Размещено на http: //www. allbest. ru/

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«Естественнонаучная картина мира»



Содержание

1. Функции современной науки. Отличие науки от других отраслей культуры (или других форм познания)

2. Корпускулярно-волновые свойства света. Представление о квантовании энергии (гипотеза М. Планка, 1900 г.). Квант. Энергия кванта. Постоянная Планка. Дискретная природа света (А. Эйнштейн, 1905г.). Фотон. Энергия, масса и импульс фотона. Понятия «корпускулярные свойства» и «волновые свойства», их основные характеристики

3. Популяционно-видовой уровень организации живого. Основная элементарная структура этого уровня и его элементарное явление. Ввести понятие "популяция». Характеристика популяции. Вид и его характеристика. Системы популяций - биогеоценозы



1. Функции современной науки. Отличие науки от других отраслей культуры (или других форм познания)

Функции современной науки.

Одной из важнейших составляющих культуры общества является наука. Наука -- высшая форма познания, получения объективных и системно организованных и обоснованных знаний о природе, обществе и мышлении. Она доводит до совершенства такие функции культуры, как познавательная, практическая и методологическая.

Науку принято рассматривать:

- как особую систему знаний о природе, обществе и человеке;

- как особый вид деятельности человека, систему научных исследований, направленных на получение новых знаний;

- систему специфических организаций и учреждений.

Научное знание, в отличие от обыденного, имеет своей основной целью изучение сути явления, причин и закономерностей его проявления. Для получения научного знания необходима особая подготовка и использование специфических методов познания. Научное знание отличается строгой определенностью и точностью, в то время как обыденное знание оценивает явления объективной действительности в зависимости от повседневных нужд, специальные познавательные задачи при этом отсутствуют.

Главными целями науки являются: описание, объяснение и предсказание процессов и явлений действительности, то есть в широком смысле ее теоретическое отображение.

Масштабы современной науки неуклонно возрастают, наукой занимаются миллионы людей. Ассигнования на науку в развитых странах ежегодно удваиваются и составляют 10-15 процентов их бюджетов. Количество производимой научной информации также ежегодно увеличивается в 2 раза. Все больше говорят об экономике знаний, а в ряде передовых государств возник вопрос о всеобщем высшем образовании.

Важнейшей особенностью современной науки является ее компьютеризация. В связи с этим принципиально изменились объект и предмет познания. В то время как высокая математизация позволила в свое время развить вероятностное знание о сложных объектах, компьютеризация и кибернетизация науки позволили объяснить и осмыслить сверхсложные явления, исследование которых возможно лишь комплексными методами.

Кроме того, вместе с увеличением разнообразия социальных и природных объектов и методов науки, ведущих к ее дифференциации -- появлению множества новейших научных дисциплин, происходит интенсивный процесс интеграции. Суть данного процесса заключается в объединении в новой науке методологических усилий нескольких дисциплин и возникновении синтетических для исследования пограничных объектов.

Основные функции современной науки:

Индустриальное общество потребовало от науки более тесной связи с производством, ориентации на развитие технических идей. В свою очередь наука получила от производства мощнейший импульс для развития в виде технического оборудования.

Наука и общество. Социальные функции науки.

Без науки в современном обществе невозможна его интеллектуальная и производственная мощь, безопасность государства.

Наука стала важным критерием цивилизованности и культурности народов. Научно-техническое развитие составляет главную тенденцию исторического прогресса на рубеже XX--XXI веков.

На сегодняшний день мы можем сказать, что наука в современном обществе играет важную роль во многих отраслях и сферах жизни людей.

В период становления науки, как особого социального института (а это период кризиса феодализма, зарождения буржуазных общественных отношений) ее влияние обнаруживалось в сфере мировоззрения, где в течение всего этого времени шла острая и упорная борьба между теологией и наукой. Наука впервые оспорила у теологии ее право монопольно определять формирование мировоззрения. (гелиоцентрическая система).

Процесс превращения науки в непосредственную производительную силу впервые был зафиксирован и проанализирован К. Марксом в середине прошлого столетия, когда синтез науки, техники и производства был не столько реальностью, сколько перспективой.

Без науки в современном обществе невозможна его интеллектуальная и производственная мощь, безопасность государства. Наука стала важным критерием цивилизованности и культурности народов. Научно-техническое развитие составляет главную тенденцию исторического прогресса на рубеже XX--XXI веков.

Возрастающая роль науки в общественной жизни породила её особый статус в современной культуре и новые черты её взаимодействия с различными слоями общественного сознания. В этой связи остро ставится проблема особенностей научного познания и его соотношения с другими формами познавательной деятельности (искусством, обыденным сознанием и т. д.).

В качестве главных же критериев выделения функций науки надо взять основные виды деятельности ученых, их круг обязанностей и задач, а также сферы приложения и потребления научного знания. Ниже перечислены одни из главных функций:

1) познавательная функция задана самой сутью науки, главное назначение которой - как раз познание природы, общества и человека, рационально-теоретическое постижение мира, открытие его законов и закономерностей, объяснение самых различных явлений и процессов, осуществление прогностической деятельности, то есть производство нового научного знания;

2) мировоззренческая функция, безусловно, тесно связана с первой, главная цель ее - разработка научного мировоззрения и научной картины мира, исследование рационалистических аспектов отношения человека к миру, обоснование научного миропонимания: ученые призваны разрабатывать мировоззренческие универсалии и ценностные ориентации, хотя, конечно, ведущую роль в этом деле играет философия;

3) производственная, технико-технологическая функция призвана для внедрения в производство нововведений инноваций, новых технологий, форм организации и др. Исследователи говорят и пишут о превращении науки в непосредственную производительную силу общества, о науке как особом "цехе" производства, отнесении ученых к производительным работникам, а все это как раз и характеризует данную функцию науки;

4) сегодня, в условиях научно-технической революции, у науки всё более отчётливо обнаруживается ещё одна концепция, она выступает в качестве социальной силы. Наиболее ярко это проявляется в тех многочисленных в наши дни ситуациях, когда данные и методы науки используются для разработки масштабных планов и программ социального экономического развития. При составлении каждой такой программы, определяющей, как правило, цели деятельности многих предприятий, учреждений и организаций, принципиально необходимо непосредственное участие учёных как носителей специальных знаний и методов из разных областей. Существенно также, что ввиду комплексного характера подобных планов и программ их разработка и осуществление предполагают взаимодействие общественных, естественных и технических наук.

Социальные функции науки.

Наука выполняет в обществе ряд функций. Под функцией науки понимается внешнее проявление ее одного или нескольких существенных свойств. В функциях обнаруживаются возможности и способности науки участвовать в решении кардинальных проблем жизнедеятельности общества, в создании более благоприятных условий и содержания жизни людей, в формировании культуры.

Социальные функции науки исторически изменяются и развиваются, как и сама наука; более того, развитие социальных функций представляет собой важную сторону развития самой науки.

Современная наука во многих отношениях существенно, кардинально отличается от той науки, которая существовала столетие или даже полстолетия назад. Изменился весь ее облик и характер ее взаимосвязей с обществом.

Говоря о современной науке в ее взаимодействии с различными сферами жизни человека и общества, можно выделить три группы выполняемых ею социальных функций. Это, во-первых, функции познавательная и мировоззренческая, во-вторых, функции науки как непосредственной производительной силы, в-третьих, ее функции как социальной силы, в четвертых, культурная функция и другие функции, связанные с тем, что научные знания и методы ныне все шире используются при решении самых разных проблем, возникающих в ходе общественного развития.

Познавательная и мировоззренческая функции науки.

Познавательная функция задана самой сутью науки, главное назначение которой - как раз познание природы, общества и человека, рационально-теоретическое постижение мира, открытие его законов и закономерностей, объяснение самых различных явлений и процессов, осуществление прогностической деятельности, то есть производство нового научного знания;

Мировоззренческая функция, безусловно, тесно связана с познавательной функцией, главная цель ее - разработка научного мировоззрения и научной картины мира, исследование рационалистических аспектов отношения человека к миру, обоснование научного миропонимания: ученые призваны разрабатывать мировоззренческие универсалии и ценностные ориентации, хотя, конечно, ведущую роль в этом деле играет философия. [1]

Отличие науки от других отраслей культуры (или других форм познания).

Следует учитывать различие между естественными и техническими науками, с одной стороны, и фундаментальными и прикладными -- с другой. Фундаментальные науки -- физика, химия, астрономия -- изучают базисные структуры мира, а прикладные -- занимаются применением результатов фундаментальных исследований для решения как познавательных, так и социально-практических задач. В этом смысле все технические науки являются прикладными, но далеко не все прикладные науки относятся к техническим. Такие науки, как физика металлов, физика полупроводников являются теоретическими прикладными дисциплинами, а металловедение, полупроводниковая технология -- практическими прикладными науками.

Однако провести четкую грань между естественными, общественными и техническими науками в принципе нельзя, поскольку имеется целый ряд дисциплин, занимающих промежуточное положение или являющихся комплексными по своей сути. Так, на стыке естественных и общественных наук находится экономическая география, на стыке естественных и технических - бионика, а комплексной междисциплинарной дисциплиной, которая включает и естественные, и общественные, и технические разделы, является социальная экология.

Характерные черты науки

О таком многофункциональном явлении как наука можно сказать, что это: 1) отрасль культуры; 2) способ познания мира; 3) специальный институт (в понятие института здесь входит не только высшее учебное заведение, но и наличие научных обществ, академий, лабораторий, журналов и т.п.).

По каждой из данных номинаций наука соотносится с другими формами, способами, отраслями, институтами. Для того, чтобы эти взаимоотношения прояснить, нужно выявить специфические черты науки, прежде всего те, которые отличают ее от остального. Каковы они?

Наука универсальна - в том смысле, что она сообщает знания, истинные для всего универсума при тех условиях, при которых они добыты человеком.

Наука фрагментальна - в том смысле, что изучает не бытие в целом, а различные фрагменты реальности или ее параметры, а сама делится на отдельные дисциплины. Вообще понятие бытия как философское не приемлемо к науке, представляющей собой частное познание. Каждая наука как таковая есть определенная проекция на мир, как бы прожектор, высвечивающий области, представляющие интерес для ученых в данный момент.

Наука общезначима - в том смысле, что получаемые ею знания пригодны для всех людей, и ее язык - однозначный, поскольку наука стремится как можно более четко фиксировать свои термины, что способствует объединению людей, живущих в самых разных уголках планеты.

Наука обезличенна - в том смысле, что ни индивидуальные особенности ученого, ни его национальность или место проживания никак не представлены в конечных результатах научного познания.

Наука систематична - в том смысле, что она имеет определенную структуру, а не является бессвязным набором частей.

Наука незавершенна - в том смысле, что хотя научное знание безгранично растет, оно все-таки не может достичь абсолютной истины, после которой уже нечего будет исследовать.

Наука преемственна - в том смысле, что новые знания определенным образом и по определенным правилам соотносится со старыми знаниями.

Наука критична - в том смысле, что всегда готова поставить под сомнение и пересмотреть свои даже самые основополагающие результаты.

Наука достоверна - в том смысле, что ее выводы требуют, допускают и проходят проверку по определенным, сформулированным в ней правилам.

Наука внеморальна - в том смысле, что научные истины нейтральны в морально-этическом плане, а нравственные оценки могут относиться либо к деятельности по получению знания (этика ученого требует от него интеллектуальной честности и мужества в процессе поиска истины), либо к деятельности по его применению.

Наука рациональна - в том смысле, что получает знания на основе рациональных процедур и законов логики и доходит до формулирования теорий и их положений, выходящих за рамки эмпирического уровня.

Наука чувственна - в том смысле, что ее результаты требуют эмпирической проверки с использованием восприятия, и только после этого признаются достоверными.

Эти свойства науки образуют шесть диалектических пар, соотносящихся друг с другом: универсальность - фрагментальность, общезначимость - обезличенность, систематичность - незавершенность, преемственность - критичность, достоверность - внеморальность, рациональность - чувственность.

Кроме того, для науки характерны свои особые методу и структура исследований, язык, аппаратура. Всем этим и определяется специфика научного исследования и значения науки.

Отличие науки от других отраслей культуры.

Наука отличается от мифологии тем, что стремится не к объяснению мира в целом, а к формулированию законов развития природы, допускающих эмпирическую проверку.

Наука отличается от мистики тем, что стремится не к слиянию с объектом исследования, а к его теоретическому пониманию и воспроизведению.

Наука отличается от религии тем, что разум и опора на чувственную реальность имеют в ней большее значение, чем вера.

Наука отличается от философии тем, что ее выводы допускают эмпирическую проверку и отвечают не на вопрос “почему?”, а на вопрос “как?”, “каким образом?”

Наука отличается от искусства своей рациональностью, не останавливающейся на уровне образов, а доведение до уровня теорий.

Наука отличается от идеологии тем, что ее истины общезначимы и не зависят от интересов определенных слоев общества.

Наука отличается от техники тем, что нацелена не на использование полученных знаний о мире для его преобразования, а на познание мира.

Наука отличается от обыденного сознания тем, что представляет собой теоретическое освоение действительности. [2]

2. Корпускулярно-волновые свойства света. Представление о квантовании энергии (гипотеза М. Планка, 1900 г.). Квант. Энергия кванта. Постоянная Планка. Дискретная природа света (А. Эйнштейн, 1905г.). Фотон. Энергия, масса и импульс фотона. Понятия «корпускулярные свойства» и «волновые свойства», их основные характеристики

Теория Максвелла, являясь обобщением основных законов электрических и магнитных явлений, не только смогла объяснить уже известные к тому времени экспериментальные факты, что также является важным ее следствием, но и предсказала новые явления. Так, было предсказано существование электромагнитных волн - переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью. В дальнейшем было доказано, что скорость распространения свободного электромагнитного поля (не связанного с зарядами и токами) в вакууме равна скорости света. Данный вывод и теоретическое исследование свойств электромагнитных волн привели Максвелла к созданию электромагнитной теории света, в соответствии с которой свет представляет собой также электромагнитные волны. Электромагнитные волны были впервые обнаружены немецким физиком Г. Герцем (1857-1894), доказавшим, что законы их возбуждения и распространения полностью описываются уравнениями Максвелла.

Согласно современным представлениям электромагнитная природа света - это лишь одна разновидность проявления света. Другая разновидность характеризуется его квантовой природой. Такое двойственное представление природы света сложилось в результате длительного развития теории света.

В конце XVII в. почти одновременно возникли две, казалось бы, взаимоисключающие теории света: И. Ньютон предложил теорию, согласно которой свет представляет собой поток световых частиц (корпускул), летящих от светящегося тела по прямолинейным траекториям;

X. Гюйгенс (1629-1695) выдвинул волновую теорию, рассматривающую свет как упругую волну, распространяющуюся в мировом эфире.

В течение ста с лишним лет корпускулярная теория имела гораздо больше приверженцев, чем волновая. Однако в начале XIX в. французскому физику О.Ж. Френелю (1788-1827) удалось на основе волновых представлений объяснить все известные в то время оптические явления. В результате волновая теория света получила всеобщее признание, а корпускулярная теория была забыта почти на столетие. В 1851 г. французский ученый Ж.Б.Л. Фуко (1819-1868), измерив, скорость света в воде, получил еще одно экспериментальное доказательство справедливости волновой теории.

Первоначально считалось, что свет - это поперечная волна, распространяющаяся в гипотетической упругой среде, будто бы заполняющей все мировое пространство и получившей название мирового эфира. После создания электромагнитной теории на смену упругим световым волнам пришли электромагнитные волны.

В конце XIX - начале XX в. ряд новых опытов заставил вновь вернуться к представлению об особых световых частицах - фотонах. Было установлено, что свет имеет двойственную природу, сочетая в себе как волновые свойства, так и свойства, присущие частицам. В одних явлениях, таких как интерференция, дифракция и поляризация свет ведет себя, как волна, в других (фотоэффект, эффект Комптона) - как поток частиц (фотонов).

Теория Максвелла и ее экспериментальное подтверждение приводят к единой теории электрических, магнитных и оптических явлений, базирующейся на представлении об электромагнитном поле.

Согласно электромагнитной теории Максвелла

c/х = (ем)Ѕ = n,

где с и х - соответственно скорости распространения света в вакууме и в среде с диэлектрической проницаемостью е и магнитной проницаемостью м, п - показатель преломления среды.

Данное соотношение связывает оптические, электрические и магнитные характеристики вещества. Световые волны занимают лишь небольшой интервал шкалы электромагнитных волн. Они охватывают диапазон от 380 до 770 нм (1 нм = 10-9м).

Все окружающее нас пространство пронизано электромагнитным излучением. Солнце, окружающие нас тела, антенны радиостанций и телевизионных передатчиков испускают электромагнитные волны, которые в зависимости от частоты носят разные названия: радиоволны (РВ); инфракрасное излучение (ИК); видимый свет (В); ультрафиолетовое излучение (УФ); рентгеновские лучи (РЛ); гамма-излучение (г).

В отличие от механических волн, которые распространяются в веществе - газе, жидкости или твердом теле, электромагнитные волны могут распространяться и в вакууме.

Объяснить основные законы фотоэффекта на основе электромагнитной теории света не удалось. Эта теория не могла объяснить независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового излучения, существования красной границы фотоэффекта, пропорциональность кинетической энергии фотоэлектронов частоте света.

Электромагнитная теория Максвелла и электронная теория Лоренца, несмотря на свои огромные успехи, были несколько противоречивы, и в процессе их применения возникал ряд затруднений. Обе теории основывались на гипотезе об эфире, только «упругий эфир» был заменен «эфиром электромагнитным» (теория Максвелла) или «неподвижным эфиром» (теория Лоренца). Теория Максвелла не смогла объяснить процессы испускания и поглощения света, фотоэлектрического эффекта, комптоновского рассеяния и т.д. Теория Лоренца в свою очередь не смогла объяснить многие явления, связанные с взаимодействием света с веществом, в частности вопрос о распределении энергии по длинам волн при тепловом излучении абсолютно черного тела.

Перечисленные затруднения и противоречия были преодолены благодаря смелой гипотезе, высказанной в 1900 г. немецким физиком

М. Планком, согласно которой излучение света происходит не непрерывно, а дискретно, т.е. определенными порциями (квантами), энергия которых определяется частотой н

E = h н,

где h - постоянная Планка.

Теория Планка не нуждалась в понятии об эфире и объяснила тепловое излучение абсолютно черного тела.

А. Эйнштейн в 1905 г. создал квантовую теорию света:

не только излучение света, но и его распространение происходят в виде потока световых квантов - фотонов, энергия которых определяется приведенной выше формулой Планка, а импульс

p = h/л,

где л - длина волны.

Наиболее полно квантовые свойства электромагнитных волн проявляются в эффекте Комптона: при рассеянии монохроматического рентгеновского излучения веществом с легкими атомами в составе рассеянного излучения наряду с излучением, характеризующимся первоначальной длиной волны наблюдается излучение с более длинной волной.

Квантовые представления о свете хорошо согласуются с законами излучения и поглощения света, законами взаимодействия излучения с веществом. Такие хорошо изученные явления, как интерференция, дифракция и поляризация света, хорошо объясняются в рамках волновых представлений. Все многообразие изученных свойств и законов распространения света, его взаимодействия с веществом показывает, что свет имеет сложную природу: он представляет собой единство противоположных свойств - корпускулярного (квантового) и волнового (электромагнитного). Длительный путь развития привел к современным представлениям о двойственной корпускулярно-волновой природе света. Приведенные выше выражения связывают корпускулярные характеристики излучения - массу и энергию кванта - с волновыми - частотой колебаний и длиной волны. Таким образом, свет представляет собой единство дискретности и непрерывности.[3]

Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком Г. Герцем и в 1888-1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым. Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 г. К этому времени уже был открыт электрон (1897 г., Дж. Томсон), и стало ясно, что фотоэффект (или точнее - внешний фотоэффект) состоит в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света.

Схема экспериментальной установки для исследования фотоэффекта изображена на рис. 1.

Рисунок 1 Схема экспериментальной установки для изучения фотоэффекта

В экспериментах использовался стеклянный вакуумный баллон с двумя металлическими электродами, поверхность которых была тщательно очищена. К электродам прикладывалось некоторое напряжение U, полярность которого можно было изменять с помощью двойного ключа. Один из электродов (катод K) через кварцевое окошко освещался монохроматическим светом некоторой длины волны л. При неизменном световом потоке снималась зависимость силы фототока I от приложенного напряжения. На рис. 2 изображены типичные кривые такой зависимости, полученные при двух значениях интенсивности светового потока, падающего на катод.



Рисунок 2 Зависимость силы фототока от приложенного напряжения. Кривая 2 соответствует большей интенсивности светового потока. Iн1 и Iн2 - токи насыщения, Uз - запирающий потенциал

Кривые показывают, что при достаточно больших положительных напряжениях на аноде A фототок достигает насыщения, так как все электроны, вырванные светом из катода, достигают анода. Тщательные измерения показали, что ток насыщения Iн прямо пропорционален интенсивности падающего света. Когда напряжение на аноде отрицательно, электрическое поле между катодом и анодом тормозит электроны. Анода могут достичь только те электроны, кинетическая энергия которых превышает |eU|. Если напряжение на аноде меньше, чем -Uз, фототок прекращается. Измеряя Uз, можно определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов:

К удивлению ученых, величина Uз оказалась независящей от интенсивности падающего светового потока. Тщательные измерения показали, что запирающий потенциал линейно возрастает с увеличением частоты н света (рис. 3).



Рисунок 3 Зависимость запирающего потенциала Uз от частоты н падающего света

Многочисленными экспериментаторами были установлены следующие основные закономерности фотоэффекта:

1. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света н и не зависит от его интенсивности.

2. Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, т. е. наименьшая частота нmin, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

3. Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света.

4. Фотоэффект практически безынерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света н > нmin.

Все эти закономерности фотоэффекта в корне противоречили представлениям классической физики о взаимодействии света с веществом. Согласно волновым представлениям при взаимодействии с электромагнитной световой волной электрон должен был бы постепенно накапливать энергию, и потребовалось бы значительное время, зависящее от интенсивности света, чтобы электрон накопил достаточно энергии для того, чтобы вылететь из катода. Как показывают расчеты, это время должно было бы исчисляться минутами или часами. Однако, опыт показывает, что фотоэлектроны появляются немедленно после начала освещения катода. В этой модели также было невозможно понять существование красной границы фотоэффекта. Волновая теория света не могла объяснить независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового потока и пропорциональность максимальной кинетической энергии частоте света.

Таким образом, электромагнитная теория света оказалась неспособной объяснить эти закономерности.

Выход был найден А. Эйнштейном в 1905 г. Теоретическое объяснение наблюдаемых закономерностей фотоэффекта было дано Эйнштейном на основе гипотезы М. Планка о том, что свет излучается и поглощается определенными порциями, причем энергия каждой такой порции определяется формулой E = hн, где h - постоянная Планка. Эйнштейн сделал следующий шаг в развитии квантовых представлений. Он пришел к выводу, что свет имеет прерывистую (дискретную) структуру. Электромагнитная волна состоит из отдельных порций - квантов, впоследствии названных фотонами. При взаимодействии с веществом фотон целиком передает всю свою энергию hн одному электрону. Часть этой энергии электрон может рассеять при столкновениях с атомами вещества. Кроме того, часть энергии электрона затрачивается на преодоление потенциального барьера на границе металл-вакуум. Для этого электрон должен совершить работу выхода A, зависящую от свойств материала катода. Наибольшая кинетическая энергия, которую может иметь вылетевший из катода фотоэлектрон, определяется законом сохранения энергии:



Эту формулу принято называть уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.

С помощью уравнения Эйнштейна можно объяснить все закономерности внешнего фотоэффекта. Из уравнения Эйнштейна следуют линейная зависимость максимальной кинетической энергии от частоты и независимость от интенсивности света, существование красной границы, безынерционность фотоэффекта. Общее число фотоэлектронов, покидающих за 1 с поверхность катода, должно быть пропорционально числу фотонов, падающих за то же время на поверхность. Из этого следует, что ток насыщения должен быть прямо пропорционален интенсивности светового потока.

Как следует из уравнения Эйнштейна, тангенс угла наклона прямой, выражающей зависимость запирающего потенциала Uз от частоты н (рис. 5.2.3), равен отношению постоянной Планка h к заряду электрона e:

Это позволяет экспериментально определить значение постоянной Планка. Такие измерения были выполнены в 1914 г. Р. Милликеном и дали хорошее согласие со значением, найденным Планком. Эти измерения позволили также определить работу выхода A:

где c - скорость света, лкр - длина волны, соответствующая красной границе фотоэффекта. У большинства металлов работа выхода A составляет несколько электрон-вольт (1 эВ = 1,602·10-19 Дж). В квантовой физике электрон-вольт часто используется в качестве энергетической единицы измерения. Значение постоянной Планка, выраженное в электрон-вольтах в секунду, равно

h = 4,136·10-15 эВ·с.

Среди металлов наименьшей работой выхода обладают щелочные элементы. Например, у натрия A = 1,9 эВ, что соответствует красной границе фотоэффекта лкр ? 680 нм. Поэтому соединения щелочных металлов используют для создания катодов в фотоэлементах, предназначенных для регистрации видимого света.

Итак, законы фотоэффекта свидетельствуют, что свет при испускании и поглощении ведет себя подобно потоку частиц, получивших название фотонов или световых квантов.

Энергия фотонов равна

E = hн

Фотон движется в вакууме со скоростью c. Фотон не имеет массы, m = 0.

Из общего соотношения специальной теории относительности, связывающего энергию, импульс и массу любой частицы,

E2 = m2c4 + p2c2

следует, что фотон обладает импульсом

Таким образом, учение о свете, совершив виток длительностью в два столетия, вновь возвратилось к представлениям о световых частицах - корпускулах.

Но это не был механический возврат к корпускулярной теории Ньютона. В начале XX века стало ясно, что свет обладает двойственной природой. При распространении света проявляются его волновые свойства (интерференция, дифракция, поляризация), а при взаимодействии с веществом - корпускулярные (фотоэффект). Эта двойственная природа света получила название корпускулярно-волнового дуализма. Позже двойственная природа была открыта у электронов и других элементарных частиц. Классическая физика не может дать наглядной модели сочетания волновых и корпускулярных свойств у микрообъектов. Движением микрообъектов управляют не законы классической механики Ньютона, а законы квантовой механики. Теория излучения абсолютно черного тела, развитая М. Планком, и квантовая теория фотоэлектрического эффекта Эйнштейна лежат в основании этой современной науки. [4]

Рис. 3 Модель. Фотоэффект



3. Популяционно-видовой уровень организации живого. Основная элементарная структура этого уровня и его элементарное явление. Ввести понятие "популяция». Характеристика популяции. Вид и его характеристика. Системы популяций - биогеоценозы

Особи в природе не абсолютно изолированы друг от друга, а объединены более высоким рангом биологической организации. Это популяционно-видовой уровень. Он возникает там и тогда, где и когда происходит объединение особей в популяции, а популяций в виды.

Популяции характеризуются появлением новых свойств и особенностей в живой природе, отличных от свойств молекулярно-генетического и онтогенетического уровней.

Популяционно-видовой уровень организации живого характеризуется объединением родственных особей в популяции, а популяций - в виды, что приводит к возникновению новых свойств системы.

Основные свойства этого уровня: рождаемость, смертность, выживание, структура (половая, возрастная, экологическая), плотность, численность, функционирование в природе. Основная стратегия популяционно-видового уровня проявляется в более полном использовании возможностей среды обитания, в стремлении к возможно более длительному существованию, в сохранении свойств вида и самостоятельном развитии. [5]

Популяционно-видовой уровень организации живой материи

Строгий и достаточно точный анализ любых явлений материального мира возможен лишь тогда, когда удается вычленить и описать элементарные структурные единицы и протекающие в них и между ними элементарные явления. Наиболее изученным уровнем эволюции является популяционно-видовой.

На этом уровне выделены:

элементарная единица эволюции (популяция);

элементарный эволюционный материал (мутации);

элементарные факторы эволюции (мутационный процесс, поток генов, популяционные волны, изоляция, дрейф генов, гибридизация, естественный отбор).

Элементарное эволюционное явление (изменение генотипического и фенотипического состава популяции).

Популяция - долго существующая группировка особей одного вида, объединенная генофондом, ареалом, панмиксией, эконишей. Популяция есть функциональная единица вида, которая сохраняется как целое, в то время как части ее постоянно замешаются в результате рождения, иммиграции, эмиграции, смерти. Популяция - это биологическая единица. Она входит в состав более сложных систем - биоценозов, экосистем. Популяция выполняет такие функции, как рост, гомеостаз и наиболее полное использование природных ресурсов и территории.

Объединение особей в популяции, а популяций в виды по степени генетического и экологического единства приводит к появлению новых свойств и особенностей в живой природе, отличных от свойств молекулярно-генетического и онтогенетического уровней.

Популяция - элементарная структура на популяционно-видовом уровне, а элементарное явление на этом уровне - изменение генотипического состава популяции; элементарный материал на этом уровне - мутации.

Выделены элементарные факторы, действующие на этом уровне: мутационный процесс, популяционные волны, изоляция и естественный отбор. Каждый из этих факторов может оказать то или иное «давление», т.е. степень количественного воздействия на популяцию, и в зависимости от этого вызывать изменения в генотипическом составе популяции. [6]

Виды живых организмов представлены популяциями. Популяция - достаточно многочисленная совокупность особей одного вида в течение длительного времени населяющих определенную территорию, внутри которой осуществляется свободное скрещивание и которая изолирована от соседних совокупностей особей.

Популяцией в экологии называют группу особей одного вида, находящихся во взаимодействии между собой и совместно населяющих общую территорию. Слово “популяция” от лат. populus - народ, население. Экологическую популяцию, определяют как население одного вида на определенной территории.

В популяциях действуют законы, позволяющие использовать ограниченные ресурсы среды для обеспечения воспроизводства потомства. Достигается это в основном через количественные изменения населения.

Поддержание оптимальной, в данных условиях, численности называют гомеостазом популяции. У каждой популяции можно выделить основные системные атрибуты (характеристики): состав, структуру и функцию.

Таким образом, популяции, как групповые объединения, обладают рядом специфических свойств. Групповые особенности - это основные характеристики популяций. К ним можно отнести:

* численность популяции;

* плотность популяции;

* рождаемость;

* смертность популяции.

Численность популяции - это общее количество особей на данной территории или в данном объеме. Оно никогда не бывает постоянно и зависит от соотношения интенсивности размножения (плодовитости) и смертности. В процессе размножения происходит рост популяции, смертность же приводит к сокращению ее численности.

Плотность популяции- определяется количеством особей (либо биомассой) на единице площади или объема, занимаемого популяцией.

Существует много методов определения численности и плотности популяции, но все их можно объединить в 4 основные группы: метод прямого подсчета, мечения и повторных отловов, выборные и косвенные методы.

Рождаемость - (плодовитость) определяется числом новых особей, появившихся за единицу времени в результате размножения. Низкая плодовитость характерна для тех видов, которые проявляют большую заботу о потомстве. Кроме того, плодовитость зависит от скорости созревания, числа генераций в год, соотношения в популяции самцов и самок, обеспеченности кормом, влияния погодных условии и др. факторов.

Смертность популяции - это количество особей, погибших за определенный период. Различают три типа смертности. Первый характеризуется одинаковостью во всех возрастах; второй- повышенной гибелью особей на ранних стадиях развития; третий тип характеризуется повышенной гибелью взрослых (старых) особей.

Факторы смертности разнообразные. Это в основном: физические условия (низкие и высокие температуры, ливневые осадки, засуха и др.), биологические факторы (отсутствие корма, заболевания, и др.) и антропогенные (загрязнение окружающей среды, вырубка лесов, охота и др.). [7]

Вид -- элементарная структурная единица в системе живых организмов, качественный этап в их эволюции.

Вид -- это совокупность особей, обладающих сходством внутреннего и внешнего строения, биохимических и физиологических функций, свободно скрещивающихся и дающих плодовитое потомство, приспособленных к определенным условиям жизни, обладающих определенным типом взаимоотношений с абиотической (косной) и биотической средой и занимающих в природе определенную область -- ареал.

Виды отличаются друг от друга многими признаками. Характерные для вида признаки и свойства называют критериями. Как видно из определения, среди критериев различают: морфологический, физиологический, цитогенетический, экологический и географический.

Экологический критерий или экологическая характеристика вида - это совокупность факторов внешней среды, в которой существует вид. Среда обитания определяется совокупностью факторов и элементов, воздействующих на вид в месте обитания. В соответствии с известными классификациями экологические факторы делят на биотические и абиотические. С учетом воздействия человека на среду обитания выделяют также группу антропогенных экологических факторов. По мере роста населения и технической вооруженности человечества удельный вес антропогенных экологических факторов постоянно растет. [8]

Основные критерии вида

1. Морфологический критерий вида. Основан на существовании морфологических признаков, характерных для одного вида, но отсутствующих у других видов.

Например: у гадюки обыкновенной ноздря находится в центре носового щитка, а у всех других гадюк (носатая, малоазиатская, степная, кавказская, гюрза) ноздря смещена к краю носового щитка.

В то же время в пределах видов существуют значительные индивидуальные морфологические различия. Например, гадюка обыкновенная представлена множеством цветовых форм (черные, серые, голубоватые, зеленоватые, красноватые и другие оттенки). Эти признаки не могут использоваться для разграничения видов.

2. Географический критерий. Основан на том, что каждый вид занимает определенную территорию (или акваторию) - географический ареал. Например, в Европе одни виды малярийного комара (род Anopheles) населяют Средиземноморье, другие - горы Европы, Северную Европу, Южную Европу.

Однако географический критерий не всегда применим. Ареалы разных видов могут перекрываться, и тогда один вид плавно переходит в другой. В этом случае образуется цепь викарирующих видов (надвид, или серия), границы между которыми часто можно установить только путем специальных исследований (например, чайка серебристая, клуша, западная, калифорнийская).

3. Экологический критерий. Основан на том, что два вида не могут занимать одну экологическую нишу. Следовательно, каждый вид характеризуется своими собственными отношениями со средой обитания.

У видов, характеризующих определенными биотическими связями (паразитических видов, переносчиков заболеваний, комменсалов, симбионтов) широко используется их приуроченность к определенному хозяину. Например, виды-двойники, ранее известные под названием комар малярийный, характеризуются разной пищевой базой: одни виды нападают на млекопитающих, другие - на птиц, третьи - на пресмыкающихся; одни виды переносят малярию (для человека опасен только один вид), а другие - не переносят.

Однако в пределах одного вида разные особи могут занимать разные экологические ниши. Группы таких особей называются экотипами. Например, один экотип сосны обыкновенной населяет болота (сосна болотная), другой - песчаные дюны, третий - выровненные участки боровых террас.

Совокупность экотипов, образующих единую генетическую систему (например, способных скрещиваться между собой с образованием полноценного потомства) часто называется эковидом.

4. Молекулярно-генетический критерий. Основан на степени сходства и различия последовательностей нуклеотидов в нуклеиновых кислотах. Как правило, для оценки степени сходства или различия используются «некодирующие» последовательности ДНК (молекулярно-генетические маркеры). Однако в пределах одного и того же вида существует полиморфизм ДНК, а разные виды могут характеризоваться сходными последовательностями.

5. Физиолого-биохимический критерий. Основан на том, что разные виды могут различаться по аминокислотному составу белков. В то же время в пределах вида существует белковый полиморфизм (например, внутривидовая изменчивость многих ферментов), а разные виды могут иметь сходные белки.

6. Цитогенетический (кариотипический) критерий. Основан на том, что каждый вид характеризуется определенным кариотипом - числом и формой метафазных хромосом. Например, у всех твердых пшениц в диплоидном наборе 28 хромосом, а всех мягких - 42 хромосомы. Однако у разных видов могут быть очень сходные кариотипы: например, у большинства видов семейства кошачьих 2n=38. В то же время, в пределах одного вида может наблюдаться хромосомный полиморфизм. Например, у лосей евразийских подвидов 2n=68, а у лосей североамериканских видов 2n=70 (в кариотипе североамериканских лосей на 2 метацентрика меньше и на 4 акроцентрика больше). У некоторых видов существуют хромосомные расы, например, у черной крысы - 42-хромосомная (Азия, Маврикий), 40-хромосомная (Цейлон) и 38-хромосомная (Океания).

7. Репродуктивный критерий. Основан на том, что особи одного вида могут скрещиваться между собой с образованием плодовитого потомства, похожего на родителей, а особи разных видов, обитающих совместно, не скрещиваются между собой, или их потомство бесплодно.

Однако известно, что в природе часто распространена межвидовая гибридизация: у многих растений (например, ивы), ряда видов рыб, земноводных, птиц и млекопитающих (например, волк и собака). В то же время в пределах одного вида могут существовать группировки, репродуктивно изолированные друг от друга.

8. Этологический критерий. Связан с межвидовыми различиями в поведении у животных. У птиц для распознавания видов широко используется анализ песен. По характеру издаваемых звуков различаются разные виды насекомых. Разные виды североамериканских светляков различаются по частоте и цвету световых вспышек.

9. Исторический (эволюционный) критерий. Основан на изучении истории группы близких видов. Этот критерий носит комплексный характер, поскольку включает сравнительный анализ современных ареалов видов (географический критерий), сравнительный анализ геномов (молекулярно-генетический критерий), сравнительный анализ цитогеномов (цитогенетический критерий) и другие. [9]

Системы популяций - биогеоценозы.

Совокупность всех популяций разных видов, проживающих на общей территории вместе с окружающей их неживой средой, называют экологической системой или экосистемой.

Примерами экосистем могут быть луг, лес, озеро. Академиком Сукачевым для обозначения подобных сообществ был предложен и общепринят термин биогеоценоз. свет фотон популяция биогеоценоз

Биогеоценоз (от греч. Слова биос - жизнь, гео - земля, ценоз - сообщество, составной частью которого является совокупность живых компонентов или биоценоз).

Биогеоценоз - это совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира и мира микроорганизмов, почвы и гидрологических условий), имеющее свою особенную специфику взаимодействия этих слагающих её компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией их между собой и другими явлениями природы, представляющее собой внутренне противоречивое диалептическое единство, находящееся в постоянном движении и развитии.

Другими словами: Биогеоценоз - это комплексы взаимосвязанных видов (популяций разных видов) обитающих на определенной территории с более или менее однородными условиями существованиями.

Растения - главное звено в экосистеме. Основу подавляющего большинства биогеоценоза составляют зеленые растения, которые, как известно, являются производителем органического вещества (продуцентами). А так как в биогеоценозе обязательно присутствуют растительноядные и плотоядные животные - потребители живого органического вещества (консументы) и, наконец, разрушители органических остатков - преимущественно микроорганизмы, которые доводят распад органических веществ до простых минеральных соединений (редуценты), то не трудно догадаться, почему растения являются главным звеном в экосистеме. А потому, что в биогеоценозе все потребляют органические вещества, или соединения, образующиеся после распада органических веществ и ясно, что если растения - главный источник органического вещества исчезнут, то жизнь в биогеоценозе практически исчезнет. [10]

Размещено на Аllbest.ru

...