Симметрии в физике и законы сохранения

Федеральное агентство по образованию РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

УРАЛЬСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЮРИДИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

Регионально-заочный факультет (заочное отделение)

Кафедра информационного права и естественнонаучных дисциплин

Группа 201

 

Контрольная работа по концепции современного естествознания

(19 вариант). 

 

 

 

 

 

Выполнила: студентка 2 курса

Регионально-заочного факультета

(заочного отделения – на  базе среднего образования).

 

Контактный телефон:

 

 

 

 

 

 

 

г. Екатеринбург, 2010 год.

 

 

20. Симметрии в физике  и законы сохранения.

Симметрия является одним из фундаментальных свойств природы, представление о ней складывалось в течение жизни десятков сотен и тысяч поколений людей. Как говорил известный кристаллограф А. В. Шубников, посвятивший изучению симметрии всю свою жизнь, «изучение археологических памятников показывает, что человечество на заре своей культуры уже имело представление о симметрии и осуществляло ее в рисунке и в предметах быта. Надо полагать, что применение симметрии в первобытном производстве определялось не только эстетическими мотивами, но в известной мере и уверенностью человека в большей пригодности для практики правильных форм». Быть прекрасным, говорил Платон, «значит быть симметричным и соразмерным».

Одно из определений понятию симметрии дал В. Готт: симметрия – понятие, отражающее существующий в природе порядок, пропорциональность и соразмерность между элементами какой-либо системы или объекта природы, упорядоченность, равновесие системы, устойчивость. Другое определение дал Г. Вейль: «Симметричным является предмет, с которым можно сделать нечто, не изменяя этого предмета»1.

Более глубокое понимание и применение симметрии связано с изучением и обоснованием законов сохранения. Законы сохранения – законы, согласно которым численные значения некоторых физических величин (интегралы движения в механике) не изменяются с течением времени при различных процессах2. Важнейшими законами сохранения, справедливыми для любых изолированных систем, являются: закон сохранения энергии; закон сохранения импульса; закон сохранения момента импульса.

 

Закон сохранения энергии.

Энергия (греч. – действие) – общая количественная мера различных форм движения материи, мера различных процессов и видов взаимодействия, всякое изменение в свойствах вещества, дающее ему возможность производить работу; имеет размерность работы, связывает воедино все явления природы3. Энергия отражает количественное изменение состояния тела, его движения или изменение его структуры при соответствующих взаимодействиях. Понятие энергии тесно связано с понятием работы: чтобы выполнить работу, надо затратить энергию. Существует несколько видов энергии: механическая, внутренняя, электромагнитная, ядерная и другие. Остановимся поподробнее на механической энергии.

Механическая энергия подразделяется на два вида: потенциальную и кинетическую. Потенциальная энергия характеризует взаимодействующие тела, а кинетическая – движущиеся. И потенциальная и кинетическая энергии изменяются только в результате такого взаимодействия тел, при котором действующие на тела силы совершают работу, отличную от нуля. Рассмотрим теперь вопрос об изменении энергии при взаимодействии тел, образующих замкнутую систему. Если несколько тел взаимодействуют между собой только силами тяготения и силами упругости и никакие внешние силы не действуют, то при любых взаимодействиях эта сумма кинетической и потенциальной энергий тел остается постоянной. Это утверждение называется законом сохранения энергии в механических процессах. Сумма кинетической и потенциальной энергий тел называется полной механической энергией. Поэтому закон сохранения энергии можно сформулировать так: полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих силами тяготения и упругости, остается постоянной. Основное содержание закона сохранения энергии заключается не только в установлении факта сохранения полной механической энергии, но и в установлении возможности взаимных превращений кинетической и потенциальной энергий в равной количественной мере при взаимодействии тел.

Рассмотрим пример простого «классического» движения.

Микроработа  А есть произведение силы по перемещению тела на микрорасстояние dr.

A=Fdr.

Поскольку,

dW = - A,

где dW  – микроизменение кинетической энергии, а знак минус соответствует тому, что энергия тратится на совершение работы. Если F =0 и работа А=0, соответственно и dW =0. Следовательно, W =const. закон сохранения энергии обусловлен пространственно-временной симметрией, он отражает однородность времени. Это означает, что время везде протекает одинаково.

Закон сохранения энергии был сформулирован в 1847 году немецким физиком Г. Гельмгольцем4.

 

Закон сохранения импульса.

Импульс (лат. – толчок, удар) – толчок, побуждение, стремление, побудительная причина. В физике – мера механического движения5. По второму закону Ньютона (F=ma), независимо от того, находилось ли тело в покое, или двигалось равномерно и прямолинейно, изменение его скорости движения может происходить только под действием силы, то есть в результате взаимодействия с другими телами. Имеется физическая величина, одинаково изменяющаяся у всех тел под действием одинаковых сил, если время действия силы одинаково, равная произведению массы тела на его скорость и называемая импульсом тела. Импульс – величина векторная, совпадающая по направлению со скоростью. Изменение импульса равно импульсу приложенной силы. Импульс тела является количественной характеристикой поступательного движения тел. Экспериментальные исследования взаимодействий различных тел – от планет и звезд до атомов и электронов, элементарных частиц – показали, что в любой системе взаимодействующих между собой тел при отсутствии действия сил со стороны других тел, не входящих в систему, или равенстве нулю суммы действующих сил геометрическая сумма импульсов тел остается постоянной. В замкнутой системе геометрическая сумма импульсов тел остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой. Этот фундаментальный закон природы называется законом сохранения импульса. Необходимым условием применимости закона сохранения импульса к системе взаимодействующих тел является использование инерциальной системы отсчета.

 

Закон сохранения момента импульса.

Момент импульса (момент количества движения)– мера механического движения поля или системы относительно центра или оси L=mvr6, где m – масса, v – скорость, r – радиус. Закон сохранения момента импульса связан с уравнением динамики вращательного движения. Здесь кроме привычных для прямолинейного движения понятий силы, массы и импульса необходимо учитывать еще один параметр – расстояние r объекта до оси вращения. Аналогии прямолинейного и криволинейного (вращательного) движений прозрачны, и вместо силы мы должны использовать понятие момент силы M=Fr, вместо массы – момент инерции j=mr, вместо импульса – момент импульса L=mvr. Тогда уравнение вращательного движения по аналогии с прямолинейным имеет вид

M=dL/dT.

Если F=0 (замкнутая; изолированная система), то М=0 и dL/dT=0, и L=const, то есть при этих условиях выполняется закон сохранения момента импульса.

Закон сохранения момента импульса обусловлен симметрией пространства. Сохранение момента импульса связано с изотропностью пространства, что означает неизменность физических законов по всем точкам и направлениям пространства7.  

 

 

Связь законов сохранения с симметрией пространства и времени.

Связь между симметрией пространства и законами сохранения установила в 1918 году немецкий математик Эмми Нетер. Она сформулировала и доказала фундаментальную теорему математической физики, названную ее именем, из которой следует, что различным видам симметрии физических законов соответствуют определенные законы сохранения. Эта связь является настолько всеобщей, что ее можно считать наиболее полным отображением понятия сохранения субстанций и законов, ее описывающих, в природе. Так, упоминаемые законы сохранения являются следствиями симметрий, существующих в реальном пространстве – времени. Закон сохранения энергии является следствием временной трансляционной симметрии – однородности времени. Закон сохранения импульса является следствием трансляционной инвариантности пространства (однородности пространства). Закон сохранения момента импульса является следствием симметрии относительно поворотов в пространстве, свидетельствует об изотропности пространства. Эти законы сохранения характерны для всех частиц, являются общими, выполняющимися во всех взаимодействиях. До недавнего времени в физике проводилось четкое разделение на внешние и внутренние симметрии. Внешние симметрии – симметрия физических объектов в реальном пространстве – времени, называемые также пространственно временными или геометрическими. Законы сохранения энергии, импульса и момента импульса являются следствиями внешних симметрий8.

 

 

 

Использованная литература:

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для студентов вузов. – М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: «Издательство «Мир и Образование», 2003. – 592 с.: ил.

 

 

70. Структура биотической  и абиотической компоненты биосферы. Изменение окружающей среды под  влиянием живых организмов как проявление геохимической функции живого вещества.

В современном естествознании проблемы жизни в целом на Земле объединяются общим понятием биосферы. Этот термин, введенный в 1875 году австрийским геологом Э. Зюсом, первоначально означал совокупность всех живых организмов на нашей планете. Однако в дальнейшем выяснилось, что биосфера представляет собой единство объектов живой и неживой природы, вовлеченных в сферу жизни9.

Данилова В. С. И Кожевников Н. Н. дают следующее определение понятию биосферы: «Биосфера (греч. bios – жизнь, sphaira – шар) – оболочка Земли, заселенная живыми организмами и преобразованная ими. Биосфера тесно связана со всеми другими земными оболочками, является следствием прежде всего биогеохимического круговорота, который обеспечивается солнечной энергией. В биосфере организмы и среда их обитания вследствие длительного взаимодействия друг с другом образуют целостную систему, находящуюся в динамическом равновесии»10.

Границы биосферы определяются факторами земной среды, которые делают невозможным существование живых организмов (рис. 1.).

Верхняя граница проходит примерно на высоте 20 км от поверхности планеты и отграничена слоем озона, который задерживает губительные для жизни коротковолновую часть ультрафиолетового излучения Солнца. В гидросфере земной коры организмы проникают на всю глубину Мирового океана – до 10-11 км. В литосфере жизнь встречается на глубине 3,5 – 7,5 км, что обусловлено температурой земных недр и уровнем проникновения воды в жидком состоянии11.

Биосфера, по В. И. Вернадскому, включает в себя следующие элементы: живое вещество; косное вещество (без наличия живых организмов); биогенное, создаваемое и перерабатываемое организмами (газы, каменный уголь, известь, битум и т. д.); биокосное, возникающее при совместной деятельности организмов и абиогенных процессов; радиоактивное вещество; вещество космического происхождения12.

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Биосфера состоит из живого, или биотического, и неживого, или абиотического, компонентов. Биотический компонент – это вся совокупность живых организмов (по Вернадскому – «живое вещество»13). К абиотическим компонентам биосферы относятся атмосфера, почва, вода, солнечная энергия, определенные химические элементы и другие неорганические условия, в которых существуют живые организмы14.

Биотические компоненты биосферы.

В пределах границ биосферы живые организмы распределены очень неравномерно. На большой высоте и в глубинах гидросферы и литосферы организмы встречаются относительно редко. Жизнь сосредоточена главным образом на поверхности земли, в почве и в приповерхностном слое океана. Общую массу живых организмов оценивают в 2,43∙10  т. Биомасса организмов, обитающих на суше, на 99,2 % представлена зелеными растениями – продуцентами (образователями) органического вещества и на 0,8 % – животными и микроорганизмами. Напротив, в океане на долю растений приходится 6,3 %, а на долю животных и микроорганизмов – 93,7% всей биомассы. Жизнь сосредоточена главным образом на суше. Хотя океан и занимает около 71 % земной поверхности Земли, но его суммарная биомасса составляет всего 0,13 % биомассы всех существ, обитающих на Земле.

В распределении живых организмов по видовому составу наблюдается важная закономерность. Из общего числа видов 21 % приходится на растения, но их вклад в суммарную биомассу составляет 99 %. Среди животных 96 % видов – беспозвоночные и только 4 % позвоночные, из которых лишь 10 % млекопитающие. Таким образом, среди представителей животного царства в количественном отношении преобладают формы, стоящие на относительно низком уровне эволюционного развития.

Такое распределение численности видов и их биомасс не случайно, а определяется ходом эволюции. Несмотря на то что животный мир более разнообразен и почти в четыре раза превосходит численность видов растений, на долю позвоночных и млекопитающих приходится менее 4 %, поэтому на суше преобладают растения, а в воде – животные.

Масса живого вещества составляет всего 0,01-0,02 % от косного вещества биосферы, однако оно играет ведущую роль в геохимических процессах. Вещества и энергию, необходимые для обмена веществ, организмы черпают из окружающей среды. Огромные количества живой материи воссоздаются, преобразуются и разлагаются. Ежегодно благодаря жизнедеятельности растений и животных воспроизводится около 10 % биомассы15.

Роль живого вещества проявляется в его геохимических функциях – энергетической и средообразующей16.

В результате взаимовлияния биотических и абиотических компонентов биосферы живые организмы преобразуют среду своего обитания или поддерживают ее в таком состоянии, которое удовлетворяет условиям их существования. Таким образом. Выполняя средообразующие функции, живые организмы контролируют состояние окружающей среды.

Чтобы биосфера могла существовать и развиваться, ей необходима энергия, собственных источников которой она не имеет. Она может потреблять энергию только от внешних источников. Таким главным источником для биосферы является Солнце. Энергетический вклад других поставщиков (внутреннее тепло Земли, энергия приливов, излучение космоса) в функционирование биосферы по сравнению с Солнцем ничтожно мал (около 0,5 % от всей энергии, поступающей в биосферу).                     Солнечный свет для биосферы является рассеянной лучистой энергией электромагнитной природы. Почти 99 % этой энергии, поступившей в биосферу, поглощается атмосферой, гидросферой и литосферой, а также участвует в вызванных ею физических и химических процессах (движение воздуха и воды, выветривание и др.) и только около 1 % накапливается на первичном звене ее поглощения и передается потребителям уже в концентрированном виде. Первичным звеном поглощения солнечной лучистой энергии являются растения, которые преобразуют ее в концентрированную энергию химических связей, или энергию пищи. Без этого процесса накопления и передачи энергии живым веществом невозможно было бы развитие жизни на Земле и образование современной