«Московская государственная академия приборостроения и информатики»



страница1/8
Дата04.01.2013
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).
  1   2   3   4   5   6   7   8

Похожие:

«Московская государственная академия приборостроения и информатики» iconМосковская государственная академия приборостроения и информатики кафедра " Персональные компьютеры и сети"
Ульянов М. В., Шептунов М. В. Математическая логика и теория алгоритмов, часть 1: Математическая логика. – М.: Мгапи, 2003. – 47...
«Московская государственная академия приборостроения и информатики» iconФизике и математике
Московская государственная академия водного транспорта и Подготовительные курсы журнала «Потенциал»
«Московская государственная академия приборостроения и информатики» iconС. О. Хан-Магомедов, ниитиаг, академик раасн
Московская государственная художественно-промышленная академия им. С. Г. Строганова
«Московская государственная академия приборостроения и информатики» iconНа правах рукописи Удалая Татьяна Владимировна
Ведущая организация: Московская государственная академия делового администрирования
«Московская государственная академия приборостроения и информатики» iconКурс лекций по психологии и педагогике Часть I учебное пособие
Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова 1
«Московская государственная академия приборостроения и информатики» iconНовые методы математической обработки данных в аналитической вольтамперометрии
Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова
«Московская государственная академия приборостроения и информатики» iconСтабильные изотопы и экология
Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова, 117571, г. Москва, проспект Вернадского
«Московская государственная академия приборостроения и информатики» iconСинтез замещенных амидов 1,2,4-триазол-3-карбоновой кислоты 1
Московская государственная академия тонкой химической технологии имени М. В. Ломоносова
«Московская государственная академия приборостроения и информатики» iconУчебное пособие Москва 2010 удк 001(09) ббк 72. 3 Рецензенты
Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова
«Московская государственная академия приборостроения и информатики» iconЕние бинарных водно-солевых систем методом адиабатной кристаллизации
«Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова»
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org