Концепции современного естествознания (стр. 1 из 4)

Федеральное агентство по образованию

Новосибирский государственный университет экономики и управления

Кафедра современного естествознания и наукоемких технологий

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Вариант №7

Новосибирск 2010


1.7

Поясните понятие «энергия»

Энергия (от греческого energeia – действие, деятельность) определяется как общая количественная мера различных форм движения материи. В природе любым физическим процессам соответствует тот или иной вид энергии: механической, химической, тепловой, гравитационной, электромагнитной, ядерной и так далее. Другими словами, она выражает способность тела или системы совершать работу.

Какие виды энергии Вы знаете?

Механика различает потенциальную энергию (или, в более общем случае, энергия взаимодействия тел или их частей между собой или с внешними полями) и кинетическую энергию (энергия движения). Их сумма называется полной энергией.

Энергией обладают все виды полей. По этому признаку различают: электромагнитную (разделяемую иногда на электрическую и магнитную энергии), гравитационную и ядерную энергии (также может быть разделена на энергию слабого и сильного взаимодействий).

Термодинамика рассматривает внутреннюю энергию и иные термодинамические потенциалы.

В химии рассматриваются такие величины как энергия связи и энтальпия, имеющие размерность энергии, отнесённой к количеству вещества. См. также: химический потенциал.


В каких системах она сохраняется, как закон сохранения энергии связан со свойствами пространства-времени?

С фундаментальной точки зрения, закон сохранения энергии является следствием однородности времени и в этом смысле является универсальным, то есть присущим системам самой разной физической природы. Другими словами, для каждой конкретной замкнутой системы, вне зависимости от её природы можно определить некую величину, называемую энергией, которая будет сохраняться во времени.

Закон сохранения энергии эквивалентен однородности времени, то есть независимости всех законов, описывающих систему, от момента времени, в который система рассматривается.

Вывод этого утверждения может быть произведён, например, на основе лагранжева формализма.

Какими свойствами симметрии обладают пространство и время?

Абсолютное время однородно, это означает симметрию относительно сдвигов. Значит, и точка отсчета времени не имеет значения, она не меняет длительность. То же можно сказать и о пространственных симметриях классической механики. В пространстве нет выделенных ни точек, ни направлений, т. е. оно однородно и изотропно.

По горизонтальной плоскости равномерно перемещается тело массой в 1кг без качения под действием силы в 1 Н. Найти коэффициент трения.

Решение:

Fтяги = -Fтрения

Fтрения = -μ* N= -μ* m* g

Fтяги = μ* m* g

μ = Fтяги /(m* g)

μ = 1 Н/ (1 кг * 9,8 м/с2 ) = 0,1.

Ответ: 0,1.


2.7

Какие движения легли в основу календаря, какие календари сейчас используются?

Основная внешняя проблема календаря - необходимость согласовать длину года с длиной суток. Были разработаны разные варианты поправок, но существенную реформу календаря провел Юлий Цезарь, изучивший во время пребывания в Египте солнечный календарь. Годовой путь Солнца в Древнем Вавилоне делили на 12 частей по 30° с созвездиями (пояс Зодиака). В этом делении — влияние вавилонской системы счисления, от которой осталось деление окружности на 360°, градуса — на 60 мин, минуты — на 60 с. Во II в. до н. э. александрийский астроном Гиппарх ввел понятие о начале весны, лета, осени и зимы как о моментах вступления Солнца в соответствующий знак Зодиака Овна, Рака, Весов и Козерога. Но из-за прецессии (медленной — по 50 угловых секунд в год) точка весеннего равноденствия вскоре перешла в созвездие Рыб, а в течение ближайших 150 лет переместится в зону следующего созвездия — Водолея. Кроме того, сейчас годовой путь Солнца по эклиптике проходит уже через 13 созвездий, но для сохранения традиции деления на 12 равных зон часто созвездие Змееносца объединяют с созвездием Скорпиона.

Внутренняя структура календаря связана с соотношением месяцев и дней недели с числами месяцев. Семидневная неделя — период, примерно соответствующий 1/4 лунного месяца, или длительности между четырьмя фазами Луны. Лунный месяц (синодический) в среднем равен 29,53 средних суток. Древним людям были известны 7 планет, к которым относили Солнце, Луну, Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер, Сатурн, и каждой из них посвящали один день недели. Это связано с традициями шумерской астрологии и отражено в культе числа «семь».

Уточнение юлианского календаря касалось только улучшения его внешней структуры — приближения к значению 365,2422 сут — вводилось 97 високосных лет в каждые 400 лет, т. е. число високосов было уменьшено на 3. Годы столетий, число сотен которых не делится на 4, считаются простыми (1700, 1800, 1900), а годы, у которых число сотен делится на 4, — високосными (1600, 2000 и т.д.). Ошибка в 1 сут в этом календаре накапливается лишь за 3323 года.

В настоящее время основным календарем считается Григорианский, но существуют и другие альтернативные календари в частности т.н. универсальный.

Будет ли на Земле смена дня и ночи, если прекратится ее вращение вокруг своей оси?

Нет не будет, так как при вращении вокруг своей оси (время одного полного оборота: 24час 3мин 56,5сек (средние солнечные сутки) одна сторона планеты освещена солнцем (день), противоположная остается в тени (ночь).

С какой скоростью и в каком направлении должен лететь самолет в районе экватора, чтобы местное солнечное время для его пассажиров остановилось?

Земля вращается с запада на восток, из справочных материалов известно, что скорость вращения планеты равна примерно 460 м/с, так как скорость вращения земли в разные периоды года различна, то оставим именно эту величину. Чтобы солнечное время остановилось на местном значении необходимо развить на самолёте скорость в 460 м/с или 460*3600/1000 км/ч, что является недостижимой для современной гражданской авиации, но вполне по силам военным самолётам и лететь в противоположную сторону от вращения Земли.


Определите по данным о Луне (расстояние от Земли 384 тыс. км, период обращения равен 27,3 сут.) и законам Кеплера высоту стационарного спутника (висящего над одной территорией).

Из второго закона Кеплера вытекает выражение для тела находящегося на орбите:

T1 2 /T2 2 =R1 3 /R2 3

где T-периоды обращения, R-радиусы. Вырази значение одного из радиуса:

R2 3 = R1 3 T2 2 / T1 2

R2 =3 √( R1 3 T2 2 / T1 2 )

Пусть R2 искомая высот для спутника, тогда подставив значения из условия получим:

R2 =3 √(1*(384*103 )3 /27,32 )

R2 =4,2*104 км

Ответ: высота орбиты-4,2*104 км.


3.7

Какими законами определяется тепловое излучение тел?

Тепловое излучение — наиболее распространенный в природе вид электромагнитного излучения, оно определяется законом Стефана — Больцмана, законом излучения Кирхгофа, законом смещения Вина.

Какими моделями при этом пользуются?

В физике для расчёта теплового излучения принята модель абсолютно чёрного тела, тепловое излучение которого описывается законом Стефана — Больцмана. Излучение же реальных тел подчиняется закону излучения Кирхгофа.

Определить энергетическую светимость поверхности (мощность излучения) тела и температуру тела, если длина волны, на которую приходится максимум энергии в спектре излучения абсолютно черного тела, равна 0,58 мкм. (s = 5,7×10-8 Вт/(м×K4 ), b = 2,9×10-3 м ×K кг/моль).

Решение.

Энергетическая светимость тела определяется оп формуле:

R=σT4

где Т-температура тела,σ- постоянная Стефана — Больцмана.

Из уравнения Вина выразим температуру:

λмакс. =2,9*10-3 /T

T= 2.9*10-3 / λмакс

Подставив в последнее уравнение значение длины волны, найдем температуру:

T=2.9*10-3 /0.58*10-6

T=5000 0 К

Подставив в уравнение светимости получим значение светимости для данного тела:

R=50004 *5.7*10-8

R=35.6*105 Вт/м

Ответ: T=5000 0 К R=35.6*105 Вт/м


4.7

Какими корпускулярными свойствами обладают свет?

Корпускулярные свойства света представлены: закономерностью равновесного теплового излучения, фотоэффектом и эффектом Комптона.

Поясните смысл понятия «фотон». Какие явления, и каким образом были объяснены с помощью квантовой теории света?

Фото́н (от др.-греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света). Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света.

С помощью квантовой теории света были объяснены:

Фотоэффект

Был объяснён Эйнштейном в 1905 г. на основе гипотезы М. Планка о том, что свет излучается и поглощается определенными порциями, причем энергия каждой такой порции определяется формулой E = hν, где h – постоянная Планка Эйнштейн сделал следующий шаг в развитии квантовых представлений.

Эффект Комптона.

А. Комптоном и П. Дебаем (независимо) на основе квантовых представлений о природе излучения. Если принять, что излучение представляет собой поток фотонов Эффект Комптона. Объяснение эффекта Комптона было дано в 1923 году, то эффект Комптона есть результат упругого столкновения рентгеновских фотонов со свободными электронами вещества. У легких атомов рассеивающих веществ электроны слабо связаны с ядрами атомов, поэтому их можно считать свободными. В процессе столкновения фотон передает электрону часть своей энергии и импульса в соответствии с законами сохранения.

Закономерность равновесного теплового излучения.

Планк пришел к выводу, что процессы излучения и поглощения электромагнитной энергии нагретым телом происходят не непрерывно, как это принимала классическая физика, а конечными порциями – квантами. Квант – это минимальная порция энергии, излучаемой или поглощаемой телом. По теории Планка, энергия кванта E прямо пропорциональна частоте света: E = hν, где h – так называемая постоянная Планка. h = 6,626·10–34 Дж·с. Постоянная Планка – это универсальная константа.