Закон природы

Закон природы

30

1. Поясните, как изменились представления о пространстве и времени с созданием теории относительности. Что понимается под понятием «закон природы»? Чем отличается закон природы от закона, установленного государством?

Теория относительности состоит из двух частей - частной (специальной) теории относительности и общей теории относительности.

Специальная теория относительности была созданна в начале ХХ века для описания движений со скоростью, близкой к скорости света. При такой скорости, называемой еще релятивитской, законы природы становятся другими, не такими, как мы привыкли их видеть.

Когда только изобрели паровоз, то многие думали, что при той скорости, с которой он движется, люди будут сходить с ума. Сейчас такое предположение кажется смешным, но на самом деле, когда вступаешь в неизведанное, вполне разумно опасаться чего-то необычного. С паровозами опасения оказались напрасны. Сейчас люди перемещаются с гораздо большими скоростями, и ничего с ними не происходит.

Скорость света составляет 300 000 км/с или примерно миллиард километров в час. Ясно, что все привычные людям движения происходят намного медленнее. Иными словами, мы никогда не сталкивались с такими скоростями и не знаем, что будет тогда происходить. Оказалось, что тут, в отличие от скорости паровоза, подозрения оправданы: при релятивистских скоростях происходят новые явления.

Среди этих явлений есть много весьма необычных: время замедляет свой ход, длины сокращаются, а двигаться быстрее света оказывается вообще невозможно.

Это настолько непривычно, что многие люди до сих пор не могут себе такого вообразить и поверить в то, что это правда. Однако это, скорее всего, правда. Более того, эта правда довольно-таки красива, так как все чудеса теории относительности оказываются совершенно обычными вещами, если предположить, что наше пространство четырехмерно.

Четырехмерное пространство - это пространство, в котором есть четыре перпендикулярных направления. В том пространстве, которое мы привыкли себе воображать - измерения три. Верх-низ, право-лево, перед-зад. В четырехмерном пространстве добавляется еще одно измерение - будущее-прошлое.

Оказывается, мы можем не только двигаться во времени с постоянной скоростью, рождаясь и взрослея, но еще и немного отворачиваться от прямого пути. Такое происходит всегда, когда мы движемся, однако вещи начинают заметно искажаться только, если мы движемся очень быстро, с релятивистской скоростью.

Общая теория относительности также была создана в начале 20-го века. Ее задача - объяснить силу всемирного тяготения (гравитацию), которая прижимает нас к Земле и которая отвечает за движение планет и звезд, пронизывая весь космос.

Было замечено, что притяжение Земли очень похоже на силу инерции, которая прижимает нас к сиденью ускоряющегося автомобиля. Настолько похоже, что даже непонятно, чем они отличаются. Было выдвинуто предположение, что эти силы - одной и той же природы, и это предположение оказалось очень плодотворным.

Оказалось, что любое массивное тело, например, планета Земля, искривляет пространство вокруг себя в результате чего и возникает притяжение. Все предметы стремятся двигаться по прямой, но когда искривлено само пространство - их тянет в бок.

Закон природы - «правила» гармонии окружающего мира между различными уровнями природы и человеком.

Закон природы от закона, установленного государством отличается тем, что закон природы создан самой природой, установленный государством - человеком.

Законы природы - объективно существующие, общие, устойчивые связи вещей, явлений природы, которые существенно влияют на изменения вещей, явлений. Законы природы являются созиданием.

2. Дайте общую характеристику кометам. Назовите наиболее известные из них. Период обращения Сатурна вокруг Солнца равен 29,46 земного года, а Марса - 1,88 земного года. На каком расстоянии от Солнца находится Сатурн, если Марс удален в среднем на 228 млн. км?

Кометы - это наиболее необычные по своему виду небесные объекты, которые иногда доступны для наблюдений невооруженным глазом. Они привлекали внимание человека с глубокой древности. Вместе с астероидами и метеорными телами их относят к малым телам Солнечной системы. Характерной особенностью комет является то, что при сближении с Солнцем у них появляется и увеличивается хвост, направленный всегда в сторону от Солнца. Кометы - тела Солнечной системы, имеющие вид туманных объектов, обычно со светлым сгустком-ядром в центре и хвостом. Вдали от Солнца у комет нет никаких атмосфер и они ничем не отличаются от обычных астероидов. При сближении с Солнцем на расстояния примерно 11 а.е. у них сначала появляется газовая оболочка неправильной формы (кома). Кома вместе с ядром (телом) называется головой кометы. В телескоп такая комета наблюдается как туманное пятнышко и ее можно отличить по виду от какого-нибудь удаленного звездного скопления только по заметному собственному движению. Затем, на расстояниях 3-4 а.е. от Солнца у кометы, под действием солнечного ветра, начинает развиваться хвост, который становится хорошо заметным на расстоянии менее 2 а.е.

Ученые пришли к выводу, что молекулы кометных атмосфер резонансно переизлучают солнечный свет. Механизм свечения газов в кометах аналогичен тому, который вызывает свечение люминесцентных ламп дневного света или разноцветных ламп в витринах магазинов, вывесках и т.п. Это - резонансная флоуресценция, которая является частным случаем общего механизма люминесценции. Однако есть и другие виды свечения кометных газов, которые не могут быть объяснены резонансной флоуресценцией (например, зеленая и красная запрещенные линии кислорода, которые наблюдаются также в спектрах полярных сияний, красная линия атомарного водорода и ряд других). Причины их возникновения до конца не ясны, но уже понятно, что они возникают при взаимодействии комет с солнечным ветром - потоком заряженных частиц (в основном протонов и электронов), вытекающим из Солнца со скоростью 350-400 км/с, а также с силовыми линиями межпланетного электромагнитного поля.

Короткопериодических комет сейчас известно более 200. Как правило, их орбиты расположены очень близко к плоскости эклиптики. Все короткопериодические кометы являются членами разных кометно-планетных семейств. Самое большое такое семейство принадлежит Юпитеру, - это кометы (их известно около 150), у которых афелийные расстояния (от Солнца до точки наибольшего удаления) близки к большой полуоси орбиты Юпитера равной 5,2 а.е. Периоды обращения вокруг Солнца комет семейства Юпитера заключены в пределах 3,3 - 20 лет (из них наиболее часто наблюдаемые - Энке, Темпеля-2, Понса - Виннеке, Фая и др.). У других крупных планет семейства комет существенно меньше: сейчас известно около 20 комет семейства Сатурна (Тутля, Неуймина-1, Ван Бисбрука, Гейла и др. с периодами обращения вокруг Солнца в 10-20 лет), всего несколько комет семейства Урана (Кроммелина, Темпеля-Тутля и др. с периодами обращения 28-40 лет) и около 10 - семейства Нептуна (Галлея, Ольберса, Понса-Брукса и др. с периодами обращения 58-120 лет).

При решении проблемы о происхождении комет нельзя обойтись без знания химического состава вещества их ядер. Предположение о том, что причиной увеличения яркости комет и появления у них хвостов при сближении с Солнцем является присутствие льдов в их ядрах было высказано С.К. Всехсвятским в 1948 г., хотя близкие по смыслу идеи высказывались еще П.С. Лапласом и Ф. Бесселем. Подробная модель кометных ядер была предложена Ф. Уипплом двумя годами позже. Согласно этой модели ядро кометы представляет собой ком из «грязного снега», то есть сравнительно рыхлое образование из комков льдов разного состава (воды, аммиака, метана и углекислого газа) смерзшиеся с пылью и отдельными фрагментами горных пород. Возрастание блеска кометы объясняется ее нагреванием при сближении с Солнцем и потерей массы ее ядром вследствие испарения (точнее сублимации, то есть переходом вещества из твердой фазы сразу в парообразную, минуя жидкую). Если у новых или «молодых» комет, которые совершили всего одно или несколько прохождений через перигелий этот процесс идет очень интенсивно, так как они состоят из реликтовых (неизмененных) льдов, то у «старых» комет при возвращениях к Солнцу испарение вещества все больше замедляется по причине накопления на поверхности их ядер тугоплавких частичек (пыли и более крупных силикатных фрагментов) и образования защитной корки, которая предохраняет оставшийся под ней лед от дальнейшего испарения. Если исходить из модели Уиппла, то льды разных летучих соединений должны были бы испаряться с разными скоростями и, что самое главное - при разных температурах, а значит, на разных расстояниях от Солнца. Но это не было подтверждено спектральными наблюдениями. Поэтому в 1952 г. модель Уиппла была усовершенствована П. Свингсом и А. Дельземом. Они предположили, что в кометные ядра входят не чистые льды различных летучих соединений веществ, а их гидраты. В каждое из таких соединений наряду с «родительской» молекулой данного вещества входят и несколько молекул воды, число которых определяется свойствами «родительской» молекулы. Такие сложные гидраты могут образовываться в космическом вакууме при очень низких температурах. По физическим свойствам все они очень похожи и, в частности, испаряются примерно при одинаковой температуре и с близкими скоростями. Наиболее правдоподобной для «новых» комет в настоящее время считается модель, в которой ядро кометы представляется как очень рыхлое образование, типа гигантского снежного кома. После многократных прохождений вблизи Солнца «новая» комета стареет, то есть ее ядро уменьшается в размерах за счет потери большей части летучих соединений и покрывается коркой из нелетучих соединений. С другой стороны, ядра «старых» комет, к которым относится и комета Галлея, хорошо описываются «пятнистой» моделью. Название этой модели связано с предположением о том, что в поверхностной теплоизолирующей корке имеются дыры, трещины или другие обнажения подкоркового вещества с высоким содержание летучих соединений, из которых происходит интенсивная сублимация этих веществ, вплоть до истечения газовых струй, способных вызывать реактивные ускорения кометного ядра.

3. Какими свойствами обладают продольные и поперечные волны? Почему свет проявляет свойства и волны и частицы?

В физике мы имеем дело с волнами различной природы: механическими, электромагнитными и т.д. Несмотря на отличия, эти волны имеют много общих черт. Волны, рассматриваемый параметр которых (смещение молекул, механическое напряжение, и т.д.) изменяется периодически вдоль оси распространения, называются продольными волнами. Если колебания происходят перпендикулярно оси распространения волны (как у электромагнитных волн, например), то такие волны называются поперечными.

Если взаимосвязь между частицами среды осуществляется силами упругости, возникающими вследствие деформации среды при передаче колебаний от одних частиц к другим, то волны называются упругими. К ним относятся звуковые, ультразвуковые, сейсмические и др. волны.

В поперечной волне колебания происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. Как и в случае продольных волн амплитуды колебаний всех шариков одинаковы, а фаза линейно изменяется от шарика к шарику Шебалин О.Д. Физические основы механики и акустики. М.: Высшая школа, 1981. С. 111..

Свет одновременно имеет свойства и волны, и частицы. В своем волновом проявлении свет демонстрирует интерференцию и преломление, явления вполне моделируемые и предсказуемые. Манипулируя разностью фаз двух волн, можно добиться эффекта взаимопоглощения волн, и образованные таким способом «тени» будут иметь длины гораздо меньше длин исходных волн. А образы для литографии можно формировать именно такими тончайшими «тенями».

Рис. 1 Свет может изгибаться и вращаться

Принято считать, что фотон - элементарная световая частица, обладающая определенной энергией.

Вернее будет исключить отсюда понятие частицы и сказать, что фотон (квант) - это условная единица энергии световой волны, т.е. световую волну поделили на «участки» с равными энергиями (рис. 1). Становится понятным, почему свет проявляет свойства «частиц» (ведь, как бы того ни хотели физики, волна никак не может быть частицей).

Свет проявляет свойства материальных частиц в следующих (в частности) взаимодействиях (наблюдениях): фотоэлектрический эффект, давление света, эффект Комптона, люминесценция, фотохимические превращения.

Свет проявляет свойства волны (электромагнитного поля) в следующих процессах: интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия.

4. Как изменяются кинетическая, полная и потенциальная энергии планеты при ее движении вокруг Солнца? В какое время линейная скорость движения Земли по орбите и почему?

Кинетическая энергия Солнца, представленного в виде вращающейся сферы с массой, сосредоточенной в основном в оболочке.

Кинетическая энергия движения всех планет Солнечной системы без учета кинетических энергий вращения планет вокруг собственных осей и энергии движения Плутона равняется:

где Mn - масса n-ой планеты; vn - орбитальная скорость n-ой планеты.
Учтем, что при рождении планеты и переходе через солнечную оболочку ее зародыша происходит скачок гравитационного потенциала в 4 . Приравнивая вышеприведенные формулы с учетом этого скачка, получим для закона сохранения кинетической энергии в Солнечной системе следующее выражение:

Погрешность при расчете по этой формуле составляет 5.4%. Поэтому следует учесть и кинетическую энергию вращения планет, которая составляет 8.42 1034 Дж. Эта энергия не связана со скачком потенциала 4 . Тогда окончательно имеем:

где vоn - экваториальная скорость вращения n-ой планеты.

Закон сохранения полного момента количества движения в Солнечной системе без доказательства следует из следующего выражения:

Расчет по этой формуле дает ошибку в 1.6%.
Принципиально не важна последовательность рождения планет, а важно только то обстоятельство, что каждое новое рождение планеты связано с переходом через оболочку порождающей ее звезды или планеты. По-видимому, внутренние планеты были сформированы непосредственно Солнцем, а внешние планеты Юпитер и Сатурн сформировались совместно в процессе рождения Солнца путем распада их общей оболочки на три независимых пузыря.

Изменение потенциальной энергии системы, взятое с обратным знаком, равно работе внутренних консервативных сил:

- DEп = Aкс

Согласно второму закону Кеплера, каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причем площадь сектора орбиты, описанная радиусом-вектором планеты, изменяется пропорционально времени. Применительно к нашей Солнечной системе, с этим законом связаны два понятия: перигелий - ближайшая к Солнцу точка орбиты, и афелий - наиболее удаленная точка орбиты. Тогда можно утверждать, что планета движется вокруг Солнца неравномерно: имея линейную скорость в перигелие больше, чем в афелие.

5. Какие типы связей имеют место в кристаллах? Опишите модификации углерода. Почему столь многообразны соединения углерода? Какие особенности строения атома углерода определили его роль в живой природе?

В кристаллах имеют место следующие типы связей:

Ковалентная связь;

Ионная связь;

Металлическая связь;

Молекулярная связь;

Водородная связь.

Рассмотрим их подробнее.

Ковалентная связь

Нейтральные атомы размещены в узлах кристаллической решётки. Связь образуется направленными валентными электронными облаками.

Связь, объединяющая в кристалле (а также и в молекуле) нейтральные атомы, называется гомеополярной или ковалентной. Силы взаимодействия при гомеополярной связи имеют, как и в случае с гетерополярной связью, электрический (но не кулоновский) характер. Гомеополярная связь осуществляется электронными парами. Это означает, что в обеспечении связи между двумя атомами участвует по одному электрону от каждого атома. По этой причине гомеополярная связь имеет направленный характер.

Кристаллы с ковалентной связью диэлектрики или полупроводники. Типичными примерами атомных кристаллов могут служить алмаз, германий и кремний.

Ионная связь

В узлах кристаллической решетки помещаются положительно и отрицательно заряженные ионы.

Силы взаимодействия между узлами являются в основном электростатическими (кулоновскими). Связь между такими частицами называется гетерополярной или ионной.

Кристаллы с ионной связью при низких температурах являются диэлектриками. При тепературах близких к температуре плавления они становятся проводниками электричества. Примером кристаллов с ионной решёткой являются кристаллы каменной соли (NaCl).

Металлическая связь

Во всех узлах кристаллической решетки расположены положительные ионы металла. Между ними беспорядочно, подобно молекулам газа, движутся электроны, отщепившиеся от атомов при образовании ионов. Эти электроны играют роль цемента, удерживая вместе положительные ионы; в противном случае решетка распалась бы под действием сил отталкивания между ионами. Вместе с тем и электроны удерживаются ионами в пределах кристаллической решётки и не могут её покинуть.

Большинство металлов имеет кристаллические решетки одного из трёх типов: кубическую объёмно-центрированную, кубическую гранецентрированную и, так называемую, плотную гексагональную.

По схемам металлических кристаллических решеток видно, что кубическая гранецентрированная и плотная гексагональная решётки соответствуют наиболее плотной упаковке одинаковых шаров (частиц). Кристаллы с металической связью являются проводниками. Они часто плаcтичны, так как при смещении атомов друг относительно друга не происходит разрыв связей.

Молекулярная связь

В узлах кристаллической решетки помещаются определенным образом ориентированные молекулы. Силы связи между молекулами в кристалле имеют ту же природу, что и силы притяжения между молекулами, приводящие к отклонению газов от идеальности. По этой причине их называют ван-дер-ваальсовскими силами.

Для кристаллов с молекулярными связями характерны низкие температуры плавления и высокая сжимаемость.

Водородная связь

Особая разновидность молекулярной связи - водородная связь. Это самая сильная молекулярная связь. При определённых условиях атом водорода может быть связан довольно прочно с двумя другими атомами. Имея лишь одну стабильную орбиталь, атом водорода способен образовывать только одну ковалентную связь. Эта связь может, однако, резонировать между двумя положениями. Наибольшее значение имеют те водородные связи, которые образуются между двумя сильно электроотрицательными атомами, в особенности между атомами азота, кислорода и фтора.

Водородные связи, образуемые молекулами воды, обусловливают удивительно высокие точки плавления льда и кипения воды, существование максимума плотности воды, расширение воды при замерзании. Многие особые свойства неорганических и органических молекул, например димеризация жирных кислот, объясняются образованием водородных связей. Водородная связь - особенно важная структура белков особенность белков и нуклеиновых кислот.

Молекулярные связи образуют, например, следующие вещества: H2, N2, O2, CO2, H2O.

Типы химической связи - это удобное упрощение. Более точно поведение электрона в кристалле описывается законами квантовой механики. Говоря о типе связи в кристалле, необходимо иметь в виду следующее: связь между двумя атомами никогда полностью не соответствует одному из описанных типов. В ионной связи всегда присутствеет элемент ковалентной связи и т.п.

Многообразие соединения углерода связано с тем, что в сложных веществах связь между разными атомами может быть разного типа. Так например, в кристалле белка связь в молекуле белка ковалентная, а между молекулами (или разными частями одной молекулы) водородная.

Существуют четыре аллотропных модификации углерода: алмаз, графит, карбин и букибол.

Кристаллическая решетка алмаза состоит из атомов углерода, соединенных между собой очень прочными s-связями. В кристалле алмаза все связи эквивалентны и атомы образуют трехмерный каркас из сочлененных тетраэдров. Алмаз - самое твердое вещество, найденное в природе.

Графит представляет собой темно-серое с металлическим блеском, мягкое, жирное на ощупь вещество. Хорошо проводит электрический ток. В графите атомы углерода расположены в параллельных слоях, образуя гексагональную сетку. Внутри слоя атомы связаны гораздо сильнее, чем один слой с другим, поэтому свойства графита сильно различаются по разным направлениям.

Карбин - получен искусственным путем. Существует два вида карбина: поликумулен =С=С=С=С= и полиин - C=C-C=C-C=C -.

Букибол - получен в 1985 г., имеет сферическую форму (как футбольный мяч), состоит из 60 или 70 атомов углерода.

Углерод в виде сажи, кокса, древесного угля, костных углей широко используется в металлургии, синтезе органических веществ, как топливо, в быту.

Особенности строения углерода. Соединения, в состав которых входит углерод, называются органическими.

Кроме углерода, они почти всегда содержат водород, довольно часто - кислород, азот и галогены, реже - фосфор, серу и другие элементы. Однако сам углерод и некоторые простейшие его соединения, такие как оксид углерода (II), оксид углерода (IV), угольная кислота, карбонаты, карбиды и т.п., по характеру свойств относятся к неорганическим соединениям.

В атоме углерода можно увеличить число неспаренных электронов на внешнем втором слое, если распарить электронную пару 2s-подуровня, «выселив» электрон в свободную атомную орбиталь на р-подуровне. Тогда атом углерода сможет образовать четыре связи с другими атомами, проявляя валентность IV.

6. Поясните принцип неопределенности, понятия детерминизма и индетерминизма. Как изменились представления о случайном и закономерном? Поясните роль прибора в квантовой механике

Страницы: 1, 2