Контрольная работа по "Концепции современного естествознания"

     Учение  об электричестве и магнетизме зародилось в древности. Свойство магнита притягивать железные предметы было описано в сочинениях ученых и поэтов древнего мира.

     Первые  известные нам наблюдения магнитных  и электрических явлений связаны с именем философа Фалеса. Фалесу было известно не только свойство магнита притягивать железо; он обнаружил, что янтарь, натертый мехом, притягивает легкие тела. Фалес представлял себе, что в магните есть «душа», и он действует как одушевленный предмет.

     В те времена еще не было высказано  предположений о единой сущности электрических явлений. Древние не связывали действия наэлектризованного янтаря с явлениями молнии. Грекам и египтянам было известно про существование рыб, («электрического сома», «электрического ската»), прикосновение к которым сопровождается сильным сотрясением тела, а иногда и смертью, но никто не видел связи между ударами этих рыб и действием натертого янтаря.

     Китайцами был создан первый компас; индийцы  пользовались магнитом для извлечения железных наконечников стрел из тел раненых. В IV веке н. э. китайские морские суда пользовались компасом при плавании в Индию и в Африку. Ранее упоминание о применении в Европе магнитной стрелки относится к 1181 г. С XIII в. европейские мореплаватели начинают более широко пользоваться компасом.

     В древности делались попытки объяснить магнитные явления, первые опытные исследования магнитных явлений относятся к XIII в. Ученые - англичанин Р. Бэкон, француз П. Перегрин, итальянец Делла Порта установили ряд свойств магнита: существование магнитных полюсов и их взаимодействие; распространение магнитного действия через различные тела (бумагу, дерево); невозможность получения магнита с одним полюсом. П. Перегрин и Делла Порта описали способы изготовления магнитных стрелок; Перегрин (1270г.) снабдил компас градуированной шкалой. Однако попытки этих ученых объяснить причину наблюдаемых явлений не имели успеха вследствие ограниченности научных знаний.

     В течение многих веков магнитные  явления объясняли действием  особой магнитной жидкости. В 20-х годах XIX века Ампер указал на электрическую природу магнетизма. Первое научное сочинение о магнитах было написано врачом Вильямом Гильбертом, одним из основоположников экспериментального метода в естествознании. Гильберт считал причиной действия на магнитную стрелку магнетизм Земли, так как по его мнению Земля большой магнит. Гильберт установил, что при посредстве земного магнетизма можно намагнитить железо. Он доказал, что электрическими свойствами может обладать не только янтарь, так как натиранием можно наэлектризовать многие другие тела: алмаз, серу, смолу и др. Тела он назвал электрическими от греческого слова «электрон», означающего янтарь.

     Гильберт  пришел к ошибочному мнению о том, что некоторые тела, как металлы, наэлектризовать невозможно (пытался наэлектризовать металлы, не изолируя их). Установил, что «степень электрической силы» различна, что влага снижает эффективность электризации тел посредством натирания. При сравнении магнитных и электрических явлений Гильберт пришел к неверному выводу о различной природе этих явлений, продержавшемуся в науке 200 лет.

     Господство  механистических взглядов, характерное  для науки рассматриваемого периода, укрепило представление о том, что  электрические явления обусловлены  присутствием особой электрической  жидкости, занявшей место в одном ряду с «теплородом» и «светотвором».

     Наиболее  распространенной в то время теорией, объяснявшей электрическое притяжение, была теория «истечений»

     Исследования, проведенные в Англии показали, что некоторые вещества ведут себя как изоляторы. Французский ученый Шарль Дюфе установил, что существуют две разновидности электрических зарядов; теперь мы называем их положительными и отрицательными.

     В XVIII-XIX веках природа электричества прояснилась после экспериментов Франклина и Фарадея. Выяснилось, что электрические заряды одного знака отталкиваются, а заряды противоположных знаков притягиваются, и в том и другом случае электрические силы ослабевают с расстоянием в соответствии с законом “обратных квадратов”, который Ньютон вывел ранее для гравитации.

     Шаг в познании электромагнетизма сделал в 50-х годах XIX веке Джеймс Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в единой системе уравнений теории электромагнетизма - первой единой теории поля невидимого воздействия, создаваемого материей, простирающегося далеко в пространство и способного влиять на электрически заряженные частицы, электрические токи и магниты. В 1864 году Дж. К. Максвелл опубликовал первые из основных уравнений «классической электродинамики», описывающие эволюцию электромагнитного поля и его взаимодействие с зарядами и токами. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Задание 5. Какие гипотезы и постулаты лежат в основе

квантовой механики?

     В основе идеи квантовой механики лежит  представление о двойственности природы света. Если в классической тории электрону приписывают только корпускулярные свойства, а свет рассматривают как электромагнитную волну, то в квантовой механике электрон обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами.

     Разногласия классической и квантовой теорий:

     1) Фотоэффект, эффект Комптона. Фотоэффект бывает внутренний и внешний: внешний фотоэффект – вырывание электронов с поверхности твердых и жидких тел в результате действия света;

     2) Устойчивость атомов. С позиции  классической физики электрон, вращающийся  вокруг атомного ядра, должен  непрерывно испускать энергию, терять скорость и падать на ядро. Т.е. стационарное состояние планетарной модели атома невозможно (частота обращения должна постоянно меняться), а совокупность атомов должна давать непрерывный спектр излучения.

     Основное уравнение квантовой механики - уравнение Шрёдингера, математический аппарат - теория матриц, теория групп, операторы, теория вероятностей. Основное уравнение квантовой механики было сформулировано в 1926 году. Уравнение Шредингера, как и многое уравнения физики, не выводятся, а постулируются. Правильность уравнения Шредингера подтверждается согласием с опытом получаемых с его помощью результатов, что в свою очередь придаёт ему характер закона природы.

     История квантовой механики началась с открытия в 1838 году катодных лучей Майклом Фарадеем. Дальнейшая формулировка в 1859 году задачи об излучении абсолютно чёрного тела Густавом Кирхгофом; предположения в 1877 году Людвигом Больцманом, о том, что энергетические состояния физической системы могут быть дискретными; формулировки в 1900 году квантовой гипотезы Максом Планком о том, что любая энергия поглощается или испускается только порциями, которые состоят из целого числа квантов с энергией, эта энергия пропорциональна частоте с коэффициентом пропорциональности: h - постоянная Планка.

     В 1900 году Макс Планк высказал гипотезу: «Излучение и поглощение энергии  материей происходит не непрерывно, а  отдельными порциями – квантами». Величина каждого кванта E0=hn.

     Планк настаивал, что это предположение  умозрительно и не относится к физической реальности энергии, в 1905 году для объяснения фотоэффекта Альберт Эйнштейн постулировал на основе квантовой гипотезы Планка, что свет сам по себе состоит из квантов, которые впоследствии назвали фотонами (1926 год). От простого постулирования Эйнштейна возникла новая область физики: квантовая физика.

     Математический  аппарат нерелятивистской квантовой  механики строится на следующих положениях:

     Состояния системы описываются ненулевыми векторами ш комплексного сепарабельного гильбертова пространства H, причем векторы ш1 и ш2 описывают одно и то же состояние тогда и только тогда, когда ш2 = cш1, где c - произвольное комплексное число. Каждой наблюдаемой однозначно сопоставляется линейный эрмитов оператор.

     Наблюдаемые одновременно измеримы тогда и только тогда, когда соответствующие им эрмитовы операторы коммутируют.

     Каждому вектору из пространства H отвечает некоторое состояние системы, любой  линейный эрмитов оператор соответствует  некоторой наблюдаемой.

     Эти положения позволяют создать  математический аппарат, пригодный для описания широкого спектра задач в квантовой механике. 
 
 
 
 

Задание 6. Укажите основные стехиометрические законы 

     В химии используются следующие стехиометрические  законы: закон сохранения массы, закон  постоянства состава вещества, закон эквивалентов, закон кратных отношений.

     Закон сохранения массы.

     Масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.

     В химической реакции число взаимодействующих  атомов остается неизменным, происходит только их перегруппировка с разрушением исходных веществ. Взаимодействие водорода и кислорода с образованием воды может быть записано с помощью уравнения химической реакции.   Коэффициенты перед формулами химических соединений называются стехиометрическими.

     Закон постоянства состава.

     Всякое  химически чистое соединение независимо от способа его получения имеет  вполне определенный постоянный состав.

C + O2 = CO2, CO + 1/2O2 = CO2

     Такие соединения называют дальтонидами или  стехиометрическими в отличие от бертолидов, состав которых зависит от способа получения. Такие соединения состоят не из молекул, а из атомов или ионов.

     Закон эквивалентов. Химические элементы соединяются друг с другом в строго определенных количествах, соответствующих их эквивалентам.

     Закон кратных отношений.

     Если  два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то на одну и ту же массу одного из них  приходятся такие массы другого, которые относятся между собой  как простые целые числа.

     При взаимодействии азота с кислородом образуются пять оксидов. На 1 грамм азота в образующихся молекулах приходится 0,57, 1,14, 1,71, 2,28, 2,85 грамм кислорода, что соответствует отношением 2:1, 1:1, 2:3, 1:2, 2:5 в этих оксидах; их составы N2O, NO, N2O3, NO2, N2O5.

     Закон простых объемных отношений (Ж. Гей-Люссак)

     При равных условиях объемы вступающих в  реакцию газов относятся друг к другу и к объемам образующихся газообразных продуктов, как небольшие  целые числа.

     Так, в реакции образования аммиака  из простых веществ отношение  объемов водорода, азота и аммиака составляет 3 : 1 : 2.

     Закон Авогадро

     В равных объемах любых газов, взятых при одинаковых условиях, содержится одинаковое число молекул.

     Из  закона Авогадро вытекают два следствия:

     Одинаковое  количество молекул любых газов  при одинаковых условиях занимают одинаковый объем.

       Относительная плотность одного  газа по другому равна отношению  их молярных масс.

     Число Авогадро – число частиц в моле любого вещества; NA = 6,02∙1023 моль–1.

     Молярный  объем – объем моля любого газа при нормальных условиях(температура 273 К, давление 101,3 кПа); равен 22,4 л∙моль–1.

     Молярная  масса (M) – масса одного моля вещества, численно совпадающая с относительными массами атомов, ионов, молекул, радикалов  и других частиц, выраженных в г моль – 1. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Задание 7. В чем заключается явления катализа?

     Катализ (от греческого -  восходит - разрушение) - явление изменения скорости химической или биохимической реакции в присутствии веществ, количество и состояние которых в ходе реакции не изменяются (катализаторов).

     Термин  «катализ» был введён в 1835 году шведским учёным Йёнсом Якобом Берцелиусом.

     Явление катализа распространено в природе (большинство процессов являются каталитическими) и используется в технике (в нефтепереработке и нефтехимии, в производстве серной кислоты, аммиака, азотной кислоты). Большая часть всех промышленных реакций - это каталитические.