Общая теория относительности (сокращенно – ОТО).

После опубликования специальной теории относительностив 1905 г. А. Эйнштейн обратился к современному представлению тяготения.

В 1916 г. А. Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности (ОТО), которая с современных позиций объясняет теорию тяготения (гравитация способна «искривлять» время и пространство). Она основывается на двух постулатах специальной теории относительности и формулирует третий постулат – принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс, количественное равенство которых давно было установлено в классической механике.

Эта теория установила единство, взаимосвязь и взаимообусловленность пространства, времени и тяготения – одного из фундаментальных взаимодействий в природе. В ОТО Эйнштейн расширяет принцип относительности, распространяя его на неинерциальные системы.

Важнейшим выводом ОТО является положение об изменении геометрических (пространственных) и временных характеристик в гравитационных полях (а не только при движении с большими скоростями).

В общей теории относительности (ОТО) классическая механика Ньютона является предельным частным случаем и справедлива для движения в относительно слабых гравитационных полях.

ОТО – современная теория тяготения, связывающая его с кривизной четырехмерного пространства-времени.В природе нет гравитационно-нейтральных тел. Поэтому любой эталон прямой, например, луч света, не обладает в поле тяготения свойствами прямой линии. Таким образом, в гравитационном поле нет объектов, которые можно было бы, как в евклидовой геометрии, отождествить с прямыми.

– Согласно общей теории относительности, пространство и время искривляются и деформируются, передавая… действие силы тяжести.

– Эмпирическим доказательством ОТО является: а) отклонение световых лучей вблизи Солнца;...б) замедление хода времени в сильных гравитационных полях (напр., даже тяготение Солнца – довольно небольшой звезды по космическим меркам – влияет на темп протекания времени, замедляя его вблизи себя)… в) смещение перигелиев планетных орбит.

– Распространение принципа относительности на неинерциальные системы отсчета – это… общая теория относительности.

– Ускоренное движение неотличимо никакими измерениями от покоя в гравитационном поле. Это – … принцип эквивалентности (общая теория относительности): законы физики в действительности идентичны для всех наблюдателей, даже для тех, которые находятся в состоянии сложного ускоренного движения.

Современная теория тяготения, связывающая его с кривизной 4-х мерного пространства-времени – это … общая теория относительности.

– Соответствие ОТО и классической механики: их предсказания совпадают в слабых гравитационных полях.

 

Законы термодинамики. Представления об энтропии.

Термодинамика – наука о наиболее общих свойствах макроскопических тел и систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и о процессах перехода из одного состояния в другое.

– Смысл первого закона термодинамики: … 1) энергия может только переходить из одной формы в другую, но не может возникать или исчезать; …2) энтропия может только переходить из одной формы в другую, но не может возникать или исчезать.

Круговым процессом (циклом) называется такой процесс, при котором система проходит через ряд состояний и возвращается в исходное состояние.

– Второе начало термодинамики (определение Р. Клаузиса): «невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому» (1850 г.). Постулат Томсона (Кельвина): о невозможности построения вечного двигателя второго рода, то есть двигателя, полностью превращающего теплоту в работу (из всей теплоты, полученной от источника тепла с высокой температурой – теплоотдатчика, только часть может быть превращена в работу. Остальная часть должна быть отведена в теплоприемник с относительно низкой температурой).
– Второе начало термодинамики вводит в рассмотрение функцию состояния – энтропию (от греч. – «превращение»). Термин ввел Р. Клаузис.

– Третье начало термодинамики, или тепловая теория Нернтса: «энтропия всех тел в состоянии равновесия стремятся к нулю по мере приближения температуры к нулю по шкале Кельвина.

– При повышении температуры растет скорость различных видов движения частиц. Энтропия вещества растет.

– При переходе вещества из твердого состояния в жидкое увеличивается неупорядоченность частиц и соответственно энтропия.

– Особенно резко растет неупорядоченность и соответственно энтропия при переходе вещества из жидкого состояния в газообразную.

– Энтропия увеличивается при превращении кристаллического вещества в аморфное. Чем выше твердость вещества, тем меньше его энтропия.

– Увеличение атомов в молекуле и усложнение молекул ведет к увеличению энтропии.

Информационная энтропия служит мерой неопределенности сообщений.

Живой организм с точки зрения протекающих в нем физико-химических процессов можно рассматривать как сложную открытую систему, находящуюся в неравновесном состоянии. Для живых организмов характерна сбалансированность процессов обмена, ведущих к уменьшению энтропии. Им свойственны и другие сложные процессы саморегуляции.

 

Структурные уровни и системная организация материи.

Микро-, макро-, мегамиры.

– Соответствие между структурным уровнем Вселенной и основными закономерностями движения объектов в нём: 1) мегамир – А. (закономерности специальной и общей теории относительности); 2 ) макромир – В. (законы классической механики и электродинамики);

3 ) микромир – С. (законы квантовой механики и электродинамики).

– Соответствие между объектом и структурным уровнем материи, к которому он принадлежит: 1) Галактика … А. мегамир; 2) океан…В. макромир; атом…С. микромир.

Мегамир.

– Космология – это область науки, в которой изучаются Вселенная как единое целое и космические системы как её части. В античной философии космология совпадала с учением о природе.

– Космогония (от греч. – происхождение мира)– наука о происхождении и развитии космических тел и их систем.

– Основные методы звёздной космогонии: а) построение теоретических моделей строения и эволюции звёзд; б) наблюдение большого числа звёзд, находящихся на разных стадиях эволюции.

– Антропный принцип – учение, объясняющее наблюдаемые свойства Вселенной тем, что при других свойствах возникновение жизни было бы маловероятно, и, следовательно, не было бы наблюдателей, способных увидеть эти отличия.

– Глобальный эволюционизм – концепция развития Вселенной как развивающегося во времени природного целого. При этом вся история Вселенной, начиная от Большого взрыва и заканчивая возникновением человечества, рассматривается как единый процесс, глее космический, химический, биологический и социальные типы эволюции преемственно и генетически взаимосвязаны.

Большой взрыв. Принятая в настоящее время теория, суть которой состоит в том, что расширяющаяся Вселенная родилась около 15 млрд. лет назад из состояния с огромной энергией, плотностью и степенью сжатия.

Большое сжатие. Гипотеза о том, что в будущем расширение Вселенной прекратится, сменится сжатием и закончится коллапсом всего пространства и всей материи; полнятие, противоположное понятию Большого взрыва.

Вселенна я – упорядоченная система отдельных взаимосвязанных элементов разного порядка. Это небесные тела (звезды, планеты, спутники, астероиды, кометы), планетные системы звезд, звездные скопления, галактики.

Планеты – холодные небесные тела, которые обращаются вокруг звезды.

Спутники (планет) – холодные небесные тела, которые обращаются вокруг планет. Например: Солнце – это звезда. Земля – это планета Луна – это спутник Земли.

Планетная система – небесные тела, находящиеся в зоне существенного действия силы тяготения звезды. Например: Солнечная система (или планетная система) – совокупность небесных тел – планет, их спутников, астероидов, комет, обращающихся вокруг Солнца под действием силы его тяготения.

Астероиды (или малые планеты) – небольшие холодные небесные тела, входячщие в состав Солнечной системы. Имеют диаметр от 800 км. до 1 км. и менее, обращаются вокруг Солнца по тем же законам, по которым движутся и большие планеты.

Кометы – небесные тела, входящие в состав Солнечной системы. Имеют вид туманных пятнышек с ярким сгустком в центре – ядром. Ядра комет маленькие размеры – несколько километров.

Звёзды – гигантские раскаленные самосветящиеся небесные тела.

– Процессы, обеспечивающие свечение звезд:.. а) гравитационное сжатие; … б) термоядерный синтез;… в) охлаждение горячих недр.

– Основные характеристики звёзд: а) Спектр излучения… б) температура поверхности …в) светимость…г) размер…д) масса.

– Основные этапы эволюции звезды: Гравитационное сжатие (протозвезда) – термоядерное «горение» водорода (звезда главной последовательности) – потеря устойчивости после исчерпания запасов водорода в центре звезды (раздувание и сбрасывание внешних слоев, гравитационный коллапс, вспышка Сверхновой звезды).

– Конечные стадии эволюции звёзд: белые карлики, нейтронные звёзды, черные дыры.

Галактика – гигантская звездная система, насчитывающая более 100 млрд. звезд, обращающихся вокруг её центра.

Звёздные скопления – группы звезд, разделенные между собой меньшим расстоянием, чем обычные межзвездные расстояния.

Метагалактика – грандиозная совокупность отдельных галактик и скоплений галактик.

 

– Основные структуры мегамира: планеты, звёзды, галактики.

– Единицы измерения расстояний в мегамире: астрономическая единица (в Солнечной системе. 1 а. е.= расстояние от Земли до Солнца (150 млн. км.; расстояние от Солнца до Плутона = 40 а. е .); световой год – расстояние, которое световой луч, движущийся со скоростью 300 тыс. км./сек., проходит за 1 год; 1 а. е. = 8,3 световой минуты; парсек (1 пк) – используется для измерения расстояний внутри звёздных систем и между ними. 1 парсек = 3,3 световых года.

– правильная последовательность (от меньшего к большему) в структурной иерархии микромира:…1. Элементарные частицы – 2. Ядра атомов…3) Атомы…4)молекулы.

– Закон Хаббла (1929) г.):.. «все галактики во Вселенной удаляются друг от друга со скоростью, прямо пропорциональной расстоянию между ними». (Это открытие явилось наблюдательным подтверждением модели расширяющейся Вселенной).

– Эффект Доплера... Определение скорости удаления галактик в астрономических наблюдениях основано на эффекте Доплера и измерении красного смещения всех линий в спектре излучения объекта. Суть эффекта Доплера: зависимость частоты волнового импульса при движении источника волн относительно наблюдателя (это явление иллюстрирует изменение звука предупреждающего сигнала проходящего мимо поезда. Эффект Доплера можно не только «услышать», но и «увидеть» периодически погружая в воду и равномерно перемещая его в одном направлении. Следуя друг за другом, гребни волн будут сгущаться в направлении движения пальца и становиться более разреженными с другой стороны. Таким образом, длина волны в направлении вперед станет меньше, в направлении назад – больше обычной. Эффект Доплера имеет место для всех типов волн: звуковых в атмосфере, упругих в твердом теле, световых волн и волн на воде.

– Вселенная однородна, поскольку она имеет одинаковые свойства во всех точках.

– Возраст Вселенной исчисляется с момента Большого взрыва.

– Наша Галактика имеет …спиральную…форму.

– Квазары – это мощные источники радиоизлучения во Вселенной.

– Звезды состоят преимущественно из водорода и гелия.

– Внешняя часть Солнца состоит из фотосферы, хромосферы и короны.

-– Критерий подразделения: соизмеримость с человеком (макромир) и несоизмеримость с ним (микро- и мегамир).

Стероиды – малые планеты, входящие в Солнечную систему.

– Диаметр Венеры – 12100 км. (95% диаметра Солнца) Масса 81,5% массы Земли.

Макромир

Планета Земля.

Земля – не идеальный шар, она сплюснута у полюсов и расширена к экватору. Такое геометрическое тело называется сфероидом, или эллипсоидом вращения. В. И. Вернадский назвал такую форму геоидом. Геоид – это фигура, поверхность которой всюду перпендикулярна направлению силы тяжести.

– Путь Земли вокруг Солнца – земная орбита – имеет форму эллипса.

– Земля состоит из земной коры, мантии и ядра.

– Литосфера – твердая оболочка Земли, включающую земную кору и верхнюю часть мантии. Слой земной коры состоит из горных пород и минералов (толщина от 10 до 70 км.)

– Мантия Земли располагается под земной корой, ближе к центру Земли (толщина до 3000 км.). Внутри мантии на глубине 100-250 км находится слой повышенной пластичности вещества – астеносфера. Мантия состоит из магния, железа и кремния.

– Ядро Земли. Радиус – 3500 км и температура = 4000 градусов по Цельсию

– На глубине 1 км. Подземные воды могут находиться и в твердом, и в жидком состоянии.

- На высоте 10 км. над поверхностью Земли воздух состоит из азота и кислорода.

– Мировой океан включает в себя все моря и океаны.

– В водах Мирового океана среднее содержание солей от общей массы воды составляет 3,5%.

– Месторождения нефти и газа связаны с тектоническими структурами равнин.

– Известняк под влиянием повышенного давления и высокой температуры превращается в мрамор.

В составе Земли преобладают (как по массе, так и по числу атомов): железо, кислород, кремний и магний. В сумме они составляют более 90% массы Земли. Земная кора почти наполовину состоит из кислорода и более чем на четверть из кремния. Значительная доля алюминия, магния, кальция, натрия и кальция. Кислород, кремний, алюминий дают наиболее распространенные в коре соединения – кремнезём и глинозём. Мантия состоит в основном из тяжелых минералов, богатых магнием и железом. Они образуют силикаты.

, Процессы, совершающиеся в недрах на поверхности Земли: 1) внутренние, или эндогенные процессы, движущим началом которых является внутренняя энергия Земли (главным образом энергия радиоактивного начала); свойственны глубинным геосферам. Глубинные эндогенные процессы воздействуют на земную кору, вызывая вертикальные и горизонтальные перемещения отдельных её участков и блоков (движения земной коры), деформацию и преобразование внутренней структуры земной коры. Все эти процессы называются тектоническими, а область их проявления, охватывающая, кроме земной коры, по меньшей мере и верхнюю мантию, – тектоносферой. 2) Вторую группу составляют внешние, или экзогенны е процессы, процессы, порождаемые поступающей на Землю энергией солнечного излучения.

Вода

– Способность воды растворять ионные вещества и тем самым обеспечивать жизнедеятельность клетки обусловлено тем, что … молекулы воды сильно полярны.

– Свойства молекул воды отличаются от свойств атомов водорода и кислорода.

– Значительная прочность связей между молекулами в жидкой воде обусловлена электрической полярностью, являющейся результатом специфического распределения электронов в атомах водорода и кислороа.

- Характерное расположение электронов в молекуле воды придаёт ей электрическую асимметрию – каждый из двух атомов водорода обладает частичным положительным зарядом, атом кислорода несет частичный отрицательный заряд.

– Молекула воды хотя и не имеет суммарного заряда, но представляет собой электрический диполь, подобный магниту. Благодаря дипольному моменту, молекулы воды взаимодействуют друг с другом сильнее, чем у других веществ.

– Связи притяжения между молекулами воды определяются в основном их полярной природой. Этот тип электростатического взаимодействия называют водородной связью.

– Наличием водородных связей между молекуламси воды объясняются её необычные физические свойства: максимальная плотность при температуре 4 градуса по Цельсию, высокая температура кипения, большие: теплоёмкость, теплота испарения и поверхностное натяжение.

– Полярность и способность к образованию водородных связей делают воду великолепным растворителем полярных и нейтральных молекул.

 

Микромир