Контрольная работа по "Физике"

  Атом  — составная часть молекулы, в  переводе с греческого означает "неделимый". Действительно, вплоть до конца XIX в. неделимость  атома не вызывала серьезных возражений. Однако физические опыты конца XIX и начала XX столетий не только подвергли сомнению неделимость атома, но и доказали существование его структуры. В своих опытах в 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсон (1856—1940) открыл электрон, названный позднее атомом электричества. Электрон, как хорошо известно, входит в состав электронной оболочки атомов. В 1898 г. Томсон определил заряд электрона, а в 1903 г. предложил одну из первых моделей атома.

  После того, когда физики установили, что атом не является последним кирпичиком мироздания и сам он построен из более простых, элементарных частиц, идея поиска таких частиц заняла главное место в их исследованиях. По-прежнему мысль физиков была устремлена на то, чтобы свести все многообразие сложных свойств тел и явлений природы к простым свойствам небольшого числа первичных, фундаментальных частиц, которые впоследствии были названы элементарными. В строгом смысле слова такие частицы не должны содержать в себе какие-либо другие элементы. Однако в обычном употреблении физики называют элементарными такие частицы, которые не являются атомами или атомными ядрами, за исключением протона и нейтрона. Наиболее известными элементарными частицами являются электрон, фотон, пи-мезоны, мюоны, тяжелые лептоны и нейтрино. Позже были открыты частицы с весьма экзотическими названиями: странные частицы, мезоны со скрытым "очарованием ", "очарованные " частицы, ипсилион-частицы, разнообразные резонансные частицы и многие другие. Общее их число превышает 350. Поэтому вряд ли все такие частицы можно назвать подлинно элементарными, не содержащими других элементов. Это убеждение усиливается в связи с гипотезой о существовании кварков, из которых, по предположению, построены все известные элементарные частицы.

  По-видимому, все частицы, которые в настоящее  время считаются элементарными, являются специфическими формами существования  материи, которые не объединены в  ядра и атомы, вследствие чего их часто  называют субъядерными частицами. Исторически электрон был первой элементарной частицей, открытой еще в конце прошлого века известным английским физиком Дж. Дж. Томсоном. В 1919 г. Э. Резерфорд, бомбардируя атомы a-частицами, открыл протоны. В начале века был открыт фотон, в 1932 г. такая необычная частица, как лишенный заряда нейтрон, спустя четыре года - первая античастица - позитрон, которая по массе равна электрону, но обладает положительным зарядом. В дальнейшем при исследовании космических лучей были обнаружены многие другие элементарные частицы, в частности мюоны и различные типы мезонов.

  Одна  из характерных особенностей элементарных частиц состоит в том, что они  имеют крайне незначительные массы  и размеры. Масса большинства  из них - порядка массы протона, т. е. 1,6х10^-24 г, а размеры порядка 10^-16 см. Другое их свойство заключается в способности рождаться и уничтожаться, т. е. испускаться и поглощаться при взаимодействии с другими частицами. По интенсивности, с которой происходят взаимодействия между элементарными частицами, их делят на сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. По типу взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, все они, за исключением фотона, могут быть отнесены к двум группам.

• К  первой относятся адроны, для которых характерно наличие сильного взаимодействия, но они могут участвовать также в электромагнитном и слабом взаимодействиях.

• Ко второй группе принадлежат лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействиях.

  Помимо  общих групповых характеристик, элементарные частицы обладают также  специфическими, индивидуальными признаками, которые характеризуются их квантовыми числами. К ним относят массу  частицы, время ее жизни, спин и электрический  заряд. По массе частицы делятся  на тяжелые, промежуточные и легкие. По времени жизни различают стабильные, квазистабильные и нестабильные частицы. К стабильным частицам относят электрон, протон, фотон и нейтрино. Квазистабильные частицы распадаются вследствие электромагнитного и слабого взаимодействия. Нестабильные частицы распадаются за счет сильного взаимодействия. Спин характеризует собственный момент количества движения частицы и измеряется целым или полуцелым значением, кратным постоянной Планка. Так, у протона и электрона он равен 1/2, а у фотона 0. Электрические заряды элементарных частиц являются кратными наименьшего заряда, присущего электрону. 
 

Задание 3:

Концепция необратимости и термодинамика

  Рассматривая  законы движения в классической и  квантовой механике, мы не обращали внимания на характер времени, посредством  которого описываются процессы изменения  в этих теориях. Время в них  выступало в качестве особого  параметра, знак которого можно менять на обратный. Действительно, если заданы начальное состояние системы, т.е. начальные ее координаты и импульсы, и известны уравнения движения, то в механике можно вполне однозначно определить любое ее состояние как  в будущем, так и прошлом.

  Следовательно, направление времени никак не учитывается в классической механике. То же самое следует сказать о  квантовой механике, хотя в ней  предсказания имеют лишь вероятностный  характер. Такое представление о  времени противоречит как повседневной нашей практике, так и тем теоретическим  воззрениям, которые установились в  естественных науках, изучающих конкретные изменения явлений во времени (история, геология, палеонтология, биология и  др.). Если классическая физика и особенно механика изучали обратимые процессы, то биологические, социальные и гуманитарные науки ясно показывали, что предметом  их исследования служат процессы необратимые, изменяющиеся во времени и имеющие  свою историю.

  Наиболее  резкое противоречие в прошлом веке возникло между прежней физикой  и эволюционной теорией Дарвина. Если, например, в механике все процессы представляются обратимыми, лишенными  своей истории и развития, то теория Дарвина убедительно доказала, что  новые виды растений и животных возникают  в ходе эволюции в результате борьбы за существование. В этой борьбе выживают те организмы, которые оказываются  лучше приспособленными к изменившимся условиям окружающей среды. Следовательно, в живой природе все процессы являются необратимыми. То же самое  можно сказать в принципе и  о социально-экономических, культурно-исторических и гуманитарных системах, хотя эволюция в природе происходит значительно  медленнее, чем в обществе.

  Физика  приближалась к разрешению указанного выше противоречия через пересмотр  и создание ряда промежуточных концепций, одной из которых является идея об эволюции систем, но не в сторону  усиления их организации и сложности, а, напротив, — в сторону дезорганизации и разрушения систем.

Понятие времени в классической термодинамике.

    До  возникновения термодинамики понятие  времени по существу отсутствовало  в классической физике в том виде, в каком оно рассматривается  в реальной жизни и в науках, изучающих процессы, протекающие  во времени и имеющих свою историю. Хотя в качестве переменной время  входит во все уравнения классической и квантовой механики, тем не менее, оно не отражает внутренние изменения, которые происходят в системе. Именно поэтому в уравнениях физики его знак можно менять на обратный, т.е. относить его как будущему, так и к прошлому.

    Положение существенно изменилось после того, как физика вплотную занялась изучением  тепловых процессов, законы которых  были сформулированы в классической термодинамике. Если прежняя динамика описывала законы движения тел под воздействием внешних сил, сознательно отвлекаясь от внутренних изменений, происходящих в механических системах, то термодинамика вынуждена была исследовать физические процессы при различных преобразованиях тепловой энергии. Однако она не анализирует внутреннее строение термодинамических систем, как это делает статистическая физика, рассматривающая теплоту как беспорядочное движение огромного числа молекул.

    Термодинамика возникла из обобщения многочисленных фактов, описывающих явления передачи, распространения и превращения  тепла. Самым очевидным является тот факт, что распространение  тепла представляет собой необратимый процесс. Хорошо известно, например, что тепло, возникшее в результате трения или выполнения другой механической работы, нельзя снова превратить в энергию и потом использовать для производства работы. Не менее известно, что тепло передается от горячего тела к холодному, а не наоборот.

    С другой стороны, путем точных экспериментов  было доказано, что тепловая энергия превращается в механическую энергию в строго определенных количествах. Существование такого механического эквивалента для теплоты свидетельствовало о ее сохранении. Все эти многочисленные факты и нашли свое обобщение и теоретическое объяснение в законах классической термодинамики:

    Если  к системе подводится тепло Q и над ней производится работа W, то энергия системы возрастает до величины U: U= Q + W.

    Эту энергию называют внутренней энергией системы, и она показывает, что тепло, полученное системой, не исчезает, а затрачивается на увеличение внутренней энергии и производство работы, т. е. Q = U— W.

    Процесс, единственным результатом  которого было бы изъятие  тепла из резервуара, невозможен.

    Приведенные формулировки отражают связи, которые  существуют между тепловой энергией и полученной за ее счет работой. В  первом законе речь идет о сохранении энергии, во втором— о невозможности  производства работы исключительно  за счет изъятия тепла из одного резервуара при постоянной температуре. Например, нельзя произвести работу за счет охлаждения озера, моря или иного  резервуара при установившейся температуре. Таким образом, второй закон, или  начало термодинамики, можно сформулировать проще, как впервые это сделал французский ученый Сади Карно (1796—1832).

    Невозможно  осуществить процесс, единственным результатом  которого было бы превращение  тепла в работу при постоянной температуре.

    Иногда  этот закон выражают в еще более  простой форме:

    Тепло не может перетечь самопроизвольно  от холодного тела к горячему.

    В дальнейшем немецкий физик Рудольф  Клаузиус (1822—1888) использовал для  формулировки второго закона термодинамики  понятие энтропии, которое впоследствии австрийский физик Людвиг Больцман (1844— 1906) интерпретировал в терминах изменения порядка в системе. Когда энтропия системы возрастает, то соответственно усиливается беспорядок в системе. В таком случае второй закон термодинамики постулирует:

    Энтропия  замкнутой системы, т. е. системы, которая  не обменивается с  окружением ни энергией ни веществом, постоянно  возрастает.

    А это означает, что такие системы  эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой всякое производство работы становится невозможным.

    Поскольку об изменении систем в классической термодинамике мы можем судить по увеличению их энтропии, то последняя  и выступает в качестве своеобразной стрелы времени. В механических процессах ни о каком реальном времени говорить не приходится. Задав в них начальное состояние (координаты и импульсы), можно, согласно уравнениям движения, однозначно определить любое другое ее состояние в будущем или прошлом. Поэтому время в них выступает просто как параметр, знак которого можно менять на обратный, и таким образом вернуться к первоначальному состоянию системы. Ничего подобного не встречается в термодинамических процессах, которые являются необратимыми по своей природе.

    Термодинамика впервые ввела в физику понятие  времени в весьма своеобразной форме, а именно необратимого процесса возрастания энтропии в системе. Чем выше энтропия системы, тем больший временной промежуток прошла система в своей эволюции.

    Очевидно, что такое понятие о времени  и особенно об эволюции системы коренным образом отличается от понятия эволюции, которое лежало в основе теории Дарвина. В то время как в дарвиновской теории происхождения новых видов растений и животных путем естественного отбора эволюция направлена на выживание более совершенных организмов и усложнение их организации, в термодинамике эволюция связывалась с дезорганизацией систем. Это противоречие оставалось неразрешенным вплоть до 60-х гг. нашего века, пока не появилась новая, неравновесная термодинамика, которая опирается на концепцию необратимых процессов. 

Открытие  системы и новая  термодинамика.

    В отличие от закрытых, или изолированных, открытые системы обмениваются с  окружающей средой энергией, веществом  и информацией. Все реальные системы  являются именно открытыми. В неорганической природе они обмениваются с внешней средой, которая также состоит из различных систем, обладающих энергией и веществом. В социальных и гуманитарных системах к этому добавляется обмен информацией. Информационный обмен осуществляется также в биологических системах, в частности при передаче генетической информации.