Контрольная работа по "Естествознанию"

Наиболее  известны и широко распространены такие  адроны, как нейтрон и протон. Остальные адроны быстро распадаются. Адроны подразделяются на два класса. Это – класс барионов (тяжелые  частицы) (протон, нейтрон, гипероны и барионные резонансы) и большое семейство более легких мезонов (π-мезон, К- мезон, η- мезон).

Адроны  имеют сложную внутреннюю структуру, они построены из более мелких частиц – кварков. Так барионы (протон, нейтрон) состоят и 3 кварков, мезоны – из кварка и антикварка.

Протон  и нейтрон – относятся к  бозонам, тяжелее электрона почти в 2000 раз. Они являются наиболее стабильными барионами. Протон абсолютно стабилен, нейтрон – испытывает бета-распад с временем жизни, близким к 1000 с. 

Все мезоны распадаются на электроны и нейтрино; периоды полураспада для этих процессов лежат в интервале от 10^-8 до 10^-23 с. Все мезоны с массой меньше 0,6 массы протона имеют большие периоды полураспада (>10^-8 с) и поэтому являются «стабильными» с точки зрения элементарных процессов.

Самым важным из наиболее изученным членом семейства мезонов является π-мезон  или пион. Он является квантом поля ядерных сил, то есть участвует в  сильном взаимодействии. Существуют два вида заряженных пионов  π⁺ и π^- (которые являются частицей и античастицей) и нейтральный пион  π⁰. Масса π^±  составляет 270 m_е, π⁰ – 260 m_е, среди адронов они самые легкие. Пионы примерно в 7 раз легче протонов и в 270 раз тяжелее электронов. Они являются бозонами.  

  Фотон. Заряд фотона равен 0. Эта частица, имеет нулевую массу покоя, является бозоном и движется со скоростью света. Фотон выступает переносчиком электромагнитного взаимодействия, а также гравитационного. Так как не существует системы отсчета, в которой фотон покоится, ему нельзя приписать внутренней четности (квантовомеханической характеристики состояния физической микрочастицы, отображающей свойства симметрии этой микрочастицы относительно зеркальных отражений). Фотон – это абсолютно (истинно) нейтральная частица. Фотоны могут испускаться и поглощаться, то есть возникать и исчезать. Установлена возможность взаимопревращения пар электронов и позитронов в фотоны. В электростатическом поле атомного ядра фотон с энергией выше 1 Мэв может превратиться в электрон и позитрон и наоборот, столкновение электрона и позитрона приводит к превращению двух (или трех) фотонов высокой энергии.

7. Поясните, что такое звук, инфразвук, ультразвук.

Звук  в широком смысле – упругие  волны, продольно распространяющиеся в среде и создающие в ней  механические колебания.

В узком  смысле – субъективное восприятие этих колебаний специальными органами чувств животных или человека.

Важной  характеристикой звука является его спектр, получаемый в результате разложения звука на простые гармонические  колебания. Спектр бывает сплошной, когда энергия звуковых колебаний непрерывно распределена в более или менее широкой области частот, и линейчатый, когда имеется совокупность дискретных (прерывных) частотных составляющих. Звук со сплошным спектром воспринимается как шум. Например, шелест деревьев под ветром. Линейчатым спектром с кратными частотами обладают музыкальные звуки. Основная частота определяет при этом воспринимаемую на слух высоту звука, а набор гармонических составляющих – тембр звука.  Энергетической характеристикой звуковых колебаний является интенсивность звука – энергия, переносимая звуковой волной через единицу поверхности, перпендикулярную направлению распространения волны, в единицу времени. Интенсивность звука зависит от амплитуды звукового давления, а также от свойств самой среды и от формы волны.

Субъективной  характеристикой звука является его громкость, зависящая от частоты.

Наибольшей  чувствительностью человеческое ухо  обладает в области частот 1-5 кГц, в этой области порог слышимости, то есть интенсивность самых слабых слышимых звуков, по порядку величины равно 10^-12 вм/м², а соответствующее звуковое давление – 10^-5 н/м². Верхняя по интенсивности граница области воспринимаемых человеческим ухом звук характеризуется порогом болевого ощущения, слабо зависящим от частоты в слышимом диапазоне и равным примерно 1 вм/м².

Рассмотрим, что такое  инфразвук и ультразвук.

Считается, что человек слышит звуки в  диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц.

Звук  ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком, выше до 1ГГц – ультразвуком.

Инфразвук – упругие волны низкой частоты. Обычно за верхнюю границу инфразвуковой области принимают частоты 16-25 Гц. Нижняя граница инфразвукового диапазона неопределенна. Например, перед штормом усиливающийся ветер срывает гребни волн и захлестывает их. Каждое такое захлопывание воды на гребне волны порождает акустический удар, создаются инфразвуковые колебания. Также источником инфразвуковых колебаний являются гром, взрывы, орудийные выстрелы.

Инфразвук может распространяться на очень далекие расстояния в воздухе, воде и в земной коре. Так, например, распространение инфразвука на большие расстояния в море дает возможность предсказания цунами.

Ультразвук – упругие колебания и волны с частотами от 16-20 кГц до 1ГГц. Область частот ультразвука можно подразделить на три подобласти: ультразвук низких частот (1,6 ·10⁴ -10⁵ Гц), ультразвук средних частот (10⁵ -10⁷ Гц) и область высоких частот (10⁷ -10⁹ Гц).

Целый ряд животных способен воспринимать и излучать частоты упругих волн значительно выше 20  кГц.

Так, птицы  болезненно реагируют на ультразвуковые частоты более 25  кГц, что используют, например, для отпугивания чаек от водоемов с питьевой водой.

Летучие мыши, имея совсем слабое зрение, или  вовсе не имея его, ориентируются  в полете и ловят добычу методом ультразвуковой локации. Они излучают своим голосовым аппаратом ультразвуковые импульсы с частотой повторения несколько Гц и несущей частотой 50-60 кГц.

Дельфины  излучают и воспринимают ультразвук до частот 170 кГц. 
 
 
 

8. Что такое эмпирические и теоретические горизонты человечества. Радиус Вселенной. Доступный наблюдательной астрономической технике.

К эмпирическому  уровню познания относятся приемы, методы и формы познания, связанные с непосредственным отражением объекта, материально-чувственным взаимодействием с ним человека. На этом уровне происходят накопление, фиксация, группировка и обобщение исходного материала для построения опосредованного теоретического знания.

К эмпирическому  уровню относят такие методы, как  наблюдение, различные формы экспериментирования, предметное моделирование, описание полученных результатов, измерение и др.

Теоретический уровень познания характеризуется  преобладанием понятий, теорий, законов. На основе теоретического объяснения осуществляется научное предвидение будущего.

Различие  эмпирических и теоретических уровней  познания касается форм знаний и способов их получения. Эмпирический уровень  – это факты. Теоретический –  логическая взаимосвязь высказываний, на основе которой можно объяснить  и предсказать факты.

При всем своем различии эти два уровня взаимосвязаны, граница между ними условна. Эмпирическое исследование, выявляя  с помощью наблюдений и экспериментов  новые данные, стимулирует теоретическое  познание, ставит перед ним новые, более сложные задачи. С другой стороны теоретическое познание, развивая и конкретизируя на базе эмпирии новое собственное содержание, открывает новые, более широкие горизонты для эмпирического познания, ориентирует и направляет его в поисках новых фактов, способствует совершенствованию его методов.

В космологии теория играет особую роль и одновременно является предметом жестких споров.

Когда исследуется природа звезд, мы судим  о температуре на поверхности  светила, его размерах, других характеристик  не путем прямого наблюдения в силу не наблюдаемости данных свойств, а путем теоретических исследований, путем других уже имеющихся данных, чаще всего в виде различных концепций, с помощью которых и рассчитывают данные параметры.

В космологии эмпирически нельзя проверить те результаты, которые были получены в ходе теоретического поиска, так как возможность их опытной проверки представится через сотни миллиардов лет.

Хотя  гипотетически нереально охватить всю Вселенную не только эмпирически, но даже и теоретически, поскольку  мы не знаем ее истинных размеров.

Радиус  Вселенной. Доступный  наблюдательной астрономической  технике.

Поскольку любой сигнал, несущий информацию, не может передаваться со скорость большей скорости света (300000 км/с), конечный возраст Вселенной (14-16 млрд.св. лет) позволяет говорить и о размере Вселенной как о размере области, из которой информация может дойти до наблюдателя за время, прошедшее с момента начала расширения.

Никакое совершенствование техники не позволит заглянуть дальше. Мы не можем увидеть  более далекие галактики: какими бы телескопами мы не пользовались, свет от галактик за горизонтом просто не успел дойти до нас. Это предельное расстояние, до которого в принципе могут «дотянуться наблюдатели». В честь Эдвина Хаббла его назвали хаббловским радиусом. В настоящее время он равен 6000 Мпк. Понятие радиуса Вселенной достаточно условно: реальная вселенная безгранична и она нигде не кончается. Горизонт любого наблюдателя раздвигается со скоростью света.

Горизонт  видимости во Вселенной – сфера  с радиусом, равным расстоянию, которое свет прошел за время существования Вселенной. Это граница, отделяющая область пространства, которую в данный момент может видеть наблюдатель, от области, которая для него пока принципиально ненаблюдаемая, которая получила название космологического горизонта (горизонта частиц).

Существование космологического горизонта связано  с расширением Вселенной. От момента  сингулярного состояния Вселенной  прошло t ≈ 10-20 миллиардов лет. За это время свет успевает пройти в расширяющейся Вселенной конечное расстояние t ≈ ct (где c – это скорость света), т.е. примерно 10–20 миллиардов световых лет. Поэтому каждый наблюдатель в момент t' после начала расширения может видеть только область, ограниченную сферой, имеющей в этот момент радиус r = ct'. За этой границей, являющейся горизонтом наблюдений, объекты принципиально ненаблюдаемы в момент t': свет от них еще не успел дойти до наблюдателя, даже если он вышел в момент начала расширения Вселенной. Вблизи горизонта мы видим вещество в далеком прошлом, когда плотность его была гораздо больше сегодняшней.

С течением времени горизонта расширяется по мере того, как к наблюдателю доходит свет от более далеких областей Вселенной. Таким образом, он охватывает больше половины доступного в принципе для наблюдений объема пространства Вселенной. С каждым днем доступная земным телескопам область Вселенной возрастает на 10¹⁸ кубических световых лет.

Представление о космологическом горизонте  позволяет понять, что в каждый данный момент для наблюдателя доступна некоторая конечная часть объема Вселенной, с конечным числом галактик и звезд. Очевидно также, что у каждого наблюдателя, находящегося в каком-либо месте во Вселенной, в каждый данный момент времени свой горизонт, своя конечная Вселенная. Это подобно тому, как и на земном шаре, каждый наблюдатель имеет свой горизонт.

Строго  говоря, космологический горизонт ограничен  еще одним фактором, связанным  со свойствами электромагнитного поля. Источники на горизонте частиц имеют безгранично красное смещение. Это самые древние фотоны, которые хотя бы теоретически можно сейчас «увидеть». Они были изучены в момент Большого взрыва. Тогда размер видимой сегодня части Вселенной был крайне мал, а значит, с тех пор все расстояния очень сильно выросли. Отсюда и возникает бесконечно красное смещение.

На ранних стадиях развития Вселенной при  большой плотности вещества фотоны не могли свободно распространяться из-за поглощения и рассеяния. До Земли  в неискаженном виде дошло только, то излучение, которое возникло в  эпоху, когда Вселенная стала практически прозрачной для излучения, и не раньше. Эта эпоха связана с процессом рекомбинации водорода, который протекал через 1 млн лет после начала расширения Вселенной и соответствовал плотности вещества ρ = 10^-20 г/см³. Но 1 млн лет — весьма незначительный период по сравнению с 15—20 млрд лет. Поэтому горизонт видимости во Вселенной практически определяется началом ее расширения.

9. Охарактеризуйте  химический состав  Солнца, его свойства и происходящие процессы.

Солнце  состоит главным образом из водорода (75 %) и гелия (25 %) по массе. Это соотношение меняется от поверхности к ядру. В верхних слоях водорода содержится 90 %, а гелия – 10 %. Соотношение между водородом и гелием с течением времени изменяется в пользу гелия, поскольку уже в течение 4,5 млрд. лет на Солнце протекают термоядерные реакции, превращающее ядро водорода в ядро гелия.  Все остальные химические элементы содержат только 1 % общей массы (О₂, С, Ne, N₂, Fe, Mg, Si, Ni, Na, Ca).