Содержание
1. Что такое орбита планеты? Могут ли планеты столкнуться при своем движении вокруг Солнца? В чем суть законов Кеплера? На каком среднем расстоянии от Солнца находится планета Меркурий, если ее период обращения равен 0,24 земного года?
Орбиты планет – пути в пространстве, по которым планеты обращаются вокруг Солнца; их формы близки к круговым а плоскости близки к плоскости эклиптики за исключением мало массивных тел (Меркурий, Плутон, астероиды). Так как каждая планета имеет свой путь, т.е. свою орбиту, то они не могут столкнуться.
Каждая планета движется по своей орбите так, что ее радиус-вектор описывает за равные промежутки времени равные площади. Это значит, что чем ближе планета к Солнцу, тем больше скорость движения по орбите. Отношение кубов больших полуосей орбит двух планет Солнечной системы равно отношению квадратов периодов их обращения вокруг Солнца. Большая полуось — это половина максимального расстояния между двумя точками эллипса. Этот закон позволил оценить размеры солнечной системы.
Если обращение Меркурия равно 0,24 земного года, то расстояние от планеты до Солнца примерно равно ј расстояния до Земли.
2. Сформулируйте основные законы классической механики материальной точки. Как моделируется система, состоящая из двух и более материальных точек? Приведите примеры задач, в которых можно считать Землю материальной точкой, а в каких — нельзя. Оцените изменение своего веса при переезде с экватора на полюс.
Первый закон утверждает, что в отсутствии сил тела не меняют своего движения, т.е. при отсутствии действующих на тело сил существует система отсчета, где это тело покоится. Если оно покоится в одной системе отсчета, то существует множество систем отсчета, где это тело движется с постоянной скоростью.
Второй закон утверждает, что произведение массы тела на ускорение равно действующей силе. Поскольку сила и ускорение — векторы, то утверждается одинаковое направление для обоих.
Третий закон связывает равенством действие и противодействие. Он утверждает, что силы, с которыми действуют друг на друга взаимодействующие тела, равны по величине и противоположны по направлению1.
3. Как формировалось представление о критерии истинности знания? Чем отличается от натурфилософии наука Нового Времени? Дайте примеры.
Становление современной естественнонаучной картины мира являет собой историческую, революционную или эволюционную смену одних научных взглядов другими. Революционными вехами на пути развития, к примеру, в астрономии были: обоснование идеи о шарообразности Земли, открытие Коперником гелиоцентрической системы мира, изобретение телескопа, открытие основных законов небесной механики, применение спектрального анализа и фотографии, изучение структуры нашей Галактики, открытие Метагалактики и ее расширения, начало радиоастрономических исследований и, наконец, начало космической эры и эпохи непосредственных астрономических экспериментов в космическом пространстве. Благодаря этим открытиям постепенно вырисовывалась величественная картина мироздания, по сравнению с которой наивными сказками кажутся теперь старинные легенды о плоской Земле, неподвижно покоящейся в центре мира, и о небесной тверди с воткнутыми в нее серебряными звездами-булавами.
4. Какая часть термодинамической системы называется фазой данного вещества? Дайте молекулярную картину процессов испарения и конденсации. Что такое насыщенный пар и каковы его свойства? Опишите роль этих процессов в земной атмосфере.
Зависимость между понижением давления пара и количеством растворённого вещества может быть выражена в математической форме. Обозначим давление чистого растворителя через p, понижение давления пара через число молей растворённого вещества через n и число молей растворителя через N.
Измерением понижение давления пара раствора можно пользоваться для определения молекулярной массы растворённых веществ. Однако на практике обычно применяется другой, более удобный метод, основанный на измерении понижения температуры замерзания раствора.
Все чистые вещества характеризуются строго определённой температурой замерзания. Так, чистая вода при нормальном атмосферном давлении замерзает при 0оС; бензол при +5,5оС. Эти температуры сохраняются неизменными до тех пор, пока вся жидкость не замёрзнет или не превратится в пар.
Иначе обстоит дело с растворами. Присутствие растворённого вещества понижает точку (или температуру) замерзания растворителя, и тем сильнее, чем концентрированнее раствор. Поэтому растворы замерзают при более низких температурах, чем чистые растворители. Нетрудно доказать, что это является прямым следствием понижения давления пара растворов. Более низкая температура замерзания раствора, по сравнению с чистым растворителем, объясняется тем, что температура замерзания есть та температура, при которой одновременно могут существовать твёрдая и жидкая фазы данного вещества.
В 1887 году французский физик Рауль на основании многочисленных опытов с растворами различных твёрдых веществ и нелетучих жидкостей установил следующий закон: в разбавленных растворах неэлектролитов при постоянной температуре понижение давления пара пропорционально количеству вещества, растворённого в данном количестве растворителя. Объяснение этому закону даёт молекулярно-кинетическая теория. Давление находящегося над жидкостью насыщенного пара зависит от числа молекул, испаряющихся с поверхности жидкости в единицу времени.
5. Поясните понятие химических связей и приведите примеры. Какова роль энергии и энтропии при образовании молекул?
Химики изучают в основном поведение материи, которое они описывают на основе знаний свойств химических элементов и их соединений. Большую часть этой области знаний интерпретируют, пользуясь сведениями о молекулах, которые обычно являются вполне определенными частицам», обладающими определенными свойствами. Это почти полностью справедливо для газов, где силы, действующие между молекулами, гораздо слабее сил, связывающих атомы в молекуле. Поэтому в случае газов при низких давлениях можно с уверенностью отметить наличие молекул и дать описание их свойств. Молекула остается наиболее существенной для химика частицей и в жидкостях, хотя в последних важную роль играют силы, действующие между молекулами. Даже во многих твердых телах явно сохраняется индивидуальность молекул. Однако при рассмотрении некоторых твердых тел представление о молекулах оказывается неприемлемым. Так, например, в ионных кристаллах основными химическими и структурными единицами являются ионы, и „молекулярная" формула не выражает ничего, кроме соотношения числа атомов элементов, образующих это вещество. Точно так же для многих высокополимерных веществ понятие молекулы является искусственным, поскольку весь образец представляет собой одну огромную молекулу.
В случаях, когда имеются определенные молекулы, их свойства могут быть определены из опыта непосредственно, тогда как нахождение свойств отдельных связей из опыта представляет трудность. Мы не можем изучать отдельную химическую связь. В то время как можно непрерывно изменять окружение молекулы в газовой фазе, просто варьируя температуру и давление, и экстраполировать измерения так, чтобы они относились к изолированным молекулам, исследование связи допустимо проводить только в ограниченных условиях, а именно, изучая ее в разных молекулах. В некоторых случаях молекулу нельзя точно определить, однако отдельные связи могут быть исследованы на опыте2.
6. Фундаментальные типы взаимодействий в физике. Почему они так называются? Какие законы сохранения фундаментальны для всего естествознания и почему?
В настоящее время известны четыре фундаментальных типа взаимодействий: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное.
Слабое взаимодействие отвечает, например, за бета-распады ядер, электромагнитное - связывает электрон и протон в атоме водорода, а сильное взаимодействие - нуклоны в атомных ядрах. С современной точки зрения внутриядерное взаимодействие не является истинно фундаментальным, а устроено наподобие так называемых «химических» сил, которые являются следствием сложной игры кулоновского (электромагнитного) взаимодействия и принципа запрета Паули.
Законы сохранения – законы, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются с течением времени в любых процессах или в определенном классе процессов. Важнейшие законы сохранения, справедливые для любых изолированных систем, — законы сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда. Кроме этих строгих законов сохранения, существуют приближённые законы сохранения, которые справедливы лишь для определенного круга процессов; например, сохранение чётности нарушается лишь в процессах, обусловленных слабым взаимодействием.
7. Поясните суть гипотезы Луи де Бройля. Как она была экспериментально подтверждена, какое значение для естествознания имеет использование корпускулярно-волновых свойств вещества? Что узнали о живой материи с помощью электронного микроскопа и на каких принципах он работает?
Так как частица, например электрон, представляет собой объект, который хорошо локализован в пространстве, то с ним не может быть связана бесконечная плоская волна, волна должна быть также хорошо локализована в пространстве. Де Бройль предположил, что это группа волн, имеющих весьма близкие частоты, то, что сейчас называется волновым пакетом. Центр волнового пакета перемещается с групповой скоростью, совпадающей со скоростью частицы (что видно из формулы Рэлея для групповой скорости волны в среде с дисперсией).
Де Бройль перенес на частицы с массой покоя уже известную к тому времени модель корпускулярно-волновой природы фотона, частицы, не имеющей массы покоя, что дало исходное соотношение для длины волны де Бройля. Однако ход его мысли при этом был противоположен ходу мысли Эйнштейна. Если Эйнштейн стартовал с волновых свойств света и предположил наличие его корпускулярных свойств (квантов света), то де Бройль стартовал с корпускулярных свойств частицы и предположил наличие у нее также и волновых свойств.
Исходя из его гипотезы, можно сказать: во-первых, корпускулярно-волновой дуализм был перенесен и на частицы с массой покоя. Во-вторых, использование групповой скорости волны в рамках принципа Ферма привело его в соответствие с принципом Мопертюи для частицы с массой покоя, двигающейся со скоростью т). Наконец, в-третьих, появилось и объяснение целым числам в теории атома Бора: стационарные орбиты (состояния электрона в атоме) — это те, на длине которых точно укладывается целое число п длин волн де Бройля для электрона, движущегося по данной орбите.
Однако де Бройль понимал наиболее важное следствие из своей гипотезы. Он уже в 1923 году писал: «Любое движущееся тело в определенных случаях может дифрагировать. Поток электронов, проходящий через достаточно малое отверстие, должен обнаруживать явление дифракции»3. В диссертации, написанной в 1924 году, он уже использовал свою гипотезу для качественного и количественного описания различных оптических явлений.
8. Раскройте сущность микро- и макроэволюции, приведите примеры действующих в них процессов. Каковы доказательства эволюции органического мира?
Современная эволюционная теория подразделяет сложный эволюционный процесс на два этапа: макро- и микроэволюцию. Знание элементарных представлениий, лежащих в основе эволюции, позволяет повысить точность анализа сложных процессов макроэволюции. Между макро- и микроэволюцией принципиальной разницы не существует4.
Микроэволюция - эволюционные преобразования, происходящие в пределах популяций в сравнительно короткие промежутки времени (например, изменение частоты генов, гомо- и гетерозигот в популяции за несколько поколений). Иными словами, микроэволюция — это совокупность элементарных эволюционных явлений, направленно текущих в популяциях под влиянием различных эволюционных факторов.
Элементарное эволюционное явление - стойкое изменение генотипического состава популяции, т. е. совокупность необратимых генетических изменений, которые меняют эволюционные возможности популяции.
Такие генетические изменения могут возникнуть в результате действия различных эволюционных факторов и, в конце концов, сведутся либо к возникновению и распространению новых (ранее не существовавших в популяции) наследственных особенностей, либо к возникновению таких сочетаний генов, которые в сумме дадут совершенно новый результат в виде возникновения нового признака.
Микроэволюция, таким образом, - это процесс эволюционного преобразования популяций, приводящий к образованию внутривидовых форм и новых видов как конечного ее результата.
Макроэволюция — это процесс эволюционного преобразования и развития различных групп живых организмов на протяжении десятков и сотен миллионов лет. Иными словами, микроэволюция — это эволюционные преобразования живой природы на уровне выше видового (образование высших таксонов, новых органов и систем, вымирание отдельных групп и т. д.). В общем смысле макроэволюцией можно назвать развитие жизни на Земле в целом, включая и ее происхождение. Макроэволюционным событием считается также возникновение человека, по многим признакам отличающегося от других биологических видов. Между микро- и макроэволюцией нельзя провести резкую грань, потому что процесс микроэволюции, первично вызывающий изменение популяций (вплоть до видообразования), продолжается без какого-либо перерыва и на макроэволюционном уровне внутри вновь возникших форм.
Отсутствие принципиальных различий в протекании микро- и макроэволюционного процесса позволяет рассматривать их как две стороны единого эволюционного процесса, и применять для анализа процесса всей эволюции понятия, разработанные в теории микроэволюции, поскольку макроэволюционные явления (возникновение новых семейств, отрядов и других групп) охватывают десятки миллионов лет и исключают возможность их непосредственного экспериментального исследования.
Таким образом, можно представить следующие доказательства эволюционной теории.
Эмбрионологическое доказательство эволюции. Все многоклеточые животные проходят в ходе индивидуального развития стадии бластулы и гаструлы. С особой отчетливостью выступает сходство эмбриональных стадий в пределах отдельных видов и классов. Например, у всех наземных позвоночных, так же как и у рыб, обнаруживается закладка жаберных дуг, хотя эти образования не имеют функционального значения у взрослых организмов. Подобное сходство эмбриональных стадий обьясняется единством происхождения всех живых организмов.
Морфологическое доказательство эволюции. Существование форм, в которых сочетаются признаки нескольких характерных систематических единиц указывает на то, что в прежние геологические эпохи жили организмы, которые являются родоначальниками нескольких систематических групп. Связь между разными классами животных так же хорошо иллюстрирует общность их происхождения.
Палеантологические признаки. Палеантологические данные указывают на смену животных и растений во времени. Палеантология так же указывает на причины эволюционных преобразований. Богатейший палеантологический материал - одно из наиболее убедительных доказательств эволюционного процесса.
Биогеографические доказательства эволюции. Ярким свидетельством произошедших и происходящих эволюционных изменений является распространение различных животных и растений по всей территории планеты.
Сравнение животного и растительного мира разделения зон дает богатейший материал для доказательства эволюционного процесса. Распределение видов животных и растений по поверхности планеты и их группировка в биогеографические зоны отражает процесс исторического развития Земли и эволюции всего живого5.
Островные флора и фауна. Для понимания эволюционного процесса интерес представляют фауна и флора островов. Их состав полностью зависит от происхождения этих островов. Острова могут быть материкового происхождения или океанического. Материковые острова характеризуются флорой и фауной, близкой по составу к материковой. Чем древнее остров и чем более значительная водная преграда, тем больше обнаруживается отличий. При рассмотрении океанических островов, можно обнаружить, что их видовой состав очень беден. Отсутствуют наземные млекопитающие и амфибии. Вся фауна океанических островов - результат случайного заселения. Огромное количество разнообразных факторов указывает на то, что особенности распределения живых существ на планете тесно связаны с преобразованием земной коры и с эволюционным изменением видов.
9. Что такое «ген», «кодон», «нуклеотиды», «нуклеиновые кислоты»? Что изучает генетика, как она развивалась?
Ген – это участок молекулы ДНК (у многих вирусов РНК), кодирующий первичную структуру полипептида, молекулы транспортной или рибосомной РНК. Геном – совокупность генов, содержащихся в гаплоидном наборе хромосом клетки. В геноме каждый ген представлен одним геном из аллели. Геном представляет собой совокупность наследственных признаков, локализованных в ядре клетки.
Кодон (триплет), единица генетического кода; состоит из 3 последовательно расположенных нуклеотидов в молекуле ДНК или РНК. Последовательность кодонов в гене определяет последовательность распределения аминокислот в полипептидной цепи белка, кодируемого этим геном.
Нуклеотиды (нуклеозидфосфаты), фосфорные эфиры нуклеозидов; состоят из азотистого основания (пуринового или пиримидинового), углевода (рибозы или дезоксирибозы) и одного или нескольких остатков фосфорной кислоты. Соединения из одного, двух, трёх, нескольких или многих остатков нуклеотидов называются соответственно моно-, ди-, три-, олиго- или полинуклеотидами. Нуклеотиды — составная часть нуклеиновых кислот, коферментов и других биологически активных соединений.
Нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды), высокомолекулярные органические соединения, образованные остатками нуклеотидов. В зависимости от того, какой углевод входит в состав нуклеиновой кислоты — дезоксирибоза или рибоза, различают дезоксирибонуклеиновую (ДНК) и рибонуклеиновую (РНК) кислоты. Последовательность нуклеотидов в нуклеиновых кислотах определяет их первичную структуру. Нуклеиновые кислоты присутствуют в клетках всех живых организмов и выполняют важнейшие функции по хранению и передаче генетической информации, участвуют в механизмах, при помощи которых она реализуется в процессе синтеза клеточных белков. В организме находятся в свободном состоянии и в комплексе с белками (нуклеопротеиды).
Генетика прокладывает пути эффективного управления наследственностью и изменчивостью организмов. Вместе с тем селекция опирается и на достижения других наук: систематики и географии растений и животных, цитологии, эмбриологии, биологии индивидуального развития, молекулярной биологии, физиологии и биохимии. Бурное развитие этих направлений естествознания открывает совершенно новые перспективы. Уже на сегодняшний день генетика вышла на уровень целенаправленного конструирования организмов с нужными признаками и свойствами.
Генетике принадлежит определяющая роль в решении практически всех селекционных задач. Она помогает рационально, на основе законов наследственности и изменчивости, планировать селекционный процесс с учетом особенностей наследования каждого конкретного признака. Достижения генетики, закон гомологических рядов наследственной изменчивости, применение тестов для ранней диагностики селекционной перспективности исходного материала, разработка разнообразных методов экспериментального мутагенеза и отдаленной гибридизации в сочетании с полиплоидизацией, поиск методов управления процессами рекомбинации и эффективного отбора наиболее ценных генотипов с нужным комплексом признаков и свойств дали возможность расширить источники исходного материала для селекции. Кроме того, широкое использование в последние годы методов биотехнологии, культуры клеток и тканей позволили значительно ускорить селекционный процесс и поставить его на качественно новую основу.
10. Раскройте понятие «биосфера», укажите ее функции и характеризуйте ее оболочки. Как это понятие было переосмыслено В.И.Вернадским?
Существование биосферы Земли как определенной природной системы выражается в первую очередь в круговороте энергии и веществ при участии всех живых организмов. Идея этого круговорота была изложена в книге немецкого натуралиста Я. Молешотта. А предложенное в 80-х годах XIX века, подразделение организмов по способам питания на три группы: автотрофные, гетеротрофные и микотрофные, немецким физиологом В.Пфеффером (1845-1920), было крупным научным обобщением, способствующим пониманию основных процессов обмена веществ в биосфере. Значительно более широкое представление о биосфере мы встречаем у В.И.Вернадского (1863-1945). Вернадский рассматривал биосферу как особое геологическое тело, строение и функции которого определяются особенностями Земли и Космоса. А живые организмы, популяции, виды и все живое вещество - это формы, уровни организации биосферы.
Он так же отмечал, что особую роль в биосфере играют биологические круговороты, где важнейшим процессом является фотосинтез, осуществляемый растительностью планеты, которая оказывает влияние на все компоненты природного комплекса биосферы - атмосферу, гидросферу, почву, животный мир. Велика роль растений в жизни человеческого общества. Они создают необходимую среду существования и снабжают ее различными веществами. Перенос вещества и энергии осуществляется затем посредством пищевых цепей6.
К своеобразной разновидности круговоротов в биосфере относятся ее ритмические изменения. Ритмикой называется повторяемость во времени комплекса процессов, которые каждый раз развиваются в одном направлении. При этом различают две ее формы: периодическую - это ритмы одинаковой длительности (время оборота Земли вокруг оси) и циклическую - ритмы переменной длительности. Периодичность в биосфере проявляется во многих процессах: тектонических, осадконакоплении, климатических, биологических и многих других. Ритмы бывают разной продолжительности: геологические, вековые, внутривековые, годовые, суточные и т.д.
Согласно современным представлениям, биосфера - это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхние горизонты литосферы. Продукты жизнедеятельности живых существ относятся к весьма подвижным веществам, которые перемещаются в пространстве далеко за пределы обитания организмов. Поэтому естественно, что распределение живых организмов более ограничено в пространстве, чем вся биосфера в целом.
Список литературы
Бройль Л. Революция в физике. – М.: Прогресс, 1987.
Владимир Вернадский: Жизнеописание. Избранные труды. Воспоминания современников. Суждения потомков. / Сост. Аксенова Г.П. – М.: Современник, 1993.
Дубнищева Т.Я. КСЕ. – Новосибирск: НГУЭУ, 2005.
Значительные имена в истории биологии. / Сост. Ярков В.В. – СПб.: Питер, 1999.
Коттрелл Т. Прочность химических связей. – М., 1987.
Теория эволюции. / Под ред. Махновец Р.В. – М.: ВЛАДОС, 2003.
1 Дубнищева Т.Я. КСЕ. – Новосибирск: НГУЭУ, 2005.
2 Коттрелл Т. Прочность химических связей. – М., 1987.
3 Бройль Л. Революция в физике. – М.: Прогресс, 1987.
4 Теория эволюции. / Под ред. Махновец Р.В. – М.: ВЛАДОС, 2003. – с.34.
5 Значительные имена в истории биологии. / Сост. Ярков В.В. – СПб.: Питер, 1999. – с. 245.
6 Владимир Вернадский: Жизнеописание. Избранные труды. Воспоминания современников. Суждения потомков. / Сост. Аксенова Г.П. – М.: Современник, 1993. – с.197.