Методические указания к решению тестовых задач по дисциплине «Концепции современного естествознания».

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

З.С. САЗОНОВА, Г.Ю. ТИМОФЕЕВА, Т.М. ТКАЧЕВА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РЕШЕНИЮ ТЕСТОВЫХ ЗАДАЧ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ»

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

Кафедра инженерной педагогики

Утверждаю Зав. кафедрой профессор ____________ В.М. Жураковский «___» __________ 2015 г.

З.С. САЗОНОВА, Г.Ю. ТИМОФЕЕВА, Т.М. ТКАЧЕВА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РЕШЕНИЮ ТЕСТОВЫХ ЗАДАЧ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ»

МОСКВА МАДИ 2015

УДК 5 ББК 2 С148 Сазонова, З.С. С148 Методические указания к решению тестовых задач по дисциплине «Концепции современного естествознания» / З.С. Сазонова, Г.Ю. Тимофеева, Т.М. Ткачева. – М.: МАДИ, 2015. – 104 с. Методические указания составлены в соответствии с материалами лекционного курса, читаемого преподавателями кафедры инженерной педагогики МАДИ студентам, обучающимся по направлениям подготовки: «Экономика» (38.03.01), «Менеджмент» (38.03.02), «Таможенное дело» (38.05.12), «Управление персоналом» (38.03.03). Методические указания написаны в соответствии с государственным стандартом ФГОС ВО и содержат тестовые вопросы, необходимые для самоконтроля. Содержание методических указаний включает следующие разделы: эволюция научного метода и естественнонаучной картины мира, пространство, время, симметрия, структурные уровни и системная организация материи, порядок и беспорядок в природе, панорама современного естествознания. УДК 5 ББК 2 ___________________________________________________________ САЗОНОВА Зоя Сергеевна ТИМОФЕЕВА Галина Юрьевна ТКАЧЕВА Татьяна Михайловна МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РЕШЕНИЮ ТЕСТОВЫХ ЗАДАЧ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ» Редактор В.В. Виноградова Подписано в печать 29.05.2015 г. Формат 60×84/16. Усл. печ. л. 6,5. Тираж 220 экз. Заказ . Цена 215 руб. МАДИ, 125319, Москва, Ленинградский пр-т, 64. МАДИ, 2015

3

СОДЕРЖАНИЕ 1. ЭВОЛЮЦИЯ НАУЧНОГО МЕТОДА И ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОЙ КАРТИНЫ МИРА ...................................................... 4 Тема 1. Научный метод познания .............................................................................. 4 Тема 2. Естественнонаучная и гуманитарная культуры.......................................... 8 Тема 3. Развитие научных исследовательских программ и картин мира (история естествознания, тенденции развития) .............. 10 Тема 4. Развитие представлений о материи .......................................................... 13 Тема 5. Развитие представлений о движении........................................................ 15 Тема 6. Развитие представлений о взаимодействии ............................................ 18 2. ПРОСТРАНСТВО. ВРЕМЯ, СИММЕТРИЯ ............................................................. 20 Тема 7. Принципы симметрии, законы сохранения ............................................... 20 Тема 8. Эволюция представлений о пространстве и времени............................. 24 Тема 9. Специальная теория относительности ..................................................... 27 Тема 10. Общая теория относительности .............................................................. 30 3. СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ И СИСТЕМНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ МАТЕРИИ ......................................................... 32 Тема 11. Микро-, макро-, мегамир ............................................................................ 32 Тема 12. Системные уровни организации материи................................................ 34 Тема 13. Структуры микромира ................................................................................ 35 Тема 14. Химические системы.................................................................................. 36 4. ПОРЯДОК И БЕСПОРЯДОК В ПРИРОДЕ ............................................................. 40 Тема 15. Динамические и статистические закономерности в природе ............... 40 Тема 16. Концепции квантовой механики ............................................................... 45 Тема 17. Принцип возрастания энтропии ............................................................... 49 Тема 18. Закономерности самоорганизации. Принципы универсального эволюционизма ........................................... 54 5. ПАНОРАМА СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ .......................................... 59 Тема 19. Космология ................................................................................................. 59 Тема 19а. Общая космогония .................................................................................. 59 Тема 19б. Происхождение Солнечной системы .................................................... 61 Тема 19в. Геологическая эволюция ........................................................................ 67 Тема 20. Происхождение жизни (эволюция и развитие живых систем) .............. 74 Тема 21. Эволюция живых систем .......................................................................... 80 Тема 22. Генетика и эволюция................................................................................. 84 6. БИОСФЕРА И ЧЕЛОВЕК ......................................................................................... 86 Тема 23. Экосистемы (многообразие живых организмов – основа организации и устойчивости живых систем).............................. 86 Тема 24. Биосфера ................................................................................................... 88 Тема 25. Человек в биосфере.................................................................................. 90 Тема 26. Глобальный экологический кризис (экологические функции литосферы, экология и здоровье) ................. 93 Кейс-задания .............................................................................................................. 94

4

1. ЭВОЛЮЦИЯ НАУЧНОГО МЕТОДА И ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОЙ КАРТИНЫ МИРА Тема 1. Научный метод познания Принципы научного познания: 1) верификация – научная теория должна пройти многократную проверку экспериментами; 2) фальсификация (опровергаемость) – принцип, суть которого заключается в том, что из теоретических положений должны выводиться положения, поддающиеся проверке; 3) соответствия – новая теория не отвергает старую, а лишь устанавливает границы ее применимости. Она совпадает со старой в рамках указанных границ. Свойства научного знания: • объективность – воспроизведение действительности такой, какой она существует сама по себе, вне и независимо от человека и его сознания; • достоверность – связана с постоянной проверкой полученных результатов; • системность – стремление к целостностному охвату объекта изучения, заключающееся в исследовании явлений и объектов как части целостностной системы и сведению многообразных типов связей элементов системы в единую теоретическую картину. Методы научного познания: • дедукция – способ рассуждения или метод движения знаний от общего к частному; • индукция – способ исследования и рассуждения, в котором общий вывод строится на основе обобщения частных посылок; • анализ – мысленное или реальное расчленение, разложение объекта на составные элементы в целях всестороннего изучения; • синтез – соединение ранее выделенных частей предмета, в единое целое; • абстрагирование – отвлечение от ряда несущественных для данного исследования свойств изучаемого явления с одновременным выделением интересующих свойств и отношений; • моделирование – изучение объекта путем создания и исследования его копии, замещающей объект исследования с определенных сторон. Функции науки Познавательная функция является основополагающей, назначение которой заключается в познании природы, человека и общества в

5

целом, а также в рационально-теоретическом постижении мира, объяснении процессов и явлений, открытии закономерностей и законов, осуществлении прогнозирования и т.д. Мировоззренческая функция во многом переплетается с познавательной. Они взаимосвязаны, поскольку ее целью является разработка научной картины мира и соответствующего ей мировоззрения. Производственная функция, которую также можно назвать технико-технологической функцией, необходима для внедрения инноваций, новых форм организаций процессов, технологий и научных нововведений в производственные отрасли. Социальная функция начала выделяться особенно существенно в последнее время. Это связано с достижениями научно-технической революции. В связи с этим наука превращается в социальную силу. Это проявляется в ситуациях, когда данные науки используются в разработках программ социального и экономического развития. Поскольку такие планы и программы имеют комплексный характер, то их разработка предполагает тесное взаимодействие различных отраслей естественных, общественных и технических наук. Культурные функции науки (или образовательные) сводится к тому, что наука является своего рода феноменом культуры, важным фактором развития людей, их образования и воспитания. Формы научного знания: • гипотеза – интуитивное научное предположение о природе наблюдаемых явлений, основанное на анализе экспериментальных данных; • научный закон – многократно экспериментально проверенная и подтвержденная гипотеза переходит в разряд научных законов; • научная теория – это группа научных законов, описывающая совокупность родственных явлений с единой точки зрения. Примеры тестов 1. На эмпирическом уровне научного познания происходит … 5 сбор фактов и информации … предсказание новых явлений в рамках существующих теорий … выдвижение гипотез … объяснение и обобщение фактов 2. Под достоверностью научного знания понимают … 5 необходимость обоснования знания путем экспериментального контроля и выводимости одних знаний из других, истинность которых доказана … однозначность языка, четко фиксирующего смысл и значение понятий

6

… преемственность знаний, когда новые знания определенным образом и по определенным правилам соотносятся со старыми … независимость научного знания от познающего субъекта 3. Установите соответствие между свойством научного знания и его сутью: 1) достоверность 2) системность 3) объективность 1 научное знание должно быть обязательно доказано, например многократным экспериментом 2 научное знание всегда структурно организовано: одно положение является следствием другого 3 знание не зависит от личности познающего субъекта и его индивидуальности … знание максимально должно быть приближено к объективной реальности … независимость научного знания от познающего субъекта 4. Установите соответствие между принципом научного познания и его сутью: 1) принцип верификации 2) принцип фальсификации 3) принцип соответствия 1 для получения статуса научной сама теория и все ее положения должны пройти многократную проверку экспериментом 2 любая научная теория и любое положение обязательно должны выдержать … критику и опровержение со стороны как автора, так и оппонентов 3 описание объектов, для которых можно не учитывать корпускулярно-волновой дуализм и соотношения неопределенностей … для полного описания поведения микрообъекта необходимо знать как его корпускулярные, так и волновые характеристики, которые могут быть получены только в разных экспериментах 5. Согласно принципу фальсификации, который используется для проверки научности знания, … 5 научным может быть только принципиально опровергаемое знание … научное знание нельзя опровергнуть … ученый не должен пытаться опровергнуть свою гипотезу … истинность гипотезы необходимо подтвердить на опыте 6. Установите соответствие между определением метода научного познания и самим методом: 1) создание целостной картины об объекте исследования путем объединения данных, полученных при изучении отдельных частей

7

2) способ рассуждения, в котором общий вывод строится на основе частных посылок 3) отвлечение от ряда несущественных для данного случая свойств изучаемого явления с одновременным выделением интересующих свойств 1 синтез 2 индукция 3 абстрагирование … дедукция Решение Создание целостной картины об объекте исследования путем объединения данных, полученных при изучении отдельных частей, – это синтез. Способ рассуждения, в котором общий вывод строится на основе частных посылок, – метод индукции. Отвлечение от ряда несущественных для данного случая свойств изучаемого явления с одновременным выделением интересующих свойств – это абстрагирование. Дедукция – это процесс аналитического рассуждения от общего к частному. 7. Метод познания, заключающийся в сознательном отвлечении от индивидуальных, несущественных свойств и сторон изучаемого объекта или явления с одновременным выделением интересующих исследователя свойств и связей, называется … 5 абстрагированием … моделированием … идеализацией … формализацией 8. Сопоставьте форму научного знания и ее пример … 1) гипотеза 2) закон 3) теория 1 существование фундаментальных частиц вещества – кварков 2 сохранение энергии в процессах превращения элементарных частиц 3 кварковая модель строения атомного ядра … существование большого числа атомных ядер с характерным зарядом Решение В физике атомного ядра и элементарных частиц во второй половине XX века появилась гипотеза о существовании кварков. Эта гипотеза легла в основу современной модели (теории) строения атомного ядра. Сохранение энергии в процессах превращения элементарных частиц – это закон природы.

8

Тема 2. Естественнонаучная и гуманитарная культуры Классификация наук. Гуманитарные и естественные науки Наука – раздел культуры. Естествознание – комплекс наук о природе. Естественные науки: • исследуют повторяющиеся (типичные), универсальные процессы в природе; • истолковывают явления; • характеризуются упором на строго объективную количественную оценку изучаемых явлений. Гуманитарные науки исследуют рациональное и эмоциональное поведение людей и их установки, которые необходимы для социального, культурного, политического и экономического взаимодействия. В гуманитарных науках (в отличие от естественных наук): • нестрогий образный язык; • изучаются явления, вероятность повторения которых мала; • предмет изучения всегда историчен; • выделение индивидуальных свойств изучаемых предметов; • сложность (или невозможность) верификации и фальсификации; • знание субъективно (различие этических, эстетических, религиозных и др. взглядов приводит к тому, что осуществляется индивидуальная оценка явлений, результатом чего и является многовариантность представлений, оценок и позиций по исследуемому явлению). Примеры тестов 1. В гуманитарных науках, в отличие от естественных, … 5 субъект познания накладывает значительный отпечаток на полученные знания … используется строгий язык законов и математических формул … знание обязательно доказывается опытным путем … изучаются только типичные, универсальные процессы 2. В гуманитарных науках, в отличие от естественных, … 5 важно не только само знание, но и его индивидуальная оценка … изучаются только типичные, универсальные процессы … ученый стремится к получению «чистого знания» о мире, без учета этических, эстетических и других ценностей … осуществляется преимущественно количественная оценка явлений 3. Естественные науки характеризуются … 5 объективной количественной оценкой изучаемых объектов … совпадением объекта и субъекта познания

9

… преобладанием качественных оценок … затрудненностью экспериментальных методов исследования 4. Естественные науки характеризуются … 5 обязательной опытной проверкой полученных знаний … преобладанием качественных оценок … использованием образного языка … полным совпадением объекта и субъекта познания 5. От истинной науки псевдонаука отличается тем, что она … 5 не связана с получением достоверного знания … не претендует на статус науки … связана всегда с получением практически значимых результатов … не содержит в своем содержании противоречащих фактов 6. Закончите следующую фразу, которая касается вопроса отнесения религии к псевдонауке. Считать религию псевдонаукой … 5 можно, но лишь в том случае, если она претендует на научную обоснованность … нельзя, поскольку ученые тоже бывают верующими … можно, поскольку она не дает объективного знания … нельзя, поскольку целью религии не служит знание 7. Универсальным языком естествознания является … 5 математика … физика … философия … филология 8. В ходе процесса интеграции естественнонаучного знания возникла … 5 геохимия … аналитическая химия … органическая химия … минералогия 9. В ходе процесса дифференциации естественных наук возникла … 5 гидродинамика … экономическая география … биохимия … астрофизика 10. Результатом процесса интеграции знания является … химия. 5 фармацевтическая … органическая … аналитическая … неорганическая

10

Тема 3. Развитие научных исследовательских программ и картин мира (история естествознания, тенденции развития) Атомистическая концепция (IV–III века до н.э.) главным образом связана с именами Левкиппа и Демокрита. Основные положения теории: • в мире есть два начала: пустота (небытие) и атомы (бытие); • в абсолютной пустоте окружающего пространства существует бесконечное число мельчайших неделимых – атомов, которые имеют разнообразную форму и движутся в пустоте беспорядочно, иногда сталкиваются и отталкиваются друг от друга, но иногда сцепляются в разных положениях и сочетаниях, что означает образование вещей с разным качеством (даже Земля и звезды); • атомы никогда не возникают и никогда не погибают (т.е. вечны); • атомы наделены свойством тяжести; • атомы бывают самой разнообразной формы и различны по размерам, но все они столь малы, что невидимы; • эта концепция не допускает беспредельной делимости материи; • принцип причинности в первоначальной форме (Демокрит – каждое событие имеет естественную причину) и его позднейшее уточнение (причина должна предшествовать следствию). Континуальная концепция (концепция непрерывной материи) Аристотеля (IV век до н.э.) отрицает пустоту в природе, рассматривая материальный мир в виде, непрерывно заполняющей все пространство, субстанции, в которой совершаются движения. По Аристотелю – Космос ограничен сферой, в центре которой находится земной шар. За пределами этой сферы нет ничего – ни пространства, ни времени. Внутри этой сферы (т.е. во Вселенной) нет пустоты – все заполняет материя (первоматерия). Механистическая картина мира: • все явления объясняются законами Ньютона, т.е. механикой тел (атомов), их перемещением, столкновением, взаимодействием и т.д.; • в основе механистической картины мира лежит геометрия Евклида; • микромир аналогичен макромиру, управляется одними и теми же законами. Квантово-полевая картина мира: • материя существует в виде вещества, поля, физического вакуума; • причинность имеет вероятностный характер. Случайность и неопределенность – фундаментальные свойства Вселенной. Естественнонаучная картина мира – это система представлений об общих закономерностях в природе, сформированная в резуль-

11

тате анализа и синтеза знаний, полученных в рамках различных естественнонаучных дисциплин. Фундаментальные вопросы, на которые отвечает научная картина мира: • о материи; • о движении; • о взаимодействии; • о пространстве и времени; • о причинности, закономерности и случайности; • о космологии (общем устройстве и происхождении мира). Примеры тестов 1. Все естественнонаучные картины мира отвечают на вопрос о (-об) … 5 механизмах взаимодействия материальных тел … изменчивости свойств пространства и времени … взаимосвязи корпускулярных и континуальных свойств материи … множественности форм движения материи 2. Согласно программе рационального объяснения мира, появившейся в Древней Греции, … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 каждое событие имеет естественную причину 5 мир можно познать человеческим разумом … события имеют как божественные причины, так и естественные … разумом познаваемы только события, происходящие в силу естественных причин 3. Атомистическая исследовательская программа Левкиппа – Демокрита была основана на идеях о том, что … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 весь материальный мир состоит из дискретных неделимых атомов 5 все в мире сводится к перемещению атомов в пустоте … материя непрерывна и бесконечно делима … пустого пространства не существует, материя заполняет все без пустот 4. Континуальная исследовательская программа Аристотеля была основана на идеях о том, что … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 материя непрерывна и бесконечно делима 5 пустого пространства не существует, материя заполняет все без пустот … весь мир состоит из дискретных неделимых атомов … все в мире сводится к перемещению атомов в пустоте

12

Решение Континуальная исследовательская программа Аристотеля была основана на идеях о том, что материя непрерывна и бесконечно делима, а пустого пространства не существует, материя заполняет все без пустот. 5. Согласно натурфилософской картине мира, созданной Аристотелем в IV веке до н.э., … 5 Вселенная имеет форму шара, в центре которого покоится шарообразная Земля … все состоит из мельчайших неделимых частиц – атомов, движущихся в пустоте … каждое действие встречает равное и противоположно направленное противодействие … любое движение есть изменение положения тела в пространстве с течением времени 6. Среди научных картин мира только в механической картине существовали представления о (об) … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 единственной форме материи – веществе 5 взаимодействии по принципу дальнодействия … полной предсказуемости всех событий прошлого и будущего … существовании мирового эфира 7. Согласно принципу причинности в науке, … 5 каждое событие имеет естественную причину, а беспричинных событий не бывает … причиной изменения состояния любой системы является внешнее воздействие на нее … события могут быть беспричинными или иметь сверхъестественную причину … причина может наступить как раньше, так и позже своего следствия в зависимости от выбранной системы отсчета 8. В современной картине мира (вторая половина XX века) по сравнению с предыдущими появились представления о (об) … (Укажите два варианта ответа) 5 существовании третьей формы материи – физическом вакууме, играющем важную роль в развитии Вселенной 5 универсальности эволюции, присущей всем объектам материального мира и Вселенной в целом … корпускулярно-волновом дуализме свойств материальных объектов … неразрывной взаимосвязи материальных объектов и пространственно- временных характеристик

13

9. В квантово-полевой картине мира были отвергнуты представления о (об) … 5 статичности Вселенной 5 однозначной предсказуемости всех событий прошлого и будущего … взаимодействии по принципу дальнодействия … существовании единственной формы движения материи – механической Решение В квантово-полевой картине мира были отвергнуты представления о статичности Вселенной и однозначной предсказуемости всех событий прошлого и будущего. На основе теории относительности А. Эйнштейна были предложены теоретические модели развивающейся Вселенной, получены наблюдательные подтверждения расширения Вселенной. В квантовой механике состояние системы описывается волновой функцией, которая позволяет знать вероятность тех или других параметров системы, в связи с чем потерял смысл механический детерминизм с однозначной предсказуемостью всех событий прошлого и будущего. Тема 4. Развитие представлений о материи Примеры тестов 1. Представление о возможности существования абсолютно пустого, не заполненного материей пространства характерно для … 5 учений древнегреческих атомистов … натурфилософской картины мира Аристотеля … концепции мирового эфира … современной научной картины мира Решение Атомисты (Демокрит) считали пустоту самостоятельным элементом мироздания. Аристотель же учил, что материя непрерывна, бесконечно делима и заполняет Вселенную, не оставляя места пустоте. Похожая идея лежала в основе концепции мирового эфира – гипотетической всепроникающей упругой среды, которой заполнена Вселенная. В современной научной картине мира принято представление о такой форме материи, как физический вакуум, вездесущий, неустранимый и при этом имеющий сложную динамическую структуру и ненулевую энергию. Конечно, такую материальную среду никак нельзя считать абсолютной пустотой.

14

2. Представление о невозможности существования абсолютно пустого, не заполненного материей пространства характерно для … 5 натурфилософской картины мира Аристотеля 5 современной научной картины мира … механической научной картины мира … электромагнитной научной картины мира 3. Представление о том, что материя имеет исключительно дискретную структуру, характерно для … 5 механической научной картины мира … электромагнитной научной картины мира … современной научной картины мира … натурфилософской картины мира Аристотеля Решение Аристотель учил, что материя непрерывна и бесконечно делима. В механической картине мира под материей понималось вещество, состоящее из частиц, вечных и неизменных. Основная абстракция ньютоновской механики, материальная точка, – это как раз абстракция дискретной неделимой частицы. В электромагнитной картине мира появилось представление об еще одной форме материи – физическом поле, непрерывном в пространстве и не имеющем определенных границ. В современной научной картине мира непреодолимая граница между полем и веществом исчезает (концепция корпускулярно-волнового дуализма). 4. Представление о том, что материя имеет исключительно дискретную структуру, характерно для … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 механической научной картины мира 5 учений древнегреческих атомистов … современной научной картины мира … электромагнитной научной картины мира 5. В истории естествознания известны две основные конкурировавшие между собой концепции – корпускулярная, согласно которой материя имеет дискретную структуру, и континуальная, в рамках которой материя считается непрерывной и бесконечно делимой. В настоящее время … 5 корпускулярная и континуальная концепции признаны справедливыми и взаимодополняющими … принята корпускулярная концепция, а континуальная отвергнута как совершенно несостоятельная … принята континуальная концепция, а корпускулярная отвергнута как совершенно несостоятельная

15

… и корпускулярная, и континуальная концепции отвергнуты в пользу совершенно новой концепции 6. Не основано на эффекте Доплера … 5 выяснение жидкого состояния внешнего ядра Земли и твердого состояния внутреннего ядра … измерение скорости автомобиля с помощью полицейского радара … открытие того, что все далекие галактики удаляются от нашей Галактики … изменение высоты тона локомотивного гудка при прохождении поезда мимо наблюдателя 7. Для современной естественнонаучной картины мира характерно понимание материи как … 5 всего, что существует независимо от нас и доступно эмпирическому познанию … вещества, имеющего дискретную (атомарную) структуру … физического вакуума, вездесущего, неустранимого и неуничтожимого … субстанции, составляющей первооснову всех вещей в мире Решение В современном естествознании признается существование нескольких заметно отличающихся по своим свойствам форм материи (вещество, поле, физический вакуум, темная материя). Поэтому для современного ученого рабочим инструментом может служить лишь очень широкое определение материи, согласующееся с требованиями научного метода познания. 8. Электромагнитным излучением являются … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 луч света, испускаемый лазером 5 радиоволны, испускаемые сотовыми телефонами … ионизирующее излучение, испускаемое радиоактивными веществами … звук, испускаемый динамиками акустических систем Тема 5. Развитие представлений о движении Примеры тестов 1. Представление о том, что все происходящее в мире сводится к перемещению тел или частиц по своим траекториям, характерно для … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 учений древнегреческих атомистов 5 механической научной картины мира … современной научной картины мира

16

… электромагнитной научной картины мира 2. Первый и второй законы классической (ньютоновской) механики утверждают, что … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 в отсутствие внешних сил любое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения 5 при действии на тело некоторой силы его скорость изменяется; скорость изменения скорости тела, т.е. его ускорение, пропорциональна действующей на него силе и обратно пропорциональна массе тела … два тела действует друг на друга с силой, равной по величине, но противоположной по направлению … любые два тела в мире притягиваются друг к другу; сила притяжения пропорциональна массе каждого тела и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними 3. Не может быть описано как механическое перемещение или результат механического перемещения каких-то тел или частиц … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 движение электронов в атоме 5 возникновение радужных разводов на луже, в которую попала капелька масла из стоявшего над ней автомобиля … движение электронов в кинескопе телевизора … обращение планет вокруг Солнца Решение Механическое описание процессов как перемещения каких-то тел или частиц невозможно или неверно в случаях, когда: 1) речь идет о качественных превращениях; например, рассмотрение геологической эволюции планеты требует рассматривать не только механическое перемещение вещества в ее недрах и на поверхности, но и происходящие при этом химические реакции, изменение физического состояния вещества (плавление или кристаллизацию), ядерные реакции и т.д.; 2) рассматриваются колебания электромагнитного или иных физических полей в условиях, благоприятствующих проявлению волновой стороны этих колебаний; например, радужная пленка на поверхности лужи, в которую попало масло из автомобиля, объясняется интерференцией света (электромагнитной волны, проявляющей в данном случае именно волновую сторону своей природы), отражающегося от верхней и нижней поверхности масляной пленки; 3) рассматривается движение микрочастиц в условиях, требующих учитывать законы квантовой механики; например, движение электрона в атоме ограничено микроскопической областью с размерами

17

порядка его длины волны (де Бройля): в этих условиях электрон ведет себя уже не как частица, а как волна, и представление о траектории его движения неверно в принципе. 4. Представление о многообразии форм движения и их несводимости друг к другу впервые появилось в … научной картине мира 5 электромагнитной … механической … неклассической … современной (постнеклассической) Решение Представление о многообразии форм движения и их несводимости друг к другу впервые появилось в электромагнитной научной картине мира. Противоположное представление – о сводимости всех форм движения к одной – характерно только для механической научной картины мира. 5. Высшая, наиболее сложная из форм движения материи – это … 5 социальная … биологическая … химическая … физическая 6. В число положений учения о химическом процессе входят положения о том, что … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 состояние химической системы задается концентрациями присутствующих в ней и взаимодействующих между собой веществ 5 повышение температуры всего на 10 градусов увеличивает скорость химической реакции в несколько раз … каждое химическое соединение, независимо от способа его получения, состоит из одних и тех же элементов с одним и тем же отношением их масс … строение молекулы можно установить, исследуя химические свойства вещества, и, наоборот, зная строение молекулы, можно предвидеть многие свойства соединения 7. Под состоянием системы в естественных науках понимается … 5 совокупность данных, необходимых для предсказания эволюции … физическое самочувствие, расположение духа, настроение … положение, внешние или внутренние обстоятельства, в которых находится система … капитал, мера материального благополучия Решение Языком естествознания является математика, поэтому состояние любой системы характеризуется числами – значениями параметров,

18

характеризующих систему. Если данная совокупность параметров достаточна для того, чтобы с помощью имеющейся теории предсказать значения этих же параметров в последующие моменты времени, то состояние системы вполне определено. Тема 6. Развитие представлений о взаимодействии Примеры тестов 1. И для Аристотеля, и для современной научной картины мира характерны … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 представление о необходимости материальных посредников для передачи воздействия от одного тела к другому 5 описание механизма передачи взаимодействий в рамках концепции близкодействия … описание механизма передачи взаимодействий в рамках концепции дальнодействия … идея о неравноправности взаимодействующих тел, среди которых всегда можно выделить активное (движущее) и пассивное (движимое) 2. Представление о физическом поле как материальном агенте, осуществляющем передачу взаимодействий, возникло в … картине мира. 5 электромагнитной научной … аристотелевой натурфилософской … механической научной … современной научной 3. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает стабильность … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 молекул 5 атомов … галактики … атомных ядер 4. К частицам – переносчикам фундаментальных взаимодействий не относятся … 5 электроны … гравитоны … фотоны … глюоны Решение Гравитационное взаимодействие переносится гравитонами, электромагнитное – фотонами, сильное – глюонами, слабое – промежуточными векторными бозонами.

19

5. В число фундаментальных взаимодействий не входит … 5 ковалентное … гравитационное … электромагнитное … сильное 6. Представление о физическом поле как материальном агенте, осуществляющем передачу взаимодействий, характерно для … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 современной научной картины мира 5 электромагнитной научной картины мира … механической научной картины мира … взглядов Аристотеля 7. Из всех известных фундаментальных взаимодействий в XX в. были открыты … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 сильное 5 слабое … электромагнитное … гравитационное 8. Снимается фантастический боевик, по сценарию которого враждебно настроенные пришельцы выкрадывают Солнце. Учитывая, что расстояние от земли до Солнца составляет около 8 световых минут, для согласования фильма с современными представлениями о взаимодействии следует показать, что, после того как пришельцы туннелируют Солнце в сою систему, наша Земля … 5 еще 8 минут будет оставаться освещенной и испытывать силу тяготения Солнца, заставляющую ее двигаться по эллиптической орбите … еще 8 минут будет оставаться освещенной, но сразу перестанет притягиваться к Солнцу и полетит по прямолинейной траектории … сразу погрузится во тьму, но еще 8 минут будет испытывать силу тяготения Солнца, заставляющую ее двигаться по эллиптической орбите … будет продолжать оставаться освещенной и двигаться по своей обычной орбите неограниченно долго Решение Современные представления о взаимодействии опираются на концепцию близкодействия, согласно которой взаимодействие передается через материального посредника – то или иное физическое поле. При этом скорость передачи взаимодействия не может превышать скорость света. Поэтому, если что-то случится с Солнцем, мы сможем это заметить лишь спустя время, необходимое свету, чтобы добраться от Солнца до Земли.

20

2. ПРОСТРАНСТВО. ВРЕМЯ, СИММЕТРИЯ Тема 7. Принципы симметрии, законы сохранения Симметрия и противоположное ей свойство природы – асимметрия (или неполная симметрия) являются фундаментальными понятиями естествознания, так как они, в известной мере, отражают степень упорядоченности систем, вследствие чего, помогают восприятию порядка в хаотической Вселенной и позволяют из разрозненных фрагментов знания получить целостную картину мира. Симметрия: • предполагает неизменность (инвариантность) объекта или свойств объекта по отношению к каким-либо преобразованиям, операциям, выполненных над объектом (простейший пример: если куб повернуть на 90°, то он будет выглядеть точно так же, как и до поворота); • понятие симметрии, как неизменности свойств объекта по отношению к операциям, выполненных над объектом, можно применить к материальным объектам, физическим законам и математическим формулам. В природе не все объекты обладают симметрией, но не бывает и полного отсутствия симметрии (асимметрия – такое состояние, при котором симметрия отсутствует). Нарушенные (неполные) симметрии, примеры: • «живым» молекулам, в отличие от «неживых» молекул, присуща так называемая хиральность (хиральность – понятие, характеризующее свойство объекта быть несовместимым со своим отображением в идеальном плоском зеркале). Так ориентация ДНК – спираль, всегда правая; • у высших биологических объектов, в отличие от низших, имеет место асимметрия – разделение полов, где каждый пол вносит в процесс самовоспроизведения, свойственную только ему, генетическую информацию; • асимметрия на уровне элементарных частиц – это преобладание в нашей Вселенной частиц над античастицами. Эволюция есть цепочка нарушений симметрии. Это обусловлено: • наибольшей симметрией обладают равновесные хаотические состояния системы; • при переходе материи на более высокий уровень организации, упорядоченности – снижается энтропия (как мера хаотичности), а тем самым и симметрия. По мере упорядочения живых организмов (живых систем), их усложнения в ходе развития жизни (эволюции), асимметрия все больше

21

и больше превалирует над симметрией, вытесняя ее из биологических и физиологических процессов. Простейшие симметрии: • однородность (одинаковые свойства во всех точках); • изотропность (одинаковые свойства во всех направлениях). Симметрия пространства и времени. Пространство и время обладают тремя фундаментальными свойствами – тремя видами симметрии, связанными с однородностью времени, с однородностью и изотропностью пространства. Все нижеописанные представления справедливы лишь в предположении, что пространство и время образуют непрерывные континуумы, т.е. не дискретны (не состоят из кусков): • свойство, называемое непрерывностью пространства, заключается в том, что между двумя различными точками пространства, как бы близко они ни были, всегда есть третья; • свойство, называемое непрерывностью времени, определяется тем, что между двумя моментами времени, как бы близко они ни были расположены, всегда можно выделить третий Однородность пространства – характеризует симметрию по отношению к переходу системы, как целого, в пространстве. Это собственно означает: − любые точки пространства равноценны, т.е. перенос любого объекта в пространстве не влияет на процессы, происходящие с этим объектом (например, свойства атомов на Земле и других небесных объектах одни и те же); − возможность произвольного выбора начала отсчета пространственных координат. Изотропность пространства – характеризует симметрию по отношению поворота системы как целого в пространстве. Это означает: • любые направления в пространстве равноценны, т.е. в повернутой установке, лаборатории и т.п., все процессы протекают так же, как и до поворота; • возможность произвольного выбора направлений системы пространственных координат. Однородность времени – характеризует симметрию, относительно произвольного сдвига во времени. Это свойство означает: • любой физический процесс протекает одинаковым образом, независимо от того, когда он начался, т.е. позволяет сравнивать результаты аналогичных опытов, проведенных в разное время; • возможность выбора любого момента времени за начальный. Законы сохранения: • это физические законы, согласно которым числовые значения некоторых физических величин, характеризующих состояние системы, в определенных процессах не изменяются;

22

• эти законы играют роль принципа запрета: любой процесс, при котором нарушается хотя бы один из законов сохранения, невозможен. Закон сохранения импульса системы тел (частиц): в замкнутой системе (т.е. результирующая всех сил равна нулю) сумма импульсов системы остается постоянной. Закон сохранения момента импульса системы тел (частиц): в замкнутой системе сумма моментов импульсов системы остается постоянной (если к телам этой системы не приложены моменты внешних сил). Законы сохранения (и превращения) энергии: суммарная энергия в замкнутой (изолированной) системе не изменяется (остается постоянной). В 1918 г. Амалия Эмми Нетер установила связь между симметриями и законами сохранения. Теорема Нетер: каждому виду симметрии должен соответствовать определенный закон сохранения: • следствием однородности пространства является закон сохранения импульса; • следствием изотропности пространства является закон сохранения момента импульса; • следствием однородности времени является закон сохранения энергии. Примеры тестов 1. В естествознании под симметрией понимается … 5 инвариантность относительно тех или иных преобразований … инвариантность относительно поворотов, отражений и других геометрических преобразований … соразмерность, пропорциональность строения объекта … взаимно согласованное расположение частей объекта, образующее гармоничную форму Решение Понятие симметрии в естествознании шире обыденного, которое ограничивается геометрическими соотношениями. В естественных науках (и в математике) под симметрией понимается инвариантность относительно того или иного преобразования, не обязательно геометрического. 2. Осевой симметрией (инвариантностью относительно поворота вокруг некоторой оси на некоторый угол) обладают … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 морские звезды 5 простейшие одноклеточные

23

… пауки … зебры 3. К свойствам симметрии природного объекта можно отнести его … 5 однородность … пластичность … покровительственную окраску … анизотропность 4. При образовании галактик из газа, равномерно заполнявшего юную Вселенную, симметрия распределения вещества … 5 понижалась … повышалась … оставалась неизменной … могла повышаться и понижаться Решение Образование любой структуры из однородной среды означает понижение симметрии – утрату однородности. Принципы симметрии, законы сохранения 5. И пространство, и время, и Вселенная в целом (рассматриваемая в самых больших масштабах) обладают симметриями … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 однородности 5 независимости своих основных свойств от выбора местоположения наблюдателя и скорости его движения … изотропности … неизменяемости основных свойств с течением времени 6. Как пространство, так и время обладают симметрией … 5 однородности … изотропности … независимости от движения наблюдателя … независимости от присутствия материальных тел 7. Из однородности времени, согласно теореме Нетер, вытекает закон … 5 сохранения энергии … сохранения импульса … сохранения момента импульса … возрастания энтропии 8. Из однородности пространства и времени, согласно теореме Э. Нётер, непосредственно вытекают законы сохранения … 5 импульса 5 энергии … электрического заряда … момента импульса

24

Тема 8. Эволюция представлений о пространстве и времени Абсолютное пространство и время Ньютоновские представления о пространстве, времени и следствия из этих представлений: • абсолютное пространство – это независимо существующее «вместилище» материальных тел; • абсолютное время – это независимое от материи «вместилище» событий; • относительное время задается последовательностью событий; • пространство однородное, изотропное, трехмерное и описывается геометрией Евклида; • пространственные размеры тел, в покоящихся и движущихся системах отсчета, остаются одинаковыми; • справедлив классический закон сложения скоростей (например: скорость человека, идущего по движущемуся вагону, для наблюдателя, находящегося на земле, складывается из скорости человека относительно вагона и скорости вагона относительно земли). Примеры тестов 1. Понимание пространства и времени как всего лишь системы отношений между материальными телами характерно для … 5 натурфилософской картины мира Аристотеля … учений древнегреческих атомистов … механической картины мира … современной научной картины мира Решение Атомисты учили, что два необходимых и независимых начала мироздания – это атомы, из которых все состоит, и пустота, в которой они находятся и движутся. Таким образом, у атомистов пустое пространство существует в том же смысле, что и атомы. Аристотель, не разделявший атомистического мировоззрения, считал, что пространство и время сами по себе не существуют, а являются лишь характеристиками взаимного положения материальных тел и мерой их движения. В механической научной картине мира господствовало субстанциальное понимание пространства и времени, основанное на введенных И. Ньютоном понятиях Абсолютного пространства и Абсолютного времени, находящихся вне материальных тел и не зависящих от них. В специальной теории относительности А. Эйнштейна пространство и время рассматриваются как система отношений между материальными телами (реляционный подход). Однако в общей теории относительности того же А. Эйнштейна пространство-время приобретает не-

25

которые черты материальности: отклонение его геометрии от евклидовой физически неотличимо от гравитационного поля и воздействует на движение материальных тел. Поэтому современное научное понимание пространства и времени сочетает элементы субстанциального и реляционного подходов. 2. Понимание пространства и времени как некоторых субстанций, обладающих самостоятельным существованием и не связанных с материальными телами, характерно для … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 механической научной картины мира 5 древнегреческих атомистов … современной научной картины мира … Аристотеля Решение Аристотель считал, что пространство и время сами по себе не существуют, а являются лишь характеристиками взаимного положения материальных тел и мерой их движения. В механической научной картине мира господствовало субстанциальное понимание пространства и времени, основанное на введенных И. Ньютоном понятиях Абсолютного пространства и Абсолютного времени – бесконечных, однородных, находящихся вне материальных тел и не зависящих от них. В начале XX в. А. Эйнштейн разрабатывает специальную теорию относительности, в которой пространство и время рассматриваются исключительно как система отношений между материальными телами (реляционный подход). Отсюда вытекает относительность одновременности, пространственных и временных промежутков, их зависимость от того, как движется наблюдатель. Дальнейшее углубление научных представлений о пространствевремени связано с развитием общей теории относительности, которая сочетает элементы реляционного и субстанциального подходов. 3. Представление о бесконечности пространства и времени, отсутствии у них пределов, границ, начала и конца свойственно … 5 механической научной картине мира … натурфилософской картине мира Аристотеля … религиозным представлениям, основанным на Библии … современной научной картине мира Решение Представления о конечности или бесконечности пространства и времени тесно связаны с космологическими представлениями об общем устройстве и происхождении Вселенной. Например, Аристотель представлял себе Вселенную как шар, в котором заключена движущаяся ма-

26

терия. За границами этого шара, согласно Аристотелю, пространства и времени нет. Согласно другим древним представлениям, зафиксированным в Библии, время имело начало (сотворение мира) и будет иметь конец (конец света), то есть является ограниченным, конечным. И. Ньютон, основоположник механической научной картины мира, определил пространство и время как бесконечные однородные протяженность и длительность соответственно. Этот подход преобладал вплоть до начала развития научной космологии в XX в., согласно которой, по крайней мере, время имело начало – так называемую сингулярность, которая рассматривается как момент возникновения нашей Вселенной. 4. Положение о том, что пространство и время не связаны друг с другом и могут рассматриваться по отдельности, характерно для ... (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 классической механики И. Ньютона 5 натурфилософских картин мира античных мыслителей … общей теории относительности … специальной теории относительности 5. Представление о бесконечности пространства и времени, отсутствии у них пределов, границ, начала и конца свойственно … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 механической научной картине мира 5 электромагнитной научной картине мира … Аристотелю … современной научной картине мира 6. Независимостью от положения и движения материальных тел обладают ... (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 значение скорости светового луча в вакууме – в современной научной картине мира 5 Абсолютное пространство и Абсолютное время – в механической научной картине мира … пространство и время в натурфилософской картине мира Аристотеля … значение скорости движения мирового эфира – в электромагнитной научной картине мира 7. Опыт Майкельсона-Морли по измерению скорости света относительно движущегося наблюдателя, проведенный многократно в конце XIX в., показал … 5 неприменимость классического закона сложения скоростей при больших скоростях … справедливость классических (ньютоновских) представлений о пространстве и времени

27

… неприменимость классического закона сложения скоростей при любых скоростях движения … полное соответствие концепции мирового эфира реальности нашего мира Тема 9. Специальная теория относительности Создателями СТО являются: Лоренц, Пуанкаре, Эйнштейн. Представления СТО справедливы только для процессов, происходящих в инерциальных системах отсчета. Принципу относительности Эйнштейна предшествовал принцип относительности Галилея, сформулированный только для механических процессов (т.е. только для классической механики – механики Ньютона). Принцип относительности Галилея представим в двух эквивалентных формах: • внутри равномерно движущейся лаборатории (системы отсчета) все механические процессы протекают так же, как и внутри покоящейся; • равномерное движение лаборатории (системы отсчета, связанной с телом отсчета – лабораторией) невозможно обнаружить никакими механическими опытами, проводимыми внутри нее. Принцип относительности (как в классической механике, так и в СТО) тесно связан с привилегированными системами отсчета, так называемыми инерциальными системами отсчета. Инерциальными называются системы отсчета, относительно которых материальная точка (тело) без внешних воздействий (или если внешние воздействия компенсируются): • покоится; • движется равномерно и прямолинейно. Всякая система отсчета, покоящаяся или движущаяся равномерно и прямолинейно относительно инерциальной системы отсчета, также является инерциальной (т.е. все инерциальные системы отсчета равноправны). Исходные принципы классической механики базируются на формулах преобразования координат и времени так называемым преобразованием Галилея. Из преобразований Галилея (т.е. из классической механики) следует, что при переходе от одной системы отсчета к другой, неизменными (инвариантными) остаются: • время; • размеры тела; • масса тела. Основу СТО составляют два постулата (принципа) Эйнштейна. Принцип относительности (первый постулат Эйнштейна, являющийся обобщением принципа Галилея на все физические процес-

28

сы): все физические процессы во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Сформулируем этот принцип и в другом эквивалентном виде: законы природы инвариантны во всех инерциальных системах отсчета. Принцип инвариантности (постоянства) скорости света (второй постулат Эйнштейна): скорость света в вакууме постоянна во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источников и приемников света. СТО является так называемый пространственно-временной интервал между событиями, включающий в себя временную и пространственные характеристики материальных процессов. То есть СТО делает мир четырехмерным: к трем пространственным измерениям добавляется время. Все четыре измерения неразрывны, поэтому речь идет уже не о пространственном расстоянии между объектами, как это имеет место в трехмерном мире, а о пространственновременных интервалах между событиями, которые объединяют их удаленность друг от друга, как во времени, так и в пространстве. Следствиями СТО является относительный характер: • расстояний (длины отрезка), т.е. пространства; • одновременности событий, т.е. времени; • массы тела. Следствиями СТО являются: • пространство и время существуют как единая четырехмерная структура пространство-время и описывается евклидовой геометрией; • эквивалентность массы и энергии; • с увеличением скорости движения тела отсчета темп времени на нем замедляется; • с увеличением скорости движения тела его линейный размер уменьшается; • с увеличением скорости движения тела его масса возрастает; • когда скорость тела приближается к скорости света, его линейный размер стремится к нулю, а масса тела стремится к бесконечно большой; • инвариантность (неизменность) пространственно-временного интервала между событиями; • инвариантность причинно-следственных связей. Соответствие СТО и классической механики: их предсказания совпадают при малых скоростях движения (гораздо меньших скорости света). Приложение СТО к описанию механических процессов, в которых скорости тел сопоставимы со скоростью света, называется релятивистской механикой.

29

Примеры тестов 1. В число постулатов специальной теории относительности входит положение о том, что … 5 если в какой-нибудь системе отсчета скорость объекта равна скорости света, то она равна скорости света в любой другой системе отсчета … гравитационная масса любого тела, определяющая силу его притяжения к другим телам по закону всемирного тяготения, совпадает с его инертной массой, фигурирующей во втором законе Ньютона … события, одновременные в одной системе отсчета, в других системах отсчета могут происходить в разное время и даже в разной последовательности … пространственно-временной интервал s2 = (ct)2 – l2 между двумя событиями не зависит от того, в какой системе отсчета измерялись промежуток времени t и расстояние l между этими событиями Решение Специальную теорию относительности можно рассматривать как совокупность следствий из принципа относительности, принципа инвариантности скорости света и, в меньшей степени, свойств симметрии пространства и времени (однородность и изотропность пространства, однородность времени). 2. При переходе от одной системы отсчета к другой может изменяться … 5 последовательность причинно не связанных событий … последовательность причинно связанных событий … пространственно-временной интервал между двумя какими-нибудь событиями … измеряемая скорость световой волны в вакууме Решение При переходе от одной системы отсчета к другой не изменяются инварианты теории относительности: скорость световой волны в вакууме, пространственно-временной интервал между событиями, последовательность причинно связанных событий. Скорость, расстояния в пространстве, промежутки времени между событиями, последовательность причинно не связанных событий или их одновременность относительны, то есть зависят от выбора системы отсчета. 3. При переходе от одной системы отсчета к другой могут изменяться … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 промежуток времени между двумя событиями 5 последовательность причинно не связанных событий … последовательность причинно связанных событий … пространственно-временной интервал между двумя событиями

30

4. Согласно специальной теории относительности, от выбора системы отсчета не зависит … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 причинно-следственная связь между событиями … искривление пространства-времени вблизи массивных тел … значение скорости движения любого тела 5 значение скорости светового луча в вакууме 5. Вывод специальной теории относительности о единстве пространства и времени означает, что … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 представление о независимости друг от друга пространства и времени приводит к противоречиям с наблюдаемыми свойствами физического мира 5 при переходе от одной системы отсчета к другой промежутки времени между событиями и расстояния между точками, в которых они произошли, изменяются строго согласованным образом … пространство и время физически полностью эквивалентны и обладают полностью идентичными свойствами … взаимосвязь между пространством и временем точно такая же, как между массой и энергией 6. В число постулатов специальной теории относительности входит положение о том, что … 5 все физические явления происходят совершенно одинаково во всех инерциальных системах отсчета … ускоренное движение физически полностью эквивалентно покою в гравитационном поле … никакой материальный объект не может перемещаться со скоростью, превышающей скорость света … масса и энергия связаны соотношением Эйнштейна E = mc 2 Тема 10. Общая теория относительности Примеры тестов 1. В число постулатов общей теории относительности входит положение о том, что … 5 ускоренное движение физически эквивалентно покою в гравитационном поле, то есть неотличимо от него никакими измерениями … любой материальный объект обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами … никакой материальный объект не может перемещаться со скоростью, превышающей скорость света … геометрия нашей Вселенной неевклидова 2. Эмпирическими доказательствами справедливости общей теории относительности служат … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 искривление световых лучей, проходящих вблизи Солнца

31

5 медленное смещение перигелия орбиты Меркурия … отрицательные результаты опыта Майкельсона-Морли … решения уравнений общей теории относительности, найденные А.А. Фридманом в 20-х годах XX в. 3. Основные следствия из принципа эквивалентности, выводимые в ОТО, заключаются в том, что …(Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 своим присутствием и движением материальные тела изменяют (искривляют) геометрию пространства-времени 5 характер движения материальных тел определяется геометрическими свойствами пространства-времени … пространство-время нашей Вселенной описывается евклидовой геометрией, которую все изучают в школе … пространство – время нашей Вселенной является искривленным и описывается неевклидовой геометрией 4. Принцип эквивалентности устанавливает физическую неразличимость … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 ускоренного движения и покоя в гравитационном поле 5 инертной и гравитационной масс … массы и энергии … пространства и времени 5. Укажите условия, при которых совпадают предсказания классической механики и общей теории относительности. (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 скорости движения небольшие, то есть гораздо меньшие, чем скорость света 5 гравитационные поля слабые, то есть такие, в которых свободно падающее тело не может разогнаться до скорости, близкой к скорости света … скорости движения большие, то есть приближающиеся к скорости света или равные ей … гравитационные поля сильные, то есть такие, в которых свободно падающее тело может разогнаться до скорости, близкой к скорости света 6. В число постулатов общей теории относительности входит положение о том, что … 5 ускоренное движение физически эквивалентно покою в гравитационном поле, то есть неотличимо от него никакими измерениями … любой материальный объект обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами … никакой материальный объект не может перемещаться со скоростью, превышающей скорость света … геометрия нашей Вселенной неевклидова

32

3. СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ И СИСТЕМНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ МАТЕРИИ Тема 11. Микро-, макро-, мегамир В современном естествознании имеют дело с чрезвычайно большой совокупностью сильно различающихся по своему масштабу и по уровню сложности объектов. Взяв за ориентир пространственновременной масштаб, привычный для человека, всю совокупность объектов можно условно представить тремя областями. Микромир: • это мир предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых объектов; • пространственная размерность объектов в микромире исчисляется от 10–16 см до 10–6 см; • микромир целиком стал областью интересов квантовой физики; • основные структуры микромира: элементарные частицы; атомные ядра; атомы; молекулы; биологические системы (нуклеиновые кислоты, белки, вирусы, бактерии, клетки). Макромир: • это мир, непосредственно окружающих человека, объектов; • пространственная размерность объектов в макромире исчисляется от 10–5 см до 104 км; • основные структуры макромира: газообразные, жидкие и твердые тела; биологические системы (организмы, биогеоценозы, биосфера) и т.д.; • изучение объектов микромира проведено в основном в рамках классического естествознания. Мегамир: • основные структуры мегамира: планеты; планетные системы (например, Солнечная система); звезды; галактики; скопление галактик; Метагалактика; Вселенная; • изучение объектов мегамира осуществляется астрономией, астрофизикой и космологией; • пространственная размерность объектов в мегамире простирается от 104 км до 1023 км; • в мегамире существенными являются гравитационные взаимодействия больших масс, масс космического масштаба. Единицы измерений расстояний в мегамире: • астрономическая единица (а.е.) – расстояние от Земли до Солнца, равная примерно 150 млн. км, применяется для определения космических расстояний в пределах Солнечной системы;

33

• межзвездные и межгалактические расстояния измеряются в единицах: − световой год – расстояние, которое световой луч преодолеет за один год, равный примерно 10 триллионов километров (1013 км); − парсек (п.к.) равен 3,26 светового года, т.е. приблизительно 3·1013 км. Примеры тестов 1. Границы между тремя масштабными уровнями организации материи – микро-, макро- и мегамиром – проводятся по критериям … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 соизмеримости или несоизмеримости объектов данного уровня с масштабами человека и его деятельности 5 преобладающих на данном масштабном уровне фундаментальных взаимодействий … времени существования объектов данного масштабного уровня … познаваемости объектов данного уровня человеческим разумом Решение Основной критерий деления материи на уровни – соизмеримость или несоизмеримость масштабов данного уровня с размерами субъекта, который мысленно подразделяет единую Вселенную на микро-, макрои мегамир, то есть с размерами человека. Соизмеримость в данном случае означает не просто близость по величине, но и подчинение закономерностям, знакомым человеку на основе его жизненного опыта. 2. В качестве единиц длины при измерении расстояний между галактиками (в мегамире) используют … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 световые годы 5 парсеки … астрономические единицы … нанометры 3. К обязательным признакам (атрибутам) галактики относятся … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 низкая средняя плотность по сравнению со звездами или планетами 5 большое количество звезд, входящих в ее состав … протекание в ее недрах термоядерных реакций в настоящем, прошлом или будущем … спиральная форма 4. К обязательным признакам (атрибутам) планеты относятся … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 шарообразная форма 5 обращение вокруг звезды … большое количество звезд, входящих в ее состав … протекание в ее недрах термоядерных реакций

34

Тема 12. Системные уровни организации материи Примеры тестов 1. Характерными общими чертами природных систем являются … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 интегративность 5 иерархичность … аддитивность … комплементарность 2. К системным (интегративным) свойствам библиотеки относятся … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 способ расстановки книг по полкам в книгохранилище (случайный, алфавитный, тематический и тому подобный) 5 полнота охвата профильных для библиотеки областей знания или культуры … площади, занимаемые читальными залами и книгохранилищами библиотеки … количество томов в библиотеке или печатных знаков в них 3. К системным (интегративным) свойствам биогеоценоза относится … 5 устойчивость к неблагоприятным воздействиям … биомасса … размер занимаемой территории … разнообразие значений абиогенных факторов среды Решение Интегративными называются новые свойства, возникающие у системы в результате взаимодействия ее компонентов, которые не сводятся к простому суммированию свойств компонентов. Устойчивость любой экосистемы определяется, прежде всего, ее разнообразием, т.е. взаимодополняемостью входящих в нее видов, а не их численностью. Разнообразие абиогенных факторов среды для биогеоценоза не играет роли, поскольку биогеоценоз по определению является экосистемой самого нижнего уровня иерархии, занимающей территорию с однородными условиями. 4. Примерами проявления интегративных свойств у природных систем служат … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 способность к чрезвычайно избирательному катализу у белковых (полипептидных) молекул, состоящих из достаточно большого числа аминокислот 5 невозможность полностью свести свойства живого организма к физическим и химическим свойствам веществ, из которых он состоит

35

… возможность полностью свести свойства живого организма к физическим и химическим свойствам веществ, из которых он состоит … равенство массы молекулы сумме масс составляющих ее атомов Решение Интегративными называются новые свойства, возникающие у системы в результате взаимодействия ее компонентов, которые не сводятся к простому суммированию свойств компонентов. Например, физические и химические свойства молекул белка не сводятся к простому усилению свойств аминокислот, которые являются мономерами белков. 5. Согласно концепции редукционизма, … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 свойства живого организма полностью определяются свойствами атомов, из которых он состоит 5 явления в сложных системах могут быть полностью объяснены на основе закономерностей, свойственных более простым системам … каждый природный объект представляет собой систему и, в свою очередь, является элементом другой системы … явление жизни обусловлено наличием в живых системах особых нематериальных сверхъестественных факторов Тема 13. Структуры микромира Примеры тестов 1. Своей собственной античастицей является … 5 фотон … электрон … протон … d-кварк 2. В состав обычного вещества не входят … 5 фотоны … электроны … протоны … нейтроны 3. К составным (то есть имеющим более или менее сложную внутреннюю структуру) объектам микромира относятся … 5 протон 5 атом водорода … фотон … электрон 4. К числу объектов микромира, у которых до сих пор не выявлено какой-либо внутренней структуры, относится … 5 электрон

36

… протон … ядро атома гелия … атом водорода Решение Нижний уровень иерархии природных систем образуют так называемые фундаментальные частицы – элементарные частицы, у которых, на сегодняшний день, не обнаружено какой-либо внутренней структуры и/или конечных размеров. К ним относятся все лептоны (включая электрон), все кварки и все частицы-переносчики фундаментальных взаимодействий. Все остальные материальные объекты являются составными, то есть обладают той или иной внутренней структурой. 5. Один из критериев классификации элементарных частиц – их … 5 способность к участию в сильном взаимодействии … размеры … форма … положение на эволюционном дереве 6. К свойствам всех лептонов относятся … 5 полуцелый спин 5 неспособность к участию в сильном взаимодействии … самые малые размеры среди всех элементарных частиц … стабильность 7. Распад свободного электрона на нейтрон и антипротон запрещен законом … 5 сохранения энергии … всемирного тяготения … сохранения электрического заряда … возрастания энтропии Тема 14. Химические системы Наименьшая структурная единица элемента, сохраняющая его химические свойства – это атом. В химических превращениях атом сохраняет свою индивидуальность. Хлор-35 и Хлор-37 являются изотопами. Индивидуальность химического элемента определяется зарядом ядра атома. Свойства химического элемента определяются электронным строением его атома. Согласно современной точке зрения, систематизация элементов по периодам периодической системы связана с числом энергетических уровней, по которым распределены электроны.

37

Согласно современной точке зрения, систематизация элементов по подгруппам периодической системы связана с одинаковым электронным строением валентных подуровней. Молекула – это структурная единица вещества молекулярного строения. Молекула – квантово-механическая система, образованная в результате электромагнитного взаимодействия электронов и ядер нескольких атомов. Одной из отличительных особенностей молекул полимера является большая величина молекулярной массы. Теоретической основой систематизации химических элементов является периодический закон Д.И. Менделеева. Физический смысл периодического закона Д.И. Менделеева был вскрыт при создании современной теории строения атома. С современной точки зрения, систематизирующим фактором периодической системы Д.И. Менделеева является заряд ядра атома. Основоположником системного подхода в химии является Дж. Дальтон. Согласно атомно-молекулярному учению, в основе которого лежит принцип дискретного строения, вещество состоит из одинаковых молекул. Молекулы вещества состоят из атомов. Атом – это квантово-механическая система, образованная в результате электромагнитного взаимодействия электронов и ядра. Систематизирующий фактор, который был взят Менделеевым при разработке им периодической системы химических элементов – это атомная масса. Изотопы – разновидности атомов одного химического элемента, имеющие одинаковый заряд, но разные массовые числа (т.е. разное число нейтронов). Наиболее верное определение, которое соответствует понятию полимеры: это высокомолекулярные соединения природного, синтетического или искусственного происхождения, обладающие особым комплексом физико-химических и механических свойств, которые отличают их от низкомолекулярных соединений. Система, состоящая из большой совокупности молекул одного вида, представляет собой вещество. Соединение атомов в молекулы обусловлено химическим взаимодействием (электромагнитным). Определенный химический элемент – это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательных электронов, составляющих слой электронной оболочки атома. Основная масса атома сосредоточена в его ядре. Номер химического элемента в периодической таблице Менделеева связан с числом электронов.

38

Катализа́тор – химическое вещество, ускоряющее реакцию, но не входящее в состав продуктов реакции. Количество катализатора, в отличие от реагентов, после реакции не изменяется. Важно понимать, что катализатор участвует в реакции. Обеспечивая более быстрый путь для реакции, катализатор реагирует с исходным веществом, получившееся промежуточное соединение подвергается превращениям и в конце расщепляется на продукт и катализатор. Затем катализатор снова реагирует с исходным веществом, и этот каталитический цикл многократно повторяется. Примеры тестов 1. Химический элемент – это совокупность атомов одного вида. Все атомы одного химического элемента имеют одинаковое … 5 зарядовое число атомного ядра … число нейтронов в ядре атома … массовое число … число нуклонов в ядре атома 2. Молекула представляет собой целостную систему, которая образована в результате … 5 электромагнитного взаимодействия электронов и ядер атомов … гравитационного взаимодействия нескольких атомов … сильного ядерного взаимодействия … гравитационного взаимодействия электронов и ядер атомов 3. Укажите фразу, в которой речь идет о качественном составе сложного вещества. 5 Вода состоит из атомов водорода и кислорода. … Газообразный кислород состоит из двухатомных молекул O2. … В состав газа водорода входят атомы одного элемента – водорода. … В состав природной воды входят различные соли и продукты жизнедеятельности организмов. 4. Укажите фразу, в которой речь идет о качественном составе глюкозы, имеющей молекулярную формулу C6H12O6. 5 Молекула глюкозы состоит из атомов углерода, водорода и кислорода. … В состав молекулы глюкозы элементы входят в соотношении 6:12:6. … Глюкоза является веществом питания человека и входит в состав крови. … Глюкоза хорошо растворяется в воде. 5. Молекулярная формула воды (H2O) и любого другого вещества указывает на … вещества. (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 качественный состав 5 количественный состав

39

… химическое строение … структуру

Решение Молекулярная формула любого вещества указывает на качественный состав, то есть на то, из каких элементов состоит вещество, а также на количественный состав, то есть на соотношение элементов в веществе. 6. Изотопы уран-232 и уран-238 различаются … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 числом нуклонов 5 числом нейтронов … числом протонов … зарядом атомного ядра Решение Изотопы – это разновидности атомов одного и того же химического элемента, которые имеют одинаковый заряд ядра, а следовательно, одинаковое число протонов в ядре и порядковый номер в периодической системе, но различаются массовым числом или числом нуклонов, а это означает, что в их ядрах разное число нейтронов. Таким образом, изотопы уран-232 и уран-238 различаются числом нуклонов и числом нейтронов. 7. Мономер и соответствующий полимер отличаются друг от друга … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 величиной молекулярной массы 5 числом повторяющихся звеньев … качественным составом … природой связи между атомами в молекулах 8. Состав сложных веществ отображается формулами … 5 NH3 5 H2O … S8 … O3 9. Ферменты отличаются от обычных катализаторов тем, что … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 являются более избирательными 5 ускоряют реакции в большей степени … не образуют промежуточных соединений … входят в состав продуктов реакции Решение Ферменты – это биологические катализаторы, которые образуются и функционируют в живых системах. Они имеют высокомолекулярную

40

природу и действуют по принципу «ключ к замку», что является причиной высокой избирательности и эффективности действия, т.е. ускоряют только один тип реакции и в значительно большей степени, чем обычные катализаторы. Как обычные катализаторы они образуют промежуточные соединения (фермент-субстратные комплексы) и не входят в состав продуктов реакции. 4. ПОРЯДОК И БЕСПОРЯДОК В ПРИРОДЕ Тема 15. Динамические и статические закономерности в природе В естествознании известны два типа теорий – динамические и статистические. Одно из основных положений научного метода состоит в том, что мир предсказуем – т.е. для данного набора обстоятельств есть только один возможный (и предсказуемый) исход. Основной линией раздела между обоими видами теорий является их подход к описанию исходного и некоторого последующего состояния системы (хотя, безусловно, есть различия и в описании (расчете) путей от исходного состояния к последующим). Выяснение различия между подходами к описанию состояния системы и является главной задачей этого раздела. Исторически, первыми появились динамические теории. Лучшим примером динамической теории является механика Ньютона. Если применить закон механики к любой планете Солнечной системы и запустить планету с заданного места с заданной скоростью, то можно предсказать ее местоположение, скорость и ускорение в любой момент времени в будущем. Применив эти же законы к полету камня, брошенного с заданной скоростью, можно рассчитать траекторию движения камня, и она, согласно теории, может быть только такой, какой она была вычислена. Из однозначного характера закономерностей, в классической механике вытекает представление о жесткой детерминированности (предопределенности) множества событий в природе. Успехи ньютоновской механики были столь впечатляющими, что французский механик П. Лаплас (XVIII век) сформулировал представление, впоследствии получившее наименование классического лапласовского детерминизма. Суть лапласовского детерминизма можно в общем сформулировать в следующем виде: дайте мне начальные условия для всех объектов во Вселенной, и я, с помощью законов механики, предскажу дальнейшее (можно и предшествующее) развитие событий. Основные посылки механистического детерминизма: • возможна единственная траектория движения материальной точки при заданном начальном состоянии;

41

• принятие лапласовской концепции о полной выводимости всего будущего (и прошлого) Вселенной из современного состояния с помощью законов механики. Динамические теории – это все теории, которые, подобно ньютоновской механике, позволяют по известным взаимодействиям и начальному состоянию однозначно предвычислить будущее состояние системы. Долгое время считалось, что никаких других законов кроме динамических не существует. Если же какие-то явления и процессы не вписывались в, предусмотренные динамическими законами, рамки, т.е. не могли быть описаны абсолютно точно с помощью определенного набора величин, то, делался вывод о недостатке наших познавательных способностей. Однако, проблема соответствия или несоответствия явлений и процессов динамическим ториям оказалась намного сложнее, чем оценка достаточности или недостаточности наших познавательных способностей. Рассмотрим следующий наглядный пример. В XIX в. было обещано вознаграждение тому, кто первым сможет ответить, стабильна ли наша Солнечная система. Вопрос о стабильности можно переформулировать: если бы вы могли оказаться в далеком будущем, увидели бы вы все планеты точно там, где они находятся сегодня, так же расположенными и движущимися с теми же скоростями? На этот вопрос нельзя ответить однозначно, поскольку в Солнечной системе восемь планет, не считая их спутников, астероидов и комет, у которых есть свои собственные маленькие спутники с неизвестными нам орбитами. Хотя Солнечная система и приводится как показательный пример часового механизма Вселенной и принципа детерминизма, но ее будущее, на сегодняшний день, нельзя точно предсказать. Пример Солнечной системы показывает, что даже для систем, казалось бы полностью детерминистических в классическом механистическом смысле, возможность делать точные предсказания неочевидна. Начиная с XVIII в., рядом ученых разрабатывалась программа исследований, окончательное оформление которой в теорию получило название – молекулярно-кинетическая теория газов. В рамках этой теории устанавливалась связь макроскопических параметров в газе – температуры и давления со скоростями движения микроскопических тел (молекул или атомов). Движение молекул рассчитывалось по уравнениям ньютоновской механики, в рамках которой, молекулы представлялись как материальные точки. В первоначальной версии, т.е. в элементарной молекулярно-кинетической теории, делалось грубое предположение, что все молекулы в замкнутом сосуде имеют одинаковые скорости. Это явное противоречие с реальностью было устранено Дж. Максвеллом, который в 1866 г. вывел закон распре-

42

деления молекул по скоростям, и такое распределение молекул позволяло удовлетворить закон сохранения энергии при отдельных соударениях частиц. Таким образом, Максвелл охарактеризовал состояние системы молекул не полным набором значений координат и скоростей всех частиц (что, вообще, практически сделать невозможно), а вероятностью того, что эти значения лежат внутри определенных интервалов. Так в физику впервые, хотя и неявно, пришли понятия теории вероятности, приведшие к чисто статистическим закономерностям. Дальнейшее развитие естествознания показало, что большая часть, происходящих в природе процессов, не может быть описана теориями динамического типа, а описывается теориями статистического типа. Статистические законы – это форма причинной связи, при которой данное (начальное) состояние системы определяет все ее последующие состояния не однозначно, а с определенной вероятностью. Статистические законы позволяют определить лишь спектр возможных значений параметров системы и вероятность того, что этот или иной параметр системы примет данное конкретное значение, а также однозначно рассчитать средние значения параметров системы. Соответствие динамических и статистических теорий История развития науки показывает, как первоначально возникшие динамические теории сменяются статистическими, описывающими тот же круг явлений в макроскопических системах, в которых не рассматривают поведение отдельных элементов этой системы (например, единичной молекулы в газе) и изменения их характеристик, а оперируют величинами, характеризующими систему в целом, т.е. макропараметрами (например, давление в газе, плотность газа и т.д.). Таким образом, можно сказать, что динамические теории строятся на основании усреднения законов поведения громадного числа частиц в равновесных (или слаборавновесных) условиях, и не учитывают вариации, полученных на основании этих теорий, результатов, которые бы изменялись под влиянием на систему окружающей ее среды. В реальных процессах всегда происходят неизбежные отклонения – флуктуации. Флуктуации – это случайные отклонения параметров системы (или всей системы) от средних значений параметров (или среднего, т.е. наиболее вероятного состояния системы). Когда флуктуации значительны, в сложных системах с большим числом элементов, которые к тому же зависят от постоянно меняющихся внешних условий, статистические законы глубже и точнее описывают исследуемые процессы. Главное отличие статистических законов от динамических – в учете случайного (флуктуаций).

43

В современном естествознании законы динамического типа сочетаются с законами статистического типа. Законы динамического типа используются для систем и процессов, в которых допустимо пренебречь влиянием реально существующих случайных факторов. Если же этого сделать нельзя, то применяют статистические теории, которые дают более глубокое, детальное и точное описание реальности. Примеры тестов 1. Согласно концепции механического детерминизма … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 любое будущее событие можно точно предсказать, зная современное состояние Вселенной и используя законы механики 5 все происходящее в мире сводится к движению тел и частиц по своим траекториям в соответствии с законами механики … беспричинных событий не бывает; у каждого события есть материальная причина … поведение любого человека полностью определяется его биологическими потребностями в пище, отдыхе и размножении Решение В истории естествознания важную роль сыграло блестяще сформулированное П.С. Лапласом жесткое понимание детерминизма, согласно которому каждая причина влечет за собой единственно возможное следствие. Своего расцвета жесткий детерминизм достиг в механической научной картине мира, согласно которой считалось, что все причинно-следственные связи в мире описываются законами механики, позволяющими по заданному начальному состоянию любой материальной точки точно и однозначно рассчитать ее будущую (или предыдущую) траекторию на сколь угодно продолжительный промежуток времени. Препятствием к этому считалась лишь ограниченность человеческих возможностей по сбору исходной информации и проведению расчетов. 2. Частью механической научной картины мира была концепция механического детерминизма, согласно которой любое будущее событие можно точно предсказать с помощью законов механики, если точно знать начальное состояние всех тел и частиц в мире. В современной научной картине мира она отвергнута, поскольку … 5 оказалось, что точно установить механическое состояние даже одной частицы физически невозможно … тел и частиц в мире слишком много, чтобы можно было провести для них все необходимые расчеты … классическая механика, обосновавшая механический детерминизм, оказалась полностью ошибочной теорией

44

… она противоречит этическим представлениям о свободе воли че-

ловека

3. Согласно концепции механического детерминизма, … 5 будущее Вселенной полностью предопределено ее современным состоянием и законами механики … все процессы в нашем мире всегда происходят в условиях неопределенности и потому не могут быть предсказаны на скольконибудь длительный срок вперед … у каждого события имеется предшествующая ему естественная причина … все особенности социального поведения людей в конечном счете определяются необходимостью удовлетворения их биологических потребностей в пище, отдыхе и размножении 4. Сравнительная роль динамических и статистических теорий выражается утверждением, что в современном естествознании … 5 наиболее фундаментальными признаются статистические теории, поскольку они отражают реально существующую в нашем мире случайность и непредсказуемость … наиболее фундаментальными признаются динамические теории в силу их строгости и однозначности … статистические и динамические теории признаются в равной степени фундаментальными … ни статистические, ни динамические теории фундаментальными не признаются Решение В настоящее время считается, что более фундаментальными являются статистические теории, они точнее и глубже отражают природу, поскольку позволяют адекватно описывать и учитывать внутренне присущую природным процессам случайность и неопределенность. 5. К числу статистических теорий относится та, которая устанавливает связь между … 5 водительским стажем клиента страховой компании и вероятностью его попадания в серьезную аварию в течение следующего года … высотой дома и мощностью насосов, необходимой для бесперебойного водоснабжения его жильцов … силой, действующей на тело со стороны других тел, и ускорением … которое приобретает это тело … расстоянием от планеты до Солнца и периодом обращения этой планеты вокруг Солнца Решение Статистические теории позволяют вычислить лишь вероятность того, что та или иная физическая величина, характеризующая систему,

45

примет заданное значение. Зная эти вероятности, можно рассчитать среднее или наиболее вероятное значение физической величины, характерный размах ее отклонений от среднего значения (флуктуаций) и так далее. Статистические теории опираются на математический аппарат теории вероятностей. 6. К числу динамических теорий относится та, которая устанавливает связь между … 5 положением и скоростью материальной точки в различные моменты времени … результатами, которые спортсмен показывал на тренировках, и его шансами выиграть официальное соревнование … температурой и наиболее вероятной скоростью движения молекул … волновой функцией частицы и возможными результатами измерения ее местоположения 7. К числу динамических теорий относится та, которая устанавливает связь между … 5 температурой и давлением газа при заданном объеме … температурой и наиболее вероятной скоростью движения молекул … избыточным весом человека и средней продолжительностью его жизни … результатами функциональных тестов спортсмена и его шансами выиграть соревнование Решение Динамические теории устанавливают взаимосвязи между значениями физических величин, характеризующих материальный объект. Статистические же теории позволяют вычислить лишь вероятность того, что та или иная физическая величина, характеризующая систему, примет заданное значение. 8. Можно рассчитать (предсказать) траекторию … 5 обращения планеты вокруг Солнца … движения молекулы воздуха при нормальных атмосферных условиях … распространения радиоволн от передатчика к приемнику … движения электрона вокруг атомного ядра Тема 16. Концепции квантовой механики Принцип неопределенностей Гейзенберга Мысленный эксперимент «микроскоп Гейзенберга» В классической физике, построенной на ньютоновских принципах и применяемой к объектам макромира, принимается, что процесс измерения не влияет на измеряемые свойства объекта. Однако, так ли об-

46

стоит дело в микромире, позволяет понять следующий мысленный эксперимент: чтобы точно определить положение электрона в пространстве, необходимо направить на него электромагнитную волну, «осветить» его и посмотреть в некий сверхсильный «микроскоп». Но при этом сам микрообъект (например, электрон), являющийся объектом излучения, в результате взаимодействия, с направленным на него другим микрообъектом (квантом света – фотоном), изменит свое положение в пространстве. Таким образом, сам факт замера приводит к изменению положения измеряемого объекта, и неточность измерения обуславливается самим фактом проведения измерения, а не степенью точности используемого измерительного прибора. Этот мысленный эксперимент, отражающий тот факт, что измерение невозможно без взаимодействия, взаимодействие – без воздействия на измеряемый объект и, как следствие, искажение результатов измерения, позволил В. Гейзенбергу (1927 г.) сформулировать принцип неопределенности (соотношение неопределенности): h Δx ⋅ Δp ≥ h ( Δx ⋅ ΔV > , так как p = mV ), m где Δx – неопределенность (погрешность измерения) пространственной координаты микрочастицы, Δp (или ΔV ) – неопределенность импульса (или скорости) частицы, m – масса частицы, h – постоянная Планка. Принцип неопределенностей касается и других характеристик микрочастиц. Еще одна такая взаимосвязанная пара – это энергия и время протекания квантовых процессов. Принцип Гейзенберга играет в квантовой механике ключевую роль, хотя бы потому, что достаточно наглядно объясняет, как и почему микромир отличается от знакомого нам макромира. Принцип неопределенности говорит о том, что если бы нам удалось абсолютно точно установить местоположение квантовой частицы, о ее скорости мы бы не имели ни малейшего представления; если бы нам удалось точно зафиксировать скорость частицы, мы бы не имели понятия, где она находится. Однако, принцип неопределенности не утверждает, что у квантовых частиц отсутствуют определенные координаты и скорости (или что эти величины абсолютно непознаваемы) – он утверждает лишь, что мы не в состоянии достоверно узнать и то и другое одновременно. Корпускулярно-волновой дуализм Квантовая механика изучает законы поведения микрочастиц (атомов, элементарных частиц и т.д.). М. Планк (изучая тепловое движение тел, 1900 г.): атомы излучающего тела отдают электромагнитную энергию порциями (квантами),

47

причем энергия одного кванта E пропорциональна частоте излучения ν : E = hν ( h = 6,63 ⋅ 10 −34 Дж ⋅ с – постоянная Планка). А. Эйнштейн (изучая явления фотоэффекта, 1905 г.): свет не только излучается, но распространяется и поглощается квантами (кванты света – фотоны, существуют только в движении). А. Эйнштейн (1909 г.): свет одновременно обладает и корпускулярными (квантовыми) и волновыми (электромагнитными) свойствами. То есть свету присущ корпускулярно-волновой дуализм (двойственность). Луи де Бройль (1924 г.) сформулировал универсальный корпускулярно-волновой дуализм: каждый микрообъект проявляет себя одновременно и как частица (имеющая импульс и энергию) и как волна (с частотой и длиной волны). Де Бройлю удалось сформулировать соотношение, связывающее импульс квантовой частицы p = mV с длиной волны, которая ее опиh h h сывает ( p = или λ = = ). λ p mV Экспериментальное подтверждение наличия волновых свойств микрочастиц (К. Дэвиссон, Л. Джермер, 1927 г.) привело к выводу о том, что это универсальное явление природы, общее свойство материи. Следовательно, волновые свойства должны быть присущи и макроскопическим телам. Однако, волновые свойства макротел (и в частности, человеческого тела) не могут быть экспериментально обнаружены. Это объясняется тем, что длина волны (обратно пропорциональная массе объекта, согласно отношению де Бройля) при большой массе столь мала, что ее обнаружение лежит за пределами возможности экспериментальной техники. Примеры тестов 1. В рамках квантовой механики возможно … 5 рассчитать лишь вероятности тех или иных значений физических величин, характеризующих изучаемый объект … точно рассчитать значения всех физических величин, характеризующих изучаемый объект … дать лишь качественное описание изучаемого объекта, но невозможен никакой количественный расчет его характеристик … точно рассчитать значения всех физических величин, характеризующих свойства объекта, если знать некоторые недоступные наблюдению «скрытые параметры» этого объекта 2. В соответствии с принципом дополнительности … 5 для полного описания объекта всегда требуется такой набор его характеристик, что измерение одних делает невозможным или неточным измерение других

48

… полное понимание любого объекта требует, чтобы его квантовое

описание дополнялось классическим … научное познание любого объекта требует, чтобы его эмпирическое описание дополнялось теоретическим … всеми мировыми процессами движет постоянная борьба противоположных сил и тенденций, которые, однако, не отрицают, а дополняют друг друга 3. Принцип дополнительности утверждает, что … 5 полное представление о свойствах объекта всегда требует знания таких его характеристик, которые невозможно определить одновременно … состояние объекта полностью описывается его волновой функцией, которая, позволяет рассчитать лишь вероятности тех или иных значений характеризующих этот объект физических величин … полное представление о свойствах объекта возможно только в случае, если его квантовое описание дополняется классическим … принципиально невозможно одновременное и точное измерение дополнительных физических величин, характеризующих объект 4. Квантовая механика дает статистическое, вероятностное описание природы, поскольку … 5 случайность и неопределенность объективно присущи природе … это упрощает громоздкие вычисления … она не может учесть влияния скрытых параметров, определяющих поведение частиц … она является внутренне противоречивой теорией 5. Значение соотношения неопределенностей Гейзенберга состоит в том, что оно показывает … 5 невозможность избежать неконтролируемого воздействия на измеряемый объект со стороны исследователя и его приборов … слишком низкую точность существующих приборов для измерения физических величин … невозможность уменьшить до нуля погрешность измерения любой отдельно взятой физической величины … ограниченность научного метода познания, основанного на наблюдениях, измерениях и экспериментах Решение Ограничение, накладываемое соотношением неопределенностей В. Гейзенберга, не связано с деталями измерительного процесса и носит принципиальный характер, отражая неотделимость измеряемого объекта от взаимодействующего с ним измерительного прибора. 6. Согласно соотношению неопределенностей В. Гейзенберга, … 5 невозможно абсолютно точно измерить координату и импульс частицы в один и тот же момент времени

49

… невозможно абсолютно точно измерить энергию и импульс части-

цы в один и тот же момент времени … невозможно абсолютно точно измерить координату частицы в один момент времени и абсолютно точно измерить ее импульс в другой момент времени … погрешность измерения координаты частицы невозможно сделать меньше некоторой конечной величины 7. Согласно концепции корпускулярно-волнового дуализма, любой материальный объект … 5 обладает свойствами как волны, так и частицы, но в каждом эксперименте проявляет либо первые, либо вторые … обладает свойствами как волны, так и частицы, причем может проявлять и те, и другие свойства в одном и том же эксперименте … является либо волной, либо частицей (коллективом частиц), причем превращение из волны в частицу или наоборот невозможно … может свободно превращаться из волны в частицу (коллектив или поток частиц) и обратно Тема 17. Принцип возрастания энтропии Термодинамическая система – тело или группа тел, находящихся во взаимодействии, мысленно или реально обособленные от окружающей среды. Изолированная система – система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Закрытая система – система, которая обменивается с окружающей средой энергией, но не обменивается веществом. Открытая система – система, которая обменивается с окружающей средой и веществом, и энергией. Совокупность всех физических и химических свойств системы характеризует её термодинамическое состояние. Все величины, характеризующие какое-либо макроскопическое свойство рассматриваемой системы – параметры состояния. Опытным путем установлено, что для однозначной характеристики данной системы необходимо использовать некоторое число параметров, называемых независимыми; все остальные параметры рассматриваются как функции независимых параметров. В качестве независимых параметров состояния обычно выбирают параметры, поддающиеся непосредственному измерению, например температуру, давление, концентрацию и т.д. Всякое изменение термодинамического состояния системы (изменения хотя бы одного параметра состояния) есть термодинамический процесс. Обратимый процесс – процесс, допускающий возможность возвращения системы в исходное состояние без того, чтобы в окружающей среде остались какие-либо изменения.

50

Равновесный процесс – процесс, при котором система проходит через непрерывный ряд равновесных состояний. Энергия – мера способности системы совершать работу; общая качественная мера движения и взаимодействия материи. Энергия является неотъемлемым свойством материи. Различают потенциальную энергию, обусловленную положением тела в поле некоторых сил, и кинетическую энергию, обусловленную изменением положения тела в пространстве. Внутренняя энергия системы – сумма кинетической и потенциальной энергии всех частиц, составляющих систему. Можно также определить внутреннюю энергию системы как её полную энергию за вычетом кинетической и потенциальной энергии системы как целого. Формы перехода энергии от одной системы к другой могут быть разбиты на две группы. В первую группу входит только одна форма перехода движения путем хаотических столкновений молекул двух соприкасающихся тел, т.е. путём теплопроводности (и одновременно путём излучения). Мерой передаваемого таким способом движения является теплота. Теплота есть форма передачи энергии путём неупорядоченного движения молекул. Во вторую группу включаются различные формы перехода движения, общей чертой которых является перемещение масс, охватывающих очень большие числа молекул (т.е. макроскопических масс), под действием каких-либо сил. Таковы поднятие тел в поле тяготения, переход некоторого количества электричества от большего электростатического потенциала к меньшему, расширение газа, находящегося под давлением и др. Общей мерой передаваемого такими способами движения является работа – форма передачи энергии путём упорядоченного движения частиц. Теплота и работа характеризуют качественно и количественно две различные формы передачи движения от данной части материального мира к другой. Теплота и работа не могут содержаться в теле. Теплота и работа возникают только тогда, когда возникает процесс, и характеризуют только процесс. В статических условиях теплота и работа не существуют. Различие между теплотой и работой, принимаемое термодинамикой как исходное положение, и противопоставление теплоты работе имеет смысл только для тел, состоящих из множества молекул, так как для одной молекулы или для совокупности немногих молекул понятия теплоты и работы теряют смысл. Поэтому термодинамика рассматривает лишь тела, состоящие из большого числа молекул, т.е. так называемые макроскопические системы. Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Он формулируется следующим образом: количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами.

51

Первый закон термодинамики является обобщением опытных фактов. Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. Важным следствием первого закона термодинамики является утверждение о невозможности создания машины, способной совершать полезную работу без потребления энергии извне и без каких-либо изменений внутри самой машины. Такая гипотетическая машина получила название вечного двигателя (perpetuum mobile) первого рода. Многочисленные попытки создать такую машину неизменно заканчивались провалом. Любая машина может совершать положительную работу A над внешними телами только за счет получения некоторого количества теплоты Q от окружающих тел или уменьшения ∆U своей внутренней энергии. Энтропия: • показатель неупорядоченности системы. Чем выше энтропия, тем хаотичнее движении материальных частиц, составляющих систему. Соответственно, повышая упорядоченность системы, энтропия уменьшается; • мера необратимого рассеяния энергии; • является мерой отсутствия порядка в системе, мерой ее бесструктурности, мерой отсутствия информации, необходимой для управления системой. Второе начало термодинамики: в изолированной системе энтропия не может убывать. Это формулировка предполагает, что в закрытых системах энтропия может только возрастать и достигнув своего максимума в состоянии теплового равновесия системы, далее она не изменяется. Эта формулировка (энтропия возрастает) предполагает, что в закрытых системах предоставленных самим себе, первоначальный порядок спонтанно переходит в беспорядок и приводит к разрушению первоначальных структур. Второе начало термодинамики неприменимо к открытым системам. В открытых системах энтропия может, как увеличиваться – при подводе тепла извне, так и уменьшаться – при теплоотдаче в окружающую среду. Состояние живых систем (в частности организм) в любой момент времени характерно тем, что элементы системы постоянно разрушаются и строятся заново. Этот процесс называется биологическим обновлением. Для обновления элементов в живых организмах требуется постоянный приток извне веществ и энергии, а также отвод во внешнюю среду тепла и продуктов распада. Так как живые системы являются открытыми системами, то такой взаимообмен с окружающей

52

средой происходит и поэтому живые организмы в процессе своего развития, непрерывно, за счет обмена веществ, создают из менее упорядоченных систем более упорядоченные и их энтропия уменьшается. В течение времени жизни организма его элементы постепенно подвергаются распаду и переходя к концу жизни энтропия организма возрастает. Примеры тестов 1. Используя введенное Людвигом Больцманом понимание энтропии как меры беспорядка, можно вычислять энтропию не только природных систем, но и текстов, как созданных человеком, так и естественных (последовательность нуклеотидов в ДНК, последовательность аминокислот в белковой молекуле и так далее). Укажите, какой из приведенных текстов обладает максимальной энтропией. 5 ЪДЕЩТОЩРТУЬЗЕНЫ ЛН … ДЫР БУЛ ЩИР УБЕЩУР … МАМА ОЛИ МЫЛА РАМУ … АААААААААААААААААА Решение Максимальной энтропией обладает максимально беспорядочный текст, в котором отсутствуют признаки какой бы то ни было структуры (орфографической, грамматической, ритмической и других), т.е. текст, представляющий собой случайный набор символов алфавита. Нулевой энтропией обладает абсолютно упорядоченный текст, представляющий собой повторение одного символа 2. Одно из основных свойств энтропии заключается в том, что … 5 энтропия любой системы – это обычная физическая величина, которую можно измерять и вычислять … энтропия системы служит мерой степени ее изолированности от окружающего мира … с ростом энтропии системы растет степень упорядоченности в системе … энтропия представляет собой особую характеристику материальных систем, которая не поддается измерению или вычислению Решение Энтропия (греч. – поворот, превращение) – термодинамическая функция S, характеризующая меру внутренней неупорядоченности системы; в изолированной системе энтропия остается постоянной при обратимых процессах и в равновесии максимальна или возрастает при необратимых. Энтропия равна отношению в равновесном процессе количества теплоты Q к термодинамической температуре Т: dS = = Q/dT, описывает направление термодинамического процесса. Вве-

53

дена Клаузиусом (Р. Эмануэль) в 1865 г. и широко используется в физике, химии, биологии, теории информации и в целом в современном естествознании. 3. Между вторым законом термодинамики, утверждающим, что в мире преобладает деградация (рост энтропии), и биологическим эволюционизмом, утверждающим закономерность возникновения все более сложных и высоко организованных организмов, в действительности нет противоречия, поскольку 5 закон роста энтропии непосредственно применим лишь к изолированным системам и не противоречит выводам биологии, имеющей дело с открытыми системами … второй закон термодинамики надежно подтвержден опытом, значит, противоречащая ему эволюционная теория просто неверна … эволюционная теория – основа биологии, лидирующей в современном естествознании, а противоречащий ей закон роста энтропии отвергнут … живые организмы не подчиняются физическим законам, которые применимы лишь к неживым объектам 4. Одна из возможных формулировок второго закона термодинамики гласит, что … 5 беспорядок в изолированной от внешнего мира системе неизбежно нарастает, а имеющиеся в ней структуры разрушаются … энтропия изолированной системы с течением времени не меняется, что бы в системе ни происходило … беспорядок в любой открытой системе с течением времени нарастает, а имеющиеся в ней структуры разрушаются … энергия изолированной системы с течением времени количественно не меняется, а качественно улучшается 5. К числу возможных формулировок второго закона термодинамики не принадлежит утверждение о том, что … 5 энтропия любой системы стремится к нулю при стремлении к абсолютному нулю температуры этой системы … энтропия изолированной системы с течением времени возрастает или остается постоянной … в изолированной системе беспорядок неизбежно нарастает, а имеющиеся структуры разрушаются … запрещен любой процесс, единственным результатом которого было бы превращение тепловой энергии в равное количество механической Решение Утверждение о стремлении к нулю энтропии при стремлении к абсолютному нулю температуры не связано непосредственно со вторым

54

законом термодинамики и представляет собой отдельный закон (тепловую теорему Нернста, иногда называемую также третьим законом термодинамики. 6. При работе тепловой электростанции не испытывает превращения в другие формы энергии … 5 энергия ядер атомов топлива … химическая энергия топлива … тепловая энергия, выделяющаяся при сжигании топлива … механическая энергия вращения ротора паровой турбины 7. Законы термодинамики не запрещают устройства, которое … 5 производит полезную работу 6 кДж, сжигая для этого топливо с общей теплотворной способностью 15 кДж … производит полезную работу 15 кДж, сжигая для этого топливо с общей теплотворной способностью 6 кДж … производит полезную работу 15 кДж, не потребляя при этом энергии … производит полезную работу 15 кДж, сжигая для этого топливо с общей теплотворной способностью 15 кДж 8. Основное предназначение тормозных колодок автомобиля, с точки зрения термодинамики, заключается в … 5 превращении механической энергии движения автомобиля в тепловую … превращении химической энергии топлива в механическую энергию движения автомобиля … быстром и, по возможности, бесследном уничтожении энергии движения автомобиля … превращении механической энергии движения автомобиля в механическую энергию движения окружающих его тел Тема 18. Закономерности самоорганизации. Принципы универсального эволюционизма Синергетика: • область научных исследований коллективного поведения частей сложных систем, связанных с неустойчивостями и касающихся процессов самоорганизаций; • является теорией самоорганизации в природных и социальных системах; • междисциплинарная универсальная теория самоорганизации процессов самой разной природы. Возникла на стыке физики, биологии и других наук. Самоорганизация: • спонтанный переход от неупорядоченного состояния к упорядоченному за счет совместного, кооперативного действия многих подсистем;

55

• необратимый процесс спонтанного возникновения порядка и организации из хаоса и беспорядка в открытых неравновесных системах; • при самоорганизации энтропия системы уменьшается за счет обмена энергией и веществом с окружающей средой. Объектами исследования синергетики могут быть системы, которые удовлетворяют следующим необходимым условиям, т.е. системы должны быть: • открытыми; • нелинейными; • диссипативными; • неравновесными. Нелинейные системы – это системы, для которых даже малые изменения в исходном состоянии приводят к быстронарастающему отклонению ее от исходного состояния. В этом проявляется неустойчивость системы. Диссипативные системы – способные рассеивать (перераспределять) энергию. К диссипативным системам относится любой живой организм. Неравновесные системы – системы, в которых присутствуют неоднородность в пространстве того или иного макропараметра (например, наличие в системе перепадов температур, давления, концентрации химических веществ и др.) Признаками неравновесности системы является перетекание в ней потоков веществ, энергии и др. Большинство реально существующих систем – это открытые неравновесные системы. Процесс самоорганизации характеризуется переходом системы из одного состояния в принципиально новые более упорядоченные состояния. Для возникновения упорядочения в системах необходим приток энергии и ее диссипация в системе. За счет энергии поступившей извне возникает некая обобщенная движущая сила (например, перепад давления, перепад концентраций вещества и т.п.). Под действием этой силы система из равновесного или слаборавновесного состояния постепенно переходит к неравновесному состоянию, система становится нелинейной и возникшие флуктуации начинают играть все более заметную роль. В конце концов, наступает момент времени – точка бифуркации, когда система становится перед выбором одного из нескольких принципиально возможных состояний. Этот выбор возможных состояний носит непрогнозированный вероятностный характер. После осуществления выбора, система становится более упорядоченной, по сравнению с исходной, а ее поведение прогнозируемой. Если движущая сила будет увеличиваться, то система может придти к новой точке бифуркации и т.д.

56

Точка бифуркации (точка ветвления) – критическое состояние системы, при котором она становится неустойчивой относительно флуктуаций и возникает неопределенность: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый более высокий уровень упорядоченности. В масштабе Вселенной самоорганизация проявляется в эволюции космологических сильно неравновесных систем. Процессы самоорганизации имеют место и при формировании геологического облика Земли (геологическая эволюция). Живой организм, биологический вид, популяция, экосистема и биосфера представляют собой открытые системы, далекие от равновесия, которые характеризуются определенной упорядоченностью. К процессам самоорганизации относятся: • кооперативное поведение насекомых; • эффекты самодостраивания (регенерация живых тканей); • интуиция в процессе мышления; • вся жизнь на Земле, а также ее возникновение. Примерами самоорганизации могут служить: • ячейки Бенара: возникновение упорядоченности в виде конвективных ячеек в форме цилиндрических валов или правильных шестигранных структур в слое вязкой жидкости с вертикальным градиентом температуры, т.е. равномерно подогреваемых снизу; • реакция Белоусова-Жаботинского – класс химических реакций, протекающих в колебательном режиме, при котором некоторые параметры реакции (цвет, концентрация компонентов, температура и др.) изменяются периодически, образуя сложную пространственновременную структуру реакционной среды; • лазер (переход лазера в режим генерации): при накачке энергии лазер работает как обычная лампа, причем микроскопические ячейки, подобно антеннам, излучают свет независимо друг от друга. При определенном значении энергии антенны начинают работать самостоятельно в одной фазе, что приводит к мощному излучению. Таким образом, происходит скачкообразный переход к новому качественному состоянию; • возникновение кристаллов в достаточно концентрированном растворе. Пороговый характер (внезапность) явлений самоорганизации К закономерностям самоорганизации в любой системе относится внезапность, быстрота формирования диссипативной структуры, так как развитие кризисной ситуации достигается быстрым переходом диссипативной системы на новый более высокий уровень упорядоченности.

57

При самоорганизации происходит: • синхронизация частей системы; • понижение энтропии системы; • повышение энтропии окружающей систему среды. Универсальный эволюционизм: • все существует в развитии; • развитие есть чередование медленных количественных и быстрых качественных изменений (бифуркаций); • законы природы как принцип отбора допустимых состояний из всех мыслимых; • фундаментальная и неустранимая роль случайности и неопределенности; • непредсказуемость пути выхода из точки бифуркации: прошлое влияет на настоящее и будущее, но не предопределяет его; • устойчивость и надежность природных систем, как результат их постоянного обновления; • эволюция Вселенной и ее структур обусловлены ее собственными законами, действующими объективно и познаваемыми рационально; • Вселенная существует и может существовать лишь в развитии. Примеры тестов 1. Чтобы в системе могла происходить самоорганизация, необходимо, чтобы эта система была … 5 сильно неравновесной … равновесной … линейной … слабо неравновесной 2. Не относится к числу закономерностей самоорганизации положение о том, что … 5 самоорганизация всегда происходит плавно, постепенно, медленно … флуктуации тем больше, чем ближе бифуркация … при самоорганизации энтропия системы понижается, а скорость производства энтропии в ней возрастает … самоорганизация происходит в результате потери системой устойчивости Решение Общие закономерности самоорганизации: 1) диссипативная структура возникает быстро, по достижении критического уровня неравновесности; 2) диссипативная структура возникает после прохождения системой точки бифуркации (кризиса, потери устойчивости);

58

3) утрата устойчивости по мере приближения к точке бифуркации проявляется в росте амплитуды и времени существования флуктуаций – случайных отклонений системы от нормы; 4) после прохождения системой точки бифуркации флуктуации стабилизируются и становятся элементами возникающей упорядоченной диссипативной системы; 5) направление выхода системы из точки бифуркации определяется непредсказуемой игрой флуктуаций; поэтому точное предсказание будущего развивающейся системы на период, включающий хотя бы одну точку бифуркации, невозможно в принципе; 6) образование диссипативной структуры в результате самоорганизации понижает энтропию системы, так как упорядоченность системы возрастает; однако достигается это за счет ускоренной диссипации энергии, то есть ускорения производства энтропии в системе; чтобы сохранить собственную упорядоченность, система отводит избыточную энтропию в окружающую среду, повышая тем самым ее энтропию. 3. К явлениям самоорганизации можно отнести … 5 формирование циклонов и антициклонов в атмосфере … кристаллизацию при охлаждении расплава или испарении раствора … возникновение пустыни в результате чрезмерно интенсивного землепользования … соблюдение единых законов на всей территории государства 4. К явлениям самоорганизации можно отнести … 5 переход химической реакции в колебательный режим при высоких концентрациях реагентов … превращение пашни в пустыню при высокой интенсивности землепользования … образование снежинок в результате кристаллизации водяных паров при понижении температуры … формирование социального поведения у ребенка при правильном воспитании Решение Атрибутами самоорганизации служат повышение сложности и упорядоченности системы, самопроизвольность процесса и неравновесность возникающей структуры 5. К принципам универсального эволюционизма относится положение о том, что … 5 все материальные структуры Вселенной существуют только в процессе постоянного развития, эволюции

59

… все современные живые организмы на Земле возникли в ходе

длительной биологической эволюции … преобладающей тенденцией во всех мировых процессах является тенденция к деградации и росту энтропии … Вселенная возникла конечное время тому назад (около 13,5 млрд. лет) и с тех пор расширяется 6. Синергетика изучает … 5 закономерности самопроизвольного возникновения сложных структур в неравновесных нелинейных системах … общие закономерности взаимных превращений различных форм энергии … проблемы устойчивого экологобезопасного развития энергетики … способы точного прогнозирования отдаленного будущего человечества 7. Синергетика изучает … 5 закономерности самоорганизации в природных и социальных системах … пути выхода цивилизации из энергетического кризиса … историю и законы биологической эволюции … способы точного прогнозирования отдаленного будущего 8. Диссипативной структурой является … 5 человек … дом … молекула … астероид 5. ПАНОРАМА СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ Тема 19. Космология Тема 19а. Общая космогония Космология – это наука о Вселенной в целом, ее свойствах, структуре, эволюции. Космологические представления Аристотеля: • Вселенная ограничена сферой на которой находятся звезды. За этой сферой ничего нет. В центре Вселенной – Земля; • шарообразная Вселенная неоднородна: в подлунном мире все состоит из земли, воды, воздуха, огня; в надлунном мире вплоть до ограничивающей сферы все заполнено гипотетическим эфиром. Геоцентрическая система Птоломея (развитие идей Аристотеля): в центре Вселенной сферическая Земля, а вокруг нее обращаются Луна, Солнце, планеты по сложной системе окружностей –

60

«эпициклов», «деферентов», и, наконец, все это было заключено в сферу неподвижных звезд. Гелиоцентрическая система Коперника: в центре мира неподвижное Солнце, вокруг которого обращаются планеты (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутоний). Ньютоновская космология (в ее основе лежит система Коперника): Вселенная – безграничная, бесконечная, однородная, неизменная. Вселенная Эйнштейна: однородна, изотропна и равномерно заполнена материей, преимущественно в форме вещества. Космологическая модель Фридмана: основана на уравнениях, выведенных из общей теории относительности и описывает нестационарную эволюцию Вселенной. Выводы из модели Фридмана указывали на то, что материя в однородной и изотропной Вселенной не может находиться в покое – Вселенная должна либо сжиматься, либо расширяться. Если плотность материи меньше некоторого критического значения, то гравитационное притяжение будет слишком мало, чтобы остановить расширение. Если же плотность материи больше критической, то в какой-то момент в будущем из-за гравитации расширение Вселенной прекратиться и начнется сжатие. В этом случае Вселенную ожидает коллапс, в результате которого вновь образуется сгусток, возникнут условия для нового Большого Взрыва и последующего потом расширения. Следовательно, Вселенная может пульсировать между состояниями максимального расширения и коллапса. Это и есть модель пульсирующей Вселенной. Наблюдаемая часть Вселенной (метагалактика) представляется с Земли: • однородной и изотропной на больших масштабах (более 200 мегапарсек); • сильно неоднородной на меньших масштабах. Спектральный анализ является одним из основных методов исследования Вселенной. Он позволяет на основе анализа, пришедшего из космоса света, установить количественный и качественный состав небесных тел, их температуру, скорость движения по лучу зрения и т.п. Звезда: • самосветящееся небесное тело, состоящее из раскаленных газов (плазмы), по своей природе похожи на Солнце; • основным источником энергии звезд являются реакции термоядерного синтеза, при которых из легких ядер образуются более тяжелые (чаще всего это превращение водорода в гелий). Атрибуты планет: • небесные тела, обращающиеся вокруг звезд;

61

• светятся отраженным светом от звезд; • достаточно массивны, чтобы под действием собственного гравитационного поля стать шарообразными; • достаточно массивна, чтобы своим тяготением расчистить пространство вблизи своей орбиты от других небесных тел. Галактики: • системы из миллиардов звезд (не менее 1000 млрд. звезд), связанных взаимным тяготением и общим происхождением. Галактики по форме условно разделяются на три типа: • эллиптические галактики, обладающие формой эллипса с различной степенью сжатия; • спиральные галактики представлены в форме спирали, включая в себя спиральные ветви; • неправильные галактики – не обладают выраженной формой. Наша галактика – Млечный путь, ее основные характеристики: • гигантская (более 100 млрд. звезд); • спиральная; • диаметр около 100 тысяч световых лет. Метагалактика: часть Вселенной со всеми находящимися в ней галактиками и др. объектами, которая доступна для исследования современными астрономическими методами. Она содержит несколько миллиардов галактик. Вселенная – все сущее, т.е. весь существующий материальный мир. Пространственные масштабы Вселенной: расстояние до наиболее удаленных из наблюдаемых объектов – более 10 млрд световых лет. Космос – плохо определяемый термин. Он обозначает или Вселенную в целом или пространство за пределами Земли. Тема 19б. Происхождение Солнечной системы Небулярная теория Лапласа В 1796 г. французский математик и астроном Пьер-Симон Лаплас выдвинул теорию, несколько отличную от предыдущей. Лаплас полагал, что Солнце существовало первоначально в виде огромной раскаленной газообразной туманности (небулы) с незначительной плотностью, но зато колоссальных размеров. Эта туманность, согласно Лапласу, первоначально медленно вращалась в пространстве. Под влиянием сил гравитации туманность постепенно сжималась, причем скорость ее вращения увеличивалась. Возрастающая в результате центробежная сила придавала туманности уплощенную, а затем и линзовидную форму. В экваториальной плоскости туманности соотношение между притяжением и центро-

62

бежной силой изменялось в пользу этой последней, так что, в конечном счете масса вещества, скопившегося в экваториальной зоне туманности, отделилась от остального тела и образовала кольцо. От продолжавшей вращаться туманности последовательно отделялись все новые кольца, которые, конденсируясь в определенных точках, постепенно превращались в планеты и другие тела солнечной системы. В общей сложности от первоначальной туманности отделилось десять колец, распавшихся на девять планет и пояс астероидов – мелких небесных тел. Спутники отдельных планет сложились из вещества вторичных колец, оторвавшихся от раскаленной газообразной массы планет. Вследствие продолжавшегося уплотнения материи температура новообразованных тел была исключительно высокой. В то время и наша Земля, по П. Лапласу, представляла собой раскаленный газообразный шар, светившийся подобно звезде. Постепенно, однако, этот шар остывал, его материя переходила в жидкое состояние, а затем, по мере дальнейшего охлаждения, на его поверхности стала образовываться твердая кора. Эта кора была окутана тяжелыми атмосферными парами, из которых при остывании конденсировалась вода. Эти две теории взаимно дополняли друг друга, поэтому в литературе они часто упоминаются под общим названием как гипотеза КантаЛапласа. Поскольку наука не располагала в то время более приемлемыми объяснениями, у этой теории было в XIX веке множество последователей. Теория большого взрыва В 1998 году появились наблюдения, которые убедительно показывают, что Вселенная расширяется не с замедлением, а с ускорением. Возраст Вселенной по современным оценкам 12–15 млрд лет. Модель «Большого Взрыва» (Г. Гамов, 1948 г.) 1. «Исходное начало» Вселенной было представлено сверхплотным и сверхгорячим состоянием. 2. Это состояние возникло в результате предыдущего сжатия всей материально-энергетической составляющей Вселенной. 3. Этому состоянию соответствовал чрезвычайно малый объем. Состояние Вселенной, когда все вещество Вселенной в начальный момент сосредоточенно в крайне небольшом объеме с бесконечно высокой плотностью, называется сингулярным. 4. Энергия – материя, которая, достигнув некоторого предела плотности и температуры в этом сингулярном состоянии, взорвалась, произошел Большой Взрыв (речь идет не о обычном взрыве). 5. Большой Взрыв придал определенную скорость движения всем фрагментам исходного физического состояния до Большого Взрыва.

63

6. Поскольку исходное состояние было сверхгорячим, то расширение должно сохранить остатки этой температуры, по всем направлениям расширяющейся Вселенной, в виде так называемого реликтового излучения. В 1964 г. Было обнаружено реликтовое излучение. Излучение этого фона дали температуру 2,7 К, что достаточно близко к предсказанной Гамовым 10 К. Обнаруженное реликтовое излучение является подтверждением модели Большого Взрыва. Последовательность стадий эволюции Вселенной: инфляционное расширение – рождение вещества – формирование звезд первого поколения – образование элементов тяжелее гелия. Расширяющаяся Вселенная Имеется целый ряд фактов, говорящих о свойствах Вселенной сегодня и в относительно недалеком прошлом. Вселенная в целом однородна: все области во Вселенной выглядят одинаково. Разумеется, это не относится к небольшим областям: есть области, где много звезд – это галактики; есть области, где много галактик, – это скопления галактик; есть и области, где галактик мало, – это гигантские пустоты. Но области размером 300 миллионов световых лет и больше выглядят все одинаково. Об этом однозначно свидетельствуют астрономические наблюдения, в результате которых составлена «карта» Вселенной до расстояний около 10 млрд световых лет от нас. Нужно сказать, что эта «карта» служит источником ценнейшей информации о современной Вселенной, поскольку она позволяет на количественном уровне определить, как именно распределено вещество во Вселенной. Вселенная расширяется: галактики удаляются друг от друга. Пространство растягивается во все стороны, и чем дальше от нас находится та или иная галактика, тем быстрее она удаляется от нас. Сегодня темп этого расширения невелик: все расстояния увеличатся вдвое примерно за 15 млрд лет, однако раньше темп расширения был гораздо больше. Плотность вещества во Вселенной убывает с течением времени, и в будущем Вселенная будет всё более и более разреженной. Наоборот, раньше Вселенная была гораздо более плотной, чем сейчас. О расширении Вселенной прямо свидетельствует «покраснение» света, испущенного удаленными галактиками или яркими звездами: из-за общего растяжения пространства длина волны света увеличивается за то время, пока он летит к нам. Именно это явление было установлено Э. Хабблом в 1927 г. и послужило наблюдательным доказательством расширения Вселенной, предсказанного за три года до этого Александром Фридманом.

64

Замечательно, что современные наблюдательные данные позволяют измерить не только темп расширения Вселенной в настоящее время, но проследить за темпом её расширения в прошлом. О результатах этих измерений и вытекающих из них далеко идущих выводах мы еще будем говорить. Здесь же скажем о следующем: сам факт расширения Вселенной, вместе с теорией гравитации – общей теорией относительности – свидетельствует о том, что в прошлом Вселенная была чрезвычайно плотной и чрезвычайно быстро расширялась. Если проследить эволюцию Вселенной назад в прошлое, используя известные законы физики, то мы придем к выводу, что эта эволюция началась с момента Большого Взрыва; в этот момент вещество во Вселенной было настолько плотным, а гравитационное взаимодействие настолько сильным, что известные законы физики были неприменимы. С тех пор прошло 14 млрд лет, это – возраст современной Вселенной. Вселенная «теплая»: в ней имеется электромагнитное излучение, характеризуемое температурой Т = 2,725 градусов Кельвина (реликтовые фотоны, сегодня представляющие собой радиоволны). Разумеется, эта температура сегодня невелика (ниже температуры жидкого гелия), однако это было далеко не так в прошлом. В процессе расширения Вселенная остывает, так что на ранних стадиях её эволюции температура, как и плотность вещества, была гораздо выше, чем сегодня. В прошлом Вселенная была горячей, плотной и быстро расширяющейся. Вселенная в прошлом Обсудим два этапа эволюции Вселенной, о которых сегодня имеются надежные наблюдательные данные. Один из них, относительно недавний – это этап перехода вещества во Вселенной из состояния плазмы в газообразное состояние. Это произошло при температуре 3000 градусов, а возраст Вселенной к тому моменту составлял 300 тыс. лет (совсем немного по сравнению с современными 14 млрд лет). До этого электроны и протоны двигались отдельно друг от друга, вещество представляло из себя плазму. При температуре 3000 градусов произошло объединение электронов и протонов в атомы водорода, и Вселенная оказалась заполненной этим газом. Важно, что плазма непрозрачна для электромагнитного излучения; фотоны всё время излучаются, поглощаются, рассеиваются на электронах плазмы. Газ, наоборот, прозрачен. Значит, пришедшее к нам электромагнитное излучение с температурой 2,7 градуса свободно путешествовало во Вселенной с момента перехода плазма-газ, остыв (покраснев) с тех пор в 1100 раз из-за расширения Вселенной. Это реликтовое электромагнитное излучение сохранило в себе информацию о состоянии Вселенной в момент перехода плазма-газ; с его помощью мы имеем

65

фотоснимок (буквально!) Вселенной в возрасте 300 тыс. лет, когда её температура составляла 3000 градусов. Измеряя температуру этого реликтового электромагнитного излучения, пришедшего к нам с разных направлений на небе, мы узнаём, какие области были теплее или холоднее (а значит, плотнее или разреженнее), чем в среднем по Вселенной, а главное – насколько они были теплее или холоднее. Из этих неоднородностей плотности возникли галактики и скопления галактик: области с более высокой плотностью притягивали к себе окружающее вещество за счет гравитационных сил, становились еще более плотными и в конечном итоге образовывали галактики. Поскольку начальные неоднородности плотности известны, процесс образования галактик можно рассчитать и результат сравнить с наблюдаемым распределением галактик во Вселенной. Этот расчет согласуется с наблюдениями, только если предположить, что помимо обычного вещества во Вселенной имеется другой тип вещества – темная материя, вклад которой в полную плотность энергии сегодня составляет около 25%. Другой этап эволюции Вселенной соответствует еще более ранним временам, от 1 до 200 секунд (!) с момента Большого Взрыва, когда температура Вселенной достигала миллиардов градусов. В это время во Вселенной происходили термоядерные реакции, аналогичные реакциям, протекающим в центре Солнца или в термоядерной бомбе. Темная материя Темная материя сродни обычному веществу в том смысле, что она способна собираться в сгустки (размером, скажем, с галактику или скопление галактик) и участвует в гравитационных взаимодействиях так же, как обычное вещество. Скорее всего, она состоит из новых, не открытых еще в земных условиях частиц. Темная материя имеется и в галактиках. В нашей Галактике в окрестности Солнца масса темной материи примерно равна массе обычного вещества. Можно ли ожидать открытия частиц темной материи в недалеком будущем в земных условиях? Имеется несколько путей поиска частиц темной материи. Один из них связан с экспериментами на будущих ускорителях высокой энергии – коллайдерах. Если частицы темной материи действительно тяжелее протона в 100–1000 раз, то они будут рождаться в столкновениях обычных частиц, разогнанных на коллайдерах до высоких энергий (энергий, достигнутых на существующих коллайдерах, для этого не хватает). Ближайшие перспективы здесь связаны со строящимся в международном центре ЦЕРН под Женевой Большим адронным коллайдером (LHC), на котором будут получены встречные пучки протонов с энергией 7x7 Тераэлектронвольт. Нужно

66

сказать, что согласно популярным сегодня гипотезам, частицы темной материи – это лишь один представитель нового семейства элементарных частиц, так что наряду с открытием частиц темной материи можно надеяться на обнаружение на ускорителях целого класса новых частиц и новых взаимодействий. Космология подсказывает, что известными сегодня «кирпичиками» мир элементарных частиц далеко не исчерпывается! Другой путь состоит в регистрации частиц темной материи, которые летают вокруг нас. Их отнюдь не мало: при массе, равной 1000 масс протона, этих частиц здесь и сейчас должно быть 1000 штук в кубическом метре. Проблема в том, что они крайне слабо взаимодействуют с обычными частицами, вещество для них прозрачно. Тем не менее, частицы темной материи изредка сталкиваются с атомными ядрами, и эти столкновения можно надеяться зарегистрировать. Поиск в этом направлении ведется с помощью целого ряда высокочувствительных детекторов, помещенных глубоко под землей, где резко снижен фон от космических лучей. Темная энергия Темная энергия – гораздо более странная субстанция, чем темная материя. Начать с того, что она не собирается в сгустки, а равномерно «разлита» во Вселенной. В галактиках и скоплениях галактик её столько же, сколько вне их. Самое необычное то, что темная энергия в определенном смысле испытывает антигравитацию. Мы уже говорили, что современными астрономическими методами можно не только измерить нынешний темп расширения Вселенной, но и определить, как он изменялся со временем. Так вот, астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что сегодня (и в недалеком прошлом) Вселенная расширяется с ускорением: темп расширения растет со временем. В этом смысле и можно говорить об антигравитации: обычное гравитационное притяжение замедляло бы разбегание галактик, а в нашей Вселенной, получается, всё наоборот. Такая картина, вообще говоря, не противоречит общей теории относительности, однако для этого темная энергия должна обладать специальным свойством – отрицательным давлением. Это резко отличает её от обычных форм материи. Не будет преувеличением сказать, что природа темной энергии – это главная загадка фундаментальной физики XXI века. Один из кандидатов на роль темной энергии – вакуум. Плотность энергии и вакуума не изменяется при расширении Вселенной, а это и означает отрицательное давление вакуума. К сожалению, сейчас не видно путей прямого экспериментального исследования темной энергии в земных условиях. Это, конечно, не означает, что в будущем не может появиться новых блестящих идей в

67

этом направлении, но сегодня надежды на прояснение природы темной энергии (или, более широко, причины ускоренного расширения Вселенной) связаны исключительно с астрономическими наблюдениями и с получением новых, более точных космологических данных. Нам предстоит узнать в деталях, как именно расширялась Вселенная на относительно позднем этапе её эволюции, и это, надо надеяться, позволит сделать выбор между различными гипотезами. Тема 19в. Геологическая эволюция Атмосфера Земли Окружающая Землю атмосфера условно делится на несколько слоев. Приведем их в порядке от Земли и выше. 1. Тропосфера – высота примерно 11 км, содержит ¾ всего воздуха атмосферы. 2. Стратосфера – находится над Землей на высоте 11–50 км. Это самый спокойный слой атмосферы. Там не бывает ветров, разреженный воздух и там предпочтительней летать самолетом. 3. Мезосфера – 50–80 км над Землей. Именно в этом слое сгорают метеориты. 4. Термосфера – слой очень разреженного воздуха на высоте 80– 480 км над Землей. Этот слой включает в себя ионосферу – слой электрически заряженных частиц, от которого отражаются радиоволны, исходящие от Земли. 5. Экзосфера – верхний слой почти не содержащий воздуха. Внутри атмосферы находится тонкий слой газа – озон. Озон – разновидность кислорода. Он поглощает испускаемые Солнцем ультрафиолетовые лучи. Если бы не было озонового слоя излучение, достигнув Земли, убило бы все живое. Химический состав атмосферы: азот – 78%, кислород – 21%, аргон – 0,9%, водяной пар – 0,1% и далее по нисходящей: метан – 0,0006%, углекислый газ – 0,00003%, аммиак – 0,00001% и т.д. Внутреннее строение Земли 1. Земная кора – верхний слой горных пород, выходящий на поверхность Земли. Толщина Земной коры на континентах до 70 км, а в океанах – всего 6 км. Температура у основания порядка 1000 град. С. 2. Мантия – это слой горных пород. Температура у основания порядка 3700 град. С. Вещество мантии (магма) находится в состоянии одновременно напоминающем и твердое. И жидкое. Мантия не находится в покое. В ней происходит круговорот веществ. Нагретые в глубине массы вещества поднимаются вверх к земной коре. Там они остывают и опускаются. Возникают гигантского масштаба вертикальные кольцеобразные течения. Вместе с верхней частью ман-

68

тии земная кора образует слой толщиной около ста километров под океанами и еще больше под материками – литосферу. Под литосферой находится узкий слой – астеносфера, находящийся частично в расплавленном состоянии таком, что его вязкость гораздо меньше, чем вязкость остальной части мантии. Толщина слоя мантии около 2900 км. 3. Внешнее ядро состоит из расплавленного железа. Температура у основания порядка 2200 град. С. Толщина внешнего ядра около 2200 км. 4. Внутреннее ядро – твердый железоникелевый шар. Температура порядка 4500 град. С. Радиус ядра около 1055 км. Химический состав земной коры: кислород – 47%, кремний – 28%, алюминий – 8%, железо – 5%, кальций – 3,6%, натрий – 2,8%, калий – 2,6%, магний – 2%. Магнитное поле Земли Магнитное поле Земли устроено примерно так же, как если бы внутри ее находился мощный прямоугольный магнит в виде бруска, помещенный под небольшим углом к оси вращения Земли. Основная гипотеза о происхождении магнитного поля Земли связана с движением электропроводящего вещества в жидком ядре Земли, создающее своеобразное гидромагнитное динамо. Околоземное космическое пространство, которое контролируется магнитным полем Земли называется магнитосферой. Магнитосфера формируется в результате взаимодействия солнечного ветра с плазмой верхних слоев атмосферы и магнитного поля Земли. В итоге плазма солнечного ветра и солнечные корпускулярные потоки, как бы огибают земную магнитосферу. Магнитное поле Земли защищает живые организмы (и человека) от губительных воздействий космических частиц. К этим частицам относятся, например, ионизированные (заряженные) частицы солнечного ветра. Магнитное поле Земли через магнитосферу изменяет траектории их движения, направляя частицы вдоль линий поля прочь от Земли. Примеры тестов 1. Космология изучает происхождение и развитие … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 Вселенной … Солнечной системы 5 Метагалактики … нашей Галактики 2. Научная космология начала развиваться в … 5 ХХ веке на основе общей теории относительности

69

… Древней Греции на основе натурфилософской картины мира Ари-

стотеля … Эпоху Возрождения на основе гелиоцентрической системы Коперника … ХVII веке на основе классической механики Ньютона 3. Представление о том, что Земля занимает рядовое, ничем не примечательное положение во Вселенной, характерно для … 5 современной научной картины мира … библейского описания сотворения Земли и мира … натурфилософской картины мира Аристотеля … геоцентрической системы мира Птолемея Решение Представление о рядовом месте Земли во Вселенной характерно для всех научных картин мира, а также для взглядов Коперника и некоторых античных мыслителей. 4. Представление о том, что земной наблюдатель занимает особое, выделенное положение во Вселенной, характерно для … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 картины мира Аристотеля 5 Птолемеевой модели мироздания … современной космологии … системы мира по Копернику 5. Согласно современной космологии, возраст Вселенной … 5 в несколько раз больше возраста Солнца и Земли … в тысячи раз больше возраста Солнца и Земли … практически совпадает с возрастом Солнца и Земли … в несколько раз меньше возраста Солнца и Земли Решение Возраст Вселенной (время, прошедшее с начала космологического расширения Вселенной из очень плотного и горячего состояния) определен несколькими независимыми способами и составляет примерно 13,5 миллиарда лет. Возраст Вселенной в 13,5 миллиарда лет согласуется с возрастом Солнца в 5 миллиардов лет, установленным в космогонии, особенно если учесть, что Солнце – это звезда второго поколения, сформировавшаяся из вещества, разбросанного по космосу при взрывах звезд первого поколения. Возраст Вселенной в 13,5 миллиарда лет согласуется с возрастом Земли в 4,5 миллиарда лет, установленным средствами геологии. 6. Согласно современной космологии, возраст Вселенной … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 находится в диапазоне от 12 до 15 миллиардов лет 5 в несколько раз превышает возрасты Солнца и Земли

70

… находится в диапазоне от 6 до 10 тысяч лет … практически совпадает с возрастами Солнца и Земли

7. Вселенная в больших масштабах … 5 однородна … анизотропна … стационарна … вращается вокруг мировой оси 8. О расширении Вселенной говорит наблюдательный факт … 5 красного смещения в спектрах всех далеких галактик … изменения вида звездного неба за охваченный наблюдениями период … медленного смещения перигелия Меркурия … чрезвычайной удаленности даже ближайших к нам звезд 9. В пользу представления о расширяющейся Вселенной говорит … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 решение уравнений общей теории относительности, примененных ко Вселенной в целом 5 красное смещение линий в спектрах далеких галактик, пропорциональное расстоянию до них … систематическое изменение вида звездного неба, наблюдаемого астрономами, со времен античности и до наших дней … увеличение радиусов планетных орбит в Солнечной системе с течением времени 10. Космогония изучает … 5 происхождение и развитие небесных тел … происхождение и развитие Вселенной … проблемы космических полетов … физические свойства межзвездного пространства Решение Согласно Большой Советской энциклопедии, космогония – научная дисциплина, изучающая происхождение и развитие космических тел и их систем. 11. К числу двух самых распространенных в космосе химических элементов относятся … 5 Водород 5 Гелий … Углерод … Кремний 12. К числу основных характеристик звезды относятся … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 масса

71

5 химический состав … форма … яркость среди других звезд на небе 13. Наиболее распространенными источниками энергии свечения звезд служат … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 энергия, выделяющаяся при термоядерных реакциях в недрах звезды 5 энергия, выделяющаяся при сжатии вещества звезды под действием ее собственной силы тяжести … энергия химических реакций окисления водорода кислородом (горения) … энергия соседних более ярких небесных тел, свет которых отражается от поверхности звезды 14. Чтобы установить закономерности эволюции звезд, ученые … 5 наблюдают множество звезд на разных стадиях эволюции и делают заключения о последовательности и продолжительности разных стадий … отслеживают эволюцию ближайших звезд в режиме реального времени и полагают, что все остальные звезды эволюционируют так же … моделируют процессы термоядерного синтеза, идущие в недрах звезд, экспериментальными термоядерными взрывами … вынуждены полагаться только на теоретические модели звездной эволюции 15. Чтобы установить закономерности эволюции звезд, ученые … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 на основе физических законов строят теоретические модели эволюции звезд и сравнивают их предсказания с астрономическими наблюдениями 5 наблюдают множество звезд на разных стадиях эволюции и делают заключения о последовательности и продолжительности разных стадий … моделируют процессы термоядерного синтеза, идущие в недрах звезд, экспериментальными термоядерными взрывами … отслеживают эволюцию нескольких ближайших звезд в режиме реального времени и полагают, что все остальные звезды эволюционируют так же 16. Согласно современной теории происхождения Солнечной системы, ее формирование … 5 было сложным комплексом процессов – механических, электромагнитных, ядерных, тепловых … было сугубо механическим процессом, движимым силами всемирного тяготения

72

… началось практически сразу после возникновения Вселенной … заняло несколько тысяч лет

Решение Современные взгляды о возникновении Солнечной системы, как и гипотеза Канта–Лапласа, основаны на представлении о том, что Солнце и планеты возникли из одной и той же разреженной туманности. Однако дальнейшая история представляется как сложный комплекс разнообразных взаимоувязанных процессов – механических (движение микрочастиц, планетезималей, протопланет и планет по орбитам вокруг молодого Солнца, их гравитационное взаимодействие с Солнцем и друг с другом, приводившее к сильным изменениям их орбит, столкновения между собой), ядерных (разогрев внутренностей Солнца термоядерными реакциями и внутренностей планет радиоактивным распадом), тепловых (нагрев туманности при ее гравитационном сжатии, столкновении фрагментов вещества между собой, плавление минералов при столкновениях и сжатии протопланет), электромагнитных (взаимодействие магнитного поля Солнца с ионизированными частицами туманности). 17. Согласно небулярной гипотезе Канта–Лапласа, формирование Солнечной системы … 5 было сугубо механическим процессом, движимым силами всемирного тяготения … было сложным комплексом процессов – механических, электромагнитных, ядерных, тепловых … произошло благодаря взрыву первичного компактного тела – протозвезды … произошло благодаря столкновению Солнца с огромной кометой, вырвавшей из него фрагмент, который затем распался на планеты 18. Согласно небулярной гипотезе Канта–Лапласа, … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 Солнце и планеты сформировались из одной и той же туманности 5 формирование Солнечной системы было сугубо механическим процессом, движимым силами всемирного тяготения … планеты сформировались из туманности, которую Солнце, двигаясь в космосе, захватило своим тяготением … формирование Солнечной системы было сложным комплексом процессов, механических, электромагнитных, ядерных, тепловых и других 19. Согласно современной теории происхождения Солнечной системы, … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 формирование Солнечной системы было сложным комплексом процессов – механических, электромагнитных, ядерных, тепловых и других

73

5 Солнце и планеты сформировались из одной и той же разреженной туманности … Солнце начало формироваться, когда формирование планет уже закончилось … планеты сформировались из фрагмента Солнца, вырванного из него при близком прохождении другой звезды 20. К особенностям устройства Солнечной системе относится то, что … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 орбиты всех планет лежат практически в одной плоскости … химический состав всех планет практически одинаков … размеры всех планет практически одинаковы 5 все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении 21. В состав Солнечной системы входят … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 астероиды и кометы 5 Земля и Юпитер … Млечный путь и другие галактики … Марс и Сириус 22. В состав Солнечной системы входит(-ят) … 5 Меркурий и Плутон … Юпитер и Вега … Туманность Андромеды … черные дыры 23. Земля отличается от других планет земной группы (Меркурия, Венеры и Марса) … 5 большим количеством жидкости на поверхности … мощной атмосферой, создающей «парниковый эффект» … наличием ясно выраженной твердой поверхности … наибольшей удаленностью от Солнца 24. Самая точная оценка возраста Земли получена путем … 5 измерения концентрации радиоактивных изотопов и продуктов их распада в земных породах и метеоритах … вычисления времени, необходимого для остывания первоначально горячей Земли до современной температуры … определения времени, необходимого для засоления Мирового океана до современного уровня … измерения толщины слоя осадочных пород, накопившихся за историю Земли 25. В число твердых слоев, выделяемых в составе нашей планеты, входят … … внутреннее ядро

74

5 земная кора … тропосфера … внешнее ядро 26. Земля отличается от других планет земной группы (Меркурия, Венеры и Марса) … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 большим количеством жидкости на поверхности … наличием ясно выраженной твердой поверхности … мощной атмосферой, создающей «парниковый эффект» 5 присутствием кислорода в атмосфере 27. Сильное влияние на формирование погоды оказывают процессы, происходящие в земной … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 гидросфере 5 атмосфере … магнитосфере … литосфере Тема 20. Происхождение жизни (эволюция и развитие живых систем) Гипотезы происхождения жизни: а) креационизм – происхождение мира, жизни и человека есть результат божественного творения, отрицающая изменение видов и их историческое развитие; б) гипотеза стационарного состояния – жизнь никогда не возникала, а существовала всегда; в) гипотеза панспермии – земная жизнь имеет космическое происхождение, т.е. появление жизни на Земле – это перенос с других планет, зародивших жизнь; г) концепция постоянного самозарождения (вплоть до XIX в. была единственной концепцией, альтернативной креационизму) – жизнь возникла и возникает неоднократно из неживого вещества; д) гипотеза биохимической эволюции (абиогенеза) – (теория А.И. Опарина) – жизнь на Земле возникла в результате самоорганизации из неорганических веществ: • зарождение жизни на Земле – это результат абиогенного синтеза; • жизнь возникла в специфических условиях древней земли, в результате физико-химических процессов. В процессе возникновения жизни на Земле различают несколько основных этапов. Их последовательность в процессе эволюции (от более раннего к более позднему): а) абиогенный синтез низкомолекулярных органических соединений (мономеров) из неорганических; б) концентрирование органических соединений и образование биополимеров;

75

в) возникновение самовоспроизводящихся молекул; г) возникновении фотосинтеза. Гипотеза голобиоза (методологический подход в вопросе происхождения жизни) – основана на идее первичности структур клеточного типа, способных к обмену веществ при участии ферментных белков. Гипотеза генобиоза (методологический подход в вопросе происхождения жизни) – основана на идее первичности молекулярной системы со свойствами генетического кода. Организмы, питающиеся готовыми органическими соединениями, называются гетеротрофами. Организмы, синтезирующие органические вещества из неорганических за счет энергии Солнца или энергии неорганических соединений, называются автотрофами. Фактор, способствующий выходу первых организмов из воды на сушу – понижение температуры Земли, появление озонового слоя. Первичная атмосфера Земли в абиогенный период возникновения жизни: • первичная атмосфера Земли состояла из водяных паров, углекислого газа с небольшой примесью других газов (СО2, СО, H2S, NH3, CH4); • в первичной атмосфере отсутствовал газообразный кислород (О2). Соответствие между содержанием понятия и термином: • автотроф – организм, способный синтезировать органические вещества из неорганических; • прокариот – одноклеточный организм, не имеющий оформленного ядра; • коацерват – белковый комплекс, отделенный от воды липидной оболочкой; • биогенез – теория, утверждающая, что все живое происходит только от живого; • эволюция – необратимое развитие органического мира. Аэроб – организм, который для процессов синтеза энергии нуждается, в свободном молекулярном кислороде. К аэробам относятся: подавляющее большинство животных, все растения, а также значительная часть микроорганизмов. Анаэроб – организм, получающий энергию при отсутствии кислорода. Примеры тестов 1. Установите соответствие между понятием и его определением: 1) генобиоз 2) голобиоз 3) абиогенез 1 гипотеза, согласно которой первичными были молекулярные системы со свойствами генетического кода

76

2 гипотеза, согласно которой первичными были белковые структуры с ферментативной активностью 3 концепция, согласно которой жизнь на земле возникла в результате … самоорганизации неживой материи … гипотеза, утверждающая, что все живое происходит только от живого Решение Биогенез – образование органических соединений живыми организмами; процесс возникновения зарождения живого. По этой концепции все живое рождается только от живого. Абиогенный, абиогенная эволюция, абиогенное вещество – неживого, небиологического происхождения. 2. Установите соответствие между концепцией возникновения жизни и ее содержанием: 1) теория биохимической эволюции 2) постоянное самозарождение 3) панспермия 1 возникновение жизнь есть результат длительных процессов самоорганизации в неживой природе 2 жизнь регулярно зарождается из неживого вещества, в составе которого 3 есть некое «активное начало» … первые живые организмы занесены из космоса с метеоритами и межпланетной пылью … жизнь никогда не возникала, а существовала вечно Решение Согласно концепции биохимической эволюции, жизнь возникла в результате длительных процессов самоорганизации в неживой природе в условиях ранней Земли. Сторонники концепции постоянного самозарождения утверждают, что жизнь зарождалась постоянно из неживого вещества под действием некоторого активного начала. Согласно гипотезе панспермии, жизнь на Землю занесена из космоса с метеоритами и межпланетной пылью. 3. Установите соответствие между экспериментом, проведенным по верификации концепции биохимической эволюции, объясняющей возникновение жизни, и гипотезой, которую опыт проверял: 1) весной 2009 года группа британских ученых во главе с Дж. Сазерлендом впервые синтезировала из низкомолекулярных веществ (цианидов, ацетилена, формальдегида и фосфатов) фрагмент нуклеотида 2) в экспериментах А.И. Опарина и С. Фокса при смешивании в водной среде полимеров были получены их комплексы, обладающие зачатками свойств современных клеток

77

3) в 1990-х гг. группа американских ученых во главе с Дж. Феррисом на глинистых минералах синтезировала короткоцепочечные молекулы РНК из нуклеотидов 1 гипотеза самопроизвольного синтеза мономеров нуклеиновых кислот из достаточно простых исходных веществ, которые могла быть на молодой Земле 2 идея о самопроизвольном образовании коацерватов 3 идея о самопроизвольном образовании полимера – носителя генетической информации … гипотеза о саморепликации РНК, выполняющей одновременно функцию носителя информации и катализатора Решение Опыт по превращению низкомолекулярных веществ (цианидов, ацетилена, формальдегида и фосфатов) во фрагмент нуклеотида подтверждает гипотезу самопроизвольного синтеза мономеров нуклеиновых кислот из достаточно простых исходных веществ, которые могли быть на молодой Земле. Эксперимент, в котором при смешивании в водной среде полимеров были получены их комплексы, обладающие зачатками свойств современных клеток, подтверждает идею о возможности самопроизвольного образования коацерватов. Синтез короткоцепочечных молекул РНК на глинистых минералах подтверждает идею о самопроизвольном образовании полимера – носителя генетической информации 4. Установите соответствие между экспериментом, проведенным по верификации концепции биохимической эволюции ОпаринаХолдейна, и гипотезой, которую опыт проверял. 1. В 1953 г. американские исследователи С.Л. Миллер и Г.К. Юри при пропускании искрового электрического разряда через смесь метана, аммиака, водорода и паров воды получили ряд аминокислот 2. В экспериментах А.И. Опарина и С. Фокса при смешивании в водной среде полимеров были получены их комплексы, обладающие зачатками свойств современных клеток 3. В 1957 г. американский ученый С. Фокс при нагревании сухой смеси аминокислот и последующем растворении полученного продукта в воде обнаружил белковоподобные молекулы … гипотеза об образовании самовоспроизводящихся молекул 2 идея о самопроизвольном образовании коацерватов 1 гипотеза об абиогенном синтезе органических соединений из неорганических газов 3 идея о самопроизвольном превращении мономеров в биополимеры

78

5. Установите соответствие между понятием и его определением. 1. Прокариоты 2. Анаэробы 3. Коацерваты … организмы, способные жить в отсутствие атмосферного кислорода 3 комплексы сложных органических молекул, отделенные от воды уплотненным поверхностным слоем, имитирующим мембрану 2 организмы, способные жить только в присутствии кислорода 1 одноклеточные организмы, не имеющие оформленного ядра 6. Установите соответствие между понятием и его определением. 1. Гетеротрофы 2. Аэробы 3. Эукариоты 3 организмы, обладающие оформленным клеточным ядром 1 организмы, питающиеся готовыми органическими веществами 2 организмы, способные жить в присутствии атмосферного кислорода … комплексы биополимеров, отделенные от воды слоем, имитирующим мембрану 7. Установите соответствие между концепцией возникновения жизни и ее содержанием. 1. Теория биохимической эволюции 2. Постоянное самозарождение 3. Креационизм 1 жизнь на Земле возникла в процессе самоорганизации из неорганических веществ 3 жизнь никогда не возникала, а существовала всегда 2 жизнь есть результат божественного творения … жизнь постоянно самопроизвольно зарождается из неживого вещества 8. Метод исследования эволюции, основанный на сопоставлении строения органов организмов разных групп, относится к … 5 морфологическим … генетическим … палеонтологическим … биогеографическим 9. Возможность выхода жизни на сушу связана с таким важнейшим ароморфозом в истории жизни, как появление … 5 фотосинтеза … гетеротрофного питания … эукариот

79

… анаэробного дыхания

10. Метод исследования эволюции, связанный с опытами на модельных популяциях по изучению роли конкретных адаптаций, например, окраски и формы тела некоторых насекомых, относится к … 5 экологическим … эмбриологическим … биохимическим … генетическим 11. Укажите высказывание, которое верно отражает ход эволюции некоторых таксономических групп животных. 5 Рыбы могли дать начало амфибиям … Амфибии могли дать начало рыбам … Рептилии могли дать начало амфибиям … Амфибии могли дать начало птицам 12. Чрезвычайно высокая избирательность ферментативного катализа обусловлена … 5 комплементарностью – соответствием структуры реагента и фермента … одинаковым качественным составом фермента и реагента … принадлежностью фермента и реагента к одному типу органических соединений … одинаковым количественным составом фермента и реагента 13. Существование жизни на Земле связано с уникальными свойствами воды. В частности, большое по величине значение поверхностного натяжения обеспечивает … 5 передвижение растворов по капиллярам растений … регулирование температурного гомеостаза внутри живых организмов … участие воды в биохимических процессах … существование жизни в замерзающих водоемах 14. Все основные свойства (признаки) живого начинают проявляться на уровне … 5 клеток … клеточных органелл … биополимеров … вирусов 15. Одним из уникальных свойств углерода, определившим его предбиологический отбор в качестве главного элемента живого мира, является … 5 способность образовывать многообразные линейные и разветвленные структуры

80

… самая широкая распространённость в земных условиях … способность вступать во взаимодействие с кислородом … способность образовывать со всеми элементами периодической

системы очень прочные связи Тема 21. Эволюция живых систем Биологическая эволюция – самопроизвольное, необратимое и направленное историческое развитие живой природы, сопровождающееся изменением генетического состава популяций, формированием адаптаций, образованием и вымиранием видов, преобразованием экосистем и биосферы в целом. Дарвинизм – материалистическая теория эволюции (исторического развития) органического мира Земли, основанная на воззрениях Ч. Дарвина. Основными факторами эволюции по Ч. Дарвину являются: • наследственная изменчивость – изменения, которые возникают у каждого организма независимо от внешней среды и передаются потомкам; • борьба за существование – совокупность разнообразных взаимоотношений между организмом и окружающими его факторами живой и неживой природы; • естественный отбор – выживание более приспособленных особей и гибель менее приспособленных к конкретным условиям среды. Генофонд – совокупность всех генных вариаций (аллелей) определённой популяции. Можно также говорить о едином генофонде вида, так как между разными популяциями вида происходит обмен генами. Каждая популяция характеризуется определенной совокупностью генов, которую называют генофонд. Синтетическая теория эволюции (СТЭ) возникла как синтез теории эволюции Ч. Дарвина и генетики. СТЭ также опирается на палеонтологию, систематику, молекулярную биологию и другие естественные науки. Положения СТЭ: • элементарная эволюционная структура – популяция; • элементарный наследственный материал – генофонд популяции; • элементарное явление эволюции – изменение генофонда популяции. Основная движущая сила эволюции – естественный отбор. Он имеет две предпосылки: • гетерогенность особей; • избыточная численность потомства. Согласно СТЭ выделяют три основных фактора эволюции: • мутационный процесс. Значение фактора: приводит к появлению элементарного эволюционного материала;

81

• изоляция – возникновение любых барьеров, препятствующих свободному скрещиванию. Значение фактора: нарушение свободного скрещивания, что ведет к закреплению различий между популяциями одного вида; • популяционные волны – колебание численности особей, составляющих популяцию. Значение фактора: популяционные волны подставляют под действие естественного отбора редкие мутации и, наоборот, уничтожают наиболее часто встречающиеся, что ведет к смене генотипа популяции. Синтетическая теория эволюции структурно состоит из микро- и макроэволюции. Микроэволюция изучает эволюционные изменения, происходящие в генофондах популяций за сравнительно небольшой промежуток времени. Особенности микроэволюции: • она доступна для непосредственного наблюдения; • эволюционные изменения происходят в генофондах популяций; • эволюционные изменения происходят за сравнительно небольшой период. Фактор микроэволюции, который обязательно приводит к нарушению свободы скрещивания и генетической разнообразности организмов одного вида – это изоляция. Макроэволюция изучает эволюционные преобразования за длительный исторический период, основные направления развития жизни на Земле в целом. Особенности макроэволюции: • она ведет к образованию новых классов, отрядов; • эволюционные преобразования происходят в течение длительного исторического периода. Случайные изменения в геноме называются мутациями. Естественный отбор – процесс, приводящий к выживанию и преимущественному размножению более приспособленных к данным условиям среды особей, обладающих полезными наследственными признаками. В соответствии с теорией Дарвина и современной синтетической теорией эволюции, основным материалом для естественного отбора служат случайные наследственные изменения – мутации и их комбинации. Естественный отбор действует на уровне фенотипа (организма). В настоящее время известны три формы естественного отбора: дизруптивный, движущий и стабилизирующий. Движущий отбор – форма естественного отбора, которая действует при направленном изменении условий внешней среды. В этом случае особи с признаками, которые отклоняются в определённую сторону от среднего значения, получают преимущества. При этом

82

иные вариации признака (его отклонения в противоположную сторону от среднего значения) подвергаются отрицательному отбору. Движущий отбор осуществляется при изменении окружающей среды или приспособлении к новым условиям при расширении ареала. Он сохраняет наследственные изменения в определённом направлении, перемещая соответственно и норму реакции. Например, при освоении почвы, как среды обитания у различных неродственных групп животных конечности превратились в роющие. Для движущего отбора характерно возникновение новых генотипов, соответствующих наиболее приспособленным фенотипам. Стабилизирующий отбор – форма естественного отбора, при котором действие направлено против особей, имеющих крайние отклонения от средней нормы, в пользу особей со средней выраженностью признака. Благодаря этой форме естественного отбора глаз и количество пальцев на конечностях позвоночных в течение длительного времени остается постоянным. В результате действия стабилизирующего отбора в популяции становится преобладающим оптимальный для конкретных условий фенотип. Дизруптивный (разрывающий) отбор – форма естественного отбора, при котором условия благоприятствуют двум или нескольким крайним вариантам (направлениям) изменчивости, но не благоприятствуют промежуточному, среднему состоянию признака. В результате может появиться несколько новых форм из одной исходной. Дизруптивный отбор способствует возникновению и поддержанию полиморфизма популяций, а в некоторых случаях может служить причиной образования двух новых видов из одного вида-предшественника. Естественный отбор действует на целостную живую систему. Примеры тестов 1. Синтетическая теория эволюции структурно состоит из теорий микро- и макроэволюций. Теория макроэволюции изучает … 5 основные закономерности развития жизни на Земле в целом … эволюционные изменения в генофондах популяции … эволюцию видов на протяжении исторических периодов … изменения генотипического состава видов Решение Теория макроэволюции изучает эволюционные преобразования за длительный исторический период на уровнях выше видового, а также основные направления и закономерности развития жизни на Земле в целом. 2. Синтетическая теория эволюции структурно состоит из теорий микро- и макроэволюций. Теория микроэволюции изучает … 5 эволюционные изменения в популяциях

83

… происхождение и эволюцию человека … эволюцию семейств … закономерности развития жизни на Земле

3. Синтетическую теорию эволюции от теории Ч. Дарвина отличает положение о том, что … 5 элементарной единицей эволюции является популяция … борьба за существование лежит в основе естественного отбора … одним из факторов биологической эволюции является изменчивость … движущей силой биологической эволюции является естественный отбор 4. Согласно синтетической теории эволюции, элементарной единицей эволюции является … 5 популяция … отдельная особь … вид … генотип организма Решение Согласно синтетической теории эволюции, элементарной единицей эволюции является популяция. Отдельная особь претерпевает только онтогенетическое развитие от рождения до смерти и не имеет возможности эволюционировать. Наименьшей группой особей, способной эволюционировать, является популяция, а не вид. 5. Согласно синтетической теории эволюции, элементарным эволюционным наследственным материалом является(-ются) … 5 генофонд популяции … генотип организма … отдельные гены … хромосомный набор организма Решение Элементарным эволюционным наследственным материалом является генофонд популяции. Отдельная особь претерпевает только онтогенетическое развитие от рождения до смерти и не имеет возможности эволюционировать, поэтому элементарным материалом не могут быть отдельные гены, набор генов (генотип) или набор хромосом организма. 6. Факторами эволюции, существующими в синтетической теории эволюции, но, отсутствующими у Ч. Дарвина, являются … 5 популяционные волны и изоляция … мутационная изменчивость и естественный отбор … изменчивость и наследственность

84

… естественный отбор и изменчивость

7. Объектом действия естественного отбора является … 5 фенотип организма … отдельный ген … конкретный признак … отдельная хромосома Решение Объектом действия естественного отбора является не отдельный признак, ген или хромосома, а фенотип организма, который представлен совокупностью всех свойств организма. Поскольку за одинаковым фенотипом могут скрываться различные генотипы (например, AA, Aa при полном доминировании), то сходные фенотипы, наиболее приспособленные к конкретной ситуации, могут формироваться на различной генетической основе. 8. Объектом действия естественного отбора является … 5 целостная живая система … хромосомный набор … отдельный признак … отдельный ген 9. Фактор микроэволюции, который приводит к нарушению свободы скрещивания и к генетической разобщенности организмов одного вида, называется … 5 изоляцией … естественным отбором … борьбой за существование … популяционными волнами Тема 22. Генетика и эволюция Примеры тестов 1. Установите соответствие между свойством генетического материала и проявлением этого свойства: 1) линейность 2) непрерывность 1 единицы наследственности – гены – расположены в хромосомах в определенной последовательности 2 жизнь характеризуется продолжительностью существования во времени, которая обеспечивается способностью живых систем к самовоспроизведению … за развитие признаков живой системы отвечает молекула ДНК, которая структурно состоит из множества генов

85

Решение Линейность генетического материала проявляется в том, что единицы наследственности – гены – расположены в хромосомах в определенной последовательности, а именно в линейном порядке. Жизнь как особое явление характеризуется продолжительностью существования во времени, некоторой непрерывностью, которая обеспечивается способностью живых систем к самовоспроизведению – происходит смена поколений клеток, организмов в популяциях, смена видов в системе биоценоза, смена биоценозов, образующих биосферу. 2. Установите соответствие между понятием и его определением: 1) ген 2) аллель 1 участок молекулы ДНК, определяющий развитие конкретного признака организма 2 возможная форма одного и того же гена, определяющего развитие конкретного признака … совокупность генов, содержащихся в одинарном (гаплоидном) наборе хромосом 3. Установите соответствие между типом организма по некоторым признакам и набором генов: 1) гомозиготный организм по двум признакам 2) гетерозиготный организм по двум признакам 1 aaВВ 2 AaВb … AaBB 4. Установите соответствие между типом организма по некоторому признаку и набором генов: 1) гомозиготный организм 2) гетерозиготный организм 1 Aa 2 AB 5. Установите соответствие между понятием и его определением: 1) геном 2) генотип 2 совокупность генов, содержащихся в одинарном (гаплоидном) наборе хромосом … единица наследственной информации, сосредоточенная в хромосомах 1 совокупность всех генов организма, содержащихся в диплоидном наборе хромосом

86

6. Установите соответствие между видом изменчивости и ее примером: 1) мутационная изменчивость 2) модификационная изменчивость 2 изменение формы листьев у группы растений, помещенных в сходные условия существования 1 случайно возникшие изменения числа хромосом в гаплоидном наборе … изменения, вызванные различной комбинацией генов при половом размножении … наследственный материал, сосредоточенный в хромосомах, способен к самовоспроизведению … наследственный материал представлен отдельными генами, каждый из которых отвечает за формирование определенного признака 6. БИОСФЕРА И ЧЕЛОВЕК Тема 23. Экосистемы (многообразие живых организмов – основа организации и устойчивости живых систем) Примеры тестов 1. Установите соответствие между функциональной группой организмов экосистемы и примерами организмов: 1) консументы 2) продуценты 3) редуценты 1 лоси и бурые медведи 2 водоросли и фотосинтезирующие бактерии 3 гетеротрофные бактерии и грибы … растения и почвенные микроорганизмы 2. Установите соответствие между формой биотических отношений и парой организмов: 1) хищничество 2) паразитизм 3) нейтрализм 1 воробей и насекомое 2 собака и блоха 3 еж и белка … береза и подберезовик 3. Установите соответствие между формой биотических отношений и парой организмов: 1) хищничество 2) паразитизм

87

3) нейтрализм 2 человек и сальмонелла … бобовые растения и бактерии-азотфиксаторы 3 лось и белка 1 цапля и лягушка 4. Установите соответствие между функциональной группой организмов экосистемы и примерами организмов: 1) консументы 2) продуценты 3) редуценты 1 лоси и бурые медведи 2 водоросли и фотосинтезирующие бактерии 3 гетеротрофные бактерии и грибы … растения и почвенные микроорганизмы 5. Установите соответствие между термином и его определением: 1) биотоп 2) биоценоз 3) экосистема 1 участок абиотической среды, которую занимает биоценоз 2 группировка совместно обитающих и взаимно связанных видов совокупность 3 группировка совместно функционирующих организмов и неорганических компонентов окружающей среды … совокупность особей одного вида, длительно населяющих определенное пространство и свободно скрещивающихся 6. Установите соответствие между экологическими факторами среды обитания и их примерами: 1) биотические факторы 2) абиотические факторы 3) антропогенные факторы 1 плотность популяции и численность хищников 2 рельеф местности и солевой состав воды 3 вырубка лесов и выпас скота … свет и искусственный радиационный фон Решение Разнообразные формы воздействия живых существ друг на друга относятся к биотическим факторам, примерами их будут плотность популяции и численность хищников. Абиотическими (приставка «а» в слове – отрицание) являются факторы неживой природы, их примеры – рельеф местности и солевой состав воды. Факторы, связанные с

88

деятельностью человека, относятся к антропогенным факторам среды. Примерами являются вырубка лесов и выпас скота. 7. Установите соответствие между термином и его определением: 1) трофическая цепь 2) среда обитания 3) экологическая ниша 1 взаимоотношения между организмами, через которые в экосистеме происходит трансформация вещества и энергии 2 живая и неживая природа, окружающая живой организм, с которой он взаимодействует 3 положение вида в экосистеме со всей совокупностью жизненно необходимых биоценотических и абиотических связей … участок абиотической среды, которую занимает биоценоз Решение Взаимоотношения между организмами, через которые в экосистеме происходит трансформация вещества и энергии, называются трофической (пищевой) цепью. Среда обитания – это та часть природы (живой и неживой), которая окружает живой организм и с которой он непосредственно взаимодействует. Экологическая ниша – это положение вида в биогеоценозе, которое отражает всю сумму связей организмов данного вида с абиотическими условиями и с другими видами, а также собственную функциональную роль вида в составе биогеоценоза. 8. Установите соответствие между термином и его определением: 1) биотоп 2) среда обитания 3) экологическая ниша … исторически сложившаяся группировка совместно обитающих и взаимно связанных видов 1 участок абиотической среды, которую занимает биоценоз 2 живая и неживая природа, окружающая живой организм, с которой он взаимодействует 3 положение вида в экосистеме со всей совокупность жизненно необходимых биоценотических и абиотических связей Тема 24. Биосфера Примеры тестов 1. Установите соответствие между понятием и определением: 1) косное вещество 2) биогенное вещество 3) биокосное вещество

89

1 совокупность природных тел, которые образуются в результате процессов, не связанных с деятельностью живых организмов 2 природные тела, образование которых связано с жизнедеятельностью живых организмов 3 природные тела, представляющие собой результат совместной деятельности живых организмов, а также физико-химических и геологических процессов … совокупность всех живых организмов, населяющих нашу планету Решение Косное вещество – совокупность природных тел, которые образуются в результате процессов, не связанных с деятельностью живых организмов. Природные тела, образование которых связано с жизнедеятельностью живых организмов, представляют биогенное вещество. Биокосное вещество представляет собой результат совместной деятельности живых организмов, а также физико-химических и геологических процессов. 2. Установите соответствие между типом вещества биосферы и примерами, относящимися к этому типу: 1) живое вещество 2) биогенное вещество 3) биокосное вещество 1 водоросли и микроорганизмы 2 природный газ и известняки 3 кора выветривания и морская вода … магма и космическая пыль 3. Установите соответствие между типом вещества биосферы и примерами, относящимися к этому типу: 1) косное вещество 2) биогенное вещество 3) биокосное вещество 1 лава и газы вулканического происхождения 2 известняки и каменный уголь 3 океаническая вода и почва … космическая пыль и природный газ 4. Установите соответствие между геохимической функцией живого вещества биосферы и проявлением этой функции: 1) средообразующая 2) деструктивная 3) газовая 1 формирование химического состава и свойств океанической воды

90

2 разложение грибами мертвого органического вещества 3 поглощение оксида углерода зелеными растениями в процессе фотосинтеза … накопление железа железобактериями 5. Подсчитано, что животные-фильтраторы Большого Барьерного рифа (Австралия) в течение 5 лет профильтровывают весь объем Тихого океана. Этот пример является свидетельством того, что природные воды (океаническую, морскую, подземные и другие) следует отнести к … веществу. 5 Биокосному … Косному … Биогенному … Живому 6. Ускорение биогенной миграции атомов в ходе исторического развития биосферы происходит за счет … 5 эволюции видов, увеличивающих биогенную миграцию атомов … увеличения числа биологических видов в течение геологических периодов … изменений геологических и геофизических параметров неживой оболочки биосферы … увеличения массы живого вещества в течение геологических периодов 7. Происхождение и свойства почвы – плодородного слоя литосферы Земли – обусловлены … деятельностью живого вещества. 5 средообразующей … концентрационной … энергетической … деструктивной Тема 25. Человек в биосфере Антропогенез (или антропосоциогенез) – часть биологической эволюции, которая привела к появлению вида Homo sapiens, процесс историко-эволюционного формирования физического типа человека, первоначального развития его трудовой деятельности, речи, а также общества. Homo Sapiens – человек разумный – единственный живущий вид рода Homo семейства гоминид отряда приматов. От современных человекообразных, помимо ряда анатомических особенностей, отличается значительной степенью развития материальной культуры (включая изготовление и использование орудий), способностью к членораздельной речи и абстрактному мышлению. Объем головного мозга

91

достигает 1850 см3. Первые представители нашего вида жили около 20 000 лет назад. Характерные особенности современного человека: • трудовая деятельность; • использование огня; • развитие речи; • способность к абстрактному мышлению; • наличие культурной информации в человеческих обществах. Эволюция человека продолжается и сейчас, но отмечается возрастание роли социальных эволюционных факторов (передача накопленных знаний, технологий, традиций) и ослабление биологических (движущего и дизруптивного отборов, изоляции, популяционных волн), кроме мутационного процесса. Социально-культурная эволюция человека отличается от биологической эволюции тем, что: • не связана с биологической эволюцией; • знания, идеи, технологии распределяются по всей популяции быстрее, чем генетическая информация. Решающим фактором антропогенеза является трудовая деятельность. Неолитическая революция – переход человеческих общин от примитивной экономики охотников и собирателей к сельскому хозяйству, основанному на земледелии и/или животноводстве. По данным археологии, одомашнивание животных и растений происходило в разное время независимо в 7–8 регионах. Самым ранним центром неолитической революции считается Ближний восток, где одомашнивание началось не позднее, чем 10 тыс. лет назад. Итоги неолитической революции: • возникновение скотоводства и земледелия; • рост численности человечества; • зарождение принципа искусственного отбора. Экологические последствия неолитической революции: • опустынивание обширных территорий; • исчезновение крупных млекопитающих. По положению в трофической цепи современный человек является консументом. Коэволюция – совместная эволюция человека и биосферы. Примеры тестов 1. Полное развитие членораздельной речи и абстрактного мышления связано с появлением человека … 5 современного вида

92

… прямоходящего … умелого … первобытного

2. Одним из результатов неолитической революции (10–8 тысячелетия до н.э.) является … 5 начало одомашнивания животных … возникновение техногенной цивилизации … появление галечной культуры … возникновение письменности Решение Неолитическая революция соответствует периоду неолита (от греч. «нео» – новый, «лит» – камень,10–8 тысячелетия до н.э.), когда произошел переход от присваивающего хозяйства (собирательства и охоты) к производящему (земледелию и скотоводству). Результатами неолитической революции являются окультуривание растений, одомашнивание животных, которые привели к увеличению численности человечества. 3. В популяциях людей биологические эволюционные факторы ослабляют свое значение, за исключением … 5 стабилизирующего отбора и мутационного процесса … популяционных волн и изоляции … движущего отбора и популяционных волн … дизруптивного отбора и изоляции 4. Примитивные галечные орудия труда начали изготавливаться представителями … 5 человека умелого … человека разумного … неоантропов … человека прямоходящего 5. Человек относится к роду … 5 Homo … Homo erectus … Homo habilis … Homo sapiens 6. Одним из результатов неолитической революции (10–8 тысячелетия до н.э.) является … 5 начало окультуривания растений … усиление парникового эффекта … возникновение техногенной цивилизации … истощение озонового слоя

93

Тема 26. Глобальный экологический кризис (экологические функции литосферы, экология и здоровье) Примеры тестов 1. Строительство плотин относится к загрязнению 5 деструктивному … ингредиентному … физическому … биологическому 2. Одной из причин деградации водных ресурсов является … 5 сброс сточных вод промышленных и сельскохозяйственных предприятий … повышение температуры на планете … возрастание влажности климата … усиление таяния ледников 3. В настоящее время понятие ноосферы трактуется как … 5 этап коэволюции природы и общества, когда любая деятельность человека должна быть органически согласована с общими законами развития природы … завершающий этап развития биосферы, когда разум, познав природу, одерживает победу над ней … результат преобразования биосферы под потребности человека в процессе целенаправленного изменения окружающей природы разумными существами … искусственная, созданная человеческим разумом и технологиями среда, в которой мир природы становится несущественным 4. Главной причиной роста концентрации диоксида углерода – одного из парниковых газов – является … 5 сжигание ископаемого топлива на электростанциях, в автомобилях и в промышленности … выделение углекислого газа при таянии ледников древнего происхождения … увеличение количества используемых органических удобрений, заменяющих минеральные … увеличение по всему миру численности крупного рогатого скота и рисовых полей 5. Главной причиной роста концентрации диоксида углерода – одного из парниковых газов – является … 5 сжигание ископаемого топлива на электростанциях, в автомобилях и в промышленности … выделение углекислого газа при таянии ледников древнего происхождения

94

… увеличение количества используемых органических удобрений,

заменяющих минеральные … увеличение по всему миру численности крупного рогатого скота и рисовых полей 6. К параметрическому загрязнению окружающей среды относятся … 5 излучения высоковольтных линий электропередач … выбросы промышленных предприятий … стоки сельскохозяйственных предприятий … выхлопные газы автотранспорта Решение Излучения высоковольтных линий передач вызывают изменение физических параметров окружающей среды и относятся к параметрическому (или физическому) загрязнению. 7. Внедрение безотходных технологий на промышленных предприятиях способствует решению проблемы … загрязнения среды. 5 ингредиентного … деструктивного … параметрического … физического КЕЙС-ЗАДАНИЯ Кейс 1 1. Представьте, что с помощью машины времени организован симпозиум, на котором могут встретиться и обменяться мнениями выдающиеся мыслители и ученые различных эпох. В дискуссии о сущности материи, движения, механизмах взаимодействий участвуют: один из первых атомистов Демокрит, древнегреческий философ Гераклит, самый универсальный мыслитель античности Аристотель, основоположник первой научной картины мира (механической) Ньютон, создатель молекулярно-кинетической теории газов и основоположник электромагнитной картины мира Максвелл, один из создателей атомномолекулярного учения Ломоносов, создатель теории относительности Альберт Эйнштейн, основоположник и вдохновитель развития квантовой механики Нильс Бор, выдающийся физик втрой половины XX в. Ричард Фейнман и известнейший физик современности Стивен Хокинг. Из названных участников симпозиума объяснил, что взаимодействие между телами можно рассматривать как результат их обмена между собой особыми частицами-переносчиками, … … Ньютон … Аристотель … Максвелл 5 Хокинг

95

2. Представьте, что с помощью машины времени организован симпозиум, на котором могут встретиться и обменяться мнениями выдающиеся мыслители и ученые различных эпох. В дискуссии о сущности материи, движения, механизмах взаимодействий участвуют: один из первых атомистов Демокрит, древнегреческий философ Гераклит, самый универсальный мыслитель античности Аристотель, основоположник первой научной картины мира (механической) Ньютон, создатель молекулярно-кинетической теории газов и основоположник электромагнитной картины мира Максвелл, один из создателей атомномолекулярного учения Ломоносов, создатель теории относительности Альберт Эйнштейн, основоположник и вдохновитель развития квантовой механики Нильс Бор, выдающийся физик второй половины XX в. Ричард Фейнман и известнейший физик современности Стивен Хокинг. Из названных участников симпозиума утверждали, что если познать законы движения атомов, то в принципе можно точно и однозначно предсказать любое событие, … (Укажите не менее двух вариантов ответа) … Максвелл 5 Демокрит … Фейнман 5 Ньютон 3. Представьте, что с помощью машины времени организован симпозиум, на котором могут встретиться и обменяться мнениями выдающиеся мыслители и ученые различных эпох. В дискуссии о сущности материи, движения, механизмах взаимодействий участвуют: один из первых атомистов Демокрит, древнегреческий философ Гераклит, самый универсальный мыслитель античности Аристотель, основоположник первой научной картины мира (механической) Ньютон, создатель молекулярно-кинетической теории газов и основоположник электромагнитной картины мира Максвелл, один из создателей атомномолекулярного учения Ломоносов, создатель теории относительности Альберт Эйнштейн, основоположник и вдохновитель развития квантовой механики Нильс Бор, выдающийся физик 2-й половины XX в. Ричард Фейнман и известнейший физик современности Стивен Хокинг. Установите соответствие между участником симпозиума и его мнением по вопросу о структуре вещества. (Укажите соответствие для каждого нумерованного элемента задания) 1. Аристотель 2. Ломоносов 3. Демокрит 3 вещество состоит из атомов, основным свойством которых является неделимость 2 вещество состоит из дискретных частиц (молекул), которые в свою очередь состоят из еще более мелких дискретных частиц (атомов)

96

1 вещество непрерывно, бесконечно делимо и может принимать форму одной из четырех стихий … вещество – это система взаимодействующих между собой атомных ядер и окружающих их электронов Кейс 2 1. Если представить, что Вселенная существует один день, то человек появился на Земле всего пару секунд назад. Поэтому, наблюдая небо, мы видим мгновенный снимок, застывшее фото Вселенной в один из моментов ее эволюции. Тем не менее, и по этому фото можно многое сказать не только о том, что есть во Вселенной сейчас, но и о том, что происходило в ней ранее, а также о ее будущей судьбе.

На фотографии изображен очень маленький участок неба, снятый с очень большим увеличением космическим телескопом имени Э. Хаббла. Фотография известна как «Портрет самых отдаленных глубин видимой Вселенной». Все объекты, видимые на данном фото, входят в состав одной … … Солнечной системы … галактики 5 Метагалактики … скопления галактик 2. Если представить, что Вселенная существует один день, то человек появился на Земле всего пару секунд назад. Поэтому, наблюдая небо, мы видим мгновенный снимок, застывшее фото Вселенной в один из моментов ее эволюции. Тем не менее, и по этому фото можно многое сказать не только о том, что есть во Вселенной сейчас, но и о том, что происходило в ней ранее, а также о ее будущей судьбе.

97

На фотографии ночного неба видно множество звезд. Фотография – это неподвижное изображение, однако, как и все на свете, звезды рождаются, живут и умирают. О том, как это происходит, ученые в основном судят, … (Укажите не менее двух вариантов ответа) … сравнивая изменения наблюдаемого вида звезд с теоретическими расчетами звездной эволюции 5 сравнивая между собой характеристики разных звезд на одном снимке … прослеживая изменение вида и расположения звезд от одного наблюдения к другому 5 сравнивая наблюдаемый вид звезд с теоретическими моделями звездной эволюции 3. Если представить, что Вселенная существует один день, то человек появился на Земле всего пару секунд назад. Поэтому, наблюдая небо, мы видим мгновенный снимок, застывшее фото Вселенной в один из моментов ее эволюции. Тем не менее, и по этому фото можно многое сказать не только о том, что есть во Вселенной сейчас, но и о том, что происходило в ней ранее, а также о ее будущей судьбе.

На фотографии изображен очень маленький участок неба, снятый с очень большим увеличением космическим телескопом имени Э. Хаббла. Фотография известна как «Портрет самых отдаленных глубин видимой Вселенной». Если бы фото того же участка небо было сделано миллиард лет назад, то далекие галактики, попавшие на снимок, выглядели бы в среднем … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 более яркими … более далекими 5 менее красными … менее протяженными Кейс 3 1. Если представить, что Вселенная существует один день, то человек появился на Земле всего пару секунд назад. Поэтому, наблюдая небо,

98

мы видим мгновенный снимок, застывшее фото Вселенной в один из моментов ее эволюции. Тем не менее, и по этому фото можно многое сказать не только о том, что есть во Вселенной сейчас, но и о том, что происходило в ней ранее, а также о ее будущей судьбе.

 

Небесные тела, изображенные художником на данном рисунке, по современной классификации относятся к … … галактикам и их скоплениям … планетам и их спутникам … кометам и метеоритам 5 астероидам и метеороидам 2. Если представить, что Вселенная существует один день, то человек появился на Земле всего пару секунд назад. Поэтому, наблюдая небо, мы видим мгновенный снимок, застывшее фото Вселенной в один из моментов ее эволюции. Тем не менее, и по этому фото можно многое сказать не только о том, что есть во Вселенной сейчас, но и о том, что происходило в ней ранее, а также о ее будущей судьбе.

На рисунке художник изобразил одну из стадий эволюции Солнечной системы по современным представлениям. На сцене, подсвеченной молодым Солнцем (в правой части рисунка), зритель видит прежде всего … (Укажите не менее двух вариантов ответа) … протопланеты 5 планетезимали … сформировавшиеся планеты

99

5 первичное газопылевое облако

3. Если представить, что Вселенная существует один день, то человек появился на Земле всего пару секунд назад. Поэтому, наблюдая небо, мы видим мгновенный снимок, застывшее фото Вселенной в один из моментов ее эволюции. Тем не менее, и по этому фото можно многое сказать не только о том, что есть во Вселенной сейчас, но и о том, что происходило в ней ранее, а также о ее будущей судьбе.

На рисунке художник изобразил одну из стадий эволюции Солнечной системы по современным представлениям. События, которые происходят на сцене, подсвеченной молодым Солнцем (в правой части рисунка), датируются примерно … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 5 миллиардами лет назад … 26 миллиардами лет после Большого взрыва 5 8 миллиардами лет после возникновения Вселенной … 2 миллиардами лет после возникновения Земли Кейс 4 1. Представьте, что с помощью машины времени организован симпозиум, на котором могут встретиться и обменяться мнениями выдающиеся мыслители и ученые различных эпох. В дискуссии о сущности материи, движения, механизмах взаимодействий участвуют: один из первых атомистов Демокрит, древнегреческий философ Гераклит, самый универсальный мыслитель античности Аристотель, основоположник первой научной картины мира (механической) Ньютон, создатель молекулярно-кинетической теории газов и основоположник электромагнитной картины мира Максвелл, один из создателей атомномолекулярного учения Ломоносов, создатель теории относительности Альберт Эйнштейн, основоположник и вдохновитель развития квантовой механики Нильс Бор, выдающийся физик второй половины XX в. Ричард Фейнман и известнейший физик современности Стивен Хокинг. С докладами о двух основных концепциях передачи взаимодействий между телами – близкодействия и дальнодействия – выступил

100

Аристотель, затем Ньютон, затем Максвелл. При этом предпочтения названных докладчиков в пользу той или иной концепции сменялись в последовательности … … дальнодействие – близкодействие – дальнодействие … дальнодействие – близкодействие – близкодействие 5 близкодействие – дальнодействие – близкодействие … близкодействие – дальнодействие – дальнодействие 2. Представьте, что с помощью машины времени организован симпозиум, на котором могут встретиться и обменяться мнениями выдающиеся мыслители и ученые различных эпох. В дискуссии о сущности материи, движения, механизмах взаимодействий участвуют: один из первых атомистов Демокрит, древнегреческий философ Гераклит, самый универсальный мыслитель античности Аристотель, основоположник первой научной картины мира (механической) Ньютон, создатель молекулярно-кинетической теории газов и основоположник электромагнитной картины мира Максвелл, один из создателей атомномолекулярного учения Ломоносов, создатель теории относительности Альберт Эйнштейн, основоположник и вдохновитель развития квантовой механики Нильс Бор, выдающийся физик второй половины XX в. Ричард Фейнман и известнейший физик современности Стивен Хокинг. Идею о том, что все мировые процессы можно в конечном счете свести к перемещению тел и частиц, среди участников симпозиума разделяли … (Укажите не менее двух вариантов ответа) … Бор 5 Демокрит … Гераклит 5 Ньютон 3. Представьте, что с помощью машины времени организован симпозиум, на котором могут встретиться и обменяться мнениями выдающиеся мыслители и ученые различных эпох. В дискуссии о сущности материи, движения, механизмах взаимодействий участвуют: один из первых атомистов Демокрит, древнегреческий философ Гераклит, самый универсальный мыслитель античности Аристотель, основоположник первой научной картины мира (механической) Ньютон, создатель молекулярно-кинетической теории газов и основоположник электромагнитной картины мира Максвелл, один из создателей атомномолекулярного учения Ломоносов, создатель теории относительности Альберт Эйнштейн, основоположник и вдохновитель развития квантовой механики Нильс Бор, выдающийся физик второй половины XX в. Ричард Фейнман и известнейший физик современности Стивен Хокинг. Один из фундаментальных вопросов, на которые отвечает любая научная или натурфилософская картина мира – из чего все состоит?

101

Установите соответствие между участником симпозиума и его мнением по данному вопросу. (Укажите соответствие для каждого нумерованного элемента задания) 1. Демокрит 2. Ломоносов 3. Хокинг … все состоит из непрерывной бесконечно делимой материи, пассивной и бескачественной, свойства которой определяются принимаемой ею формой 1 все состоит из мельчайших неделимых частиц, атомов, которые, соединяясь в разных сочетаниях, образуют все богатство и разнообразие мира 2 все вещества состоят из молекул, которые находятся в состоянии непрерывного беспорядочного движения 3 материю можно рассматривать как совокупность полей, квантами которых являются разнообразные частицы, образующие более сложные конструкции – например, атомы Кейс 5 1. Представьте, что с помощью машины времени организован симпозиум, на котором могут встретиться и обменяться мнениями выдающиеся мыслители и ученые различных эпох. В дискуссии о сущности материи, движения, механизмах взаимодействий участвуют: один из первых атомистов Демокрит, древнегреческий философ Гераклит, самый универсальный мыслитель античности Аристотель, основоположник первой научной картины мира (механической) Ньютон, создатель молекулярно-кинетической теории газов и основоположник электромагнитной картины мира Максвелл, один из создателей атомномолекулярного учения Ломоносов, создатель теории относительности Альберт Эйнштейн, основоположник и вдохновитель развития квантовой механики Нильс Бор, выдающийся физик второй половины XX в. Ричард Фейнман и известнейший физик современности Стивен Хокинг. Из названных участников симпозиума не имел определенного мнения о взаимодействии, которое обеспечивает стабильность Солнечной системы, … … Максвелл … Хокинг … Ньютон 5 Аристотель 2. Представьте, что с помощью машины времени организован симпозиум, на котором могут встретиться и обменяться мнениями выдающиеся мыслители и ученые различных эпох. В дискуссии о сущности материи, движения, механизмах взаимодействий участвуют: один из

102

первых атомистов Демокрит, древнегреческий философ Гераклит, самый универсальный мыслитель античности Аристотель, основоположник первой научной картины мира (механической) Ньютон, создатель молекулярно-кинетической теории газов и основоположник электромагнитной картины мира Максвелл, один из создателей атомномолекулярного учения Ломоносов, создатель теории относительности Альберт Эйнштейн, основоположник и вдохновитель развития квантовой механики Нильс Бор, выдающийся физик второй половины XX в. Ричард Фейнман и известнейший физик современности Стивен Хокинг. Из названных участников симпозиума с мнением о том, что движение очень малых тел в очень малых областях пространства в принципе нельзя рассматривать как перемещение по траекториям, были согласны … (Укажите не менее двух вариантов ответа) … Ньютон 5 Фейнман … Демокрит 5 Бор 3. Представьте, что с помощью машины времени организован симпозиум, на котором могут встретиться и обменяться мнениями выдающиеся мыслители и ученые различных эпох. В дискуссии о сущности материи, движения, механизмах взаимодействий участвуют: один из первых атомистов Демокрит, древнегреческий философ Гераклит, самый универсальный мыслитель античности Аристотель, основоположник первой научной картины мира (механической) Ньютон, создатель молекулярно-кинетической теории газов и основоположник электромагнитной картины мира Максвелл, один из создателей атомно-молекулярного учения Ломоносов, создатель теории относительности Альберт Эйнштейн, основоположник и вдохновитель развития квантовой механики Нильс Бор, выдающийся физик второй половины XX в. Ричард Фейнман и известнейший физик современности Стивен Хокинг. Установите соответствие между участником симпозиума и знакомыми ему формами материи. (Укажите соответствие для каждого нумерованного элемента задания) 1. Ньютон 2. Максвелл 3. Хокинг … только мировые стихии (земля, вода, воздух, огонь, эфир) 1 только вещество 2 только вещество и физическое поле 3 вещество, физическое поле, физический вакуум, темная материя, темная энергия

103

Кейс 6 1. Если представить, что Вселенная существует один день, то человек появился на Земле всего пару секунд назад. Поэтому, наблюдая небо, мы видим мгновенный снимок, застывшее фото Вселенной в один из моментов ее эволюции. Тем не менее, и по этому фото можно многое сказать не только о том, что есть во Вселенной сейчас, но и о том, что происходило в ней ранее, а также о ее будущей судьбе.

Система, которая видна на фотографии данного участка неба, – это … 5 скопление галактик … Метагалактика … созвездие … Сатурн и его спутники 2. Если представить, что Вселенная существует один день, то человек появился на Земле всего пару секунд назад. Поэтому, наблюдая небо, мы видим мгновенный снимок, застывшее фото Вселенной в один из моментов ее эволюции. Тем не менее, и по этому фото можно многое сказать не только о том, что есть во Вселенной сейчас, но и о том, что происходило в ней ранее, а также о ее будущей судьбе.

Среди небесных тел на этом фотоснимке, сделанном в видимом диапазоне электромагнитных волн, имеются звезды, которые выглядят как разнообразные точечные объекты, различающиеся яркостью и

104

цветом. Однако среди звезд, видимых на снимке, наверняка нет … (Укажите не менее двух вариантов ответа) … голубых гигантов 5 нейтронных звезд 5 Солнца … белых карликов 3. Если представить, что Вселенная существует один день, то человек появился на Земле всего пару секунд назад. Поэтому, наблюдая небо, мы видим мгновенный снимок, застывшее фото Вселенной в один из моментов ее эволюции. Тем не менее, и по этому фото можно многое сказать не только о том, что есть во Вселенной сейчас, но и о том, что происходило в ней ранее, а также о ее будущей судьбе.

Количество галактик, видимых на этом фотоснимке участка неба размерами примерно 0,4° на 0,8°, превышает количество галактик, видимых на большинстве других участков неба такого же размера. Другими словами, в таких масштабах Вселенная неоднородна. Если брать участки все большего размера, то … (Укажите не менее двух вариантов ответа) 5 окажется, что в масштабах более нескольких сотен миллионов световых лет распределение вещества во Вселенной практически однородно 5 начиная с некоторого размера участка, количество видимых в нем галактик будет практически таким же, как на любом другом участке того же размера … среди участков, какого бы размера мы ни рассматривали, всегда найдется такой, на котором гораздо больше галактик, чем на любом другом участке того же размера … окажется, что Вселенная однородна только в масштабах нескольких миллионов световых лет и неоднородна как в более крупных, так и в более мелких масштабах