Контрольная работа по "Концепциям современного естествознания"

Протопланетное облако содержало  газ “звездного” состава (водород  и гелий) и пыль из более тяжелых  элементов. Сжимающееся облако увеличивало  скорость вращения. Пылевой слой, будучи гравитационно неустойчивым, распался на множество сгустков, превратившихся в рой твердых тел. Сначала размеры этих тел были сравнительно невелики, а их орбиты были близки к круговым. По мере роста масс увеличивалось взаимное притяжение тел, возрастали их относительные скорости , орбиты становились эллиптическими.

Гравитационное взаимодействие было определяющим фактором в формировании будущих планет. Уменьшение числа  зародышей и появление сверх зародышей происходило до тех пор, пока возникающие крупные и массивные тела не оказались на таких расстояниях, где взаимное притяжение не могло уже существенно изменить их орбиты. Эти безопасные расстояния и стали залогом устойчивости будущей Солнечной системы.

Планеты земной группы сформировались сравнительно быстро (Земля за 100 млн. лет), планеты-гиганты росли дольше.

В начале 50-х гг. наука отказалась от представления о первичной  огненно-жидкой планете. Было развито  представление об изначально холодной Земле. Но теперь ученые говорят если не об огненно-жидкой, то об умеренно горячей планете. Крупные по массам и размерам тела, падая на относительно холодную Землю и глубоко врезаясь в нее, разогревали нашу планету. Такой разогрев оказался сильнее, чем это могло произойти за счет энергии других механических (гравитационное сжатие) и немеханических (радиоактивный распад) процессов. Земля частично плавилась, изменяла свою структуру, формировала ядро и оболочки.

В настоящее время, как известно, Земля имеет расплавленное ядро, состоящее в основном из железа и никеля. Вещества, содержащие более легкие элементы (кремний, магний и др.), постепенно всплывали, образуя мантию и кору Земли. Самые легкие элементы вошли в состав океана и первичной атмосферы.

Самые легкие и легче  всего испаряющиеся элементы - водород, углерод, азот и кислород - являются составными частями современной атмосферы и самой жизни. Внешние слои Земли содержали эти элементы не в свободном, а в связанном виде в составе других молекул. Под влиянием разогрева при соударениях вещество теряло летучие элементы, из которых образовалась первичная атмосфера. Некоторые молекулы разрушались в процессе фотодиссоциации под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца. В результате атмосфера включала   и небольшое количество водорода. Таким образом, атмосфера была слабо восстановительной.

Состав атмосферы менялся  в результате улетучивания атомов и  молекул водорода и выделения  газов из земной коры, разогретой за счет распада радиоактивных изотопов. Выделение летучих элементов, которое  в значительно ослабленной форме  происходит и теперь из вулканов, внесло в атмосферу большое количество водяного пара, углекислого газа, азота и окиси углерода. Таким образом, практически вся вода современных океанов выделилась из пород, слагающих ныне кору и верхнюю мантию Земли.

Под влиянием ультрафиолетового излучения молекулы воды, входящие в состав атмосферы, распадаются на атомы водорода и кислорода. Однако, пока молекулы водорода оставались в составе атмосферы, свободные атомы кислорода быстро вступали в реакцию с ними. Как только водород улетучился, в атмосфере образовался свободный кислород, а затем и озон, который образовал озоновый экран, преградивший путь жесткому ультрафиолетовому излучения к поверхности Земли.

 

4. Синергетика: основные понятия, положения и направления.

Синергетика —  наука о законах самоорганизации сложных развивающихся систем.

 Основоположники  ( Пригожин, Хакен , в россии Курдюмов)

Термин “синергетика” (греч. — содействие, сотрудничество) использовал Г.Хакен. Она изучает  любые самоорганизующиеся системы, состоящие из многих подсистем (электроны, атомы, молекулы, клетки, нейроны, органы, сложные многоклеточные организмы, люди, сообщества людей).

Стремится показать, как из хаоса возникают многообразные  формы сложноорганизованной физической реальности. Тем самым перебрасывается  как бы мостик между физикой и биологией.

Биологическая теория говорила о созидании в  процессе эволюции все более сложных  и упорядоченных живых систем, а термодинамика — о разрушении. Эти коллизии между физикой и  биологией требовали своего разрешения.

Современные концепции самоорганизации позволяют устранить традиционный парадигмальный разрыв между эволюционной биологией и физикой.

Синергетика призвана решить задачу, как из хаоса возникает  порядок. Ведь суть всякой организации  состоит в упорядоченности элементов  системы.

В процессе порождения хаосом упорядоченных организованных систем обязательно появятся качественные переходы, т.е. возникнут такие ситуации, когда непрерывность прерывается, а качественная определенность процесса преобразуется. В синергетике для  обозначения такого скачкообразного преобразования вводится название бифуркация. В процессе движения от хаоса к порядку, который представляет собой процесс преобразования качественной определенности, спонтанно возникает неопределенность, порождаемая бифуркациями.

Характер направленности самоорганизации связан с АТТРАКТОРОМ  —  некоторое определенное состояние , к которому стремится эволюция системы.

 

Аттрактор обоснован  законами природы. Он неидеален. Аттракторов  множество. Можно говорить только о  вероятности определенного аттрактора.

Исходя из реального  состоянии системы в данный момент времени мы можем определить основной аттрактор, в большинстве случаев  мы не можем точно определить какой  из аттракторов будет реализован.

Каждый прогноз  носит вероятностный характер.

Проблему неопределенности синергетика поставила на иную основу. Появился «странный аттрактор». Он описывает поведение системы, в  каком-то смысле аналогичное поведению  живых организмов.

Странный аттрактор  позволил сделать вывод, что система  способна к непредсказуемому изменению.

Флуктуация  — случайное отклонение физических величин от их средних значений.

Синергетика перебросила  двойной мостик от мира неорганического  к живым системам:

она выявила  аналогию структур функционирования физико-химических и биологических систем

показала необходимость  эволюции неорганических систем в направлении  к органическим.

Благодаря математической форме используемых моделей синергетика  открыла новые перспективы использования  знания, полученного при исследовании физико-химических систем, для изучения органических и социальных систем.

Понятие хаоса  играло немаловажную роль на протяжении всей истории развития человеческой мысли. С хаосом связывались представления о гибельном беспорядке, о неразличимой пучине, зияющей бездне. Собственно, такое представление является наиболее распространенным и в обыденной жизни. Тем не менее, идея первичного хаоса, из которого потом все родилось, также достаточно распространена в древних мифах, в восточной философии, в учениях древних греков. Начиная с 70-х годов нашего века бурно развивается направление, называемое «синергетикой», в фокусе внимания которого оказываются сложные системы с самоорганизующимися процессами, системы, в которых эволюция протекает от хаоса к порядку, от симметрии ко все возрастающей сложности.

Синергетика в  переводе с греческого языка означает «содружество, коллективное поведение». Термин этот впервые был введен Хакеном. Как новационное направление в науке, синергетика возникла, в первую очередь, благодаря выдающимся достижениям И. Пригожина в области неравновесной термодинамики. Им было показано, что в неравновесных открытых системах возможны эффекты, приводящие не к возрастанию энтропии и стремлению термодинамических систем к состоянию равновесного хаоса, а к «самопроизвольному» возникновению упорядоченных структур, к рождению порядка из хаоса.

Процессы, протекающие в различных явлениях природы, следует разделять на два класса. К первому классу относятся процессы, протекающие в замкнутых системах. Они развиваются в направлении возрастания энтропии и приводят к установлению равновесного состояния в системах. Ко второму классу относятся процессы, протекающие в открытых системах. В соответствующие моменты — моменты неустойчивости — в них могут возникать малые возмущения, флуктуации, способные разрастаться в макроструктуры. Таким образом, хаос и случайности в нем могут выступать в качестве активного начала, приводящего к развитию новых самоорганизаций. Таким образом, флуктуационная гипотеза Больцмана на современном витке развития науки получает в некотором смысле «оправдание» и «право на жизнь». Одним из важнейших результатов, полученных Пригожиным, его школой и последователями, является новый подход к анализу сложных явлений. Во-первых, самоорганизация в сложных системах свидетельствует о невозможности установления жесткого контроля за системой. То есть самоорганизующейся системе нельзя навязать путь развития. Управление такой системой может рассматриваться лишь как способствование собственным тенденциям развития системы, с учетом присущих ей элементов саморегуляции. Во-вторых, для самоорганизующихся систем существует несколько различных путей развития. В равновесном или слаборавновесном состоянии в системе существует только одно стационарное состояние, которое зависит от некоторых управляющих параметров. Изменение этих управляющих параметров будет уводить систему из равновесного состояния. В конце концов, вдали от равновесия система достигает некоторой критической точки, называемой точкой бифуркации. Начиная с этого момента на дальнейший ход эволюции системы могут оказывать воздействия даже ничтожно малые флуктуации, которые в равновесом состоянии системы попросту неразличимы. Поэтому невозможно точно предсказать, какой путь эволюции выберет система за порогом бифуркации. Следует отметить высокий темп идей и открытий при описании синергетических явлений во всех отраслях науки. Важное значение синергетики состоит в том, что она указывает границы применимости  начала термодинамики и, более того, делает его элементом более широкой теории необратимых процессов, в которой предполагается естественное описание с единой точки зрения обоих классов явлений природы.

Объект изучения синергетики, независимо от его природы, должен удовлетворять следующим  требованиям:

1.        система должна быть открытой, т. е. обмениваться веществом и энергией с окружающей средой;

2.        система должна быть достаточно  далеко от точки термодинамического  равновесия, т. е. в состоянии,  близком к потере устойчивости;

3.        обладать достаточным количеством  элементов, взаимодействующих между собой;

4.        иметь положительную обратную  связь, при котором изменения,  появляющиеся в системе, не  устраняются, а накапливаются  и усиливаются, что приводит  к возникновению нового порядка  и структуры;

5.        сопровождаться нарушением симметрии, т. к. изменения приводят к разрушению старых и образованию новых структур;

6.        скачкообразно выходить из критического  состояния при переходе на  более высокий уровень упорядоченности.  Скачок- это крайне нелинейный  процесс, при котором малые изменения параметров системы вызывают очень сильные изменения ее состояния и переход в новое качество.

 

 

 

 

Расчетная часть

 

Задание 1.  Масса покоя частицы равна m₀ кг. Частица движется с ускорением. В Различные моменты времени частица имела скорости соответственно v1, v2 , v3 , v4 , v5 , v6 , v7, v8 , v9 , v10 .   Определите массу m частицы относительно неподвижной системы отсчета при каждой из приведенных скоростей. Постройте график зависимости массы от скорости движения частицы. Опишите его.

№ вар.	mo	v1	v2	v3	v4	v5
1	1,89×10 -28	0	20000	50000	80000	100000

Решение:                         

 

где   — масса покоя тела,   — скорость его движения, с – скорость света, равная 3×10⁸ м/с.

1. При V=0, то

M=1.89*10^-28

2. При V=20000, то

M=1.89*10^-28/sqrt(1-(20000²/3*10⁸))=1.890000004*10^-28

3. При V=50000, то

M=1.89*10^-28/sqrt(1-(500002/3*10⁸))=1.89000003*10^-28

4. При V=80000, то

M=1.89*10^-28/sqrt(1-(800002/3*10⁸))=1.89000007*10^-28

5. При V=100000, то

M=1.89*10^-28/sqrt(1-(1000002/3*10⁸))=1.8900001*10^-28

 

 

Ответ: 

 

m1	m2	m3	m4	m5
1,89∙10-28	1,890000004∙10-28	1,89000003∙10-28	1,89000007∙10-28	1.8900001∙10-28

Рис. 1. Динамика изменения массы тела

Из графика  видно, что при увеличении скорости движения частицы её масса относительно неподвижной системы отсчета также увеличивается.

 

Задание 2. Космический корабль отправляется к далекой звезде со скоростью v км/с и достигает ее окрестностей через t лет по часам корабля. Сколько лет пройдет на Земле?

№	1
t	40
v	4×104

Решение:

Темп хода движущихся часов.

Пусть в точке  х₀` движущейся системы координат k` происходит последовательно два события в моменты t₁ и t₂. В неподвижной системе координат k эти события происходят в разных точках в моменты t₁ и t₂. Интервал времени между этими событиями в движущейся системе координат равен ∆ t` = t<sub>2</sub>` - t₁`, а в покоящейся ∆ t = t₂ - t₁.

На основании  преобразования Лоренца получим:

Ответ: ∆t = 40.003 лет.

 

Задание 3. Яркость источника обратно пропорциональна расстоянию до него. Сколько лет надо лететь со скоростью 50 км/с до звезды Х, чтобы она стала ярче в n раз? Сколько лет идет свет от звезды до Земли?

№ вар	Звезда	Расстояние, парсеки (пк)	Увеличение  яркости, n раз
1	Сириус	2,67	2

Решение: Для  решения этой задачи переведем расстояние от Земли до Сириуса в систему СИ, учитывая, что 1 пк = 3,0857∙10¹⁶ м.