неживой окружающей среды. Все экосистемы Земли составляют биосферу.
Вопрос-44.Абиотические компоненты экосистемы (= экологические факторы).
Включают различные физические и химические факторы. К физическим относят – солнечный свет, тень, испарения, температура, водные течения. Химические факторы – питательные элементы и их соединения в атмосфере, гидросфере и земной коре.
Принцип лимитирующего фактора (закон Либиха) – развитие организма управляется тем экологическим фактором, который находится в минимуме.
Пр.: в морских экосистемах существует три главных лимитирующих фактора, которые определяют число и разновидность организмов на разных уровнях морских экосистем, - это: tоС, солнечный свет и содержание растворенного кислорода.
У живых организмов есть важное свойство, которое позволяет им приспосабливаться к изменяющимся условиям среды – толерантность (от греч. терпение) – способность организма выдерживать изменение условий жизни.
Причиной того, что организмы не могут быть распространены повсюду, является то, что организмы имеют определенные диапазоны толерантности по отношению к колебанию физических и химических факторов среды.
Различают:
Многие организмы способны менять толерантность к физическим факторам, если условия будут изменяться постепенно. Такая адаптация к медленному изменению условий (акклиматизация) является полезным защитным свойством, но она может быть и опасной, т.к. с каждым следующим изменением организм приближается к предельному уровню толерантности и наступает пороговый эффект, т.е., неожиданно следующее, даже очень незначительное изменение может оказаться критическим.
Вопрос-45.Биотические компоненты экосистемы.
Это основные типы организмов, которые формируют экосистему, по способу питания их подразделяют на:
консументы 3 порядка – питаются только плотоядными животными (пауки, ястреб, сокол, змеи, акулы и пр.)
Абиотические химические факторы
Продуценты
Консументы
Редуценты
Из этой схемы видно, что редуценты являются завершающим звеном в круговороте веществ. Они очищают природную среду от отходов путем разрушения органических соединений и преобразуют их в неорганические питательные вещества, используемые продуцентами, т.о. жизненный цикл возобновляется.
Вопрос-46.Пищевые цепи.
Любой организм в биоценозе не только сам питается кем-либо, но и является пищей для других. Другими словами, в природе существуют пищевые цепи.
^ Пищевая цепь или цепь питания - это ряд взаимосвязанных видов, из которых каждый предыдущий является пищей последующему. Пищевая цепь - ряд видов, связанных пищевыми отношениями. Каждый вид организмов пищевой цепи представляет собой трофический уровень.
^ Роль организмов в пищевых цепях
Вопрос-47.Экологическая ниша.
Э.Н. – это комплекс всех физических, химических и биологических факторов среды, которые необходимы тому или иному виду для жизни, роста и размножения в данной экосистеме.
В зависимости от основных источников питания, размеров местообитания и чувствительности к физико-химическим факторам среды э.н. делятся на:
1. специализированные. Такой нишей обладают виды растений и животных, которые могут существовать лишь в узком диапазоне климатических условий и др. характеристик среды, питаться ограниченным набором растений и животных. Пр.: гигантская панда.
2. общие ниши. Такой нишей обладают виды, которые могут жить в самых разнообразных местах, потреблять разнообразную пищу и выдерживать широкий диапазон природных условий. Такие виды легче приспосабливаются к изменениям условий среды.
Э.н. включает в себя взаимодействие видов в экосистеме. Взаимодействие видов в экосистеме.
1. Конкуренция.
К. может касаться пространства, пищи, света, воды и пр. К. подразделяется на внутривидовую – борьба за одни и те же ресурсы между особями одного вида (территориальность). И межвидовую – отношения, в которые вступают два и более видов в экосистеме, если начинают потреблять один и тот же дефицитный ресурс. Их экологические ниши частично пересекаются.
Межвидовая конкуренция подчиняется принципу конкурентного исключения Гаррета Хардиа: в природе два вида не могут сосуществовать бесконечно в одном местообитании используя одни ресурсы одинаковым образом.
2. Хищничество.
Хищник – жертва – это отношения, при которых хищник питается организмами или частями организмов жертвы. Хищник живёт отдельно от жертвы.
Жертвы пользуются рядом защитных механизмов: быстро бегают или летают, толстая кожа или панцирь, защитная окраска или способность менять цвет, маскируясь в окружающей среде, выделяют хим. средства, отпугивающие хищника.
Хищники: быстро бегают (гепард), охотятся стаями.
Хищничество – важный вид отношений, т.к. хищник в первую очередь отлавливает больных, раненых и др. неполноценных особей, т.о. сдерживает распространение заболеваний в популяциях и оставляет наиболее сильных и здоровых для размножения.
3. Паразитизм (parasitos - нахлебник).
Это форма взаимодействия между организмами, один из которых (паразит) живёт за счет другого (хозяина), питаясь за счет его тканей.
Паразитизм широко распространен.
Виды:
Эндо (истинный) – паразит развивается внутри хозяина, характеризуется узкой специализацией видов, т.к. хозяин обеспечивает и пищу, и микроклимат, и местообитание.
Экто – паразит поселяется на теле хозяина и извлекает питательные вещества с помощью специальных органов.
Переходные формы.
Способные перемещаться от хозяина к хозяину (блохи, ржавчинные грибы) и однохозяйные виды.
Абсолютный паразитизм – получают все необходимые питательные вещества.
Частичный – некоторые питательные вещества.
4. Мутуализм – взаимодействие, способствующее росту и выживанию обоих видов партнеров. В природе ни один из таких видов не может жить без другого.
Лишайник – сожительство (ассоциация) гриба и водоросли. Водоросль в этом симбиозе поставляет питательные вещества, продукты фотосинтеза, а гриб защищает её от экстремальных воздействий. Т.о. лишайник селится в самых суровых условиях (тундра, голые скалы).
5. Комменсализм – один из видов извлекает пользу из такого взаимодействия, а на другом это практически никак не отражается.
Некоторые виды усаногих рачков селятся на челюстных костях китов. Рачки приобретают безопасное убежище и стабильный источник пищи. Для кита от такого соседства нет ни пользы, ни вреда.
Основная черта всех компонентов любой экосистемы – их взаимозависимость и взаимосвязь. Важнейший постулат экологии: все формы жизни на Земле прямо или косвенно зависят друг от друга и от окружающей среды.
Вопрос-48.Динамика популяций
Изменения в размерах, структуре и распределении популяции как реакция на условия окружающей среды, называют динамикой популяций.
Основная реакция большинства видов на изменение окружающей среды – изменение уровня смертности или рождаемости.
Благоприятные изменения обычно вызывают увеличение популяции путем превышения рождаемости над смертностью (освещенность, температура, оптимальный уровень питательных веществ, способность противостоять болезням и вредителям, конкурентоспособность, способность адаптироваться и пр.). Неблагоприятные изменения влекут за собой обратный процесс.
Факторы, влияющие на рождаемость.
Несколько основных характеристик видов:
Факторы, влияющие на смертность.
В основном смертность зависит от того, какие шансы на выживание имеют особи различных возрастных групп, в соответствии с этим выделяют три основных типа организмов:
Тип 1 – смертность увеличивается с возрастом, чаще умирают молодые особи (крупные млекопитающие).
Тип 2 – уровень смертности одинаков для всех возрастных групп (некоторые птицы, мелкие млекопитающие, пресмыкающиеся).
Тип 3 – чаще умирают молодые особи, смертность уменьшается с возрастом (насекомые, водные виды, растения).
Вопрос-49.Круговорот веществ в экосистеме.
Любые элементы, необходимые для жизнедеятельности организмов, их роста и размножения, называются питательными веществами.
Элементы, необходимые в больших количествах, называются макроэлементами, это С, О2, Н2, N, P, S, Ca, Mg, К. Они составляют 97% массы человеческого тела и долее 95% массы всех живых организмов.
Около 30 других элементов, необходимых в незначительных количествах, называются макроэлементами, это: Fe, Cu, Cl, Zn и пр.
Большинство элементов находятся на Земле в таком состоянии, что не могут быть напрямую использованы живыми организмами. Но они способны преобразовываться в необходимые для поглощения формы в процессе биогеохимических круговоротов.
Существует 2 типа биогеохимических круговоротов:
Круговорот углерода в экосистеме.
С является основой молекул углеводов, жиров, белков и нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) и др. важных органических соединений.
1 звено: наземные растения получают необходимый углерод, поглощая СО2 из атмосферы через поры в листьях. В процессе фотосинтеза углерод углекислого газа преобразуется в углерод органических соединений: .
Затем в клетках происходит процесс клеточного дыхания, при котором органические соединения расщепляются (с выделением энергии). Такая связь между фотосинтезом и клеточным дыханием заставляет углерод циркулировать внутри экосистемы.
2 звено: некоторая часть планетарного углерода на длительные периоды связывается в форме ископаемых видов топлива – каменного и бурого угля, нефти, природного газа, торфа, сланцев. В таком виде углерод остается связанным, пока не произойдет добыча и сжигание топлива и углерод будет введен в атмосферу в форме СО2.
3 звено: в водных экосистемах С и О2, соединяясь с Са образуют нерастворимый карбонат кальция (СаСО3), из которого состоят раковины моллюсков и минералы. При отмирании, раковины опускаются на дно и образуют слой донных осадков (осадочных отложений). Возврат углерода из таких отложений происходит очень медленно, путем: 1) растворения этих отложений в океанической воде и образования растворенного СО2;
2) вулканической деятельности, приводит к выбросу СО2 в воздух и воду;
3) вертикальные движения земной коры, обнажившиеся карбонатные породы подвергаются активным химическим реакциям с выделением СО2.
Вмешательство человека в круговорот углерода:
Вопрос-50.
На протяжении большей части человеческой истории рост численности народонаселения был малозаметен. Однако на протяжении XIX в. этот процесс стал набирать темпы и чрезвычайно резко ускорился в первой половине XX в. (рис. 5). Это дало повод аналитикам говорить о «демографическом взрыве».
Рис. 5. Рост населения Земли с начала новой эры до 2000 г.(по А.В. Михееву и В.М. Галушину)
Среди главных причин, вызвавших столь бурное изменение демографической ситуации, обращают на себя внимание, прежде всего достигнутые к этому моменту успехи профилактической и излечивающей медицины, способствовавшие существенному снижению относительных показателей смертности населения (в том числе детской), а также рост потребности производства в рабочей силе.
Согласно данным, приводимым К.М. Петровым, население мира увеличивается сегодня примерно на 90 млн. человек в год. Однако плотность населения в различных районах весьма неодинакова. Это проявляется даже в пределах отдельных стран, где, как правило, большая часть населения концентрируется в городах. Основной прирост населения Земли приходится на развивающиеся страны (рис. 6).
Быстрый рост населения в них провоцирует обострение экологических и социальных проблем, такие, как дефицит продовольствия, возникновение и распространение эпидемий инфекционных заболеваний, периодически вспыхивающие межэтнические, религиозные и кастовые конфликты, возникающие вследствие ужесточения конкуренции за территории и расположенные там ресурсы, а также все более усугубляющееся отставание в уровне культурного развития.
Рис. 6. Рост численности народонаселения в развитых и развивающихся странах (по Thomas W. Merrick, из книги К.М. Петрова «Общая экология»)
В.А. Красилов выделил и описал некоторые негативные последствия роста численности населения Земли. Среди них заслуживают особого внимания рост материального потребления, рост городских агломераций, загрязнение среды, падение уровня жизни, изменение структуры населения и его скученность.
Рост потребления. Рост населения не пропорционален росту потребления, так как обычно сопровождается падением уровня жизни. Потребление возрастает, прежде всего, за счет тех областей, которые мало связаны с уровнем жизни (например, потребление зерна, риса и т.п.).
Рост городов. В силу того, что сельскохозяйственное производство не предоставляет дополнительных рабочих мест, избыточное население сосредоточивается в городах. Рост городов происходит нередко за счет сельскохозяйственных угодий, что, в свою очередь, ведет к усилению оттока населения из сел в города.
Загрязнение среды возрастает из-за увеличения объема бытовых отходов, роста городов как наиболее мощных источников загрязнения, интенсификации сельскохозяйственного производства. Загрязнение провоцирует рост заболеваемости, запуская механизм естественного отбора, ведущего к изменению (ухудшению) генофонда. Борьба с загрязнением, в свою очередь, сопряжена со значительным увеличением непроизводительных расходов.
Падение уровня жизни. Основные факторы падения уровня жизни связаны с ростом численности населения многодетностью и обусловленным ею дефицитом семейного бюджета, ростом цен на землю, соответствующим удорожанием жилищного строительства, ресурсов, всех систем жизнеобеспечения, а также с ростом непроизводительных расходов.
Изменение структуры населения. Сдвиг в пользу городского населения с ростом его численности сопровождается:
изменением соотношения возрастных групп: омоложением населения, сопровождаемым ростом безработицы среди молодежи, преступности и общей социальной нестабильности;
изменением соотношения полов в младших возрастных гpyппах: число мальчиков превышает число девочек;
изменением соотношения полов в старших возрастных группах: снижением продолжительности жизни мужчин по сравнению с женщинами; увеличением числа одиноких женщин среднего и пожилого возрастов.
Скученность. Скученность населения ускоряет процесс загрязнения среды. Она провоцирует гормональные нарушения у человека, увеличивает степень конфликтности и агрессивности в семье и на производстве. Социально-психологические последствия скученности отчуждение, утрата социальной значимости личности, снижение ценности жизни, социальное безразличие и карьеризм (стремление обрести значимость любой ценой), саморазрушение (алкоголизм, наркомания, половые извращения, исключающие из репродуктивного процесса), преступность.
Более детально последствия роста численности населения проиллюстрированы на рис. 7.
Демографическая емкость нашей планеты большинством экологов оценивается в 1,01,5 млрд. человек (при идеальных общественно-экологических условиях). Фактическое ее население в конце XX в. вплотную приблизилось к рубежу в 6 млрд. человек (по последним данным осенью 1999 г. этот рубеж был преодолен). Сегодня Земля, по оценкам специалистов, перенаселена не менее чем в 3 раза. Однако рост населения, как отмечает П. Агесс, по-видимому, будет продолжаться, так как пищевые ресурсы вопреки регионально существующему голоду и недоеданию достаточны для жизни более 15 млрд. человек.
Так называемый демографический переход, знаменующий начало снижения числа жителей Земли, произойдет по современным прогнозам не ранее середины XXI в., когда популяция людей может достигнуть 12 млрд. человек. Десятикратное превышение оптимума численности населения в соответствии с емкостью Земли чревато включением так называемых экологических факторов, зависящих от плотности населения. Высокая численность населения и его подвижность способствуют распространению опасных для здоровья и жизни людей болезней. Теоретически вероятны шквалы заболеваний, например, пандемии гриппа, неконтролируемое лавинообразное распространение ВИЧ-инфекции и др. Многие специалисты отмечают, что чем выше будет численность и плотность населения, хуже состояние общего здоровья, тем катастрофичнее будут последствия эпидемий и пандемий.
Подобное развитие событий отнюдь не обязательно, если будут учтены экологические закономерности и ограничения, если человечество вложит значительные силы и средства в сферу оптимизации своего воспроизводства. Проблема народонаселения потенциально вполне разрешима. Уже сегодня демографические процессы в мире имеют существенно различную региональную специфику, вплоть до их противоположной направленности.
Рис. 7. Последствия роста населения (по В. А. Красилову)
По данным, приводимым В.М.Галушиным, во многих развитых странах Европы и Северной Америки годовой прирост населения составляет примерно 1% и продолжает сокращаться.
Иная ситуация складывается в большинстве развивающихся стран, где быстрый рост населения затрудняет повышение уровня его благосостояния, порождает сложные социально-экономические проблемы. Поэтому многие страны Азии и Африки реализуют программы ограничения рождаемости, осуществляя «планирование семьи».
К середине 70-х годов появились первые признаки снижения темпов прироста населения в таких крупнейших странах мира, как Китай, Индия и др. Это во многом стало возможным благодаря росту занятости женщин на производстве, возрастанию доли городского населения, повышению культурного уровня, ослаблению влияния религии и традиций, успехам здравоохранения, реализации экономических мер, стимулирующих отказ от рождения детей и ряда других факторов.
Как считают сегодня многие специалисты, комплексное действие социальных, экономических и культурных факторов, влияние системы просвещения приведут к заметному снижению темпов прироста населения в странах Азии и Африки еще до 2000 г. В этом случае общее народонаселение нашей планеты во второй половине XXI в., достигнув
1012 млрд. человек, стабилизируется на этом уровне, после чего, по-видимому, начнется постепенное сокращение его численности. По мнению большинства ученых, обеспечение в будущем такого количества людей продовольствием и жильем задача вполне реальная.
Сложность современной демографической ситуации состоит, однако, в том, что экономически большинство стран мира с капиталистической рыночной экономикой по-прежнему заинтересовано в росте численности населения, в своеобразном «расширенном воспроизводстве» рабочей силы. Необходимо отметить в связи с этим, что существенный прогресс в деле оптимизации процесса воспроизводства населения достижим лишь при сокращении потребности в трудовых ресурсах в условиях вывода человека из процесса непосредственного материального производства. Экономический рост должен идти за счет механизации и автоматизации производства с сокращением числа занятых в нем людей. Все это, однако, даст положительный демографический эффект лишь в том случае, если будет происходить на фоне планомерного повышения уровня жизни населения.
Вопросы-51,52 в тетради!!!
33
33