Критерии выделения различных структурных уровней материи

2. Перечислите основные критерии  для выделения различных структурных  уровней материи.

 

Микромир — мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10~8 до №~[6см, а время жизни от бесконечности до 10 24с. Для характеристики ансамблей частиц микромира (атомов, ионов, молекул), находящихся в переходном состоянии от дискретного к непрерывному (континуальному), Г. Хакеном выделен особый уровень описания объектов, названный мезоскопическим.

Макромир — мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время — в секундах, минутах, часах, годах.

Мегамир — мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов — миллионами и миллиардами лет.

 

Иерархия объектов природы	Уровни организации  материи		Наука		Вид эволюции
Вселенная	Мегамир		Космология		Космическая
Метагалактика	Тоже		Тоже		Тоже
Системы галактик
Галактика			Астрономия
Звездные скопления			Астрофизика
Звезда			Тоже
Планетные системы			Планетология
Планета			Геология		Геологическая
Биосфера	Макромир		Экология		Экологическая
Биогеоценоз (сообщество)	Тоже		Экологическая этология		Биологическая
Вид			Тоже		Тоже
Популяция
Индивид
Физиологические системы			Физиология
Органы			Тоже
Ткани			Гистология
Клетка	Микромир		Цитология
Биомолекулы	Тоже		Молекулярная биология
Физические тела	Макромир		Физика		Физическая
Молекула	Микромир		Химия		Химическая
Иерархия объектов природы		Уровни организации  материи		Наука		Вид эволюции
Атом		Микромир		Физика		Физическая
Ядро атома				Тоже		Тоже
Элементарные частицы
Суперэлементарные частицы (кварки, глюоны, электрон и пр.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. При каких условиях  система может перейти в целостность?

 

Система - есть комплекс элементов, находящихся во взаимодействии.(Л. Берталанффи)

Система - упорядочение взаимодействующие и взаимозависимые компоненты, образующие единое целое (словарь Уэбстера).

Основные инвариантные (постоянно повторяющиеся) значения термина "система":

1. система представляет собой целостный комплекс взаимосвязанных элементов;
2. она образует особое единство со средой;
3. как правило, любая исследуемая система представляет собой элемент системы более высокого порядка;
4. элементы любой исследуемой системы, в свою очередь, обычно выступают как системы более низкого порядка.

Система может  быть понята как целое лишь в сопоставлении с ее окружением - средой.

Открытые и замкнутые  системы (закрытые и изолированные):

• Открытая система - система, которая обменивается со средой энергией и/или веществом.
• В закрытой системе происходит обмен только энергией, обмена веществом нет.
• Изолированная система закрыта для обмена как веществом, так и энергией.

Открытые системы и  гомеостазис (способность к устойчивому равновесному состоянию). Саморегуляция открытых систем - системы с обратной связью (петлей управления); положительная и отрицательная обратная связь. Регуляция типа гомеостазиса или обратной связи широко представлены в зрелом организме, экосистемах, биосфере. Действие принципа Ле Шате-лье-Брауна в открытых системах: при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется.

Противоположность свойств  открытых и замкнутых систем. Замкнутые системы - тенденция перехода от упорядоченного состояния к хаосу.

Развитие открытых систем - переход от менее организованных уровней к более высоким уровням организации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Перечислите фундаментальные  законы физики. В чем заключается  их суть.

Закон – действующее в природе количественное обобщение (подразумевающее измеряемость). Закон представляется математически строгой формулой или уравнением. При формулировке законов физики обязательно используются физические величины. Пример: ускорение тела обратно пропорционально массе тела, a = F / m. (второй закон Нютона)

Закон (теорема) Гаусса: Поток электрического смещения через замкнутую поверхность равняется алгебраической сумме зарядов, окруженных этой повехностью. Все заряды, окруженные данной замкнутой поверностью, участвуют в создании электрического поля на поверхности.

Закон Ампера: сила  F действующая на провод с током пропорциональна силе тока  I в проводе, длине провода  l  и синусу от угла a  между направлением тока и магнитного поля. Итак         F = B I l sin a..

Закон Бугера утверждает, что при поглощении интенсивность света уменьшается в веществе экспоненциально : I = I₀ e^{-k l}_, где I - интенсивность света на расстоянии l  от поверхности, I₀- интенсивность падающего света и k – коэффициент поглощения.

Закон Вина утверждает, что длина волны максимума в спектре излучения абсолютно черного тела обратно пропорциональна абсолютной температуре тела: l_m = b/T. Величина b называется постоянной Вина  b = 2,9 ^. 10 ^–3 м ^.K = 2900 mm^.K.  Чем выше температура тела, тем короче длина волны теплового излучения тела (тем выше энергия кванта теплового излучения).

Закон всемирного тяготения утверждает, что любые два тела взаимодействуют друг с другом силой притяжения, которая пропорциональна  произведению гравитационных зарядов или тяжелых масс обеих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними  F = G  m₁ m₂ / r ². Коэффициент пропорциональности G = 6,67 ^. 10 ^-11 N ^. м² / кг²  называют гравитационной постоянной. Так как все эксперименты, до сих пор четко показали пропорциональность инертной и тяжелой массы, то при создании системы единиц их считают равными. В общей теории относительности равноценность инертной и тяжелой массы является основным посту-латом теории. Если на тело массой m  воздействовать силой тяжести, F_r = m g = G  M m / R² , где М – масса Земли и R  ее радиус, то ускорение силы тяжести (ускорение свободного падения) g = G  M / R².  Численно g = 9,81 м /с².

Закон Гука утверждает, что упругая сила F_e пропорциональна удлинению тела x: F_e = -  k  x. Минус в законе Гука показывает, что упругая сила по направлению противоположна удлинению. Коэффициент пропорциональности k  в законе Гука называется коэффициентом упругости. Коэффициент упругости характеризует тело. Он показывает, какая упругая сила возникает при единичном удлинении тела. Единица коэффициента упругости один ньютон на метр 1 Н/м.

Закон Дальтона утверждает, что давление смеси газов равно сумме компонент парциальных давле-ний. Парциальным называется давление, которое создавалось бы данным газом, если бы другие компоненты в смеси отсутствовали.

Закон Джоуля-Ленца: количество теплоты Q, выделяющееся в проводнике под действием элек-трического тока, пропорциональна квадрату силы тока I, сопротивлению R и длительности тока t: Q = I ² R t.

Закон индукции Фарадея: электродвижущая сила индукции, возникающая в контуре, пропорцио-нальна скорости изменения магнитного потока в контуре. В системе СИ коэффициент пропорциональности выбран равным единице и следовательно                                                                    e_i = - dF /dt.      Знак минус выражает правило Ленца.

Закон Кирхгоффа утверждает, что отношение тепловой излучательной и поглощательной способности тела постоянно при определенной температуре тела и частоте (длине волны) излучения. Эта постоянная называется излучательной способностью абсолютно черного тела.

Закон Кулона аналогичен закону всемирного тяготения, электрический заряд аналогичен тяжелой массе, кулоновский коэффициент пропорциональности  k  аналогичен гравитационной постоянной  G.  Обратно-пропорциональная зависимость обеих сил от квадрата расстояния обусловлена равномерным распределением соответствующего поля на поверхности, в точках которой существует это поле.

Закон Кулона: два точечных заряда действуют друг на друга силой, пропорциональной произ-ведению этих зарядов и обратно-пропорциональной квадрату расстояния между этими зарядами  F = k  q₁ q₂ / r ². Сила направлена вдоль прямой, соединяющей заряды и зависит от вещества, в котором они находятся. Коэффициент пропорциональности  k  в вакууме выражается формулой  k = 1/(4p e₀),  где величину e₀ называют электрической постоянной. При этом  k = 9 ^. 10 ⁹ Н^.м ²/ Кл². Это означает, что на расстоянии один метр между двумя точечными зарядами 1 Кл в вакууме действует сила 9 ^. 10 ⁹ Н.

Закон Мозли утверждает, что частота характеристического рентгеновского излучения пропорци-ональна квадрату зарядового числа Z (порядкового номера в таблице Менделеева) материала анода. Энергия кванта самой интенсивной линии (K_a -линии) характеристического излучения выражается формулой hf = 3/4  R (Z - 1)², где R постоянная Ридберга (13,6 eV).

Закон Ома для полной цепи : I = e /(R + r)  или e = I R + I r, сила тока цепи пропорциональна электродвижущей силе и обратно пропорциональна полному сопротивлению (сумме внешнего R  и внутреннего r  сопротивления).

Закон Ома: сила тока в проводнике пропорциональна напряжению:   I = G U = U /R. Коэффициент пропорциональности  G  называется проводимостью, а её обратное значение – сопротивлением  R  проводника. 

Закон отражения  света утверждает, что падающий луч, отраженный луч и нормаль отражающей поверхности находятся в одной плоскости. Угол отражения b  равен углу падения a. В физике эти углы всегда измеряются относительно нормали поверхности (не самой поверхности!)

Закон полного тока (теорема  Ампера о циркуляции) магнитное напряжение на замкнутой линии (магнито-моторная сила) равно полному току, текущему через поверхность, окруженную этой линией. Все токи текущие через поверхность, участвуют в создании магнитного поля на граничной линии данной поверхности.

Закон преломления света утверждает, что падающий луч, преломленный луч и нормаль поверхности преломляющей среды находятся в одной плоскости. Отношение синуса угла падения a  к синусу угла преломления g  постоянная которая называется показателем преломления второй среды относительно первой (n₂₁). Следовательно sin a / sin g = n₂₁. Показатель преломления вещества относительно вакуума называется абсолютным показателем преломления n этого вещества.

Закон радиоактивного распада:  N(t) = N₀ exp (-p t) = N₀ exp (-t/t) = N₀ 2^-t/T, где N₀ – первоначальное число радиоактивных ядер (в момент времени t = 0),  N(t) – число ядер в момент времени  t,   p – вероятность распада ядра за единицу времени, t =1/p – среднее время жизни ядер данного типа (время, за которое число ядер уменьшается в e раз). T - период полураспада. При этом t  = T / ln 2.

Закон распределения показывает, какая часть из рассматриваемых частиц имеет значение некоторого параметра (скорости, энергии и так далее) в единичном промежутке вокруг данного значения. Законы распределения исследует статистическая физика.

Закон сохранения  механической энергии утверждает, что сумма кинетической и потенциальной энергии постоянна.

Закон сохранения момента импульса утверждает, что момент импульса замкнутой системы остается постоянным.  Произведение момента инерции на угловую скорость - это момент импульса: L = m v r = (m r ²) ^. (v / r)  = I  ^. w . Это действительно и для вращающегося тела как целого. Единица момента импульса один килограмм на метр в квадрате в секунду (кг м²/с).

Закон сохранения электрического заряда гласит, что полный заряд электрически изолированной системы является постоянной величиной. Заряды могут возникать или пропадать лишь попарно (+q  и –q  вместе).

Закон Стефана-Больцманна утверждает, что интегральная излучательная способность абсолютно черного тела пропорциональна абсолютной температуре тела в четвертой степени: K = s T ⁴.  Величина  s  называется постоянной Стефана-Больцманна s = 5,68 ^. 10 ^–8 Вт/(м² K⁴).