Интересные концепции современного естествознания

Содержание

Введение

1.  На какие положения опиралась математическая исследовательская программа античности?

2.  Чем объясняется тот факт, что сумма масс протонов и нейтронов образующих ядро атома больше массы, образовавшегося из этих частиц, ядра атома? Как называется этот эффект?

3.  Структура и химический состав Земли

4.  К каким явлениям в Природе приводит существование межмолекулярных взаимодействий? Какими силами оно обусловлено?

5.  В чем сущность установления химического равновесия? Графики изменения скорости прямой и обратной реакции

6.  Какие неорганические вещества принимают участие в функционировании живых организмов. Их роль. Вода, ее роль в биофункциях

7.  Основные особенности биологической формы организации материи

8.  В чем суть процесса обратной связи, где она встречается? На примерах покажите роль положительной обратной связи и отрицательной обратной связи

9.  Что означает утверждение, что Человек – существо биосоциальное? В чем это проявляется?

10.  Биосфера, экосистема – дайте им краткую характеристику. Что общего в этих образах, в чем различие?

Заключение

Используемая литература

Введение

 

Естествознание — неотъемлемый компонент культуры, определяющий мировоззрение человека. Научное мировоззрение обеспечивает восприятие достижений науки обществом и устойчивость к манипуляциям общественным сознанием. Рациональный метод, сформировавшийся в рамках естественных наук, проникает и в гуманитарную сферу, и в общественную жизнь. Он существенно дополняет художественный метод познания действительности.

В 70-е годы XX в. Шли философские споры о системном подходе наук к своим объектам. Такой подход требовался в общественных науках, которые перешли к рассмотрению сложных, многоуровневых систем. Облик естествознания менялся в общекультурном и историческом контекстах.

Современная научная картина мира отличается сложностью рассматриваемых систем. Так, с помощью ЭВМ решаются задачи, которые не могли быть решены четверть века назад. Оказалось, что в сложных системах вдали от равновесия могут возникать из хаоса упорядоченные состояния. Хаос стал выступать созидательным началом, конструктивным и обязательным механизмом эволюции. В настоящее время обществу необходимо решать сложные задачи выхода из многочисленных кризисов, причем пути выхода не должны быть катастрофическими, фактически — это задачи балансировки между рисками и безопасностью. Проблемы выбора стратегии связывают с нелинейной динамикой, разработавшей различные пути перехода от хаоса к порядку. Явления самоорганизации начали изучаться в естествознании, экологии, экономике. Будущие специалисты во многих областях должны получить представление о современной научной картине мира.

Актуальность курса «Концепции современного естествознания» созвучна потребностям в целостном взгляде на окружающий мир. Данная дисциплина является продуктом междисциплинарного синтеза, основанного на эволюционно-синергетическом подходе.

1.  На какие положения опиралась математическая исследовательская программа античности?

 

Первые научные программы сформировались в Древней Греции с VI по III в. до н. э. и надолго определили развитие науки. К ним относятся математическая, континуальная и атомистическая научные программы. Каждая программа формировалась в несколько этапов.

Математическая программа, выросшая из философии Пифагора и Платона, начала развиваться уже в античные времена. В основе программы лежит представление о Космосе как упорядоченном выражении начальных сущностей, которые могут быть разными. Для Пифагора это были числа.

Арифметика трактовалась как центральное ядро всего Космоса в раннем пифагореизме, а геометрические задачи — как задачи арифметики целых, рациональных чисел, геометрические величины — как соизмеримые. Как заметил Ван-дер-Варден, «логическая строгость не позволяла им допускать даже дробей, и они заменяли их отношением целых чисел». Постепенно эти представления привели к возвышению математики как науки высшего ранга. Картина мира гармонична: протяженные тела подчинены геометрии, небесные тела — арифметике, построение человеческого тела — канону Поликлета.

Переход от наглядного знания к абстрактным принципам, вводимым мышлением, связывают с Пифагором. Софисты и элеаты, разработавшие системы доказательств, стали задумываться над проблемами отражения мира в сознании, так как ум человека влияет на его представление о мире. Платон отделил мир вещей от мира идей — мир вещей способен только подражать миру идей, построенному иерархически упорядоченно. Он утверждал: «Необходимо класть в основу всего число». Мир идей созидается на основе математических закономерностей по божественному плану, и по этому пути математического знания об идеальном мире пойдет наука. Открытие несоизмеримости стороны квадрата и его диагонали, иррациональности чисел нанесло серьезный удар не только античной математике, но и космологии, теории музыки и учению о симметрии живого тела. Математики стали задумываться над основаниями своей теории. Ее основой выбрали геометрию, сумевшую представить отношения, невыразимые с помощью арифметических чисел и отношений. Геометрия Платона — «наука о том, как выразить на плоскости числа, по природе своей неподобные. Кто умеет соображать, тому ясно, что речь идет здесь о божественном, а не о человеческом чуде».

Евдокс сформулировал теорию пропорций и ее приложения к геометрии. Он пришел к изучению сложных форм несоизмеримости с помощью беспредельного уменьшения остатков. Геометрия Евклида определила во многом структуру всей науки. Исходные понятия — точка, прямая, плоскость, на них построены «идеальные объекты второго уровня» — геометрические фигуры. При этом исходные понятия задаются системой аксиом. Галилей и Ньютон создавали классическую физику по образцу «Начал» Евклида. Они сохранили системность и иерархичность. Частицы и силы — «первичные идеальные объекты», заданные в рамках определенного раздела науки.

С XVII в. Утвердился взгляд на научность (достоверность, истинность) знания как на степень его математизации. «Книга природы написана на языке математики», — считал Галилей. Математический анализ, развитие статистических методов анализа, связанных с познанием вероятностного характера протекания природных процессов, способствовали проникновению методов математики в другие естественные науки.

И. Кант писал: «В любом частном учении о природе можно найти науки в собственном смысле лишь столько, сколько в ней имеется математики».

2.Чем объясняется тот факт, что сумма масс протонов и нейтронов образующих ядро атома больше массы, образовавшегося из этих частиц, ядра атома? Как называется этот эффект?

 

Масса ядра оказывается, всегда меньше суммы масс всех составляющих ядро частиц, т.е. всех протонов и нейтронов, рассматриваемых отделенными друг от друга. Это явление получило название дефекта массы.

Чем же объяснить уменьшение массы при образовании атомных ядер? Это связано с тем, что при объединении нуклонов в ядро выделяется энергия их связи друг с другом. Как известно, энергия покоя частицы связана с ее массой соотношением: Е = тс². Из этого уравнения следует, что каждому изменению массы должно отвечать и соответствующее изменение энергии. Если при образовании атомных ядер происходит заметное уменьшение массы, это значит, что одновременно выделяется огромное количество энергии.

Величина энергии, выделяющейся при образовании данного ядра из протонов и нейтронов, называется энергией связи и характеризует его устойчивость: чем больше величина выделившейся энергии, тем устойчивее ядро. Эта разница составляет величину: и равна работе, которую нужно совершить для того, чтобы разделить нуклоны в ядре и разнести их на расстояния, где они бы не взаимодействовали. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон,называется удельной энергией связи в ядре, величина— дефектом массы ядра. Дефект массы связан с энергией соотношением А = Е_св/с².

3.Структура и химический состав Земли

 

Земля как планета Солнечной системы имеет важнейшее значение для естествознания не столько потому, что она – наиболее доступное для исследования космическое тело, а потому, что на ней существует жизнь, причем достигшая наивысшей формы – разумной.

Земля – это планета Солнечной системы, третья по удаленности от звезды Солнце в среднем на 149,6 млн. км, пятая по массе - 5, 97 • 10 24 кг, имеет естественный спутник – Луну, вращающуюся вокруг Земли на расстоянии 384400 км. Возраст Земли  около 4,5 — 4,6 млрд. лет.

Земля одновременно участвует в ряде движений: вращается вокруг своей оси (суточное вращение); движение вокруг Солнца (орбитальное движение); движется вместе с Солнечной системой вокруг центра Галактики, вокруг общего с Луной центра масс. Для жизни на Земле главными процессами являются орбитальное и осевое движения планеты.

Земля движется по эллиптической, близкой к круговой орбите со средней скоростью 29,765 км/с вокруг Солнца с запада на восток то немного приближаясь к нему в январе – до 147 млн. км (в перигелии), то немного удаляясь – до 152 млн. км (в афелии) и с периодом 365,24 солнечных суток.

Площадь земной поверхности - 510,2 млн. км², в том числе суши – 149,1 млн. км², 29,2%, морей и океанов – 361,1 млн. км² или 70%, объем – 1,083* 10 12 км³.

Известно, что рельеф поверхности очень неровный: наибольшую высоту поверхности имеет гора Эверест в Гималаях, а наибольшая глубина под уровнем океана — 11,022 км (Марианский желоб в Тихом океане). Перепад — 20 км.

Форма Земли близка к шарообразной, но при детальном исследовании оказывается более сложной, даже если ее обрисовать поверхностью океана и мысленно продолжать эту поверхность под континентами. Неровности поверхности поддерживаются неравномерным распределением массы внутри земного тела. Эту форму назвали геоидом.

Средний радиус Земли – 6371 км, полярный (короткий) - 6356,8 км, экваториальный (длинный) – 6378,2 км, длина экватора – 40075,7 км.

Внутренняя структура Земли еще окончательно не установлена. Объясняется это тем, что опытному исследованию доступна лишь самая верхняя часть земной коры. Как следует из рис.1, Земля имеет слоистое внутреннее строение. По химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам выделяются оболочки земли – геосферы: литосфера (твердая оболочка), гидросфера (жидкая), атмосфера (газообразная), биосфера (табл. 1).

Таблица 1. Состояние и состав оболочек Земли

Оболочка	Важнейшие черты химического состава	Физическое состояние
Атмосфера	N 2, O2, CO2, (H2O). Инертные газы	Газ
Гидросфера	Соленые и пресные воды, снег и лед. Растворенные Na, Mg, Ca, Cl , SO 4, HCO 3	Жидкое, частично твердое
Биосфера	Органические вещества: углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты, скелетный материал. N,H,C,O.	Твердое и жидкое, частично коллоидальное
Литосфера: кора	Нормальные магматические, осадочные и метаморфические породы. O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K.	Твердое, локальное появление очагов магмы
мантия	Силикатные минералы оливин – пироксенового состава и их фазовые эквиваленты высоких давлений. O, Si, Mg, (Fe).	Твердое
ядро	Железо – никелевый сплав Fe – FeS – Ni/	Верхняя часть жидкая, нижняя вероятно твердая

В составе атмосферы сейчас преобладают азот и кислород (98,6 % массы всей атмосферы), это соотношение практически неизменно до высот 150 км. Водорода почти в миллион раз меньше, чем кислорода. На высоте 160 км и выше состав атмосферы меняется и, как показали данные, полученные со спутников, водород становится преобладающим на высотах 1500 км. В морской воде на долю кислорода, водорода, хлора и натрия приходится 99,5 %.

В литосфере наибольшее распространение сейчас получил кислород — 50 % массы всей литосферы; 26 % составляет кремний, 7 —8% — алюминий, 4% — железо; суммарное содержание магния, калия, кальция и натрия — порядка 10 %, а на долю оставшихся (более 80) элементов приходится несколько процентов. Все земные геосферы связаны между собой кругооборотами вещества, глобальными потоками энергии и момента импульса. В результате образуется сложная система, состояние которой, во многом похожее на состояние динамического равновесия, создает условия для динамической эволюции планеты.

 

4.К каким явлениям в Природе приводит существование межмолекулярных взаимодействий? Какими силами оно обусловлено?

 

В веществах с молекулярной структурой имеет место межмолекулярное взаимодействие.

Силы межмолекулярного взаимодействия, называемые также силами Ван – дер – Ваальса, слабее ковалентных сил, но проявляются на больших расстояниях. В основе их лежит электростатическое взаимодействие диполей, но в различных веществах механизм возникновение диполей различен. Если вещество состоит из полярных молекул, например, молекул HО2 или HCl, то в конденсированном состоянии соседние молекулярные диполи ориентируются друг по отношению другу противоположно заряженными полюсами, вследствие чего наблюдается их взаимное притяжение. Такой вид межмолекулярного взаимодействия называется ориентационным взаимодействием. Тепловое движение молекул препятствует взаимной ориентации молекул, поэтому с ростом температуры, ориентационный эффект ослабевает. В случае веществ, состоящих из неполярных, но способных к поляризации молекул, например, СО2, наблюдается возникновение наведенных или индуцированных диполей. Причина их появления обычно состоит в том, что каждый атом создает вблизи себя электрическое поле, оказывающее поляризующее действие на ближайший атом соседней молекулы. Молекула поляризуется, и образовавшийся индуцированный диполь в свою очередь поляризует соседние молекулы. В результате происходит взаимное притяжение молекул друг к другу. Это индукционное взаимодействие наблюдается так же и у веществ с полярными молекулами, но при этом оно обычно значительно слабее ориентационного.

Наконец, движение электронов в атомах, а также колебание ядер и связанное с этим непрерывное изменение взаимного положения электронов и ядер вызывают появление мгновенных диполей. Как показывает квантовая механика, мгновенные диполи возникают в твердых телах и жидкостях согласованно, причем в ближайшие друг к другу участки соседних молекул оказываются заряженными электричеством противоположного знака, что приводит к их притяжению. Это явление, называемое дисперсионным взаимодействием, имеет место во всех веществах, находящихся в конденсированном состоянии. В частности оно обуславливает переход благородных газов при низких температурах в жидкое состояние.

Относительная величина рассмотренных видов межмолекулярных сил зависит от полярности и от поляризуемости молекул вещества. Чем больше полярность молекул, тем больше ориентационные силы. Чем больше деформируемость, тем слабее связаны электроны атома, т.е. чем эти атомы крупнее, тем значительнее дисперсионные силы.

Таким образом, межмолекулярные химические связи обычно заметно слабее внутримолекулярных, и группы молекул сравнительно неустойчивы и быстро распадаются. Типов межмолекулярных сил достаточно много; перечислим наиболее часто встречающиеся:

а) водородная связь – между атомами водорода и некоторыми другими атомами, входящими в группы молекул: кислорода, серы и т.д.; примеры - образование льда из молекул воды, связь азотистых оснований в ДНК;

б) силы Ван – дер – Ваальса – между полярными молекулами (диполями) или между ионами и дипольными молекулами; пример – растворение в воде окиси углерода;

в) гидрофобные взаимодействия – между неполярными группами молекул; пример – неполярные участки белковых молекул в воде.

5.  В чем сущность установления химического равновесия? Графики изменения скорости прямой и обратной реакции

 

На рисунке 2 показано изменение скоростей прямой и обратной реакции с течением времени. В начале, при смещении исходных веществ, скорость прямой реакции велика, а скорость обратной реакции равно нулю. По мере протекания реакции исходные вещества расходуются и их концентрации падают. В результате этого уменьшается скорость прямой реакции. Одновременно появляются продукты реакции, и их концентрация возрастает. Вследствие этого начинает идти обратная реакция, причем ее скорость постепенно увеличивается. Когда скорости прямой и обратной реакций становятся одинаковыми, наступает химическое равновесие.

 

Рис. 2. Изменение скорости прямой (v1) и обратной (v2) реакций с течением времени (t).

v

v1

v1=v2

v2

t

Химическое равновесие называют динамическим равновесием. Этим подчеркивается, что при равновесии протекают и прямая, и обратная реакции, но их скорости одинаковы, вследствие чего изменений в системе не заметно.

Количественной характеристикой химического равновесия служит величина, называемая, константой химического равновесия.

Отношение констант скорости прямой и обратной реакций, тоже представляет собой константу. Она называется константой равновесия данной реакции (K): k1/k2=K . Отсюда окончательно: [HI]²/ [H2] [I2]=K.

В левой части этого уравнения стоят те концентрации взаимодействующих веществ, которые устанавливаются при равновесии – равновесные концентрации. Правая же часть уравнения представляет собой постоянную (при постоянной температуре) величину.