ФЭПО-КСЕ-4

4

Тема: Динамические и статистические закономерности в природе

Сравнительная роль динамических и статистических теорий выражается утверждением, что в современном естествознании …

˅ наиболее фундаментальными признаются статистические теории, поскольку они отражают реально существующую в нашем мире случайность и непредсказуемость

наиболее фундаментальными признаются динамические теории в силу их строгости и однозначности

статистические и динамические теории признаются в равной степени фундаментальными

ни статистические, ни динамические теории фундаментальными не признаются

Решение:

В настоящее время считается, что более фундаментальными являются статистические теории, они точнее и глубже отражают природу, поскольку позволяют адекватно описывать и учитывать внутренне присущую природным процессам случайность и неопределенность.

Тема: Динамические и статистические закономерности в природе

К числу статистических теорий относится та, которая устанавливает связь между …

˅ водительским стажем клиента страховой компании и вероятностью его попадания в серьезную аварию в течение следующего года

высотой дома и мощностью насосов, необходимой для бесперебойного водоснабжения его жильцов

силой, действующей на тело со стороны других тел, и ускорением, которое приобретает это тело

расстоянием от планеты до Солнца и периодом обращения этой планеты вокруг Солнца

Решение:

Статистические теории позволяют вычислить лишь вероятность того, что та или иная физическая величина, характеризующая систему, примет заданное значение. Зная эти вероятности, можно рассчитать среднее или наиболее вероятное значение физической величины, характерный размах ее отклонений от среднего значения (флуктуаций) и так далее. Статистические теории опираются на математический аппарат теории вероятностей.

Тема: Динамические и статистические закономерности в природе

К числу динамических теорий относится та, которая устанавливает связь между …

˅ температурой и давлением газа при заданном объеме

температурой и наиболее вероятной скоростью движения молекул газа

избыточным весом человека и средней продолжительностью его жизни

результатами функциональных тестов спортсмена и его шансами выиграть соревнование

Решение:

Динамические теории устанавливают взаимосвязи между значениями физических величин, характеризующих материальный объект. Статистические же теории позволяют вычислить лишь вероятность того, что та или иная физическая величина, характеризующая систему, примет заданное значение.

Тема: Динамические и статистические закономерности в природе

К числу динамических научных теорий принадлежит …

˅ классическая механика

квантовая механика

эволюционная теория Дарвина

молекулярно-кинетическая теория газов

Решение:

Все квантовые теории – статистические, поскольку предсказывают лишь вероятность получить при измерении то или иное значение наблюдаемых физических величин. Дарвиновский механизм эволюции одной из трех необходимых составляющих имеет неопределенную (то есть случайную, непредсказуемую) изменчивость, и потому дарвинизм в принципе не предсказывает конкретного (и единственного) пути будущей эволюции. Молекулярно-кинетическая теория с момента своего создания Дж. Максвеллом ставила задачей не предсказание положения и скорости отдельной молекулы, а расчет вероятности того, что молекула имеет то или иное значение скорости и координаты.

Тема: Динамические и статистические закономерности в природе

К числу статистических научных теорий принадлежит …

˅ молекулярно-кинетическая теория газов

классическая механика

термодинамика

классическая электродинамика

Решение:

Молекулярно-кинетическая теория с момента своего создания Дж. Максвеллом ставила задачей не предсказание положения и скорости отдельной молекулы, а расчет вероятности того, что молекула имеет то или иное значение скорости и координаты. Классические же механика, термодинамика и электродинамика видели своей задачей точный однозначный расчет и предсказание значений самих физических величин (координат и импульсов в механике, температуры, давления и объема в термодинамике, напряженности электрического и индукции магнитного полей в электродинамике).

Тема: Динамические и статистические закономерности в природе

В молекулярно-кинетической теории состояние системы задается …

˅ вероятностью того, что наугад выбранная молекула имеет заданную скорость

координатами и скоростями всех молекул в данной системе

температурой, давлением и объемом системы

электрическим напряжением и силой тока в системе

Решение:

Динамические теории устанавливают взаимосвязи между значениями физических величин, характеризующих материальный объект. Статистические же теории позволяют вычислить лишь вероятность того, что та или иная физическая величина, характеризующая систему, примет заданное значение. Единственный вариант ответа, содержащий указание на вероятность, будет правильным.

Тема: Динамические и статистические закономерности в природе

Согласно концепции механического детерминизма, …

˅ любое будущее событие можно точно предсказать, зная современное состояние Вселенной и используя законы механики

все происходящее в мире сводится к движению тел и частиц по своим траекториям в соответствии с законами механики

беспричинных событий не бывает; у каждого события есть материальная причина

поведение любого человека полностью определяется его биологическими потребностями в пище, отдыхе и размножении

Решение:

В истории естествознания важную роль сыграло блестяще сформулированное П.С. Лапласом жесткое понимание детерминизма, согласно которому каждая причина влечет за собой единственно возможное следствие. Своего расцвета жесткий детерминизм достиг в механической научной картине мира, согласно которой считалось, что все причинно-следственные связи в мире описываются законами механики, позволяющими по заданному начальному состоянию любой материальной точки точно и однозначно рассчитать ее будущую (или предыдущую) траекторию на сколь угодно продолжительный промежуток времени. Препятствием к этому считалась лишь ограниченность человеческих возможностей по сбору исходной информации и проведению расчетов.

Тема: Динамические и статистические закономерности в природе

Частью механической научной картины мира была концепция механического детерминизма, согласно которой любое будущее событие можно точно предсказать с помощью законов механики, если точно знать начальное состояние всех тел и частиц в мире. В современной научной картине мира она отвергнута, поскольку …

˅ оказалось, что точно установить механическое состояние даже одной частицы физически невозможно

тел и частиц в мире слишком много, чтобы можно было провести для них все необходимые расчеты

классическая механика, обосновавшая механический детерминизм, оказалась полностью ошибочной теорией

она противоречит этическим представлениям о свободе воли человека

Решение:

Механический детерминизм опирался на математическую теорему, гласящую, что если точно известны координаты и скорость материальной точки для какого-нибудь момента времени, то уравнения механики имеют одно и только одно решение, описывающее единственно возможную траекторию будущего движения точки. Но в XX веке в квантовой механике выяснилось, что одновременное и точное измерение координат и скорости материального объекта невозможно в принципе. Таким образом, основное предположение, на котором покоилась концепция механического детерминизма, в реальности оказалось невыполнимым.

Тема: Динамические и статистические закономерности в природе

На рисунках изображены траектории движения различных систем: с беспорядком, с динамическим хаосом и вполне детерминированных. Траектория системы с динамическим хаосом показана на рисунке …

Решение:

Динамический хаос – не беспорядок. Если бы мы знали точно начальное состояние системы с динамическим хаосом, то смогли бы точно рассчитать, в каком состоянии она окажется спустя заданный период времени. С другой стороны, система с динамическим хаосом отличается от обычной детерминированной динамической системы вроде камня, брошенного под углом к горизонту, тем, что присущий ей порядок оказывается очень тонким и очень хрупким: стоит ошибиться в определении начального состояния на ничтожно малую величину, и вот ты уже попал на другую траекторию, которая спустя некоторое время уведет тебя в совершенно другое состояние. Таким образом, траектории системы с динамическим хаосом должны быть не слишком беспорядочными, но и не слишком простыми и гладкими.

Тема: Динамические и статистические закономерности в природе

«Эффект бабочки», то есть кардинальное изменение системы под влиянием ничтожно слабого воздействия, существен для …

˅ долгосрочных прогнозов погоды

краткосрочных прогнозов погоды

расписания учебных занятий

расчетов прочности автомобиля

Решение:

Эффект бабочки – поэтическое обозначение динамического хаоса. Расписанию занятий и прочности автомобиля он не свойствен, это достаточно грубые системы. Расписание не рухнет полностью, даже если одновременно заболеют несколько преподавателей, и автомобиль наверняка не развалится не только под весом бабочки, но и под весом кирпича. А вот погоде динамический хаос свойствен, и проявляется он в том, что ошибки в определении начальных параметров атмосферы (за счет, например, погрешности приборов на метеостанциях) быстро нарастают. Правда, некоторое, небольшое, время они остаются в рамках разумного, и потому краткосрочным прогнозам погоды все-таки можно верить. А вот долгосрочный прогноз действительно может полностью переиначить взмах крыла бабочки в центре зарождающегося циклона.

Тема: Концепции квантовой механики

Квантовая механика дает …

˅ вероятностное описание для всех материальных объектов

вероятностное описание для объектов микромира и детерминистское описание для объектов макромира

детерминистское описание для объектов микромира и вероятностное описание для объектов макромира

детерминистское описание для всех материальных объектов

Решение:

Квантовомеханическое описание – вероятностное по своей сути для всех объектов. Как и для любой статистической теории, для квантовой механики возможны ситуации, когда случайные отклонения от среднего (флуктуации) оказываются несущественными. В таких ситуациях оказывается возможным делать однозначные, детерминистские предсказания. Чаще всего такие ситуации реализуются для макроскопических объектов. Однако и для объектов макромира (и даже мегамира) возможны ситуации, когда квантовая механика не позволяет дать однозначных детерминистских предсказаний, например «кошка Шредингера» или квантовые флуктуации, приведшие к рождению и первичной инфляции нашей Вселенной.

Тема: Концепции квантовой механики

Квантовая механика дает статистическое, вероятностное описание природы, поскольку …

˅ случайность и неопределенность объективно присущи природе

это упрощает громоздкие вычисления

она не может учесть влияния скрытых параметров, определяющих поведение частиц

она является внутренне противоречивой теорией

Решение:

А. Эйнштейн, один из отцов-основателей квантовой механики, так и не принял ее, поскольку не мог согласиться с вероятностным характером предсказаний квантовой механики. До конца жизни он пытался построить теорию «скрытых параметров», которые, по его мысли, надо учесть, чтобы сделать выводы квантовой механики точными и однозначными, как у механики классической. Уже после смерти А. Эйнштейна выяснилось, что само предположение о существовании таких параметров влечет за собой проверяемые следствия. Проверка показала, что никаких «скрытых параметров» существовать не может. Следовательно, квантовая механика описывает мир статистически не потому, что она ошибочна или неполна, а потому, что так устроен мир.

Тема: Концепции квантовой механики

Согласно концепции корпускулярно-волнового дуализма, любой материальный объект …

˅ обладает свойствами как волны, так и частицы, но в каждом эксперименте проявляет либо первые, либо вторые

обладает свойствами как волны, так и частицы, причем может проявлять и те, и другие свойства в одном и том же эксперименте

является либо волной, либо частицей (коллективом частиц), причем превращение из волны в частицу или наоборот невозможно

может свободно превращаться из волны в частицу (коллектив или поток частиц) и обратно

Решение:

В начале XX века было установлено, что многие объекты микромира в одних экспериментах ведут себя подобно частице (материальной точке), движущейся по определенной траектории, а в других – подобно волне, занимающей протяженную область. Обобщением этой наблюдаемой двойственности (дуализма) свойств микрообъектов стала концепция корпускулярно-волнового дуализма, согласно которой вообще любой материальный объект обладает и свойствами частицы (группы частиц), и свойствами волны; а какие из них он проявит, зависит от ситуации, в которую он поставлен. Волновые и корпускулярные свойства объекта не могут проявляться одновременно, в одном и том же эксперименте.

Тема: Концепции квантовой механики

Предположение о наличии у света квантовых (корпускулярных) свойств оказалось необходимым для объяснения экспериментально установленных законов …

˅ фотоэффекта

интерференции света

дифракции света

отражения и преломления света

Решение:

Интерференция и дифракция – сугубо волновые явления. Законы отражения и преломления света в рамках волновой теории объяснил еще Гюйгенс, современник Ньютона. И только законы фотоэффекта, сформулированные в конце XIX века А. Г. Столетовым, не укладывались в рамки волновых представлений. Объяснил эти законы в 1905 г. А. Эйнштейн, предположив, что свет может поглощаться только дискретными порциями, квантами.

Тема: Концепции квантовой механики

Красный свет не засвечивает фотопленку и фотобумагу потому, что …

˅ энергия его фотонов мала по сравнению с энергией фотонов синего или зеленого света, и ее не хватает, чтобы инициировать фотохимическую реакцию

энергия его фотонов велика по сравнению с энергией фотонов синего или зеленого света, и фоточувствительный центр в эмульсии не способен ее поглотить

длина его волны велика по сравнению с длиной волны синего или зеленого света, и вследствие этого его нельзя рассматривать как поток частиц-фотонов

длина его волны мала по сравнению с длиной волны синего или зеленого света, и вследствие этого он полностью отражается от поверхности фоточувствительного материала

Решение:

Красный свет обладает наибольшей длиной волны во всем видимом диапазоне электромагнитного излучения. Соответственно, согласно формуле Планка

энергия его фотонов минимальна. Поэтому объяснения, апеллирующие к большой энергии фотона и малой длине волны красного цвета, отпадают. Из оставшихся двух следует отбросить то, которое утверждает, что длинноволновый свет в принципе не способен проявить корпускулярную сторону своей природы. В действительности корпускулярно-волновой дуализм – всеобщее свойство материи, в том числе и длинноволнового электромагнитного излучения.

Тема: Концепции квантовой механики

Опыт, схема и результат которого изображены на рисунке, позволяет продемонстрировать …

˅ дифракцию электронов

интерференцию электронных пучков

фотоэффект (выбивание электронов светом из металла)

возникновение наведенной радиоактивности

Решение:

Свет в данном опыте не используется, изображение на фотопластинке формируется падающими на нее электронами. Следовательно, фотоэффект здесь ни при чем. Интерференция электронных пучков тоже отпадает, поскольку пучок тут только один. Остается дифракция и наведенная радиоактивность.

По определению, дифракция – это явления отклонения волны от прямолинейного распространения вследствие взаимодействия с препятствием. На фотопластинке именно это и изображено. Помимо центрального светлого пятна, образованного электронами, прошедшими фольгу напрямую, не отклонившись от первоначальной траектории, видно еще несколько светлых колец, которые, очевидно, объясняются электронами, отклонившимися от первоначального направления распространения на определенный угол, то есть испытавшими дифракцию. Препятствием в данном случае служат атомы в фольге: расстояния между ними в подобных опытах соизмеримы с длиной волны электронов в пучке, что создает наилучшие условия для возникновения четкой дифракционной картины.

Тема: Концепции квантовой механики

Согласно соотношению неопределенностей В. Гейзенберга, …

˅ невозможно точно и одновременно измерить и координату, и импульс материального объекта

невозможно точно и одновременно измерить и энергию, и импульс материального объекта

принципиально невозможно провести точное измерение координаты материального объекта

принципиально невозможно провести точное измерение импульса материального объекта

Решение:

Соотношение неопределенностей В. Гейзенберга гласит, что произведение погрешностей одновременного измерения координаты и импульса материального объекта не может быть меньше некоторой конечной величины порядка постоянной Планка.

Тема: Концепции квантовой механики

С точки зрения квантовой механики, точное измерение импульса электрона, находящегося в заданном атоме, …

˅ невозможно, поскольку соотношение неопределенностей Гейзенберга запрещает точное знание импульса объекта, если его координата известна хоть с какой-то точностью

невозможно, поскольку при образовании атома электрон входит в состав атомного ядра и становится недоступным наблюдению как отдельная частица

вполне возможно, поскольку знание местоположения объекта, хотя бы примерного, позволяет обнаружить объект и измерить все его свойства

вполне возможно, поскольку принцип дополнительности Нильса Бора требует для полного описания свойств объекта знания его взаимодополняющих характеристик

Решение: Если электрон находится в атоме, его координата известна с погрешностью не хуже поперечника атома:  Тогда, согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга, соответствующая компонента импульса может быть определена с погрешностью не менее  Для электрона (масса ) это означает невозможность сделать погрешность определения его скорости меньше

Тема: Концепции квантовой механики

Значение соотношения неопределенностей Гейзенберга состоит в том, что оно показывает …

˅ невозможность избежать неконтролируемого воздействия на измеряемый объект со стороны исследователя и его приборов

слишком низкую точность существующих приборов для измерения физических величин

невозможность уменьшить до нуля погрешность измерения любой отдельно взятой физической величины

ограниченность научного метода познания, основанного на наблюдениях, измерениях и экспериментах

Решение:

Ограничение, накладываемое соотношением неопределенностей В. Гейзенберга, не связано с деталями измерительного процесса и носит принципиальный характер, отражая неотделимость измеряемого объекта от взаимодействующего с ним измерительного прибора.

Тема: Концепции квантовой механики

В соответствии с принципом дополнительности …

˅ для полного описания объекта всегда требуется такой набор его характеристик, что измерение одних делает невозможным или неточным измерение других

полное понимание любого объекта требует, чтобы его квантовое описание дополнялось классическим

научное познание любого объекта требует, чтобы его эмпирическое описание дополнялось теоретическим

всеми мировыми процессами движет постоянная борьба противоположных сил и тенденций, которые, однако, не отрицают, а дополняют друг друга

Решение:

Нильс Бор в 1928 году выдвинул принцип дополнительности, который в первоначальной формулировке гласил: ввиду неотделимости свойств объекта от обстоятельств его взаимодействия с измерительным прибором, результаты, получаемые в разных экспериментах, не могут быть сведены в единую картину, но должны рассматриваться как взаимодополняющие в том смысле, что все они необходимы для исчерпывающего описания объекта. Другими словами, для полного описания объекта всегда требуется такой набор его характеристик, что измерение одних делает невозможным или неточным измерение других.

Тема: Принцип возрастания энтропии

Величина, являющаяся мерой рассеивания энергии в термодинамической системе, называется …

˅ энтропией

энергией

импульсом

массой

Тема: Принцип возрастания энтропии

При работе тепловой электростанции не испытывает превращения в другие формы энергии …

˅ энергия ядер атомов топлива

химическая энергия топлива

тепловая энергия, выделяющаяся при сжигании топлива

механическая энергия вращения ротора паровой турбины

Решение:

На тепловой электростанции химическая энергия топлива при его сжигании превращается в тепловую энергию воды и пара, которая частично трансформируется в механическую энергию вращения ротора турбины, а последняя затем с помощью генератора трансформируется в электрическую энергию. Состояние и энергия ядер атомов во всех этих процессах не меняются.

Тема: Принцип возрастания энтропии

С точки зрения термодинамики, предприятия электроэнергетики …

˅ превращают неудобные для использования формы энергии частично в электроэнергию, частично в низкокачественные формы энергии

превращают низкокачественные формы энергии полностью в высококачественную электрическую энергию

создают электрическую энергию из различных веществ

производят на выходе больше электрической энергии, чем потребляют тепловой, ядерной или другой энергии на входе

Решение:

Устройство, которое производит больше энергии, чем потребляет, – это вечный двигатель первого рода. Он запрещен первым законом термодинамики.

Устройство, полностью превращающее низкокачественную энергию в высококачественную, – это вечный двигатель второго рода. Он запрещен вторым законом термодинамики.

Утверждение о создании энергии из вещества с точки зрения термодинамики бессмысленно или, как минимум, неграмотно. Любое вещество обладает энергией, и задача термодинамики заключается в изучении превращений этой энергии в различных процессах.

Следовательно, электроэнергетика, с точки зрения термодинамики, – это превращение неудобных для использования форм энергии в удобную электрическую энергию за счет перевода части входной энергии в низкокачественные формы – в конечном счете, в теплоту.

Тема: Принцип возрастания энтропии

С точки зрения термодинамики, отапливать дома электрообогревателями крайне невыгодно, поскольку …

˅ при этом высококачественная электрическая энергия целенаправленно превращается в низкокачественную тепловую

электрическую энергию трудно превратить в тепловую без больших потерь

это требует прокладки мощных линий электропередачи и строительства технически сложных и дорогих подстанций

электрообогреватели гораздо опаснее для здоровья населения, чем привычные батареи, по которым циркулирует горячая вода

Решение:

Современные электрообогреватели, например, масляные, не более вредны для здоровья, чем радиаторы центрального отопления. Превращение электроэнергии в теплоту не требует сложных устройств, и потому даже очень эффективные и мощные электрообогреватели стоят недорого. Строить линии электропередачи и подстанции тоже существенно дешевле, чем тянуть трубопроводы горячей воды, постоянно их ремонтировать, мириться с тем, что они обогревают не столько дома, сколько окружающую среду.

Однако с точки зрения термодинамики, электрообогреватели – чистое расточительство. Сначала на тепловой или атомной электростанции с большими трудностями превращают теплоту, получаемую от атомного реактора или сгорающего топлива, в электроэнергию, причем 60% и более этой теплоты бесполезно рассеивается в окружающей среде. Эти потери можно оправдать, если за счет полученной высококачественной электроэнергии делать что-нибудь сложное – например, питать компьютер, телевизор или прецизионный станок. Но если втыкать в розетку электрообогреватель и сразу перегонять высококачественную электроэнергию в теплоту …

Зачем, спрашивается, тогда нужны ЭЛЕКТРОстанции?