Естествознание и его современные концепции

10

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Бузулукский гуманитарно-технологический институт

(филиал) государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования -

«Оренбургский государственный университет»

Факультет дистанционных технологий

Кафедра физики, информатики, математики

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине «Концепции современного естествознания»

Вариант 20

Руководитель работы

______________Птичкина М.Г.

«_____»______________20___г.

Исполнитель

Студент группа ФБД - 433

__________________Сивашов А.В.

«_____»_____________20___г

Нормоконтролер_______________

«_____»_______________20___г.

Бузулук 2009

Содержание

1. Дать определения

2. Выбрать правильный ответ в тестах

3. Дать развернутые ответы на вопросы

1. Дать определения

1. Волна - это изменение состояния среды (возмущение), распространяющееся в этой среде и переносящее с собой энергию. Другими словами: «…волнами или волной называют изменяющееся со временем пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины, например, плотности вещества, напряжённости электрического поля, температуры».

Более правильное определение: Волна -- это явление распространения в пространстве с течением времени возмущения физической величины.

2. Динамическая закономерность - это форма причинной связи, а также связи состояний, при которой данное состояние системы однозначно определяет все ее последующие состояния, в силу чего знание начальных условий дает возможность точно предсказать дальнейшее развитие системы. Она действует во всех автономных, мало зависящих от внешних воздействий системах, с относительно небольшим числом элементов.

3. Вирус (от лат. virus -- яд; мн.ч. vira) -- микроскопическая частица, состоящая из белков и нуклеиновых кислот и способная инфицировать клетки живых организмов.

4. Адиабатический процесс -- процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной энтропии (S = const). В таком процессе не происходит теплообмена газа с окружающей средой. Газ в этом процессе описывается следующим уравнением:

pV^г = const

где г -- показатель адиабаты, определяемый типом газа.

5. Подобие -- есть сходство объектов, обладающих одинаковыми свойствами, качествами, признаками или образом действия.

6. Биотические факторы среды - это совокупность влияний одних организмов на другие в процессе их жизнедеятельности (опыление растений, затенение верхними ярусами нижних, поедание одних особей другими). В широком смысле это внутри- и межвидовые отношения организмов.

7. Гетерогенная система - система (среда), состоящая из различных по своим свойствам частей, разграниченных поверхностями раздела.

8. Принцип минимального разнообразия: закон необходимого разнообразия подразумевает, что для успешной адаптации и выживания элемент системы должен обладать определенным минимальным запасом гибкости, и эта гибкость должна быть пропорциональна потенциальной вариабельности или неопределенности остальной части системы.

9. Генотип -- совокупность генов данного организма, который, в отличие от понятий генома и генофонда, характеризует особь, а не вид (ещё отличием генотипа от генома является включение в понятие "геном" некодирующих последовательностей, не входящих в понятие "генотип"). Вместе с факторами внешней среды определяет фенотип организма.

10. Эукариоты -- надцарство живых организмов, клетки которых содержат ядра. Все организмы, кроме бактерий и археев, являются ядерными.

11. Влияние кислорода на первичные формы жизни: если бы первичная атмосфера содержала кислород, то жизнь в таких условиях не могла бы возникнуть. Дело в том, что в таких условиях первичные органические вещества были бы кислородом окислены тут же и окиси превратились бы в неорганические.

2. Выбрать правильный ответ в тестах

1. Принцип неопределенности, установленный В. Гейзенбергом, записывается так:

а) Дх^. Др_х h;

б) E = mc²;

в) F = g m1m2

r²

г) F =k q₁q₂

r²

Ответ: а) Дх^. Др_х h;

2. Энергия Солнца поддерживается за счет…

а) бетта - распада;

б) ядерного излучения;

в) термоядерного синтеза;

г) распада радиоактивных элементов.

Ответ: б) ядерного излучения;

в) термоядерного синтеза;

г) распада радиоактивных элементов.

3. К отличиям человека от животных относится…

а) способность к научению;

б) логическое мышление;

в) наличие памяти;

г) способность к абстрактному мышлению и сложной синтетической деятельности.

Ответ: б) логическое мышление;

г) способность к абстрактному мышлению и сложной синтетической деятельности.

4. Единица наследственной информации живого организма - это

а) аллель;

б) хромосома;

в) рибосома;

г) ген.

Ответ: г) ген.

5. Согласно принципу дальнодействия взаимодействия между телами происходит

а) мгновенно;

б) через материальных посредников;

в) на определенных расстояниях;

г) через строго определенное время.

Ответ: а) мгновенно;

в) на определенных расстояниях;

6. Сильное взаимодействие обуславливает…

а) движение планет;

б) химические реакции;

в) бетта - распад ядер;

г) соединение кварков и антикварков в адроны.

Ответ: г) соединение кварков и антикварков в адроны.

7. Как изменяются линейные размеры объекта, движущегося со скоростью, соизмеримой со скоростью света в вакууме?

а) увеличиваются;

б) не изменяются;

в) уменьшаются;

г) становятся прерывистыми.

Ответ: в) уменьшаются.

3. Дать развернутые ответы на вопросы

1. Охарактеризовать гравитационное взаимодействие

Гравитамция (всемимрное тяготемние, тяготемние) (от лат. gravitas -- «тяжесть») -- дальнодействующее фундаментальное взаимодействие, которому подвержены все материальные тела. По современным представлениям, является универсальным взаимодействием материи с пространственно-временным континуумом, и, в отличие от других фундаментальных взаимодействий, всем без исключения телам, независимо от их массы и внутренней структуры, в одной и той же точке пространства и времени придаёт одинаковое ускорение относительно локально-инерциальной системы отсчёта -- принцип эквивалентности Эйнштейна. Главным образом, определяющее влияние гравитация оказывает на материю в космических масштабах. Термин гравитация используется также как название раздела физики, изучающего гравитационное взаимодействие. Наиболее успешной современной физической теорией в классической физике, описывающей гравитацию, является общая теория относительности; квантовая теория гравитационного взаимодействия пока не построена.

Особенность гравитационного взаимодействия состоит в том, что под действием силы гравитационной природы прироста полной энергии пробного тела не происходит (т.е. полная энергия свободно падающего (и не излучающего!) пробного тела не меняется, оставаясь равной полной начальной энергии; перераспределяется лишь соотношение между его энергетическими компонентами).

Гравитационное взаимодействие -- одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в нашем мире. В рамках классической механики, гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, 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 мі/(кг*сІ).

Закон всемирного тяготения -- одно из приложений закона обратных квадратов, встречающегося так же и при изучении излучений (см. например, Давление света), и являющимся 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. Для сравнения: полный электрический заряд этих тел равен нулю, так как 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.

2. Описать химические системы в соответствии с двумя классификациями: по фазовому составу и по взаимодействию с окружающей средой

Конкретный объект термодинамического исследования называют термодинамической системой или просто системой, выделенной из окружающего мира реально существующими или воображаемыми поверхностями. Системой может быть газ в сосуде, раствор реагентов в колбе, кристалл вещества или даже мысленно выделенная часть этих объектов.

По уровням взаимодействия с окружающей средой термодинамические системы принято делить на:

· открытые - обмениваются с окружающей средой веществом и энергией (например, живые объекты);

· закрытые - обмениваются только энергией (например, реакция в закрытой колбе или колбе с обратным холодильником), наиболее частый объект химической термодинамики;

· изолированные - не обмениваются ни веществом, ни энергией и сохраняют постоянный объем (приближение - реакция в термостате).

Очевидно, что из трех типов систем в реальности не существуют системы полностью изолированные, однако именно в них действительны приведенные ниже законы термодинамики.

Для того, чтобы систему можно было описать термодинамически, она должна состоять из большого числа частиц - соответствовать законам статистики.

Если в системе есть реальные поверхности раздела , отделяющие друг от друга части системы, различающиеся по свойствам, то система называется гетерогенной (насыщенный раствор с осадком), если таких поверхностей нет, система называется гомогенной (истинный раствор). Гетерогенные системы содержат не менее двух фаз.

Фаза - совокупность всех гомогенных частей системы, одинаковых по составу и по всем физическим и химическим свойствам (не зависящим от количества вещества) и отграниченных от других частей системы поверхностью раздела. Внутри одной фазы свойства могут изменяться непрерывно, но на поверхности раздела между фазами свойства меняются скачком. Пример двухфазной системы - поверхность реки в ледоход.

Компонентами называют вещества, минимально необходимые для составления данной системы (минимум один). Число компонентов в системе равно числу веществ в ней присутствующих, минус число связывающих эти вещества независимых уравнений.

Свойства системы разделяют на экстенсивные (суммирующиеся) - например, общий объем, масса, и интенсивные (выравнивающиеся) - давление, температура, концентрация и т.п.

Совокупность свойств системы определяет ее состояние. Многие свойства взаимосвязаны, поэтому для гомогенной однокомпонентной системы с известным количеством вещества n достаточно выбрать для характеристики состояния два из трех свойств: температуру T , давление p и объем V . Связывающее свойства уравнение называют уравнением состояния, для идеального газа это:

pV = nRT

Наиболее важны для расчетов функции состояния - такие термодинамические функции, значения которых зависят только от состояния системы и не зависят от пути перехода между состояниями.

Процесс в термодинамике - это не развитие события во времени, а последовательность равновесных состояний системы, ведущих от начального набора термодинамических переменных к конечному.

Термодинамика позволяет полностью решить поставленную задачу, если исследуемый процесс в целом описывается совокупностью равновесных стадий. Разумеется, это идеальный случай, не реализуемый на практике. С определенной степенью приближения многие процессы можно описать как равновесные.

Например, работа реактивного двигателя - это последовательность большого числа почти равновесных процессов в струе, проходящей через каждое малое поперечное сечение двигателя (быстрые реакции быстро устанавливают равновесие в тонком сечении струи).

Классическая термодинамика - это область физики, которая занимается изучением общих свойств макроскопических систем в равновесии, а также общих закономерностей при установлении равновесия.

В этом кратком определении дважды повторяется слово "равновесие", но ничего не говорится о развитии процессов во времени.

По В.А.Кирееву: Равновесным состоянием называется такое термодинамическое состояние системы, которое не изменяется во времени, причем эта неизменяемость не обусловлена протеканием какого-либо внешнего процесса.

3. Раскрыть историческую смену картин мира

Научная картина мира - это целостная система представлений об общих свойствах и закономерностях природы, возникшая в результате обобщения основных естественнонаучных понятий и принципов.

Важнейшие элементы структуры научной картины мира - междисциплинарные концепции, образующие ее каркас. Концепции, лежащие в основе научной картины мира, являются ответами на сущностные основополагающие вопросы о мире. Эти ответы меняются с течением времени, по мере эволюции картины мира, уточняются и расширяются, однако сам "вопросник" остается практически неизменным по крайней мере со времен мыслителей классической Древней Греции.

Каждая научная картина мира обязательно включает в себя следующие представления:

о материи (субстанции);

о движении;

о пространстве и времени;

о взаимодействии;

о причинности и закономерности;

космологические представления.

Каждый из перечисленных элементов изменяется по мере исторической смены научных картин мира.

Современная естественно-научная картина мира, которую еще называют и эволюционной картиной мира является результатом синтеза систем мира древности, античности, гео- и гелиоцентризма, механистической, электромагнитной картин мира и опирается на научные достижения современного естествознания.

В своем развитии естестенно-научная картина мира прошла ряд этапов (табл.1).

Таблица 1 Основные этапы становления современной естественно-научной картины мира

Этап истории	Научная картина мира
4000 лет до н.э. 3000 лет до н.э. 2000 лет до н.э. VIII в. до н.э. VII в. до н.э. VI в. до н.э. V в. до н.э. II в. до н.э. 1543 г. XVII в. XIX в. XX в.	Научные догадки египетских жрецов, составление солнечного календаря. Предсказание солнечных и лунных затмений китайскими мыслителями. Разработка семидневной недели и лунного календаря в Вавилоне. Первые представления о единой естественно-научной картине мира в античный период. Возникновение представлений о материальной первооснове всех вещей. Создание математической программы Пифагора-Платона. Атомистическая физическая программа Демокрита-Эпикура. Континуалистическая физическая программа Анаксагора-Аристотеля. Изложение геоцентрической системы мира К. Птолемеем в сочинении "Альмагест". Гелиоцентрическая система строения мира польского мыслителя Н. Коперника. Становление механистической картины мира на основе законов механики И. Келлера и И. Ньютона. Возникновение электромагнитной картины мира на основе трудов М. Фарадея и Д. Максвелла. Становление современной естественно-научной картины мира.

Современное естествознание представляет окружающий материальный мир нашей Вселенной однородным, изотропным и расширяющимся. Материя в мире находится в форме вещества и поля. По структурному распределению вещества окружающий мир разделяется на три большие области: микромир, макромир и мегамир. Между структурами существуют четыре фундаментальных вида взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное, которые передаются посредством соответствующих полей. Существуют кванты всех фундаментальных взаимодействий.

Если раньше последними неделимыми частицами материи, своеобразными кирпичиками, из которых состоит природа, считали атомы, то впоследствии были открыты электроны, входящие в состав атомов. Позднее было установлено строение ядер атомов, состоящих из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов.

В современной естественно-научной картине мира наблюдается теснейшая связь между всеми естественными науками, здесь время и пространство выступают как единый пространственно-временной континиум, масса и энергия взаимосвязаны, волновое и корпускулярное движения, в известном смысле, объединяются, характеризуя один и тот же объект, наконец, вещество и поле взаимопревращаются. Поэтому в настоящее время предпринимаются настойчивые попытки создать единую теорию всех взаимодействий.

Как механистическая, так и электромагнитная картины мира были построены на динамических, однозначных закономерностях. В современной картине мира вероятностные закономерности оказываются фундаментальными, не сводимыми к динамическим. Случайность стала принципиально важным атрибутом. Она выступает здесь в диалектической взаимосвязи с необходимостью, что и предопределяет фундаментальность вероятностных закономерностей.

Научно-техническая революция, развернувшаяся в последние десятилетия, внесла много нового в наши представления о естественно-научной картине мира. Возникновение системного подхода позволило взглянуть на окружающий мир как на единое, целостное образование, состоящее из огромного множества взаимодействующих друг с другом систем. С другой стороны, появление такого междисциплинарного направления исследований, как синергетика, или учение о самоорганизации, дало возможность не только раскрыть внутренние механизмы всех эволюционных процессов, которые происходят в природе, но и представить весь мир как мир самоорганизующихся процессов. В наибольшей мере новые мировоззренческие подходы к исследованию естественно-научной картины мира и его познания коснулись наук, изучающих живую природу, например биологии.

Революционные преобразования в естествознании означают коренные, качественные изменения в концептуальном содержании его теорий, учений и научных дисциплин при сохранении преемственности в развитии науки и, прежде всего ранее накопленного и проверенного эмпирического материала. Среди них в каждый определенный период выдвигается наиболее общая или фундаментальная теория, которая служит парадигмой, или образцом, для объяснения фактов известных и предсказания фактов неизвестных. Такой парадигмой в свое время служила теория движения земных и небесных тел, построенная Ньютоном, поскольку на нее опирались все ученые, изучавшие конкретные механические процессы. Точно так же все исследователи, изучавшие электрические, магнитные, оптические и радиоволновые процессы, основывались на парадигме электромагнитной теории, которую построил Д.К. Максвелл. Понятие парадигмы для анализа научных революций подчеркивает важную их особенность - смену прежней парадигмы новой, переход к более общей и глубокой теории исследуемых процессов.

Все прежние картины мира создавались как бы извне - исследователь изучал окружающий мир отстраненно, вне связи с собой, в полной уверенности, что можно исследовать явления, не нарушая их течения. Такова была веками закреплявшаяся естественно-научная традиция. Теперь научная картина мира создается уже не извне, а изнутри, сам исследователь становится неотъемлемой частью создаваемой им картины. Очень многое нам еще неясно и скрыто от нашего взора. Тем не менее, сейчас перед нами раскрывается грандиозная гипотетическая картина процесса самоорганизации материи от Большого взрыва до современного этапа, когда материя познает себя, когда ей присущ разум, способный обеспечить ее целенаправленное развитие. Наиболее характерной чертой современной естественно-научной картины мира является ее эволюционность. Эволюция происходит во всех областях материального мира в неживой природе, живой природе и социальном обществе.

Современная естественно-научная картина мира необыкновенно сложна и проста одновременно. Сложна потому, что способна поставить в тупик человека, привыкшего к согласующимся со здравым смыслом классическим научным представлениям. Идеи начала времени, корпускулярно-волнового дуализма квантовых объектов, внутренней структуры вакуума, способной рождать виртуальные частицы, - эти и другие подобные новации придают нынешней картине мира немножко "безумный" вид, что впрочем, является преходящим (когда - то и мысль о шарообразности Земли тоже выглядела совершенно «безумной»).

Но в то же самое время эта картина величественно проста и стройна. Эти качества придают ей ведущие принципы построения и организации современного научного знания:

системность,

глобальный эволюционизм,

самоорганизация,

историчность.

Данные принципы построения современной научной картины мира в целом соответствуют фундаментальным закономерностям существования и развития самой Природы.

Системность означает воспроизведение наукой того факта, что наблюдаемая Вселенная предстает как наиболее крупная из всех известных нам систем, состоящая из огромного множества элементов (подсистем) разного уровня сложности и упорядоченности.

Системный способ объединения элементов выражает их принципиальное единство: благодаря иерархическому включению систем разных уровней друг в друга любой элемент системы, оказывается, связан со всеми элементами всех возможных систем. (Например: человек - биосфера - планета Земля - Солнечная система - Галактика и т.д.). Именно такой принципиально единый характер демонстрирует нам окружающий мир. Таким же образом организуется соответственно и научная картина мира, и создающее ее естествознание. Все его части ныне теснейшим образом взаимосвязаны - сейчас практически уже нет ни одной «чистой» науки, все пронизано и преобразовано физикой и химией.

Глобальный эволюционизм - это признание невозможности существования Вселенной и всех порождаемых ею менее масштабных систем вне развития, эволюции. Эволюционирующий характер Вселенной также свидетельствует о принципиальном единстве мира, каждая составная часть которого есть историческое следствие глобального эволюционного процесса, начатого Большим взрывом.

Самоорганизация - это наблюдаемая способность материи к самоусложнению и созданию все более упорядоченных структур в ходе эволюции. Механизм перехода материальных систем в более сложное и упорядоченное состояние, по-видимому, сходен для систем всех уровней.

Эти принципиальные особенности современной естественно-научной картины мира и определяют в главном ее общий контур, а также сам способ организации разнообразного научного знания в нечто целое и последовательное.

Однако у нее есть и еще одна особенность, отличающая ее от прежних вариантов. Она заключается в признании историчности, а, следовательно, принципиальной незавершенности настоящей, да и любой другой научной картины мира. Развитие общества, изменение его ценностных ориентаций, осознание важности исследования уникальных природных систем, в которые составной частью включен и сам человек, меняет и стратегию научного поиска, и отношение человека к миру.

Но ведь развивается и Вселенная. Конечно, развитие общества и Вселенной осуществляется в разных темпоритмах. Но их взаимное наложение делает идею создания окончательной, завершенной, абсолютно истинной научной картины мира практически неосуществимой.

4. Эксперимент в естествознании. Требования, предъявляемые к эксперименту

Эксперимент - метод познания, при помощи которого явления действительности исследуются в контролируемых и управляемых условиях. Он отличается от наблюдения вмешательством в исследуемый объект, то есть активностью по отношению к нему. Проводя эксперимент, исследователь не ограничивается пассивным наблюдением явлений, а сознательно вмешивается в естественный ход их протекания путем непосредственного воздействия на изучаемый процесс или изменения условий, в которых проходит этот процесс.

Составляющие эксперимента: познающий субъект и его деятельность; средства (приборы, инструменты); объект экспериментального исследования.

Виды: 1) по наукам (физика, химия и т.д.) - свои подходы, методики, экспериментальные средства; 2) прямой и опосредованный (модельный - изучается аналог); 3) по функциям - поисковый (гипотеза, фактическое подтверждение): подтверждающие, опровергающие; демонстрационные - для убеждения в своей правоте других ученных; учебный; 4) мысленные (математика, логика) и материальные; 5) полевые и лабораторные.

Эксперимент нельзя ставить в тех науках, где нет четких различий добра и зла (гуманитарные науки).

Когда прямое экспериментальное исследование самого объекта невозможно или затруднено, экономически нецелесообразно - прибегают к модельному эксперименту. Исследуется модель - реально существующая материальная с/с, замещающая или воспроизводящая др. с/с - оригинал, и находящаяся в выраженном отношение сходства.

Специфика эксперимента состоит также в том, что в обычных условиях процессы в природе крайне сложны и запутанны, не поддаются полному контролю и управлению. Поэтому возникает задача организации такого исследования, при котором можно было бы проследить ход процесса в «чистом» виде. В этих целях в эксперименте отделяют существенные факторы от несущественных и тем самым значительно упрощают ситуацию. В итоге такое упрощение способствует более глубокому пониманию явлений и создает возможность контролировать немногие существенные для данного процесса факторы и величины.

Список использованных источников

1. Концепции современного естествознания. Аруцев А.А., Ермолаев Б.В., Кутателадзе И.О., Слуцкий М.С. (1999)

2. Концепции современного естествознания. Горбачев В.В. (2005, 672с.)

3. Концепции современного естествознания. Дубнищева Т.Я. (2006, 608с.)

4.Концепции современного естествознания. Гусейханов М.К., Раджабов О.Р. (2007, 540с.)

5. Концепции современного естествознания. Лихин А.Ф. (2006, 264с.)

6. Концепции современного естествознания. (Учебник) Под ред. Михайлова Л.А. (2008, 336с.)

7. Концепции современного естествознания. Курс лекций. Хорошавина С. Г. (2005, 480с.)

8. Начала современного естествознания. Концепции и принципы. Савченко В.Н., Смагин В.П. (с тестами) (2006, 608с.)