1. А. Н. Мансуров, Н. А. Мансуров
ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ
БАЗОВЫЙ УРОВЕНЬ
Учебник
для 11 класса
Рекомендовано
Министерством образования и науки
Российской Федерации
к использованию в образовательном процессе
в имеющих государственную аккредитацию
и реализующих образовательные программы
общего образования образовательных учреждениях
і
Москва
БИНОМ. Лаборатория знаний
2013
3. Оглавление
П р е д и с л о в и е .............................................................................................7
Глава 1. Природные п р оц ессы ...............................................................9
§ 1. Происхождение Вселенной..................................................... !)
§ 2. Эволюция Вселенной.............................................................. 12
§ 3. Эволюция з в е з д .......................................................................И)
§ 4. Эволюция З е м л и .................................................................... 20
§ 5. Случайные процессы и вероятностные
закономерности...................................................................... 2Ь
§6 . Необратимый характер тепловых процессов
в п р и р о д е................................................................................. 28
§ 7. Порядок, беспорядок, энтропия, информация*.................'Л'А
§ 8. Второе начало термодинамики............................................ .48
§ 9. Тепловые двигатели.................................................................12
§ 10. Процессы самоорганизации.................................................46
§ 11. Информационные процессы в открытых системах ’1 I
§ 12. Основные выводы по первой гл а в е ...................................... •>•>
Глава 2. Ж изнь как природное я в лен и е.............................................•>(>
§ 13. Биосистемная организация ж изни...................................... 56
§ 14. Клеточное строение живых организмов.
Дифференциация клеток в организм е................................60
§ 15. Обмен веществ в клетке. Превращение энергии
в к л е т к е ................................................................................... 61
§ 16. Деление клетки. Митоз. Мейоз. Оплодотворение............ (И)
§ 17. Структура молекулы Д Н К ................................................... 7 1
4. О гл ав л ен и е
§ 18. Ген. Генетический код............................................................79
§ 19. Матричное воспроизведение б елк о в "..................................85
§ 20. Наследственность и изменчивость организмов.................90
§ 21. Законы М е н д е л я .................................................................... 95
§ 22. Естественный отбор................................................................99
§ 23. Биологическая эв олю ц и я................................................... 103
§ 24. Гипотезы происхождения ж и зн и ...................................... 110
§ 25. Основные выводы по второй г л а в е .................................... 114
Глава 3. Человек как природное я в л е н и е .......................................118
§ 26. Происхождение ч елов ек а................................................... 118
§ 27. Эволюция ч еловек а..............................................................122
§ 28. Геном человека...................................................................... 127
§ 29. Генетические заболевания и возможности
их л е ч е н и я .............................................................................131
§ 30. Биотехнологии. Генная инженерия.
К лон и рован и е...................................................................... 135
§ 31. Этические проблемы, связанные с развитием
биотехнологий...................................................................... 139
§ 32. Природа вирусных заболеваний........................................ 142
§ 33. Проблемы рационального п и т а н и я ..................................148
§ 34. Биохимическая основа никотиновой,
алкогольной и наркотической зависимостей................... 154
§ 35. Влияние радиоактивных и электромагнитных
излучений на организм человек а...................................... 157
§ 36. Биоразнообразие.................................................................. 163
§ 37. Биосфера и роль человека в биосфере................................166
§ 38. Основные выводы по третьей г л а в е ..................................170
Глава 4. Естественнонаучная картина мира....................................173
§ 39. Система наук о природе и естественнонаучная
картина м и р а .........................................................................173
§ 40. Наиболее важные естественнонаучные открытия
и идеи, определяющие современные знания о мире. . . 178
§ 41. Единство состава вещества и законов природы
во В селен н о й .........................................................................188
5. § 42. Преобразование* и сохранение энергии в живой
и неживой п р и р о д е.............................................................И).Ч
§ 43. Общность информационных процессов в биологи
ческих, технических и социальных системах............... 197
§ 44. Взаимосвязь между научными открытиями
и развитием техники и те х н о ло ги й ................................ 2 0 1
§ 45. Глобальные экологические проблемы и пути
их решения............................................................................207
§ 46. Основные выводы по четвертой главе.............................. 2 1И
Заклю чение.................................................................................. 2К>
Примерные темы п роектов.........................................................21!)
Электронные образовательные ресурсы на сайте Ф Ц И О Р. . . . 220
Толковый словарь терминов.........................................................222
Именной указатель....................................................................... 230
Предметный указатель................................................................. 23 I
7. Предисловие
В учебнике «Естествознание» для учащихся 11-х классов мм
продолжим изучение основных фрагментов современной естеет
веннонаучной картины мира. Если в 10-м классе основное внпма
мие было уделено возможностям человека в познании окружаю
щего мира, методам познания, научному методу исследования.
объектам окружающего мира и различным видам их взаимодеп
ствия, то в 11-м классе изучаются природные процессы, включая
жизнь, и современные естественнонаучные представления о0
окружающем мире.
В соответствии с программой изучаются происхождение и :>во
люция Вселенной, Солнечной системы и Земли. Обсуждаются осо
бенности природных процессов и явлений, происходящих на ЗеМ
ле и за ее пределами. Ж изнь рассматривается как природное я в
ление. Обсуждаются различные гипотезы происхождения жизни
и человека. В центре внимания находятся процессы эволюции,
развития и взаимодействия природных объектов.
В заключительной главе учебника подводится итог основным
достижениям науки в исследовании природных явлений и форми
ровании естественнонаучной картины мира. Подчеркивается пеоб
ходимость внимательного, сознательного отношения к себе, дру
гим людям и окружающей среде для достижения гармоничного
развития и сохранения уникального космического явления
жизни на Земле.
Каждый параграф учебника сопровождается контрольлмми
вопросами и заданиями, способствующими более глубокому усвос
иию учебного материала и проверке уровня его освоения в процес
се обучения. Параграфы, обозначенные звездочкой, предназначь
ны для учащихся, проявивших повышенный интерес к изучаемой
теме. Кроме изучения теории предполагается выполнение лабора
торных и практических работ, знакомство с демонстрациями
8. П р ед и сл о в и е
реальных природных объектов, явлений и процессов, а также рас
сматривается применение достижений естественных наук в техни
ке, медицине и жизни общества.
Последнее особенно важно для гуманитарных наук, которые
пополнились за последние годы целым арсеналом современных
методов исследования, использующих информационные техноло
гии и другие достижения естественных наук.
9. Глава 1
Природные процессы
§1
Происхождение Вселенной
О чем пойдет речь
О строении галактик, о происхождении и расширении Все
ленной.
Обсудим затронутые проблемы
Колыбелью человечества служит Земля — небольшая плаї к*
та, обращающаяся вокруг Солнца.
Астрономические наблюдения позволили установить, что кро
ме Земли в Солнечную систему входят еще семь планет: М ерку
рий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Солнце вмес
те с планетами является частью огромной по земным масштабам
системы астрономических объектов, образующих галактику
Млечный Путь (см. § 37 в «Естествознании-10») (см. цветной
блок: рис. Ц1).
Центром нашей Галактики служит массивное тело (предполо
жительно черная дыра), в гравитационном поле которого нахо
дятся около 100 млрд звезд, обращающихся вокруг центра Галак
тики по круговым орбитам в плоскости диска Галактики (см.
цветной блок: рис. Ц2). Кроме звезд в диске Галактики существу
ют еще около 100 млрд звезд, которые обращаются по сильно мы
тянутым орбитам вокруг центра Галактики в различных плоское
тях, образуя сферическую подсистему Галактики.
Диаметр этой почти сферической области совпадает с диамст
ром диска и составляет примерно 100 000 световых лет. Светоной
год — это расстояние, которое свет проходит за год. Один свето
вой год равен 9,46 • 1015 м. Движение звезд в Галактике опреде
ляется не только взаимодействием с черной дырой, но и с вещсет
вом, распределенным вокруг диска, и сферической подсистемой
Галактики. Эта внешняя область Галактики получила названім*
гало Галактики. Здесь нет звезд. Состав гало неизвестен. Вещем т-
10. Природные процессы
о во в составе гало было названо темным веществом. Строение
Галактики поясняется на рис. 1.
Рис. 1. Строение нашей Галактики
В 20-х гг. прошлого столетия американский астроном
Э. Хаббл открыл другие галактики. Фотографии некоторых из
них приведены на рис. ЦЗ (см. цветной блок). Ближайшая к нам
галактика — Туманность Андромеды (см. цветной блок: рис. Ц4).
Она находится на расстоянии 2 млн световых лет.
Впоследствии было установлено, что в пространстве, доступ
ном для наблюдения с Земли, находятся около 100 млрд галак
тик. Совокупность галактик и межгалактического излучения и
вещества получила название Вселенной.
Вселенная является самым крупным природным объектом,
который исследуется с помощью научного метода. Радиус наблю
даемой Вселенной составляет 1026 м. Наука о Вселенной, ее стро
ении, происхождении и развитии называется космологией.
В 1912 г. американский астроном В. Слайфер установил, что
спектральные линии излучения от галактик смещены в красную
область спектра. Такое явление наблюдается на Земле при удале
нии источника света от наблюдателя и известно как эффект Доп
лера. Измерив изменения частоты света, идущего от галактики,
можно определить скорость удаления галактики от наблюдателя.
В 1929 г. Э. Хаббл обнаружил, что скорость галактик и воз
растает пропорционально расстоянию И до галактик. Коэффици
ентом пропорциональности служит постоянная Хаббла Н , опре
деляемая экспериментально. Таким образом,
и = Я Д .
10
11. Происхождение Всолонной
В настоящее время намеренное значение постоянной Хаббла
равно 71±7 (км/с)/Мпк. Размерность постоянной Хаббла опроде
ЛЯеТСЯ О ТН ОШ еН ИеМ СКОРОСТИ В К И Л О М е т р а Х В С е к у н д у , ДОЛеНПОЙ
на расстояние, выраженное в мегапарсеках. 1 Мпк 3,1 * 10;*:: м.
Удаление галактик друг от друга свидетельствует о расширь
пип Вселенной со временем. Полагая, что постоянная Хаббла не
менялась за время существования Вселенной, можно определит!,
•гот момент, когда расстояние между галактиками было равно
нулю, т. е. время рождения t0 нашей Вселенной
£0 = И/и = 1/Н = 13-16 млрд лет.
Рождение Вселенной называют Большим взрывом, подчерки
пая тем самым необычайно резкое изменение со временем состоя
имя материи, которое в дальнейшем привело к процессу эволю
н,пи Вселенной. Природный процесс, обусловленный внутренними
пли внешними причинами, характеризующийся резким измене
пнем состояния объекта, называется катастрофой. Одним из :>ке
периментальных подтверждений Большого взрыва стало открм
тие в 1965 г. американскими учеными Р. Вильсоном и А . Пеизиа
сом так называемого реликтового микроволнового излучения
с температурой 2,7 К.
Это излучение было предсказано американским физиком рое
(41некого происхождения Г. А . Гамовым в 1956 г. на основании
представления об охлаждении фотонного газа при расширении Все
ленной. Существуют и другие подтверждения гипотезы о взрывном
происхождении Вселенной, которые в нашем учебнике мы не МО
жем рассматривать из-за недостатка времени на их изучение.
Подведем итоги
• Совокупность галактик, межгалактического излучения и не
щества получила название Вселенной.
• Вселенная является самым крупным природным объектом,
который исследуется с помощью научного метода. Рождение
Вселенной называют Большим взрывом. Радиус наблюдаемой
Вселенной составляет 1026 м. Наука о Вселенной, ее строе
нии, происхождении и развитии называется космологией.
Что нужно обязательно запомнить
• Строение Галактики.
Значение постоянной Хаббла.
12. Природные процессы
Что необходимо понять и усвоить
• Вселенная — это природный объект.
• Галактики — структурные составляющие Вселенной.
Что нужно научиться делать
• Определять возраст Вселенной по значению постоянной
Хаббла.
Контрольные вопросы
1. Какие галактики вам известны?
2. Как устроена галактика?
3. Сколько звезд входит в галактику?
4. Сколько галактик во Вселенной?
5. Как можно оценить возраст Вселенной?
Задания
1. Расскажите, как вы представляете себе Вселенную.
2. Оцените возраст Вселенной, используя современное значение посто
янной Хаббла.
§2
Эволюция Вселенной
О чем пойдет речь
Об эволюции Вселенной от момента рождения до наших дней.
О возможном сценарии развития Вселенной в будущем.
Обсудим затронутые проблемы
В первые моменты времени своего существования, порядка
10“44 с от момента взрыва, Вселенная представляла собой очень
необычный объект.
Это было физическое поле с температурой примерно 1032 К,
плотностью 1097 кг/м3 и размером порядка нескольких микромет-
13. Эволюция Вселенной
ров. Квантами этого поля были все фундаментальные частицы» по
не обладающие массой. В этом состоянии фундаментальные взаи
модействия не различались между собой.
Разделение единого взаимодействия на отдельные виды фун
даментальных взаимодействий произошло к моменту 10 10 с от
времени взрыва в результате охлаждения Вселенной из-за ее рае
ширения. В это же время фундаментальные частицы — кварки,
лептоны и векторные бозоны приобрели массу.
К моменту 10_6 с Вселенная охладилась до температуры
Т = 1013 К, при которой возможно образование адронов из квпр
ков. После появления адронов на протяжении 10_1°-10~4 с проие
ходили процессы рождения и аннигиляции адронов и антиядро
нов. Вселенная переживала так называемую адронную эру.
При дальнейшем охлаждении Вселенной энергия квантов п:<
лучения была уже недостаточна для рождения пар адрон — аитп
адрон, но достаточна для рождения пар лептон — антилептон.
Начиная с этого момента наступила лептонная эра в развитии
Вселенной, которая закончилась примерно через 10 с. К этому мо
менту температура Вселенной упала до Ю 10 К, при которой рож
дение пар самых легких лептонов, электронов и позитронов стало
невозможным.
При дальнейшем снижении температуры во Вселенной насту
пила радиационная эра, когда энергия излучения существенно
превышала энергию частиц вещества. Однако по мере расшире
ния Вселенной и увеличения длины волны фотонов из-за эффект»
Доплера энергия фотонов постепенно уменьшалась по сравнению
с энергией частиц вещества. В этот же период происходило объе
динение нуклонов в ядра гелия. Этот процесс получил название»
дозвездного нуклеосинтеза.
При температуре порядка 109 К образовались ядра дейтерия и
других легких нуклидов. Через 40 ООО лет при температуре 101К
энергия вещества стала больше энергии излучения, и во Вселен
ной наступила эра вещества.
При температуре порядка 3 • 103 К произошло слияние прото
нов и электронов в нейтральный атом водорода. Появление ней
тральных атомов и дальнейшее снижение температуры излучения
привело к важному событию в состоянии Вселенной. Излучение
перестало интенсивно взаимодействовать с веществом и свободно
распространилось в расширяющейся Вселенной. По мере расши
рения Вселенной температура излучения падала и к настоящему
времени составляет 2,7 К. Это излучение равномерно распредели*
14. Природные процессы
но в пространстве, что подтверждается экспериментальными ис
следованиями реликтового излучения.
Вместе с тем в распределении вещества существуют неодно
родности, связанные с ранними процессами, которые происходи
ли в остывающей Вселенной и усиливались за счет гравитации.
Эти явления привели, в конечном счете, к образованию галактик,
звезд и планет. Эти процессы наблюдаются и в настоящее время.
В дальнейшем по мере расширения Вселенной запасы ядерно-
го вещества, из которого образуются звезды, будут исчерпаны.
Это приведет к постепенной гибели звезд. Исчезновение звезд
приведет к гибели галактик. На месте галактик образуются мас
сивные черные дыры, которые, как пылесосы, будут затягивать
в себя ядерное вещество, рассеянное в межгалактическом
пространстве. Развитие Вселенной закончится, когда оставшиеся
черные дыры испарятся, оставив после себя разреженный газ, со
стоящий из лептонов и «остывш их» фотонов. Все это произойдет
не скоро — примерно через Ю 100 лет.
Основные этапы развития Вселенной представлены в табл. 1.
Таблица 1
Основные этапы развития Вселенной
Время жизни
Вселенной
Температура
Вселенной, К
События во Вселенной
10"44с 1032 Объединение всех фундаменталь
ных взаимодействий
Ю“ 10с 1015 Разделение всех фундаментальных
взаимодействий
о
05
о
ю 13 Образование адронов
10“ 10-Ю -4с 1015-1 0 12 Адронная эра
10-4-10 с ю 12- ю 10 Лептонная эра
102- 103с ю 9 Дозвездный синтез гелия
10 с -4 0 ОООлет 108-1 0 4 Радиационная эра
40000 лет ю 4 Начало эры вещества
400000 лет 3 - Ю 3 Образование атомов. Вселенная ста
новится прозрачной для излучения
109лет ю 2 Образование галактик
15. Эволюция Всоленной
О ко нча ние табл I
Время жизни
Вселенной
Температура
Вселенной, К
События во Вселенной
2 • 109лет 10 Образование звезд
1014лет і (И Гибель звезд
10 18лет ю - 9 Гибель галактик
10 100лет
Ь-1
О
I
со
О
Гибель Вселенной
Приведенный сценарий эволюции Вселенной подкупает своей
псспериментальной обоснованностью и согласованностью с тго
риой фундаментальных взаимодействий и фундаментальных час
•гип,. Вместе с тем его нужно рассматривать как одну из возмож
пых моделей развития Вселенной, имеющую как свои достой
иства, так и недостатки. К числу недостатков можно отнести
проблему антивещества, которое по количеству должно равнять
<•я количеству вещества. Однако в современной Вселенной анти
вещество в таких количествах не наблюдается.
Другая проблема возникает в связи с открытием в 90-х гг.
прошлого века ускоренного разбегания галактик, которое может
быть связано с наличием в межгалактическом пространство т а к
называемой темной энергии, вызывающей отталкивание г а л о к
т и к . Непонятны природа этой энергии и ее происхождение.
Дальнейшие экспериментальные исследования позволят до
полнить или во многом изменить существующие представления
о Вселенной, но это произойдет в будущем.
Подведем итоги
• Вселенная образовалась примерно 13-16 млрд лет назад и рг
зультате Большого взрыва. Развитие Вселенной характеризу
ется отдельными этапами.
По результатам экспериментальных исследований создана мо
дель расширяющейся Вселенной. На основе этой модели рая
работай сценарий развития Вселенной со временем.
Что нужно обязательно запомнить
Основные этапы развития Вселенной.
16. Что необходимо понять и усвоить
Природные процессы
• Эволюция Вселенной определяется природными явлениями.
Что нужно научиться делать
• Называть основные этапы развития Вселенной и характеризо
вать их особенности.
Контрольные вопросы
1. В чем заключается гипотеза Большого взрыва?
2. Как развивалась Вселенная после Большого взрыва?
3. Когда начался дозвездный синтез гелия и других легких нуклидов?
4. Почему Вселенная стала прозрачной для излучения?
5. Когда появились первые атомы?
6. Когда появились первые галактики?
7. В чем недостатки рассмотренной модели эволюции Вселенной?
Задание
Как вы относитесь к идее итальянского мыслителя Джордано Бруно
о множественности Вселенных?
§3
Эволюция звезд
О чем пойдет речь
О рождении и видах звезд и процессе их эволюции со време
нем.
Обсудим затронутые проблемы
Звезды образуются из-за гравитационного сжатия вещества
в газовом облаке. Эти облака состоят из молекул водорода и гелия
(в небольшом количестве), образовавшихся во время дозвездного
нуклеосинтеза (см. цветной блок: рис. Ц5). В отдельных частях
облака образуются области с повышенной плотностью, которые
17. Эволюция звозд
постепенно увели чиниются под деист ином взаимного притяжения
частиц газа. Размер области первичной неоднородности, тик ип
зываемой компактной зоны, составляет несколько световых меся
цев, ее температура достигает 10 К, а плотность — 10,() молекул
водорода на 1 м3.
Образование звезды начинается со свободного падения моле
кул водорода к центру компактной зоны. При этом скорость чае
тиц возрастает, растет температура и плотность вещества. Мл
этом этапе образуется так называемая протозвезда. Процесс обрл
зования протозвезды длится около миллиона лет. Когда темпера
тура в недрах протозвезды повышается до 107К, а плотность до
стигает 107 кг/м3, начинается ядерная реакция синтеза гелия и;»
водорода.
Протозвезда превращается в звезду. Давление излучения, пол
пикающего в процессе термоядерного синтеза, препятствует даль
нейшему сжатию звездного вещества. Звезда переходит в стабиль
ный режим горения водорода. Для звезд с массой порядка массы
Солнца этот период эволюции звезды длится миллиарды лет.
Со временем по мере сгорания водорода в центральной части
звезды накапливается гелий, образуя гелиевое ядро. При отсут
ствии водорода в гелиевом ядре прекращаются термоядерные рс
акции, и давление излучения не может скомпенсировать гранита
ционное сжатие. Под действием гравитации ядро начинает ежи
маться, что приводит к росту температуры и плотности в центре
звезды. При увеличении температуры до 108 К начинается реп к
ция синтеза бериллия и углерода из атомов гелия, которая рис
пространяется на всю звезду. В результате давление излучении
растет, что приводит к увеличению радиуса внешней оболочки
звезды в сотни раз. При этом температура внешних слоев звезды
уменьшается. Спектр излучения звезды смещается в красную об
ласть. Звезда становится красным гигантом. Солнце станет крас
ным гигантом примерно через 5 млрд лет. При этом его радиус
увеличится до размеров орбиты Венеры.
В результате горения гелия в ядре звезды образуется углерод.
Уменьшение гелия приводит к уменьшению давления излучения,
что вызывает гравитационное сжатие ядра и увеличение его тем
пературы. Как только температура повысится настолько, что ядра
гелия смогут преодолеть электрическое поле ядра углерода, начи
нается реакция синтеза ядер кислорода. Если масса звезды дости
точна для обеспечения необходимый степени гравитационного
сжатия ядра звезды, то ядерные реакции будут последовательно
18. Природные процессы
обеспечивать синтез все более тяжелых элементов, вплоть до ж е
леза. Синтез элементов тяжелее железа невозможен из-за того,
что в этих реакциях происходит поглощение энергии, а не ее
выделение.
В процессе эволюции объем массивной звезды становится не
однородным по своему составу. В ядре звезды находятся тяжелые
элементы, вплоть до железа. По мере удаления от центра звезды
масса нуклидов уменьшается. На периферии звезды находятся
ядра водорода.
Так как реакции синтеза зависят от температуры в ядре звез
ды, которая в свою очередь зависит от степени его гравитационно
го сжатия, эволюция звезды определяется ее массой. Каждый раз,
когда начинается очередная реакция синтеза более тяжелых нук
лидов, звезда сбрасывает часть звездного вещества в окружающее
пространство. В результате после завершения всех возможных
термоядерных реакций у звезды остается только ее центральное
ядро.
В зависимости от первоначальной массы звезды состав образо
вавшегося ядра будет разным. Как показали экспериментальные
наблюдения и компьютерные расчеты, звезда с массой, меньшей
восьмикратной массы Солнца, превращается в белый карлик,
температура поверхности которого составляет порядка 104 К,
а плотность — 109-1 0 10 кг/м3. В этих условиях гравитационное
давление уравновешивается давлением электронного газа, в кото
ром находятся нуклиды звездного вещества.
Если масса звезды больше 10 масс Солнца, звезда развивается
по совершенно другому сценарию. Синтез элементов в ядре такой
звезды заканчивается образованием ядер железа. После того как
исходное звездное вещество закончится, начинается гравитацион
ное сжатие. Синтез более тяжелых ядер уже невозможен, и про
исходит падение внешних оболочек на ядро звезды. Это приводит
к увеличению температуры звезды и ускорению реакций синтеза
во всем объеме звезды. Температура звезды резко возрастает бук
вально за несколько секунд. В этих условиях протоны превраща
ются в нейтроны с участием электронов и испусканием нейтрино.
После того как образовалось нейтронное ядро, его сжатие рез
ко останавливается за счет противодействия нейтронов гравита
ционному сжатию. Д ля падающих сверху оболочек звезды ядро
играет роль твердой стенки, от которой происходит отражение
звездного вещества. Отраженные слои вместе с потоком нейтрино
отбрасываются от ядра. Происходит вспышка звезды с излучени-
19. Эволюция знезд
гм огромной энергии к ииде электромагнитного излучения, ното
ка нейтрино и других частиц, в том числе и тяжелых ядер, спите
аированных в процессе взрыва.
Д ля земного наблюдателя сброс оболочки воспринимается как
яркая вспышка, получившая название взрыв сверхновой (см.
цветной блок: рис. Ц6).
Последний раз вспышка сверхновой наблюдалась в 1987 г.
и галактике Большое Магелланово Облако, отстоящей от нашей
Галактики на расстоянии 170 ООО световых лет. На месте сверх
повой остается ядро звезды, состоящее из нейтронов. Такая звезда
называется нейтронной звездой. При вращении нейтронной ;шез
дм ее излучение воспринимается наблюдателем на Земле в виде
кратковременных импульсов, периодически повторяющихся со
временем. Такая звезда называется пульсаром.
Если начальная масса звезды превышает 40 масс Солнца, то
после взрыва она превращается в черную дыру. Масса и радиус
черной дыры таковы, что даже свет, не говоря уже о частицах не
щества, не может выйти за ее пределы. Наблюдатель с Земли не
может ее увидеть. Любой объект, попавший в зону притяжения
черной дыры, остается там навсегда. Отсюда и происходит назна
ние — черная дыра.
Подведем итоги
• Звезды образуются из-за гравитационного сжатия вещества н
газовом облаке. Излучение звезд обеспечивается ядерным сип
тезом внутри звезд. Так как реакции синтеза зависят от тем
пературы в ядре звезды, которая, в свою очередь, зависит от
степени его гравитационного сжатия, эволюция звезды он ре
деляется ее массой.
♦ В результате после завершения всех возможных термоядер
ных реакций у звезды остается только ее центральное ядро.
В зависимости от первоначальной массы звезды состав образо
вавшегося ядра будет разным.
Что нужно обязательно запомнить
Основные этапы эволюции звезд.
20. Природные процессы
Что необходимо понять и усвоить
• Эволюция звезды зависит от ее массы.
• Процессы, происходящие внутри звезд, определяются фунда
ментальными взаимодействиями.
Что нужно научиться делать
• Называть основные этапы эволюции звезд.
Контрольные вопросы
1. Из чего формируется протозвезда?
2. При каких условиях начинается горение водорода?
3. Чем обеспечивается устойчивость горения звезд?
4. Почему эволюция звезд с разными массами протекает по-разному?
5. Почему ядерный синтез в ядрах массивных звезд ограничивается
нуклидами железа?
6. При каких условиях образуются белые карлики?
7. Что такое пульсар?
8. При каких условиях образуются черные дыры?
9. Что такое сверхновая звезда?
Задания
1. Назовите основные этапы эволюции звезд.
2. Представьте себе Вселенную без звезд.
§4
Эволюция Земли
О чем пойдет речь
Об условиях формирования планетных систем. Об особеннос
тях отдельных планет Солнечной системы и эволюционных про
цессах на Земле.
21. Эволюция Земли
Обсудим затронутые проблемы
Планеты Солнечной системы образовались из газо-пылеиого
оОлака, в центре которого находилось молодое Солнце. Вещеетмо
и иротопланетном облаке под действием гравитации постепенно
ел ппал ось в отдельные тела, которые, в свою очередь, притягпнл
./пкч» друг к другу, образуя все более крупные объекты. Форм про
пннне планет происходило в течение нескольких миллионов лег.
И настоящее время кроме планет Солнечной системы обнаружены
планеты около других звезд нашей Галактики. Эти планеты полу
чили название экзопланет. Всего обнаружено около 400 :>к:ю
планет.
На рис. 2 показано расположение орбит планет Солнечной
системы около Солнца. Ближе к Солнцу располагаются планеты
так называемой земной группы. Это Меркурий, Венера, Земля и
Марс. На более удаленных орбитах находятся планеты-гиганты:
Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Плотность планет земной гру .
значительно больше плотности планет-гигантов, хотя масса нее.ч
планет в основном сосредоточена в планетах-гигантах.
ПЛАНЕТЫ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ
Венера
108200000км
Меркурий
57 900000 км
Юпитер
778300000 км
Марс
227900000 км
Земля
149600000 км
Солнце
Сатурн
1127000000км
Уран
2869600000 км
Рис. 2. Расположение орбит планет Солнечной системы:
на рисунке даны средние расстояния от планеты до Солнца
22. Природные процессы
Значительные достижения при изучении планет были полу
чены в результате развития космической техники. Использование
космических аппаратов позволило получить изображения поверх
ности многих планет, обнаружить наличие неизвестных ранее
спутников планет, исследовать свойства магнитных полей и со
став атмосферы планет. На рис. Ц7 (см. цветной блок) показаны
фотографии планет Солнечной системы, полученные из космоса.
На фотографиях видно, что Меркурий не имеет атмосферы.
Его поверхность испещрена кратерами, подобными лунным крате
рам. На Венере, в отличие от Меркурия, имеется мощная атмо
сфера, плотно закрывающая ее поверхность. Исследования Вене
ры показали, что температура на ее поверхности превышает
400 °С, а давление — 60 атм. В атмосфере Венеры преобладает
углекислый газ С02.
Земля из космоса выглядит голубой планетой. Она имеет ат
мосферу, состоящую в основном из азота и кислорода. Марс имеет
атмосферу, давление которой на поверхности планеты составляет
0,006 атм. Красноватый цвет Марса определяется цветом пород на
его поверхности.
Юпитер — самая большая планета в Солнечной системе. Он не
имеет твердой поверхности. Это газовый шар из водорода и гелия.
На фотографии отчетливо видны атмосферные вихри и знаменитое
«красное пятно», представляющее гигантский циклон, бушующий
на планете свыше 300 лет. Сатурн по строению и составу аналоги
чен Юпитеру. Особенностью Сатурна служат его кольца, которые
можно увидеть с Земли с помощью даже небольшого телескопа.
Как показали исследования, проведенные космическими аппарата
ми, кольца Сатурна состоят из частиц и фрагментов вещества, раз
мер которых не превышает нескольких метров.
Уран и Нептун — планеты-гиганты на краю Солнечной систе
мы. Как и Сатурн, Уран имеет кольца. Состоящие из газа, эти
планеты не имеют твердой поверхности.
Все планеты Солнечной системы образовались примерно
5 млрд лет назад. За время своего существования они претерпели
большие изменения. Земля вначале состояла из расплавленной
породы. Высокая температура на планете поддерживалась за счет
перехода кинетической энергии метеоритов во внутреннюю энер
гию планеты. Постепенно интенсивность метеоритного дождя
уменьшилась, и планета начала охлаждаться. За счет разделения
различных пород в поле тяжести образовались планетные обо
лочки Земли (см. цветной блок: рис. Ц8).
23. Эволюция Зомли
И центре Земли находится ядро, имеющее внутреннюю тлер
дую часть и жидкую внешнюю часть. Ядро наиболее плотная
*Iж*т1 1 планеты. Температура в центре ядра составляет примерно
»000 К. Внешняя оболочка тела планеты — кора. Между корой
и ядром расположена мантия. Мантия делится на две части
иерхшою толщиной около 900 км и нижнюю толщиной около
1000 км.
Состояние и эволюция Земли во многом зависят от особенное
Iч•й строения планеты и от внешних факторов, определяющих по
гтуиление на Землю вещества и энергии. Внутренние факторы сия
.ним.], прежде всего, с массой планеты. Земля среди планет земном
группы обладает самой большой массой. От массы зависит энергия
грллитационного поля планеты и количество радиоактивных тяже
М1 .1 Х элементов. Естественная радиоактивность приводит к выделе
ипю тепла и разогреву ядра Земли. Тепловые потоки, идущие; м;*
центра Земли, вызывают конвекцию в магме и ее истечение через
разломы земной коры. Жидкая магма после истечения на поверх
кость планеты в районах срединно-океанических хребтов застыпл
гт, что приводит к постепенному дрейфу материков и литосфернмх
плит. На рис. Ц9 (см. цветной блок) показано расположение разло
мои и литосферных плит на поверхности Земли.
Впервые научно обоснованную теорию дрейфа материков раз
работал австрийский геофизик и географ А . Вегенер. Согласно
теории дрейфа, до начала мезозоя на Земле существовал один мл
термк Пангея, омываемый единым Мировым океаном. Затем он
раскололся на два материка — Лавразию и Гондвану. В дальней
тем произошло образование других материков и рождение совре
мемных океанов, и к концу мезозойской эры, около 65 млн лет
н а з а д , континенты приобрели практически современные очерти
кия (см. цветной блок, рис. Ц9,а).
К внешним факторам, оказывающим существенное влияние*
ка состояние и развитие Земли, относятся: излучение, поступаю
щее от Солнца, падение на Землю вещества из космоса, метео
ритная бомбардировка, солнечный ветер, гравитационное взаимо
действие с Луной.
Благодаря взаимодействию внешних и внутренних фактором
ка Земле существует уникальное явление — жизнь, имеющем*
Гюльшое значение для эволюции Земли. Достаточно отметить из
менение состава атмосферы, появление осадочных пород биоген
к о г о происхождения и изменение природных ландшафтов челове
ком.
24. Природные процессы
Подведем итоги
• Планеты Солнечной системы образовались из газо-пылевого
облака, в центре которого находилось молодое Солнце. Ф ор
мирование планет происходило в течение нескольких миллио
нов лет.
• Ближе к Солнцу располагаются планеты так называемой зем
ной группы. Это Меркурий, Венера, Земля и Марс. На более
удаленных орбитах находятся планеты-гиганты: Юпитер, Са
турн, Уран, Нептун. Плотность планет земной группы значи
тельно больше плотности планет-гигантов, хотя масса всех
планет в основном сосредоточена в планетах-гигантах.
• Состояние и эволюция планеты во многом зависит от особен
ностей ее строения и от внешних факторов, определяющих
поступление на планету вещества и энергии.
Что нужно обязательно запомнить
• Основные этапы эволюции Земли.
• Названия планет Солнечной системы.
Что необходимо понять и усвоить
• Состояние и эволюция Земли зависят от внешних и внутрен
них факторов.
Что нужно научиться делать
• Перечислять внешние и внутренние факторы, определяющие
эволюцию Земли.
Контрольные вопросы
1. Из чего сформировались планеты?
2. Какие планеты входят в Солнечную систему?
3. Как расположены планеты относительно Солнца?
4. Чем отличается Земля от других планет Солнечной системы?
5. Какие факторы влияют на эволюцию Земли?
6. Откуда на Землю поступает энергия?
7. Сколько времени будет существовать Земля?
1. Проведите сравнительное описание планет Солнечной системы.
2. Подготовьте презентацию о последних исследованиях планет Солнеч
ной системы, используя интернет-ресурсы.
Ж Задания
25. Случайные процессы и вероятностные закономерности
§5
Случайные процессы
и вероятностные закономерности
О чем пойдет речь
Об особенностях случайных процессов в природе и их вероят
постных закономерностях. О различиях между вероятностными И
динамическими закономерностями.
Обсудим затронутые проблемы
Изучение процессов эволюции и развития мегаобъектов поз во
ллот установить их существенные отличия от других природных
процессов и явлений. Эти отличия связаны как с внутренним
строением самих объектов, так и с особенностями внешних сия
зой, влияющих на состояние объектов.
В зависимости от строения все объекты можно разделит!, нл
длл класса: простые и сложные. С простыми объектами мы ужо
истречались при изучении естествознания в 10-м классе. Тело,
размерами и формой которого можно пренебречь, химическое ВО
щоство из одного или небольшого числа химических элементом,
нуклиды с небольшими атомными весами — примеры простых
объектов. К сложным объектам относятся: галактики, звезды,
клетки, организмы и другие объекты.
Внешние связи также можно классифицировать по степени их
сложности. Если внешние связи объекта ограничиваются неболь
шим числом взаимодействий, то они относятся к простым связям.
Коли же число внешних связей велико и они влияют друг на дру
гл, 'го внешние связи называются сложными. Примерами слож
пых связей являются взаимодействие Земли с внешними объекта
ми, взаимодействие организма с внешней средой.
Изменение состояния простого объекта со временем происхо
дит достаточно просто, если его внешние связи простые. Напри
мер, при рассмотрении процесса движения материальной точки
простые внешние связи удается связать с состоянием материал!,
пой точки с помощью силы, модуль и направление которой опро
доляются состоянием материальной точки в текущий момент вре
мони. Закон движения в этом случае называется динамическим
26. Природные процессы
законом. Переменные, определяющие состояние объекта и силу,
действующую на объект, называются динамическими перемен
ными.
Природный процесс, который можно описать динамическим
законом, называется динамическим процессом. Его особенность
состоит в том, что по начальным значениям динамических пере
менных и закону зависимости силы от этих переменных можно
найти состояние объекта в любой момент времени.
Интересно, что движение планет вокруг Солнца можно рас
сматривать как динамический процесс. В этом процессе планеты
рассматриваются как простые тела, на которые действуют про
стые связи со стороны Солнца.
Ситуация меняется, когда мы интересуемся процессами эво
люции, изменением состояния планет как сложных объектов, на
которые действуют сложные связи. Похожие процессы наблюда
ются при воздействии сложных связей на простой объект. Пред
сказать, в каком состоянии окажется объект под действием слож
ных связей, становится невозможным.
Здесь вступают в силу другие закономерности. Часто они но
сят статистический или вероятностный характер. В этом случае
состояние объекта со временем изменяется неоднозначно. Из не
которого начального состояния объект может оказаться в одном,
или другом, или третьем состоянии. Переход в эти состояния про
исходит при этом случайным образом.
Это означает, что если наблюдать сразу за несколькими оди
наковыми объектами с одинаковыми связями, то их последующие
состояния будут разными. Но отношение числа объектов в каж
дом из доступных последующих состояний к общему числу объек
тов будет вполне определенной величиной, которая называется
вероятностью возможного состояния.
Часто вероятность того или иного состояния обозначается ла
тинской буквой Р с нижним индексом, обозначающим соответ-
ствующее состояние.
Величины, характеризующие случайные состояния, называ
ются случайными величинами. Значение случайной величины
обозначается соответствующей буквой с нижним индексом, обо
значающим состояние объекта. Например, случайная скорость
обозначается I?.. Случайные величины характеризуются средним
значением, равным отношению суммы значений случайной вели
чины в различных состояниях к общему числу этих состояний.
Это отношение равно сумме произведений значений случайной
27. Случайные процессы и вероятностные закономерности
величины на вероятность состояния, в котором случайная вели
чипа имеет это значение. Зная вероятность состояния, можно
найти среднее значение, которое будет иметь случайная физи
чгская величина. Среднее значение можно измерить в зкспсрп
мштах, поэтому вычисление среднего значения случайной вели
чины играет большую роль.
Природные процессы, имеющие вероятностный или случаи
пый характер, называются случайными процессами. Случайный
процесс, для которого вероятность состояния не зависит от време
пи, называется стационарным случайным процессом. Если веро
втность состояния зависит от времени, то случайный процесс! на
зывается нестационарным случайным процессом.
Определение значения вероятности того или иного состояния
и средних значений случайных величин — задача естественных
паук.
Подведем итоги
Природный процесс, который можно описать динамическим
законом, называется динамическим процессом. Его особен
ность состоит в том, что по начальным значениям динам ичес
ких переменных и закону зависимости силы от этих перемок
пых можно найти состояние объекта в любой момент времени.
Природные процессы, имеющие вероятностный или случайный
характер, называются случайными процессами. Случайный
процесс, для которого вероятность состояния не зависит от вре
мени, называется стационарным случайным процессом. Если
вероятность состояния зависит от времени, то случайный про
цесс называется нестационарным случайным процессом.
Определение значения вероятности того или иного состояния
и средних значений случайных величин — задача естествен
ных наук.
Что нужно обязательно запомнить
• Какими величинами характеризуется случайный процесс?
Что необходимо понять и усвоить
В чем отличие случайного процесса от динамического процесса?
28. Природные процессы
Что нужно научиться делать
• Давать определение вероятности состояния и среднего значе
ния случайной величины.
Контрольные вопросы
1. Какие объекты относятся к простым, а какие — к сложным?
2. Как классифицируются связи между объектами?
3. Как классифицируются природные процессы?
4. Какие процессы называются случайными процессами?
5. В чем отличие случайного процесса от динамического процесса?
6. Какими величинами характеризуется случайный процесс?
Задания
1. Приведите примеры случайных процессов.
2. Определите средний рост учащихся в вашем классе.
§ 6
Необратимый характер
тепловых процессов в природе
О чем пойдет речь
О необратимых и обратимых процессах в природе, процессе
теплового взаимодействия между телами и его необратимом ха
рактере.
Обсудим затронутые проблемы
При взаимодействии природных объектов между ними проис
ходит обмен частицами вещества или квантами физических по
лей. В результате взаимодействия объекты передают друг другу
энергию, импульс, момент импульса, массу и другие свойства.
Если при взаимодействии объект получает и отдает одинаковое
количество того или иного свойства, то его состояние со временем
не изменяется. В этом случае говорят о динамическом равновесии
объекта с окружением. Если это условие не выполняется, то
29. Необратимый характер тепловых процессов в природо
ПМ’ТОЯНИе объекта будет изменяться со временем из за взаимодей
етвия с другими объектами.
Хорошо известным примером взаимодействия между телами,
происходящего с обменом энергией между ними, служит тепловое
взаимодействие. При тепловом взаимодействии тела обменивают
ев зпергией без совершения механической работы. Если тепловое
взаимодействие осуществляется при непосредственном контакте
взаимодействующих тел, то энергия передается за счет взапмо
«действия молекул или атомов. Если контакта нет, то энергия не
р<‘дается излучением.
И в том, и в другом случае тело с большей температурой будет
терять внутреннюю энергию, остывать, а тело с меньшей темпера
турой нагреваться, увеличивать внутреннюю энергию. Так бу
дет происходить до тех пор, пока температуры тел не сравняются.
И ;>том случае наступает тепловое равновесие, которое представ
»тот частный случай динамического равновесия. При этом энер
|ив, отдаваемая каждым телом, равна энергии, получаемой этим
телом.
Процесс достижения теплового равновесия называется релак
гзцпей. Характерной особенностью процесса теплового взаимодей
етвия является его необратимость.
Процесс релаксации развивается во времени всегда таким об
разом, что температуры взаимодействующих тел выравниваются.
Однако обратный процесс теплового взаимодействия, при котором
температура взаимодействующих тел самопроизвольно начала бы
изменяться от равновесного состояния к неравновесному, никогда
не наблюдается.
Нарушить тепловое равновесие можно, воздействуя на тела,
находящиеся в равновесии, другими телами. Если одно из взап
м<»действующих тел нагревать, а другое охлаждать, то можно сно
ва перевести эти тела в состояние с исходной разностью темпера
тур.
Процессы, которые могут происходить в обратном направле
пни только под действием других тел, называются необратимыми
процессами.
Процессы, которые могут происходить как в прямом, так и в
<»братном направлении без изменения состояния окружающих
тел, называются обратимыми процессами.
Примером обратимого процесса служат периодические коле
бания маятника в отсутствие трения. Конечно, полностью ис
ключить трение невозможно, но его можно существенно умень
30. риродныс процессы
шить, поместив маятник под стеклянный колокол вакуумного на
coca, как показано на рис. 3.
о
Рис. 3. Маятник под колоколом вакуумного насоса
После откачки воздуха из-под колокола колебания маятника
происходят с малым затуханием, и движение маятника носит об
ратимый характер. Маятник движется слева направо, затем спра
ва налево, последовательно проходя через одни и те же состояния
в обратном порядке. Но и в этом случае маятник, в конце концов,
остановится из-за потерь механической энергии за счет трения в
точке подвеса маятника и взаимодействия с оставшимися молеку
лами воздуха.
Опыт показывает, что все реальные природные процессы необ
ратимы. Для количественного описания необратимых процессов
немецкий физик Р. Клаузиус ввел понятие энтропии, смысл кото
рого с молекулярной точки зрения был раскрыт австрийским фи
зиком Л . Больцманом.
Со временем понятие энтропии приобрело общенаучное значе
ние при описании не только тепловых, но и других природных
процессов, в том числе процессов в живых системах. Более под
робно энтропия рассматривается в § 7.
Подведем итоги
• Процессы, которые могут происходить в обратном направле
нии только под действием других тел, называются необрати
мыми.
• Процессы, которые могут происходить как в прямом, так и в
обратном направлении без изменения состояния окружающих
тел, называются обратимыми.
30
31. Необратимый хлрлкгор тепловых процессов и природе
• Одним ИЗ ВИДОМ НШШМОДеЙСТВИЯ между объектами ЯМ./1 ЯСТСЯ
тепловое взаимодействие. При тепловом взаимодействии оГп.
екты передают энергию друг другу без совершения мсхапичг
ской работы за счет взаимодействия молекул или излучении.
• Передача энергии при тепловом взаимодействии происходи*!
случайным образом. Со временем при тепловом взаимодей
ствии тела приходят в состояние теплового равновесия, кото
рое характеризуется одинаковой температурой взаимодейстну
ющих тел. Процесс достижения теплового равновесия назыкн
ется релаксацией. Релаксация — это необратимый процесс
Он не может идти сам по себе. Практически все природные
процессы имеют необратимый характер.
• Д ля количественного описания необратимых тепловых про
цессов вводится понятие энтропии.
Что нужно обязательно запомнить
• Процесс теплового взаимодействия является случайным про
цессом.
• Процесс установления теплового равновесия называется ре
лаксацией.
Что необходимо понять и усвоить
• Процесс релаксации является необратимым процессом.
• Все природные процессы необратимы.
Что нужно научиться делать
Приводить примеры обратимых и необратимых процессов.
Контрольные вопросы
1. Что такое тепловое взаимодействие?
2. В чем разница между тепловым и механическим взаимодействиями?
3. Что такое динамическое равновесие?
4. Чем динамическое равновесие отличается от механического равном*»
сия?
5. Что называется тепловым равновесием?
(>. Что называется обратимым процессом?
7. Что называется необратимым процессом?
32. Природные процессы
Задание
Приведите примеры обратимых и необратимых процессов.
§7
Порядок, беспорядок, энтропия,
информация*
О чем пойдет речь?
Об особенностях описания случайных процессов в природных
системах и содержании понятий: порядок, беспорядок, энтропия
и информация.
Обсудим затронутые проблемы
Понятие энтропии первоначально было введено в физике для
описания необратимых процессов в макросистемах, состоящих из
огромного числа частиц.
В качестве примера такой системы рассмотрим газ в комнате.
Известно, что при постоянных внешних условиях воздух в комна
те имеет практически одинаковые значения плотности, давления
и температуры в разных частях комнаты.
Если включить нагреватель, то воздух, находящийся в непо
средственной близости от нагревателя, нагреется. Но стоит вы
ключить прибор, как через некоторое время температура вновь
выровняется за счет необратимого процесса релаксации.
Почему это происходит, что за таинственная причина вырав
нивает значения физических величин, характеризующих состоя
ние газа в отдельных частях его объема? Беспорядочное движение
молекул — вот главный механизм усреднения значений физиче
ских величин в объеме газа. Правда, остается непонятно, почему
в результате движения молекул никогда не наблюдается такая
ситуация, при которой температура газа увеличивается только
в одной половине комнаты, или почему газ не собирается в од
ном из углов комнаты.
33. Порядок, беспорядок, энтропия, информация
Законы, которые описывают движение частиц газа, такие ни
леиия не запрещают. Однако они никогда не наблюдаются. И чем
идесь дело? Постараемся ответить на этот вопрос, учитывая, что
(чюйства газа определяются свойствами молекул или атомов, им
которых он состоит.
Предположим, что в объеме комнаты находится N молекул
идеального газа. В идеальном газе молекулы движутся практи
чески независимо друг от друга. Это означает, что каждая моле
1 сула за некоторое время может побывать в любой точке внутри
комнаты за счет кратковременных столкновений между собой
и со стенами комнаты.
Если мысленно разделить комнату перегородкой на две ран
иые половины, правую и левую, то в силу независимости движе
пия молекул можно считать, что каждая молекула одинаково час
то, или с равной вероятностью, может находиться как справа, так
и слева от перегородки. Вероятность обнаружить ее в одной из но
ловин комнаты равна 0,5. Ситуация здесь напоминает известную
игру с отгадыванием выпадения «орла» или «реш ки» при подбра
сывании монеты.
Теперь рассмотрим возможные расположения двух молекул
и комнате относительно перегородки. Так как молекулы движут
ся независимо друг от друга, положение одной из них никак не
влияет на положение другой молекулы. Тогда каждому возмож
ному расположению одной молекулы ¥1 следует сопоставит], все
возможные расположения другой молекулы.
Число возможных расположений двух молекул относительно
перегородки Т^2 будет равно произведению возможных располо
жений каждой молекулы относительно перегородки (рис. 4), т. е.
¥ = 2 - 2 = 4.
о
о
Рис. 4. Возможные расположения двух молекул
относительно перегородки
34. I П р и ро д н ы е про ц ессы
Для трех молекул число возможных расположений отно
сительно перегородки будет равно произведению XV2 на два воз
можных расположения третьей молекулы (рис. 5):
ТУ3 = ¥ 2 •2 = 2 •2 •2 = 8.
ф
ф
ф
ф о
ф
ф ф
э
о э
0
о ф
ф
•
о 0
ф
ф
э
Рис. 5. Возможные расположения трех молекул
относительно перегородки
Из рисунков видно, что ситуация, при которой все молекулы
находятся по одну сторону от перегородки, например справа от
нее, реализуется только в одном случае как для двух, так и для
трех молекул.
Рассуждая аналогичным образом, можно показать, что для N
молекул идеального газа общее число возможных расположений
относительно перегородки ¥^травно
IV = 2 * 2 * 2 * . . . * 2 = 2*^.
При этом опять только одно расположение соответствует слу
чаю, когда все молекулы соберутся справа от перегородки.
Считая, что каждое возможное расположение молекул ничем
не хуже другого, можно сделать вывод о том, что при N выбороч
ных наблюдениях за расположением молекул в комнате только
один раз можно обнаружить их все справа от перегородки. Следо
вательно, частота такого расположения молекул, или вероятность
такого события, равна 1/2м.
34
35. Порядок, беспорядок, энтропия, информация
Если для величины N принять значение постоянной Лногадро
N л , равное числу молекул к одном моле вещества N A 6,02 •
то вероятность появления интересующего нас события будет рпII
па 1/(6,02 • 1023), т. е. практически равна нулю.
Каждое из возможных расположений молекул, соответствую
щее определенному состоянию макроскопической системы, налы
вается микросостоянием.
Из проведенных рассуждений видно, что одним состояниям
макросистемы соответствует сразу несколько микросостояиий, на
пример для случая равномерного распределения молекул относи
тельно перегородки, а другим — только одно или небольшое Ч П С
ло микросостояний.
Для характеристики числа возможных состояний макросистемы
ввели особое понятие, соответствующее бытовым представлениям.
Состояние макросистемы, которое реализуется малым числом
микросостояний, называется упорядоченным состоянием макро
системы или порядком.
Состояние макросистемы, которое реализуется большим чпс
лом микросостояний, называется беспорядочным, случайным со
стоянием, или хаосом.
Равновесное состояние как раз соответствует состоянию хаоса
в макросистеме. Количественную меру беспорядка в макросисте
мах впервые ввел немецкий физик Р. Клаузиус в 1865 г. Величи
ну, характеризующую беспорядок в системе, он назвал энтропи
ей. Энтропия обозначается латинской буквой 5.
Австрийский физик Л . Больцман предложил выражать энтро
пию как меру беспорядка через число микросостояний ¥. Однако
макросистема состоит из большого числа микрочастиц и число ее
возможных состояний огромно. Это очень затрудняет использова
ние величин, связанных с такими числами. Поэтому Больцман
предложил считать энтропию пропорциональной натуральному
логарифму IV, поскольку натуральный логарифм большого числа
намного меньше самого числа. Коэффициентом пропорционал к
пости служит постоянная Больцмана к = 1,38 * 10~23 Дж/К в сис
теме СИ.
Таким образом, энтропия
Б = к 1пУГ. ■
Эта формула выбита на могильной плите Больцмана в Вене.
![УДК. »73.107.1:60
ББК 20я73
М23
Мансуров А. Н.
М23 Естествознание. Базовый уровень : учебник для
11 класса / А. Н. Мансуров, Н. А. Мансуров. —
М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. — 232 с. :
ил., [16] с. цв. вкл.
К В И 978-5-9963-1188-0
В учебнике продолжается изучение современной есте
ственнонаучной картины мира с помощью научного метода.
Рассматриваются природные процессы, включая жизнь, и со
временные естественнонаучные представления об окружаю
щем мире. Большое внимание уделяется обсуждению гипотез
о происхождении жизни и человека на Земле, охране окру
жающей среды и укреплению здоровья человека.
Каждый параграф сопровождается аннотацией, вопросами
и заданиями, способствующими более глубокому усвоению
учебного материала и проверке уровня его освоения в про
цессе обучения. Параграфы, обозначенные звездочкой, пред
назначены для учащихся, проявивших повышенный интерес
к изучаемой теме.
Соответствует Федеральному государственному образова
тельному стандарту среднего (полного) общего образования
(2012 г.).
У Д К 3 7 3 .1 6 7 .1 :5 0
Б Б К 2 0 я 7 3
Учебное издание
Мансуров Андрей Николаевич
Мансуров Николай Андреевич
ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ.
БАЗОВЫЙ УРОВЕНЬ
Учебник для 11 класса
Редакторы Т. Г. Хохлова, Л. А. Осипова. Методист А. Ю. Пентин
Художественное оформление: И. Е. Марев. Художник Н. А. Новак
Технический редактор Е. В. Денюкова. Корректор Е.Н.Клитина
Компьютерная верстка: В. А. Носенко
Подписано в печать 18.12.12. Формат 70x100/16.
Уел. печ. л. 18,85. Тираж 2000 экз. Заказ 1743.
Издательство «БИНОМ. Лаборатория знаний»
125167, Москва, проезд Аэропорта, д. 3. Телефон: (499)157-5272
e-mail: binom@Lbz.ru, http://www.Lbz.ru, http://metodist.Lbz.ru
Отпечатано в ОАО «Можайский полиграфический комбинат»
143200, г. Можайск, ул. Мира. 93
^ www.oaompk.ru, www.OAOMnK.pc}) тел.: (495) 745-84-28, (49638) 20-685
ISBN 978-5-9963-1188-0 © ПИНОМ. Лаборатория знаний, 2013](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)