Контрольная работа по "Концепция современного естествознания"

 

Министерство образования  и науки Российской Федерации 
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение  
высшего профессионального образования 
«Российский государственный профессионально-педагогический университет»

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1

по дисциплине :

 «Концепция современного  естествознания»

Вариант № 48.

 

 

Выполнил:    Якимова Е. А.

Группа:         Рж-111С БУА

Проверил:  Фёдорова Л. М.

 

 

г.Реж

2013г.

 

Содержание:

 

 

1. Фундаментальные законы сохранения (закон сохранения

 энергии,  закон сохранения импульса и закон сохранения

 момента  импульса), их сущность, формулировка,

 математическое выражение и проявление в природе.

 Теорема  Нётер. Связь между свойствами  пространства 

 и времени и законами сохранения. Закон сохранения –

 следствия симметрии пространства и времени…………………………..стр. 3

 

2. Космология. Теоретическая основа и важнейший постулат

современной космологии. Понятие «Вселенная». Способ изучения

 Вселенной  – регистрация излучений. Какие  виды излучений

 используют  для изучения Вселенной? Как и чем они

 регистрируются? Новые открытия в этой области…………………….…стр. 7

 

3. «Парниковый эффект». Какие химические загрязнители

 являются  его причиной? Его последствия  и возможные

 пути решения  этой проблемы………………………………………….…..стр. 9

 

4. Используемая литература………………………………………...……..стр. 13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фундаментальные законы сохранения (закон сохранения энергии, закон сохранения импульса и закон сохранения момента импульса), их сущность, формулировка, математическое выражение и проявление в природе. Теорема Нётер. Связь между свойствами пространства и времени и законами сохранения. Закон сохранения -  следствия симметрии пространства и времени.

 

 

 

        Фундаментальные физические законы — это наиболее полное на сегодняшний день, но приближенное отражение объективных процессов в природе. Различные формы движения материи описываются различными фундаментальными теориями. Каждая из этих теорий описывает вполне определенные явления: механическое или тепловое движение, электромагнитные явления.

       Закон сохранения импульса - импульс замкнутой системы тел, равный геометрической сумме импульсов тел, остается постоянным при любых взаимодействиях тел внутри этой системы.

       Если кроме внутренних сил взаимодействия на систему тел будут действовать какие-то другие, внешние, силы, полный импульс системы будет изменяться, причем скорость его изменения будет равна сумме всех внешних сил, как того и требует второй закон Ньютона.

Закон сохранения импульса остается справедливым не только для  двух, но и для большего числа тел. Он позволяет решить многие проблемы, не входя в детали процесса. Интересным примером этого является реактивное движение. Ракета большой массы M с огромной скоростью V (относительно самой ракеты) извергает сравнительно небольшое количество газа m. Чтобы сохранить импульс, ракета начинает двигаться с небольшой скоростью v.       Используя закон сохранения импульса, можно подсчитать, что

По мере извержения газа скорость ракеты становится все больше и больше.

Реактивным движением объясняется  явление отдачи ружья при выстреле. Механизм действия ракетного двигателя  в точности сходен также с механизмом движения морских медуз и осьминогов, воздушного шарика, из которого вырывается воздух, и кончика шланга, из которого с большой скоростью вытекает вода.

 

       Закон сохранения момента импульса. 

     Для замкнутой системы тел момент внешних сил всегда равен нулю, так как внешние силы вообще не действуют на замкнутую систему.  
       Поэтому  , то есть

         или                 

Закон   сохранения  момента    импульса:  момент импульса  замкнутой системы тел относительно  любой  неподвижной   точки   не  изменяется с течением времени.  
       Это один из фундаментальных законов природы.  
       Аналогично   для   замкнутой  системы    тел,    вращающихся  вокруг оси z:

         отсюда                   или          .      

 Если   момент   внешних   сил относительно неподвижной оси вращения тождественно равен нулю, то   момент импульса относительно   этой оси не изменяется  в   процессе  движения.  
       Момент  импульса  и     для    незамкнутых    систем    постоянен,   если результирующий   момент  внешних сил, приложенных  к системе,  равен нулю.

 

      Закон сохранения энергии — фундаментальный закон природы, заключающийся в том, что для изолированной физической системы может быть введена скалярная физическая величина, являющаяся функцией параметров системы и называемая энергией, которая сохраняется с течением времени. Поскольку закон сохранения энергии относится не к конкретным величинам и явлениям, а отражает общую, применимую везде и всегда, закономерность, то его можно именовать не законом, а принципом сохранения энергии.

       Формулировка закона сохранения и превращения энергии:

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.

Форма записи в    виде    обобщенного  уравнения    состояния   замкнутой термодинамической системы:  
W = W_k + W_p + U , (1)  
где W – полная энергия системы;        

W_k − кинетическая энергия системы в целом; 

W_p − потенциальная энергия системы в целом;   

U – внутренняя энергия системы. 

 

Теоре́ма Эмми Нётер утверждает, что каждой непрерывной симметрии  физической системы соответствует некоторый закон сохранения. Так, закон сохранения энергии соответствует однородности времени, закон сохранения импульса  — однородности пространства,  закон сохранения момента импульса  —  изотропии пространства, закон сохранения электрического заряда  —  калибровочной симметрии и т. д.

Теорема обычно формулируется для  систем, обладающих  функционалом  действия, и выражает собой инвариантность лагранжиана по отношению к некоторой непрерывной группе преобразований.

Теорема установлена  в работах учёных  гёттингенской  школы  Д. Гильберта, Ф. Клейна и Э. Нётер. В наиболее распространенной формулировке была доказана Эмми Нётер в 1918 году.

Связь законов сохранения с симметрией пространства и времени

Законы сохранения энергии  и импульса, как и законы Ньютона, выполняются в любых инерциальных системах отсчета. Другими словами, эти законы удовлетворяют механическому принципу относительности. Хотя и механическая энергия, и импульс рассматриваемой системы материальных точек имеют разные значения в разных системах отсчета, их изменение во всех инерциальных системах отсчета описывается одними и теми же законами. В замкнутых механических системах при любых взаимодействиях частиц полный импульс системы сохраняется независимо от того, будут ли внутренние силы потенциальными или непотенциальными. При наличии внешних сил изменение полного импульса системы равно суммарному импульсу этих сил. В консервативных механических системах сохраняется полная механическая энергия. При наличии непотенциальных сил изменение энергии равно суммарной работе этих сил, как внешних, так и внутренних. Для «истинно механических», замкнутых систем, где нет так называемых диссипативных сил, подобных силам трения, полная энергия сохраняется. Когда на такую систему действуют внешние силы, изменение ее энергии равно работе этих внешних сил. Законы сохранения энергии и импульса тесно связаны с определенными свойствами симметрии пространства и времени. Хотя выше они были получены как следствие законов динамики Ньютона, в действительности они представляют собой более общие принципы, область их применения шире и не ограничивается ньютоновской динамикой.  

 

 

 

 

 

 

Космология. Теоретическая основа и важнейший  постулат современной космологии. Понятие  «Вселенная». Способ изучения Вселенной  – регистрация излучений. Какие виды излучений используют для изучения Вселенной? Как и чем они регистрируются? Новые открытия в этой области.

    

       Космология – астрофизическая теория структуры и динамики изменения Метагалактики, включающая в себя и определенное понимание свойств всей Вселенной. Космология – наука о Вселенной.

       Современная космология – это раздел астрономии, в котором объединены данные физики и математики, а также универсальные философские принципы, поэтому она представляет собой синтез научных и философских знаний. Такой синтез в космологии необходим, поскольку размышления о происхождении и устройстве Вселенной эмпирически трудно проверяемы и чаще всего существуют в виде теоретических гипотез или математических моделей. Космологические исследования обычно развиваются от теории к практике, от модели к эксперименту, и здесь исходные философские и общенаучные установки приобретают большое значение. По этой причине космологические модели существенно различаются между собой – в их основе зачастую лежат противоположные исходные философские принципы. В свою очередь, любые космологические выводы также влияют на общефилософские представления об устройстве Вселенной, т.е. изменяют фундаментальные представления человека о мире и самом себе.

       Важнейший постулат современной космологии заключается в том, что законы природы, установленные на основе изучения весьма ограниченной части Вселенной, могут быть экстраполированы на гораздо более широкие области, а, в конечном счете, и на всю Вселенную. Космологические теории различаются в зависимости от того, какие физические принципы и законы положены в их основу. Построенные на их базе модели должны допускать проверку для наблюдаемой области Вселенной, а выводы теории – подтверждаться наблюдениями или, во всяком случае, не противоречить им.

       Вселенная – весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Вселенная, изучаемая астрономией, – часть материального мира, которая доступна исследованию астрономическими средствами, соответствующими достигнутому уровню развития (эту часть Вселенной называют Метагалактикой).

      Основной метод исследования объектов мегамира - изучение их электромагнитного излучения. Это обусловлено тем, что контактное исследование неприменимо для раскаленных объектов (звезд). К тому же объекты, более удаленные от Земли, чем тела Солнечной системы, очевидно, останутся и в настоящем и в будущем недоступными  для контактного исследования. Космическое электромагнитное излучение регистрируется в очень большом интервале частот.

       Приборы для собирания и исследования космического электромагнитного излучения называются телескопами. В зависимости от диапазона регистрируемого космического излучения телескопы могут быть оптическими, радиотелескопами, рентгеновскими, g-телескопами и т.д.

       Астрономические исследования в принципе сводятся к наблюдению и регистрации различных излучений, приходящих из космоса, их анализу и извлечению соответствующей информации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

«Парниковый эффект». Какие химические загрязнители являются его причиной? Его последствия и возможные пути решения этой проблемы.

 

       Парниковый эффект – подъем температуры на поверхности планеты в результате тепловой энергии, которая появляется в атмосфере из-за нагревания газов. Основные газы, которые ведут к парниковому эффекту на Земле – это водяные пары и углекислый газ.

Явление парникового  эффекта позволяет поддерживать на поверхности Земли температуру, при которой возможно возникновение  и развитие жизни. Если бы парниковый эффект отсутствовал, средняя температура  поверхности земного шара была бы значительно ниже, чем она есть сейчас. Однако при повышении концентрации парниковых газов увеличивается непроницаемость атмосферы для инфракрасных лучей, что приводит к повышению температуры Земли.

      Парниковые газы – газообразные составляющие атмосферы природного, или антропогенного происхождения, которые поглощают и переизлучают инфракрасное излучение. Антропогенный рост концентрации в атмосфере парниковых газов приводит к повышению приземной температуры и изменению климата.

     Основные парниковые газы – водяной пар,  углекислый газ,  озон, метан, оксид   азота  и    хлорфторуглеводороды. 

      Диоксид карбона (углекислый газ) - важнейший источник климатических изменений. Основными источниками выброса углекислого газа в атмосферу являются производство, транспортировка, переработка и потребление ископаемого топлива, сведение тропических лесов и другое сжигание биомассы, производство цемента и окисление моноксида углерода.

     Метан - имеет как природное, так и антропогенное происхождение. В последнем случае он образуется в результате производства топлива, пищеварительной ферментации (например, у скота), рисоводства, сведения лесов (главным образом, вследствие горения биомассы и распада избыточной органической субстанции). Выбросы метана представляют собой значительной источник парниковых газов.

       Закись азота - выделяется при производстве и применении минеральных удобрений, в химической промышленности, в сельском хозяйстве и т.п.