МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

РОССИЙСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

ТОРГОВО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

ТУЛЬСКИЙ  ФИЛИАЛ

(Тульский  филиал РГТЭУ) 
 
 
 
 
 
 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 

«Концепции современного естествознания»

«Гравитационное и электромагнитное взаимодействия.

Уровни  организации живой материи.

Примеры  каталитических реакций. Принцип действия катализатора» 
 
 
 

Выполнил:

Студент  1 курса

Заочного  отделения

специальности «Финансы и кредит»

Шуленин Алексей  Владимирович

Проверил:

Иванов Константин Владимирович 
 
 
 
 
 
 
 
 

Тула 2010 год

Вариант 7.

1. Гравитационное и электромагнитное взаимодействия.
2. Уровни организации живой материи.
3. Приведите пример нескольких каталитических реакций. Объясните принцип действия катализатора.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Вопрос  №1. Гравитационное и электромагнитное взаимодействия 

 
«Теория оказывается  тем более впечатляющей, 

чем проще её предпосылки, чем значительнее   

разнообразие  охватываемых ею явлений и чем

чем шире область её применимости».

А. Эйнштейн 

Гравитационное и электромагнитное взаимодействия, наряду с сильным и слабым взаимодействиями являются фундаментальными взаимодействиями. 

 Фундамента́льные взаимоде́йствия — качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел.

При этом электромагнитное и слабое взаимодействия являются проявлениями единого электрослабого взаимодействия.

Гравитационное взаимодействие

Гравитация (всемирное тяготение, тяготение) (от лат. gravitas — «тяжесть») — универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами. В приближении малых скоростей и слабого гравитационного взаимодействия описывается теорией тяготения Ньютона, в общем случае описывается общей теорией относительности Эйнштейна. Гравитация является самым слабым из четырех типов фундаментальных взаимодействий. В квантовом пределе переходит в квантовую теорию гравитации, которая ещё полностью не разработана. 

В рамках классической механики гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона( см Приложение 1.), который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m₁ и m₂, разделёнными расстоянием r, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния — то есть

Здесь G — гравитационная постоянная, равная примерно м³/(кг·с²). 

Закон всемирного тяготения — одно из приложений закона обратных квадратов, встречающегося также и при изучении излучений (например, Давление света), и являющегося прямым следствием квадратичного увеличения площади сферы при увеличении радиуса, что приводит к квадратичному же уменьшению вклада любой единичной площади в площадь всей сферы.

Поле тяжести потенциально. Это значит, что можно ввести потенциальную энергию гравитационного притяжения пары тел, и эта энергия не изменится после перемещения тел по замкнутому контуру. Потенциальность поля тяжести влечёт за собой закон сохранения суммы кинетической и потенциальной энергии и при изучении движения тел в поле тяжести часто существенно упрощает решение. В рамках ньютоновской механики гравитационное взаимодействие является дальнодействующим. Это означает, что как бы массивное тело ни двигалось, в любой точке пространства гравитационный потенциал зависит только от положения тела в данный момент времени.

Большие космические  объекты — планеты, звезды и галактики имеют огромную массу и, следовательно, создают значительные гравитационные поля.

Гравитация — слабейшее взаимодействие. Однако, поскольку оно действует на любых расстояниях, и все массы положительны, это, тем не менее, очень важная сила во Вселенной. В частности, электромагнитное взаимодействие между телами на космических масштабах мало, поскольку полный электрический заряд этих тел равен нулю (вещество в целом электрически нейтрально).

Также гравитация, в  отличие от других взаимодействий, универсальна в действии на всю материю  и энергию. Не обнаружены объекты, у  которых вообще отсутствовало бы гравитационное взаимодействие.

Из-за глобального  характера гравитация ответственна и за такие крупномасштабные эффекты, как структура галактик, черные дыры и расширение Вселенной, и за элементарные астрономические явления — орбиты планет, и за простое притяжение к поверхности Земли и падения тел.

Гравитация была первым взаимодействием, описанным математической теорией. Аристотель считал, что объекты с разной массой падают с разной скоростью. Только много позже Галилео Галилей экспериментально определил, что это не так — если сопротивление воздуха устраняется, все тела ускоряются одинаково. Закон всеобщего тяготения Исаака Ньютона (1687) хорошо описывал общее поведение гравитации. В 1915 году Альберт Эйнштейн создал Общую теорию относительности, более точно описывающую гравитацию в терминах геометрии пространства-времени.

Электромагнитное  взаимодействие

 

Электромагнитное  взаимодействие — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий. Электромагнитное взаимодействие существует между частицами, обладающими электрическим зарядом. С современной точки зрения электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а только посредством электромагнитного поля.

С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном — фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля). Сам фотон электрическим зарядом не обладает, а значит не может непосредственно взаимодействовать с другими фотонами.

Из фундаментальных  частиц в электромагнитном взаимодействии участвуют также имеющие электрический  заряд частицы: кварки, электрон, мюон и тау-частица (из фермионов), а также заряженые калибровочные бозоны.

 
Электромагнитное  взаимодействие отличается от слабого и сильного взаимодействия своим дальнодействующим характером — сила взаимодействия между двумя зарядами спадает только как вторая степень расстояния (закон Кулона). По такому же закону спадает с расстоянием гравитационное взаимодействие. Электромагнитное взаимодействие заряженных частиц намного сильнее гравитационного, и единственная причина, по которой электромагнитное взаимодействие не проявляется с большой силой на космических масштабах — электрическая нейтральность материи, то есть наличие в каждой области Вселенной с высокой степенью точности равных количеств положительных и отрицательных зарядов.

В классических (неквантовых) рамках электромагнитное взаимодействие описывается классической электродинамикой. 

Электродина́мика — раздел физики, изучающий электромагнитное поле в наиболее общем случае (то есть, рассматриваются переменные поля, зависящие от времени) и его взаимодействие с телами, имеющими электрический заряд (электромагнитное взаимодействие). Предмет электродинамики включает связь электрических и магнитных явлений, электромагнитное излучение (в разных условиях, как свободное, так и в разнообразных случаях взаимодействии с веществом), электрический ток (вообще говоря, переменный) и его взаимодействие с электромагнитным полем (электрический ток может быть рассмотрен при этом как совокупность движущихся заряженных частиц). Любое электрическое и магнитное взаимодействие между заряженными телами рассматривается в современной физике как осуществляющееся через посредство электромагнитного поля, и, следовательно, также является предметом электродинамики.

Чаще всего под  термином электродинамика по умолчанию понимается классическая (не затрагивающая квантовых эффектов) электродинамика; для обозначения современной квантовой теории электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными частицами обычно используется устойчивый термин квантовая электродинамика.

Основные понятия, которыми оперирует электродинамика, включают в себя:

• Электромагнитное поле — это основной предмет изучения электродинамики, вид материи, проявляющийся при взаимодействии с заряженными телами. Исторически разделяется на два поля:
• Электрическое поле — создаётся любым заряженным телом и воздействует также на любое заряженное тело.
• Магнитное поле — создаётся только движущимися заряженными телами, а также заряженными телами, имеющими спин, взаимодействует также только с такими телами.
• Электрический заряд — это свойство тел, позволяющее им создавать электромагнитные поля, а также взаимодействовать с этими полями.
• Электромагнитный потенциал — 4-векторная физическая величина, полностью определяющая распределение электромагнитного поля в пространстве. Выделяют:
• Электростатический потенциал — временная компонента 4-вектора
• Векторный потенциал — трёхмерный вектор, образованный оставшимися компонентами 4-вектора.
• Вектор Пойнтинга — векторная физическая величина, имеющая смысл плотности потока энергии электромагнитного поля.

Основными уравнениями, описывающими поведение электромагнитного  поля и его взаимодействие с заряженными  телами являются:

• Уравнения Максвелла, определяющие поведение свободного электромагнитного поля в вакууме и среде, а также генерацию поля источниками. Среди этих уравнений можно выделить:
• Закон индукции Фарадея, определяющий генерацию электрического поля переменным магнитным полем.
• Закон Био — Савара — Лапласа с добавлением токов смещения, введённых Максвеллом, определяет генерацию магнитного поля движущимися зарядами и переменным электрическим полем
• Теорема Гаусса для электрического поля, определяющая генерацию электростатического поля зарядами.
• Закон замкнутости силовых линий магнитного поля.
• Выражение для силы Лоренца, определяющее силу, действующую на заряд, находящийся в электромагнитном поле.
• Закон Джоуля — Ленца, определяющий величину тепловых потерь в проводящей среде с конечной проводимостью, при наличии в ней электрического поля.