Контрольная работа по "Естествознанию"

1.Перечислите и кратко охарактеризуйте методы научного познания эмпирического уровня.

       Научные знания представляют собой сложную развивающуюся систему, в которой по мере эволюции возникают все новые уровни организации. Эмпирическое исследование базируется на непосредственном практическом взаимодействии исследователя с изучаемым объектом.

       К эмпирическим методам исследования относят наблюдение, сравнение, измерение и эксперимент.

       Наблюдение - это целенаправленное систематическое восприятие объекта, доставляющее первичный материал для научного исследования. Целенаправленность - важнейшая характеристика наблюдения. Концентрируя внимание на объекте, наблюдатель опирается на имеющиеся у него некоторые знания о нем, без которых нельзя определить цель наблюдения. Наблюдение характеризуется также систематичностью, которая выражается в восприятии объекта многократно и в разных условиях, планомерностью, исключающий пробелы в наблюдении, и активностью наблюдателя, его способностью к отбору нужной информации, определяемой целью исследования.

      Требования, предъявляемые к научным наблюдениям:

-четкая постановка цели  наблюдения;

-выбор методики и разработка  плана;

-системность;

-контроль за надежностью  и корректностью результатов  наблюдения;

-обработка, осмысление  и истолкование полученного массива  данных;

Как метод научного познания наблюдение дает исходную информацию об объекте, необходимую для его  дальнейшего исследования.

  Важную роль в познании играют сравнение и измерение.

      Сравнение представляет собой метод сопоставления объектов с целью выявления сходства или различия между ними.

Если объекты сравниваются с объектом, выступающим в качестве эталона, то такое сравнение называется измерением.

Наиболее сложным и  эффективным методом эмпирического  познания является эксперимент, опирающийся на другие эмпирические методы.              Эксперимент - метод исследования объекта, при котором исследователь (экспериментатор) активно воздействует на объект, создает искусственные условия, необходимые для выявления определенных его свойств. Эксперимент предполагает применение определенных средств: приборов, инструментов, экспериментальных установок, характеризуется активным воздействием на объект, может быть повторен столько раз, сколько требуется для получения достоверных результатов.

Существуют два типа экспериментальных  задач:

исследовательский эксперимент, который связан с поиском неизвестных  зависимостей между несколькими  параметрами объекта;

проверочный эксперимент, который  применяется в случае, когда требуется  подтвердить или опровергнуть те или иные следствия теории.

В эксперименте, как правило, используются приборы – искусственные  или естественные материальные системы, принципы работы которых нам хорошо известны. Т.е. в рамках нашего эксперимента уже фигурирует в материальной форме наше знание, некоторые теоретические представления. Без них невозможен эксперимент, по крайней мере, в рамках науки. Всякая попытка отделить эксперимент от теории знаний делает невозможным понимание его природы, познавания сущности.

       Деятельностная природа эмпирического исследования на уровне наблюдений наиболее отчетливо проявляется в ситуациях, когда наблюдение осуществляется в ходе реального эксперимента.

2. Сформулируйте принцип  относительности, на основе которого  построена специальная теория  относительности.

       Специальная теория относительности (СТО; также частная теория относительности) — теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения при произвольных скоростях движения, меньших скорости света в вакууме, в том числе близких к скорости света.

В рамках специальной теории относительности классическая механика Ньютона является приближением низких скоростей. Обобщение СТО для гравитационных полей называется общей теорией относительности.

      Постулаты теории относительности:

1. Принцип относительности:  все законы природы одинаковы  во всех инерциальных системах  отсчета.

Лоренц отмечал по этому  поводу; "Заслуга Эйнштейна состоит  в том, что он первый высказал принцип  относительности в виде всеобщего, строго и точно действующего закона".

2. Принцип постоянства  скорости света: скорость света  в пустоте одинакова во всех  инерциальных системах отсчета  и не зависит от движения  источников и приемников света.

В любом случае, увлекался  бы эфир движущимися телами или не увлекался бы, скорость света относительно различных инерциальных систем отсчета  должна была оказаться различной. Если бы эфир увлекался движущимися телами, то скорость света относительно внешней  неподвижной системы отсчета  должна быть другой, чем известное  значение С. Если же эфир не увлекается движущимися телами, то должна меняться скорость света относительно системы  отсчета, движущейся вместе с источником света. Отрицательный результат  опыта Майкельсона как раз  и состоит в том, что скорость света оказывалась одинаковой по отношению к обеим системам отсчета. Положив за основу теории этот экспериментальный  факт, Эйнштейн говорит о том, что  введение "светоносного эфира" окажется при этом излишним, "поскольку  в предлагаемую теорию не вводится "абсолютно покоящееся пространство", наделенное особыми свойствами. Скорость же света в пустоте не зависит от системы отсчета и является максимальной (верхней границей) для скорости распространения сигналов.

Исходя из постоянства  скорости света, Эйнштейн подвергает критическому анализу традиционное понятие времени. Ньютоновское понятие абсолютного, универсального, равномерно текущего времени твердо укоренилось в  представлениях физиков и казалось незыблемым. Следствием этого явилось  некритически используемое в ньютоновской механике представление об одновременности  событий. Критику абсолютного времени  Ньютона Эйнштейн начинает с рассмотрения понятия одновременности двух событий, обращая особое внимание на тот факт, "что все наши суждения, в которых  время играет какую-либо роль, всегда являются суждениями об одновременных  событиях".

Пусть в некоторой точке  пространства А помещены часы, и  наблюдатель, находящийся в точке  А, может устанавливать время  событий в непосредственной близости от А путем наблюдения одновременных  с этими событиями положений  стрелок часов. Пусть в другой точке пространства В помещены такие  же точно часы, как в точке А, тогда в непосредственной близости от В тоже возможна временная оценка событий находящимся в В наблюдателем. Но при этом определяется только "А-время" и "В-время", но не общее для  А и В "время". В классической механике принимается, что одновременность  двух событий может быть установлена  путем переноса часов из точки  А в точку В, при этом считается, что движение часов никаким образом  не должно сказываться на их ходе. Эйнштейн указал на неочевидность последнего утверждения, на неправомерность принятия его априори. Поскольку не существует физических явлений, распространяющихся мгновенно, то без определенных предположений  невозможно сравнивать во времени какое-либо событие, происходящее в А, с событием, происходящим в В. Часы в А и  В будут идти синхронно, если принять, что время для прохождения  света из точки А в точку  В равно времени для прохождения  сигнала из точки В в точку  А:

Если при этом предположить, что скорость света одинакова  по всем направлениям, то сумма этих времен, умноженная на скорость света, должна равняться удвоенному расстоянию от точки А до точки В. Установив, что следует понимать под синхронно  идущими в разных точках пространства покоящимися часами, Эйнштейн дает определения понятий одновременности  и времени. Но установленная таким  образом одновременность событий  в одной системе отсчета не будет верна в другой, движущейся по отношению к первой. Если один наблюдатель считает одновременными два события, которые пространственно  разобщены, в той системе отсчета, относительно которой он неподвижен, то другой наблюдатель, участвующий  в равномерном прямолинейном  движении относительно первой системы  отсчета, не считает их одновременными. Так что одновременность становится понятием относительным, зависящим  от наблюдателя. Таким образом, следует говорить о собственном времени каждой системы отсчета. Универсальное абсолютное ньютоновское время должно уступить место бесчисленным собственным временам различных систем отсчета. Этот, на первый взгляд, парадоксальный вывод является следствием того, что невозможно синхронизировать часы с помощью сигналов, распространяющихся со скоростью, превышающей скорость света. Наше же обыденное представление о времени, совпадающее с представлением об универсальном ньютоновском времени, — следствие того, что мы живем в мире малых скоростей, неосознанно пользуясь при этом информационными волнами, распространяющимися со скоростями, сравнимыми со скоростью света. Если бы скорость электромагнитных волн была бы порядка обычных для нашего сознания скоростей, то гораздо раньше встал бы вопрос об одновременности событий в различных точках пространства. Эйнштейн показал, что в основе преобразований Галилея как раз и лежит произвольное допущение о том, что понятие одновременности имеет смысл независимо от состояния движения используемой системы координат.

Рассуждая таким образом  и используя два указанных  выше принципа (постулаты теории относительности), Эйнштейн математически вывел лоренцево  сокращение движущихся тел при их наблюдении из покоящейся системы, при  условии, что скорость движущегося  тела V<C. Следствием лоренцева сокращения является эффект замедления времени. То же обстоятельство, что длительности событий различны в различных  системах отсчета, приводит к замене галилеева правила сложения скоростей  релятивистским законом сложения скоростей. Из релятивистского закона сложения скоростей следует, что сложение скорости света со скоростью источника  дает во всех случаях опять-таки скорость света, тем самым скорость света  в пустоте — максимальная скорость передачи взаимодействий в природе. Следует сказать, что интерпретация  результатов опыта Физо без привлечения  гипотезы эфира с использованием релятивистского закона сложения скоростей  дает блестящее совпадение теории с  экспериментом. Таким образом, изменение  понятий о пространстве и времени  приводит в специальной теории относительности  к изменению основных принципов  кинематики. Не случайно специальную  теорию относительности называют кинематическим нововведением в физику. Новая  кинематика, к которой пришел Эйнштейн при анализе понятий пространства и времени, совпала с преобразованиями, полученными ранее Лоренцем. Однако Эйнштейн наполняет преобразования Лоренца новым физическим содержанием. Так, если Лоренц рассматривал сокращение линейных размеров движущихся тел как  действительное сокращение по отношению  к неподвижному эфиру, то Эйнштейн рассматривает  это сокращение как кажущееся  для наблюдателя, относительно которого тело движется. Сокращение линейных размеров тел и замедление длительности временных  интервалов — это следствие различных  процессов измерения, которыми пользуются различные наблюдатели в различных  системах отсчета. "Вопрос о том, реально лоренцево сокращение или нет, не имеет смысла, — писал Эйнштейн. — Сокращение не является реальным, поскольку оно не существует для наблюдателя, движущегося вместе с телом; однако оно реально, так как оно может быть принципиально доказано физическими средствами для наблюдателя, не движущегося вместе с телом". Итак, два постулата принципа относительности должны быть дополнены преобразованиями Лоренца. Чтобы принцип относительности мог выполняться, необходимо, чтобы все законы физики не изменяли своего вида, были инвариантны при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую относительно преобразований Лоренца. Это одно из первых следствий, вытекающих из постулатов теории относительности, устанавливающее критерий включения физического закона в релятивистскую схему.

3. Что такое и как  образуются звезды? Почему звезды  светят?

Прежде всего, что такое  звезды? Звезда — это огромный шар  из яркого раскаленного газа. Звезды содержат большое количество водорода, который  является основным источником энергии. Звезды состоят также из других химических элементов, таких, как гелий, азот, кислород, железо, никель и цинк. Все элементы звезд находятся в газообразном состоянии. Звезды возникают из плотных  облаков пыли и газа, движущихся по Вселенной. Звезда начинает образовываться, когда большое количество газообразных частиц собираются вместе внутри этого  облака. Кружащиеся частички присоединяют к себе другие, и вся эта группа растет в размерах, ее сила притяжения становится сильней. Частички образовывают большой газовый шар. Шар растет, частички спрессовываются, и давление внутри шара увеличивается. В конце концов давление становится таким большим, что увеличивает температуру газа и он начинает светиться. Когда давление и температура внутри шара становятся очень высокими, начинают происходить термоядерные реакции. Газы становятся звездой. Сколько времени нужно для этого? Вероятно, миллионы лет. Если большое количество вещества собирается вместе, чтобы образовать звезду, она будет большой, яркой и горячей. Если это будет горячая звезда, ее термоядерное топливо позволит ей светиться 100 000 000 лет. Если в формировании звезды принимает участие небольшое количество вещества, звезда будет маленькой, тусклой и холодной. Ее топливо будет сгорать очень медленно, и она сможет светиться тысячи миллионов лет.

4. Перечислите и кратко  охарактеризуйте виды фундаментальных  физических взаимодействий.

Фундамента́льные взаимоде́йствия — качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел.

На сегодня достоверно известно существование четырех  фундаментальных взаимодействий:

-гравитационного;

-электромагнитного;

-сильного;

-слабого.

При этом электромагнитное и слабое взаимодействия являются проявлениями единого электрослабого взаимодействия.

Гравитация- (от лат. gravitas — «тяжесть»)  универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами. Гравитация является самым слабым из четырёх типов фундаментальных взаимодействий. В квантовом пределе гравитационное взаимодействие должно описываться квантовой теорией гравитации, которая ещё полностью не разработана.

Гравитация первым из четырех  фундаментальных взаимодействий стала  предметом научного исследования. Созданная  в XVII в. ньютоновская теория гравитации (закон всемирного тяготения) позволила  впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы. Закон гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы   и  , разделёнными расстоянием  , пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния — то есть: