Порядок и беспорядок в природе
Задание N 14.
Укажите фразу, в которой речь идет о качественном составе сложного вещества.
Варианты ответа:
· В состав природной воды входят различные соли и продукты жизнедеятельности организмов.
· В состав газа водорода входят атомы одного элемента – водорода.
· Вода состоит из атомов водорода и кислорода.
· Газообразный кислород состоит из двухатомных молекул O2.
Решение:
Сложное вещество (соединение) образовано атомами разных химических элементов, а простое вещество – атомами одного элемента. Качественный состав указывает на то, из каких элементов состоит вещество. Сложным веществом является вода, в состав которой входят два разных элемента – водород и кислород.
Задание N 15.
К числу динамических теорий относится та, которая устанавливает связь между …
Варианты ответа:
· волновой функцией частицы и возможными результатами измерения ее местоположения
· температурой и наиболее вероятной скоростью движения молекул
· положением и скоростью материальной точки в различные моменты времени
· результатами, которые спортсмен показывал на тренировках, и его шансами выиграть официальное соревнование
Решение:
Все фундаментальные научные теории можно разделить на два больших класса — динамические и статистические. Динамические теории устанавливают взаимосвязи между значениями физических величин, характеризующих материальный объект. Например, термодинамика говорит, как связаны между собой температура, давление и объем заданного количества газа и позволяет вычислить давление по объему или температуре или, наоборот, температуру по давлению и объему. Статистические же теории позволяют вычислить лишь вероятность того, что та или иная физическая величина, характеризующая систему, примет заданное значение. Зная эти вероятности, можно рассчитать среднее или наиболее вероятное значение этой величины, характерный размах ее отклонений от среднего значения (флуктуаций) и т.д. Статистические теории опираются на математический аппарат теории вероятностей.
Задание N 16.
Принцип дополнительности утверждает, что …
Варианты ответа:
· состояние объекта полностью описывается его волновой функцией, которая, позволяет рассчитать лишь вероятности тех или иных значений характеризующих этот объект физических величин
· принципиально невозможно одновременное и точное измерение дополнительных физических величин, характеризующих объект
· полное представление о свойствах объекта всегда требует знания таких его характеристик, которые невозможно определить одновременно
· полное представление о свойствах объекта возможно только в случае, если его квантовое описание дополняется классическим
Решение:
Размышляя над философским смыслом результатов квантовой теории, Нильс Бор в 1928 г. выдвинул принцип дополнительности, который в первоначальной формулировке гласил: ввиду неотделимости свойств объекта от обстоятельств его взаимодействия с измерительным прибором, результаты, получаемые в разных экспериментах, не могут быть сведены в единую картину, но должны рассматриваться как взаимодополняющие в том смысле, что все они необходимы для исчерпывающего описания объекта. Другими словами, для полного описания объекта всегда требуется такой набор его характеристик, что измерение одних делает невозможным или неточным измерение других.
Принцип дополнительности постепенно был принят большинством физиков и стал одной из основ современной научной картины мира, в которой признается невозможность отделить мир от обозревающего его наблюдателя. Исследование реальности всегда сопровождается ее изменением, а результат исследования зависит от того, как оно выполнялось. Полное представление о свойствах объекта требует взгляда на него с несовместимых точек зрения, подобно тому как стереоскопический эффект требует двух разных изображений одной и той же сцены.
Задание N 17.
Основное предназначение тормозных колодок автомобиля, с точки зрения термодинамики, заключается в …
Варианты ответа:
· превращении механической энергии движения автомобиля в тепловую
· превращении механической энергии движения автомобиля в механическую энергию движения окружающих его тел
· быстром и, по возможности, бесследном уничтожении энергии движения автомобиля
· превращении химической энергии топлива в механическую энергию движения автомобиля
Решение:
Движущийся автомобиль обладает довольно большой механической энергией (кинетической). Если возникает необходимость быстро затормозить (погасить скорость), эту энергию нужно куда-то деть. Просто уничтожить ее невозможно, поскольку энергия подчиняется закону сохранения и не может исчезнуть бесследно (первый закон термодинамики). Единственный выход – быстро трансформировать ее в другие формы энергии, не связанные с механическим движением автомобиля как целого. Проще всего превратить энергию любой формы в самую бросовую, низкокачественную форму – тепловую. Именно этим и занимаются тормозные колодки, с помощью трения трансформируя механическую энергию автомобиля в тепловую энергию колодок, колес и дорожного покрытия
Задание N 18.
К явлениям самоорганизации можно отнести …
Варианты ответа:
· кристаллизацию при охлаждении расплава или испарении раствора
· возникновение пустыни в результате чрезмерно интенсивного землепользования
· формирование циклонов и антициклонов в атмосфере
· соблюдение единых законов на всей территории государства
Решение:
Самоорганизация – самопроизвольное возникновение упорядоченных структур в неравновесных нелинейных системах. Соответственно, сама возникающая структура должна быть неравновесной (диссипативной). Таким образом, важнейшими атрибутами самоорганизации служат: 1) возникновение структур (рост упорядоченности); 2) самопроизвольное (а не в силу внешнего управления) возникновение структур; 3) возникновение именно диссипативных (неравновесных) структур, которые существуют, только пока сквозь них протекают породившие их потоки вещества и энергии.
Задание N 14.
Укажите фразу, в которой речь идет о качественном составе глюкозы, имеющей молекулярную формулу C6H12O6.
Варианты ответа:
· В состав молекулы глюкозы элементы входят в соотношении 6:12:6.
· Глюкоза является веществом питания человека и входит в состав крови.
· Глюкоза хорошо растворяется в воде.
· Молекула глюкозы состоит из атомов углерода, водорода и кислорода.
Решение:
Качественный состав указывает на то, из каких элементов состоит вещество. В состав глюкозы и ее молекулы входят атомы углерода, водорода и кислорода.
Задание N 15.
Согласно концепции механического детерминизма, …
Варианты ответа:
· будущее Вселенной полностью предопределено ее современным состоянием и законами механики
· все процессы в нашем мире всегда происходят в условиях неопределенности и потому не могут быть предсказаны на сколько-нибудь длительный срок вперед
· все особенности социального поведения людей в конечном счете определяются необходимостью удовлетворения их биологических потребностей в пище, отдыхе и размножении
· у каждого события имеется предшествующая ему естественная причина
Решение:
В истории естествознания важную роль сыграло блестяще сформулированное выдающимся математиком и механиком П.С. Лапласом жесткое понимание детерминизма, согласно которому каждая причина влечет за собой единственно возможное следствие. Своего расцвета жесткий детерминизм достиг в механической научной картине мира, согласно которой считалось, что все причинно-следственные связи в мире описываются законами механики, позволяющими по заданному начальному состоянию любой материальной точки точно и однозначно рассчитать ее будущую (или предыдущую) траекторию на сколь угодно продолжительный промежуток времени. Препятствием к этому считалась лишь ограниченность человеческих возможностей по сбору исходной информации и проведению расчетов.
Задание N 16.
Согласно соотношению неопределенностей В. Гейзенберга, …
Варианты ответа:
· невозможно абсолютно точно измерить координату частицы в один момент времени и абсолютно точно измерить ее импульс в другой момент времени
· погрешность измерения координаты частицы невозможно сделать меньше некоторой конечной величины
· невозможно абсолютно точно измерить энергию и импульс частицы в один и тот же момент времени
· невозможно абсолютно точно измерить координату и импульс частицы в один и тот же момент времени
Решение:
Согласно соотношению неопределенностей В. Гейзенберга, произведение погрешностей одновременного измерения координаты и импульса материального объекта не может быть меньше некоторой конечной величины порядка постоянной М. Планка: . Это ограничение не связано с деталями измерительного процесса и носит принципиальный характер, отражая неотделимость измеряемого объекта от взаимодействующего с ним измерительного прибора.
Поскольку импульс объекта равен произведению массы объекта на скорость его движения как целого (), то соотношение неопределенностей
В. Гейзенберга можно переписать в виде неравенства , из которого понятно, что ограничение предельной точности измерений существенно лишь для объектов микромира, у которых масса m очень мала (лишь при этом условии правая часть второго неравенства заметно отличается от нуля).
Задание N 17.
С точки зрения термодинамики, возможно устройство, которое …
Варианты ответа:
· производит полезную работу 10 кДж, сжигая для этого топливо с общей теплотворной способностью 10 кДж
· производит полезную работу 10 кДж, не потребляя энергии
· производит полезную работу 2 кДж, сжигая для этого топливо с общей теплотворной способностью 10 кДж
· производит полезную работу 10 кДж, сжигая для этого топливо с общей теплотворной способностью 2 кДж
Решение:
Основные законы термодинамики – первый и второй – можно сформулировать как утверждения о физической невозможности устройств определенного типа (так называемых вечных двигателей). Например, первый закон термодинамики (закон сохранения энергии) утверждает невозможность вечного двигателя первого рода – гипотетического устройства, которое производило бы работы больше, чем потребляло энергии. Второй же закон термодинамики можно сформулировать как запрет на создание устройства, единственным результатом работы которого было бы превращение энергии одной формы в равное количество энергии более высокого качества, – например полное превращение тепловой энергии в механическую или такое же полное превращение тепловой энергии тела с низкой температурой в тепловую энергию тела с более высокой температурой.
Задание N 14.
Химический элемент – это совокупность атомов одного вида. Все атомы одного химического элемента имеют одинаковое …
Варианты ответа:
· число нуклонов в ядре атома
· массовое число
· зарядовое число атомного ядра
· число нейтронов в ядре атома
Решение:
Принадлежность атома к данному виду определяется зарядом его ядра. Именно заряд ядра атома положен в основу современной формулировки периодического закона. Экспериментально в начале XX века было показано, что заряд ядра совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе. Так был вскрыт глубокий физический смысл порядкового номера элемента, который, как и заряд ядра, является фундаментальной атомной константой. Заряд атомного ядра определяется протонами – ядерными частицами с единичным положительным зарядом, поэтому зарядовое число ядра и порядковый номер элемента в периодической системе совпадают с числом протонов я ядре.
Задание N 15.
Можно рассчитать (предсказать) траекторию …
Варианты ответа:
· распространения радиоволн от передатчика к приемнику
· обращения планеты вокруг Солнца
· движения молекулы воздуха при нормальных атмосферных условиях.
· движения электрона вокруг атомного ядра
Решение:
Траектория – понятие классической механики, означающее линию –совокупность положений материальной точки в различные моменты времени. Чтобы описать траекторию материальной точки, необходимо для каждого момента времени указать положение и скорость последней. Наконец, чтобы предсказать траекторию объекта, необходимо иметь возможность рассматривать его как материальную точку, достаточно точно определять его механическое состояние (координату и скорость) и учитывать воздействие на него со стороны других тел.
Задание N 16.
Принцип дополнительности утверждает, что …
Варианты ответа:
· принципиально невозможно одновременное и точное измерение дополнительных физических величин, характеризующих объект
· состояние объекта полностью описывается его волновой функцией, которая, позволяет рассчитать лишь вероятности тех или иных значений характеризующих этот объект физических величин
· полное представление о свойствах объекта всегда требует знания таких его характеристик, которые невозможно определить одновременно
· полное представление о свойствах объекта возможно только в случае, если его квантовое описание дополняется классическим
Решение:
Размышляя над философским смыслом результатов квантовой теории, Нильс Бор в 1928 г. выдвинул принцип дополнительности, который в первоначальной формулировке гласил: ввиду неотделимости свойств объекта от обстоятельств его взаимодействия с измерительным прибором, результаты, получаемые в разных экспериментах, не могут быть сведены в единую картину, но должны рассматриваться как взаимодополняющие в том смысле, что все они необходимы для исчерпывающего описания объекта. Другими словами, для полного описания объекта всегда требуется такой набор его характеристик, что измерение одних делает невозможным или неточным измерение других.
Принцип дополнительности постепенно был принят большинством физиков и стал одной из основ современной научной картины мира, в которой признается невозможность отделить мир от обозревающего его наблюдателя. Исследование реальности всегда сопровождается ее изменением, а результат исследования зависит от того, как оно выполнялось. Полное представление о свойствах объекта требует взгляда на него с несовместимых точек зрения, подобно тому как стереоскопический эффект требует двух разных изображений одной и той же сцены.
Задание N 18.
Синергетика изучает …
Варианты ответа:
· закономерности самопроизвольного возникновения сложных структур в неравновесных нелинейных системах
· общие закономерности взаимных превращений различных форм энергии
· проблемы устойчивого экологобезопасного развития энергетики
· способы точного прогнозирования отдаленного будущего человечества
Решение:
Синергетика – междисциплинарное направление научных исследований, основным предметом интереса которого служит самоорганизация в системах различной природы и сопровождающие ее явления. В свою очередь, под самоорганизацией понимают самопроизвольное возникновение сложных упорядоченных неравновесных структур (которые называют диссипативными).
Задание N 14.
Молекула представляет собой целостную систему, которая образована в результате …
Варианты ответа:
· электромагнитного взаимодействия электронов и ядер атомов
· сильного ядерного взаимодействия
· гравитационного взаимодействия электронов и ядер атомов
· гравитационного взаимодействия нескольких атомов
Решение:
Молекула представляет собой целостную систему, которая образована в результате электромагнитного взаимодействия ядер и электронов двух и большего числа атомов. Являясь результатом взаимодействия, молекула обладает новыми интегративными свойствами, которые отличают ее от свойств отдельных атомов. Молекула является наименьшей частицей вещества, которая сохраняет его химические свойства. Разрушение молекул происходит в химических процессах, при этом одни вещества превращаются в другие.
Задание N 17.
Одно из основных свойств энтропии заключается в том, что …
Варианты ответа:
· энтропия представляет собой особую характеристику материальных систем, которая не поддается измерению или вычислению
· с ростом энтропии системы растет степень упорядоченности в системе
· энтропия любой системы – это обычная физическая величина, которую можно измерять и вычислять
· энтропия системы служит мерой степени ее изолированности от окружающего мира
Решение:
Основные свойства энтропии таковы.
1) Энтропия – обычная физическая величина, то есть то, что можно объективно измерять и точно вычислять.
2) Энтропия – мера некачественности энергии. Чем больше энтропия системы, тем ниже качество энергетического запаса этой системы, то есть тем меньше его доля, которую можно превратить в полезную работу.
3) Энтропия – мера неупорядоченности системы (особенно на атомно-молекулярном уровне), мера отсутствия в системе структур, неоднородностей.
4) Энтропия любой изолированной (от окружающего мира) системы обязана возрастать или, в лучшем случае (когда система достигла равновесного состояния, в котором ничего уже не происходит), оставаться постоянной. Это одна из формулировок второго закона термодинамики.
Задание N 18.
Чтобы в системе могла происходить самоорганизация, необходимо, чтобы эта система была …
Варианты ответа:
· сильно неравновесной
· равновесной
· слабо неравновесной
· линейной
Решение:
Необходимыми условиями самоорганизации в любой системе служат:
1) неравновесность системы, выражающаяся в протекании через систему потоков вещества, энергии, электрического заряда, денег, товаров, людей, идей и так далее;
2) достижение определенной достаточно высокой степени неравновесности;
3) нелинейность системы, то есть ее способность качественно изменять свое поведение при количественном изменении параметров самой системы или внешнего воздействия на нее.
Задание N 16.
Согласно концепции корпускулярно-волнового дуализма, …
Варианты ответа:
· все материальные объекты можно разбить на два класса – «волны» и «частицы», причем переход из одного класса в другой невозможен
· любой материальный объект обладает свойствами как волны, так и частицы, причем может проявлять и те, и другие свойства одновременно
· любой материальный объект обладает свойствами как волны, так и частицы, но не может проявлять и те, и другие свойства одновременно
· все волны при определенных условиях могут превращаться в частицы, а все частицы могут превращаться в волны
Решение:
В начале XX века было установлено, что многие объекты микромира в одних экспериментах ведут себя подобно частице (материальной точке), движущейся по определенной траектории, а в других – подобно волне, занимающей протяженную область. Обобщением этой наблюдаемой двойственности (дуализма) свойств микрообъектов стала концепция корпускулярно-волнового дуализма, согласно которой вообще любой материальный объект обладает и свойствами частицы (группы частиц), и свойствами волны; а какие из них он проявит, зависит от ситуации, в которую он поставлен. Волновые и корпускулярные свойства объекта не могут проявляться одновременно, в одном и том же эксперименте. Кроме того, наблюдать волновые свойства макроскопических объектов очень трудно, практически невозможно: слишком малыми оказываются соответствующие их движению длины волн.
Задание N 18.
К принципам универсального эволюционизма относится положение о том, что …
Варианты ответа:
· Вселенная возникла конечное время тому назад (около 13,5 млрд. лет) и с тех пор расширяется
· все материальные структуры Вселенной существуют только в процессе постоянного развития, эволюции
· преобладающей тенденцией во всех мировых процессах является тенденция к деградации и росту энтропии
· все современные живые организмы на Земле возникли в ходе длительной биологической эволюции
Решение:
Основные принципы универсального эволюционизма – важнейшей научной исследовательской программы современности:
1. Вселенная не просто существует, но и может существовать лишь в развитии.
2. Развитие Вселенной объяснимо внутренними по отношению к ней факторами, действующими объективно и познаваемыми рационально. Речь идет именно о самоорганизации материи, а не об организации ее некими внешними или сверхъестественными силами.
3. В мире действуют принципы отбора, выделяющие из всех мыслимых состояний некоторое множество допустимых. Отбор действует на всех уровнях: физическом (законы сохранения), химическом, биологическом и социальном.
4. На ход всех процессов во Вселенной неизбежно влияют случайные факторы. Все процессы протекают в условиях некоторого уровня неопределенности.
5. Развитие материальных объектов неизбежно приводит к точкам бифуркации, из которых возможен переход в различные состояния. В этих точках дальнейшая эволюция оказывается принципиально непредсказуемой, поскольку определяется действующими в системе в данный момент случайными флуктуациями. Поэтому настоящее и будущее зависят от прошлого, но не определяются им.
6. Упорядоченные диссипативные структуры, возникшие в результате самоорганизации, в отличие от кристаллов или технических устройств, поддерживают свое существование путем непрерывного самовоспроизводства. Диссипативную структуру, наподобие живой клетки, правильнее рассматривать уже не как структуру, а как устойчивый самоподдерживающийся процесс.
Задание N 17.
Одна из возможных формулировок второго закона термодинамики гласит, что …
Варианты ответа:
· энтропия изолированной системы с течением времени не меняется, что бы в системе ни происходило
· беспорядок в любой открытой системе с течением времени нарастает, а имеющиеся в ней структуры разрушаются
· беспорядок в изолированной от внешнего мира системе неизбежно нарастает, а имеющиеся в ней структуры разрушаются
· энергия изолированной системы с течением времени количественно не меняется, а качественно улучшается
Решение:
В наиболее общей формулировке второй закон термодинамики утверждает, что существует такая физическая величина (энтропия), которая для изолированной системы непрерывно возрастает, пока система не достигнет равновесного состояния с максимально возможной энтропией.
Энтропия системы характеризует степень молекулярного беспорядка в ней: чем выше энтропия, тем ниже упорядоченность системы, тем меньше в ней упорядоченных структур.
Энтропия также характеризует с негативной стороны качество энергии: чем выше энтропия системы, тем ниже качество энергетического запаса системы, тем меньше можно произвести полезной работы за счет этого запаса. Именно поэтому для количественного определения энтропии используются закономерности тепловых процессов: тепловая энергия (то есть энергия беспорядочного движения молекул) обладает самым низким качеством среди всех форм энергии. В определенном смысле тепловая энергия служит эталоном низкокачественности, который позволяет количественно определить меру низкокачественности энергии – энтропию.
Обратите внимание: практически во всех своих многочисленных формулировках второй закон представляет собой утверждения о свойствах изолированной от внешнего мира системы.
Задание N 15.
Частью механической научной картины мира была концепция механического детерминизма, согласно которой любое будущее событие можно точно предсказать с помощью законов механики, если точно знать начальное состояние всех тел и частиц в мире. В современной научной картине мира она отвергнута, поскольку …
Варианты ответа:
· классическая механика, обосновывавшая механический детерминизм, оказалась полностью ошибочной теорией
· оказалось, что точно установить механическое состояние даже одной частицы физически невозможно
· в мире время от времени происходят сверхъестественные события, не объясняемые и не предсказываемые никакой наукой
· оказалось, что точно рассчитать движение всех частиц в мире не под силу никаким компьютерам
Решение:
Механический детерминизм – концепция, согласно которой будущее Вселенной однозначно предопределено ее нынешним состоянием и законами механики, – опирался на математическую теорему, гласящую, что если начальное состояние материальной точки задано (то есть известны ее координаты и скорость для одного и того же момента времени, принимаемого за начальный), то уравнения механики имеют одно и только одно решение, описывающее единственно возможную траекторию будущего движения этой материальной точки. Но в XX веке в квантовой механике выяснилось, что одновременное и точное измерение координат и скорости материального объекта невозможно в принципе! Таким образом, основное предположение, на котором покоилась концепция механического детерминизма, в реальности оказалось невыполнимым.