Экзаменационные вопросы по естествознанию физика (стр. 5 из 13)
Симметрия широко распространена в природе, особенно в кристаллах и в биологии, широко используется в искусстве и в архитектуре.
В физике предполагается, что раз пространство изотропное, то все явления должны иметь в природе свое зеркальное отражение, т. е. иметь симметричное состояние. Симметричных тел много, например, почти все живые организмы, многие кристаллы и пр.
На самом деле в природе симметрия наблюдается далеко не во всех процессах и явлениях. Право и левовинтовое движения представлены неодинаково, если материя представлена в природе широко, то антиматерия практически вообще не представлена. Это объясняется прежде всего тем, что основной частицей микромира является протон, в котором винтовое движение имеет определенный знак, и однажды возникшее винтовое движение непрерывно порождает движение того же знака. Электроны имеют противоположный знак винтового движения, но их масса в 1850 раз меньше, чем протона. Поэтому хотя собственно пространство и симметрично, природа несимметрична.
Чтобы симметрия созданий природы не вступала в конфликт с симметрией сил земного тяготения, ось тела любых организмов, которые обречены всю жизнь стоять неподвижно, расти вертикально вверх, должна обязательно приобрести лучевую симметрию, организмы, передвигающиеся параллельно поверхности Земли должны иметь двустороннюю зеркальную симметрию.
Безусловно, симметрия живых организмов не абсолютна, например, расположение органов во многом не симметрично. Однако все, что касается органов движения — ног, крыльев симметрия выполняется достаточно строго.
Принципы симметрии в равной мере распространяются и на творение рук человека. Окружающие нас предметы чаще всего имеют радиальную или билатеральную (зеркальную) симметрию, и это придает им дополнительную надежность и простоту а обращении.
К своеобразной симметрии (асимметричной симметрии) относится “Золотое сечение” или “Божественная пропорция”. Золотым сечением (божественной пропорцией) называют такое деление отрезка на две части, при котором большая часть относится к меньшей как весь отрезок относится к большей части. Пифагор был первым, кто обратил внимание на замечательные свойства золотого сечения.
Пусть точка С делит отрезок АВ на две части а и Ь так, что отношение отрезков образует с длиной всей линии такую пропорцию:
. (14)Если обозначить отношение а/Ь = x, то уравнение перепишется в виде:
или x2 - x -1 =0 (15)Отсюда находим:
(16)Приближенные значения корней таковы:
x1 =. 1,61803398875.... x2, = -0,61803398875...
В 1509 г., то есть примерно через две тысячи лет после Пифагора, итальянец Фра Лука Пачиоли (1445-1509) опубликовал книгу “О божественной пропорции”. Рисунки к этой книге выполнил знаменитый друг Пачиоли Леонардо да Винчи. Ему же, кстати, принадлежит и термин “Золотое сечение”. Рассмотрим некоторые свойства этой удивительной пропорции.
Обозначим х1 = Ф. Тогда х2 = -Ф-1. Пачиоли доказал, что последовательность чисел вида Ф-1, Ф0 , Ф1, Ф2... является геометрической прогрессией.. Число Ф не менее замечательно, чем числа p и е. О нем после Пифагора писали Платон, Поликлет, Евклид, Витрувий и многие другие. В новое время золотым сечение интересовались многие именитые художники, скульпторы, архитекторы. Вызвано это тем, что всюду, где присутствует “золотое” число Ф, живые формы и произведения архитектуры приятны для глаз, отличаются явной гармоничностью и красотой.
Золотое сечение можно встретить в пропорциях человеческого тела и в расположении листьев на ветках. Присмотритесь к деревьям — между двумя парами листьев третий лист находится в точке золотого сечения. Длина главной балки (архитрава) знаменитого Парфенона относится к высоте здания, как 1/0,618. Подобные соотношения давно найдены в таких шедеврах архитектуры, как церковь на Нерли или храм Вознесения в Коломенском. В музыке также есть следы вездесущего золотого сечения. Так благозвучные интервалы и аккорды (консонансы) имеют соотношение частот близкое к Ф. Кульминация мелодии часто приходится на точку золотого сечения ее обшей продолжительности.
Пулковский астроном К. П. Бутусов обнаружил, что соотношение периодов обращений соседних планет равно числу Ф или Ф2. По его данным частоты обращений планет и разности частот обращений образуют спектр с интервалом, равным Ф, то есть спектр, построенный на основе золотого Сечения. Вот она гармония небесных сфер о которой знали или которую предполагали еще пифагорейцы. Любопытно, что расположение перигелиев и афелиев планет по логарифмическим спиралям, как доказал К. П. Бутусов, также связано с “гармоническими” числами Ф. Примечательна связь живого с золотым числом, поэтому планетные и космические образования тоже могут быть своеобразными проявлениями живого.
10. Несоздаваемость и неуничтожимостъ движения и материи.
Законы сохранения энергии, количества движения,
момента количества движения, проявления их в природе
Материя и движение а природе вечны, несоздаваемы и неуничтожимы. В каждом конкретном явлении происходит преобразование материи и энергии из одной формы в другую. Сформулированы законы их сохранения.
Закон сохранения материи сформулирован М. В. Ломоносовым (“сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому”).
Законы сохранения энергии, количества движения, момента количества движения и электрического заряда есть проявление общего закона сохранения количества движения материи применительно к конкретным явлениям.
Закон сохранения количества движения:
Количество движения замкнутой системы с течением времени не изменяется:
или 
(17)Из закона вытекает, что взаимодействие тел, составляющих замкнутую систему, приводит только к обмену количествами движения между этими телами, но не может изменить движения системы как целого: при любом взаимодействии между телами, образующими замкнутую систему, скорость движения центра инерции этой системы не изменяется.
Закон сохранения момента количества движения — если момент внешних сил относительно неподвижного центра вращения равен нулю, то момент количества движения системы сохраняется неизменным:
(18)Работа и механическая энергия.
Энергия — общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. Энергия в природе не возникает и не исчезает, она только может переходить из одной формы в другую.
Механической энергией W называется энергия механического движения и взаимодействия тел. Она равна сумме кинетической Wк и потенциальной Wn энергий:
(19)Закон сохранения механической энергии: механическая энергия любой замкнутой системы остается неизменной при любых перемещениях тел.
Примечания относительно законов сохранения.
1) Примечание относительно мер движения.
Как видно из определений, приведенных выше, механическое движение имеет две меры:
— количество движения, равное произведению движущейся массы на ее скорость:
К=Мv (20)
— механическая кинетическая энергия, равная произведению половины массы тела на квадрат скорости:
(21)Возникает вопрос, какой мерой движения пользоваться в каких случаях. Постановка этого вопроса в XIX столетии вызвала ожесточенную полемику среди естествоиспытателей. Эта проблема была решена Ф. Энгельсом в работе “Диалектика природы” в статье “Мера движения — работа”.
“Возьмем какое-нибудь механическое приспособление, в котором плечи рычагов относятся друг к другу как 4 : 1, в котором, следовательно, груз в 1 кг уравновешивает груз в 4 кг. Приложив совершенно ничтожную добавочную силу к одному плечу, мы можем поднять 1 кг на 20 м; та же самая добавочная сила, приложенная затем к другому плечу, поднимет груз на 5 м, и притом груз, получающий перевес, опустится в то же самое время, какое другому грузу потребуется для поднятия. Массы и скорости здесь обратно пропорциональны друг другу, тu, 1 х 20 = т'у', 4х5. Если же мы предоставим каждому из грузов — после того как они были подняты — свободно упасть на первоначальный уровень, то груз в I кг, пройдя расстояние в 20 м, приобретет скорость в 20 м/с (мы принимаем здесь ускорение силы тяжести в круглых цифрах 10 вместо 9,81); другой же груз, в 4 кг, пройдя расстояние в 5 м, приобретет скорость в 10 м/с.
mu2=1х20х20=400 mu2 =4х 10х10=400. (22)
Но после того как каждое из обоих тел упало со своей высоты, его движение прекращается. Таким образом, то оказывается здесь мерой просто перенесенного, т. е. продолжающегося движения, а mu2 окатывается мерой исчезнувшего механического движения: