- •Концепции современного естествознания
- •Задачи курса - сформировать у студентов:
- •Ключевые слова содержания дисциплины «Концепции современного естествознания», в соответствии с государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования
- •Глава 1 Естествознание. История развития естественных наук
- •1.1.Естествознание. Методы исследований
- •1.2.Философские концепции в развитии естественных наук
- •1.3.История развития естественных наук
- •1.3.1. Подготовительный период
- •1.3.2. Механистический период
- •1.3.3. Новое время
- •1.3.4. Новейшее время
- •Тестовые задания к главе 1
- •Глава 2 Теории о строении материи
- •2.1. Механистическая теория
- •1. Все состояния механического движения тел по отношению ко времени оказываются в принципе одинаковыми, поскольку время считается обратимым.
- •5. Действие и сигналы могут передаваться в пустом пространстве с какой угодно скоростью.
- •2.2. Электромагнитная теория
- •2.3. Электронная (атомно-молекулярная) теория
- •2.4. Физическая (квантово-полевая) теория
- •Тестовые задания к главе 2.
- •Глава 3 Законы развития материального мира
- •3.1. Законы диалектики
- •3.2. Категории диалектики
- •1. Единичное и общее
- •2. Причина и следствие
- •3. Необходимость и случайность
- •4. Возможность и действительность
- •5. Содержание и форма
- •6. Сущность и явление
- •7. Самоорганизация
- •8. Состояние
- •9. Взаимодействие
- •10. Близкодействие и дальнодействие
- •11. Принцип относительности
- •12. Принцип инвариантности
- •13. Принципы симметрии
- •14. Принципы суперпозиции, неопределенности, дополнительности
- •15.Принцип системной целостности
- •Тестовые задания к главе 3.
- •Глава 4 системнАя организациЯ и законы энергии материального мира
- •4.1. Формы существования материи
- •Системный подход к изучению материи
- •Современное естествознание о микро-, макро- и мегамирах
- •Структурная организация микромира
- •4.3. Законы взаимопревращения различных видов энергии материального мира
- •Законы сохранения энергии в макроскопических процессах
- •Принципы возрастания энтропии. Термодинамические законы
- •Химические процессы. Реактивная способность веществ
- •Тестовые задания к главе 4
- •Глава 5 эволюция вселенной
- •5.1. Метагалактика. Галактика. Солнце
- •5.2. Происхождение Солнечной системы
- •Тестовые задания к главе 5
- •Глава 6 эволюция земли. Биосфера
- •6.1. Основные этапы истории развития Земли
- •Этапы эволюционного развития Земли Образование основных оболочек Земли
- •Зарождение жизни
- •6.2. Биосфера Земли Характеристика и состав биосферы
- •В.И. Вернадский о биосфере и «живом веществе»
- •Биогенная миграция химических элементов
- •Развитие органического мира
- •Появление многоклеточных организмов
- •6.3. Антропогенез. Эволюция мозга и развитие сознания
- •Этапы развития человека
- •Развитие сознания
- •Психика человека
- •Психика животных
- •2. Стадия перцептивной психики
- •3. Стадия интеллекта
- •Эволюция психической деятельности человека
- •Строение и функции нервной системы человека
- •Варианты психической деятельности человека
- •Тестовые задания к главе 6
- •Глава 7 циклы и Ритмы Вселенной и их влияние на эволюцию земли
- •7.1. Ритмы Галактики
- •7.2. Ритмы Солнца
- •7.3. Влияние ритмов Галактики и Солнца на геофизические процессы Земли
- •Тестовые задания к главе 7.
- •Глава 8 колебания климата земли
- •8.1. Причины колебаний климата Земли
- •1. Астрономические факторы (положение Земли в космическом пространстве).
- •8.2. Палеоклиматическая реконструкция климата Земли
- •8.3. Моделирование климата Земли за 3,5 млрд. Лет и долгосрочный прогноз его изменчивости
- •Моделирование процесса динамики температурного режима земной поверхности за 3,5 млрд. Лет
- •Реконструкция температурных аномалий за 3,5 млрд. Лет до н.В. И прогноз на 1 млрд. Лет вперед
- •Реконструкция температурных аномалий
- •Реконструкция температурных аномалий за 100 тыс. Лет до н.В. И прогноз на 100 тыс. Лет вперед
- •Реконструкция температурных аномалий за 8 тыс. Лет до н.В. И прогноз на 12 тыс. Лет вперед
- •Атлантический период отмечен значительным сдвигом природных зон умеренных широт в северном направлении. Судя по палеотемпературной реконструкции, он продолжался 1300 лет (от 6800 до 5500 лет назад).
- •Тестовые задания к главе 8.
- •Глава 9
- •9.1. Антропогенные воздействия на микроклимат сельской местности
- •9.2. Антропогенные воздействия на микроклимат города
- •9.3. Антропогенное воздействие на глобальный климат планеты
- •Глава 10 Законы естествознания
- •10.1. Законы существования материального мира
- •10.2. Законы системной целостности
- •10.3. Законы внутреннего развития систем
- •39. Закон согласования строения (функции) частей подсистемы.
- •10.4. Законы термодинамики систем
- •10.5. Законы иерархии систем
- •51. Периодический закон химических элементов д.И.Менделеева
- •10.6. Законы «система-среда»
- •Сверлова Любовь Ивановна доктор географических наук, профессор Концепции современного естествознания
- •680042, Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 134, хгаэп, риц
4.3. Законы взаимопревращения различных видов энергии материального мира
Закон сохранения и превращения энергии применительно к механическим процессам формулируется так: «Полная энергия замкнутой консервативной системы тел равная сумме их потенциальной и кинетической энергии, остается величиной постоянной». Всякое изменение потенциальной и кинетической энергии есть превращение потенциальной энергии в кинетическую, а кинетическую в потенциальную.
Установлению закона сохранения и превращения энергии способствовало также открытие эффектов, отличных от механических и тепловых, а также превращения других форм движения в тепловую энергию. Еще Майер в своей работе составляет таблицу всех рассматриваемых им «сил» природы и приводит 25 случаев их взаимопревращений. Рассмотрев превращение теплоты в механическую работу, имеющее место в функционировании паровой машины, он говорит об электрической «силе» и превращении механического эффекта в «электричество», о «химической силе вещества», о превращении «химической силы» в теплоту и электричество. Он распространяет положение о сохранении и превращении этих различных «сил» природы на живые организмы, утверждая, что при поглощении пищи в организме постоянно происходят химические процессы, результатом которых являются тепловые и механические эффекты.
Исследования электрических явлений давали серьезные основания для подкрепления вывода о взаимопревращении различных форм движения друг в друга. В 1800 году Вольт изобретает первый химический источник электрического тока. В 1840 году русский академик Гесс получает важные результаты, свидетельствующие о превращении химических «сил» в теплоту. Работы Фарадея и Ленца приводят к открытиям о превращении электричества и магнетизма. Изучение процессов, происходящих в контактах двух металлических проводников, проделанных Пельтье и Ленцем, свидетельствуют о взаимопревращениях электрической «силы» и теплоты. В 1845 году Джоуль устанавливает соотношение между величиной количества тешюты, выделяемой при прохождении электрического тока через проводник, и величиной самого тока и сопротивления проводника (закон Джоуля-Ленца).
На протяжении более четырех десятилетий формировался один из самых великих принципов современной науки, приведший к объединению самых различных явлений природы. Историками науки открытие закона сохранения и превращения энергии рассматривается как первая революция в физике.
Таким образом, энергия - единая мера различных форм движения материи. Механическая энергия и тепловая энергия - это только две из многих форм энергии. Все, что может быть превращено в какую-либо из этих форм, есть тоже форма энергии. Возможны два качественно различных способа передачи энергии от одного макроскопического тела к другому - в форме работы и в форме теплоты (путем теплообмена).
При этом макроскопическое тело рассматривается как огромная совокупность микрочастиц. При взаимодействии незначительного числа отдельных или каким-либо другим зарядом. Английский физик П.А. Дирак, основатель релятивистской квантовой теории поля, предсказал существование позитрона и возможность превращения фотона в пару электрон-позитрон и обратно. Позитрон – античастица электрона – экспериментально был открыт в 1934 г.
Замечательным подтверждением незыблемости закона сохранения энергии и предсказательной силы теоретической мысли явилось открытие нейтрино. Экспериментально было установлено, что при радиоактивном -распаде из атомного ядра испускаются электроны (или позитроны), обладающие различной энергией. Чтобы согласовать этот факт с законом сохранения энергии, швейцарский физик-теоретик В. Паули предположил, что одновременно с электроном (или позитроном) ядро испускает еще какую-то электрически нейтральную частицу, которая и уносит недостающую часть энергии. Она и была названа «нейтрино». Эта частица вылетает из ядра вместе с позитроном, а в случае испускания электрона из ядра вылетает «антинейтрино».
В случае испускания электрона (е) и антинейтрино (е) при распаде происходит превращение нейтрона (п) в протон (р): п р +е +е. В случае испускания позитрона ( е+) и нейтрино (е) протон превращается в нейтрон: р->п + е+ +е.
Важно, что в составе атомного ядра имеются только протоны и нейтроны. В атомном ядре нет ни электронов и позитронов, ни нейтрино и антинейтрино. Эти частицы и античастицы рождаются, возникают в самом процессе превращения нейтрона в протон и обратно. Этот процесс можно сравнить с испусканием фотонов электромагнитного поля при переходе атомов из одного электронного состояния в другое.
В классической физике вплоть до второй половины XIX в. под материей обычно понималось вещество. Электродинамикой Максвелла положено основание физическому учению о поле как особой форме материи. Но вещество и поле рассматривались отделенными друг от друга. Квантовая механика впервые позволила установить связь вещества и поля. Экспериментальное открытие в 1927 г. дифракции электронов доказало, что микрочастицы вещества и поля имеют двуединую природу –одновременно корпускулярную дискретную и волновую непрерывную.
В квантовой механике корпускулярные и волновые понятия теряют свою «классическую» независимость. В настоящее время описание природы осуществляется на основе не только корпускулярной, но и континуальной концепции. Континуальная концепция - изменяющаяся материя во времени при сохранении преемственности изначального содержания.
Движение микрообъектов лишь приближенно может трактоваться в одних случаях как движение «классических» частиц, а в других случаях как распространение «классических» волн. Поэтому при описании явлений атомного масштаба нельзя отвлекаться от тех физических условий, в которых они наблюдаются. Квантовым величинам присущ характер относительности к средствам наблюдения, что и делает их отличными от классических величин, которые безотносительны к средствам наблюдения. Понятие и термин «относительность к средствам наблюдения» ввел впервые наш соотечественник академик В.А. Фок.
Из основных положений квантовой механики вытекает «соотношение неопределенностей», установленное В. Гейзенбергом: р х q h, где р - импульс частицы, q - её координаты, h - постоянная Планка, р - неопределенность в определении импульса, q - неопределенность в определении, координаты. При точном определении импульса р = 0, а q = , т.е. координата становится неопределенной и наоборот (Е.Ф. Солопов, 1998).
Для объяснения соотношения неопределенностей Н. Бор выдвинул «принцип дополнительности», противопоставив его принципу причинности. При использовании прибора, позволяющего точно измерить координаты частиц, импульс может быть любым и, следовательно, причинная связь отсутствует. Применяя приборы другого класса, можно точно измерить импульс, а координаты становятся произвольными. В этом случае процесс, по Н. Бору, совершается якобы вне пространства и времени, т.е. следует говорить либо о причинности, либо о пространстве и времени, но не о том и другом вместе.
В. Гейзенберг выдвинул принцип «неконтролируемого взаимодействия» частицы с прибором. Неопределенность в значении импульса и координаты, якобы, обусловлена тем, что взаимодействие частицы и прибора может быть познано лишь до некоторого предела, за которым принципиально невозможно познать объективные процессы микромира.
Борьбу против индетерминизма в квантовой физике против отрицания объективных причинных, закономерных связей в микромире вели П. Ланжевен, М. Лауэ, Л. де Бройль, М. Планк, А. Эйнштейн, советские физики С.И. Вавилов, В.А. Фок, Д.И. Блохинцев и другие. Они показывают, что соотношение неопределенностей свидетельствует лишь об ограниченной возможности применения понятий классической механики при описании «расплывшихся», одновременно дискретных и волновых объектов, какими являются электроны и другие микрочастицы.
Следует различать истинные научные положения квантовой физики (материалистические), в данном случае соотношение неопределенностей, и ложные фидософско-мировоззренческие трактовки идеалистического толка, которые всегда препятствовали развитию научных исследований.