Министерство образования и науки РФ

ГУО ВПО «Сибирский Государственный Технологический Университет»

Контрольная работа

По дисциплине: «Концепции современного естествознания»

Выполнила:

Студентка 3 курса ХТФ ЗДО

Специальность 0605к

Зач.книжка 0505032

Кизуб Алёна Николаевна

Проверил:

Несеузова Ольга Ильинична

Красноярск 2008

ОГЛАВЛЕНИЕ

• Тема 1 Основные достижения химии XX века 3
• Тема 2 Представления Ньютона о пространстве и времени 7
• Тема 3 Механическая энергия и её виды 12
• Тема 4 Теория Максвелла и её основные следствия 18
• Тема 5 Термоядерный синтез 27
• Тема 6 Модель «хищник-жертва» в природе и обществе 33
• Тема 7 Космология. Достижения космологии в XX веке 36
• Тема 8 Фотохимические реакции 40
• Тема 9 Основные свойства живых систем (целостность, иерархичность, гомеостаз, трансформация энергии, наследственность, эволюция и др.) 47
• Тема 10 Модели отношений между трофическими уровнями в биоценозах 51
• ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ: 59

Тема 1 Основные достижения химии XX века

Для того, чтобы объяснить устойчивость атома, Нильс Бор соединил в своей модели классические и квантовые представления о движении электрона. Однако искусственность такого соединения была очевидна с самого начала. Развитие квантовой теории привело к изменению классических представлений о структуре материи, движении, причинности, пространстве, времени и т.д., что способствовало коренному преобразованию картины мира.

В конце 20-х - начале 30-х годов XX века на основе квантовой теории формируются принципиально новые представления о строении атома и природе химической связи.

После создания Альбертом Эйнштейном фотонной теории света (1905) и выведения им статистических законов электронных переходов в атоме (1917) в физике обостряется проблема волна-частица.

Если в XVIII-XIX веках имелись расхождения между различными учеными, которые для объяснения одних и тех же явлений в оптике привлекали либо волновую, либо корпускулярную теорию, то теперь противоречие приобрело принципиальный характер: одни явления интерпретировались с волновых позиций, а другие - с корпускулярных. Разрешение этого противоречия предложил в 1924 г. французский физик Луи Виктор Пьер Раймон де Бройль, приписавший волновые свойства частице.

Исходя из идеи де Бройля о волнах материи, немецкий физик Эрвин Шрёдингер в 1926 г. вывел основное уравнение т.н. волновой механики, содержащее волновую функцию и позволяющее определить возможные состояния квантовой системы и их изменение во времени. Шредингер дал общее правило преобразования классических уравнений в волновые. В рамках волновой механики атом можно было представить в виде ядра, окруженного стационарной волной материи. Волновая функция определяла плотность вероятности нахождения электрона в данной точке.

В том же 1926 г. другой немецкий физик Вернер Гейзенберг разрабатывает свой вариант квантовой теории атома в виде матричной механики, отталкиваясь при этом от сформулированного Бором принципа соответствия.

Согласно принципу соответствия, законы квантовой физики должны переходить в классические законы, когда квантовая дискретность стремится к нулю при увеличении квантового числа. В более общем виде принцип соответствия можно сформулировать следующим образом: новая теория, которая претендует на более широкую область применимости по сравнению со старой, должна включать в себя последнюю как частный случай. Квантовая механика Гейзенберга позволяла объяснить существование стационарных квантованных энергетических состояний и рассчитать энергетические уровни различных систем.

Фридрих Хунд, Роберт Сандерсон Малликен и Джон Эдвард Леннард-Джонс в 1929 г. создают основы метода молекулярных орбиталей. В основу ММО заложено представление о полной потере индивидуальности атомов, соединившихся в молекулу. Молекула, таким образом, состоит не из атомов, а представляет собой новую систему, образованную несколькими атомными ядрами и движущимися в их поле электронами. Хундом создаётся также современная классификация химических связей; в 1931 г. он приходит к выводу о существовании двух основных типов химических связей - простой, или у-связи, и р-связи. Эрих Хюккель распространяет метод МО на органические соединения, сформулировав в 1931 г. правило ароматической стабильности (4n+2), устанавливающее принадлежность вещества к ароматическому ряду.

Таким образом, в квантовой химии сразу выделяются два различных подхода к пониманию химической связи: метод молекулярных орбиталей и метод валентных связей.

Благодаря квантовой механике к 30-м годам XX века в основном был выяснен способ образования связи между атомами. Кроме того, в рамках квантово-механического подхода получило корректную физическую интерпретацию менделеевское учение о периодичности.

Вероятно, наиболее важным этапом в развитии современной химии было создание различных исследовательских центров, занимавшихся, помимо фундаментальных, также прикладными исследованиями.

В начале 20 в. ряд промышленных корпораций создали первые промышленные исследовательские лаборатории. В США была основана химическая лаборатория «Дюпон», лаборатория фирмы «Белл». После открытия и синтеза в 1940-х годах пенициллина, а затем и других антибиотиков появились крупные фармацевтические фирмы, в которых работали профессиональные химики. Большое прикладное значение имели работы в области химии высокомолекулярных соединений.

Одним из ее основоположников был немецкий химик Герман Штаудингер, разработавший теорию строения полимеров. Интенсивные поиски способов получения линейных полимеров привели в 1953 к синтезу полиэтилена, а затем других полимеров с заданными свойствами. Сегодня производство полимеров - крупнейшая отрасль химической промышленности.

Не все достижения химии оказались благом для человека. При производстве красок, мыла, текстиля использовали соляную кислоту и серу, представлявшие большую опасность для окружающей среды. В 21 в. производство многих органических и неорганических материалов увеличится за счет вторичной переработки использованных веществ, а также за счет переработки химических отходов, которые представляют опасность для здоровья человека и окружающей среды.

К середине 30-х годов XX века химическая теория приобретает вполне современный вид. Хотя основные концепции химии в дальнейшем стремительно развивались, принципиальных изменений в теории больше не происходило.

Установление делимости атома, квантовой природы излучения, создание теории относительности и квантовой механики представляли собой революционный переворот в понимании окружающих человека физических явлений. Этот переворот коснулся прежде всего микро- и мегамира, что к химии в классическом смысле, казалось бы, не имеет прямого отношения. Однако в этом и заключается одна из особенностей химии XX века: для понимания причин, которыми обусловлены фундаментальные химические законы, потребовалось выйти за пределы предмета химии. Ныне теоретическая химия в значительной степени представляет собой физику, «адаптированную» для решения химических задач. В значительной степени именно достижения физики сделали возможными огромные успехи теоретической и прикладной химии в XX столетии.

Объём химических знаний стал настолько велик, что составление краткого, в несколько страниц, очерка новейшей истории химии представляет собой сложнейшую задачу, взяться за которую автор настоящей работы не считает для себя возможным.

Еще одной особенностью химии в ХХ веке стало появление большого числа новых аналитических методов, прежде всего физических и физико-химических. Широкое распространение получили рентгеновская, электронная и инфракрасная спектроскопия, магнетохимия и масс-спектрометрия, спектроскопия ЭПР и ЯМР, рентгеноструктурный анализ и т.п.; список используемых методов чрезвычайно обширен. Новые данные, полученные с помощью физико-химических методов, заставили пересмотреть целый ряд фундаментальных понятий и представлений химии. Сегодня ни одно химическое исследование не обходится без привлечения физических методов, которые позволяют определять состав исследуемых объектов, устанавливать мельчайшие детали строения молекул, отслеживать протекание сложнейших химических процессов.

Для современной химии также стало очень характерным всё более тесное взаимодействие с другими естественными науками. Физическая и биологическая химия стали важнейшими разделами химии наряду с классическими - неорганической, органической и аналитической. Пожалуй, именно биохимия со второй половины ХХ столетия занимает лидирующее положение в естествознании

Тема 2 Представления Ньютона о пространстве и времени

Понятия пространства и времени являются философскими категориями и не определяются в естествознании. Для естественных наук важно уметь определять их численные характеристики - расстояния между объектами и длительности процессов, а так же - описывать их свойства, поддающиеся экспериментальному изучению.

Измерение расстояний.

Проблема ограниченности Вселенной. Измерить расстояние между двумя объектами - значит сравнить его с эталонным. До недавнего времени в качестве эталона использовалось тело, сделанное из твердого сплава, геометрическая форма которого слабо изменялась при изменении внешних условий. В качестве единицы длины был выбран метр, отрезок, сравнимый с характерными размерами человеческого тела. Очевидно, что в большинстве случаев эталон не укладывался целое число раз на длине измеряемого отрезка. Оставшаяся часть измерялась при помощи 1/10, 1/100 и т. эталона. В принципе считалось, что такую процедуру можно продолжать до бесконечности, в результате чего получалось бы точное значение длины, выражаемое бесконечной десятичной дробью, т.е. вещественным числом. (В математике понятие вещественного числа возникло как результат обобщения описанной процедуры измерения длин отрезков).

На практике многократное деление исходного эталона было невозможно. Для повышения точности измерения и измерения малых отрезков потребовался эталон существенно меньших размеров, в качестве которого по настоящее время используются стоячие электромагнитные волны оптического диапозона.

В природе существуют объекты, значительно меньшие длин волн оптического излучения (молекулы, атомы, элементарные частицы). При их измерениях помимо неудобства сравнения с эталоном больших размеров возникает более принципиальная проблема: объекты, размеры которых меньше длины волны электромагнитного излучения, перестают его отражать и, следовательно, оказываются невидимыми. Для оценки размеров таких мелких объектов свет заменяют потоком каких-либо элементарных частиц (электронов, нейтронов и т.д.). Величина объектов оценивается по т.н. сечениям рассеяния, определяемым отношением числа частиц, изменивших направления своего движения, к плотности падающего потока. Наименьшим расстоянием, известным в настоящее время, является характерный размер элементарной частицы (м). Говорить о меньших размерах, по-видимому, бессмысленно.

При измерении расстояний, значительно превышающих 1м, пользоваться эталоном длины вновь оказывается неудобно. Для измерения расстояний, сравнимых с размерами Земли, применяют методы триангуляции (определение большей стороны треугольника по точно измеренной меньшей стороне и двум углам) и радиолокации (измерение времени задержки отраженного сигнала, скорость распространения которого известна, относительно момента передачи), Для много больших расстояний (до удаленных звезд и соседних галактик) указанные методы оказываются вновь неприменимы (отраженный радиосигнал оказывается слишком слабым, углы треугольника отличаются от на слишком малую величину). На столь больших расстояниях наблюдаемыми оказываются только самосветящиеся объекты (звезды и галактики), расстояния до них оценивается исходя из наблюдаемой яркости.

Размеры наблюдаемой части вселенной имеют размеры порядка м. Вопрос о том, имеют ли смысл большие расстояния сводится к проблемам конечности и ограниченности Вселенной, до сих пор окончательно не решенным космологией. Со времен Ньютона считалось, что окружающий нас мир однороден и не может иметь границ (в противном случае возникал вопрос о их физической природе и о том, “что находится по другую сторону”). Однако, предположение о бесконечности Вселенной, совместно с естественным допущением о равномерном распределении звезд по объему и беспрепятственном распространении света в пространстве, приводил к заведомо абсурдному выводу о бесконечно ярком свечении ночного неба (т.н. парадокс ночного неба). Позднее пришло понимание того, что понятия бесконечности и неограниченности не эквивалентны друг другу (напр. шар не имеет границ, но площадь его конечна).

Измерение интервалов времени. Возраст Вселенной.

Измерить длительность процесса - значит сравнить его с эталонным. В качестве последнего удобно выбрать какой-либо периодически повторяющийся процесс (суточное вращение Земли, биение человеческого сердца, колебание маятника, движение электрона вокруг ядра атома). Долгое время в качестве эталонного процесса использовались колебания маятника. За единицу измерения времени выбрали секунду (интервал, примерно равный периоду сокращения сердечной мышцы человека).

Для измерения значительно более коротких времен возникла необходимость в новых эталонах. В их роли выступили колебания кристаллический решетки (кварцевые часы имеют характерный период колебаний в 1нс= с) и движение электронов в атоме (атомные часы с характерным временем с ). Еще меньшие времена можно измерять, сравнивая их со временем прохождения света через заданный промежуток. по-видимому, наименьшим осмысленным интервалом является время прохождения света через минимально возможное расстояние (с ).

При помощи маятниковых часов возможно измерение временных интервалов, значительно превосходящих 1с (человеческая жизнь длится около с), но и здесь возможности метода не беспредельны. Времена, сравнимые с возрастом Земли (ок. с) возможно оценивать лишь по полураспаду атомов радиоактивных элементов. Максимальным промежутком времени, о котором имеет смысл говорить в нашем мире, по-видимому является возраст Вселенной, оцениваемый периодом в с (началом существования нашего мира принято считать Большой взрыв, произошедший в весьма малой области пространства, в результате которого возник наблюдаемый сейчас мир, представляющий собой совокупность объектов, разлетающихся от начальной точки; события, произошедшие до Большого взрыва никак не влияют на настоящее и, следовательно, могут не рассматриваться).

В классическом естествознании, занимающимся главным образом описанием макроскопических (сравнимых с размерами человеческого тела) объектов, предполагается, что процедура измерения основных пространственно-временных характеристик (расстояний и длительностей) в принципе может быть выполнена сколь угодно точно и при этом может практически не влиять на измеряемый объект и происходящие с ним процессы.

Геометрические свойства пространства и времени. Геометрические свойства пространства изучаются геометрией, традиционно базирующейся на системе аксиом Евклида. В отличие от математики, для естествознания небезынтересен вопрос, соответствуют ли эти аксиомы реальным свойствам нашего пространства (напр. вполне мыслима ситуация, в которой сумма углов треугольника может отличаться от : на рис. 2_1 изображен треугольник, все углы которого прямые). Опыт показывает, что для наблюдателя, движущегося без ускорения вдали от массивных тел, аксиоматика Евклида выполняется с хорошей точностью.

Важной характеристикой материальных систем является их число степеней свободы (минимальной количество чисел, необходимое для исчерпывающего описания положения объекта в пространстве). Чем большим числом степеней свободы обладает объект, тем более трудоемко его описание. Возникает естественный вопрос о минимальном числе степеней свободы, которым может обладать объект в нашем мире. Опыт показывает, что для не взаимодействующих с другими объектами тел это число равно 3 (тремя степенями свободы обладают, например, элементарные частицы с нулевым спином). Об этом свойстве нашего пространства говорят как о его трехмерности (иногда говорят, что трехмерность означает возможность задания трех взаимно перпендикулярных направлений в пространстве). Число степеней свободы большинства реальных объектов может быть существенно большим (спортивный велосипед с хорошо затянутыми болтами и гайками обладает как минимум 18 степенями свободы), однако при решении многих практических задач “внутренние степени свободы” оказываются несущественными (на финише велогонки положение педалей велосипеда лидера никем не регистрируется). Число рассматриваемых степеней свободы можно существенно сократить вплоть до трех (при движении в пространстве), двух (при движении по поверхности) или одной (при движении вдоль заданной кривой). Реальное тело при этом по существу заменяется моделью материальной точки (тело, размеры и форма которого в рассматриваемой ситуации несущественны).

Для задания временных характеристик процессов может понадобиться несколько вещественных чисел (жизнь человека можно характеризовать, например, моментами его рождения, свадьбы и смерти). Однако существуют явления, для исчерпывающего временного описания которых достаточно одного числа (напр. распад элементарной частицы, который не имеет длительности, поскольку не может быть разделен на какие-то промежуточные процессы). Существование таких “элементарных” процессов позволяет утверждать, что время одномерно.

Аналогично тому, как в пространственном описании вводилась модельное представление о материальной точке, при описании эволюции во времени можно ввести понятие мгновенного события, т.е. процесса, длительностью которого в рассматриваемой ситуации можно пренебречь (напр. удар мяча о стену часто можно считать мгновенным, хотя детальное рассмотрение показывает, что это весьма сложный и многоэтапный процесс).

Относительность свойств пространства и времени. Во времена Ньютона считалось, что свойства пространства и времени абсолютны, т.е. не зависят от наличия материальных тел, протекающих процессов и наблюдателей. Современная физика показала ограниченность таких представлений: геометрические свойства пространства и времени тесно связаны с наличием и расположением массивных тел, зависят от характера протекающих процессов и даже от состояния наблюдателя. В связи с этим сейчас принято говорить, что свойства пространства и времени относительны.

В классическом естествознании рассматриваются макроскопические объекты и явления, происходящие в существующих независимо от них и друг от друга пространстве и времени, носящих абсолютный характер.

Тема 3 Механическая энергия и её виды

Из законов сохранения наибольший интерес представляет тот, что связан с энергией. Потребление энергии постоянно растёт, и недавняя нехватка энергии оказала влияние, как на повседневную жизнь, так и на международные отношения. Представление об энергии связано, по-видимому, с нефтью, с углём, с падающей водой, с ураном. Энергия не только приводит в движение автомобили и обогревает дома; она также необходима, например, для производства металлов и удобрений. Все живые существа в буквальном смысле поедают энергию, чтобы поддержать жизнь. Из рекламных проспектов мы знаем, что определённые продукты питания для завтрака могут сообщить «заряд энергии», чтобы начать трудовой день.

Простые механизмы способны совершать работу, но вот «запасать» эту способность не могут. Однако нам часто приходится встречаться с механизмами, которые «умеют» накапливать «про запас» способность совершать работу. Заводя обычный будильник, мы совершаем некоторую работу. В результате часовой механизм получает возможность (способность) совершать работу, необходимую для хода часов, то есть для поддержания движения многочисленных колёсиков, шестерёнок, стрелок, испытывающих сопротивление из-за трения (сила трения - сила, возникающая при движении или попытке движения одного тела по поверхности другого и направленная вдоль соприкасающихся поверхностей против движения). Спустя некоторое время запас работоспособности механизма уменьшается, и часы нужно заводить вновь.

Способность тела совершать работу называется энергией. Способно ли тело совершить работу? Обладает ли тело энергией? Эти два вопроса - суть одно и то же. Тело, обладающее энергией, не совершает работу, но лишь способно её совершить, и поэтому обнаружить в нём наличие энергии не так-то просто. Этому помогает богатый практический опыт по наблюдению за телами, совершающими работу.

Энергия - физическая величина, показывающая, какую работ может совершить тело, поэтому измеряется она в тех же единицах, что и работа, - в джоулях. Эта единица названа в честь Джеймса Джоуля (1818-1889), английского учёного, который впервые нашёл механический эквивалент тепловой энергии. Сокращённо джоуль обозначается Дж; тело массы 1 кг при движении со скоростью 1 м/с, имеет кинетическую энергию (1/2) mvІ = (1/2) Дж. 1 джоуль равен работе, совершаемой силой 1 ньютон, действующей на пути 1 метр. Обозначается энергия буквой Е: [Е]=Дж или Е=[Дж].

Чем большую работу может совершить тело, тем большей энергией оно обладает.

При совершении работы энергия тел изменяется; совершённая работа равна изменению энергии.

Удивительно, что, несмотря на большую повсеместную роль энергии, это понятие оставалось неясным вплоть до середины 19-го века. Галилей, Ньютон и Франклин не знали, несмотря на всю их искушённость, что физическая величина, которую теперь называют энергией, может быть определена так, чтобы она всегда сохранялась В первом издании Британской энциклопедии, вышедшем в 1771 году, вся статья под заголовком «Энергия» имела следующий вид: «Энергия, слово греческого происхождения, означает могущество, достоинство или действенность чего-либо. Его используют также в переносном смысле для обозначения выразительности речи».. Возможно, они не пришли к такой мысли потому, что это понятие вовсе не очевидно. Энергия проявляется во множестве различных форм. Движущийся автомобиль обладает энергией. Неподвижная батарейка карманного фонаря обладает энергией. Камень на вершине утёса обладает энергией. Кусочек сливочного масла обладает энергией. Солнечный свет обладает энергией. Энергия, проявляющаяся во всех этих различных формах, может быть определена таким способом, что при любом превращении системы полная энергия сохраняется. Однако для системы, которая никогда не претерпевает никаких изменений, разговор о содержании энергии беспредметен. Только при переходе из одной формы в другую или из одного места в другое представление об энергии становится полезным как средство бухгалтерского учёта.

Механическая энергия бывает двух видов: потенциальная и кинетическая. В данном случае внимание будет сосредоточено только на форме энергии, связанной с механическим движением, - на кинетической энергии.

Нужно обратить внимание, что энергия не определяется, как способность совершать работу. В место этого ищется связанная с движением физическая величина, которая обладает особым свойством не изменяться при столкновениях определённого типа. В столкновениях, осуществляемых через пружины, когда не остаётся вмятин и тела не слипаются, величина (1/2) mvІ сохраняется. Эта физическая величина по определению и будет кинетической энергией. Вообще, если тело движется, то оно обладает кинетической энергией (Ек). Кинетичекая энергия - энергия движения: Ек ~ mтела ~ V (скорости). Например, кинетической энергией обладает и бегущий слон, и летящий воздушный шарик. Иногда тело обладает сразу двумя видами энергии, например, летящий вертолёт, порхающая бабочка, летящая пчела и т.п.

Очень часто мы можем наблюдать превращение одного вида энергии в другой: при падении воды с плотины её потенциальная (потенциальная энергия (Еп) - энергия, которой обладают тела или частицы вследствие взаимного расположения) энергия превращается в кинетическую. А в свою очередь кинетическая энергия воды может переходить в электрическую и т.п.

В упругих столкновениях же сохраняются как импульс, так и кинетическая энергия. Это двойное ограничение жёстко лимитирует возможные результаты столкновения. Для любого упругого столкновения двух тел с заданными массами и начальными скоростями возможно единственное сочетание конечных скоростей. Тело приобретает кинетическую энергию, если оно подвержено действию силы на протяжении некоторого пути. Работа определяется как произведение силы, действующей на тело, и перемещения, происходящим под действием данной силы. Такой вид произведения двух векторов называется скалярным произведением и обозначается точкой между сомножителями. Это произведение даёт скалярную величину: работа равна F · x = |F| |x| cos , где - угол между приложенной силой и результирующим перемещением.

Следует отметить некоторые особенности, связанные с природой определённой таким образом величины на примере определённого вида столкновения тележек, движущихся на воздушной дорожке, при которых сохраняются две различные величины, характеризующие движение. Импульс, равный произведению массы на скорость, сохраняется всегда. И если тележки в данном примере взаимодействуют посредством пружин и не слипаются друг с другом, то сохраняется ещё одна комбинация массы и скорости. Это произведение массы на квадрат скорости, mvІ. Эта характеризующая движение физическая величина обычно записывается в виде (1/2) mvІ и называется кинетической энергией - Wкин. Во первых, здесь - на примере, кинетическая энергия представляет собой скаляр, а не вектор. Скорость, представляющая собой векторную величину, в этом выражении возводится в квадрат, отчего всё оно становится скаляром, не имеющим направления. Во-вторых, наличие множителя 1/2 подразумевает, что должно существовать какое-то более фундаментальное определение единицы энергии. И это действительно так. А пока необходимо заметить, что тело массы 1 кг, движущееся со скоростью 1 м/с, обладает кинетической энергией, которая по определению равна половине основной единицы энергии, то есть половине джоуля. И, наконец, можно заметить, что теперь у нас есть две различные физические величины для характеристики движущегося тела - импульс mv и кинетическая энергия (1/2) mvІ. Одна из них - векторня, а другая - скалярная.

Кинетическая энергия вращения равна (1/2) IІ, где I - момент инерции вращающегося тела, а - его условная скорость в радианах в секунду. Вращающиеся системы можно использовать для накопления энергии, хотя их возможности ограничены напряжениями, которые создаются центростремительными силами, необходимыми для удержания частей вращающегося тела.

Каким образом тело получает кинетическую энергию? Её можно передать телу при столкновении, но её также можно создать, подталкивая тело до тех пор, пока оно не наберёт требуемую скорость. Из состояния покоя тело достигнет скорости при движении с постоянным ускорением , пройдя расстояние x, удовлетворяющее условию

І = 2 x.

Постоянное ускорение сообщается постоянной силой в соответсвии с законом = F/m. Подставив это выражение в формулу для конечной скорости, получим

І = 2(F/m) x, (1/2) mІ = F x

Если под действием постоянной силы тело перемещается на некоторое расстояние, сообщая ему кинетическая энергия даётся вышеприведённой формулой. Произведение силы и расстояния, на котором она действовала, называтся работой (прим. - второе определение).

Работа и кинетическая энергия определены так, что они входят как составные части закона сохранения, который говорит о том, что энергия не исчезает и не создаётся, и, что она только превращается из одного вида в другой или переходит от одного тела к другому, при этом её значение сохраняется. Работа, совершаемая при увеличении скорости тела, равна увеличению кинетической энергии тела. Подобным же образом движущееся или вращающееся тело за счёт своей кинетической энергии может совершать работу, приложив силу на некотором пути.

Простые механизмы представляют собой устройства, в которых перемещения на входе и выходе определённым образом свзаны с силами, развиваемыми этими механизмами там же. Работа на входе всегда равна или больше работы на выходе. Если сила на выходе больше, чем на входе, перемещение на входе должно быть больше перемещения на выходе:

Fвх · xвх ? Fвых · xвых

Равнозадачность работы и кинетической энергии имеет лишь ограниченную применимость, поскольку иногда возникает впечатление, что энергия тела исчезает, - механическая энергия куда-то пропадает. Мяч попрыгает - и останавливается. Энергии пружины часов хватает на сутки, затем их нужно снова заводить. Что будет, если вся энергия кончится? К счастью, существуют другие виды энергии, которые легко превращаются в энергию механическую. Подобное происходит в организме людей (животных): пообедали - и вновь способны работать (бегать, прыгать, что-либо поднимать, обрабатывать и т.д. и т.п.).

Явления природы обычно сопровождаются превращением одного вида энергии в другой.

Тема 4 Теория Максвелла и её основные следствия

Вихревое электрическое поле

Из закона Фарадея i = - dФ/dt следует, что любое изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции приводит к возникновению электродвижущей силы индукции и вследствие этого появляется индукционный ток. Следовательно, возникновение э.д.с. электромагнитной индукции возможно и в неподвижном контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Однако э.д.с. в любой цепи возникает только тогда, когда в ней на носители тока действуют сторонние силы - силы неэлектростатического происхождения.

Опыт показывает, что эти сторонние силы не связаны ни с тепловыми, ни с химическими процессами в контуре; их возникновение также нельзя объяснить силами Лоренца, так как они на неподвижные заряды не действуют. Максвелл, высказал гипотезу, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле, которое и является причиной возникновения индукционного тока в контуре. Согласно представлениям Максвелла, контур, в котором появляется э.д.с., играет второстепенную роль, являясь своего рода лишь “прибором”, обнаруживающим это поле.

Итак, по Максвеллу, изменяющееся во времени магнитное поле порождает электрическое поле EB, циркуляция которого, по формуле,

EB dl = EBl dl = - dФ/dt (1)

где, проекция вектора EBl - проекция вектора E на направление dl; частная производная Ф/t учитывает зависимость потока магнитной индукции только от времени.

Подставив в эту формулу (1) выражение Ф = B dS, получим

EB dl = - /tB dS

Так как контур и поверхность неподвижны, то операции дифференцирования и интегрирования можно поменять местами. Следовательно,

EB dl = - B/t dS (2)

Согласно E dl = El dl = 0, циркуляция вектора напряженности электростатического поля (обозначим его EQ) вдоль замкнутого контура равна нулю:

EQ dl = EQl dl = 0 (3)

Сравнивая выражения (1) и (3), видим, что между рассматриваемыми полями (EB и EQ) имеется принципиальное различие: циркуляция вектора EB в отличие от циркуляции вектора EQ не равна нулю. Следовательно, электрическое поле EB, возбуждаемое магнитным полем, как и само магнитное поле, является вихревым.

Ток смещения

Согласно Максвеллу, если всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, то должно существовать и обратное явление: всякое изменение электрического поля должно вызывать появление в окружающем пространстве вихревого магнитного поля. Так как магнитное поле всегда связывается с электрическим током, то Максвелл назвал переменное электрическое поле, возбуждающее магнитное поле, током смещения, в отличии от тока проводимости, обусловленного упорядоченным движением зарядов. Для возникновения тока смещения, по Максвеллу, необходимо лишь существование переменного электрического поля.

Рис. 1

Рассмотрим цепь переменного тока, содержащую конденсатор (рис. 1). Между обкладками заряжающегося и разряжающегося конденсатора имеется переменное электрическое поле, поэтому, согласно Максвеллу, через конденсатор “протекают” токи смещения, причем в тех участках, где отсутствуют проводники. Следовательно, так как между обкладками конденсатора имеется переменное электрическое поле (ток смещения), между ними возбуждается и магнитное поле.

Найдем, количественную связь между изменяющимся электрическим и вызываемым им магнитным полями. По Максвеллу, переменное электрическое поле в конденсаторе в каждый момент времени создает такое магнитное поле, как если бы между обкладками конденсатора существовал ток проводимости силой, раной силе токов в подводящих проводах. Тогда можно утверждать, что плотности тока проводимости (j) и смещения (jсм) равны: jсм = j.

Плотность тока проводимости вблизи обкладок конденсатора

j = = = ()= d/dt,

- поверхностная плотность заряда,

S - площадь обкладок конденсатора.

Следовательно, jсм = d/dt (4). Если электрическое смещение в конденсаторе равно D, то, поверхностная плотность заряда на обкладках = D. Учитывая это, выражение (4) можно записать в виде: jсм = D/t, где знак частной производной указывает на то, что магнитное поле определяется только быстротой изменения электрического смещения во времени.

Так как ток смещения возникает при любом изменении электрического поля, то он существует не только в вакууме или диэлектриках, но и внутри проводников, по которым течет переменный ток. Однако в данном случае он пренебрежимо мал по сравнению с током проводимости. Наличие токов смещения подтверждено экспериментально советским физиком А. А. Эйхенвальдом, изучившим магнитное поле тока поляризации, который является частью тока смещения.

В общем случае токи проводимости и смещения в пространстве не разделены, они находятся в одном и том же объеме. Максвелл ввел поэтому понятие полного тока, равного сумме токов проводимости ( а также конвекционных токов) и смещения. Плотность полного тока:

j полн = j + D/t.

Введя понятие тока смещения и полного тока, Максвелл по-новому подошел к рассмотрению замкнутости цепей переменного тока. Полный ток в них всегда замкнут, т. е. На концах проводника обрывается лишь ток проводимости, а в диэлектрике (вакууме) между концами проводника имеется ток смещения, который замыкает ток проводимости.

Максвелл обобщил теорему о циркуляции вектора H, введя в ее правую часть полный ток Iполн = j полн dS, охватываемый замкнутым контуром L. Тогда обобщенная теорема о циркуляции вектора H запишется в виде:

H dl = (j + D/t) dS (5)

Выражение (5) справедливо всегда, свидетельством чего является полное соответствие теории и опыта.

Уравнение Максвелла для электромагнитного поля

Введение Максвеллом понятия тока смещения привело его к завершению созданной им единой макроскопической теории электромагнитного поля, позволившей с единой точки зрения не только объяснить электрические и магнитные явления, но и предсказать новые, существование которых было впоследствии подтверждено.

В основе теории Максвелла лежат рассмотренные выше четыре уравнения:

Электрическое поле может быть как потенциальным (EQ), так и вихревым (EB), поэтому напряженность суммарного поля E = EQ + EB. Так как циркуляция вектора EQ равна нулю, а циркуляция вектора EB определяется выражением (2), то циркуляция вектора напряженности суммарного поля

E dl = -B/t dS.

Это уравнение показывает, что источником электрического поля могут быть не только электрические заряды, но и меняющиеся во времени магнитные поля.

Обобщенная теорема о циркуляции вектора H:

H dl = (j + D/t) dS.

Это уравнение показывает, что магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися зарядами (электрическими токами), либо переменными электрическими полями.

Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике:

D dS = Q (6)

Если заряд распределен внутри замкнутой поверхности непрерывно с объемной плотностью с, то формула (6) запишется в виде:

D dS = с dV.

Теорема Гаусса для поля B:

B dS = 0.

Итак, полная система уравнений Максвелла в интегральной форме:

E dl = -B/t dS; D dS = с dV;

H dl = (j + D/t) dS; B dS = 0.

Величины, входящие в уравнения Максвелла, не являются независимыми и между ними существует следующая связь:

D = 0 E;

B = 0 H;

j = E;

где 0 и 0 - соответственно электрическая и магнитная постоянные, и - соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемости, - удельная проводимость вещества.

Из уравнения Максвелла вытекает, что источниками электрического поля могут быть либо электрические заряды, либо изменяющиеся во времени магнитные поля, а магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися электрическими зарядами (электрическими токами), либо переменными электрическим полями. Уравнения Максвелла не симметричны относительно электрического и магнитного полей. Это связано с тем, что в природе существуют электрические заряды, но нет зарядов магнитных.

Для стационарных полей ( E=const и B=const) уравнения Максвелла примут вид:

E dl = 0; D dS = Q;

H dl = I; B dS = 0.

В данном случае электрические и магнитные поля независимы друг от друга, что позволяет изучать отдельно постоянные электрическое и магнитное поля.

Воспользовавшись известными из векторного анализа теоремами Стокса и Гаусса:

A dl = rot A dS;

A dS = div A dV,

можно представить полную систему уравнений Максвелла в дифференциальной форме:

rot E = - B/t; div D = с;

rot H = j + D/t; div B = 0.

Если заряды и токи распределены в пространстве непрерывно, то обе формы уравнений Максвелла - интегральная и дифференциальная - эквивалентны. Однако когда имеются поверхности разрыва - поверхности, на которых свойства среды или полей меняются скачкообразно, то интегральная форма уравнений является более общей.

Уравнения Максвелла - наиболее общие уравнения для электрических и магнитных полей в покоящихся средах. Они играют в учении об электромагнетизме такую же роль, как законы Ньютона в механике. Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле всегда связано с порождаемым им магнитным, т. е. Электрическое и магнитное поля неразрывно связаны друг с другом - они образуют единое электромагнитное поле.

Теория Максвелла является макроскопической, так как рассматривает электрические и магнитные поля, создаваемые макроскопическими зарядами и токами. Поэтому эта теория не смогла вскрыть внутреннего механизма явлений, которые происходят в среде и приводят к возникновению электрического и магнитного полей. Дальнейшим развитием теории электромагнитного поля Максвелла явилась электронная теория Лоренца, а теория Максвелла - Лоренца получила свое дальнейшее развитие в квантовой физике.

Теория Максвелла, являясь обобщением основных законов электрических и магнитных явлений, смогла объяснить не только уже известные экспериментальные факты, что также является важным ее следствием, но и предсказала новые явления. Одним из важных выводов этой теории явилось существование магнитного поля токов смещения, существование электромагнитных волн - переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью. В дальнейшем было доказано, что скорость распространения свободного электромагнитного поля (не связанного и токами) в вакууме равна скорости света с = 3 108 м/c. Этот вывод и теоретическое исследование свойств электромагнитных волн привели Максвелла к созданию электромагнитной теории света, согласно которой свет представляет собой также электромагнитные волны. Электромагнитные волны на опыте были получены Г. Герцем (1857 - 1894), доказавшим, что законы их возбуждения и распространения полностью описываются уравнениями Максвелла. Таким образом, теория Максвелла получила блестящее экспериментальное подтверждение.

Позднее А. Эйнштейн установил, что принцип относительности Галилея для механических явлений распространяется на все другие физические явления.

Согласно принципу относительности Эйнштейна, механические, оптические и электромагнитные явления во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково, т.е. описываются одинаковыми уравнениями. Из этого принципа вытекает, что отдельное рассмотрение электрического и магнитного полей имеет относительный смысл. Так, если электрическое поле создается системой неподвижных зарядов, то эти заряды, являясь неподвижными относительно одной инерциальной системы отсчета, движутся относительно другой и, следовательно, будут порождать не только электрическое, но и магнитное поле. Аналогично, неподвижным относительно одной инерциальной системы отсчета проводник с постоянным током, возбуждая в каждой точке пространства постоянное магнитное поле, движется относительно других инерциальных систем, и создаваемое им переменное магнитное поле возбуждает вихревое электрическое поле.

Таким образом, теория Максвелла, ее экспериментальное подтверждение, а также принцип относительности Эйнштейна приводят к единой теории электрических, магнитных и оптических явлений, базирующиеся на представлении об электромагнитном поле.

Тема 5 Термоядерный синтез

В 1939 году впервые удалось расщепить атом урана. Прошло еще 3 года, и в США был создан реактор для осуществления управляемой ядерной реакции. Затем в 1945г. была изготовлена и испытана атомная бомба, а в 1954г. в нашей стране была пущена в эксплуатацию первая в мире атомная электростанция. Во всех этих случаях использовалась огромная энергия распада атомного ядра. Еще большее количество энергии выделяется в результате синтеза атомных ядер. В 1953 году в СССР впервые была испытана термоядерная бомба, и человек научился воспроизводить процессы, происходящие на солнце. Пока использовать для мирных целей ядерный синтез нельзя, но, если это станет возможным, то люди обеспечат себя дешевой энергией на миллиарды лет. Эта проблема - одно из важнейших направлений современной физики на протяжении последних 50 лет.

Ядерная энергия выделяется при распаде или синтезе атомных ядер. Любая энергия - физическая, химическая, или ядерная проявляется своей способностью выполнять работу, излучать высокую температуру или радиацию. Энергия в любой системе всегда сохраняется, но она может быть передана другой системе или изменена по форме.

Приблизительно до 1800 года основным топливом было дерево. Энергия древесины получена из солнечной энергии, запасенной в растениях в течение их жизни. Начиная с Индустриальной революции, люди зависели от полезных ископаемых - угля и нефти, энергия которых также происходила из запасенной солнечной энергии. Когда топливо типа угля сжигается, атомы водорода и углерода, содержащиеся в угле, объединяются с атомами кислорода воздуха. При возникновении водного или углеродистого диоксида происходит выделение высокой температуры, эквивалентной приблизительно 1.6 киловатт-час на килограмм или приблизительно 10 электрон-вольт на атом углерода. Это количество энергии типично для химических реакций, приводящих к изменению электронной структуры атомов. Части энергии, выделенной в виде высокой температуры, достаточно для поддержания продолжения реакции.

Атом

Атом состоит из маленького, массивного, положительно заряженного ядра, окруженного электронами. Ядро составляет основную часть массы атома. Оно состоит из нейтронов и протонов (общее название нуклоны), связанных между собой очень большими ядерными силами, намного превышающими электрические силы, которые связывают электроны с ядром. Энергия ядра определяется тем, насколько сильно его нейтроны и протоны удерживаются ядерными силами. Энергия нуклона - это энергия, требуемая, чтобы удалить один нейтрон или протон из ядра. Если два легких ядра соединяются, чтобы сформировать более тяжелое ядро или если тяжелое ядро распадается на два более легких, то в обоих случаях выделяется большое количество энергии.

Ядерная энергия, измеренная в миллионах электрон-вольт, образуется в результате синтеза двух легких ядер, когда, два изотопа водорода, (дейтерия) объединяются в результате следующей реакции:

При этом образуется атом гелия с массой 3 а.е.м., свободный нейтрон, и 3.2 Мэв, или 5.1 * 106 Дж (1.2 * 103 кал).

Ядерная энергия также образуется, когда происходит расщепление тяжелого ядра (к примеру ядра изотопа урана-235) вследствие поглощения нейтрона:

В итоге распадаясь на цезий-140, рубидий-93, три нейтрона, и 200 Мэв, или 3.2 * 1016 Дж (7.7 * 108 кал). Ядерная реакция распада выпускает в 10 миллионов раз больше энергии чем при аналогичной химической реакции.

Ядерный Синтез

Выделение ядерной энергии может происходить в нижнем конце кривой энергии при соединение двух легких ядер в одно более тяжелое. Энергия, излучаемая звездами подобно солнцу, является результатом таких же реакций синтеза в их недрах.

При огромном давлении и температуре 15 миллионов градусов C0. Существующие там водородные ядра объединяется согласно уравнению (1) и в результате их синтеза образуется энергия солнца.

Ядерный синтез был впервые достигнут на Земле в начале 30-ых годов. В циклотроне - ускорителе элементарных частиц - производили бомбардировку ядер дейтерия. При этом происходило выделение высокой температуры, однако, эту энергию не удавалось использовать. В 1950-ых годах первый крупномасштабный, но не контролируемый процесс выделения энергии синтеза был продемонстрирован в испытаниях термоядерного оружия Соединенными Штатами, СССР, Великобританией и Францией. Однако это была кратковременная и неуправляемая реакция, которая не могла быть использована для получения электроэнергии.

В реакциях распада нейтрон, который не имеет никакого электрического заряда, может легко приближаться и реагировать с расщепляемым ядром, например урана-235. В типичной реакции синтеза, однако, реагирующие ядра имеют положительный электрический заряд и поэтому по закону Кулона отталкиваются, таким образом силы, возникающие вследствие закона Кулона, должны быть преодолены до того, как ядра смогут соединиться. Это происходит, когда температура реагирующего газа - достаточно высока от 50 до 100 миллионов градусов C0. В газе тяжелых водородных изотопов дейтерия и трития при такой температуре происходит реакция синтеза выделяя приблизительно 17.6 Мэв. Энергия появляется сначала, как кинетическая энергия гелия-4 и нейтрона, но скоро проявляется в виде высокой температуры в окружающих материалах и газе.

Если при такой высокой температуре, плотность газа составляет 10-1 атмосфер (т.е. почти вакуум), то активный гелий-4 может передавать свою энергию окружающему водороду. Таким образом, поддерживается высокая температура и создаются условия для протекания самопроизвольной реакции синтеза. При этих условиях происходит «ядерное воспламенение».

Достижению условий управляемого термоядерного синтеза препятствуют несколько основных проблем. Во-первых, нужно нагреть газ до очень высокой температуры. Во-вторых, необходимо контролировать количество реагирующих ядер в течение достаточно долгого времени. В-третьих, количество выделяемой энергии должно быть больше, чем было затрачено для нагревания и ограничения плотности газа. Следующая проблема - накопление этой энергии и преобразование ее в электричество.

При температурах даже 100000 C0 все атомы водорода полностью ионизируются. Газ состоит из электрически нейтральной структуры: положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных свободных электронов. Это состояние называется плазмой.

Плазма, достаточно горяча для синтеза, но не может находиться в обычных материалах. Плазма охладилась бы очень быстро, и стенки сосуда были бы разрушены при перепаде температур. Однако, так как плазма состоит из заряженных ядер и электронов, которые двигаются по спирали вокруг силовых линий магнитного поля, плазма может содержаться в ограниченной магнитным полем области без того, чтобы реагировать со стенками сосуда.

В любом управляемом устройстве синтеза выделение энергии должно превышать энергию, требуемую, для ограничения и нагрева плазмы. Это условие может быть выполнено, когда время заключения плазмы и ее плотность n превышает приблизительно 1014. Отношения n > 1014 называются критерием Лоусона.

Многочисленные схемы магнитного заключения плазмы были испытаны начиная с 1950 в Соединенных Штатах, СССР, Великобритании, Японии и в других местах. Термоядерные реакции наблюдали, но критерий Лоусона редко превышал 1012. Однако одно устройство “Токамак” (это название - сокращение русских слов: ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками), первоначально предложенное в СССР Игорем Таммом и Андреем Сахаровым начало давать хорошие результаты в начале 1960-ых.

Токамак

Токамак - это тороидальная вакуумная камера, на которую надеты катушки, создающие сильное тороидальное магнитное поле. Тороидальное магнитное поле равное приблизительно 50000 Гаусс поддерживается внутри этой камеры мощными электромагнитами. Продольный поток нескольких миллионов ампер создается в плазме катушками трансформатора. Замкнутые магнитные полевые линии устойчиво ограничивают плазму.

Основанные на успешном действии экспериментального маленького "Tокамака" в нескольких лабораториях в начале 1980-ых были построены два больших устройства, один в Принстонском Университете в Соединенных Штатах и один в СССР. В "Tокамаке" высокая плазменная температура возникает в результате выделения тепла при сопротивлении мощного тороидального потока, а также путем дополнительного нагревания при введении нейтрального луча, что в совокупности должно приводить к воспламенению.

Другой возможный путь получить энергию синтеза - также инерционного свойства. В этом случае топливо - тритий или дейтерий содержится в пределах крошечного шарика, бомбардируемого с нескольких сторон импульсным лазерным лучом. Это приводит к взрыву шарика, с образованием термоядерной реакции, которая зажигает топливо. Несколько лабораторий в Соединенных Штатах и в других местах в настоящее время исследуют эту возможность. Прогресс исследования синтеза был многообещающим, но задача создания практических систем для устойчивой реакции синтеза, которая производит большее количество энергии чем потребляет, пока остается не решенной и потребует еще много времени и сил.

Однако, некоторое продвижение в этом вопросе было достигнуто в начале 1990-ых. В 1991 году впервые удалось получить существенное количество энергии - приблизительно 1.7 миллион ватт в результате управляемого ядерного синтеза в Объединенной европейской лаборатории (Торус). В декабре 1993 года, исследователи в Принстонском университете использовали реактор типа токамак для реакции синтеза, чтобы произвести управляемую ядерную реакцию, выделенная энергия равнялась 5.6 миллионов ватт. Однако, и в реакторе типа токамак и в лаборатории Торус затратили большее количество энергии, чем было получено.