Учебник соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту среднего (полного) общего образования и рассчитан на преподавание предмета из расчета 3 часа в неделю.
Учебник содержит сведения об основных законах и закономерностях, отражающих порядок и самоорганизацию в природе; о строении и деятельности живых систем от клетки до экосистемы; о происхождении и развитии жизни на Земле; об особенностях происхождения и развития человека, его генетике и заболеваниях; о ноосфере и технических достижениях человека.
Современное оформление, многоуровневые вопросы и задания, дополнительная информация и возможность параллельной работы с электронным приложением способствуют эффективному усвоению учебного материала.
Учебник адресован учащимся 11 класса.
Введение
Дорогие старшеклассники!
В прошлом году вы познакомились с основными законами физики, узнали, как устроены элементарные частицы, из которых состоит наш мир, какие силы влияют на их движение и расположение в пространстве. Вы узнали также о том, как протекают основные химические реакции и каким образом из атомов формируются молекулы – от самых простых, как молекулы воды, до сложных полимеров, деятельность которых лежит в основе работы живого организма. Вы познакомились со строением Земли, Солнечной системы и Вселенной в целом.
В этом году мы рассмотрим более сложные процессы, которые основаны на уже известных вам физических законах. Мы попытаемся понять, что означают слова «порядок» и «беспорядок» в естественных системах и как можно оценить соотношение того и другого. Мы узнаем, что в природе существуют системы, способные к самоорганизации, т. е. к созданию порядка внутри самих себя. Наиболее сложными такими системами являются живые организмы.
Порядок и самоорганизация в природе
§ 1 Порядок и беспорядок в строении веществ
Как вам известно, все вещества состоят из молекул, атомов или ионов. При этом атомы или ионы в кристаллах некоторых веществ могут быть соединены прочными связями и образовывать жёсткие неизменяемые структуры со строго установленным порядком. Атомы или молекулы других веществ могут свободно перемещаться в пространстве, взаимодействуя с другими атомами или молекулами только тогда, когда случайно с ними столкнутся. В зависимости от типа взаимодействия молекул или атомов вещества могут находиться в определённом
агрегатном состоянии.
Существует три основных агрегатных состояния вещества – твёрдое, жидкое и газообразное. Иногда их называют также фазовыми состояниями.
Твёрдые тела образованы веществами, находящимися в твёрдом агрегатном состоянии. Они обладают формой, не растекаются и не разлетаются по объёму окружающего их сосуда (рис. 1). Их атомы или молекулы сохраняют своё положение относительно других атомов или молекул благодаря межмолекулярным взаимодействиям. Наибольший порядок расположения атомов существует в
кристаллических
твёрдых телах: зная, где находится один атом, можно с большой точностью определить, где находится такой же другой. Атомы или молекулы в кристаллах располагаются в вершинах многогранников, образуя правильную структуру, которую называют кристаллической решёткой.
§ 2 Теплота и температура
При изменении температуры или давления вещества могут менять своё агрегатное состояние. В качестве наиболее наглядного примера можно рассмотреть изменения агрегатного состояния воды. Как известно, при температуре ниже 0 °C вода находится в твёрдом состоянии, т. е. представляет собой лёд. При такой температуре она не может находиться в жидком состоянии, но может ли находиться в газообразном? Казалось бы, на этот вопрос напрашивается отрицательный ответ. Однако это не так. Все хозяйки знают, что бельё, вывешенное на балконе или во дворе, даже при сильном морозе со временем высыхает. Это происходит потому, что, несмотря на то что молекулы воды довольно прочно удерживаются в кристаллах льда, время от времени им удаётся оторваться и покинуть свою льдину. Оторвавшиеся молекулы образуют водяной пар, который всегда присутствует вокруг куска льда, хотя в морозную погоду его количество весьма невелико.
Когда температура достигает 0 °C, вода скачкообразно переходит в жидкое состояние. Этот процесс называют
плавлением.
Тепловая энергия, которую в это время поглощает вода, целиком расходуется на разрушение кристаллической решётки льда, поэтому до той поры, пока лёд полностью не растает, его температура повышаться не будет. Такую теплоту называют
теплотой плавления,
она поглощается без изменения температуры. Когда вся вода перейдёт в жидкое состояние, дальнейшее её нагревание будет сопровождаться ростом температуры. При этом из жидкой воды, так же как и изо льда, будет постоянно вылетать часть молекул. Для того чтобы молекула покинула жидкую среду, требуется затратить энергию. На
испарение
воды расходуется энергия в виде тепла, теряя которую вода остывает. Все знают, что при одной и той же температуре воздуха сухая одежда греет гораздо лучше, чем мокрая. Это известно и природе, которая для защиты организмов от перегрева создала механизм выделения пота. Теплота, расходуемая на испарение пота, забирается у организма и не даёт ему перегреться.
Когда температура воды достигнет 100 °C, начнётся её
Лёд плавится (т. е. тает) при температуре
Так как для плавления и испарения вещества требуется затратить энергию, следовательно, при прочих равных условиях газообразное состояние вещества обладает большей энергией, чем жидкое, а жидкое – большей энергией, чем твёрдое. Таким образом, при переходе вещества из газообразного состояния в жидкое (конденсации) энергия должна выделяться. То же самое будет наблюдаться при застывании (кристаллизации) вещества. Количество теплоты, выделяемое веществом во время конденсации и кристаллизации, в точности равно тому, которое расходуется на их испарение и соответственно на плавление. Это следует из закона сохранения энергии.
§ 3 Идеальный газ и его законы
Изучение тепловых явлений в жидкостях и твёрдых телах часто вызывает затруднения. В этих системах молекулы постоянно взаимодействуют и достаточно прочно удерживаются друг возле друга. Гораздо проще обстоит дело с газами, где молекулы свободно перемещаются и пробегают большие расстояния, а их взаимодействия ограничены только случайными столкновениями. Конечно, в реальных газах приходится учитывать возможную ионизацию и возникающие в результате неё силы электрического притяжения и отталкивания, а также размеры и массу молекул. Однако метод научного абстрагирования оказал науке неоценимую пользу. В своё время Галилей предложил не учитывать влияние трения, затем физики согласились не принимать во внимание размеры тел в уравнениях механики, сводя все их перемещения к движению «материальных точек». Аналогично была создана и модель
идеального газа.
Эта модель предполагает, что потенциальной энергией молекул можно пренебречь по сравнению с их кинетической энергией. Между молекулами не действуют силы притяжения или отталкивания, а их случайные соударения являются абсолютно упругими. Таким образом, траектория движения каждой молекулы не зависит от движения других молекул. Кроме того, эти молекулы достаточно малы и симметричны, поэтому можно не принимать во внимание их вращение вокруг своей оси. Использование такой модели позволило сформулировать фундаментальные законы, которые во многих случаях достаточно точно объясняют свойства реальных газов.
Три «газовых закона» устанавливают связь между объёмом, давлением и температурой определённой массы газа. Они названы в честь их первооткрывателей законами Бойля – Мариотта, Гей-Люссака и Шарля и являются частными по отношению к уравнению состояния идеального газа
[2]
.
Предположим, что в сосуде находится некоторое количество газа. Данное количество, т. е. суммарную массу всех молекул газа, будем считать постоянным. Это означает, что сосуд является закрытой системой,т. е. газ не выходит из него и не входит в него. Тогда состояние газа можно в полной мере определить с помощью трёх характеристик: занимаемого им объёма, его температуры и давления, которое он оказывает на стенки сосуда. Что такое объём, понятно без дополнительных объяснений. Температура, как мы уже знаем, зависит от средней кинетической энергии всех находящихся в сосуде молекул газа. А что такое давление? Находящиеся в свободном движении молекулы газа время от времени ударяются о стенки сосуда, передавая им свои импульсы. Как вам уже известно, частное от деления изменения импульса на время, в течение которого он действует, представляет собой силу. Таким образом, находящийся в сосуде газ действует на стенки сосуда с некоторой силой. Очевидно, что эта сила пропорциональна площади стенки, так как чем больше площадь, тем больше молекул имеют шанс удариться о неё за единицу времени. Отношение действующей на стенку силы к площади этой стенки, т. е. силу, действующую на единицу площади, называют
§ 4 Энергия и работа
Древние изобретатели старались отыскать в природе дополнительные источники энергии. Первым таким источником стала вода. Люди обратили внимание на её мощные потоки и придумали, как извлечь пользу из этого движения. Так появилось водяное колесо, которое изначально было предназначено для орошения полей. Сначала в воду опускали колесо с черпаками и вращали его вручную, поднимая воду на поверхность, но вскоре догадались, что если к колесу приделать лопатки, то текущая вода сама будет вращать его и доставлять воду наверх. Вскоре на основе водяного колеса были созданы водяные мельницы (рис. 8), которые сначала использовали для помола зерна, а начиная с XIII в. – для изготовления бумаги, ковки железа, резки брёвен и многих других работ, а впоследствии и для выработки электроэнергии. В тех местах, где течение рек и ручьёв было недостаточно быстрым, стали создавать плотины, с высоты которых вода падала с большой скоростью. Несмотря на очевидную выгоду водяных мельниц, их работа вызывала у людей непонимание и боязнь, считалось, что в их окрестностях обитают русалки и водяные, а мельников подозревали в преступных связях с нечистой силой.
Вторым источником дополнительной энергии для человека стал ветер. Мощность ветра меньше, чем мощность падающей воды, да и дует он не всегда, зато он не привязан к рекам и может использоваться в любом месте. О том, что сила ветра может вызывать полезное движение, было известно очень давно, ещё со времени изобретения парусов. Примерно в VII в. люди из засушливых степей Азии, видевшие, как работают водяные мельницы, но не имевшие собственных водных источников, изобрели ветряные мельницы, которые могли вращать жернова. Из жёрнова выходил вертикальный вал с парусами, который поворачивался, когда дул ветер. С помощью таких мельниц можно было молоть зерно, а также качать воду из– под земли. Впоследствии ветряные мельницы сделали вращающимися, для того чтобы «ловить» ветер, когда он меняет своё направление (рис. 9).
