- •Вопрос 1. Естествознание как единая наука о природе. Иерархия уровней культуры.
- •Вопрос 2. Специфика науки как вида деятельности. Критерии научного сознания. Проблема познаваемости мира.
- •Вопрос 3. Критерии научности. Структура научного знания. Эмпирический и теоретический уровни научного знания.
- •Вопрос 4. Методы и средства научного познания.
- •Билет №5.Наука как социальное явление. Модели развития науки.
- •Вопрос 6. Древнегреческий этап развития естествознания.
- •Вопрос 7. Научное мышление в эпоху Средневековья.
- •Вопрос 8. Классическая эпоха в естествознании 17-19 века
- •Вопрос №9. Механистическая картина мира.
- •Вопрос 10. Неклассический этап развития естествознания с н.20 века по 70-е гг. 20 века
- •Вопрос 11 Постнеклассический этап развития естествознания
- •Вопрос 12. Современные подходы к периодизации естествознания. История естествознания как смена научных парадигм. Ньтоновская и эволюционная парадигмы.
- •Вопрос 13. Механика ньютона как пример динамической теории. Идеализация и ограниченность классической механики.
- •Вопрос 14. Триумф небесной механики. Механический детерминизм как фундамент классического мировоззрения
- •Вопрос 15. Фундаментальная симметрия пространства и времени,ее связь с законами сохранения
- •Вопрос 16 Концепции дальнодействия и близкодействия.Понятие материального поля.Классические представления о природе света.
- •Вопрос 17 Непрерывность и дискретность в описании структуры материи.
- •Вопрос 18. Историческое развитие концепции пространства и времени в естествознании. Становление специальной теории относительности(сто)
- •Вопрос 19 Постулаты специальной теории относительности Эйнштейна. Преобразования Лоренса. Относительность одновременности.
- •Вопрос 20. Основные следствия из преобразований Лоренса. «Сокращение» длины движущихся объектов. «Замедление» хода движущихся часов.
- •Вопрос 21. Релятивистская динамика. Связь между массой и энергией.
- •Вопрос 22. Концепция искривленного 4-мерного пространства-времени в ото:
- •Вопрос 23.Современная наука о пространстве и времени. Описание пространства и времени в ведущих физических теориях.
- •Вопрос 24. Развитие представлений о природе тепловых явлений. Начало термодинамики. Цикл Карно.
- •Вопрос 25. Проблема необратимости и ее статическое решение.
- •Вопрос 26. Термодинамический и статический смысл понятия энтропии:
- •Вопрос 27. Проблема «тепловой смерти» Вселенной: возникновение и современное решение.
- •Вопрос 28. Динамические и статистические закономерности в естествознании. Особенности описания состояний в динамических и статистических теориях. Проблема детерминизма
- •Вопрос 29.Зарождение и развитие квантовых представлений в естествознании.
- •Вопрос 30.Квантовая механика как пример статистической теории. Описание состояния и движения микрообъектов. Принцип суперпозиций квантовых сил.
- •Вопрос 31. Принцип дополнительности и его применение к описанию динамики объектов. Корпускулярно-волновой дуализм.
- •Вопрос 32. Принцип неопределённости Гейзенберга как частное выражение принципа дополнительности
- •Вопрос 33. Основные представления о квантовой теории атомов и зонной теории кристаллов.
- •Вопрос 34. Историческое развитие идей атомизма. Квантовый механизм взаимодействия элементарных частиц. Современные представления о классификации элементарных частиц.
- •Вопрос 35.Фундаментальные взаимодействия в природе. Их характеристики и перспективы объединения.
- •Вопрос 36. Парадоксы классической космологии и их разрешения.
- •Вопрос 37. Современная космология о ранних стадия эволюции Вселенной.
- •Вопрос 38. Элементы спектральной астрономии.
- •Вопрос 39. Эволюция звезд: их рождение, жизнь и смерть.
- •Вопрос 40 Строение Земли и основные характеристики ее оболочек. Термодинамика Земли.
- •Вопрос 41. Образование и основные этапы эволюции Земли.
- •Вопрос 43. Иерархия уровней организации живой материи.
- •Вопрос 46.Особенности эволюционных процессов в природе,их отличие от динамических и статистических закономерностей. Общее описание процесса самоорганизации в неравновесных системах.
- •Вопрос 47. Общие свойства систем, способных к самоорганизации.
- •Вопрос 48. Примеры самоорганизующихся систем в физике.Конвективные ячейки Бенара.Лазеры.
- •Вопрос 49.Открытие диссипативные системы в химии и биологии. Примеры самоорганизации.
- •Вопрос 50. Синергетический подход к анализу экономических явлений и моделированию социальных процессов.Примеры.
- •Вопрос 51.Проблемы прогнозирования в контексте синергетики. Динамический хаос.Фракталы.
- •Вопрос 37(дополнение).Из уравнений ото вселенная расширяется.
Вопрос 23.Современная наука о пространстве и времени. Описание пространства и времени в ведущих физических теориях.
Классическая механика Ньютона: Пространство и время абсолютны и не зависят ни друг от друга , ни от материальных процессов.
СТО: Пространство и время неразрывно связаны между собой, но по-прежнему не зависят от материи.
СТО и Кл.мех.Ньют.: Пространство и время – некая жесткая арена для событий, все происходящее на которой, никак на нее не влияет. Пространство и время- бесконечны и вечны.
ОТО: Пространство и время влияют на все, что происходит во Вселенной и сами изменяются под влиянием всего в ней происходящего. Вселенная должна иметь начало и конец.
Геометрия пространства-времени – Римманова.
Современная наука о пространстве и времени: Новое представление о пространстве и времени: в словаре Брокгауза объясняется, что время есть «последовательность событий, которая выявляется из прошлого, настоящего и будущего, из возникновения и исчезновения вещей.» Для Демокрита пространство было пустотой, в которой движутся атомы, а это движение может происходить только во времени. Аристотель представлял себе время как «число движения», для него время не могло существовать без души, так как лишь душа может считать. Для Галилео Галилея и Исаака Ньютона пространство было бесконечно и эвклидово (т.е. не кривое), а время текло равномерно и тоже бесконечно. Все изменения в мире распространялись бесконечно быстро во всей Вселенной. Для сегодняшних философов-материалистов проблема «пространство-время» решается очень просто. «В мире не существует ничего кроме движущейся материи, и эта движущаяся материя не может двигаться иначе как в пространстве и во времени» (Ленин). Альберт Эйнштейн изобрел «четырехмерный пространственно-временной континуум» (лат. континуум – единство) и утверждал, что время и масса тел зависят от их скорости. Когда тело достигает скорости света, его время якобы останавливается, а масса становится бесконечно. После Эйнштейна были предприняты новые попытки понять суть времени (А.П. Левич, Б.В. Гнеденко, Н.А. Козырев). Илья Пригожин сделал шаг в правильном направлении в своей неравновесной термодинамике. Он предсказал (1986), что необратимость не может возникать на химическом уровне материи, а должна существовать уже на самых глубинных уровнях микромира. Существуют важные основания для утверждения, что пространство представляет из себя сжимаемую жидкость с очень малой вязкостью, подобную жидкому гелию-II. В этой жидкости легко возникают определенные структуры (вихри, волны), которые затем длительное время существуют. Многие возникшие независимо друг от друга теории (Гельмгольца, Томсона, Ацюковского, Бауэра, Хильгенберга, Мейла, Зейлера, Герловина и др.) показывают, что элементарные частицы, атомные ядра, атомы, молекулы и т.д. до галактик и силовых полей являются вихревыми структурами этой среды. Плотность этой среды близка к плотности воды!
Вопрос 24. Развитие представлений о природе тепловых явлений. Начало термодинамики. Цикл Карно.
История развития представлений о природе тепловых явлений — пример того, каким сложным и противоречивым путем постигают научную истину. Многие философы древности рассматривали огонь и связанную с ним теплоту как одну из стихий, которая наряду с землей, водой и воздухом образует все тела. Одновременно предпринимались попытки связать теплоту с движением, так как было замечено, что при соударении тел или трении друг о друга они нагреваются. Первые успехи на пути построения научной теории теплоты относятся к началу XVII в., когда был изобретен термометр, и появилась возможность количественного исследования тепловых процессов и свойств макросистем. Вновь был поставлен вопрос о том, что же такое теплота. Наметились две противоположные точки зрения. Согласно одной из них — вещественной теории тепла, теплота рассматривалась как особого рода невесомая "жидкость", способная перетекать из одного тела к другому. Эта жидкость была названа теплородом. Чем больше теплорода в теле, тем выше температура тела. Согласно другой точке зрения, теплота — это вид внутреннего движения частиц тела. Чем быстрее движутся частицы тела, тем выше его температура. Таким образом, представление о тепловых явлениях и свойствах связывалось с атомистическим учением древних философов о строении вещества. В рамках таких представлений теорию тепла первоначально называли корпускулярной, от слова "корпускула" (частица). Ее придерживались ученые: Ньютон, Гук, Бойль, Бернулли. С помощью корпускулярной теории теплоты не удалось получить столь важные для физики количественные связи между величинами, какие дала простая и наглядная теория теплорода. К концу XVIII в. вещественная теория теплоты начала сталкиваться со все большими трудностями и к середине XIX в. потерпела полное и окончательное поражение. Большим числом разнообразных опытов было показано, что "тепловой жидкости" не существует. При трении можно получить любое количество теплоты: тем больше, чем более длительное время совершается операция трения. С другой стороны, при совершении работы паровыми машинами пар охлаждается и теплота исчезает. В середине XIX в. была доказана связь между механической работой и количеством теплоты. Подобно работе количество теплоты оказалось мерой изменения энергии. Нагревание тела связано не с увеличением в нем количества особой невесомой "жидкости", а с увеличением его энергии. Принцип теплорода был заменен гораздо более глубоким законом сохранения энергии. Было установлено, что теплота представляет собой форму энергии. Значительный вклад в развитие теорий тепловых явлений и свойств макросистем внесли немецкий физик Р. Клаузиус (1822—1888), английский физик-теоретик Дж. Максвелл, австрийский физик Л. Больцман (1844—1906) и другие ученые.
Начала термодинамики: Термодинамика – наука, изучающая движение теплоты - рассматривает процессы без учета молекулярного строения тела и ничего не говорит о механизме явления.
Первое начало: количество теплоты, сообщенное системе, идет на приращение ее внутренней энергии и совершение работы самой системы. Первый закон термодинамики означает невозможность существования вечного двигателя первого рода – машины, которая создавала бы энергию. Однако этот закон не накладывает ограничений на превращение энергии из одного вида в другой. Механическую работу всегда можно превратить в теплоту (например, с помощью трения), но для обратного превращения имеются ограничения. Иначе можно было бы превращать в работу теплоту, взятую от других тел, то есть создать вечный двигатель второго рода. Закон сохранения энергии можно сформулировать более обобщенно: энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает – она переходит из одной формы в другую. Второе начало: исключает возможность создания вечного двигателя второго рода. Имеется несколько различных, но эквивалентных формулировок этого закона:1. Постулат Клаузиуса: процесс, при котором не происходит других изменений, кроме передачи теплоты от горячего тела к холодному, является необратимым, т.е. теплота не может перейти от холодного тела к горячему без каких-либо других изменений в системе. 2. Постулат Кельвина: процесс, при котором работа переходит в теплоту без каких-либо других изменений в системе, является необратимым, т.е. невозможно превратить в работу всю теплоту, взятую от источника с однородной температурой, не производя других изменений в системе. В этих постулатах существенно то, что в системе не происходит никаких других изменений, кроме указанных. При наличии же изменений превращение теплоты в работу в принципе возможно. Так, при изотермическом расширении идеального газа, заключенного в цилиндр с поршнем, его внутренняя энергия не изменяется, так как она зависит только от температуры. Поэтому из первого закона термодинамики следует, что вся теплота, полученная газом от окружающей среды, преобразуется в работу. Это не противоречит постулату Кельвина, поскольку превращение теплоты в работу сопровождается увеличением объема газа. Третье начало термодинамики – это теорема Нернста. Теорема Нернста: Энтропия физической системы при стремлении температуры к абсолютному нулю не зависит от параметров системы и остается неизменной. Иными словами: при стремлении температуры к абсолютному нулю все изменения состояния системы не изменяют ее энтропию; при помощи конечной последовательности термодинамических процессов нельзя достичь температуры абсолютного нуля. М.Планк дополнил теорему гипотезой, согласно которой энтропия всех тел при абсолютном нуле температуры равна нулю. Из теоремы вытекают важные следствия о свойствах веществ при температурах, близких к абсолютному нулю: приобретают нулевое значение удельные теплоемкости при постоянном объеме и давлении. Кроме того, из теоремы следует недостижимость абсолютного нуля температуры при конечной последовательности термодинамических процессов. Цикл Карно: Никола Леонар Сади Карно - фр. физик и инженер, создатель теории тепловых двигателей. Из анализа идеального кругового процесса(цикла Карно) впервые установил, что только при переходе тепла от тела нагретого к телу холодному можно получить полезную работу и, наоборот, чтобы передать тепло от холодного тела к нагретому необходимо затратить работу. Карно высказывает положение, что только разность температур обуславливает работу, получаемую при посредстве теплоты. При этом природа работающего вещества в тепловой машине не играет никакой роли(теорема Карно). В 1824г. Карно высказал гениальную мысль – для производства работы в тепловой машине необходима разность температур, необходимы два источника теплоты с различными температурами. Это утверждение называется принципом Карно. Такая машина никогда не была построена, т.к. ее нельзя построить. Описание машины: у нас есть цилиндр с поршнем, в цилиндре – газ. Нижняя стенка цилиндра обладает идеальной теплопроводностью. Под цилиндром располагается нагреватель и холодильник. Оба источника теплоты бесконечно велики. Если цилиндр не соприкасается с нагревателем или холодильником, в цилиндре полностью прекращается обмен теплом с окр. средой. Описание цикла: стенка цилиндра соприкасается с нагревателем, газ расширяется, поршень поднимается. Нагреватель наполнен жидким и твердым свинцом. Кол-во твердого свинца увеличивается, жидкого – уменьшается. Цилиндр снят с нагревателя. Поршень продолжает подниматься, температура воздуха падает и достигает температуры холодильника. Цилиндр соприкасается с холодильником, поршень опускается. Чтобы температура оставалась постоянной, тепло отводится от газа в холодильник(наполнен льдом и водой). Часть льда тает, кол-во воды увеличивается. Снова прекращается контакт цилиндра, теперь с холодильником. Температура газа повышается, пока не достигнет температуры нагревателя. Цикл завершен. Кол-во тепла, полученное цилиндром от нагревателя больше, чем переданное цилиндром холодильнику. Разность теплоты затрачена на то, чтобы совершить работу.
Сади Карно – исследователь по теплу. Рассмотрел идеальную тепловую машину (отсутствовало трение и теплообмен) – поэтому процессы стали обратимыми.
Рабочее тело – газ в цилиндре под поршнем.
2 изотермы, 2 изобаты.
1-2 – рабочее тело получает от нагревателя температуру Тн и теплоту Q1.
2-3 – газ, расширяясь, охлаждается до температуры Тх.
3-4 – газ изотермически сжимают, при этом он отдает холодильнику количество теплоты Q2.
4-1 – газ сжимают до тех пор, пока его температура не станет равной начальной.
- идеальная тепловая машина.
- реальная тепловая машина.