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
1.Знания - это проверенные практикой результаты познания.
2.Метрическая система — общее название международной десятичной системы единиц, основанной на использовании метра и килограмма. Была предложена французами(измеряли длину экватора)На протяжении двух последних веков существовали различные варианты метрической системы, различающиеся выбором основных единиц. В настоящее время повсеместно признанной является Международная система единиц (СИ). При некоторых различиях в деталях, элементы системы одинаковы во всем мире. Метрические единицы широко используются по всему миру как в научных целях, так и в повседневной жизни. В настоящее время метрическая система официально принята во всех государствах мира, кроме США, Либерии и Мьянмы (Бирма). Основное отличие метрической системы от применявшихся ранее традиционных систем заключается в использовании упорядоченного набора единиц измерения. Для любой физической величины существует лишь одна главная единица и набор дольных и кратных единиц, образуемых стандартным образом с помощью десятичных приставок. Тем самым устраняется неудобство от использования большого количества разных единиц (таких, например, как дюймы, футы, фадены, мили и т. д.) со сложными правилами преобразования между ними. В метрической системе преобразование сводится к умножению или делению на степень числа 10, то есть к простой перестановке запятой в десятичной дроби.
3.Астрономическая единица длины (а. е.), единица расстояний в астрономии, равная среднему расстоянию Земли от Солнца. 1 а. е. = 149,6 млн. км. Астрономическая единица по определению равна в точности 149 597 870 700 метрам. Кроме того, было принято решение стандартизовать международное обозначение астрономической единицы: au. Применяется в основном для измерения расстояний между объектами Солнечной системы, внесолнечных систем, а также между компонентами двойных звёзд.Парсек - расстояние, с которого радиус земной орбиты виден под углом =1 сек. 1 парсек=3,26 св. года, диаметр галактики=30 000 парсеков.
4.Средние солнечные сутки — это промежуток времени от 0 часов среднего солнечного времени до следующего 0 часов; они всегда имеют одинаковую продолжительность.Именно средними солнечными сутками мы пользуемся в обыденной жизни. Когда мы говорим, что прошло столько-то суток, это означает, что речь идёт как раз о средних солнечных сутках.Промежуток времени между двумя последовательными нижними кульминациями Солнца. Продолжительность истинных солнечных суток в течение года изменяется приблизительно от 86399.7 с до 86400.4 с. Это происходит из-за неравномерности годичного движения Солнца по эклиптике и из-за наклона эклиптики к экватору.
5. Лунный календарь.Наверное, каждый из нас неоднократно замечал, что Луна, вращаясь вокруг Земли, постоянно меняет свою видимую форму. Иногда мы видим спутник нашей планеты как полностью освещённый диск, а иногда, как узкий серп, обращённый в одну или другую сторону. Объясняется это разницей в освещении Луны, то есть разным положением Луны относительно Земли и Солнца. На языке же астрономии такая смена положения земного спутника соответствует разным её фазам, которые следуют одна за другой.Полный цикл, в течении которого фазы меняют друг друга называется лунным месяцем. Его длительность составляет 29,53 солнечных суток, в течении которых четыре фазы последовательно сменяют друг друга. То есть он короче обычного солнечного месяца. Аналогично, лунный год длится не 365 дней как по солнечному календарю, а меньше. Согласно лунному календарю, длительность лунного года - 354,36 земных суток. А вот длительность лунных суток, наоборот, длиннее солнечных и равна 24ч48мин - это время между двумя восходами Луны. Однако, по лунному кадендарю первые и последние лунные сутки месяца могут иметь другую длительность. Объясняется это тем, что первые сутки начинаются, а последние заканчиваются не в момент восхода Луны, а в новолуние, которое может происходить между двумя лунными восходами.Здесь, кстати, тем, кто ещё сомневается во влиянии лунного календаря и на человеческую жизнь, хотелось бы заметить, что согласно научным исследованиям, биологические часы человека "заведены" на 24,5 - 25 часов, то есть биоритмы человека больше соответствуют лунным ритмам, чем солнечным.Со́лнечный календа́рь — разновидность календаря, в основе которого лежит тропический год, то есть период смены сезонов. Продолжительность тропического года составляет 365,24220 суток. Таким образом, календарный год в солнечном календаре должен составлять или 365 суток — обычный год, или 366 суток — високосный год. Для того, чтобы средняя продолжительность календарного года была близка к продолжительности тропического года, необходима система вставки високосов. Родиной с о л н е ч н о г о календаря является Древний Египет. Именно на берегах Нила начало созданию его было положено за четыре тысячи лет до нашей эры.
6. Юлиа́нский календа́рь — календарь, разработанный группой александрийских астрономов во главе с Созигеном и введённый Юлием Цезарем с 1 января 45 года до н. э. Юлианский календарь заменил старый римский календарь и основывался на астрономической культуре эллинистического Египта. В Древнерусском государстве календарь был известен под названием «Миротворного круга», «Церковного круга», индикта и «Великого индиктиона». Юлианский календарь в современной России обычно называют старым стилем. (по костяшкам).Григориа́нский календа́рь — система счисления времени, основанная на циклическом обращении Земли вокруг Солнца; продолжительность одного цикла принята равной 365,2425 суток; содержит 97 високосных лет на 400 лет.Впервые григорианский календарь был введён папой римским Григорием XIII в католических странах 4 октября 1582 года взамен старого юлианского: следующим днём после четверга 4 октября стала пятница 15 октября. Переход на Григорианский календарь имел следующие преимущества:Новый календарь сразу на момент принятия сдвигал на 10 дней текущую дату и исправлял накопившиеся ошибки.В новом календаре стало действовать новое, более точное правило о високосном годе. Год високосен, то есть содержит 366 дней, если: номер года кратен 400 (1600, 2000, 2400);остальные годы — номер года кратен 4 и не кратен 100 (… 1892, 1896, 1904, 1908 …).Модифицировались правила расчёта христианской пасхи
7. Естествознание- совокупность наук о природе, раньше натур. философия. Базовые науки:, биология, астрономия, география, геология, физика, химия.Затем на стыках этих наук появились такие науки, как геофизика, астрофизика, биохимия, физическая химия, геохимия, метеорология, климатология, почвоведение. 1 классификация наук Аристотель(4 век до н.э.), затем Ампер(кибернетика-об управлении).
8. Развитие науки не было равномерными. Структура научных революций-книга Томаса Куна (революция происходит в науке, когда существующая парагдигма приходит с новыми экспериментальными знаниями.) Парадигма- совокупность наших представлений и теорию
9. Революция коснулась естествознания. На первое место выходит математика и механика. В европейской натурфилософии провозглашаются новые методы исследования. (Ф.Бэкон, Дж. Локк) – метод индукции. Особенностью научных изысканий и открытий будет использование экспериментов как источников новых знаний.Николай Коперник пишет книгу «О вращении небесных сфер», которая выходит в 1543 году и разрушает геоцентрическую теорию Птолемея и систему Аристотеля. Коперник доказывает, что неподвижным центром является Солнце, а не Земля, располагает в правильном порядке планеты по степени их удаленности от Солнца.Датский астроном Тихо Браге, заметивший в 1572 году сверхновую звезду, издает первый современный каталог звезд и изготовляет целый набор астрономических приборов.Первую конструкцию телескопа предлагает Ганс Липперсгей, голландский производитель линз. Он представил свое творение в Гааге в 1608 году.Галилео Галилей, используя подзорную трубу Липперсгея, открывает свой собственный телескоп и открывает множество звезд, спутников, пятна на Солнце и даже кратеры на Луне. В 1632 году он пишет книгу в защиту гелиоцентрической теории «Диалог о двух главнейших системах мира».Иоганн Кеплер открывает три закона движения планет и доказывает, что планеты вращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. Закон площадей Кеплера — это первое математическое описание движений планет.Исаак Ньютон (1642-1727) пишет труд «Математические начала натуральной философии», в котором формулирует три закона движения материальных объектов и демонстрирует, что земная и небесная сферы действуют по одним и тем же законам природы. Более того, он математически обосновывает закон всемирного тяготения, открывает волновую природу света и разделяем белый цвет на спектральные.Английский ученый Уильям Гарвей (1578-1657) доказывает, что кровь циркулирует по замкнутому кругу благодаря сердцу, а не печени, как предполагали ранее.
10.Измерение астрономических расстояний в древние Греции.
11.солнечная система. Законы кемплера. Солнечная система-называется солнце и все вращающиеся тела. Четыре меньшие внутренние планеты: Меркурий, Венера, Земля и Марс (также называемые планетами земной группы), состоят в основном из силикатов и металлов. Четыре внешние планеты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, также называемые газовыми гигантами, намного более массивны, чем планеты земной группы. Крупнейшие планеты Солнечной системы, Юпитер и Сатурн, состоят, главным образом из водорода и гелия; внешние, меньшие Уран и Нептун, помимо водорода и гелия, содержат в своём составе метан и угарный газ. В Солнечной системе существуют две области, заполненные малыми телами. Пояс астероидов, находящийся между Марсом и Юпитером, сходен по составу с планетами земной группы, поскольку состоит из силикатов и металлов. Крупнейшими объектами пояса астероидов являются Церера, Паллада, Веста и Гигея. Солнечная система входит в состав галактики Млечный путь. Согласно современным представлениям, Солнечная система сформировалась приблизительно 5 миллиардов лет назад в результате сжатия газопылевого облака.Первый закон Кеплера (закон эллипсов). Каждая планета Солнечной системы обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.Второй закон Кеплера (закон площадей)Каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причём за равные промежутки времени радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, описывает равные площади.С этим законом связаны два понятия: перигелий — ближайшая к Солнцу точка орбиты, и афелий — наиболее удалённая точка орбиты. Таким образом, из второго закона Кеплера следует, что планета движется вокруг Солнца неравномерно, имея в перигелии большую линейную скорость, чем в афелии.Каждый год в начале января Земля, проходя через перигелий, движется быстрее, поэтому видимое перемещение Солнца по эклиптике к востоку также происходит быстрее, чем в среднем за год. В начале июля Земля, проходя афелий, движется медленнее, поэтому и перемещение Солнца по эклиптике замедляется. Закон площадей указывает, что сила, управляющая орбитальным движением планет, направлена к Солнцу.Третий закон Кеплера (гармонический закон)Квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся, как кубы больших полуосей орбит планет. Справедливо не только для планет, но и для их спутников.
12.Луна. Фазы луны. Луна - единственный естественный спутник Земли. Луна была известна с доисторических времен. Это второй самый яркий объект в небе после Солнца. Поскольку Луна обращается по орбите вокруг Земли раз в месяц, угол между Землей, Луной и Солнцем изменяется; мы наблюдаем это явление как цикл Лунных фаз. Период времени между последовательными новыми лунами составляет 29.5 дней (709 часов).
Благодаря ее размеру и составу Луну иногда относят к планетам земной группы наряду с Меркурием, Венерой, Землей и Марсом. Поверхность Луны можно разделить на два типа: очень старая горная местность с большим количеством вулканов и относительно гладкие и более молодые лунные моря. Лунные моря, которые составляют приблизительно 16% всей поверхности Луны, - это огромные кратеры, возникшие в результате столкновений с небесными телами, которые были позже затоплены жидкой лавой. Расстояние до Земли = 384400 км
13. Кометы — это холодные тела, и мы видим их только потому, что газы в коме и хвост светятся в результате отражения солнечного света от твердых частиц. Кометы являются постоянными членами семьи Солнечной системы, связанные с Солнцем гравитацией. Считается, что кометы произошли из того же материала, из которого образовалась Солнечная система, но это — оставшийся мусор. Кометы очень малы по размеру по сравнению с планетами. Их средний диаметр обычно составляет от 750 метров до 20 километров. В последнее время были найдены более далекие кометы, возможно, имеющие диаметр до 300 километр. Кометы имеют неправильную форму. Последние данные свидетельствуют о том, что кометы являются очень хрупкими. Орбиты планет вокруг Солнца почти круговые, а орбиты комет довольно вытянутой формы. Их дальняя точка от Солнца (афелий) находится вблизи орбиты Юпитера, ближайшая точка (перигелий), находится гораздо ближе к Земле. Например, у кометы Галлея, афелий находится за орбитой Нептуна.ядро: относительно твердое и стабильное, состоящее в основном изо льда и газа с небольшими добавками пыли и других твердых веществ; кома: плотное облако водяного пара, углекислого и других нейтральных газов сублимирующих из ядра; водородное облако: огромная (миллионы км в диаметре), но очень разреженная оболочка нейтрального водорода; пылевой хвост: до 10 миллионов км в длину, состоит из очень мелких частиц пыли уносимых от ядра потоком газа. Эта часть кометы лучше всего видна не вооруженным глазом; газовый (ионный) хвост: до нескольких сотен миллионов км длинной, состоит из плазмы (ионизованных газов), интенсивно взаимодействует с солнечным ветром.
14.Наша галактика. Солнце и Земля входят в систему звезд и планет, которая называется галактикой, или нашей Галактикой. Конечно же, она не одинока. На ночном небе расположены миллионы галактик. Каждая из них содержит множество звезд, собранных вместе и удерживаемых силой тяготения. Крупнейшие галактики содержат триллионы звезд, сгруппированных вместе. Некоторые удалены от нашей Солнечной системы более чем на миллиард световых лет. Среди галактик есть такие же большие, как и наша, в которую входят не менее 100 миллиардов звезд и планет. Диаметр нашей Галактики измеряется ста тысячами световых лет. От Солнца до центра Галактики - 30 тысячсветовых лет. Нам даже трудно представить, насколько велики эти цифры. Для этого у нас просто-напросто не хватит воображения.Галактики расположены группами и узнаются по форме, которую они образуют. Существует 4 основных типа галактик — это спиральные галактики, эллиптические (яйцевидные), галактики в форме замкнутой спирали и нерегулярные галактики. Сила тяготения помогает им поддерживать свою форму.Некоторым галактикам даются имена. Наша галактика - Млечный Путь - это спиральная галактика. Она маленькая, так как содержит только около 20 звездных скоплений, собранных вместе. Самая огромная галактика — Дева: в ней приблизительно 1000 скоплений. А спираль Андромеды — одна из ближайших к Млечному Пути галактик. По приблизительной оценке она расположена на расстоянии 2,2 млн световых лет и все же может быть видна невооруженным глазом.
15.Звезды, их рождение,жизнь и смерть. Звезда́ — излучающий свет массивный газовый шар, удерживаемый силами собственной гравитации, в недрах которого происходят (или происходили ранее) реакции термоядерного синтеза. Звёзды образуются из газово-пылевой среды (главным образом из водорода и гелия) в результате гравитационного сжатия. Температура вещества в недрах звёзд измеряется миллионами кельвинов, а на их поверхности — тысячами кельвинов. Энергия подавляющего большинства звёзд выделяется в результатетермоядерных реакций превращения водорода в гелий, происходящих при высоких температурах во внутренних областях. Звёзды часто называют главными телами Вселенной, поскольку в них заключена основная масса светящегося вещества в природе. Примечательно и то, что звёзды имеют отрицательную теплоёмкость
16.Диаграмма Герципрунга-ресселя. Диаграмма, независимо предложенная в 1910 г. астрономами Э.Герцшпрунгом (Голландия) и Г.Ресселом (США), на которой сопоставляются светимости (или абсолютные звездные величины) звезд с их эффективной температурой или спектральным классом. На Г-Р.Д. звезды образуют отдельные группировки, именуемые последовательностями. Около 90 % наблюдаемых звезд - это звезды Главной последовательности, которая тянется узкой полосой от горячих звезд высокой светимости до холодных звезд-карликов низкой светимости, Это - звезды, которые светят за счет ядерных реакций превращения водорода в гелий. Выделяются также последовательности звезд-гигантов, звезд-сверхгигантов, и некоторые другие. Положение звезды на Г.-Р.Д. определяется ее массой, возрастом и химическим составом. Г.-Р.Д. широко используется в астрономии для определения возрастов звездных скоплений, для сопоставления теорий эволюции звезд с наблюдениями, а также для оценки расстояний до звездных систем.
17.Энегрия Звезд Ближайшей к Земле звездой является Солнце — типичный представитель спектрального класса G. Звёзды образуются из газово-пылевой среды (главным образом из водорода и гелия) в результате гравитационного сжатия. Температура вещества в недрах звёзд измеряется миллионами кельвинов, а на их поверхности — тысячами кельвинов. Энергия подавляющего большинства звёзд выделяется в результате термоядерных реакций превращения водорода в гелий, происходящих при высоких температурах во внутренних областях. Звёзды часто называют главными телами Вселенной, поскольку в них заключена основная масса светящегося вещества в природе. РЕАКЦИЯ!!!!
18Строение вселенной, типы галактик..Существует 3 основных типа галактик — это спиральные галактики(диаметр 30000 парсек), эллиптические (яйцевидные), неправильные. Сила тяготения помогает им поддерживать свою форму.В самом крупном масштабе строение Вселенной представляет собой расширяющееся пространство, заполненное губкообразной клочковатой структурой. Стенки этой губчатой структуры Вселенной представляют собой скопления миллиардов звёздных галактик. Расстояния между ближайшими друг к другу галактиками составляют обычно около миллиона световых лет. Каждая звёздная галактика составлена из сотен миллиардов звёзд, которые обращаются вокруг центрального ядра. Размеры галактик составляют до сотен тысяч световых лет. Звёзды состоят в основном из водорода, который является самым распространённым химическим элементом во Вселенной.. Наша Вселенная безгранична, но конечна (2пр)
1)одномерная; 2) двумерная (сфера); 3) трехмерная (наша)-кривизна
19.Эволюцтя вселенной. Точку отсчета времени жизни эволюционирующей Вселенной начинается с момента, когда произошел "Большой Взрыв» и внезапно нарушилось состояние сингулярности. По мнению большинства исследователей, теория "Большого Взрыва" в целом довольно успешно описывает эволюцию Вселенной, начиная примерно с 10-44 секунды после начала расширения. Эти условия характеризуются наличием высокой температуры и высокого давления в сингулярности, в котором была сосредоточена материя. Время эволюции Вселенной оценивается примерно в 20 млрд. лет. Теоретические расчеты показали, что в сингулярном состоянии ее радиус был близок к радиусу электрона, т.е. она была микрообъектом ничтожно малых масштабов. Вселенная перешла к расширению от первоначального сингулярного состояния в результате взрыва, который заполнил все пространство. Возникла температура 100 000 млн. град. по Кельвину, при которой не могут существовать молекулы, атомы и даже ядра. Вещество находилось в виде элементарных частиц, среди которых преобладали электроны, позитроны, нейтрино, и фотоны. В конце третьей минуты после взрыва температура Вселенной понизилась до 1 млрд. град. по К. Стали образовываться ядра атомов – тяжелого водорода и гелия, но вещество Вселенной состояло к этому времени в основном из фотонов, нейтрино и антинейтрино. Лишь через несколько сотен тысяч лет начали образовываться атомы водорода и гелия, образуя водородно-гелиевую плазму. Астрономы обнаружили «реликтовое» радиоизлучение в 1965 г. – излучение горячей плазмы, которая сохранилась с того времени, когда еще не было звезд и галактик. Из этой смеси водорода и гелия в процессе эволюции возникло все многообразие современной Вселенной. По теории Дж. Х. Джинса главным фактором эволюции Вселенной является ее гравитационная неустойчивость: материя не может распределяться с постоянной плотностью в любом объеме. Однородная первоначально плазма распалась на огромные сгустки. Из них потом образовались скопления галактик, которые распались на протогалактики, а из них возникли протозвезды. В начале этой эры возникают пер вые протозвезды и протогалактики. Излучение перестает взаимодействовать с веществом и начинает сво бодно перемещаться по Вселенной. 1. Адронная эра (гр. hadros сильный): длительность 10-7 с, температура Вселенной составляет 1032 К. Главными действующими лицами являются элементарные и неэлементарные частицы (протон, нейтрон и др.), между которыми осуществляется взаимодействие разной силы: сильное, слабое и гравитационное. Вселенная представляет собой разогретую плазму.2. Лептонная эра (гр. leptos легкий): длительность 10 с, температура Вселенной 1015 К. Главные действующие лица – лептоны (электроны, позитроны и другие элементарные частицы).3. Эра излучения: длительность 1 млн. лет, температура Вселенной 10 000 К. В это время во Вселенной преобладало излучение, а вещество было ионизированным.4. Эра вещества: длится и сейчас. Вселенная остывает, становится нейтральной и темной, образуется вещество.
20. Равномерным прямолинейным движением называют движение, при котором материальная точка за любые равные промежутки времени совершает одинаковые перемещения вдоль данной прямой линии. Скорость равномерного движения определяется по формуле:
Ускорение есть векторная физическая величина, определяемая как отношение малого изменения скорости к малому промежутку времени за который произошло это изменение:
Кинематика изучает движение тел, не рассматривая причины, которые это движение обуславливают. Материальная точка – это тело, размеры которого малы относительно всех других расстояний в данном случае (размерами которого можно пренебречь).Движение тел происходит в пространстве и во времени. Поэтому для описания движения материальной точки важно знать относительно чего она движется.
Скорость – это путь в единицу времени (это если скорость постоянная). Обозначается буковой v. Ускорение – это скорость изменения скорости.
21. Прямолинейное равноускоренное движение – самый простой вид неравномерного движения, при котором тело движется вдоль прямой линии, а его скорость за любые равные промежутки времени меняется одинаково.Равноускоренное движение – это движение с постоянным ускорением.Ускорение тела при его равноускоренном движении – это величина, равная отношению изменения скорости к промежутку времени, за которое это изменение произошло:
22. Вращательное движение (тоже самое, что и вращение тела с неподвижной осью) — вид механического движения, при котором все точки тела (мы рассматриваем абсолютно твердое тело) описывают окружности, расположенные в параллельных плоскостях. Центры всех окружностей лежат при этом на одной прямой, перпендикулярной к плоскостям окружностей и называемой осью вращения. Ось вращения может располагаться внутри тела и за его пределами.
Частота вращения — число оборотов в единицу времени. .Период вращения — время одного полного оборота.
23.Кориолосово ускорение. Си́ла Кориоли́са — одна из сил инерции, существующая в неинерциальной системе отсчёта из-за вращения и законов инерции, проявляющаяся при движении в направлении под углом к оси вращения.Названа по имени французского учёного Гюстава Гаспара Кориолиса, впервые описавшего её в статье, опубликованной в 1835 году
Причина появления силы Кориолиса — в кориолисовом (поворотном) ускорении. В инерциальных системах отсчёта действует закон инерции, то есть, каждое тело стремится двигаться по прямой и с постоянной скоростью. Если рассмотреть движение тела, равномерное вдоль некоторого вращающегося радиуса и направленное от центра, то станет ясно, что чтобы оно осуществилось, требуется придавать телу ускорение, так как чем дальше от центра, тем должна быть больше касательная скорость вращения. Это значит, что с точки зрения вращающейся системы отсчёта, некая сила будет пытаться сместить тело с радиуса.Кроме того, сила Кориолиса проявляется и в глобальных масштабах. В северном полушарии сила Кориолиса направлена вправо от движения, поэтому правые берега рек в Северном полушарии более крутые — их подмывает вода под действием этой силы. Если бы рельсы были идеальными, то при движении железнодорожных составов под воздействием силы Кориолиса один рельс изнашивался бы сильнее, чем второй. В северном полушарии больше изнашивается правый, а в южном левый
24.Ветры , бризы, муссоны, пассаты. Ветер – это движение воздушных масс над поверхностью Земли. Движение воздуха от Земли называется восходящим потоком, а движение вниз – нисходящим. Скорость ветра может варьироваться в широких пределах. Вблизи поверхности Земли скорость ветра измеряется анемометром, а для измерения на высоте применяют специальные воздушные шары – зонды. По их отклонение от прямолинейного вертикального движения можно определить скорость и направление ветра в различных слоях атмосферы.Для классификации силы ветра долгое время использовалась шкала Ботфорта, которая классифицировала ветер в зависимости от скорости на 12 баллов. Сейчас и метрах, и в сеГлавной причиной возникновения ветра является, как это ни странно Солнце. Из-за неравномерного поступления солнечных лучей на поверхность Земли разные участки нагреваются по-разному. Холодный и горячий воздух имеют разный объем, что приводит к разнице атмосферного давления. Ветер стремится уравнять разность давления и перемещает воздух из более прогретой области в более холодную.Бриз— ветер, который дует на побережье морей и больших озёр. Направление бриза меняется дважды в сутки: дневной (или морской) бриз дует с моря на разогретое дневными лучами Солнца побережье. Ночной (или береговой) бриз имеет обратное направление. Скорость бриза небольшая, и составляет 1—5м/с, редко больше. Бриз заметен только в условиях слабого общего переноса воздуха, как правило в тропиках, а в средних широтах — в устойчивую безветренную погоду.Муссоны — это устойчивый ветер, который кардинально меняет свое направление дважды в году. Летом он дует со стороны океана или моря — на сушу. Такой ветер приносит полон влаги и приносит обильные дожди. К зиме направление муссона постепенно меняется и он начинает дуть с суши на море. В этот период наступает засуха. Редкие скудные дожди не могут напитать землю.В переходные периоды — весной и осенью — погода неустойчива.Пассаты — это устойчивые в течение го да ветры. Они характерны для тропических широт. Парусники и самолеты очень часто используют их для повышения своей скорости.В течение всего года в тропиках стоит жара. Перегретый экваториальный воздух поднимается, а его место занимают более холодные слои, пришедшие с севера или юга. Из-за вращения Земли нагретые воздушные слои движутся всегда в одном на правлении. Это и есть пассаты, дующие, как правило, в северо-восточном направле нии в Северном полушарии и в юго-восточ ном в Южном полушарии. Пересекая Ат лантику, «Аэробусы» и «Боинги» стара ются использовать эти ветры. И когда им удается попасть в пассат, скорость полета увеличивается.
25.законы статики , момент силы. Статика — раздел механики, изучающий равновесие тел — твердых, жидких или газообразных, находящихся в состоянии покоя под воздействием внешних сил.Законы статики вытекают из общих законов динамики как частный случай, когда скорости твердых тел стремятся к нулю, но по историческим причинам и педагогическим соображениям статику часто излагают независимо от динамики, строя ее на следующих постулируемых законах и принципах: а) законе сложения сил, б) принципе равновесия и в) принципе действия и противодействия. В случае твердых тел (точнее, идеально твердых тел, которые не деформируются под действием сил) вводится еще один принцип, основанный на определении твердого тела. Это принцип переносимости силы: состояние твердого тела не изменяется при перемещении точки приложения силы вдоль линии ее действия. Параллелограмм сил. Рассмотрим тело (рис. 1,а), на которое действуют силы F1 и F2, приложенные в точке O и представленные на рисунке направленными отрезками OA и OB. Как показывает опыт, действие сил F1 и F2 эквивалентно одной силе R, представленной отрезком OC. Величина силы R равна длине диагонали параллелограмма, построенного на векторах OA и OB как его сторонах; ее направление показано на рис. 1,а. Сила R называется равнодействующей сил F1 и F2. Математически это записывается в виде R = F1 + F2, где сложение понимается в геометрическом смысле слова, указанном выше. Таков первый закон статики, называемый правилом параллелограмма сил. Момент силы величина, характеризующая вращательный эффект силы при действии её на твёрдое тело.
В физике момент силы можно понимать как «вращающая сила». В системе СИ единицами измерения для момента силы является ньютон-метр М=r*F( с векторами) и без векторов М=r*F*sin(альфа)
26. Закон Паскаля для жидкостей.В этом и состоит закон Паскаля: жидкости и газы передают оказываемое на них давление по всем направлениям одинаково. Закон этот был открыт в 17 веке французским ученым Паскалем и потому носит его имя. p=F/S, где p – это давление ,F – приложенная сила, S – площадь сосуда. Измеряется в паскалях( пример с шариком-вода и надавить-проткнув)
27. Закон Архимеда. Из своего повседневного опыта мы знаем, что на тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила. Эта сила называется архимедовой. Сила, выталкивающая целиком погружённое тело в жидкость или газ, равна весу жидкости в объёме этого тела. Силу можно рассчитать с помощью математического выражения:F=pgv F- сила Архимеда p- плотность жидкости g - ускорение свободного падения
V - объём, погружаемого тела. Следовательно, архимедова сила зависит от плотности жидкости, в которую погружено тело, и от объёма этого тела. Но она не зависит, например, от плотности вещества тела, погружаемого в жидкость.Плавание тел1) Если сила тяжести больше архимедовой силы, то тело будет опускаться на дно, тонуть.2) Если сила тяжести равна архимедовой силе, то тело может находиться в равновесии в любом месте жидкости, то есть тело плавает внутри жидкости.3) Если сила тяжести меньше архимедовой силы, то тело будет подниматься из жидкости, всплывать.
28. Закон (уравнение) Бернулли является следствием закона сохранения энергии для стационарного потока идеальной (то есть без внутреннего трения) несжимаемой жидкости: Здесь— плотность жидкости, — скорость потока, — высота, на которой находится рассматриваемый элемент жидкости, — давление в точке пространства, где расположен центр массы рассматриваемого элемента жидкости, — ускорение свободного падения.
29. Динамика материальной точки, законы динамики Ньютона.Динамика — количественное описание взаимодействия тел, определяющего характер их движения Движение по инерции — движение, происходящее без внешних воздействий. Принцип инерции Галилея: если на тело не действуют силы, оно сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Инерциальные системы отсчета (ИСО) — системы отсчета, в которых тело, не взаимодействующее с другими телами, сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения Преобразования Галилея: где х — координата тела в ИСО X; х' — координата тела в ИСО X', движущейся относительно X со скоростью v. Закон сложения скоростей: где vx — скорость тела в ИСО X; vx'— скорость тела в ИСО Х', движущейся относительно X со скоростью V.Принцип относительности Галилея: во всех инерциальных системах отсчета законы механики имеют одинаковый вид. Первый закон Ньютона: тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит его изменить это состояние Сила — векторная физическая величина, являющаяся мерой взаимодействия тела с другими телами, в результате которого тело приобретает ускорение (или изменяет свою форму и размеры).Единица силы — ньютон (Н). Инертность — физическое свойство тела в отсутствие трения оказывать сопротивление изменению его скорости. Масса (инертная масса) — физическая величина, характеризующая меру инертности тела Единица массы — килограмм (кг)Принцип суперпозиции сил: результирующая сила, действующая на частицу со стороны других тел, равна векторной сумме сил, с которыми каждое из этих тел действует на частицу. Второй закон Ньютона: в инерциальной системе отсчета ускорение тела прямо пропорционально векторной сумме всех действующих на него сил и обратно пропорционально массе телаТретий закон Ньютона: силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по величине, противоположны по направлению и приложены к разным телам: Все механические явления определяются электромагнитным и гравитационным взаимодействиями Электромагнитными силами являются сила упругости и сила трения. Упругое воздействие на тело — воздействие, в результате которого тело восстанавливает форму и размеры. Закон Гука: сила упругости, возникающая при деформации тела, прямо пропорциональна его удлинению и направлена противоположно направлению деформации.
30. Во всех явлениях, происходящих в природе, энергия не возникает и не исчезает. Она только превращается из одного вида в другой, при этом ее значение сохраняется. Потенциальная энергия тяготения, определяется высотой h.
Потенциальная энергия упругой деформации, определяется величиной деформации х.
- Кинетическая энергия - энергия движения тел, определяется скоростью тела v.
Энергия может передаваться от одних тел к другим, а также превращаться из одного вида в другой.
- Полная механическая энергия.
Импульс тела - это физическая векторная величина, равная произведению массы тела на его скорость. Вектор импульса тела направлен так же как и вектор скорости этого тела. Векторная сумма импульсов взаимодействующих тел, составляющих замкнутую систему, остается неизменной.
( до и после взаимодействия)
Вращающееся вокруг своей оси тело при отсутствии тормозящих вращение сил так и будет продолжать вращаться. Физики привычно объясняют этот феномен тем, что такое вращающееся тело обладает неким количеством движения, выражающимся в форме углового момента количества движения или, кратко, момента импульса или момента вращения. Момент импульса вращающегося тела прямо пропорционален скорости вращения тела, его массе и линейной протяженности. Чем выше любая из этих величин, тем выше момент импульса. Если теперь допустить, что тело вращается не вокруг собственного центра массы, а вокруг некоего центра вращения, удаленного от него, оно всё равно будет обладать вращательным моментом импульса. В математическом представлении момент импульса L тела, вращающегося с угловой скоростью ω, равен L = Iω, где величина I, называемая моментом инерции, является аналогом инерционной массы в законе сохранения линейного импульса, и зависит она как от массы тела, так и от его конфигурации — то есть, от распределения массы внутри тела. В целом, чем дальше от оси вращения удалена основная масса тела, тем выше момент инерции.
30)законы сохраниения энергии, импульса и момента импульса.
Энегрия - наиболее универсальная величина для описания физических явлений.
Энергия - максимальное количество работы, которое способно совершить тело. При взаимодействии тел импульс одного тела может частично или полностью передаваться другому телу. Если на систему тел не действуют внешние силы со стороны других тел, то такая система называется замкнутой.
В замкнутой системе векторная сумма импульсов всех тел, входящих в систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой. Закон сохранения механической энергии и закон сохранения импульса позволяют находить решения механических задач в тех случаях, когда действующие силы неизвестны. Примером такого рода задач является ударное взаимодействие тел.
Моментом импульса L материальной точки относительно произвольной точки О называется физическая величина, определяемая векторным произведением радиус-вектора r этой материальной точки, проведенного из точки О, на величину ее импульса mv: L=[r,mv], где m - масса материальной точки; v – ее скорость при поступательном движении или линейная скорость ее при вращательном движении.
31.Момент Инерции, закон Штерна. Момент инерции твёрдого тела относительно какой-либо оси зависит от массы, формы и размеров тела, а также и от положения тела по отношению к этой оси. Согласно теореме Штейнера (теореме Гюйгенса-Штейнера), момент инерции тела J относительно произвольной оси равен сумме момента инерции этого тела Jc относительно оси, проходящей через центр масс тела параллельно рассматриваемой оси, и произведения массы тела m на квадрат расстояния d между осями: ,где — полная масса тела. Ii=mi*Ri2. Единица измерения в Международной системе единиц (СИ): кг·м².
32.Момент инерции стержня, диска и шара
. Шар: k = 2/5, ;Диск: k = 1/2, ;Стержень:
33. Общий закон динамики врщательного движения тел.Основной закон динамики вращательного движения твердого тела формулируется так: “Момент силы, действующий на вращающееся тело, равен произведению момента инерции тела на угловое ускорение”. где-изменение момента импульса тела
34.Математический маятник. Математический маятник √ это абстрактное представление о грузе, имеющем массу, но не имеющем объема, подвешенном на невесомой нерастяжимой нити, длина которой многократно превосходит амплитуду колебаний. Реальным приближением к этому является тяжелый шарик, подвешенный на длинной тонкой нити, совершающий колебания небольшой амплитуды. Математический маятник подчиняется законам движения, по которым можно определить период его колебаний, зная длину нити и ускорение свободного падения в данном месте. Место может быть любое √ хоть Луна или Марс, главное √ знать ускорение свободного падения. Интересно, что период колебаний математического маятника не зависит от его массы. .
35.Физический маятник.Твердое тело произвольной формы, свободно совершающее колебания вокруг неподвижной горизонтальной оси, не проходящей через его центр масс, называют физическим маятником. где — момент инерции маятника относительно оси вращения, — масса маятника, — расстояние от оси вращения до центра масс.
36.Упригие волны. Звук. Скорость и громкость звука. Упругими (механическими) волнами называются механические возмущения, распространяющиеся в упругой среде. Упругие волны бывают продольными (в которых частицы среды колеблются в направлении распространения волны) и поперечными (в которых частицы колеблются в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения волны). Внутри жидкостей и в газах возникают только продольные волны, в твёрдых телах – продольные и поперечные. Длиной волны называется расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе λ=υT=υ/ν где υ - скорость волны, T - период, ν - частота. Звук - колебательное движение частиц упругой среды, распростраяющееся в виде волн в газообразной, жидкой или твёрдой средах. В воздухе такое движение сопровождается изменением давления , плотности и температуры газа, которые описываются с помощью волнового уравнения. Скорость звука – это характеристика среды, в которой распространяется волна. Она определяется двумя факторами: упругостью и плотностью материала. Упругие свойства твердых тел зависят от типа деформации. Так, упругие свойства металлического стержня неодинаковы при кручении, сжатии и изгибе. И соответствующие волновые колебания распространяются с разной скоростью. Громкость звука — это субъективное качество слухового ощущения, позволяющее распола гать звуки по шкале от тихих до громких. Слуховые ощущения, которые у нас вызывают различные звуки, во многом зависят от ампли туды звуковой волны и ее частоты, которые являются физическими характеристиками звуковой волны. Этим физическим характеристикам соответствуют определенные физиологические харак теристики, связанные с нашим восприятием звука. Громкость звука определяется амплитудой: чем больше амплитуда колебаний в звуковой вол не, тем больше громкость. Громкость звука зависит также от его длительности, интенсивности и от индивидуальных особенностей слушателя. Интенсивностью звука называется энергия, переносимая звуковой волной за 1 с через по верхность площадью 1 м2. Единицу громкости называют соном.
37. Поределение скорости света (Ремер, Брэдли, Физо, Майкельсон).
Измерение скорости света Рёмером — обнаруженное в 1676 году доказательство конечности скорости света, то есть того, что свет не распространяется с бесконечной скоростью, как считалось ранее. Открытие этого факта обычно приписывается датскому астроному Оле Рёмеру (1644—1710), который работал тогда в Королевской обсерватории Парижа. Проводя наблюдения затмений Рёмер заметил, что моменты затмений сдвигаются во времени в зависимости от положения Земли на орбите, а именно, когда Земля находится ближе к Юпитеру, моменты затмений наступают ранее усреднённых на больших интервалах времени средних значений, а когда Земля находится дальше от Юпитера — отстают.Первую оценку скорости света дал Олаф Рёмер (1676). Он заметил, что когда Земля и Юпитер находятся по разные стороны от Солнца, затмения спутника Юпитера Ио запаздывают по сравнению с расчётами на 22 минуты. Отсюда он получил значение для скорости света около 220000 км/сек — неточное, но по порядку величины близкое к истинному.Джеймсом Брэдли (1693-1762) в 1728 г. Он заметил, что в зависимости от положения Земли на орбите звезды видны под несколько различными углами. Это явление обусловлено движением Земли по орбите, а различия в направлениях на звезду связаны простой зависимостью с разностью скорости этого движения и скорости света. На основании этого Брэдли определил значение скорости света – оно оказалось того же порядка, что и у Рёмера.
Дальнейшие измерения скорости света были полностью «земными» – в них использовались чувствительные приборы, позволяющие точно измерить время прохождения светом того или иного известного расстояния. Измерительные устройства содержали зеркала, которые отражали свет вдоль определенного пути; время распространения света измерялось при помощи различных затворов. Установив, что свет имеет определенную скорость, ученые задумались над тем, как световые волны распространяются в пространстве. Другие известные тогда волновые движения возникали лишь в средах, где они могли распространяться, так, например, звук распространялся в воздухе. Значит, и свет должен распространяться в какой-то среде. Но поскольку подобную среду не удалось обнаружить» ее придумали. Она получила название «эфир», и считалось, что он заполняет всю Вселенную. Эфир породил множество щекотливых проблем. Было известно, что «обычные» волны движутся быстрее в более плотных и более упругих средах; в таком случае распространение света (с его очень высокой скоростью) теоретически требовало среды плотнее стали. Кроме того, было непонятным, каким образом планеты непрерывно движутся в пространстве, не встречая сопротивления со стороны эфира. Возникало много и других недоразумений.В 80-х годах прошлого столетия два американских физика – Альберт Майкельсон (1852-1931) и Эдвард Морли (1838-1923) – изготовили простое устройство для обнаружения эфира. В нем пучок света разделялся на два перпендикулярных пучка, которые после отражения от зеркал вновь сходились. Пути этих лучей немного отличались, так что их наложение создавало интерференционную картину. Майкельсон и Морли наблюдали за движением лучей в одном направлении, а затем поворачивали прибор под прямым углом и вновь производили наблюдения. Если бы свет распространялся в эфире, он проходил бы разные пути в направлении движения Земли и в перпендикулярном ему направлении. Поворот прибора выявил бы различие в интерференционных картинах, если бы оно существовало. В данном опыте – как и во многих повторениях его-ничего подобного обнаружено не было. В 1849 г. французский физик Арман Ипполит Луи Физо (23.11.1819–18.09.1896, Париж, Франция) первым поставил лабораторный опыт по измерению скорости света с использованием метода вращающегося затвора. В установке Физо узкий луч света разбивался на импульсы, проходя сквозь промежутки между выступами на окружности быстро вращающегося диска. Импульсы попадали на зеркало, расположенное на расстоянии L = 8,66 км от источника и ориентированное перпендикулярно ходу луча. Экспериментатор, изменяя скорость вращения колеса, добивался, чтобы отраженный свет попадал в промежуток между зубцами. На диске Физо было 720 выступов. Зная величину расстояния между зубцами и скорости вращения колеса, при которой свет попадает в следующий промежуток, можно рассчитать значение скорости света.Полученный Физо результат для скорости света составил 313 247 304 м/с.
38.Специальная теория относительности. Специальная теория относительности (СТО) - все явления везде протекают одинаково; скорость света везде одинакова, ни от чего не зависит и является максимальной скоростью распространения материи. Из-за того, что для движущихся наблюдателей явления протекают по-разному (с их точки зрения; например, если вы едете в поезде, то деревья с вашей точки зрения движутся, а поезд нет), а на самом деле должны протекать одинаково, возникают некоторые эффекты СТО. У движущегося объекта с точки зрения неподвижного наблюдателя: время замедляется,
продольный размер укорачивается, энергия возрастает. Специальная теория относительности (СТО; также частная теория относительности) — теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения при произвольных скоростях движения, меньших скорости света в вакууме, в том числе близких к скорости света. В рамках специальной теории относительности классическая механика Ньютона является приближением низких скоростей. Обобщение СТО для гравитационных полей называется общей теорией относительности. Описываемые специальной теорией относительности отклонения в протекании физических процессов от предсказаний классической механики называют релятивистскими эффектами, а скорости, при которых такие эффекты становятся существенными, — релятивистскими скоростями. Основным отличием СТО от классической механики является зависимость (наблюдаемых) пространственных и временных характеристик от скорости.Центральное место в специальной теории относительности занимают преобразования Лоренца, которые позволяют преобразовывать пространственно-временные координаты событий при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой.Специальная теория относительности была создана Альбертом Эйнштейном в работе 1905 года «К электродинамике движущихся тел». Несколько ранее к аналогичным выводам пришел А. Пуанкаре, который впервые назвал преобразования координат и времени между различными системами отсчёта «преобразования Лоренца».
39. Газовые законы. Уравнение Менделеева-Клапейрона. определяют количественные зависимости между двумя параметрами газа при неизменном значении третьего.
Г.з. справедливы для любых газов и газовых смесей. Изотермический процесс ( T = const называются изменения состояния газа, протекающие при постоянной температуре. Изотермический процесс в идеальном газе подчиняется закону Бойля-Мариотта: pV = const при T = const; Изобарный процесс ( p = const ) называются изменения состояния газа, протекающие при постоянном давлении. И.П. в идеальном газе подчиняется закону Гей-Люсака: ;Изохорный процесс ( V = const ) называются изменения состояния газа, протекающие при постоянном объеме.подчиняется закону Шарля: ;
Уравнение состояния идеального газа, R = kNA – универсальная газовая постоянная формула, устанавливающая зависимость между давлением, молярным объёмом и абсолютной температурой идеального газа. В 1834 г. французский физик Б. Клапейрон, работавший дли тельное время в Петербурге, вывел уравнение состояния идеаль ного газа для постоянной массы газа. В 1874 г. Д. И. Менделеев вывел уравнение для произвольного числа молекул.
|
A = p (V2 – V1) = pΔV. |
40.Изопроцессы. Работа при изопроцессах. В изохорном процессе (V = const) газ работы не совершает, A = 0.В изобарном процессе (p = const) работа, совершаемая газом, выражается соотношением: В изотермическом процессе температура газа не изменяется, следовательно, не изменяется и внутренняя энергия газа, ΔU = 0.
41. Основы молекулярно-кинетической теории.Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) объясняет свойства макроскопических тел и тепловых процессов, протекающих в них, на основе представлений о том, что все тела состоят из отдельных, беспорядочно движущихся частиц.Атом (от греческого atomos - неделимый) - наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Размеры атома порядка 10-10 м. Молекула - наименьшая устойчивая частица данного вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями. Размеры молекул 10-10-10-7м. Макроскопическое тело - тело, состоящее из очень большого числа частиц. NA – постоянная Авогадро. В основе МКТ строения вещества лежат три положения, каждое из которых доказано с помощью наблюдений и опытов (броуновское движение, диффузия и др.): 1. вещество состоит из частиц; 2. частицы хаотически движутся; 3. частицы взаимодействуют друг с другом. Цель МКТ- объяснение свойств макроскопических тел и тепловых процессов, протекающих в них, на основе представлений о том, что все тела состоят из отдельных, беспорядочно движущихся частиц. 1 а.е.м. = 1/12 массы атома углерода =1 ,66 * 10 -23 кг. -Основное уравнение МКТ идеального газа.
42.Молярная теплоемкость газов. Теплоёмкость тела (обозначается C) — физическая величина, определяющая отношение бесконечно малого количества теплоты ΔQ, полученного телом, к соответствующему приращению его температуры ΔT. Единица измерения теплоёмкости в системе СИ — Дж/К. Молярная теплоемкость — теплоемкость 1 моля данного вещества. Единицы измерения — Дж/(моль К) . R – универсальная газовая постоянная. Молярной теплоемкостью называют теплоемкость одного моля газа, а удельной теплоемкостью — теплоемкость единицы массы газа.
3)Распределение молекул по скоростям Майкельсона. Скорости молекул газа имеют различные значения и направления, причем из-за огромного числа соударений, которые ежесекундно испытывает молекула, скорость ее постоянно изменяеться. Поэтому нельзя определить число молекул, которые обладают точно заданной скоростью v в данный момент времени, но можно подсчитать число молекул, скорости которых имеют значение, лежащие между некоторыми скоростями v1 и v2 . На основании теории вероятности Максвелл установил закономерность, по которой можно определить число молекул газа, скорости которых при данной температуре заключены в некотором интервале скоростей. Согласно распределению Максвелла, вероятное число молекул в единице объема; компоненты скоростей которых лежат в интервале от до , от до и от до , определяются функцией распределения Максвелла
где m - масса молекулы, n - число молекул в единице объема. Отсюда следует, чтсг число молекул, абсолютные значения скоростей которых лежат в интервале от v до v + dv, имеет вид
Распределение Максвелла достигает максимума при скорости , т.е. такой скорсти, к которой близки скорости большинства молекул. Площадь заштрихованной полоски с основанием dV покажет, какая часть от общего числа молекул имеет скорости, лежащие в данном интервале. Конкретный вид функции распределения Максвелла зависит от рода газа (массы молекулы) и температуры. Давление и объем газа на распределение молекул по скоростям не влияет.
Кривая распределения Максвелла позволит найти среднюю арифметическую скорость
.
Таким образом,
|
(11.1) |
С Повышением температуры наиболее вероятная скорость возрастает, поэтому максимум распределения молекул по скоростям сдвигается в сторону больших скоростей, а его абсолютная величина уменьшается. Следовательно, при нагревании газа доля молекул, обладающих малыми скоростями уменьшается, а доля молекул с большими скоростями увеличивается.
44)Опытная проверка распределения молекул по скоростям. Вдоль оси внутреннего цилиндра с целью натянута платиновая проволока, покрытая слоем серебра, которая нагревается током. При нагревании серебро испаряется, атомы серебра вылетают через щель и попадают на внутреннюю поверхность второго цилиндра. Если оба цилиндра неподвижны, то все атомы независимо от их скорости попадают в одно и то же место В. При вращении цилиндров с угловой скоростью ω атома серебра попадут в точки В’, B’’ и так далее. По величине ω, расстоянию ? и смещению х = ВВ’ можно вычислить скорость атомов, попавших в точку В’.
Изображение щели получается размытым. Исследуя толщину осаждённого слоя, можно оценить распределение молекул по скоростям, которое соответствует максвелловскому распределению.
45) Уравнение состояния газа Ван-дер-Ваальса — уравнение, связывающее основные термодинамические величины в модели газа Ван-дер-Ваальса.
Хотя модель идеального газа хорошо описывает поведение реальных газов при низких давлениях и высоких температурах, в других условиях её соответствие с опытом гораздо хуже. В частности, это проявляется в том, что реальные газымогут быть переведены в жидкое и даже в твёрдое состояние, а идеальные — не могут.
Для более точного описания поведения реальных газов при низких температурах была создана модель газа Ван-дер-Ваальса, учитывающая силы межмолекулярного взаимодействия. В этой модели внутренняя энергия становится функцией не только температуры, но и объёма.
Уравнение Ван-дер-Ваальса — это одно из широко известных приближённых уравнений состояния, имеющее компактную форму и учитывающее основные характеристики газа с межмолекулярным взаимодействием[1].
ВАН-ДЕР-ВААЛЬСА УРАВНЕНИЕ
- уравнение состояния реального газа. Предложено И. Д. Ван-дер-Ваальсом (J. D. van der Waals) в 1873. Для газа, содержащего N молекул, В. у. имеет вид:
где V - объём, р - давление, T - абс. темп-pa газа, а и b - постоянные, учитывающие притяжение и отталкивание молекул. Член наз. внутр. давлением, постоянная bравна учетверённому объёму молекулы газа, если в качестве модели молекулы принять слабо притягивающиеся упругие сферы.
один из двух осн. законов термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии для систем, в к-рых существ. значение имеют тепловые процессы. П. н. т. было сформулировано в сер. 19 в. в результате работ нем. учёного Ю. Р. Майера, англ. физика Дж. П. Джоуля и нем. физика Г. Гельмгольца (см. ЭНЕРГИИ СОХРАНЕНИЯ ЗАКОН). Согласно П. н. т., термодинамич. система может совершать работу только за счёт своей внутр. энергии или к.-л. внеш. источников энергии. П. н. т. часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя 1-го рода, к-рый совершал бы работу, не черпая энергию из к.-л. источника.
При сообщении термодинамич. системе нек-рого кол-ва теплоты Q в общем случае изменяется её внутренняя энергия на DU и система совершает работу А:
Q =DU+A. (1)
Ур-ние (1), выражающее П. н. т., явл. определением изменения внутр. энергии системы (DU), т. к. Q и А — независимо измеряемые величины. Внутр. энергию системы DU можно, в частности, найти, измеряя работу системы в адиабатич. процессе (т. е. при Q=0): Aад =-DU, что определяет U с точностью до нек-рой аддитивной постоянной U0:
U=DU+U0. (2)
П. н. т. утверждает, что U явл. функцией состояния системы, т. е. каждое состояние термодинамич. системы характеризуется определ. значением U, независимо от того, каким путём система приведена в данное состояние (в то время как, значения Q и А зависят от процесса, приведшего к изменению состояния системы). При исследовании термодинамич. свойств физ. системы П. н. т. обычно применяется совместно со вторым началом термодинамики.
ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ
- законсохранения энергии для термодинамич. системы, согласно к-рому работа можетсовершаться только за счёт теплоты или к.-л. др. формы энергии. Поэтомуработу и кол-во теплоты можно измерять в одних единицах - Джоулях (1 Дж= 0,239 кал = 0,102 кгс/м). П. н. т. сформулировано как закон природы Ю. <Р. Майером (J. R. Мауег) в 1842 и установлено экспериментально Дж. Джоулем(J. Joule) в 1843. П. н. т. можно формулировать как невозможность существования вечногодвигателя1-го рода, к-рый совершал бы работу, не черпая энергию изк.-л. источника.
Согласно П. н. т., теплота Q, сообщаемаясистеме, равна сумме приращения внутр. энергии . и работы, производимойсистемой против внеш. сил:
Q = U2-U1 + A; прибесконечно малом изменении состояния системы:
где - бесконечно малое кол-во теплоты, передаваемой системе,- работа, совершаемая системой против внеш. сил, dU - изменениееё внутр. энергии.
Ур-ние (1) является определением величины dU, т. к.и - независимоизмеряемые величины. П. н. т. утверждает, что dU есть полный дифференциалнек-рой ф-ции U(величины и ,вообще говоря, не являются полными дифференциалами). Т. о., любая термодинамич. <система обладает ф-цией состояния - энергией U, зависящей лишь отпараметров, определяющих равновесное состояние системы, и не зависящейот процесса, к-рым система была приведена в это состояние. Передаваемоетепло Q и работа Азависят от пути, по к-рому совершаетсяпроцесс, т. к. величины и не есть полныедифференциалы. В системах, обменивающихся со средой веществом и энергией, <в П. н. т. следует учитывать энергию Z, передаваемую при переносемассы: Q= U2 - U1+ А+ Z.
Энергию U можно экспериментальноопределить, измеряя работу, совершаемую адиабатически замкнутой термодинамич. <системой (т. е. при Q =0), тогда А ад= U2- U1, что определяет U с точностью до аддитивнойпостоянной. Работу А можно определить по изменениям параметров системы. <Напр., при бесконечно малом расширении однородной системы (жидкости илигаза) при давлении Р её работа = PdV и, следовательно,Ур-ние (1) в этом случае имеет вид
В общем случае, если система характеризуется . экстенсивными параметрами al, ..., а п иобобщёнными силами Х1, ..., Х п, элементарнаяработа
П. н. т. можно формулировать также с помощью энтальпииН= U+ PV, т . к.
Такая форма удобна для применения П. н. <т. к стационарным процессам (см. Джоуля - Томсона эффект). П. н. <т. имеет многочисленные приложения, особенно эффективные при использованиитакже и второго начала термодинамики. Следствием П. н. т. являетсяформула Майера для разности между теплоёмкостью при постоянном давлениии при постоянном объёме:
Ср- СV = [.+(dU/dV)T](dV/dT)P,
эта величина означает кол-во тепла, перешедшеев работу.
В феноменологич. термодинамике внутр. <энергию U = U(V,T )рассматривают как экспериментально измеряемуюф-цию (калорическое уравнение состояния). Статистич. физика позволяет теоретическирассчитать ур-ние состояния исходя из законов взаимодействия между молекуламии вывести соотношение (2). При этом одновременно получается статистич. <обоснование как П. н. т., так и 2-го начала термодинамики.
47) Второе начало термодинамики
принцип, устанавливающий необратимость макроскопических процессов, протекающих с конечной скоростью. В отличие от чисто механических (без трения) или электродинамических (без выделения джоу-левой теплоты) обратимых процессов (См. Обратимый процесс), процессы, связанные с теплообменом при конечной разности температур (т. е. текущие с конечной скоростью), с трением, диффузией газов, расширением газов в пустоту, выделением джоулевой теплоты и т.д., необратимы, т. е. могут самопроизвольно протекать только в одном направлении (см. Необратимые процессы).
Исторически В. н. т. возникло из анализа работы тепловых машин (С. Карно, 1824). Существует несколько эквивалентных формулировок В. н. т. Само название «В. н. т.» и исторически первая его формулировка (1850) принадлежат Р. Клаузиусу: невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более нагретым. При этом самопроизвольный переход не следует понимать в узком смысле: невозможен не только непосредственный переход, его невозможно осуществить и с помощью машин или приборов без того, чтобы в природе не произошло ещё каких-либо изменений. Иными словами, невозможно провести процесс, единственным следствием которого был бы переход теплоты от более холодного тела к более нагретому. Если бы (в нарушение положения Клаузиуса) такой процесс оказался возможным, то можно было бы, разделив один тепловой резервуар на 2 части и переводя теплоту из одной в другую, получить 2 резервуара с различными температурами. Это позволило бы, в свою очередь, осуществить Карно цикл и получить механическую работу с помощью периодически действующей (т. е. многократно возвращающейся к исходному состоянию) машины за счёт внутренней энергии (См. Внутренняя энергия) одного теплового резервуара. Поскольку это невозможно, в природе невозможны процессы, единственным следствием которых был бы подъём груза (т. е. механическая работа), произведённый за счёт охлаждения теплового резервуара (такова формулировка В. н. т., данная У. Томсоном, 1851). Обратно, если бы можно было получить механическую работу за счёт внутренней энергии одного теплового резервуара (в противоречии с В. н. т. по Томсону), то можно было бы нарушить и положение Клаузиуса. Механическую работу, полученную за счёт теплоты от более холодного резервуара, можно было бы использовать для нагревания более тёплого резервуара (например, трением) и тем самым осуществить переход теплоты от холодного тела к нагретому. Обе приведённые формулировки В. н. т., являясь эквивалентными, подчёркивают существенное различие в возможности реализации энергии, полученной за счёт внешних источников работы, и энергии беспорядочного (теплового) движения частиц тела.
Возможность использования энергии теплового движения частиц тела (теплового резервуара) для получения механической работы (без изменения состояния других тел) означала бы возможность реализации так называемого вечного двигателя (См. Вечный двигатель) 2-го рода, работа которого не противоречила бы закону сохранения энергии. Так, работа двигателя корабля за счёт охлаждения забортной воды океана — доступного и практически неисчерпаемого резервуара внутренней энергии — не противоречит закону сохранения энергии, но если, кроме охлаждения воды, нигде других изменений нет, то работа такого двигателя противоречит В. н. т. В реальном тепловом двигателе (См.Тепловой двигатель) процесс превращения теплоты в работу обязательно сопряжён с передачей определённого количества теплоты внешней среде. В результате тепловой резервуар двигателя охлаждается, а более холодная внешняя среда нагревается, что находится в согласии со В. н. т. Следовательно, В. н. т. можно формулировать и как невозможность вечного двигателя 2-го рода.
Г. А. Зисман.
В современной термодинамике В. н. т. формулируется единым и самым общим образом как закон возрастания особой функции состояния системы, которую Клаузиус назвал энтропией (См. Энтропия) (обозначается S). Согласно этому закону, в замкнутой системе энтропия S при любом реальном процессе либо возрастает, либо остаётся неизменной, т. е. изменение энтропии δS ≥ 0; знак равенства имеет место для обратимых процессов. В состоянии равновесия энтропия замкнутой системы достигает максимума и никакие макроскопические процессы в такой системе, согласно В. н. т., невозможны. Для незамкнутой системы направление возможных процессов, а также условия равновесия могут быть получены из закона возрастания энтропии, примененного к составной замкнутой системе, получаемой путём присоединения всех тел, участвующих в процессе. Это приводит в общем случае необратимых процессов к неравенствам δU — TδS — δA ≤ 0, (1')
где δQ — переданное системе количество теплоты, δА — совершённая над ней работа, δU — изменение её внутренней энергии, Т — абсолютная температура; знак равенства относится к обратимым процессам.
Важные следствия даёт применение В. н. т. к системам, находящимся в фиксированных внешних условиях. Например, для систем с фиксированной температурой и объёмом неравенство (1') приобретает вид δF ≤ 0, где F = U — TS —Свободная энергия системы. Таким образом, в этих условиях направление реальных процессов определяется убыванием свободной энергии, а состояние равновесия — минимумом этой величины (см. Потенциалы термодинамические).
Приведённые в начале статьи формулировки В. н. т. являются частным следствием общего закона возрастания энтропии.
В. н. т., несмотря на свою общность, не имеет абсолютного характера, и отклонения от него (Флуктуации) являются вполне закономерными. Примерами таких флуктуационных процессов являются Броуновское движение тяжёлых частиц, равновесное Тепловое излучение нагретых тел (в том числе радиошумы), возникновение зародышей новой фазы при фазовых переходах (См. Фазовый переход), самопроизвольные флуктуации температуры и давления в равновесной системе и т.д.
Статистическая физика, построенная на анализе микроскопического механизма явлений, происходящих в макроскопических телах, и выяснившая физическую сущность энтропии, позволила понять природу В. н. т., определить пределы его применимости и устранить кажущееся противоречие между механической обратимостью любого, сколь угодно сложного микроскопического процесса и термодинамической необратимостью процессов в макротелах.
Как показывает статистическая термодинамика (Л. Больцман, Дж. Гиббс), энтропия системы связана со статистическим весом (См. Статистический вес) Рмакроскопического состояния:
S = klnP (k — Больцмана постоянная). Статистический вес Р пропорционален числу различных микроскопических реализаций данного состояния макроскопической системы (например, различных распределений значений координат и импульсов молекул газа, отвечающих определённому значению энергии, давления и других термодинамических параметров газа), т. е. характеризует как бы степень неточности микроскопического описания макросостояния. Для замкнутой системы Вероятность термодинамическая W данного макросостояния пропорциональна его статистическому весу и определяется энтропией системы:
W Второе начало термодинамики exp (S/k). (2)
Таким образом, закон возрастания энтропии имеет статистически-вероятностный характер и выражает постоянную тенденцию системы к переходу в более вероятное состояние. Максимально вероятным является состояние равновесия; за достаточно большой промежуток времени любая замкнутая система достигает этого состояния.
Энтропия является величиной аддитивной (см. Аддитивность), она пропорциональна числу частиц в системе. Поэтому для систем с большим числом частиц даже самое ничтожное относительное изменение энтропии, приходящейся на одну частицу, существенно меняет её абсолютную величину; изменение же энтропии, стоящей в показателе экспоненты в ур-нии (2), приводит к изменению вероятности данного макросостояния W в огромное число раз. Именно этот факт является причиной того, что для системы с большим числом частиц следствия В. н. т. практически имеют не вероятностный, а достоверный характер. Крайне маловероятные процессы, сопровождающиеся сколько-нибудь заметным уменьшением энтропии, требуют столь огромных времён ожидания, что их реализация является практически невозможной. В то же время малые части системы, содержащие небольшое число частиц, испытывают непрерывные флуктуации, сопровождающиеся лишь небольшим абсолютным изменением энтропии. Средние значения частоты и размеров этих флуктуаций являются таким же достоверным следствием статистической термодинамики, как и само В. н. т.
Проиллюстрируем сказанное примером, позволяющим оценить масштабы величин, определяющих точность В. н. т. и отклонения от него. Рассмотрим флуктуационный процесс, в результате которого N частиц, первоначально занимающих объём V, равный 1 мкм3 (т. е. 10-18 м3), сконцентрируется самопроизвольно в половине этого объёма. Отношение статистических весов начального (1) и конечного (2) состояний:
поэтому изменение энтропии ΔS/k = Nin2 и отношение вероятностей W1/W2 = 2N. Если время пролёта частицы через объём V, т. е. время, в течение которого сохраняется данная флуктуация, τ = 10-8 сек, то среднее время ожидания такой флуктуации t =2N·τ ≈ 100,3N·τ. При числе частиц N = 30, t = 10 сек, при N = 100, t ≈ 1022 сек ≈ 1015 лет. Если же учесть, что при атмосферное давлении число частиц газа в 1 мкм3 составляет N Второе начало термодинамики 108, то время ожидания указанного события
Буквальное применение В. н. т. к Вселенной как целому, приведшее Клаузиуса к неправильному выводу о неизбежности «тепловой смерти Вселенной», является неправомерным, так как любая сколь угодно большая часть Вселенной не является сама по себе замкнутой и её приближение к состоянию теплового равновесия, даже не говоря о флуктуациях, не является абсолютным.
Термодинамическое же описание Вселенной как целого возможно лишь в рамках общей теории относительности, в которой вывод о приближении энтропии к максимуму не имеет места.
48) Энтропия и термодинамическая вероятность.Самопроизвольное превращение работы в теплоту, сопровождающее неравновесные процессы, связано с переходом упорядоченного, организованного движения частиц системы в беспорядочное, хаотичное движение. Увеличение энтропии при такого рода процессах дает основание усмотреть связь ее со степенью беспорядка в системе. Часто оказывается возможным даже оценить направление изменения энтропии системы на основании только внешних признаков, отражающих степень беспорядка частиц в ней.
Оказывается, что можно установить количественную связь энтропии с так называемой вероятностью состояния системы. Беспорядочное движение частиц, когда в каждый момент для каждой частицы все направления движения в равной мере возможны, является более вероятным движением, чем организованное, вызванное определенными условиями. Это и отражается принципом возрастания энтропии.
Макросостояние системы может быть определено фиксированием так называемого микросостояния. Одному и тому же макросостоянию может, очевидно, соответствовать очень большое число различных микросостояний. Неизменность макросостояния не означает, следовательно, неизменности микросостояния. В результате хаотического движения молекул и непрерывных их столкновений имеет место непрерывная смена микросостояний и, если они эквивалентны одному и тому же макросостоянию, это состояние остается неизменным.
Термодинамическая вероятность состояния (статистический вес) есть число микросостояний, которые реализует данное макросостояние; это число очень велико. Термодинамическая и математическая вероятности связаны между собой. Впервые связь энтропии S с термодинамической вероятностью состояния W была высказана немецким физиком Л. Больцманом.
Уравнение, связывающее энтропию с термодинамической вероятностью, имеет вид:
постоянная Больцмана, равная частному от деления универсальной газовой постоянной на число Авогадро.
Первый и второй законы термодинамики устанавливают существование двух функций состояния системы – внутренней энергии (U) и энтропии (S), приращение которых не зависит от пути перехода из одного состояния в другое. Однако по величине этих функций нельзя судить о величине производимой работы (A)ю В классической термодинамике доказывается существование других характеристических функций состояния системы, изменение которых в равновесных процессах равно максимальной полезной работе.
В зависимости от условий протекания процесса различают четыре потенциала, которые характеризуются постоянством пары параметров:
Максимальное количество работы, которое можно совершить в процессе, протекающем при постоянных Т и P, равно уменьшению свободной энергии системы.
49) хаос и порядок в природе
Современный уровень развития проблематики порядка и хаоса формулирует три существенных дополнения к традиционным взглядам:
1. Представление о хаосе как источнике гибели и деструкции (разрушения) заменяется более емким пониманием хаоса как основания для установления упорядоченности, причины спонтанного структурирования.
2. Определение хаоса как состояния, производного от первичной неустойчивости материальных взаимодействий, подразумевается универсальной характеристикой, охватывающей живую, косную (неживую) и социально-организованную материю.
3. Хаос — это не только бесформенная масса, а сверхсложноорганизованная последовательность, логика которой представляет большой интерес.
50) электростатика. закон кулона
Электростатика — раздел электродинамики, изучающий взаимодействие неподвижных электрических зарядов.Между одноимённо заряженными телами возникает электростатическое (или кулоновское) отталкивание, а между разноимённо заряженными — электростатическое притяжение. Явление отталкивания одноименных зарядов лежит в основе создания электроскопа — прибора для обнаружения электрических зарядов.
В основе электростатики лежит закон Кулона. Этот закон описывает взаимодействие точечных электрических зарядов.
Зако́н Куло́на — это закон, описывающий силы взаимодействия между неподвижными точечными электрическими зарядами.
Был открыт Шарлем Кулоном в 1785 г. Проведя большое количество опытов с металлическими шариками, Шарль Кулон дал такую формулировку закона:
Модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.
Современная формулировка[1]:
Сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме направлена вдоль прямой, соединяющей эти заряды, пропорциональна их величинам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Она является силой притяжения, если знаки зарядов разные, и силой отталкивания, если эти знаки одинаковы.
Важно отметить, что для того, чтобы закон был верен, необходимы:
Однако с некоторыми корректировками закон справедлив также для взаимодействий зарядов в среде и для движущихся зарядов.[2]
В векторном виде в формулировке Ш. Кулона закон записывается следующим образом:
где — сила, с которой заряд 1 действует на заряд 2; — величина зарядов; — радиус-вектор (вектор, направленный от заряда 1 к заряду 2, и равный, по модулю, расстоянию между зарядами — ); — коэффициент пропорциональности. — Электрическая постоянная
— Диэлектрическая проницаемость среды
51) Напряженность электрического поля, силовые линии.Теорема Гаусса.Напряжённость электри́ческого по́ля — векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы действующей на неподвижный[1] пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда :
.
Электрическое поле наглядно изображается с помощью силовых линий. Силовой линией электрического поля называется линия, в каждой точке которой касательная совпадает с вектором напряженности поля. Силовые линии проводятся с такой густотой, чтобы число линий, пронизывающих воображаемую площадку 1м2, перпендикулярную полю, равнялось величине напряженности поля в данном месте. Тогда по изображению электрического поля можно судить не только о направлении, но и о величине напряженности поля. Электрическое поле называется однородным, если во всех его точках напряженность Е одинакова. В противном случае поле называется неоднородным.
При положительном заряде, образующем поле, вектор напряженности направлен вдоль радиуса от заряда, при отрицательном - вдоль радиуса по направлению к заряду. Исходя из положительного заряда (или входя в отрицательный заряд) силовые линии теоретически простираются до бесконечности.
Теорема Гаусса (закон Гаусса) — один из основных законов электродинамики, входит в систему уравнений Максвелла. Выражает связь (а именно равенство с точностью до постоянного коэффициента) между потоком напряжённости электрического поля сквозь замкнутую поверхность и зарядом в объёме, ограниченном этой поверхностью. Применяется отдельно для вычисления электростатических полей.
Аналогичная теорема, также входящая в число уравнений Максвелла, существует и для магнитного поля (см. ниже).
Также теорема Гаусса верна для любых полей, для которых верен закон Кулона или его аналог (например, для ньютоновской гравитации). При этом она является, как принято считать, более фундаментальной, так как позволяет в частности вывести степень расстояния[1] в законе Кулона «из первых принципов», а не постулировать ее (или не находить эмпирически).
В этом можно видеть фундаментальное значение теоремы Гаусса (закона Гаусса) в теоретической физике.
Существуют аналоги (обобщения) теоремы Гаусса и для более сложных полевых теорий, чем электродинамика.
Общая формулировка: Поток вектора напряжённости электрического поля через любую произвольно выбранную замкнутую поверхность пропорционален заключённому внутри этой поверхности электрическому заряду.
|
СГС |
СИ |
где
Данное выражение представляет собой теорему Гаусса в интегральной форме.
В дифференциальной форме теорема Гаусса выражается следующим образом:
|
СГС |
СИ |
Здесь — объёмная плотность заряда (в случае присутствия среды — суммарная плотность свободных и связанных зарядов), а — оператор набла.
Теорема Гаусса может быть доказана как теорема в электростатике исходя из закона Кулона (см. ниже). Формула однако также верна в электродинамике, хотя в ней она чаще всего не выступает в качестве доказываемой теоремы, а выступает в качестве постулируемого уравнения (в этом смысле и контексте ее логичнее называть законом Гаусса[
52) Дивергенция элетрического поля.Дивергенция (от лат. divergere — обнаруживать расхождение) — дифференциальный оператор, отображающий векторное поле на скалярное (то есть операция дифференцирования, в результате применения которой к векторному полю получается скалярное поле), который определяет (для каждой точки), «насколько расходится входящее и исходящее из малой окрестности данной точки поле» (точнее — насколько расходятся входящий и исходящий поток).
Если учесть, что потоку можно приписать алгебраический знак, то нет необходимости учитывать входящий и исходящий потоки по отдельности, всё будет автоматически учтено при суммировании с учётом знака. Поэтому можно дать более короткое определение дивергенции:
дивергенция — это линейный дифференциальный оператор на векторном поле, характеризующий поток данного поля через поверхность достаточно малой (в условиях конкретной задачи) окрестности каждой внутренней точки области определения поля.
Оператор дивергенции, применённый к полю , обозначают как
или
.
Определение дивергенции выглядит так:
где ФF — поток векторного поля F через сферическую поверхность площадью S, ограничивающую объём V. Ещё более общим, а потому удобным в применении, является определение, когда форма области с поверхностью S и объёмом V допускается любой. Единственным требованием является её нахождение внутри сферы радиусом, стремящимся к нулю (то есть чтобы вся поверхность находилась в бесконечно малой окрестности данной точки, что нужно, чтобы дивергенция была локальной операцией и для чего очевидно недостаточно стремления к нулю площади поверхности и объёма ее внутренности). В обоих случаях подразумевается, что
.
Это определение, в отличие от приводимого ниже, не привязано к определённым координатам, например, к декартовым, что может представлять дополнительное удобство в определённых случаях. (Например, если выбирать окрестность в форме куба или параллелепипеда, легко получаются формулы для декартовых координат, приведённые в следующем параграфе).
Определение легко и прямо обобщается на любую размерность n пространства: при этом под объёмом понимается n-мерный объём, а под площадью поверхности (n-1)-мерная площадь (гипер)поверхности соответствующей размерности.
53)Электрический ток,Закон Ома, Правила Кирхгофа. Электри́ческий ток — направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц[1][2][3]. Такими частицами могут являться: в металлах — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах — ионы и электроны, в вакуумепри определенных условиях — электроны, в полупроводниках — электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость). Иногда электрическим током называют также ток смещения, возникающий в результате изменения во времени электрического поля[4].
Электрический ток имеет следующие проявления:
Зако́н О́ма — эмпирический физический закон, определяющий связь электродвижущей силы источника или электрического напряжения с силой тока и сопротивлением проводника. Экспериментально установлен в 1826 году, и назван в честь его первооткрывателя Георга Ома.
В своей оригинальной форме он был записан его автором в виде : ,
Здесь X — показания гальванометра, т.е в современных обозначениях сила тока I, a — величина, характеризующая свойства источника тока, постоянная в широких пределах и не зависящая от величины тока, то есть в современной терминологии электродвижущая сила (ЭДС) , l — величина, определяемая длиной соединяющих проводов, чему в современных представлениях соответствует сопротивление внешней цепи R и, наконец, b параметр, характеризующий свойства всей установки, в котором сейчас можно усмотреть учёт внутреннего сопротивления источника тока r[1].
В таком случае в современных терминах и в соответствии с предложенной автором записи формулировка Ома (1) выражает
Закон Ома для полной цепи:
,
где:
Правила Кирхгофа (часто, в литературе, называются не совсем корректно Зако́ны Кирхго́фа) — соотношения, которые выполняются между токами и напряжениями на участках любой электрической цепи. Правила Кирхгофа позволяют рассчитывать любые электрические цепи постоянного, переменного и квазистационарного тока.[1] Имеют особое значение в электротехнике из-за своей универсальности, так как пригодны для решения многих задач в теории электрических цепей и практических расчётов сложных электрических цепей. Применение правил Кирхгофа к линейной электрической цепи позволяет получить систему линейных уравнений относительно токов или напряжений, и соответственно, найти значение токов на всех ветвях цепи и все межузловые напряжения. Сформулированы Густавом Кирхгофом в 1845 году. Название «Правила» корректнее потому, что эти правила не являются фундаментальными законами Природы, а вытекают из фундаментальных законов сохранения заряда и безвихревости электростатического поля (3-е уравнение Максвелла при неизменном магнитном поле). Эти правила не следует путать с ещё двумя законами Кирхгофа в химии ифизике.
Для формулировки правил Кирхгофа вводятся понятия узел, ветвь и контур электрической цепи. Ветвью называют любой двухполюсник, входящий в цепь, например, на рис. отрезок, обозначенный U1, I1 есть ветвь. Узлом называют точку соединения трех и более ветвей (на рис. обозначены жирными точками). Контур — замкнутый цикл из ветвей. Термин замкнутый цикл означает, что, начав с некоторого узла цепи и однократно пройдя по нескольким ветвям и узлам, можно вернуться в исходный узел. Ветви и узлы, проходимые при таком обходе, принято называть принадлежащими данному контуру. При этом нужно иметь в виду, что ветвь и узел могут принадлежать одновременно нескольким контурам.
В терминах данных определений правила Кирхгофа формулируются следующим образом.
Первое правило Кирхгофа гласит, что алгебраическая сумма токов в каждом узле любой цепи равна нулю. При этом втекающий в узел ток принято считать положительным, а вытекающий — отрицательным:
Иными словами, сколько тока втекает в узел, столько из него и вытекает. Это правило следует из фундаментального закона сохранения заряда.
Второе правило Кирхгофа (правило напряжений Кирхгофа) гласит, что алгебраическая сумма падений напряжений на всех ветвях, принадлежащих любому замкнутому контуру цепи, равна алгебраической сумме ЭДС ветвей этого контура. Если в контуре нет источников ЭДС (идеализированных генераторов напряжения), то суммарное падение напряжений равно нулю:
для постоянных напряжений
для переменных напряжений
Это правило вытекает из 3-го уравнения Максвелла, в частном случае стационарного магнитного поля.
Иными словами, при полном обходе контура потенциал, изменяясь, возвращается к исходному значению. Частным случаем второго правила для цепи, состоящей из одного контура, является закон Ома для этой цепи. При составлении уравнения напряжений для контура нужно выбрать положительное направление обхода контура. При этом падение напряжения на ветви считают положительным, если направление обхода данной ветви совпадает с ранее выбранным направлением тока ветви, и отрицательным — в противном случае (см. далее).
Правила Кирхгофа справедливы для линейных и нелинейных линеаризованных цепей при любом характере изменения во времени токов и напряжений.
54) Магнитное поле электрического тока. Магни́тное по́ле — силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения[1], магнитная составляющая электромагнитного поля[2].
Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц и/или магнитными моментами электронов в атомах (и магнитными моментами других частиц, хотя в заметно меньшей степени) (постоянные магниты).
Кроме этого, оно появляется при наличии изменяющегося во времени электрического поля.
Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции (вектор индукции магнитного поля)[3][4]. С математической точки зрения — векторное поле, определяющее и конкретизирующее физическое понятие магнитного поля. Нередко вектор магнитной индукции называется для краткости просто магнитным полем (хотя, наверное, это не самое строгое употребление термина).
Ещё одной фундаментальной характеристикой магнитного поля (альтернативной магнитной индукции и тесно с ней взаимосвязанной, практически равной ей по физическому значению) является векторный потенциал.
Нередко в литературе в качестве основной характеристики магнитного поля в вакууме (то есть в отсутствие магнитной среды) выбирают не вектор магнитной индукции а вектор напряжённости магнитного поля , что формально можно сделать, так как в вакууме эти два вектора совпадают[5]; однако в магнитной среде вектор не несет уже того же физического смысла[6], являясь важной, но всё же вспомогательной величиной. Поэтому при формальной эквивалентности обоих подходов для вакуума, с систематической точки зрения следует считать основной характеристикой магнитного поля именно
Магнитное поле можно назвать особым видом материи[7], посредством которого осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом.
Магнитные поля являются необходимым (в контексте специальной теории относительности) следствием существования электрических полей.
Вместе, магнитное и электрическое поля образуют электромагнитное поле, проявлениями которого являются, в частности, свет и все другие электромагнитные волны.
Электрический ток(I), проходя по проводнику, создаёт магнитное поле (B) вокруг проводника.
55) Проводник с токомв Магнитном поле.
Проводник с током в магнитном поле-
Правило левой руки- Если расположить левую руку так, чтобы магнитные линии пронизывали ладонь, а вытянутые четыре пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый большой палец укажет направление движения проводника.
56) Электромагнитная индукция. Правило правой руки.Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.
Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа 1831 года (точная дата определена записью в его дневнике). Он обнаружил, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы (ЭДС) не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой ЭДС, называется индукционным током.
пра́вило правой руки — варианты мнемонического правила для определения направления векторного произведения и тесно связанного с этим выбора правого базиса[1] в трехмерном пространстве, соглашения о положительной ориентации базиса в нём, и соответственно — знака любого аксиального вектора, определяемого через ориентацию базиса.
В частности, это относится к определению направления[2] таких важных в физике аксиальных векторов, как вектор угловой скорости, характеризующий скорость вращения тела, вектор магнитной индукции B и многих других, а также для определения направления таких векторов, которые определяются через аксиальные, например, направление индукционного тока при заданном векторе магнитной индукции.
В принципе, как правило, выбор одного из двух возможных направлений аксиального вектора считается чисто условным, однако он должен происходить всегда одинаково, чтобы в конечном результате вычислений не оказался перепутан знак. Для этого и служат правила, составляющие предмет этой статьи (они позволяют всегда придерживаться одного и того же выбора).
57) Ротор магнитного поля.Ро́тор, или вихрь — векторный дифференциальный оператор над векторным полем.
Обозначается (в русскоязычной[1] литературе) или (в англоязычной литературе),
а также — как векторное умножение дифференциального оператора набла на векторное поле:
Результат действия этого оператора на конкретное векторное поле F называется ротором поля F или, короче, просто ротором F и представляет собой новое векторное[2] поле:
Поле rot F (длина и направление вектора rot F в каждой точке пространства) характеризует в некотором смысле[3] вращательную составляющую поля F соответственно в каждой точке.
58) Уравнение максвелла в интегральной форме.Уравне́ния Ма́ксвелла — система уравнений в дифференциальной или интегральной форме, описывающих электромагнитное поле и его связь с электрическими зарядами и токами в вакууме и сплошных средах. Вместе с выражением для силы Лоренца, задающим меру воздействия электромагнитного поля на заряженные частицы, образуют полную систему уравнений классической электродинамики, называемую иногда уравнениями Максвелла — Лоренца. Уравнения, сформулированные Джеймсом Клерком Максвеллом на основе накопленных к середине XIX века экспериментальных результатов, сыграли ключевую роль в развитии представлений теоретической физики и оказали сильное, зачастую решающее, влияние не только на все области физики, непосредственно связанные с электромагнетизмом, но и на многие возникшие впоследствии фундаментальные теории, предмет которых не сводился к электромагнетизму (одним из ярчайших примеров здесь может служить специальная теория относительности).
При помощи формул Остроградского — Гаусса и Стокса дифференциальным уравнениям Максвелла можно придать форму интегральных уравнений:
Поток электрического поля через замкнутую поверхность
Введённые обозначения:
При интегрировании по замкнутой поверхности вектор элемента площади направлен из объёма наружу. Ориентация при интегрировании по незамкнутой поверхности определяется направлением правого винта, «вкручивающегося» при повороте в направлении обхода контурного интеграла по .
Словесное описание законов Максвелла, например, закона Фарадея, несёт отпечаток традиции, поскольку вначале при контролируемом изменении магнитного потока регистрировалось возникновение электрического поля (точнееэлектродвижущей силы). В общем случае в уравнениях Максвелла (как в дифференциальной, так и в интегральной форме) векторные функции являются равноправными неизвестными величинами, определяемыми в результате решения уравнений.
Уравнения Максвелла представляют собой в векторной записи систему из четырёх уравнений, сводящуюся в компонентном представлении к восьми (два векторных уравнения содержат по три компоненты каждое плюс два скалярных[28]) линейным дифференциальным уравнениям в частных производных первого порядка для 12 компонент четырёх векторных функций ():
Жирным шрифтом в дальнейшем обозначаются векторные величины, курсивом — скалярные.
Введённые обозначения:
означает ротор вектора,
означает дивергенцию вектора.
Приведённые выше уравнения Максвелла не составляют ещё полной системы уравнений электромагнитного поля, поскольку они не содержат свойств среды, в которой возбуждено электромагнитное поле. Соотношения, связывающие величины , , , и и учитывающие индивидуальные свойства среды, называются материальными уравнениями.
60)Открытие электромагнитных волн. Открытие предсказанных Максвеллом электромагнитных волн было делом немецкого физикаГенриха Герца.
Герц родился в 1857 г. в Гамбурге в семье юриста. После окончания школы юноша решил посвятить себя инженерной деятельности и поступил в Мюнхенский политехникум. Однако все возрастающее влечение к физике привело его на физико-математический факультет Берлинского университета. Здесь он вскоре был замечен Гельмгольцем и стал работать под его руководством. В лаборатории Гельмгольца он прошел блестящую экспериментальную и теоретическую школу. Тематика его работ вначале многообразна: механика, термодинамика, электричество, магнетизм и т. д. Решающим для выбора основного направления был 1879 год, когда Берлинская академия наук по инициативе Гельмгольца объявила конкурсную проблему: «Доказать экспериментально наличие какой-либо связи между электродинамическими силами и диэлектрической поляризацией изоляторов». Гельмгольц обратил внимание Герца на глубину и принципиальную важность проблемы, и она становится в центре внимания молодого ученого.
В течение семи лет (с 1879 по 1886 г.) Герц искал пути решения поставленной Гельмгольцом задачи. «Счастливый случай,— пишет Герц,— представился^ мне осенью 1886 г.». Именно тогда он открыл возможность получения регулярных колебаний высокой частоты и заметной интенсивности в коротких металлических проводниках. Открытие было вскоре сообщено, в работе «О весьма быстрых электрических колебаниях».
До Герца считали, что для осуществления интенсивных электрических колебаний необходимы контуры с большими индук-тивностями и емкостями. Напомним, что электрические колебания были обнаружены при разряде лейденских банок и исследовались далее с помощью катушек Румкорфа.
Эти колебания, естественно, имели большой период и совершались в замкнутых контурах. Теория показывала, что для увеличения интенсивности электромагнитного излучения контура нужно уменьшить период колебаний.
Из формулы Томсона следовало, что для этого нужно уменьшить L и С. Но опыты обнаружили сразу же новую трудность: уменьшение интенсивности колебаний, связанное, как мы теперь знаем, с увеличением потерь энергии в контуре. «Счастливый случай», о котором пишет Герц, позволил устранить эту трудность — найти возможность увеличения частоты колебаний, сохраняя их интенсивность: «в коротких металлических проводниках могут быть возбуждены колебания, свойственные этим проводникам».
Был совершен переход к открытому колебательному контуру. Оказалось, что для возбуждения электрических колебаний вовсе не обязательно наличие емкостей и индуктивностей, что излучение более интенсивно, напротив, при их рассредоточении. Это было самое важное, ибо интенсивное излучение можно было обнаружить грубыми приборами.
Для исследования поля излучения необходим был теперь детектор. Герц открыл возможность детектирования колебаний. Он улавливал электромагнитные колебания с помощью контура и измерял их интенсивность по длине искр в микрометре. Вибратор и детектор (резонатор) Герца изображены на рисунках 11 и 12.
Герц установил три важнейших факта:
1. колебания можно возбудить в линейном проводнике;
2. электрическая искра является генератором электромагнитных колебаний;
3. колебания можно уловить на значительном расстоянии от генератора с помощью контура, в котором индикатором колебаний также служит электрическая искра.
61)Свойства электромагнитных волн. Опыты Герца. Современные радиотехнические устройства позволяют провести очень наглядные опыты по наблюдению свойств электромагнитных волн. При этом лучше всего пользоваться волнами сантиметрового диапазона. Эти волны излучаются специальным генератором сверхвысокой частоты (СВЧ). Электрические колебания генератора модулируют звуковой частотой. Принятый сигнал после детектирования подается на громкоговоритель.Электромагнитные волны излучаются рупорной антенной в направлении оси рупора. Приемная антенна в виде такого же рупора улавливает волны, которые распространяются вдоль его оси. Общий вид установки изображен на рисунке.
Поглощение электромагнитных волн. Располагают рупоры друг против друга и, добившись хорошей слышимости звука в громкоговорителе, помещают между рупорами различные диэлектрические тела. При этом замечают уменьшение громкости.
Отражение электромагнитных волн. Если диэлектрик заменить металлической пластиной, то звук перестанет быть слышимым.
Волны не достигают приемника вследствие отражения. Отражение происходит под углом, равным углу падения, как и в случае световых и механических волн. Чтобы убедиться в этом, рупоры располагают под одинаковыми углами к большому металлическому листу (рис. 7.18). Звук исчезнет, если убрать лист или повернуть его.
Преломление электромагнитных волн. Электромагнитные волны изменяют свое направление (преломляются) на границе диэлектрика. Это можно обнаружить с помощью большой треугольной призмы из парафина. Рупоры располагают под углом друг к другу, как и при демонстрации отражения.Металлический лист заменяют затем призмой (рис. 7.19). Убирая призму или поворачивая ее, наблюдают исчезновение звука
.Понеречность электромагнитных волн. Электромагнитные волны являются поперечными. Это означает, что векторы и электромагнитного поля волны перпендикулярны направлению ее распространения. При этом векторы и взаимно перепендикулярны. Волны с определенным направлением колебаний этих векторов называются поляризованными. На рисунке 7.1 изображена такая поляризованная волна.
Приемный рупор с детектором принимает только поляризованную в определенном направлении волну. Это можно обнаружить, повернув передающий или приемный рупор на 90°. Звук при этом исчезает.
Поляризацию наблюдают, помещая между генератором 11 приемником решетку из параллельных металлических стержней (рис. 7.20). Решетку располагают так, чтобы стержни были горизонтальными или вертикальными. При одном из этих положений, когда электрический вектор параллелен стержням, в них возбуждаются токи, в результате чего решетка отражает волны, подобно сплошной металлической пластине. Когда же вектор перпендикулярен стержням, токи в них не возбуждаются и электромагнитная волна проходит через решетку.
Электромагнитные волны обладают следующими свойствами. Они поглощаются, отражаются, испытывают преломление, поляризуются. Последнее свойство свидетельствует о поперечности этих волн.
Опыты Герца
Спустя 10 лет после смерти Максвелла, Генрих Герц доказал существование электромагнитных волн и открыл их основные свойства, предсказанные Максвеллом.
Колебания высокой частоты, значительно превышающей частоту промышленного тока (50Гц), можно получить с помощью колебательного контура.Причем частота колебаний будет тем больше, чем меньше индуктивность и емкость контура. Однако большая частота электромагнитных волн еще не гарантирует интенсивного излучения электромагнитных волн. В своих опытах Герц использовал простое устройство, называемое сейчас вибратором Герца. Это устройство представляет собойоткрытый колебательный контур.
Герц получал электромагнитные волны, возбуждая в вибраторе с помощью источника высокого напряжения серию импульсов быстропеременного тока. Колебания электрических зарядов в вибраторе создают электромагнитную волну. Только колебания в вибраторе совершает не одна заряженная частица, а огромное количество электронов, движущихся согласованно.
Электромагнитные волны регистрировались Герцем с помощью приемного вибратора, представляющего собой точно такое же устройство, что и излучающий вибратор. Под действием переменного электрического поля электромагнитной волны в приемном вибраторе возбуждаются колебания тока. Если собственная частота приемного вибратора совпадет с частотой электромагнитной волны, наблюдается резонанс и колебания в приемном вибраторе происходят с большой амплитудой. Герц обнаруживал их, наблюдая искорки в очень малом промежутке между проводниками приемного вибратора.
Схема опыта Герца:
Своими опытами Герц доказал:
1)существование электромагнитных волн;
2)волны хорошо отражаются от проводников;
3)образование стоячих волн;
4)определил скорость волн в воздухе (она примерно равна скорости в вакууме - c).
62)Изобретение радио А.С.Поповым.
В качестве детали, непосредственно “чувствующей” электромагнитные волны, А.С. Попов применил когерер (от лат. - “когеренция” - “сцепление”). Этот прибор представляет собой стеклянную трубку с двумя электродами. В трубке помещены мелкие металлические опилки. Действие прибора основано на влиянии электрических разрядов на металлические порошки. В обычных условиях когерер обладает большим сопротивлением, так как опилки имеют плохой контакт друг с другом. Пришедшая электромагнитная волна создает в когерере переменный ток высокой частоты. Между опилками проскакивают мельчайшие искорки, которые спекают опилки. В результате сопротивление когерера резко падает (в опытах А.С. Попова со 100000 до 1000 - 500 Ом, то есть в 100-200 раз). Снова вернуть прибору большое сопротивление можно, если встряхнуть его. Чтобы обеспечить автоматичность приема, необходимо для осуществления беспроволочной связи, А.С. Попов использовал звонковое устройство для встряхивания когерера после приема сигнала.
Срабатывало реле, включался звонок, а когерер получал “легкую встряску”, сцепление между металлическими опилками ослабевало, и они были готовы принять следующий сигнал.
Чтобы повысить чувствительность аппарата, А.С. Попов один из выводов когерера заземлил, а другой присоединил к высоко поднятому куску проволоки, создав первую приемную антенну для беспроволочной связи. Заземление превращает проводящую поверхность земли в часть открытого колебательного контура , что увеличивает дальность приема.
Хотя современные радиоприемники очень мало напоминают приемник А.С. Попова, основные принципы их действия те же, что и в его приборе. Современный приемник также имеет антенну, в которой приходящая волна вызывает очень слабые электромагнитные колебания. Как и в приемнике А. С. Попова, энергия этих колебаний не используется непосредственно для приема. Слабые сигналы лишь управляют источниками энергии, питающими последующие цепи. Сейчас такое управление осуществляется с помощью полупроводниковых приборов.
63)Двойственная природа света, его волновые и корпускулярные свойства.
Впервые проблема корпускулярно-волнового дуализма проявила себя при исследовании природы света. В XVII веке Исаак Ньютон предложил считать свет потоком мельчайших корпускул. Это позволяло просто объяснить ряд наиболее характерных свойств света – например, прямолинейность световых лучей и закон отражения, согласно которому угол отражения света равен углу падения. Вообще, вся геометрическая оптикапрекрасно согласуется с корпускулярной теорией света. Но явления интерференции и дифракции света никак в эту теорию не вписывались. Объяснить их ученым удалось лишь в XIX веке создателям волновой теории света. А теория электромагнитного поля и знаменитые уравнения Максвелла, казалось бы, вообще поставили точку в этой проблеме. Оказалось, что свет – это просто частный случай электромагнитных волн, то есть процесса распространения в пространстве электромагнитного поля. Мало того, волновая оптика объяснила не только те явления, которые не объяснялись с помощью корпускулярной теории, но и вообще все известные к XIX веку световые эффекты. И все законы геометрической оптики тоже оказалось возможным доказать в рамках волновой оптики.
Однако уже в самом начале XX века опять возродилась корпускулярная теория света, так как были обнаружены явления, которые с помощью волновой теории объяснить не удавалось. Это – давление света, фотоэффект, Комптон-эффект и законы теплового излучения. В рамках корпускулярной теории эти явления прекрасно объяснялись, и корпускулы (частицы) света даже получили специальное название. Макс Планк назвал их световыми квантами (по-русски – порциями), а Альберт Эйнштейн – фотонами. Оба этих названия прижились и употребляются до сих пор.
В итоге сложилась удивительная ситуация – сосуществование двух серьезных научных теорий, каждая из которых объясняла одни свойства света, но не могла объяснить другие. Вместе же эти две теории полностью дополняли друг друга. Только что мы рассмотрели ряд явлений, где свет ведет себя как поток частиц. Но явление интерференции и дифракции могут быть объяснены только с позиции волновой теории. Что же такое свет? В. Брегг писал: «неужели мы должны считать свет состоящим из корпускулов в понедельник, вторник и среду, когда проводим опыты с фотоэффектом и эффектом Комптона, и представлять себе его волнами в четверг, пятницу и субботу, когда работаем с явлениями дифракции и интерференции?» Выход из этой ситуации был найден следующий. Во-первых, электромагнитное излучение и его разновидность свет – это более сложный объект нашего мира, чем волна или корпускула. Во-вторых, нужна синтетезированная теория, объединяющая в себе и волновую, и корпускулярную теории. Она была создана и получила название квантовой физики.
Очень важно, что квантовая физика не отвергает ни корпускулярную, ни волновую теории. Каждая из них имеет свои преимущества и свой, достаточно развитый математический аппарат.
Свет – диалектическое единство противоположных свойств: он одновременно обладает свойствами непрерывных электромагнитных волн и дискретных фотонов.
При уменьшении длины волны все явственнее проявляются корпускулярные свойства. Волновые свойства коротковолнового излучения проявляются слабо (например, рентгеновское излучение). Наоборот, у длинноволнового (инфракрасного) излучения квантовые свойства проявляются слабо.
Взаимосвязь между корпускулярными и волновыми свойствами света находит простое толкование при статистическом подходе к распространению света.
Взаимодействие фотонов с веществом (например, при прохождении света через дифракционную решетку) приводит к перераспределению фотонов в пространстве и возникновению дифракционной картины на экране. Очевидно, что освещенность в различных точках экрана прямо пропорциональна вероятности попадания фотонов в эти точки экрана. Но, с другой стороны, из волновых представлений видно, что освещенность пропорциональна интенсивности света J, а та, в свою очередь, пропорциональна квадрату амплитуды А2. Отсюда вывод: квадрат амплитуды световой волны в какой-либо точке есть мера вероятности попадания фотонов в эту точку.
64)Возникновение квантовой теории. Постоянная Планка.
|
Зарождение квантовой теории |
|
|
В конце XIX в. многие ученые считали, что развитие физики завершилось по следующим причинам:
|
|
|
В конце XIX -- начале XX в. открыты В. Рентгеном — X-лучи (рентгеновские лучи), А. Беккерелем — явление радиоактивности, Дж. Томсоном —электрон. Однако классическая физика не сумела объяснить эти явления. Теория относительности А. Эйнштейна потребовала коренного пересмотра понятии пространства и времени. Специальные опыты подтвердили справедливость гипотезы Дж. Максвелла об электромагнитной природе света. Можно было предположить, что излучение электромагнитных волн нагретыми телами обусловлено колебательным движением электронов. Но это предположение нужно было подтвердить сопоставлением теоретических и экспериментальных данных. |
|
|
Для теоретического рассмотрения законов излучений использовали модель абсолютно черного тела, т. е. тела, полностью поглощающего электромагнитные волны любой длины и, соответственно, излучающего все длины электромагнитных волн. |
|
|
Примером абсолютно черного тела по излучающей способности может быть Солнце, по поглощающей - полость с зеркальными стенками с маленьким отверстием. |
|
|
Австрийские физики И. Стефан и Л. Больцман экспериментально установили, что полная энергия Е, излучаемая за 1 с абсолютно черным телом с единицы поверхности, пропорциональна четвертой степени абсолютный температуры Т: , где s = 5,67.10-8 Дж/(м2.К-с)—постоянная Стефана-Больцмана. Этот закон был назван законом Стефана — Больцмана. Он позволил вычислить энергию излучения абсолютно черного тела по известной температуре. |
|
|
Пример экспериментально полученных кривых распределения энергии в спектре излучения черного тела. |
|
|
При заданном значении температуры Т интенсивность излучения черного тела максимальна и соответствует определенному значению длины волны l. Немецкий физик В. Вин обнаружил, что при изменении температуры длина волны, на которую приходится максимальная энергия Еmax, убывает обратно пропорционально температуре, поэтому (закон Вина). Используя законы термодинамики, В. Вин получил закон распределения энергии в спектре черного тела, который совпадал с экспериментальными результатами лишь в области больших частот. |
|
|
Английский физик Дж. Рэлей сделал попытку более строгого теоретического вывода закона распределения энергии. по закон приводил к хорошему совпадению с опытами в области малых частот. По этому закону интенсивность излучения должна возрастать пропорционально квадрату частоты. Следовательно, в тепловом излучении должно быть много ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, чего на опыте не наблюдалось. Затруднения в согласовании теории с результатами эксперимента получили название ультрафиолетовой катастрофы. |
|
|
Законы электромагнетизма, полученные Максвеллом, оказались не в состоянии объяснить форму кривой распределения интенсивности в спектре абсолютно черного тела. При удалении от этого значения интенсивность электромагнитного излучения плавно убывает. |
|
|
Гипотеза Планка |
|
|
Стремясь преодолеть затруднения классической теории при объяснении излучения черного тела, М. Планк в 1900 г. высказал гипотезу: атомы испускают электромагнитную энергию от дельными порциями —квантами. Энергия Е |
|
|
где h=6,63.10-34 Дж.с—постоянная Планка. |
h=6,63.10-34 Дж.с |
|
Иногда удобно измерять энергию и постоянную Планка вэлектронвольтах. Тогда h=4,136.10-15 эВ.с. В атомной физике употребляется также величина. (1 эВ - энергия, которую приобретает элементарный заряд, проходя ускоряющую разность потенциалов 1 В. 1 эВ=1,6.10-19 Дж). Таким образом, М. Планк указал путь выхода из трудностей, с которыми столкнулась теория теплового излучения, после чего начала развиваться современная физическая теория, называемая квантовой физикой. |
65)Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома.
В 1903 году английским ученым Томсоном была предложена модель атома, которую в шутку назвали «булочкой с изюмом». По его версии атом представляет собой сферу с равномерным положительным зарядом, в которой как изюминки вкраплены отрицательно заряженные электроны.
Однако дальнейшие исследования атома показали, что эта теория несостоятельна. И через несколько лет другой английский физик – Резерфорд провел серию опытов. На основе результатов им была выстроена гипотеза о строении атома, которая до сих пор является всемирно признанной.
В своих опытах Резерфорд пропускал пучок альфа-частиц сквозь тонкую золотую фольгу. Золото было выбрано за пластичность, которая позволила создать очень тонкую фольгу, толщиной едва ли не в один слой молекул. За фольгой располагался специальный экран, подсвечивавшийся при бомбардировке попадающими на него альфа частицами. По теории Томсона альфа-частицы должны были беспрепятственно проходить сквозь фольгу, совсем немного отклоняясь в стороны. Однако, оказалось, что часть частиц так и вела себя, а совсем небольшая часть отскакивала назад, как будто ударившись во что-то.
То есть было установлено, что внутри атома существует нечто твердое и небольшое, от чего и отскакивали альфа-частицы. Тогда-то Резерфорд и предложил планетарную модель строения атома. Планетарная модель атома по Резерфорду объясняла результаты проведения как его экспериментов, так и опытов его коллег. До сего дня не предложено лучшей модели, хотя некоторые аспекты этой теории все равно не согласуются с практикой в некоторых очень узких областях науки. Но в основном, планетарная модель атома самая пригодная из всех. В чем же состоит эта модель?
Как следует из названия, атом сравнивается с планетой. В данном случае планету представляет из себя ядро атома. А вокруг ядра на довольно большом расстоянии вращаются электроны, как и вокруг планеты вращаются спутники. Только скорость вращения электронов в сотни тысяч раз превосходит скорость вращения самого быстрого спутника. Поэтому при своем вращении электрон создает как бы облако над поверхностью ядра. И существующие заряды электронов отталкивают такие же заряды, образованные другими электронами вокруг других ядер. Поэтому атомы не «слипаются», а располагаются на некотором расстоянии друг от друга.
И когда мы говорим о столкновении частиц, имеется в виду, что они подходят друг к другу на достаточно большое расстояние и отталкиваются полями своих зарядов. Непосредственного контакта не происходит. Частицы в веществе вообще расположены очень далеко друг от друга. Если бы каким-либо способом удалось схлопнуть вместе частицы какого-либо тела, оно бы уменьшилось в миллиарды раз. Земля стала бы меньше яблока размером. Так что основной объем любого вещества, как ни странно это звучит, занимает пустота, в которой расположены заряженные частицы, удерживающиеся на расстоянии электронными силами взаимодействия.
66)Боровская теория водороподного атома.
Элементарная боровская теория водородного атома
Бор предположил, что из всех возможных орбит электрона осуществляются только те, для которых момент импульса равен целому кратному постоянной Планка , деленной па
Число п называется главным квантов ы м ч и с-лом. Постоянная имеет значение (53.2).
Рассмотрим электрон, движущийся в поле атомного ядра с зарядом . При такая система соответ-
ствует атому водорода, при иных Z — водородоподоб-ному иону, т. е. атому с порядковым номером Z, из которого удалены все электроны, кроме одного. Согласно второму закону Ньютона произведение массы электрона те на его центростремительное ускорение должно равняться кулоновской силе:
Исключая из (63.1) и (63.2), получаем, что радиус электронных орбит в атоме может принимать лишь ряд дискретных значении:
Для первой орбиты водородного атома (,)
получается величина порядка газокинетических размеров атома.
Внутренняя энергия атома слагается из кинетической энергии электрона (ядро неподвижно) и энергии взаимодействия электрона с ядром (потенциальной энергии):
При переходе атома водорода (Z = 1) из состояния п в состояние тиспускается квант
Частота испущенного света равна
Таким образом, мы пришли к обобщенной формуле Бальмера (59.7), причем для постоянной Ридберга получается значение:
Если подставить в это выражение значения входящих в него констант, получается величина, поразительно хорошо согласующаяся с экспериментальным значением постоянной Ридберга.
Итак, совпадение выводов теории Бора с опытными данными для водорода не оставляет желать лучшего. Теория Бора была весьма крупным шагом в развитии
теории атома. Она с полной отчетливостью показала неприменимость классической физики к внутриатомным явлениям и главенствующее значение квантовых законов в микромире.
Изложенная выше элементарная теория была в течение последующего десятилетия подвергнута дальней-. шему развитию и уточнениям, с которыми мы не станем знакомиться, поскольку в настоящее время теория Бора имеет преимущественно историческое значение. После первых успехов теории все яснее давали себя знать ее недочеты. Особенно тягостной была неудача всех попыток построения теории атома гелия — одного из простейших атомов, непосредственно следующего за атомом водорода.
Самой слабой стороной теории Бора, обусловившей последующие неудачи, была ее внутренняя логическая противоречивость: она не была ни последовательно классической, ни последовательно квантовой теорией. В на-стоящее время, после открытия своеобразных волновых свойств вещества, совершенно ясно, что теория Бора, опирающаяся на классическую механику, могла быть только переходным этапом на пути к созданию последовательной теории атомных явлений.
67)Многоэлетронный атом. Квантовые числа.
68)Принцип Паули. Электронные конфигурации атомов.
В1925 г. швейцарский физик В.Паули (в 1945 г. ему была присуждена Нобелевская премия по физике) установил правило, названное впоследствии принципом Паули (или запретом Паули): В атоме не может быть двух электронов, обладающих одинаковыми свойствами.
Поскольку свойства электронов характеризуются квантовыми числами, принцип Паули часто формулируется так:
В атоме не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковы.
Хотя бы одно из квантовых чисел n, l, ml и ms, должно обязательно различаться проекцией спина. Поэтому в атоме могут быть лишь два электрона с одинаковыми n, l и ml: один с ms = +1/2 другой c ms = -1/2 . Напротив, если проекции спина двух электронов одинаковы, должно отличаться одно из квантовых чисел n, l или ml.
Зная принцип Паули, посмотрим, сколько же электронов в атоме может находиться на определенной «орбите» с главным квантовым числом n. Первой «орбите» соответствует n = 1. Тогда l = 0, ml=0 и ms может иметь произвольные значения: +1/2 или -1/2 . Мы видим, что если n = 1, таких электронов может быть только два.
В общем случае, при любом заданном значении n электроны прежде всего отличаются побочным квантовым числом l, принимающим значения от 0 до n 1. При заданных n и l может быть (2l + 1) электронов с разными значениями магнитного квантового числа ml. Это число должно быть удвоено, так как заданным значениям n, l и ml соответствуют два разных значения проекции спина ms.
Следовательно, максимальное число электронов с одинаковым квантовым числом n выражается суммой
Отсюда ясно, почему на первом энергетическом уровне может быть не больше 2 электронов, на втором — 8, на третьем — 18 и т.д.
Рассмотрим, например, атом гелия. В атоме гелия 2He квантовые числа n = 1, l = 0 и ml = 0 одинаковы для обоих его электронов, а квантовое число ms отличается. Проекции спина электронов гелия могут быть ms = +1/2 или ms = -1/2 . Строение электронной оболочки атома гелия 2Не можно представить как 1s2 или, что то же самое
Заметим, что в одной квантовой ячейке согласно принципу Паули никогда не может быть двух электронов с параллельными спинами.
Третий электрон лития согласно принципу Паули уже не может находиться в состоянии 1s, а только в состоянии 2s:
69)Переодическая таблица химических элементов Д.И. Менделеева.
Периоди́ческая систе́ма хими́ческих элеме́нтов(табли́ца Менделе́ева) — классификация химических элементов, устанавливающая зависимость различных свойств элементов от заряда атомного ядра. Система является графическим выражением периодического закона, установленного русским химиком Д. И. Менделеевым в1869 году. Её первоначальный вариант был разработан Д. И. Менделеевым в 1869—1871 годах и устанавливал зависимость свойств элементов от их атомного веса (по-современному, от атомной массы). Всего предложено несколько сотен[1] вариантов изображения периодической системы (аналитических кривых, таблиц, геометрических фигур и т. п.). В современном варианте системы предполагается сведение элементов в двумерную таблицу, в которой каждый столбец (группа) определяет основные физико-химические свойства, а строки представляют собойпериоды, в определённой мере подобные друг другу.
70)Этапы развития химии.
1. Основные этапы развития химии
При изучении истории развития химии возможны два взаимно дополняющих подхода: хронологический и содержательный.
При хронологическом подходе историю химии принято подразделять на несколько периодов. Следует учитывать, что периодизация истории химии, будучи достаточно условной и относительной, имеет скорее дидактический смысл.
При этом на поздних этапах развития науки в связи с её дифференциацией неизбежны отступления от хронологического порядка изложения, поскольку приходится отдельно рассматривать развитие каждого из основных разделов науки.
Как правило, большинство историков химии выделяют следующие основные этапы её развития:[3]
1. Предалхимический период: до III в. н.э.
В предалхимическом периоде теоретический и практический аспекты знаний о веществе развиваются относительно независимо друг от друга. Происхождение свойств вещества рассматривает античная натурфилософия, практические операции с веществом являются прерогативой ремесленной химии.
2. Алхимический период: III – XVI вв.
Алхимический период, в свою очередь, разделяется на три подпериода:[4]
· александрийскую,
· арабскую
· европейскую алхимию.
Алхимический период – это время поисков философского камня, считавшегося необходимым для осуществления трансмутации металлов.
В этом периоде происходит зарождение экспериментальной химии и накопление запаса знаний о веществе; алхимическая теория, основанная на античных философских представлениях об элементах, тесно связана с астрологией и мистикой. Наряду с химико-техническим "златоделием" алхимический период примечателен также и созданием уникальной системы мистической философии.
3. Период становления (объединения): XVII – XVIII вв.
В период становления химии как науки происходит её полная рационализация. Химия освобождается от натурфилософских и алхимических взглядов на элементы как на носители определённых качеств. Наряду с расширением практических знаний о веществе начинает вырабатываться единый взгляд на химические процессы и в полной мере использоваться экспериментальный метод. Завершающая этот период химическая революция окончательно придаёт химии вид самостоятельной науки, занимающейся экспериментальным изучением состава тел.
4. Период количественных законов (атомно-молекулярной теории): 1789 – 1860 гг.
Период количественных законов, ознаменовавшийся открытием главных количественных закономерностей химии – стехиометрических законов, и формированием атомно-молекулярной теории, окончательно завершает превращение химии в точную науку, основанную не только на наблюдении, но и на измерении.
5. Период классической химии: 1860 г. – конец XIX в.
Период классической химии характеризуется стремительным развитием науки: создаётся периодическая система элементов, теория валентности и химического строения молекул, стереохимия, химическая термодинамика и химическая кинетика; блестящих успехов достигают прикладная неорганическая химия и органический синтез. В связи с ростом объёма знаний о веществе и его свойствах начинается дифференциация химии – выделение её отдельных ветвей, приобретающих черты самостоятельных наук.
2. Алхимия как феномен средневековой культуры
Алхимия складывалась в эпоху эллинизма на основе слияния прикладной химии египтян с греческой натурфилософией, мистикой и астрологией (золото соотносили с Солнцем, серебро - с Луной, медь - с Венерой, и т.д.) (II-VI вв.) в александрийской культурной традиции, представляя собой форму ритуально-магического искусства. [5]
Алхимия - это самозабвенная попытка найти способ получения благородных металлов. Алхимики считали, что ртуть и сера разной чистоты, соединяясь в различных пропорциях, дают начало металлам, в том числе и благородным. В реализации алхимического рецепта предполагалось участие священных или мистических сил, а средством обращения к этим силам было слово - необходимая сторона ритуала. Поэтому алхимический рецепт выступал одновременно и как действие, и как священнодействие.[6]
В средневековой алхимии выделялись две тенденции.
Первая - это мистифицированная алхимия, ориентированная на химические превращения (в частности, ртути в золото) и, в конечном счете, на доказательство возможности человеческими усилиями осуществлять космические превращения. В русле этой тенденции арабские алхимики сформулировали идею «философского камня» - гипотетического вещества, ускорявшего «созревание» золота в недрах земли; это вещество заодно трактовалось и как эликсир жизни, исцеляющий болезни и дающий бессмертие.
Вторая тенденция была больше ориентирована на конкретную практическую технохимию. В этой области достижения алхимии несомненны. К ним следует отнести: открытие способов получения серной, соляной, азотной кислот, селитры, сплавов ртути с металлами, многих лекарственных веществ, создание химической посуды и др.
71)Типы химических реакций.
ТИПЫ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ.
|
Явление, при котором одни вещества превращаются в другие, называют химической реакцией |
ТИПЫ КЛАССИФИКАЦИЙ РЕАКЦИИ.
|
По числу веществ и образующихся веществ |
По изменению степени окисления атомов |
|
|
Без изменения степени окисления |
С изменением степени окисления |
|
|
СОЕДИНЕНИЯ |
CaO+H2O=Ca(OH)2 |
H2+Cl2=2HCl 4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3 |
|
РАЗЛОЖЕНИЯ |
Cu(OH)2=CuO+H2O CaCO3=CaO+CO2 NH4Cl=NH3+HCl |
4HNO3=2H2O+4NO2+O2 4KClO3=3KClO4+KCl |
|
ЗАМЕЩЕНИЯ |
|
CuSO4+Fe=FeSO4+Cu 2KBr+Cl2=2KCl+Br2 |
|
ОБМЕНА |
AgNO3+KBr=AgBr NaOH+HCl=NaCl+H2O |
|
ПО ТЕПЛОВОМУ ЭФФЕКТУ.
|
Экзотермические реакции (теплота выделяется) |
Эндотермические реакции (теплота поглощается) |
|
4Al+3O2=2Al2O3+Q |
N2+O22NO-Q |
ПО ПРИСУТСТВИЮ ДРУГИХ ВЕЩЕСТВ.
|
Каталитические ( протекают в присутствии катализаторов-веществ, ускоряющих реакцию) |
Некаталитические |
|
SO2+O2SO3 |
2NO+O2=2NO2 |
72)Реакция фотосинтеза.
Фотосинтез (от др.-греч. φῶς — свет иσύνθεσις — соединение, складывание, связывание, синтез) — процесс образования органических веществ из углекислого газа иводы на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений,бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимаетсяфотоавтотрофная функция — совокупность процессов поглощения, превращения ииспользования энергии квантов света в различных эндэргонических реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества.
Осуществляется археями рода Halobacterium, является наиболее примитивным типом фотосинтеза, кванты света поглощаются белком-бактериородопсином, имеющим сходство с родопсином в виде наличия ретиналя, этот тип фотосинтеза отличается отсутствием электрон-транспортной цепи, синтезАТФ осуществляется через создание электрохимического градиента протонов или ионов хлора при помощи бактериородопсиновой и галородопсиновой ионной помпы.
Аноксигенный
Основная статья: Аноксигенный фотосинтез
Осуществляется пурпурными и зелёными бактериями, а также геликобактериями.
Оксигенный
Оксигенный фотосинтез распространён гораздо шире. Осуществляется растениями,цианобактериями и прохлорофитами.
Этапы фотосинтеза:
На первом этапе происходит поглощение квантов света пигментами, их переход в возбуждённое состояние и передача энергии к другим молекулам фотосистемы. На втором этапе происходит разделение зарядов в реакционном центре, перенос электронов по фотосинтетической электронотранспортной цепи, что заканчивается синтезом АТФ и НАДФН. Первые два этапа вместе называют светозависимой стадией фотосинтеза. Третий этап происходит уже без обязательного участия света и включает в себя биохимические реакции синтеза органических веществ с использованием энергии, накопленной на светозависимой стадии. Чаще всего в качестве таких реакций рассматривается цикл Кальвина и глюкогенез, образование сахаров и крахмала из углекислого газа воздуха.
Первые процессы фотосинтеза у цианобактерий появились ещё в архейскую эру.
73)Квантовая теория атомов. Уравнение Шредингера.
Квантовая теория атома Исторически первая (классическая) модель строения атома была предложена в 1903 г. Томсоном. Согласно модели Томсона атом представляет собой шар, заряженный положительным электрическим зарядом непрерывно и равномерно, внутри которого около своих положений равновесия совершают колебания электроны. Суммарный отрицательный заряд всех электронов равен положительному заряду шара, и в целом атом электронейтрален. Приблизительные размеры такого положительно заряженного шара, определенные по
классической электростатике, согласовывались с реальными размерами атомов (R ≈ 10-8 cм). Действительно, если напряженность электрического поля внутри шара, где е – положительный заряд шара, то «квазиупругая» сила, действующая на электрон. Тогда электрон будет совершать колебания с частотой, и радиус положительно заряженного шара можно оценить как. Для наблюдаемых частот спектра излучения атомов (л ≈ 0,6 мкм и щ ≈ 3•1015 рад/с)
получаем величину R ≈ 3•10-8 cм. Однако эта модель была опровергнута экспериментами Э.Резерфорда (1911 г.) по рассеянию б – частиц при прохождении их через тонкие металлические фольги (б–частицы – это положительно заряженные (qб = +2qe ) частицы с массой mб ≈ 4mH, образующиеся, в частности, при радиоактивном распаде тяжелых элементов). Опыты показали, что наряду с большинством б – частиц, отклоняющихся незначительно от своего первоначального
направления, наблюдалось некоторое число б – частиц, которые при прохождении через тонкую фольгу резко отклонялись на большие (ц ≈ 135О – 150О) углы. Это соответствовало упругому отражению б – частиц от положительно заряженного и массивного твердого тела, расположенного на пути следования частиц. Заметного отклонения из-за взаимодействия б – частиц с электронами не могло быть, так как масса б – частиц значительно (на четыре порядка величины) больше массы электронов. Следовательно, отклонение б – частиц обусловлено воздействием на них атомных ядер. Э.Резерфорд теоретически рассмотрел задачу о рассеянии б – частиц в кулоновском поле, создаваемом положительным зарядом, сосредоточенным в ядре атома. Потенциальная энергия взаимодействия б – частиц с таким ядром, где – число положительных зарядов ядра. Число частиц, рассеянных в единицу времени в единичный телесный угол dЩ (dЩ = sinИ dИ dц ) определялось по формуле: , где n – плотность потока б – частиц (число частиц
в единицу времени на единицу площади); ц – угол рассеяния б–частиц, – их энергия. Из формулы следовало, что для данного материала фольги, плотности потока и определенной энергии б–частиц величина, что и подтвердилось проведенными опытами. Кроме того, формула Резерфорда позволила определить число положительных зарядов в ядре атомов материала рассеивающей фольги: оказалось, что равно Z – порядковому номеру элемента в периодической таблице
Менделеева. При этом из нейтральности атома непосредственно следовало, что число электронов в атоме также равно Z . На основании результатов экспериментов по рассеянию б–частиц тонкими металлическими фольгами Резерфорд предложил ядерную (или планетарную) модель атома: в ядре атома размером ~ 10-14ч10-15 м, т.е. в области размером много меньше размера атома (~ 10-10 м), сосредоточен весь положительный заряд Zqe и практически вся масса атома. Вокруг ядра в области ~ 10-10 м по замкнутым орбитам вращаются
Z электронов…….
1. Уравнение Шредингера Законы классической механики И. Ньютона и классической электродинамики Дж. Максвелла оказались недостаточными для описания процессов, в которых происходит взаимодействие отдельных атомов, молекул. Открытия электрона – составной части атома – Дж. Томсоном, атомного ядра Э. Резерфордом радикально изменили представление о строении материи на масштабах <10-8см. Описание физических явлений, происходящих на расстояниях меньше 10-8 см, взаимодействия атомов, атомных ядер, фундаментальных частиц, требует принципиально нового подхода. На этих масштабах проявляются квантовые свойства объектов, которые не подчиняются законам классической физики. Явления микромира описываются на основе законов квантовой физики. Дискретный характер состояний, характеризующих атомные и ядерные системы, противоречит основному положению классической физики – бесконечно малое изменение силы вызывает бесконечно малое изменение состояния системы. Действие операторов проекции импульса на волновую функцию сводится к вычислению производной от волновой функции. Операторы координат совпадают с классическими численными выражениями, т.е. являются числами. Квантовая механика – теория, описывающая квантовые частицы, движущиеся со скоростью много меньшей скорости света с. Связь между операторами в квантовой механике имеет тот же вид, что и в классической физике. Так полной энергии частицы E, состоящей из кинетической Tкин и потенциальной Uпот энергий, в квантовой физике соответствует оператор полной энергии (оператор Гамильтона) Временная эволюция системы в квантовой физике в нерелятивистском случае описывается уравнением Шредингера являющимся аналогом уравнения Ньютона в классической физике. Если потенциал U не зависит от времени t U = U(x,y,z), то решение уравнения Шредингера имеет вид где E – полная энергия квантовой системы, а волновая функция ψ(x,y,z) удовлетворяет стационарному уравнению Шредингера Наряду с такими привычными из классической физики величинами как энергия, импульс в квантовой физике появляются величины, не имеющие аналогов в классической физике. Одной из таких величин является спин – собственный механический момент частицы. Понятие спина было введено в квантовую физику в 1925 г. Дж. Уленбеком и С. Гаудсмитом на основе анализа спектров атомов. Для правильного писания наблюдаемых спектров атомов электрону было необходимо приписать ещё одно квантовое число s. Квантовое число спина электрона s = 1/2. При s = 1/2 матрицы квадрата полного спина и его проекции на ось z имеют вид Матрицы x и y в этом представлении имеют вид . Матрицы x, y, z называются матрицами Паули.
Де Бройль выдвинул теорию, в которой устанавливалась связь между частицами и волнами. Это была очень стройная теория и она сразу привлекла меня своей красотой. Частицы и волны были связаны релятивистским образом, причем так, что при стремлении масс покоя частиц к нулю, получалось соотношение между квантами света и электромагнитными волнами. Восхищенный красотой работы де Бройля, я, тем не менее, не мог воспринимать волны всерьез. Я всецело пребывал во власти теории Бора и предложенные им орбиты понимал совершенно буквально – электроны были реально существующими частицами, а волны де Бройля представлялись мне просто математической выдумкой, совершенно не существенной для физиков. Моя точка зрения была, конечно, совершенно неправильной. Работу де Бройля прочитал Шрёдингер. У Шрёдингера был иной подход и он получил другое образование. Он хорошо изучил собственные функции и собственные векторы, о которых я не знал совсем ничего. Поэтому Шрёдингер со своим взглядом на мир сумел развить идеи де Бройля и получить блестящий результат. Примитивные формулы де Бройля, которые годились только для описания свободных частиц, Шрёдингер распространил на частицы, движущиеся в электромагнитном поле, что привело его к волновой механике. П. А. М. Дирак. «Воспоминания о необычной эпохе» Нобелевская премия по физике 1933 г. – Э Шредингер и П. Дирак. За открытие новых плодотворных формулировок атомной теории. |
74)Волновые функции электронов …. Связи.
75)Соотношение неопеделенностей.
Неопределённостей соотношение, принцип неопределённости, фундаментальное положение квантовой теории, утверждающее, что любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты её центра инерции и импульс одновременно принимают вполне определённые, точные значения. Количественная формулировка Н. с.: если Dx — неопределённость значения координаты х, а (px — неопределённость проекции импульса на ось х, то произведение этих неопределённостей должно быть по порядку величины не меньше постоянной Планка .Аналогичные неравенства должны выполняться для любой пары так называемых канонически сопряжённых переменных, например для координаты у и проекции импульса ру на ось у,координаты z и проекции импульса pz. Если под неопределённостями координаты и импульса понимать среднеквадратичные отклонения этих физических величин от их средних значений, то Н. с. имеют вид:
Ввиду малости по сравнению с макроскопическими величинами той же размерности действия Н. с. существенны в основном для явлений атомных (и меньших) масштабов и не проявляются при взаимодействиях макроскопических тел.
Из Н. с. следует, что чем точнее определена одна из входящих в неравенство величин, тем менее определённым является значение другой. Никакой эксперимент не может привести к одновременно точному измерению таких динамических переменных; при этом неопределённость в измерениях связана не с несовершенством экспериментальной техники, а с объективными свойствами материи.
Принцип неопределённости, открытый в 1927 В. Гейзенбергом, явился важным этапом в уяснении закономерностей внутриатомных явлений и построении квантовой механики. Существенной чертой микроскопических объектов является их корпускулярно-волновая природа (см. Корпускулярно-волновой дуализм).Состояние частицы полностью определяетсяволновой функцией. Частица может быть обнаружена в любой точке пространства, в которой волновая функция отлична от нуля. Поэтому результаты экспериментов по определению, например, координаты, имеют вероятностный характер. Это означает, что при проведении серии одинаковых опытов над одинаковыми системами получаются каждый раз, вообще говоря, разные значения. Однако некоторые значения будут более вероятными, чем другие, т. е. будут появляться чаще. Относительная частота появления тех или иных значений координаты пропорциональна квадрату модуля волновой функции в соответствующих точках пространства. Поэтому чаще всего будут получаться те значения координаты, которые лежат вблизи максимума волновой функции. Если максимум выражен четко (волновая функция представляет собой узкий волновой пакет), то частица "в основном" находится около этого максимума. Тем не менее, некоторый разброс в значениях координаты, некоторая их неопределённость (порядка полуширины максимума) неизбежны. Тот же вывод относится и к измерению импульса.
Т. о., понятия координаты и импульса в классическом смысле не могут быть применены к микроскопическим объектам. Пользуясь этими величинами при описании микроскопической системы, необходимо внести в их интерпретацию квантовые поправки. Такой поправкой и является Н. с.
Несколько иной смысл имеет Н. с. для энергии Е и времени t,
Если система находится в стационарном состоянии (т. е. в состоянии, которое при отсутствии внешних сил не изменяется), то из Н. с. следует, что энергию системы в этом состоянии можно измерить лишь с точностью, не превышающей
где Dt — длительность процесса измерения. Причина этого — во взаимодействии системы с измерительным прибором, и Н. с. применительно к данному случаю означает, что энергию взаимодействия между измерительным прибором и исследуемой системой можно учесть лишь с точностью до
(в предельном случае мгновенного измерения возникающий энергетический обмен становится полностью неопределённым). Соотношение
справедливо также, если под DЕ понимать неопределённость значения энергии нестационарного состояния замкнутой системы, а под Dt — характерное время, в течение которого существенно меняются средние значения физических величин в этой системе.
Н. с. для энергии и времени приводит к важным выводам относительно возбуждённых состояний атомов, молекул, ядер. Такие состояния нестабильны, и из Н. с. вытекает, что энергии возбуждённых уровней не могут быть строго определёнными, т. е. обладают некоторой шириной (так называемая естественнаяширина уровня). Если Dt — среднее время жизни возбуждённого состояния, то ширина его энергетического уровня (неопределённость энергии состояния) составляет
Др. примером служит альфа-распад радиоактивного ядра: энергетический разброс DЕ испускаемых a-частиц, связан с временем жизни t такого ядра соотношением
76)Принцип дополнительности.
ополнительности принцип, сформулированное Н. Боромположение, сыгравшее важную роль в становлении квантовой механики, согласно которому получение экспериментальных данных об одних физических величинах, описывающих микрообъект (например, электрон, протон, атом), неизбежно связано с изменением таких данных о величинах, дополнительных к первым. Такими взаимно дополнительными величинами являются, например, координата и импульс частицы. Д. п. содержится в принципе неопределённостей, математическим выражением которого являютсянеопределённостей соотношения.
77)Типы химической связи.
Ковалентная связь – наиболее общий вид химической связи, возникающий за счет обобществления электронной пары посредством обменного механизма, когда каждый из взаимодействующих атомов поставляет по одному электрону, или по донорно-акцепторному механизму, если электронная пара передается в общее пользование одним атомом (донором) другому атому (акцептору) (рис. 3.2).
|
Рисунок 3.2 Обменный (а) и донорно-акцепторный (б) механизмы образования ковалентной связи |
Классический пример неполярной ковалентной связи (разность электроотрицательностей равна нулю) наблюдается у гомоядерных молекул: H–H, F–F. Энергия двухэлектронной двухцентровой связи лежит в пределах 200–2000 кДж∙моль–1.
При образовании гетероатомной ковалентной связи электронная пара смещена к более электроотрицательному атому, что делает такую связь полярной. Ионность полярной связи в процентах вычисляется по эмпирическому соотношению 16(χA – χB) + 3,5(χA – χB)2, где χA и χB – электроотрицательности атомов А и В молекулы АВ. Кроме поляризуемости ковалентная связь обладает свойством насыщаемости – способностью атома образовывать столько ковалентных связей, сколько у него имеется энергетически доступных атомных орбиталей. О третьем свойстве ковалентной связи – направленности – речь пойдет ниже (см. метод валентных связей).
Ионная связь – частный случай ковалентной, когда образовавшаяся электронная пара полностью принадлежит более электроотрицательному атому, становящемуся анионом. Основой для выделения этой связи в отдельный тип служит то обстоятельство, что соединения с такой связью можно описывать в электростатическом приближении, считая ионную связь обусловленной притяжением положительных и отрицательных ионов. Взаимодействие ионов противоположного знака не зависит от направления, а кулоновские силы не обладают свойством насыщености. Поэтому каждый ион в ионном соединении притягивает такое число ионов противоположного знака, чтобы образовалась кристаллическая решетка ионного типа. В ионном кристалле нет молекул. Каждый ион окружен определенным числом ионов другого знака (координационное число иона). Ионные пары могут существовать в газообразном состоянии в виде полярных молекул. В газообразном состоянии NaCl имеет дипольный момент ~3∙10–29 Кл∙м, что соответствует смещению 0,8 заряда электрона на длину связи 0,236 нм от Na к Cl, т. е. Na0,8+Cl0,8–.
Металлическая связь возникает в результате частичной делокализации валентных электронов, которые достаточно свободно движутся в решетке металлов, электростатически взаимодействуя с положительно заряженными ионами. Силы связи не локализованы и не направлены, а делокализированные электроны обусловливают высокую тепло- и электропроводность.
|
Модель 3.1. Виды химической связи |
Водородная связь. Ее образование обусловленно тем, что в результате сильного смещения электронной пары к электроотрицательному атому атом водорода, обладающий эффективным положительным зарядом, может взаимодействовать с другим электроотрицательным атомом (F, O, N, реже Cl, Br, S). Энергия такого электростатического взаимодействия составляет 20–100 кДж∙моль–1. Водородные связи могут быть внутри- и межмолекулярными. Внутримолекулярная водородная связь образуется, например, в ацетилацетоне и сопровождается замыканием цикла (рис. 3.3).
Молекулы карбоновых кислот в неполярных растворителях димеризуются за счет двух межмолекулярных водородных связей (рис. 3.4).
|
Рисунок 3.3 Образование внутримолекулярной водородной связи |
Рисунок 3.4 Образование межмолекулярной водородной связи |
Исключительно важную роль водородная связь играет в биологических макромолекулах, таких неорганических соединениях как H2O, H2F2, NH3. За счет водородных связей вода характеризуется столь высокими по сравнению с H2Э (Э = S, Se, Te) температурами плавления и кипения. Если бы водородные связи отсутствовали, то вода плавилась бы при –100 °С, а кипела при –80 °С.
Ван-дер-ваальсова (межмолекулярная) связь – наиболее универсальный вид межмолекулярной связи, обусловлен дисперсионными силами (индуцированный диполь – индуцированный диполь), индукционным взаимодействием (постоянный диполь – индуцированный диполь) иориентационным взаимодействием (постоянный диполь – постоянный диполь). Энергия ван-дер-ваальсовой связи меньше водородной и составляет 2–20 кДж∙моль–1.
Химическая связь в твердых телах. Свойства твердых веществ определяются природой частиц, занимающих узлы кристаллической решетки и типом взаимодействия между ними.
Твердые аргон и метан образуют атомные и молекулярные кристаллы соответственно. Поскольку силы между атомами и молекулами в этих решетках относятся к типу слабых ван-дер-ваальсовых, такие вещества плавятся при довольно низких температурах. Большая часть веществ, которые при комнатной температуре находятся в жидком и газообразном состоянии, при низких температурах образуют молекулярные кристаллы.
Температуры плавления ионных кристаллов выше, чем атомных и молекулярных, поскольку электростатические силы, действующие между ионами, намного превышают слабые ван-дер-ваальсовы силы. Ионные соединения более твердые и хрупкие. Такие кристаллы образуются элементами с сильно различающимися электроотрицательностями (например, галогениды щелочных металлов). Ионные кристаллы, содержащие многоатомные ионы, имеют более низкие температуры плавления; так для NaCl tпл. = 801 °C, а для NaNO3 tпл = 306,5 °C.
|
Рисунок 3.5 Кварц – кристаллическая форма оксида кремния |
В ковалентных кристаллах решетка построена из атомов, соединенных ковалентной связью, поэтому эти кристаллы обладают высокими твердостью, температурой плавления и низкими тепло- и электропроводностью.
Кристаллические решетки, образуемые металлами, называются металлическими. В узлах таких решеток находятся положительные ионы металлов, в межузлиях – валентные электроны (электронный газ).
Наибольшую температуру плавления из металлов имеют d-элементы, что объясняется наличием в кристаллах этих элементов ковалентной связи, образованной неспаренными d-электронами, помимо металлической, образованнной s-электронами.
78)Кристаллические решетки.
Кристаллическая решётка, присущее веществу в кристаллическом состоянии правильное расположение атомов (ионов, молекул), характеризующееся периодической повторяемостью в трёх измерениях. Ввиду такой периодичности для описания К. р. достаточно знать размещение атомов в элементарной ячейке, повторением которой путём параллельных дискретных переносов (трансляций) образуется вся структура кристалла. В соответствии с симметрией кристалла элементарная ячейка имеет форму косоугольного или прямоугольного параллелепипеда, квадратной или шестиугольной призмы, куба (см. рис.). Размеры рёбер элементарной ячейки а, b, сназываются периодами идентичности.
Математической схемой К. р., в которой остаются лишь геометрические параметры переносов, но не указывается конкретное размещение атомов в данной структуре, является пространственная решётка. В ней система трансляций, присущих данной К. р., изображается в виде системы точек — узлов. Существует 14 различающихся по симметрии пространственных трансляционных решёток, называемыхБраве решётками. К. р. может иметь и дополнительные элементы симметрии — оси, плоскости, центр симметрии. Всего существует 230 пространственных групп симметрии, причём подгруппой, определяющей К. р., обязательно является соответствующая группа переносов (см. Симметрия кристаллов).
Существованием К. р. объясняются анизотропия свойств кристаллов, плоская форма их граней, постоянство углов и др. законы геометрической кристаллографии. Геометрическое измерение кристалла даёт величины углов элементарной ячейки и на основании закона рациональности параметров отношение периодов идентичности. Определение размеров ячеек и размещения в них атомов или молекул, составляющих данную структуру, производится с помощью рентгенографии,нейтронографии или электронографии.
В элементарной ячейке К. р. может размещаться от одного (для химических элементов) до десятков и сотен (для химических соединений) или тысяч и даже миллионов (белки, вирусы) атомов, в соответствии с чем периоды идентичности составляют от нескольких Ǻ до сотен и тысяч Ǻ. При этом любому атому в данной ячейке соответствует трансляционно равный ему атом в каждой др. ячейке кристалла.
Иногда, если количество атомов того или иного сорта в ячейке невелико и они различаются каким-либо дополнительным качеством, например определенной ориентацией магнитного момента, в физике твёрдого тела для их описания вводят понятие подрешёток данной К. р. (см. Магнетизм,Антиферромагнетизм).
Существование К. р. объясняется тем, что равновесие сил притяжения и отталкивания между атомами, дающее минимум потенциальной энергии всей системы, достигается именно при условии трёхмерной периодичности. В простейших случаях это можно интерпретировать геометрически как следствие укладки в кристалле атомов, молекул наиболее плотно друг к другу.
Представление об атомистичности, прерывности К. р. односторонне. В действительности электронные оболочки атомов, объединённых в К. р. химическими связями, перекрываются. Это позволяет рассматривать К. р. как непрерывное периодическое распределение отрицательного заряда, имеющее максимумы около дискретно расположенных ядер.
К. р. не является статическим образованием. Атомы или молекулы, образующие К. р., колеблются около положений равновесия, причём характер колебаний (динамика К. р.) зависит от симметрии, координации атомов, энергии связи. Известны случаи вращения молекул в К. р. С повышением температуры колебания частиц усиливаются, что приводит к разрушению К. р. и переходу вещества в жидкое состояние (см.Колебания кристаллической решётки).
Реальная структура кристалла всегда отличается от идеальной схемы, описываемой понятием К. р., поскольку, помимо всегда имеющих место тепловых колебаний атомов, трансляционно "равные" атомы могут в действительности отличаться по атомному номеру (изоморфизм), по массе ядра (изотонический изоморфизм). Кроме того, в реальном кристалле всегда имеются различного рода дефекты: примесные атомы,вакансии, дислокации и т. д. (см. Дефекты в кристаллах).
79)Особенности кристаллизации углерода. Алмаз, графит, фуллерен.
Углеро́д (химический символ — C, лат. Carboneum) — химический элемент 4-ой группы главной подгруппы 2-го периодапериодической системы Менделеева, порядковый номер 6, атомная масса — 12,0107[5].
Углерод существует во множестве аллотропных модификаций с очень разнообразными физическими свойствами. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать химические связи разного типа.
Основные и хорошо изученные аллотропные модификации углерода — алмаз и графит. При нормальных условиях термодинамически устойчив только графит, а алмаз и другие формыметастабильны. При атмосферном давлении и температуре выше 1200 K алмаз начинает переходить в графит, выше 2100 K превращение совершается за секунды. ΔН0 перехода — 1,898 кДж/моль. При нормальном давлении углерод сублимируется при 3 780 K. Жидкий углерод существует только при определенном внешнем давлении. Тройные точки: графит-жидкость-пар Т = 4130 K, р = 10,7 МПа. Прямой переход графита в алмаз происходит при 3000 K и давлении 11—12 ГПа.
При давлении свыше 60 ГПа предполагают образование весьма плотной модификации С III (плотность на 15—20 % выше плотности алмаза), имеющей металлическую проводимость. При высоких давлениях и относительно низких температурах (ок. 1 200 K) из высокоориентированного графита образуется гексагональная модификация углерода с кристаллической решёткой типавюрцита — лонсдейлит (а = 0,252 нм, с = 0,412 нм, пространственная группа Р63/mmc), плотность3,51 г/см³, то есть такая же, как у алмаза. Лонсдейлит найден также в метеоритах.
Фуллере́н, бакибо́л или букибо́л — молекулярное соединение, принадлежащее классу аллотропных форм углерода и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. Своим названием фуллерены обязаны инженеру и дизайнеру Ричарду Бакминстеру Фуллеру, чьи геодезические конструкции построены по этому принципу. Первоначально данный класс соединений был ограничен лишь структурами, включающими только пяти- и шестиугольные грани. Заметим, что для существования такого замкнутого многогранника, построенного из n вершин, образующих только пяти- и шестиугольные грани, согласно теореме Эйлера для многогранников, утверждающей справедливость равенства (где и соответственно количество вершин, ребер и граней), необходимым условием является наличие ровно 12 пятиугольных граней и шестиугольных граней. Если в состав молекулы фуллерена помимо атомов углерода входят атомы других химических элементов, то, если атомы других химических элементов расположены внутри углеродного каркаса, такие фуллерены называютсяэндоэдральными, если снаружи — экзоэдральными[1].
80)Строение, размеры и энергия связи частиц в ядре атома.
А́томное ядро́ — центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса (более 99,9 %). Ядро заряжено положительно, заряд ядра определяет химический элемент, к которому относят атом. Размеры ядер различных атомов составляют несколько фемтометров, что в более чем в 10 тысяч раз меньше размеров самого атома.
Атомные ядра изучает ядерная физика.
Атомное ядро состоит из нуклонов — положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия. Протон и нейтрон обладают собственным моментом количества движения (спином), равным [сн 1] и связанным с ним магнитным моментом.
Атомное ядро, рассматриваемое как класс частиц с определённым числом протонов и нейтронов, принято называтьнуклидом.
Количество протонов в ядре называется его зарядовым числом — это число равно порядковому номеру элемента, к которому относится атом, в таблице Менделеева. Количество протонов в ядре определяет структуру электронной оболочкинейтрального атома и, таким образом, химические свойствасоответствующего элемента. Количество нейтронов в ядре называется его изотопическим числом . Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называютсяизотопами. Ядра с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов — называются изотонами. Термины изотоп и изотон используются также применительно к атомам, содержащим указанные ядра, а также для характеристики нехимических разновидностей одного химического элемента. Полное количество нуклонов в ядре называется егомассовым числом () и приблизительно равно средней массе атома, указанной в таблице Менделеева. Нуклиды с одинаковым массовым числом, но разным протон-нейтронным составом принято называть изобарами.
Как и любая квантовая система, ядра могут находиться в метастабильном возбуждённом состоянии, причём в отдельных случаях время жизни такого состояния исчисляется годами. Такие возбуждённые состояния ядер называются ядерными изомерами[1][2][3].
Магнитный момент
Измерения спинов стали возможными благодаря наличию непосредственно связанных с нимимагнитных моментов. Они измеряются в магнетонах и у различных ядер равны от −2 до +5 ядерных магнетонов. Из-за относительно большой массы нуклонов магнитные моменты ядер очень малы по сравнению с магнитными моментами электронов, поэтому их измерение гораздо сложнее. Как и спины, магнитные моменты измеряются спектроскопическими методами, наиболее точным является метод ядерного магнитного резонанса.
Магнитный момент чётно-чётных пар, как и спин, равен нулю. Магнитные моменты ядер с непарными нуклонами образуются собственными моментами этих нуклонов и моментом, связанным с орбитальным движением непарного протона[5].
Электрический квадрупольный момент
Атомные ядра, спин которых больше или равен единице, имеют отличные от нуля квадрупольныемоменты, что говорит об их не точно сферической форме. Квадрупольный момент имеет знак плюс, если ядро вытянуто вдоль оси спина (веретенообразное тело), и знак минус, если ядро растянуто в плоскости, перпендикулярной оси спина (чечевицеобразное тело). Известны ядра с положительными и отрицательными квадрупольными моментами. Отсутствие сферической симметрии уэлектрического поля, создаваемого ядром с ненулевым квадрупольным моментом, приводит к образованию дополнительных энергетических уровней атомных электронов и появлению в спектрах атомов линий сверхтонкой структуры, расстояния между которыми зависят от квадрупольного момента[2].
Ядерные силы — это силы, удерживающие нуклоны в ядре, представляющие собой большие силы притяжения, действующие только на малых расстояниях. Они обладают свойствами насыщения, в связи с чем ядерным силам приписывается обменный характер (с помощью пи-мезонов). Ядерные силы зависят от спина, не зависят от электрического заряда и не являются центральными силами[2].
81)Изотопы.
ИзотопыИзотопы (от изо... и греч. tópos — место), разновидности одного химического элемента, занимающие одно место в периодической системе элементов Менделеева, но отличающиеся массами атомов. Химические свойства атомов, т. е. принадлежность атома к тому или иному химическому элементу, зависят от числа электронов и их расположения в электронной оболочке атома (см. Атом). Место химического элемента в периодической системе элементов определяется его порядковым номером Z, равным числу электронов в оболочке атома или, что то же самое, числу протонов, содержащихся в атомном ядре. Кроме протонов, в ядро атома входят нейтроны, масса каждого из которых приблизительно равна массе протона. Количество нейтронов N в ядре атома с данным Z может быть различным, но в определённых пределах. Например, в ядре атома гелия (Z = 2) может содержаться 1, 2, 4 или 6 нейтронов. Полное число протонов Z и нейтронов N в ядре (называется общим термином нуклоны) определяет массу ядра и по существу массу всего атома. Это число А = Z + Nназывается массовым числом атома. От соотношения чисел протонов и нейтронов в ядре зависят стабильность или нестабильность ядра, тип распада радиоактивного ядра, спин, магнитный дипольный момент, электрический квадрупольный момент ядра и некоторые другие его свойства (см. Ядро атомное). Таким образом, атомы с одинаковым Z, но с различным числом нейтронов N обладают идентичными химическими свойствами, но имеют различные массы и различные ядерные свойства. Эти разновидности атомов также называются И. Для обозначения любых разновидностей атомов, независимо от их принадлежности к одному элементу, применяют термин нуклиды. |
82)Радиоактивность. Ядерные реакции.
Самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, при котором происходит испускание элементарных частиц, называется радиоактивностью.
Если нам известна одна из частиц, получившаяся при распаде, то можно вычислить и другую частицу, поскольку во время ядреной реакции соблюдается, так называемый, баланс масс ядерной реакции.
Суть ядерной реакции схематически можно выразить так:
Реагенты, вступающие в реакцию → Продукты, получившиеся в результате реакции
Ядерная реакция считается сбалансированной, если сумма атомных номеров элементов в левой части выражения будет равна сумме атомных номеров элементов, полученных после реакции. Это же условие должно соблюдаться и для сумм массовых чисел. Предположим, что происходит ядерная реакция: изотоп хлора (хлор-35) бомбардируется нейтроном с образованием изотопа водорода (водород-1):
3517Cl + 10n → 3516Х + 11H
Какой Х-элемент будет находиться в правой части уравнения реакции?
Исходя из баланса масс ядерной реакции, атомный номер неизвестного элемента будет равен 16. В Периодической таблице под этим номером находится элемент сера (S). Т.о., можно сказать, что в результате нашей ядерной реакции при бомбардировке изотопа хлора (хлор-35) нейтроном получается изотоп водорода (водород-1) и изотоп серы (сера-35). Этот процесс называют еще ядерным превращением.
3517Cl + 10n → 3516S + 11H
При помощи подобных ядерных превращений ученые научились получать искусственные изотопы, которые не встречаются в природе.
Я́дерная реа́кция — это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением большого количества энергии. Впервые ядерную реакцию наблюдал Резерфорд в 1919 году, бомбардируя α-частицами ядра атомов азота, она была зафиксирована по появлению вторичных ионизирующих частиц, имеющих пробег в газе больше пробега α-частиц и идентифицированных какпротоны. Впоследствии с помощью камеры Вильсона были получены фотографии этого процесса.
По механизму взаимодействия ядерные реакции делятся на два вида:
Если после столкновения сохраняются исходные ядра и частицы и не рождаются новые, то реакция является упругим рассеянием в поле ядерных сил, сопровождается только перераспределением кинетической энергии и импульса частицы и ядра-мишени и называется потенциальным рассеянием[1][2].
83)Цепная ядерная реакция.
В 30-х годах прошлого столетия ученые начали пытаться управлять ядерными реакциями. В результате бомбардирования (обычно нейтроном) ядро атома тяжелого элемента делится на два более легких ядра. Например:
23592U + 10n → 14256Ba + 9136Kr + 310n
Такой процесс называется расщеплением (делением) ядра. В результате высвобождается колоссальное количество энергии. Откуда она берется? Если очень точно измерить массы частиц до реакции и после нее, то окажется, что в результате ядерной реакции часть массы бесследно исчезла. Такую потерю массы принято называть дефектом массы. Исчезающее вещество превращается в энергию.
Великий Альберт Эйнштейн вывел свою знаменитую формулу: E = mc2, где
Е - количество энергии;
m - дефект массы (исчезнувшая масса вещества);
с - скорость света = 300 000 км/с
Поскольку скорость света является очень большой величиной самой по себе, а в формуле она возводится в квадрат, то даже ничтожно малое "исчезновение массы" приводит к высвобождению достаточно большого количества энергии.
Из приведенного выше уравнения расщепления урана-235 видно, что в процессе деления ядра расходуется один электрон, а получается сразу три. В свою очередь, эти три, вновь полученных электрона, встретив на "своем пути" три ядра урана-235, произведут очередное расщепление, в результате чего получится уже 9 нейтронов и т.д… Такой непрерывно нарастающий каскад расщеплений называется цепной реакцией.
Цепная реакция возможна только с теми изотопами, при расщеплении которых создается избыток нейтронов. Так цепная реакция с изотопом урана (уран-238) невозможна, т.к. высвободится только один нейтрон:
23892U + 10n → 14256Ba + 9136Kr + 10n
|
Изотопы, участвующие в цепной реакции, называются расщепляемыми изотопами |
Для ядерных реакций используют изотопы урана (уран-235) и плутона (плутон-239). Чтобы ядерная реакция смогла протекать самостоятельно, требуется определенное количество расщепляемого вещества, называемое критической массой. В противном случае число избыточных нейтронов будет недостаточным для осуществления ядерной реакции. Масса расщепляемого вещества меньше критической называется субкритической.
84)Элементарные частицы. Кварки.
Элемента́рная части́ца — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части.
Следует иметь в виду, что некоторые элементарные частицы (электрон, нейтрино, кварки и т. д.) на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы. Другие элементарные частицы (так называемые составные частицы — протон, нейтрони т. д.) имеют сложную внутреннюю структуру, но, тем не менее, по современным представлениям, разделить их на части невозможно (см. Конфайнмент). Всего вместе с античастицами открыто более 350 элементарных частиц. Из них стабильны фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы. Остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются за время от приблизительно 1000 секунд (для свободного нейтрона) до ничтожно малой доли секунды (от 10-24 до 10-22, для резонансов).
Строение и поведение элементарных частиц изучается физикой элементарных частиц.
Античастицы
Кварк — фундаментальная частицав Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратнымe/3, и не наблюдающаяся в свободном состоянии. Кварки являются точечными частицами вплоть до масштаба примерно 0,5·10−19 м, что примерно в 20 тысяч раз меньше размера протона. Из кварков состоят адроны, в частности,протон и нейтрон. В настоящее время известно 6 разных «сортов» (чаще говорят — «ароматов») кварков, свойства которых даны в таблице. Кроме того, длякалибровочного описания сильного взаимодействия постулируется, что кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, называемой «цвет». Каждому кварку соответствует антикварк с противоположными квантовыми числами.
85)Строение Земли.
86)Атмосфера Земли.
Атмосфе́ра (от. др.-греч. ἀτμός — пар и σφαῖρα — шар) — газоваяоболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично земную кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.
Совокупность разделов физики и химии, изучающих атмосферу, принято называть физикой атмосферы. Атмосфера определяет погоду на поверхности Земли, изучением погоды занимается метеорология, а длительными вариациями климата — климатология.
87)Супер-континентальный цикл.
Суперконтинентальный цикл — интервал времени между последовательными объединениями всей суши планеты в единый континент. Наукой установлено, чтоземная кора постоянно переконфигурируется: её блокидвижутся относительно друг друга, что приводит к перемещению, столкновению и распаду континентов. При этом точно неизвестно, меняется ли общее количествоконтинентальной коры. Один суперконтинентальный цикл продолжается от 300 до 500 миллионов лет.
88)Геологическая история земли.
Геологическая история Земли — последовательность событий в развитии Земли как планеты. Среди этих событий — образование горных пород, возникновение и разрушение форм рельефа, наступания и отступания моря, оледенения, появление и исчезновение видов живых существ. Изучается по слоям горных пород (см. Стратиграфия); делится на отрезки согласногеохронологической шкале.
Земля образовалась около 4,5 млрд летназад путем аккреции из протопланетного диска — дискообразной массы газа и пыли, оставшихся от образования Солнца, которая и дала начало Солнечной системе. Изначально планета была раскалена благодаря остаточному теплу и частым ударам астероидов. Но в конце концов её внешний слой остыл и превратился в земную кору. Немного позднее, в результате столкновения по касательной с небесным телом размера Марса и массой около 10 % земной, образовалась Луна. В результате большая часть вещества ударившегося объекта и часть вещества земной мантии были выброшены на околоземную орбиту. Из этих обломков собралась прото-Луна и начала обращаться по орбите с радиусом около 60 000 км. Земля в результате удара получила резкий прирост скорости вращения (один оборот за 5 часов) и заметный наклон оси вращения. Дегазация и вулканическая активность создала первую атмосферу на Земле. Конденсация водяного пара, а также лёд из сталкивающихся с Землёй комет, образовали океаны.
На протяжении сотен миллионов лет поверхность планеты постоянно изменялась, континентыформировались и распадались. Они мигрировали по поверхности, иногда объединяясь и формируясуперконтиненты. Примерно 750 млн лет назад суперконтинент Родиния, первый из известных, начал распадаться. Позднее, 600—540 миллионов лет назад, континенты сформировали Паннотию, а около 250 млн лет назад — Пангею, которая распалась около 180 млн лет назад.
Современная ледниковая эра началась около 40 млн лет назад. Холод усилился в конце плиоцена. Полярные регионы начали претерпевать повторяющиеся циклы оледенения и таяния с периодом 40-100 тыс. лет. Последняя ледниковая эпоха текущего ледникового периода закончилась около 10 000 лет назад.
|
|
89)Особенности живой материи.
90)Возникновение жизни на земле.
Существует много гипотез, объясняющие возникновение жизни на Земле. Но я в реферате подробно остановлюсь на некоторых из них. А, вообще, основными считаются следующие концепции:
1. Креоционизм. Утверждает, что жизнь была сверхъестественным существом, то есть богом.
2. Самопроизвольное зарождение. Жизнь возникала неоднократно из неживого вещества.
3. Теория стационарного состояния. Жизнь существовала всегда и будет существовать вечно.
4. Жизнь занесена из вне.
5. Биохимическая эволюция. Жизнь возникла в результате процессов, подчинившихся биохимическим явлениям. Автор теории Опарин А. И.
теория происхождения жизни на Земле
А. И. Опарина.
Среди современных теорий происхождения жизни на Земле, наиболее обоснованной является теория академика А. И. Опарина. Согласно этой теории процесс, приведший к возникновению жизни на Земле, может быть разделен на три этапа:
1. Возникновение органических веществ;
2. Возникновение белков;
3. Возникновение белковых тел.
Астрономические исследования показывают, что как звезды, так и планетные системы возникли из газопылевого вещества. В некоторых случаях эта газопылевая материя объединяется в плотный, которые можно видеть невооруженным глазом. Химические исследования находящегося в галактике газопылевого вещества показали, что в нем наряду с металлами и их окислами обнаружено: водород, аммиак, вода и простейший углеводород – метан.
Второй этап – возникновение белков. Условия для начала процесса формирования белковых структур создались с момента создания первичного океана. Прежде всего в водной среде производные углеводородов могли подвергаться сложным химическим изменениям и превращениям. В результате такого усложнения молекул могли образоваться более сложные органические вещества, а именно углеводы.
Известно, что белковая молекула состоит из отдельных звеньев – аминокислот, которые соединены между собой при помощи полиптеидных связей. Показано, что в результате применения ультрафиолетовых лучей можно искусственно синтезировать не только аминокислоты, но и другие биохимические вещества.
Большой победой современной биохимии является первый полный синтез молекулы белков: синтезирован иксулин-гармон, управляющий углеводным обменом. Все эти эксперименты подтверждают правильность разбираемой теории.
Согласно теории Опарина, дальнейшим шагом по пути к возникновению белковых тел могло явиться образование коацерватных капель, т. е. капель микроскопического размера, выпадающих при смешении двух белковых растворов. Отсюда возникла новая закономерность уже биологического характера – естественный отбор коацерватных капель. Под влиянием естественного отбора качество организации белкового вещества все время менялось. В результате возникла та согласованность процессов синтеза и распада, которая привела к возникновению первых живых организмов.
91)Аминокислоты и белки.
Аминокисло́ты (аминокарбо́новые кисло́ты) — органические соединения, в молекуле которых одновременно содержатсякарбоксильные и аминные группы.
Аминокислоты могут рассматриваться как производные карбоновых кислот, в которых один или несколько атомов водородазаменены на аминные группы.
Белки́ (протеи́ны, полипепти́ды[1]) — высокомолекулярные органические вещества, состоящие из альфа-аминокислот, соединённых в цепочку пептидной связью . В живых организмах аминокислотный состав белков определяется генетическим кодом, при синтезе в большинстве случаев используется 20 стандартных аминокислот. Множество их комбинаций создают молекулы белков с большим разнообразием свойств. Кроме того, аминокислотные остатки в составе белка часто подвергаются посттрансляционным модификациям, которые могут возникать и до того, как белок начинает выполнять свою функцию, и во время его «работы» в клетке. Часто в живых организмах несколько молекул разных белков образуют сложные комплексы, например,фотосинтетический комплекс.
Кристаллы различных белков, выращенные на космической станции «Мир» и во время полётов шаттловНАСА. Высокоочищенные белки при низкой температуре образуют кристаллы, которые используют для изучения пространственной структурыданного белка
Функции белков в клетках живых организмов более разнообразны, чем функции других биополимеров —полисахаридов и ДНК. Так, белки-ферменты катализируют протекание биохимических реакций и играют важную роль в обмене веществ. Некоторые белки выполняют структурную или механическую функцию, образуяцитоскелет, поддерживающий форму клеток. Также белки играют ключевую роль в сигнальных системах клеток, прииммунном ответе и в клеточном цикле.
Белки — важная часть питания животных и человека(основные источники: мясо, птица, рыба, молоко, орехи, бобовые, зерновые; в меньшей степени: овощи, фрукты, ягоды и грибы), поскольку в их организмах не могут синтезироваться все необходимые аминокислоты и часть должна поступать с белковой пищей. В процессепищеварения ферменты разрушают потреблённые белки до аминокислот, которые используются для биосинтезасобственных белков организма или подвергаются дальнейшему распаду для получения энергии.
Определение аминокислотной последовательности первого белка — инсулина — методом секвенирования белков принесло Фредерику Сенгеру Нобелевскую премию по химии в 1958 году. Первые трёхмерные структуры белков гемоглобина и миоглобина были получены методом дифракции рентгеновских лучей, соответственно, Максом Перуцем и Джоном Кендрю в конце 1950-х годов[2][3], за что в 1962 году они получили Нобелевскую премию по химии.
92)Синтез белков, РНК, кодоны и Антикодоны.
Синтез белка — сложный многоступенчатый процесс, представляющий цепь синтетических реакций, протекающих по принципу матричного синтеза.
биосинтезе белка определяют следующие этапы, идущие в разных частях клетки:
КОДОН — триплет, дискретная единица генетич. кода; участок информационной РНК, состоящий из трёх последоват. нуклеотидов. Кодирует один аминокислотный остаток или служит сигналом для завершения (нонсенс К. или терминирующие К.) или начала (К. инициаторы) …
АНТИКОДОН — в биологии участок транспортной РНК, состоящий из трех нуклеотидов. Специфически связывается с кодоном (тройкой нуклеотидов) матричной РНК, что обеспечивает правильную расстановку каждой аминокислоты в полипептидной цепи при биосинтезе белка…
93) Строение ДНК.
Молекула ДНК представляет собой спираль, образованную 2 полинуклеотидными цепями, за крученными относительно друг друга и вокруг об щей оси (рис. 3.1).
2.Первичная структура цепей ДНК— это порядокчередования дезоксирибонуклеозидмонофосфатов (dNMP) в полинуклеотидной цепи. Мононуклео-тиды связываются между собой 3',5'-фосфодиэфир-ными связями. Концы полинуклеотидной цепи раз личаются по структуре: на 5'-конце находится фосфатная группа, на З'-конце цепи — свободная ОН-группа.
3. Полинуклеотидные цепи в двухцепочечной мо лекуле ДНК расположены антипараллельно. Цепи удерживаются относительно друг друга за счет водо родных связей между комплементарными азотистыми основаниями А-Т и G-C. Комплементарные основания лежат в одной плоскости, которая прак тически перпендикулярна главной оси спирали.
Между основаниями двухцепочечной молекулы возникают гидрофобные взаимодействия, стабили зирующие двойную спираль.
Цепи комплементарны, но не идентичны друг другу, нуклеотидный состав цепей различен.
4. Каждая молекула ДНК упакована в отдельную хромосому. Хромосомы содержат разнообразные белки, связанные с определенными последователь ностями ДНК. Все связывающиеся с ДНК эука-риотов белки можно разделить на 2 группы: гистоны и негистоновые белки. Комплекс белков с ядерной ДНК клеток называют хроматином.
5. Питоны — это белки небольшого размера (мол. масса около 20 000) с очень высоким содержанием положительно заряженных аминокислот (лизина и аргинина). Хроматин содержит 5 типов гистонов: Н2А, Н2В, НЗ, Н4 (нуклеосомные гистоны) и HI. Суммарный положительный заряд позволяет им прочно связываться с ДНК (рис. 3.2). Фрагмент ДНК (146 пар нуклеотидов) взаимодействует с комплексом гистонов (нуклеосомный кор), образуя нуклеосомы. Гистоны HI связываются с ДНК в межнуклеосомных участках (линкерных последовательностях) и защи щают эти участки от действия нуклеаз.
6. Негистоновые белки — это разные типы регуля-торных белков, связывающихся со специфически ми последовательностями ДНК, а также фермен ты, участвующие в матричных биосинтезах.
7. Первичная структура РНК — это порядок че редования рибонуклеозидмонофосфатов (NMP) в полинуклеотидной цепи. Мононуклеотиды свя зываются между собой 3',5'-фосфодиэфирными связями. Различают тРНК, мРНК и рРНК; все типы РНК имеют одну полинуклеотидную цепь.
8. Отдельные участки цепей РНК образуют спи-рализованные петли — «шпильки» — за счет водо родных связей между комплементарными азотис тыми основаниями A-U и G-C.
94)Доказательства эволюции жизни на земле.
Доказа́тельства эволю́ции — научные данные иконцепции, подтверждающие происхождение всехживых существ на Земле от общего предка[~ 2]. Благодаря этим доказательствам основыэволюционного учения получили признание в научном сообществе, а ведущей системой представлений о процессах видообразования стала синтетическая теория эволюции[1][~ 3].
Эволюционные процессы наблюдаются как в естественных, так и лабораторных условиях. Известны случаи образования новых видов[2]. Описаны также случаи развития новых свойств посредством случайных мутаций[3]. Факт эволюции на внутривидовом уровне доказан экспериментально, а процессы видообразования непосредственно наблюдались в природе.
Чтобы получить сведения об эволюционной истории жизни, палеонтологи анализируют ископаемые останки организмов. Степень родства между современными видами можно установить, сравнивая их строение[4],геномы, развитие эмбрионов (эмбриогенез)[5]. Дополнительный источник информации об эволюции — закономерности географического распространения животных и растений, которые изучаетбиогеография[6]. Все эти данные укладываются в единую картину — эволюционное дерево жизни.
95)Движущие силы эволюции
Движущими силами эволюции Ч. Дарвин считал изменчивость, наследственность и естественный отбор.
Естествоиспытатель полагал, что под действием среды возникают две формы изменчивости — определенная и неопределенная. При определенных изменениях под влиянием среды все или почти все особи изменяются сходным образом. Неопределенная изменчивость носит индивидуальный характер; изменения, хотя порой и небольшие, происходят в самых различных направлениях. При неопределенной изменчивости установить зависимость характера изменений от воздействия условий среды практически невозможно.
Ч. Дарвин был убежден, что в процессе эволюции важнейшую роль играют неопределенные, случайные изменения. Вместе с тем, он, как и Ж.-Б. Ламарк, склонен был считать, что результаты упражнения и неупражнения органов могут наследоваться. В качестве механизма наследования благоприобретенных свойств Ч. Дарвин выдвинул теорию пангенезиса: микроскопические частицы (геммулы), перемещаясь по кровотоку ото всех частей тела к половым клеткам, приносят в гаметы информацию об изменениях в строении организма, произошедших за время жизни родительской особи.
Знакомство с книгой Т. Мальтуса "Опыт о законе народонаселения…" навело Ч. Дарвина на мысль о том, что и в природе возникает конфликт между растущей численностью любого вида и ограниченными жизненными ресурсами. Каждый организм, — рассуждал Ч. Дарвин, — стремится размножиться в геометрической прогрессии, а жизненное пространство не беспредельно. В результате организмы вступают в борьбу за существование. Этот термин исследователь рассматривал в широком и метафорическом смысле, "включая сюда зависимость одного существа от другого" и от неживой природы. Борьба за жизнь может принимать характер прямого уничтожения, как в парах "травоядное животное — растение" или "хищник — жертва", или разного рода конкуренции.
В ходе борьбы за существование большинство особей гибнет или не оставляет потомства. У органических существ в естественном состоянии всегда имеется определенная степень индивидуальной изменчивости. Те из них, кто обладает какими-либо преимуществами перед собратьями, имеют больше шансов выжить. Значительная часть изменчивости носит наследственный характер. Сохранение благоприятных индивидуальных различий и изменений и уничтожение вредных Ч. Дарвин назвал естественным отбором, или переживанием наиболее приспособленных. Для соперничества между особями одного пола, обычно самцами, за обладание особями другого пола Ч. Дарвин ввел термин половой отбор. Именно под действием этой силы, утверждал ученый, возникла яркая окраска и разнообразные украшения, брачные песни и т.д.
96)Законы наследственности.
|
Законы наследственности |
|
|
|
Генетика — наука, изучающая закономерности наследственности и изменчивости. Мендель, проводя опыты по скрещиванию различных сортов гороха, установил ряд законов наследования, положивших начало генетике. Он разработал гибридо-логический метод анализа наследования признаков организмами. Этот метод предусматривает скрещивание особей с альтернативными признаками; анализ исследованных признаков у гибридов без учета остальных; количественный учет гибридов. |
|
Проводя моногибриднре скрещивание (скрещивание по одной паре альтернативных призкаков), Мендель установил закон единообразия первого поколения. Он гласит: при скрещивании двух гомозиготных организмов, отличающихся по одной паре альтернэтивных признаков, первое поколение гибридов единообразно как по фенотипу, так и по генотипу. Этот закон так же называют законом доминирования, т. к. один из признаков проявляется, а другой - подавлен. |
|
Если потомков первого локоления скрестить между собой, то во втором поколении исчезнувший в первом поколении признак проявляется вновь. Это явление получило название второго закона Менделя или закона расщепления. Он гласит: при скрещивании гибридов первого поколения между собой, во втором поколении наблюдается расщепление доминантных и рецессивных признаков в соотношении 3 :1. Генотипы второго поколения - АА, Аа, Аа, аа, то есть наблюдается соотношение 1:2:1. |
|
Расщепление признаков в потомстве прискрещивании гетерозиготных особей обьясняется тем, что гаметы генетически чисты, несут только один ген из аллельной пары. При образовании половых клеток в каждую гамету попадает только один ген из аллельной пары (закон чистоты гамет). |
|
Цитологической основой расщепления признаков при моногибридном скрещивании является расхождение гомологичных хромосом к разным полюсам клетки и образование гаплоидных половых клеток в мейозе. |
|
Генотип - совокупность генов организма, взаимодействующих между собой. |
|
Фенотип - совокупность внешних признаков организма. |
|
В опытах Мендель использовал разные способы скрещивания: моногибридное, дигибридное и полигибридное. При последнем скрещивании особи отличаются более чем по двум парам признаков. Во всех случаях соблюдается закон единообразия первого поколения, закон расщепления признаков во втором поколении и закон независимого наследования. |
|
Закон независимого наследования: каждая пара признаков наследуется независимо друг от друга. В потомстве идет расщепление по фенотипу 3 :1 по каждой паре признаков. |
|
Закон независимого наследования справедлив лишь в том случае, если гены рассматриваемых пар признаков лежат в различных парах гомологичных хромосом. Гомологичные хромосомы сходны по форме, размерам и группам сцепления генов. |
|
Поведение любых пар негомологичных хромосом в мейозе не зависит друг от друга. Расхождение: их к полюсам клетки носит случайный характер. Независимое наследование имеет, большое значение для эволюции; так как является источником комбинативной наследственности. |
|
Сцепленное наследование |
|
Организм любого вида имеет большое разнообразие признаков, которое обеспвг чивается тысячами генов. В то же время число хромосом невелико, так у человека их всего 23 пары. Следовательно, в каждой хромосоме располагаются сотни и тысячи генов. Наследование признаков, гены которых находятся в одной хромосоме, исследовал американский генетик Т. Морган. Гены, расположенные в одной хромосоме, называют группой сцепления. Количество групп сцепления в клетке равно гаплоидному набору хромосом. |
|
Закон сцепленного наследования, открытый Морганом, гласит: гены, расположенные в одной хромосоме, образуют группу сцепления и наследуются вместе. |
|
Дальнейшие исследования Моргана показали, что сцепление не всегда бывает абсолютным. Причина тому — кроссинговер (обмен участками между гомологичными хромосомами), который происходит в профазе первого деления мейоза. Кроссинговер нарушает группы сцепления генов и ведет к появлению особей с перекомбинацией признаков. |
|
Частота кроссинговера зависит от расстояния между генами: чем ближе располагаются гены в хромосоме, тем меньше вероятность кроссинговера между ними и наоборот. Эта зависимость используется, для составления генетических карт хромосом, где по вероятности кроссинговера рассчитывается положение генов, в хромосоме. |
|
Расстояние между генами определяется по формуле: |
|
X = (A + C)/N x100, |
|
где X — расстояние между генами (в морга-нидах), А и С - количество кроссовертных особей, N - общее число особей. |
97) Экосистемы. Продуценты, консументы, редуценты.
Экосисте́ма, или экологи́ческая систе́ма (от др.-греч. οἶκος — жилище, местопребывание иσύστημα — система) — биологическая система, состоящая из сообщества живых организмов (биоценоз), среды их обитания (биотоп), системы связей, осуществляющей обмен веществом и энергией между ними. Одно из основных понятий экологии.
Пример экосистемы — пруд с обитающими в нём растениями, рыбами, беспозвоночными животными, микроорганизмами, составляющими живую компоненту системы, биоценоз. Для пруда как экосистемы характерны донные отложения определенного состава, химический состав (ионныйсостав, концентрация растворенных газов) и физические параметры (прозрачность воды, трендгодичных изменений температуры), а также определённые показатели биологической продуктивности, трофический статус водоёма и специфические условия данного водоёма. Другой пример экологической системы — лиственный лес в средней полосе России с определённым составом лесной подстилки, характерной для этого типа лесов почвой и устойчивым растительным сообществом, и, как следствие, со строго определёнными показателями микроклимата(температуры, влажности, освещённости) и соответствующим таким условиям среды комплексом животных организмов. Немаловажным аспектом, позволяющим определять типы и границы экосистем, является трофическая структура сообщества и соотношение производителей биомассы,её потребителей и разрушающих биомассу организмов, а также показатели продуктивности и обмена вещества и энергии.
Консументы - потребители органического вещества. Травоядные животные употребляют растительную пищу, а плотоядные - животную. В результате процесса пищеварения, протекающего в организмах консументов, происходит первичное измельчение и разложение органического вещества. Это облегчает дальнейшую деятельность редуцентов.
Редуценты - это организмы, окончательно разлагающие органические вещества, содержащиеся в отходах и трупах консументов и продуцентов. К редуцентам относят бактерии и грибы. В процессе жизнедеятельности этих организмов восстанавливаются минеральные вещества, которые вновь используют продуценты.
Продуце́нты — организмы, способные синтезировать органические вещества из неорганических, то есть, все автотрофы[1]. Это, в основном, зелёные растения(синтезируют органические вещества из неорганических в процессе фотосинтеза), однако некоторые виды бактерий-хемотрофовспособны на чисто химический синтез органики без солнечного света.
98)Принцип простоты.
ПРОСТОТЫ ПРИНЦИП — эвристический принцип, обобщающийопыт познания, согласно которому при прочих равных условиях предпочтительна наиболее простая познавательная конструкция (теория, гипотеза, научно-исследовательская программа и т. п.). Принцип простоты допускает различные интерпретации. Исторически первичной (восходящей к античности и Средним векам) можно считать метафизическую интерпретацию: объективный мир разумен (рационален) в своей основе, простота является непременным атрибутом рациональности, следовательно, истинное знание о мире и путь к нему характеризуются простотой. Напр., признаком простоты, сформулированным в терминах метафизики в Средние века считалась минимизация исходных онтологических посылок рационального объяснения мира и его объектов. Такова позицияОккама, выраженная в его методологической максиме (“Не следует умножать сущности сверх необходимости”), которую он применял в полемике с аристотелизмом и платонизмом, отстаивая эмпирическийфундаментализм и номинализм. Прагматическая интерпретациярассматривает принцип простоты как выражение естественного стремления к минимизации усилий для достижения практического результата любой деятельности (в гносеологическом аспекте принцип простоты выступает как требование “экономии мышления”).
В методологии науки эвристическое содержание принципа простоты выражается в различных и не сводимых друг к другу требованиях: обобщения и схематизации опытных данных, использования адекватного математического аппарата в естественно-научных и близких к ним теориях, формализации структуры теорий, выбора наиболее простой теоретической схемы объяснения и предсказания и т. п. Понимание “простоты” научного знания зависит от стиля научного мышления, от философской и общенаучной картин мира. Напр., в механико-динамической картине мира И. Ньютона и его последователей “простота” природы понималась как возможность сведения всего мирового многообразия к фундаментальным законам механики и теории тяготения. “Природа при бесконечном разнообразии своих действий проста только в своих причинах, и мы видим в ней небольшое числозаконов, рождающих огромное число явлений часто весьма сложных...” (Лаплас П. Изложение системы мира, т. 1. СПб., 1861, с. 74). Простота основных положений теории (естественно-научной или математической) иногда идентифицируется с их очевидностью, интуитивностью. Так, Кант полагал геометрические постулаты Евклида априорными чувственными интуициями, а Пуанкаре подчеркивал связь между их интуитивной очевидностью и простотой. Однако подобные идентификации часто оказываются ошибочными; так, создание неевклидовых геометрий и общей теории относительности разрушило кантовский априоризм в понимании пространства.
В методологии науки 20 в. на первый план вышли попытки выразить принцип простоты через понятия, играющие ключевую роль в логико-методологических моделях структуры и развития научного знания. Простота научных теорий связывалась с эмпирической верифицируемостью (логический эмпиризм), фальсифицируемостью (Поппер), с числом независимых посылок, используемых теориями при объяснении эмпирических данных (с минимизацией добавочных объяснительных допущений) (Г. Шлезингер). Е. А. Мамчур предложила экспликацию понятия независимости посылок через понятие инвариантности; при выборе из эмпирически эквивалентных систем теоретических положений следует предпочесть более простую, т. е. ту, предпосылки которой инвариантны относительно более широкой группы преобразований. Понятие инвариантности позволяет связать определенность посылок теории с их информативностью; это в свою очередь дает возможность выразить в точных терминах такие характеристики теории, как объяснительный потенциал или степень логической организации.
Принцип простоты как эвристический прием применим не только к структурным компонентам научных теорий, но и к выбору применяемого в них математического аппарата. Предприняты попытки экспликации критерия простоты физических гипотез через характеристические числа дифференциальных уравнений (Дж. Кемени) или путем ограничений на введение в теорию производных высших порядков для построения приблизительных математических моделей, допускающих последующие уточнения и усложнения (И. В. Кузнецов). Методологическая роль принципа простоты ощутима и в логике, где разрабатываются системы исчислений с минимальным числом аксиом и правил вывода; предлагаются логико-аналитические методы упрощения научных текстов без утраты их информативности, известны попытки связать эти методы с общей теорией систем (А. И. Уемов и др.); разрабатываются методы оценки простоты научных теорий (Поппер и др.). Принцип простоты входит в “сеть” методологических принципов науки (см. Симметрии принцип, Дополнительности принцип и др.), составивших предметную область междисциплинарных исследований, в которых принимают участие философы и ученые различных специальностей.
99)Принцип симметрии.
СИММЕТРИИ ПРИНЦИП (в науке) - эвристический и методологический принцип научного исследования, в соответствии с которым определенные свойства и взаимосвязи объектов, формулируемые как законы в составе научных теорий, инвариантны относительно некоторых преобразований (составляют группу симметрии); в этом смысле принцип симметрии можно понимать как некоторое обобщение принципов относительности, инвариантности (см. также Простоты принцип). Напр., релятивистская симметрия (в рамках специальной теории относительности) заключена в том, что законы изменения состояний физических систем инвариантны в любых координатных системах, находящихся относительно друг друга в равномерном поступательном движении; при этом скорость света в любой системе координат постоянна и независима от того, покоится или движется источник света (Эйнштейн). В рамках общей теории относительности в группу симметрии включены все законы, определяющие свойства пространства-времени и включающие только динамические переменные. Основываясь на понятии “полного описания физической системы”, включающего однозначные определения движений всех частиц и напряженностей полей во всех пространственно-временных точках, можно свести принцип симметрии к следующим положениям: 1) полное описаниесохраняется при всех преобразованиях в любых эквивалентных системах координат; 2) все движения, возможные в одной системе координат, возможны во всех эквивалентных системах; 3) уравнения движения инвариантны во всех эквивалентных системах (формулировка Хаага—Вигнера).
Принцип симметрии способствует выявлению структуры физических теорий и взаимосвязи фигурирующих в них законов. Это позволяет устанавливать систематические отношения между теориями в рамках единой научно-исследовательской программы или сопоставлять такие программы. Конкретные виды симметрии могут различаться по степени общности и устойчивости (сопротивлению эмпирическим опровержениям); к числу наиболее общих и стабильных относятся релятивистская симметрия, а также симметрии, связанные с законами сохранения (эта связь может быть исследована на основании теорем Нетер, устанавливающих соотношения между фундаментальными группами симметрии, динамическими законами и физическими параметрами, для которых выполняются законы сохранения). Однако любые симметрии являются эмпирическими обобщениями; в этом смысле принципиально возможны открытия фактов нарушения симметрии (напр., нарушение четности в слабых взаимодействиях) либо открытие новых, ранее не фиксировавшихся типов симметрии (напр., в физике элементарных частиц).
Принцип симметрии сыграл значительную роль в формировании “Эрлангенской программы” Ф. Клейна как общий метод определения структуры и способа построения широкого класса геометрий (1873). В физике теоретико-инвариантные идеи и принцип симметрии приобрели особенную значимость с развитием релятивистской механики и последующей “геометризации” физики, став методологической основой прогноза относительно возникновения новых направлений теоретического анализа в этой области. В этой связи оказались плодотворными типологии и классификации типов симметрии, различных модификаций и ограничений “эрлангенского” подхода.
В методологическом плане принцип симметрии может указывать источники и способы возможных разрешений проблемных ситуаций в науке, которые связаны с обнаружением не известных ранее симметрии или с нарушениями установленных симметрии. Напр., ньютоновская механика может рассматриваться как разрешение проблемной ситуации, возникшей с обнаружением Кеплером симметрических закономерностей движения планет, которые не могли быть последовательно совмещены с механикой Галилея; эмпирические формулы распределения спектральных линий Бальмера (1885) и Пашена (1908), свидетельствующие о симметрии в структуре атома водорода, получили теоретическое объяснение в первой квантовой теории (Н. Бор), а затем в квантовой механике; открытия нарушений фундаментальных физических симметрии (Ли и Янг, С. By, Дж. Кронин и др.) стали мощнейшим стимулом прогресса в теоретической физике, во многом определявшимся методологической установкой на сохранение симметрии и связанной с этим перестройкой оснований физики слабых взаимодействий. См. также ст. Симметрия.
100)Принцип соответствия.
При́нцип соотве́тствия — в методологии науки утверждение, что любая новая научная теория при наличии старой, хорошо проверенной теории находится с ней не в полном противоречии, а даёт те же следствия в некотором предельном приближении (частном случае). Например, закон Бойля-Мариотта является частным случаем уравнения состояния идеального газа в приближении постоянной температуры; кислоты и основания Аррениуса являются частным случаем кислот и оснований Льюиса и т.п.