Концепции современного естествознания

Федеральное агентство по образованию

Новосибирский государственный университет экономики и управления

Кафедра современного естествознания и наукоемких технологий

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Вариант №7

Новосибирск 2010

1.7

Поясните понятие «энергия»

Энергия (от греческого energeia – действие, деятельность) определяется как общая количественная мера различных форм движения материи. В природе любым физическим процессам соответствует тот или иной вид энергии: механической, химической, тепловой, гравитационной, электромагнитной, ядерной и так далее. Другими словами, она выражает способность тела или системы совершать работу.

Какие виды энергии Вы знаете?

Механика различает потенциальную энергию (или, в более общем случае, энергия взаимодействия тел или их частей между собой или с внешними полями) и кинетическую энергию (энергия движения). Их сумма называется полной энергией.

Энергией обладают все виды полей. По этому признаку различают: электромагнитную (разделяемую иногда на электрическую и магнитную энергии), гравитационную и ядерную энергии (также может быть разделена на энергию слабого и сильного взаимодействий).

Термодинамика рассматривает внутреннюю энергию и иные термодинамические потенциалы.

В химии рассматриваются такие величины как энергия связи и энтальпия, имеющие размерность энергии, отнесённой к количеству вещества. См. также: химический потенциал.

В каких системах она сохраняется, как закон сохранения энергии связан со свойствами пространства-времени?

С фундаментальной точки зрения, закон сохранения энергии является следствием однородности времени и в этом смысле является универсальным, то есть присущим системам самой разной физической природы. Другими словами, для каждой конкретной замкнутой системы, вне зависимости от её природы можно определить некую величину, называемую энергией, которая будет сохраняться во времени.

Закон сохранения энергии эквивалентен однородности времени, то есть независимости всех законов, описывающих систему, от момента времени, в который система рассматривается.

Вывод этого утверждения может быть произведён, например, на основе лагранжева формализма.

Какими свойствами симметрии обладают пространство и время?

Абсолютное время однородно, это означает симметрию относительно сдвигов. Значит, и точка отсчета времени не имеет значения, она не меняет длительность. То же можно сказать и о пространственных симметриях классической механики. В пространстве нет выделенных ни точек, ни направлений, т. е. оно однородно и изотропно.

По горизонтальной плоскости равномерно перемещается тело массой в 1кг без качения под действием силы в 1 Н. Найти коэффициент трения.

Решение:

F_тяги = -F_трения

F_трения = -μ_*N= -μ_*m_*g

F_тяги = μ_*m_*g

μ = F_тяги /(m_*g)

μ = 1 Н/ (1 кг _* 9,8 м/с²) = 0,1.

Ответ: 0,1.

2.7

Какие движения легли в основу календаря, какие календари сейчас используются?

Основная внешняя проблема календаря - необходимость согласовать длину года с длиной суток. Были разработаны разные варианты поправок, но существенную реформу календаря провел Юлий Цезарь, изучивший во время пребывания в Египте солнечный календарь. Годовой путь Солнца в Древнем Вавилоне делили на 12 частей по 30° с созвездиями (пояс Зодиака). В этом делении — влияние вавилонской системы счисления, от которой осталось деление окружности на 360°, градуса — на 60 мин, минуты — на 60 с. Во II в. до н. э. александрийский астроном Гиппарх ввел понятие о начале весны, лета, осени и зимы как о моментах вступления Солнца в соответствующий знак Зодиака Овна, Рака, Весов и Козерога. Но из-за прецессии (медленной — по 50 угловых секунд в год) точка весеннего равноденствия вскоре перешла в созвездие Рыб, а в течение ближайших 150 лет переместится в зону следующего созвездия — Водолея. Кроме того, сейчас годовой путь Солнца по эклиптике проходит уже через 13 созвездий, но для сохранения традиции деления на 12 равных зон часто созвездие Змееносца объединяют с созвездием Скорпиона.

Внутренняя структура календаря связана с соотношением месяцев и дней недели с числами месяцев. Семидневная неделя — период, примерно соответствующий 1/4 лунного месяца, или длительности между четырьмя фазами Луны. Лунный месяц (синодический) в среднем равен 29,53 средних суток. Древним людям были известны 7 планет, к которым относили Солнце, Луну, Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер, Сатурн, и каждой из них посвящали один день недели. Это связано с традициями шумерской астрологии и отражено в культе числа «семь».

Уточнение юлианского календаря касалось только улучшения его внешней структуры — приближения к значению 365,2422 сут — вводилось 97 високосных лет в каждые 400 лет, т. е. число високосов было уменьшено на 3. Годы столетий, число сотен которых не делится на 4, считаются простыми (1700, 1800, 1900), а годы, у которых число сотен делится на 4, — високосными (1600, 2000 и т.д.). Ошибка в 1 сут в этом календаре накапливается лишь за 3323 года.

В настоящее время основным календарем считается Григорианский, но существуют и другие альтернативные календари в частности т.н. универсальный.

Будет ли на Земле смена дня и ночи, если прекратится ее вращение вокруг своей оси?

Нет не будет, так как при вращении вокруг своей оси (время одного полного оборота: 24час 3мин 56,5сек (средние солнечные сутки) одна сторона планеты освещена солнцем (день), противоположная остается в тени (ночь).

С какой скоростью и в каком направлении должен лететь самолет в районе экватора, чтобы местное солнечное время для его пассажиров остановилось?

Земля вращается с запада на восток, из справочных материалов известно, что скорость вращения планеты равна примерно 460 м/с, так как скорость вращения земли в разные периоды года различна, то оставим именно эту величину. Чтобы солнечное время остановилось на местном значении необходимо развить на самолёте скорость в 460 м/с или 460*3600/1000 км/ч, что является недостижимой для современной гражданской авиации, но вполне по силам военным самолётам и лететь в противоположную сторону от вращения Земли.

Определите по данным о Луне (расстояние от Земли 384 тыс. км, период обращения равен 27,3 сут.) и законам Кеплера высоту стационарного спутника (висящего над одной территорией).

Из второго закона Кеплера вытекает выражение для тела находящегося на орбите:

T₁²/T₂²=R₁³/R₂³

где T-периоды обращения, R-радиусы. Вырази значение одного из радиуса:

R₂³= R₁³ T₂²/ T₁²

R₂=³√( R₁³ T₂²/ T₁²)

Пусть R₂ искомая высот для спутника, тогда подставив значения из условия получим:

R₂=³√(1*(384*10³)³/27,3²)

R₂=4,2*10⁴ км

Ответ: высота орбиты-4,2*10⁴ км.

3.7

Какими законами определяется тепловое излучение тел?

Тепловое излучение — наиболее распространенный в природе вид электромагнитного излучения, оно определяется законом Стефана — Больцмана, законом излучения Кирхгофа, законом смещения Вина.

Какими моделями при этом пользуются?

В физике для расчёта теплового излучения принята модель абсолютно чёрного тела, тепловое излучение которого описывается законом Стефана — Больцмана. Излучение же реальных тел подчиняется закону излучения Кирхгофа.

Определить энергетическую светимость поверхности (мощность излучения) тела и температуру тела, если длина волны, на которую приходится максимум энергии в спектре излучения абсолютно черного тела, равна 0,58 мкм. (s = 5,7×10^-8 Вт/(м×K⁴), b = 2,9×10^{-3 м} ×K кг/моль).

Решение.

Энергетическая светимость тела определяется оп формуле:

R=σT⁴

где Т-температура тела,σ- постоянная Стефана — Больцмана.

Из уравнения Вина выразим температуру:

λ_макс.=2,9*10^-3/T

T= 2.9*10^-3/ λ_макс

Подставив в последнее уравнение значение длины волны, найдем температуру:

T=2.9*10^-3/0.58*10^-6

T=5000 ⁰К

Подставив в уравнение светимости получим значение светимости для данного тела:

R=5000⁴*5.7*10^-8

R=35.6*10⁵ Вт/м

Ответ: T=5000 ⁰К R=35.6*10⁵ Вт/м

4.7

Какими корпускулярными свойствами обладают свет?

Корпускулярные свойства света представлены: закономерностью равновесного теплового излучения, фотоэффектом и эффектом Комптона.

Поясните смысл понятия «фотон». Какие явления, и каким образом были объяснены с помощью квантовой теории света?

Фото́н (от др.-греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света). Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света.

С помощью квантовой теории света были объяснены:

Фотоэффект

Был объяснён Эйнштейном в 1905 г. на основе гипотезы М. Планка о том, что свет излучается и поглощается определенными порциями, причем энергия каждой такой порции определяется формулой E = hν, где h – постоянная Планка Эйнштейн сделал следующий шаг в развитии квантовых представлений.

Эффект Комптона.

А. Комптоном и П. Дебаем (независимо) на основе квантовых представлений о природе излучения. Если принять, что излучение представляет собой поток фотонов Эффект Комптона. Объяснение эффекта Комптона было дано в 1923 году, то эффект Комптона есть результат упругого столкновения рентгеновских фотонов со свободными электронами вещества. У легких атомов рассеивающих веществ электроны слабо связаны с ядрами атомов, поэтому их можно считать свободными. В процессе столкновения фотон передает электрону часть своей энергии и импульса в соответствии с законами сохранения.

Закономерность равновесного теплового излучения.

Планк пришел к выводу, что процессы излучения и поглощения электромагнитной энергии нагретым телом происходят не непрерывно, как это принимала классическая физика, а конечными порциями – квантами. Квант – это минимальная порция энергии, излучаемой или поглощаемой телом. По теории Планка, энергия кванта E прямо пропорциональна частоте света: E = hν, где h – так называемая постоянная Планка. h = 6,626·10–34 Дж·с. Постоянная Планка – это универсальная константа.

Давление электромагнитного излучения, давление света.

Впервые гипотеза о существовании светового давления была высказана И. Кеплером в XVII веке для объяснения поведения хвостов комет при пролете их вблизи Солнца. В 1873 г. Максвелл дал теорию давления света в рамках своей классической электродинамики. Экспериментально световое давление впервые исследовал П.Н. Лебедев в 1899 г. В его опытах в вакуумированном сосуде на тонкой серебряной нити подвешивались крутильные весы, к коромыслам которых были прикреплены тонкие диски из слюды и различных металлов. Главной сложностью было выделить световое давление на фоне радиометрических и конвективных сил (сил, обусловленных разностью температуры окружающего газа с освещённой и неосвещённой стороны). Кроме того поскольку в то время не были разработаны вакуумные насосы, отличные от простых механических, Лебедев не имел возможности проводить свои опыты в условиях даже среднего, по современной классификации, вакуума.

Если на цинковую пластинку падает пучок ультрафиолетовых лучей с длиной волны 0,2 мкм, то чему равна максимальная кинетическая энергия и максимальная скорость фотоэлектронов? Работа выхода для цинка равна 4 эВ.

Решение

hν=hc/λ=mυ²_max/2+φ,                                                    (1)

здесь ν — частота излучения, λ — длина волны излучения; h — постоянная Планка, φ — фотоэлектронная работа выхода электронов из фотоэмиттера, v_max — максимальная скорость эмитируемых электронов.

Формулу (1) удобно применять во внесистемных единицах (электронвольтах и микронах).

Формулу ( 1 ) преобразуем для внесистемных единиц (электронвольт и микронов)

hν=hc/λ=1,24/λ,                                                           (2)

подставив постоянные в (2) получим:

1,24/λ=2,84*10^-12υ²+φ,                                                          (3)

Преобразуем (3) относительно <υ> получим:

υ (м/с) = 5,93*10⁵* (1.24/λ-φ )^-1/2

подставим значения λ и φ из условия и получим

υ=5,93*10⁵*(1,24/0,2-4)^-1/2

υ=8,79*10⁵ м/с

теперь найдем кинетическую энергию:

E_кин= 2,84*10^-12υ²

Е_кин= 2,84*10^-12*8,79*10⁵

Е_кин=2,49*10^-6

Ответ: υ=8,79*10⁵ м/с Е_кин=2,49*10^-6

5.7

Дайте представление о химической кинетике

Химическая кинетика или кинетика химических реакций — раздел физической химии, изучающий закономерности протекания химических реакций во времени, зависимости этих закономерностей от внешних условий, а также механизмы химических превращений.

Как можно ускорить (или замедлить) ход реакции, каково промышленное значение этого?

Увеличивают скорость

Наличие химически активных реагентов

реагентов

Повышение концентрации реагентов

Увеличение поверхности твердых и жидких реагентов

Повышение температуры

Присутствие катализатора

Уменьшают скорость

Наличие химически неактивных

Понижение концентрации реагентов

Уменьшение поверхности твердых и жидких реагентов

Понижение температуры

Присутствие ингибитора

Изменение скорости реакции очень важно для промышленного синтеза химических веществ, так как возможно затормозить «заморозить» протекание той или иной химической реакции на необходимой стадии тем самым избавиться от ненужных веществ и удешевить конечную стоимость продукта. Так же введением катализаторов можно добиться изменения условий протеканий реакции до более дешевого, а так же ускорить время наступления равновесия.

На сколько градусов надо увеличить температуру, чтобы скорость реакции возросла в 16 раз? Температурный коэффициент реакции g = 2.

Уравнение Вант-Гоффа:

,

где V₂— скорость реакции при температуре T₂ , V₁ — скорость реакции при температуре T₁ , γ— температурный коэффициент реакции (если он равен 2, например, то скорость реакции будет увеличиваться в 2 раза при повышении температуры на 10 градусов).Преобразуем уравнене Вант-гоффа:

V₂/V₁=γ^(T2-T1)/10

(T2-T1)/10=log(V₂/V₁)

(T2-T1)=10 log_γ(V₂/V₁)

Подставив соответствующие значения из условия (V2/V1=16, γ=2), найдем разность температур:

(T2-T1)=10log₂16

(T2-T1)=40

Ответ: (T2-T1)=40 ⁰С

6.7

Почему нельзя применить классическую механику для описания поведения частиц в микромире?

Классическая механика даёт очень точные результаты в рамках повседневного опыта. Однако её применение ограничено телами, скорости которых много меньше скорости света, а размеры значительно превышают размеры атомов и молекул. Обобщением классической механики на тела, двигающиеся с произвольной скоростью, является релятивистская механика, а на тела, размеры которых сравнимы с атомными — квантовая механика. Квантовая теория поля рассматривает квантовые релятивистские эффекты.

Поясните смысл волновой функции и особенности представления о причинности в квантовой механике. Почему ограничение воздействия на микроуровне имеет смысл фундаментального закона природы?

|Ψ|-мера вероятности положения частицы в пространстве,

|Ψ|²-определяет вероятность того, что частица будет обнаружена в объеме.

Ψ-функция позволяет только предсказать вероятность обнаружения частицы в различных точках пространства. Микропроцессам свойственны не динамические, а статистические закономерности, тем самым в области микромира причинность реализуется через многообразие случайностей и характер причинной связи в микромире отличается от детерминизма классической науки. Классическая наука, стремясь к объективности законов, фактически игнорировала случайность. В ней фигурировали только средние данные, но в реальных процессах всегда происходят случайные флуктуации (отклонения от средних), которыми можно пренебречь лишь в некоторых ситуациях. Динамические теории не могут описывать явления с большими флуктуациями, связь со случайностью сглажена, огрублена. Поэтому статистические законы глубже, чем динамические, а вероятностная причинность оказывается глубже, чем динамическая.

Фундаментальные взаимодействия — качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел, ведь все тела во Вселенной созданы из элементарных частиц и их взаимодействие отражается на более крупных объектах которые состоят из них.

На сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного, слабого

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

7.7

Какие процессы поддерживают «жизнь» звезд?

Общие условия во внутренних частях звезд известны. Оценивается, что температура в центре должна быть около 10 миллионов кельвинов. Этого достаточно для того, чтобы имели место термоядерные реакции синтеза.

В термоядерных реакциях синтеза легкие элементы превращаются в тяжелые. Окончательные продукты реакции имеют меньшую общую массу, чем исходные ядра. Эта разность масс освобождается как энергия согласно соотношению Эйнштейна E = mc2 .

Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, частиц, имеющих общее название нуклоны.

Протон - протонная цепочка.

В звездах с массами порядка солнечной или меньше, энергия производится при помощи протон-протонной (pp) цепочки.

В Солнце 91% энергии производится при помощи рр- цепочки.

Углеродный цикл

При температурах ниже 20 миллионов градусов рр-цепочка является основным механизмом производства энергии. При больших температурах, соответствующим звездам с массами выше 1.5M" , углеродный

(CNO) цикл становится доминирующим, т.к. скорость его реакций очень быстро растет с ростом температуры. В CNO-цикле углерод, кислород и азот действуют как катализаторы.

Тройная α-реакция

Как результат предыдущих реакций, избыток гелия в звездных недрах возрастает. При температуре свыше 10⁸ K гелий может превращаться в углерод в результате тройной α-реакции.

Когда «горение» гелия заканчивается, при более высоких температурах становятся возможными другие реакции, в которых синтезируются более тяжелые элементы, вплоть до железа и никеля. Примерами таких реакций являются различные α реакции, а также кислородное, углеродное и кремниевое «горение».

Альфа реакции.

В процессе гелиевого горения, некоторые из ядер углерода

вступают в реакцию с ядрами гелия, образуя кислород, который в свою очередь вступает в реакцию с ядрами гелия, образуя неон и т.д. Эти реакции достаточно редки и поэтому не играют большой роли как источники звездной энергии.

Производство элементов более тяжелых, чем железо, требует ввода энергии, и поэтому такие элементы не могут производиться термоядерными реакциями. Элементы более тяжелые, чем железо почти исключительно производятся нейтронным захватом во время финальной стадии звездной эволюции.

Все вышеперечисленные процессы являются основными процессами протекающими в недрах звезд в результате которых освобождается не только колоссальное количество энергии, но и синтезируются новые элементы.

Дайте представление об эволюции звезд. Почему существенна величина массы звезды?

Схема эволюции такова. Облако газа и пыли (газопылевой комплекс) сжимается и нагревается, возникающие неоднородности приводят его в состояние гравитационной неустойчивости, и оно распадается на части. Пока фрагмент прозрачен для инфракрасного излучения, температура его внутренних слоев не повышается, сжатие идет ускоренно. С некоторого момента сжатие переходит в адиабатическое, объект становится непрозрачным, давление и температура внутри растут, замедляя сжатие. Так возникает протозвезда.

Внутренние слои разогреваются за счет энергии гравитации падающего к центру вещества, объект как бы закипает, что отражается бурными вспышками на поверхности. Пример такой звезды — T Тельца. Это продолжается до тех пор, пока не будут достигнуты температуры, достаточные для начала термоядерных реакций. В соответствии со своей массой звезда занимает место на Главной последовательности. Солнце проделало такой путь почти за 2 млн лет. Звезда такой массы «сядет» в среднюю часть последовательности и останется там на срок до 106 лет. Так протозвезда станет звездой.

По мере выгорания водорода давление в оболочке повышается, внешние слои расширяются и звезда начинает покидать Главную последовательность (двинется сначала чуть вправо и вниз), так как на расширение тратится некоторая энергия, и светимость звезды уменьшается . Равновесие достигается за счет формирования протяженной зоны конвекции, и звезда перейдет в группу красных гигантов. Огромная атмосфера красного гиганта не обеспечивает перенос энергии от внутренних слоев, и внутри звезды процессы пойдут адиабатически. Вблизи ядра температура может достичь необходимого значения для протекания термоядерных реакций, возможно, и с большим выходом энергии, чем у протон-протонных. Тогда холодная огромная атмосфера будет отброшена растущим давлением и превратится в расширяющуюся газовую туманность, которая может рассеяться в пространстве за сотни тысяч лет. Вероятно, наблюдаемая туманность в созвездии Лиры имеет такое же происхождение. Соединения ядер гелия возможны, но они дают меньше энергии (до 9 %), чем соединения ядер водорода. Звезда может продлить свое существование, если из углерода, получающегося при соединении трех атомов гелия, начнут возникать более сложные ядра. Конец наступает при синтезировании железа, которое имеет самые устойчивые ядра и уже не выделяет энергии

Масса звезды приобрела значимость, когда были открыты источники энергии звезд. Масса Солнца МC = 2 • 1030 кг, а массы почти всех звезд лежат в пределах 0,1 — 50 массы Солнца. Практически наиболее верным способом определения массы звезды являются исследования движений двойных звезд. Оказалось, что положение звезды на Главной последовательности определяется ее массой. Соотношения светимостей звезд и их радиусов L/LC = (R/RC)5,2 светимостей и масс L/LC = (М/МC)0,75 сравнили со значением количества энергии, излучаемой поверхностью звезды за единицу времени L/4πR2, и получили соотношение между температурой поверхности и ее массой Т/ТC = (МЗВ/МC)0,6. Итак, чем меньше масса звезды, тем меньше ее поверхностная температура и более поздним будет ее спектральный класс. Отсюда можно оценить массу звезды и по ее светимости: МЗВ/МC = (L/LC)0·256 = = 3,04·• 10-0,102М. Звезды отличаются цветом; считается, что имеют место законы равновесного излучения — закон Стефана — Больцмана и закон Вина. Антарес имеет красный цвет, Капелла — желтый, Сириус — белый, Вега — голубовато-белый

Какова перспектива эволюции Солнца?

Масса Солнца недостаточна для того, чтобы его эволюция завершилась взрывом сверхновой. Вместо этого, через 4—5 миллиардов лет оно превратится в звезду типа красный гигант. По мере того, как водородное топливо в ядре будет выгорать, его внешняя оболочка будет расширяться, а ядро — сжиматься и нагреваться. Примерно через 7,8 миллиарда лет, когда температура в ядре достигнет приблизительно 100 миллионов градусов, в нём начнётся термоядерная реакция синтеза углерода и кислорода из гелия. На этой фазе развития температурные неустойчивости внутри Солнца приведут к тому, что оно начнёт терять массу и сбрасывать оболочку. По-видимому, расширяющиеся внешние слои Солнца в это время достигнут современной орбиты Земли. При этом исследования показывают, что ещё до этого момента потеря Солнцем массы приведёт к тому, что Земля перейдёт на более далёкую от Солнца орбиту и, таким образом, избежит поглощения внешними слоями солнечной плазмы.

Несмотря на это, вся вода на Земле перейдёт в газообразное состояние, а большая часть её атмосферы рассеется в космическое пространство. Увеличение температуры Солнца в этот период таково, что в течение следующих 500—700 миллионов лет поверхность Земли будет слишком горяча для того, чтобы на ней могла существовать жизнь в её современном понимании.

После того, как Солнце пройдёт фазу красного гиганта, термические пульсации приведут к тому, что его внешняя оболочка будет сорвана и из неё образуется планетарная туманность. В центре этой туманности останется сформированная из очень горячего ядра Солнца звезда типа белый карлик, которая в течение многих миллиардов лет будет постепенно остывать и угасать.

Считая светимость Солнца постоянной, определите, какую долю массы Солнце потеряет за свою жизнь из-за излучения.

Светимость солнца равна 3,8*1026 Вт, из уравнения Энштейна

E=mc²

Выразим массу:

m=E/ c²

где С-скорость света в вакууме, Е- энергия.

Подставив соответствующее значения получим:

m=3.9*10²⁶/300*10⁶ =4,33*10⁹ кг/с

такова потеря массы в секунду.Есть мнение, что Солнце проживет 9 млрд лет, что значит

9*10⁹*365*24*3600=2,81*10¹⁷ сек., отсюда потери массы за всю жизнь Солнца будет равен

2,81*10¹⁷*4,33*10⁹=1,22*10²⁷ кг, что соответствует 1,22*10²⁷/1,9891*10³⁰=6,1*10^-4

Ответ: потеря составит 6,1*10^-4 от доли Солнца

8.7

Дайте представление о процессах дыхания и фотосинтеза, сопоставьте продукты на входе и выходе, сделайте вывод об отличии этих процессов.

ФОТОСИНТЕЗ, образование живыми растительными клетками органических веществ, таких, как сахара и крахмал, из неорганических – из СО2 и воды – с помощью энергии света, поглощаемого пигментами растений. Это процесс производства пищи, от которого зависят все живые существа – растения, животные и человек. У всех наземных растений и у большей части водных в ходе фотосинтеза выделяется кислород. Некоторым организмам, однако, свойственны другие виды фотосинтеза, проходящие без выделения кислорода.

Главную реакцию фотосинтеза, идущего с выделением кислорода, можно записать в следующем виде:

Вода + Неорганические вещества + Свет→ Органические вещества + Кислород.

К органическим веществам относятся все соединения углерода за исключением его оксидов и нитридов. В наибольшем количестве образуются при фотосинтезе такие органические вещества, как углеводы (в первую очередь сахара и крахмал), аминокислоты (из которых строятся белки) и, наконец, жирные кислоты (которые в сочетании с глицерофосфатом служат материалом для синтеза жиров). Из неорганических веществ для синтеза всех этих соединений требуются вода (Н2О) и диоксид углерода (СО2). Для аминокислот требуются, кроме того, азот и сера. Растения могут поглощать эти элементы в форме их оксидов, нитрата (NO3–) и сульфата (SO42–) или в других, более восстановленных формах, таких, как аммиак (NH3) или сероводород (сульфид водорода H2S

Дыхание.

Дыхание — основная форма диссимиляции у человека, животных, растений и многих микроорганизмов. При дыхании богатые химической энергией вещества, принадлежащие организму, окисляются до бедных энергией конечных продуктов (диоксида углерода и воды), используя для этого молекулярный кислород.

Под дыханием так же понимают газообмен между организмом и окружающей средой, включающий поглощение кислорода и выделение углекислого газа, а также транспорт этих газов внутри организма

Главным отличием этих процессов является то, что фотосинтез это процесс образование сложных органических веществ из более простых неорганических веществ, воды и под воздействием света; дыхание же процесс расщепления (диссимиляции) сложных органических веществ до более простых с высвобождением энергии и выделением простых неорганических веществ.

В процессе дыхания при окислении одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ. В физиологических условиях в АТФ запасается энергия 12 ккал/моль. Известно, что при полном окислении глюкозы C₆H₁₂O₆ + 6O₂®6CO₂ + 6H₂O выделяется энергия 686 ккал/моль. Найдите КПД дыхания.

Энергия запасённая при окислении одной молекулы глюкозы в АТФ равна:

38*12=456 ккал/моль, так как только при полном окислении глюкозы выделяется максимум энергии, то КПД дыхания можно выразить как отношение запасённой энергии в АТФ к энергии выделевшейся при окислении молекулы глюкозы напрямую:

456/686=0,6647 или 66,47%.

9.7.

Поясните «парадокс близнецов» специальной теории относительности

Парадокс близнецов — мысленный эксперимент, при помощи которого пытаются «доказать» противоречивость специальной теории относительности. Согласно СТО, с точки зрения «неподвижных» наблюдателей все процессы у двигающихся объектов замедляются. С другой стороны, принцип относительности декларирует равноправие инерциальных систем отсчёта. На основании этого строится рассуждение, приводящее к кажущемуся противоречию. Для наглядности рассматривается история двух братьев-близнецов. Один из них (далее путешественник) отправляется в космический полёт, второй (далее домосед) — остаётся на Земле. Чаще всего «парадокс» формулируется следующим образом:

Формулировка. С точки зрения домоседа часы движущегося путешественника имеют замедленный ход времени, поэтому при возвращении они должны отстать от часов домоседа. С другой стороны, относительно путешественника двигалась Земля, поэтому отстать должны часы домоседа. На самом деле братья равноправны, следовательно, после возвращения их часы должны показывать одно время.

Космический корабль движется со скоростью, составляющей 0,8 скорости света, по направлению к Земле. Определить расстояние, пройденное им в системе отсчета, связанной с Землей, за 0,5 секунды по часам в космическом корабле.

10.7

Исходя из данных, что первичная атмосфера Земли не содержала кислорода, обоснуйте, почему жизнь не могла возникнуть на суше?

Во-первых во время зарождения жизни суши как таковой не было, а если и были отдельные островки посреди бушующего океана, то они были просто глыбами камня омываемые бесконечными кислотными дождями и пронзаемыми грозовыми разрядами. Во-вторых для синтеза сложных молекул и соблюдения граничных условий автокаталитических реакций между ними (что обеспечивает принципиальную возможность перехода от химической эволюции к эволюции живого вещества), важны следующие характеристики воды:

Вода находится в жидком состоянии при температуре, в которой стабильны органические молекулы и их синтез возможен только в водных растворах.

Вода необходима как деполяризующий растворитель для химических реакций, так как она делает возможным гомогенное перемешивание, а имея высокую теплоёмкость, принимает выделяющуюся при реакциях теплоту и предоставляет в распоряжение протоны для катализов.

Высокая удельная теплоемкость воды и особенности характеристики спектрального поглощения водяных паров (при их зна́чимых долях в объёме планетных оболочек) обеспечивают стабилизацию глобальных колебаний температуры и осмотических процессов (локально могут возникать большие различия), что создает предпосылки к планетарно-уравновешенному климату, неблагоприятные изменения которого, вызванные как энтропийными процессами, так и внешними неблагоприятными факторами, могут быть в определённых пределах скомпенсированы жизнедеятельностью самой биоты, изменяющей интенсивность испарения воды и скорость захоронения углерода.

Вода и водяной пар поглощают вредное для макромолекул ультрафиолетовое облучение. Однако оно проникает через замёрзшую воду (лед) до определённой глубины.

Вода, в которой растворены вещества, например, морская вода, образует при вымораживании области разных концентраций веществ, которые окружены мембранами льда. Ограничение от внешней среды и повышенная концентрация веществ считаются необходимыми для образования биологически активных молекул.

Особенность термодинамики воды (при нагревании от 0 до 3,98°С вода сжимается) предотвращает замерзание водоёмов до дна — холодная вода, как менее плотная, остаётся на поверхности и замерзает, а подо льдом сохраняется положительная температура.

энергия излучение реакция волновая фотосинтез

Тест:

1. B.

2. A

3. A

4. ГБАВ

5. A

6. Г

7. 2

8. B

9. B

10. A

Литература:

1. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: учебное пособие для студ. вузов / Дубнищева Т.Я. – 10-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2009. – 608с.

2. Белкин П.Н. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для вузов. – М.: Высш. Шк., 2004. – 335с.

3.  В. П. Титаренко АСТРОНОМИЯУчебное пособиеТомск 2006}

4.  Bonanno, A.; Schlattl, H.; Patern, L. (2002). «The age of the Sun and the relativistic corrections in the EOS» (PDF). Astronomy and Astrophysics 390: 1115—1118

5. Guillemot, H.; Greffoz, V. (Mars 2002). «Ce que sera la fin du monde» (in French). Science et Vie N° 1014

6. Эдвардс Дж., Уокер Д. Фотосинтез C3- и C4-растений: механизмы и регуляция. М., 1986

7.  Рейвн П., Эверт Р., Айкхорн С. Современная ботаника, т. 1. М., 1990