Концепции современного естествознания




НазваниеКонцепции современного естествознания
страница1/8
Дата конвертации31.12.2012
Размер1.02 Mb.
ТипУчебное пособие
  1   2   3   4   5   6   7   8

Федеральное агентство по образованию


Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московская государственная академия

приборостроения и информатики»

Е.Н. Фигуровский, Б.Я. Шпиченецкий

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

учебное пособие




Москва, 2005

УДК 50


Утверждено Ученым советом МГАПИ


Рецензент доцент, к.ф. – м.н. Е.А. Коломийцева




Учебное пособие предназначено для студентов МГАПИ,

изучающих дисциплину «Концепции современного естествознания»


Издательство МГАПИ

Содержание




Введение………………………………………………………4

1. Панорама современного естествознания…………………………..4

2. Иерархия структур в микро-, макро- и мегамире …………………..7

3. Представления о концепциях материи, движения, пространства и

времени ……………………………………………………..9

4. Механическое движение. Классическая концепция Ньютона………..12

5. Колебания и волны…………………………………………..18

6. Фундаментальные взаимодействия. … ……………………………19

7. Статистические и термодинамические свойства макросистем ……….23

8. Концепция корпускулярно-волнового дуализма …………………….26

9. Элементы атомной и ядерной физики ……………………………..29

10. Развитие химических концепций ………………………………….33

11. Мегамир. Современные космологические концепции ……………….39

12. Планета Земля и современные представления о литосфере..………….45

13. Биосфера. Биологические концепции…..……………………………48

14. Экология в современном мире …………………………………….52

15. Феномен человека ……………………………………………….56

16. Самоорганизация в природе ……………..…………………………58

Вопросы для подготовки к экзамену…………………………….62

Рекомендуемая литература……………………………………….63


Введение

Зачем будущим экономистам, юристам, управленцам надо изучать дисциплину «Концепции современного естествознания»? Концепция – это совокупность наиболее существенных элементов теории или учения, определённый способ понимания, трактовки каких-либо явлений, основная точка зрения. Знание концепций современной физики, химии, биологии и других естественных наук позволит повысить профессионализм. Поясним вышесказанное примером. Юрист разбирает дело о столкновении судов. Конечно ему надо знать законы, принятые в мировой практике судовождения. Но с другой стороны, если он не знает, что такое масса, перемещение, скорость, ускорение и т.д. он не сможет применить свои профессиональные знания. Менеджер рекламирует изделия какого-то предприятия. Хорошо известно, что на выставках или просмотрах первые вопросы всегда касаются технических сторон изделия и он должен разбираться в этих вопросах. Это же относиться к специалистам по маркетингу, рекламе, управленцам.

1. Панорама современного естествознания

1.1. Естественнонаучная и гуманитарная культура

Под культурой понимается создание сферы жизнедеятельности, включающей в себя совокупность материальных и духовных ценностей. Культура делится на естественнонаучную, гуманитарную, техническую и т.д. Под естественнонаучной культурой понимается знание о природе.

Естествознание – это совокупность наук о природе: физики, химии, биологии, наук о Земле и всей Вселенной, экологии, физиологии и т.д. Физика – основа современного естествознания. Физика по-гречески «природа» - это наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы ее движения. Естественные науки познают законы природы, независящие от постороннего влияния, поэтому их законы носят объективный характер.

Гуманитарная культура включает в себя знания о духовном мире человека и человеческом обществе. Это такие науки как философия, история, право, экономика, социология и др. Основной особенностью этих наук является направленность на человека. К гуманитарной культуре относятся: религия, искусство,… т.е. всё, что основано на человеческом общении.

1.2.Научный метод

Наука - является одним из важнейших элементов общественной жизни.

Наука – особый вид человеческой деятельности, направленный на получение, передачу, хранение и использование знаний. Это система достоверных знаний об объективных законах развития природы, общества.

Наука – это, прежде всего метод, определяющий путь исследований, Этот путь многие ученые проходят по следующим этапам: постановка задачи исследования; анализ известных теорий и методов решения задачи; опровержение известного, установление фактов, не укладывающихся в известные теории, и выдвижение гипотезы (обоснованного предположения) по устранению этого противоречия; теоретическая и экспериментальная проверка гипотезы; разработка новых теорий, позволяющих решить поставленную задачу.

Есть два логических способа применений научного метода: дедуктивный, предполагающий движение мысли от общего к частному и индуктивный - обобщение частных фактов, явлений в единой теории. Индуктивным методом воспользовался Ньютон при открытии второго закона. Он подверг сомнению принятый до него в науки тезис, что сила вызывает скорость, и выдвинул гипотезу о том, что сила вызывает изменение скорости, то есть ускорение. Проведя эксперименты, подтверждающие эту гипотезу, он пришёл к открытию второго закона.

1.3. История развития естествознания

Парадигма - это общепринятая и достаточно устойчивая организация научных знаний, господствующая в течение определённого времени в научном сообществе и дающая представление о мире. Смена одной парадигмы на другую связана с коренной ломкой устоявшихся представлений, происходит достаточно редко и поэтому называется научной революцией. В истории естествознания обычно выделяют три такого рода научных революций, определивших и три этапа развития естествознания.

Первая из них относится к 6 - 4 веку до нашей эры и связана с формированием основ научного знания, которое заложили учёные Древней Греции. Так Демокрит утверждал, что мир состоит из корпускул (атомов). Тогда же была принята геоцентрическая картина мира, в основе которой было предположение, что Солнце движется вокруг Земли.

Вторая научная революция относится к 16 - 17 веку и характеризуется переходом к теории гелиоцентризма (Земля вместе с другими планетами движется вокруг Солнца), внедрение в науку экспериментального метода, а также создание классической механики.

Третья научная революция относится к концу 19, началу 20 века и связана с формированием частной и общей теории относительности и созданием квантовой механики.

В 20 веке объём естественнонаучных знаний стремительно увеличился. Были открыты способы использования энергии атома, лазеры, полупроводниковые приборы и др.

1.4.Физика - основа современного естествознания

Знание физики необходимо в наше время для специалиста любого профиля, поскольку физика – это одна из важнейших наук о природе.

Предметом физики, как уже отмечалось, является изучение наиболее общих свойств материи, закономерностей и форм ее движения. Физическими методами исследуются механические, молекулярные, гравитационные, электромагнитные, внутриатомные и внутриядерные процессы. Физика не единственная наука об окружающем нас мире, однако, она является важной потому, что имеет дело с такими свойствами материи, как время, пространство и движение.

Резкой границы между физикой и другими естественными науками провести нельзя. На отсутствие подобных границ указывает существование быстро развивающихся смежных наук - физической химии, геофизики, биофизики, астрофизики и др. Кроме того, во многих науках с каждым годом все шире применяются физические методы исследования.

В соответствии с многообразием исследуемых форм материи и ее движения физика подразделяется на физику элементарных частиц, атомных ядер, атомов, молекул, твердого тела, плазмы и т.д.

Слово "физика" появилось еще в древние времена. Одно из основных сочинений древнегреческого философа и ученого Аристотеля (381-322 до н. э.), учени­ка Платона, так и называлось "Физика". Физика тех времен, конечно, носила натурфилософский характер. Тем не менее, предвидя развитие физики, Аристотель писал: «Наука о природе изучает преимущественно тела и величины, их свойства и виды дви­жений, а кроме того, начала такого рода бытия».

«Высшая задача физики состоит в открытии наиболее общих элементарных законов, из которых можно было бы логически вывести картину мира» - так считал А. Эйнштейн.

Повторим, что одна из задач физики – это выявление самого простого и самого общего в природе. В современном представлении самое простое - так назы­ваемые первичные элементы: молекулы, атомы, элементарные частицы, поля и т.п. А наиболее общими свойствами материи принято считать движение, пространство и время, массу, энергию и др. Конечно, физика изучает и очень сложные явления и объекты. Но при их изучении сложное сводится к простому, конкретное - к общему. При этом устанавливают­ся универсальные законы, справедливость которых подтверждается не только в земных условиях и в околоземном пространстве, но и во всей Вселенной. В этом заключается один из существенных признаков фи­зики как фундаментальной науки.

Всю историю физики можно условно разделить на три основных этапа:

древний и средневековый, классической физики, современной физики.

Первый этап развития физики иногда называют донаучным. Однако такое название нельзя считать полностью оправданным: фунда­ментальные зерна физики и естествознания в целом были посеяны еще в глубокой древности. Это самый длительный этап. Он охватыва­ет период от времен Аристотеля до начала XVII в., поэтому и называется древним и средневековым этапом.

Начало второго этапа связывают с одним из основателей точного естествознания - итальянским ученым Галилео Галилеем и основоположником классической физики, анг­лийским математиком, механиком, астрономом и физиком Исааком Ньютоном. Этот этап продолжался до конца XIX в.

К началу XX столетия появились экспериментальные результаты, которые трудно было объяснить в рамках классических представле­ний. В этой связи был предложен совершенно новый подход - кван­товый, основанный на дискретной концепции. Квантовый подход впервые ввел в 1900 г. немецкий физик Макс Планк (1858-1917), вошедший в историю развития физики как один из основоположни­ков квантовой теории.

2. Иерархия структур в микро-, макро- и мегамире

Слово «иерархия» отображает в данном случае лестницу объектов, качественно отличающихся или характеризующихся степенью сложности. На сегодняшний день принята следующая иерархия объектов: микрочастицы, ядра, атомы, молекулы, макротела (твердые тела, жидкости, газы, плазма), планеты, звезды, галактики, Вселенная. Человек чаще всего имеет дело с макротелами (макромир) и сам таковым является.

Микрочастицы (элементарные частицы) – мельчайшие частицы материи при условии, что они не являются ядрами и атомами (исключение – протоны). Микрочастицы делятся на две группы адроны и лептоны.


Адроны
Барионы (протон, нейтрон, гипероны)

Мезоны (- мезоны, К - мезоны,  - мезоны)

Лептоны – электрон, мюон,  - лептон; электронное, мюонное и  -нейтрино.

Кроме перечисленных частиц, существуют так называемые резонансы (барионные и мезонные). Особняком от этих микрочастиц стоит фотон – квант электромагнитного поля. Адроны - наиболее тяжелые частицы - не являются неделимыми. Они состоят из кварков - пока истинно элементарных частиц. Гипотезу о кварках выдвинули в 1964 г. Гелл-Ман и Цвейг.

Объединение релятивистских и квантовых представлений привело к одному из наиболее выдающихся предсказаний - открытию античастиц, которые отличается от частиц электрическим зарядом, магнитным моментом или другими характеристиками. Античастицы могут собираться в антивещество (например, антигелий-3). Однако во Вселенной до сих пор не обнаружены области со сколь-нибудь заметным содержанием антивещества.

Ядра - центральные, массивные части атома, состоящие из нуклонов. Масса ядра более, чем в тысячу раз больше массы электронов, входящих в атом. Размеры ядра – 10-14 - 10-15 м. Число нуклонов в 1м3 достигает 1044 , а плотность – 1017 кг/ м3. Ядра могут быть стабильными и нестабильными.

Атомы и молекулы. Ядра имеют положительный электрический заряд и окружены отрицательно заряженными электронами. Такое электрически нейтральное образование называют атомом. Электроны, находящиеся на верхних орбитах определяют их способность вступать в соединения с другими атомами. Здесь мы вступаем в область химии, и условность границ раздела между физикой и химией в данном случае очевидна.

Наименьшей структурной единицей сложного химического соединения является молекула ( в том числе и одноатомная).Число возможных комбинаций атомов, определяющих число химических соединений, составляет около 106. Некоторые атомы (углерод, водород и др.) способны образовывать сложные молекулярные цепи, являющиеся основой образования макромолекул, проявляющие также и биологические свойства.

Макротела. При достаточно низких температурах практически все тела являются твердыми. В них атомы не могут значительно удаляться от своих равновесных положений. Твердые тела имеют различные механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические и другие свойства, которые определяются не только характером атомов, но и их взаимным расположением (алмаз и углерод).

При нагревании твёрдых тел происходит плавление и переход в жидкое состояние. В жидкостях атомы уже не являются строго локализованными, тепловое движение атомов и молекул носит довольно сложный характер.

При дальнейшем повышении температуры - жидкости превращаются в газообразное состояние. Газы с хорошей точностью подчиняются статистическим и термодинамическим закономерностям (см. п. 7).

При вecьмa значительном повышении температуры среды (до 104 - 105К) происходит ионизация атомов, т.е. распад их на ионы и свободные электроны. Такое состояние вещества называют плазмой. Плазма в противовес газам может проявлять коллективные свойства, что сближает их с конденсированным состоянием, т.е. с твердыми телами и жидкостями.

Планеты. Следующей ступенью в иерархии объектов природы являются макротела астрономического масштаба - планеты, изучение которых по существу только начинается. Однако, уже ceйчас ясно, что условия в которых находится вещество многих планет, отличаются от земных (так Юпитер, превосходящий по размерам Землю почти в 10 раз, вероятно, находится в жидком состоянии, исключая центральные области планеты, которые, по-видимому, состоят из металлического водорода). Однако в составе вещества планет не обнаружено никаких новых химических элементов по сравнению с земными.

Звёзды. Галактики. Вселенная

Как ни странно, но физики гораздо лучше представляют себе состояние вещества внутренних областей звёзд, чем планет. Так центральные области Солнца имеют температуру 107 К и давление 1016 Па. В этих условиях вещество полностью ионизировано (плазма) и при этом становятся возможными термоядерные реакции, окончательным итогом которых является слияние ядер водорода и превращение их в ядра гелия. Эта термоядерная реакция служит источником энергии звезд.

По мере потери энергии звезды уплотняются. Происходит захват электронов протонами с превращением последних в нейтроны, при этом одно­временно испускаются нейтрино. В результате такой реакции умень­шается заряд ядра (при неизменной его массе), что, вообще говоря, приводит к уменьшению энергии связи ядра. В конце концов, ядра, содержащие слишком много нейтронов, станут неустойчивыми и распадутся. Вещество звезды будет представлять собой сверхплотный нейтронный газ.

Галактики — это звездные системы. Число звезд в них ~ 109 - 1012. Если масса звезды порядка 1030 кг (как у нашего Солнца), то масса Галактики ~ 1041 кг. Известная нам часть Вселенной содержит число галактик порядка 1011.

Оставим в стороне доказательства и способы измерений, которые сделали возможным привести названные здесь числа. Замечательно то, что эти числа нам известны; конечно, некоторые из них являются только приближенными.

Астрономические данные показывают, что галактики во Вселенной стремительно «разбегаются» друг от друга. Расширение Вселенной позволяет предположить, что когда-то в прошлом она занимала весьма малый объем. Это в свою очередь означает, что «дозвездное вещество» было сверхплотным и чрезвычайно горячим (температура порядка 1013 К). При таких температурах вещество может состоять в основном из излучений — фотонов и нейтрино (более подробно см. п. 11).

3. Представление о концепциях материи, движения,

пространства и времени

Важнейшая задача естествознания - создание естественно - научной картины мира. Естественно-научная картина природы образует в целом упорядоченную систему, которая по мере развития науки уточняется и пополняется. Научный язык во многом похож на повседневный язык общения людей, но и отличается от него тем, что научные термины являются, во-первых, более общими и абстрактными и, во-вторых, они более сконцентрированы и точны. Наука стремится выявить общее в предметах и явлениях, которые она изучает.

Выделение общего ведет к абстракциям, т. е. отвлечению от единичного, конкретного, случайного. Наиболее общие и абстрактные понятия, идеи и концепции естествознания выражают, с одной стороны, глубокие, а с другой - общие свойства природы. Такими понятиями и концепциями оперирует в первую очередь физика как фундаментальная основа естествознания. К наиболее общим, важным, фундаментальным концепциям физического описания природы относятся материя, движение, пространство и время. Эти понятия широко используются не только в естествознании, но и во многих гуманитарных сферах, например, в искусстве, в экономике, не говоря уже о философии.

Окружающий нас мир, всё существующее вокруг нас и обнаружи­ваемое нами посредством ощущений представляет собой материю. Материя есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них. В классическом представлении в естествознании различают два вида материи: вещество и поле. В современном представлении к этим двум следует добавить третий вид материи - физический вакуум. Некоторые ученые в духе концепции корпускулярно-волнового дуализма объединяют вещество и поле в единый тип реальности, которая действует на наши органы чувств и взаимодействует сама с собой, проявляясь в одних услови­ях как вещество (физические тела, молекулы, атомы, частицы), а в других - как поле. Однако такое объединение в большей степени касается не макро-, а микромира, многие свойства которого носят квантово-механический характер. Неотъемлемый атрибут материи – движение.

3.1.Основные свойства пространства и времени

Пространство и время - категории, обозначающие основные формы существования материи. Пространство выражает порядок существо­вания отдельных объектов, время - порядок смены изменений явлений и объектов.

Свойства пространства, свободного от силовых полей (классическая концепция):

1.Трёхмерность.

2.Плоскостность, то есть подчинение геометрии Евклида.

3.Однородность, то есть все точки пространства равноправны (пространство инвариантно по отношению к параллельному пе­реносу)

4.Изотропность, то есть все направления равноправны (пространство инвариантно по отношению к повороту).

5.Непрерывность вплоть до 10-18 м (затем пространство ста­новится дискретным или зернистым); квант пространства равен 10-35 м (предположительно).

Свойства времени:

1.Одномерность.

2.Однородность, то есть одно и то же событие развивается одинаково в разные моменты времени.

3.Анизотропность, то есть для времени характерно выделен­ное направление - "стрела времени": все события развиваются от прошлого через настоящее к будущему.

4.Непрерывность вплоть до 10-23 с; квант времени равен 10-43 с (предположительно).

В релятивистской механике (от лат. relativus – относительный), когда скорость движения тела сравнима со скоростью света, выявилась зависимость пространственно - временных характеристик объектов от скорости их движения.

Частная теория относительности объединила пространство и время в единый континуум: пространство - время. Основанием для такого объединения послужили и постулат о предельной скорости передачи взаимодействий материальных тел - скорости света в вакууме с = 3 • 108 м/с, и принцип относительности. Из данной теории следует относительность одновременности двух собы­тий, происшедших в разных точках пространства, а также относительность измерений длин и интервалов времени, произведенных в разных системах отсчета, равномерно движущихся относительно друг друга. Все это означает, что для реального мира пространство и время имеют не абсолютный, а относительный характер.

Общая теория относительности вскрыла зависи­мость метрических характеристик пространства времени от распределения гравитационных масс, наличие которых приводит к искривлению прос­транства - времени, при этом такие категории как конечность и бесконечность также обнаружили свою относительность.

  1   2   3   4   5   6   7   8

Добавить в свой блог или на сайт

Похожие:

Концепции современного естествознания iconПояснительная записка Курс «Концепции современного естествознания»
Естественнонаучная и гуманитарная культуры; научный метод. История естествознания, структура научных революций в развитии естествознания....

Концепции современного естествознания iconЕ. А. Коломийцева концепции современного естествознания
Учебное пособие предназначено для студентов мгупи, изучающих дисциплину «Концепции современного естествознания»

Концепции современного естествознания iconКонцепции современного естествознания учебник удк 50(075. 8)
Концепции современного естествознания : учеб. — М тк велби, Изд-во Проспект, 2006. 264 с

Концепции современного естествознания iconКонцепции современного естествознания
Концепции современного естествознания: Лекции; Автор и сост.: Алексей Станиславович Тимощук. Владимир, 2009. 112 с

Концепции современного естествознания iconЛитература Основная : Найдыш В. М. Концепции современного естествознания. М.: Гадарики, 2002. 476с
Горелов А. А. Концепции современного естествознания. – М.: Гуманит изд. Центр владос, 2000. – 512с

Концепции современного естествознания iconКонцепции современного естествознания
Учебное пособие предназначено для студентов мгупи, изучающих дисциплину «Концепции современного естествознания»

Концепции современного естествознания iconПрограмма дисциплины Концепции современного естествознания
Подготовка студентов по курсу Концепции современного естествознания в соответствии с требованиями «Государственного образовательного...

Концепции современного естествознания iconПрограмма курса «Концепции современного естествознания»
Курс «Концепции современного естествознания» является одной из дисциплин, преподаваемых на первом курсе факультета Политологии мгимо...

Концепции современного естествознания iconПрограмма курса «концепции современного естествознания» Пояснительная записка Дисциплина «Концепции современного естествознания»
Печатается по решению учебно-методической комиссии Института педагогики, психологии и управления

Концепции современного естествознания iconВопросы к экзамену по дисциплине: Концепции современного естествознания. Для студентов I курса заочного отделения обучающихся по специальности
Рузавин Г. И. Концепции современного естествознания.  М.: Физкультура и спорт: юнити, 1997


Разместите кнопку на своём сайте:
lib.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©lib.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
lib.convdocs.org
Главная страница