Шпаргалко по "Концепциям современного естествознания"

Материальной  точкой называют модель тела, размерами  которого можно пренебречь по сравнению  с пространственными параметрами  движения, в котором данное тело участвует.

Законы Ньютона, мы знаем  это, являются обобщением результатов  экспериментальных исследований. Именно сочетание экспериментального исследования механических процессов и их математического описания на основе корпускулярной модели привело к появлению первой полноценной научной теории, теории механических процессов — ньютоновской механики, которая, как мы уже знаем, определила целую эпоху в развитии естествознания

 

10) Закономерности  динамического типа.

В ньютоновской механике физическая реальность характеризуется понятиями: пространства, времени, материальной точки, а все физические события сводятся к движению материальных точек в пространстве в соответствии с законами Ньютона.

универсальные величины, которые используют для описания поведения любого тела, моделируемого материальной точкой:

1. Положение материальной точки характеризуется тремя скалярными координатами (х, у, z) или радиусом — вектором r (cм. рис. 3).
2. Интенсивность и направление движения задается вектором скорости (cм. рис. 4).
3. Изменение скорости задается вектором ускорения .
4. Контролируемое воздействие задается вектором силы (cм. рис. 5).
5. Инерционные свойства материальной точки характеризуются мерой инертности тела — его массой m.

 

Законы Ньютона (законы механики) позволяют по известному состоянию механической системы  в один из моментов времени и известным  взаимодействиям (силам) однозначно определить ее состояние в любой другой момент времени.

Все закономерности, которые, подобно законам механики, позволяют по известным взаимодействиям  и начальным состояниям однозначно предвычислять будущие состояния системы, именуют закономерностями динамического типа (

Стремление тела сохранить  состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью или инерцией. Поэтому первый закон Ньютона называют законом инерции

Второй закон  Ньютона: Ускорение, приобретаемое материальной точкой (объектом), пропорционально вызывающей его силе и обратно пропорционально массе материальной точки (объекта): a = F/m, где m — масса материальной точки, F — сила, вызывающая ускорение.

Третий закон  Ньютона: Всякое действие материальных точек (объектов) носит характер взаимодействия, силы, с которыми действуют друг на друга материальные точки, всегда равны по модулю, противоположно направлены и действуют вдоль прямой, соединяющей  эти точки: F₁₂ = –F₂₁, где F₁₂ — сила, действующая на первую материальную точку со стороны второй, F₂₁ — сила, действующая на вторую материальную точку со стороны первой.

 

 

11  ) Классический детерминизм

Из такой однозначности  состояния системы вытекает представление  о жесткой предопределенности (детерминированности) множества событий в мире.

 Долгое время считали, что если было бы возможно уточнить все взаимодействия всех элементов сколь угодно сложной системы, собрать и использовать всю информацию об их начальных состояниях, то было бы можно рассчитать состояние этой системы в будущем и тем самым исключить случайность в описании ее поведения. Такое представление, впервые четко сформулированное Пьером Симоном Лапласом (1749–1827), французским физиком, астрономом, математиком получило название классического лапласовского детерминизма (механистического детерминизма

Лапласовский детерминизм выражает уверенность в том, что все происходящее имеет причину в человеческом понятии и есть познанная и еще непознанная разумом необходимость. Суть лапласовского детерминизма можно понять из высказываний Лапласа: «Современные события имеют с событиями предшествующими связь, основанную на очевидном принципе, что никакой предмет не может начать быть без причины, которая его произвела… Воля, сколь угодно свободная, не может без определенного мотива породить действия, даже такие, которые считаются нейтральными… Мы должны рассматривать современное состояние Вселенной как результат ее предшествующего состояния и причину последующего. Разум, который для какого-нибудь данного момента знал бы все силы, действующие в природе, и относительное расположение ее составных частей, если бы он, кроме того, был достаточно обширен, чтобы подвергнуть эти данные анализу, обнял бы в единой формуле движения самых огромных тел во Вселенной и самого легкого атома, для него не было бы ничего неясного, и будущее, как и прошлое, было бы у него перед глазами…Кривая, описываемая молекулой воздуха или пара, управляется столь же строго и определенно, как и планетные орбиты: между ними лишь та разница, что налагается нашим неведением»

 

 

12) Континуальная концепция (КОНЦЕПЦИЯ НЕПРЕРЫВНОСТИ МАТЕРИИ)

С развитием физики выяснилось, что вместить модели всех известных  явлений в рамки корпускулярной концепции невозможно. Поэтому в  середине XIX века получила новое развитие континуальная концепция. Впрочем, она никогда не забывалась и всегда сосуществовала наряду с корпускулярной концепцией (см. раздел «Естествознание  в эпоху античности (VI в. до н. э – V н.э.)»). В эпоху Возрождения выдающимся продолжателем континуальной традиции в естествознании был Декарт (XVII век).

Новое возрождение  континуальной концепции не было связано с отрицанием корпускулярных взглядов на вещество, но дополнило  их и расширило общие представления  о формах материи (11).

Модель  сплошной среды и модель поля (11). Модель сплошной среды — одна из базовых моделей в рамках континуальной концепции. Она может рассматриваться как предельный случай системы взаимодействующих частиц. Эту модель применяют при описании процессов коллективного движения частиц — потоков жидкости, газов и т. Д

Совокупность  значений физической величины (температуры, давления, скорости и т. д.), характеризующей  сплошную среду в каждой ее точке, называют полем этой величины (поле температур, поле давлений, поле скоростей  и т. д.).

Волны в сплошной среде

относится волновое движение — периодическое изменение картины поля от точки к точке с течением времени. Волновое движение коротко называют волной. Это специфический вид движения, связанный с континуумом. Характеристики этого движения не локализованы как у отдельной частицы, а непрерывно распределены в пространстве/// колебание — т. е. процесс, который повторяется во времени (периодический процесс).

Гармонические колебания — простейший вариант периодического процесса, когда изменение физической величины в зависимости от времени происходит по закону синуса или косинуса.

исследованиях.

Волновые  явления

Важнейшие явления, происходящие с участием волн:

1. Дифракция — это явление огибания волнами препятствий. Эффект становится заметным, когда размер препятствия меньше длины волны или сравним с ней. Если же размер препятствия намного превышает длину волны, то дифракция проявляется слабо. Дифракция широко используется в прикладной оптике. В микроскопии дифракция является фактором, устанавливающим принципиальный предел увеличения. Например, размер объекта, который можно наблюдать в оптическом микроскопе, ограничен средней длиной световой волны (около 0,5 мкм).

2. Интерференция — явление взаимного усиления или ослабления когерентных волн при их наложении. Когерентными называют волны с одинаковой длиной волны и неизменной разностью фаз в точке их наложения.

 

Наглядным примером этого  эффекта может служить интерференция  световых волн в тонких пленках —  возникновение радужной окраски  в тонких пленках масел, бензина  и т. д., образующихся на поверхности  воды. Примером новейшего использования  интерференции и дифракции является голография — метод записи и воспроизведения объемных изображений, основанный на фотографировании интерференционной картины, получаемой при освещении объекта и фотопластины когерентными лучами.

3. Эффект Доплера заключается в изменении длины волны излучения, воспринимаемого приемником от источника при их движении друг относительно друга. При удалении приемника от излучателя воспринимаемая им длина волны увеличивается, а при сближении — уменьшается по сравнению со случаем их взаимной неподвижности. Эффект лежит в основе измерения скорости движения различных объектов и широко используется в авиации, в космической технике, в астрофизике. Обнаружение доплеровского «красного смещения» в спектрах излучения далеких галактик привело к выводу о расширении Вселенной.

13) Порядок и беспорядок в природе. Хаос

Упорядоченность материальных объектов в естествознании называют организацией материи.

Полнейший беспорядок(хаос)-промежуточ.степень упорядоченности- идеальный порядок(абсолют)

Структура — стабильная во времени неравномерность распределения материи в пространстве

Система — это совокупность взаимосвязанных частей, выделенных из окружающей среды и выступающих по отношению к ней как целое.

Иерархия — части или элементы целого располагаются в порядке от низшего к высшему элементу. Физическая картина мира охватывает все уровни организации вещества.

. Кружки с вопросами  в местах ответвлений показывают  своеобразные «точки бифуркации»  (от лат. — «раздвоение») в эволюции материи, где осуществлялся скачок развития с переходом на качественно более высокий уровень организации. Механизмы таких скачков (происхождение жизни и происхождение разума) наукой еще не познаны и относятся к основным проблемам современного естествознания.

 

 Уровни структурной организации  материи

Впервые с хаосом мы сталкиваемся в неживой природе на примере броуновского движения — беспорядочного движения твердых частиц, находящихся в жидкости (визуально наблюдаемого и научно обоснованного). Это очевидное доказательство теплового движения молекул. Броуновское движение — это хаотическое движение.

 

Наука о «хаосе» начала формироваться с середины 60-х  годов XX века (3). Выяснилось, что хаос — не отсутствие структуры, а тоже структура, но определенного типа.

14) Случайные процессы в живой и неживой природе.

Иногда достаточно четкая структурная организация материи  нарушается, т. е. в природе существуют случайные процессы, нарушающие порядок  на мега-, макро- и микроуровне.

Поясним на примерах живой  природы, где тоже существуют процессы случайного свойства, например кроссинговер. Как известно, хромосомы образуют пары. Гены, представляющие собой фрагменты длинной цепи ДНК, следовательно, тоже образуют пары (каждая пара хромосом в клетках любого организма составлена хромосомами, ведущими начало от обоих родителей). В процессе мейоза каждая пара разделяется, и ее части обязательно попадают в сперматозоид или яйцеклетку, а затем передаются потомству. Зная этот механизм передачи наследственной информации, можно предсказывать, как гены родителей проявят себя в потомстве. Но существует процесс, нарушающий строгую закономерную передачу наследственных признаков. Дело в том, что в начале мейоза хроматиды, плотно прилегающие на этой стадии друг к другу, могут обмениваться кусочками ДНК. Это явление и называется кроссинговером (от англ. crossing-over — «перекрест»). Эволюционное преимущество таких перестановок в том, что комбинации признаков, полученных потомками от родителей, могут оказываться гораздо богаче. А значит, у потомства больше шансов приспособиться к меняющимся условиям жизни.

Другой пример — мутации. Генетическая информация в генах записывается с помощью четырех «букв» — четырех химических соединений, которые называются нуклеиновыми основаниями и обозначаются русскими буквами А, Г, Т, Ц (по первым буквам их названий: аденин, гуанин, тимин и цитозин). Мутации случайны и ненаправлены — мутировать может любой ген, вызывая изменеия как незначительных, так и жизненно важных признаков, мутации могут возникать повторно.

Мутации известны у всех организмов, в том числе и у людей, чаще всего они возникают под воздействием вредных факторов внешней среды:

 

15) Три уровня строения материи: микромир, макромир и мегамир.

В естественных науках выделяются два больших класса материальных систем: системы неживой природы  и системы живой природы.

В неживой  природе в качестве структурных уровней организации материи выделяют физический вакуум, элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, макроскопические тела, планеты и планетные системы, звезды и звездные системы — галактики, системы галактик — метагалактику.

В живой  природе к структурным уровням организации материи относят системы доклеточного уровня — нуклеиновые кислоты и белки, клетки как особый уровень биологической организации, представленные в форме одноклеточных организмов и элементарных единиц живого вещества, многоклеточные организмы растительного и животного мира, надорганизменные структуры, включающие виды, популяции и биоценозы и, наконец, биосферу как всю массу живого.

В природе все взаимосвязано, поэтому можно выделить такие  системы, которые включают элементы как живой, так и неживой природы  — биогеоценозы.

В науке выделяют три уровня строения материи:

1. Макромир — мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время — в секундах, минутах, часах, годах.

 Изучение материальных  объектов макросистем основано  на законах и теориях классической  механики Ньютона, термодинамики  и статической физики, классической  электродинамики Максвелла.

2. Микромир — мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10^-8 до 10^-6 см, а время жизни — от бесконечности до 10^-21сек.

При объяснении процессов  в микромире используются принципы и теории квантовой механики, квантовой  статистики и т. п

3. Мегамир — мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов — миллионами и миллиардами лет.