Установочный материал
по курсу «Концепции современного естествознания»
(на основе рабочей программы от 2002 г. ГОС-2000)
Содержание письменной контрольной работы
Контрольные работы выполняются по темам, изложенным в методических пособиях по КСЕ от 2002 или 2003 года издания. Каждая работа содержит 2 темы ( например, “Теория Большого взрыва” и “Гипотезы о возникновении жизни на Земле”). Объём работы произволен – на уровне объёма среднего реферата, где каждая тема должна быть изложена по возможности кратко, но без ущерба для содержания раскрываемой темы. Оформление работы возможно или в обычной тонкой тетради или на листах формата А4.
Темы контрольных работ разбиты по вариантам с различными номерами. Каждый студент находит номер своего варианта по последней цифре номера своей зачетной книжки ( например, номер книжки 1002345 означает, что номер варианта равен 5, если же последняя цифра номера зачетной книжки - 0 , то следует выполнять вариант номер 10 ).
Для выполнения контрольной работы студенты могут использовать как любой из многочисленных учебников со стандартным названием “Концепции современного естествознания” (авторами подобных учебников являются Дубнищева Т.Я., Карпенков С.Х., Горелов А.А., Потеев М.И., Хорошавина С.Г. и т.д. ), так и научно-популярные брошюры, книги , связанные с темами данного конкретного варианта работы – их поиск студенты осуществляют самостоятельно, например, по тематическому каталогу какой-либо библиотеки.
Разделы курса “Концепции современного естествознания”
Концепции современного естествознания( КСЕ ) – общеобразова-тельная дисциплина, содержащая популяризированное описание окружающей нас природы с точки зрения современных естественных наук ( физики, химии, биологии, психологии, математики - любая конкретная научная дисциплина является или частью перечисленных выше наук, или их симбиозом ).
КСЕ состоит из следующих разделов:
краткий обзор объектов исследования каждой из естественных наук;
методы , принципы научной работы в естествознании, роль эксперимента в науке;
наш мир в разных масштабах ( от элементарных частиц до масштаба всей Вселенной );
происхождение и эволюция Мира ( теория Большого взрыва );
космос ( звезды, планеты, спутники, астероиды, кометы, газовые облака и т.д.);
физическая картина Мира ( виды материи, виды взаимодействий в природе, элементы квантовой механики, теории относительности, физика систем из огромного числа атомов, молекул, тел );
химические аспекты естествознания ( химические элементы, их система по Менделееву, понятие валентности, типы химических связей, роль структуры химического вещества в отношении его свойств, управление химическими реакциями с помощью катализаторов, химические процессы в живых организмах );
биология ( современные методы биологических исследований, классификация живых существ, проблема возникновения жизни на Земле, эволюция живого на Земле, генетика, биосфера Земли ;
общество (происхождение человека, влияние социума на личность, законы природы и жизнь общества, мозг и разум человека, техногенное влияние на общество, на отдельного человека );
Краткие тезисы содержания курса КСЕ
Современные сведения о природе получены в рамках естественных наук с помощью экспериментальных исследований природных явлений с последующим теоретическим их осмыслением.
Эксперименты проводятся обязательно с применением приборов, т.к. органы чувств человека дают нам субъективную информацию о окружающем мире и могут ввести нас в заблуждение.
Эксперимент дает пищу для теоретических изысканий, в свою очередь, теория часто подсказывает экспериментаторам дальнейшее направление их исследований.
Математика – это неотъемлемая часть естествознания, присутствующая во всех естественных науках ( ведь везде надо что-то считать…). Как теоретическая дисциплина, математика неоднократно предвосхищала как наличие, так и разрешение проблем, возникающих перед физической наукой ( например, математики давно научились работать в многомерных пространствах, что весьма помогло физике, когда она сама столкнулась с проблемой многомерных миров ).
Естествознание условно разделяет Мир по нескольким масштабам его рассмотрения. Это масштабы – Метагалактики, галактик, звезд, планетных систем, отдельных планет, объектов на планете, микромир атомов и молекул, мир элементарных частиц.
Материя в нашей Вселенной может быть разделена на вещество и поле: вещество – это всё, что состоит из элементарных частиц, атомов и молекул; поля – другая разновидность вещества, представленная гравитационным, электромагнитным, внутриядерным и слабым полями.
Любое вещество всегда окружено полями, поля же обеспечивают целостность самих объектов вещества ( например, электрическое поле удерживает вместе в атоме его положительно заряженное ядро и отрицательно заряженные электроны его электронных оболочек ).
Поля создаются: гравитационное – массой вещества;
электромагнитное – электрическими зарядами;
слабое и сильное – частицами в атомном ядре;
Наша Вселенная имеет конечный возраст своего существования, равный примерно 15 миллиардов лет. Появилась Вселенная из загадочной для современной науки ТОЧКИ путем её взрыва – отсюда название этой теории : Большой Взрыв. Изначальным веществом были частицы и античастицы, возникшие в первые мгновенья существования вселенной. Но эти частицы тут же взаимно уничтожились при контакте друг с другом ( аннигиляция ) с рождением при этом лучей света, осветивших Вселенную и чрезвычайно разогревших остатки частиц вещества, не подвергшихся процедуре аннигиляции ( «горячая» Вселенная). Эти оставшиеся частицы (древние частицы), после множества взаимных превращений, “успокоились” на их современном нам наборе ( открыто несколько сот видов частиц). Вселенная же, при дальнейшем её расширении, постепенно остывала ( всё расширяющееся всегда остывает) до её современноё средней температуры вещества, около 3 градусов Кельвина ( -270 градусов Цельсия).
Из элементарных частиц образовались во Вселенной первые атомы – огромные облака водорода и гелия. Из этих облаков тяготение сформировало первые звезды и газообразные планеты вокруг звезд.
Первое поколение звезд завершило свою жизнь взрывами, заполнив при этом Вселенную, синтезированными при взрывах, атомами всей таблицы Менделеева. Второе и третье поколения звезд и планет содержали уже не только водород и гелий, но и все остальные химические элементы ( например, наши Солнце и Земля ).
Звезды оказались собраны тяготением в скопления, называемые галактиками. В составе галактик может быть до двух-трех сотен миллиардов звезд ( с окружающими их планетами ).
Размер нашей галактики огромен – луч света летит от края до края галактики около 100 000 лет. Среднее расстояние между звездами составляет 10 световых лет. Луч света летит от Солнца до самой далекой его планеты Плутона десятки минут.
Солнечная система насчитывает 9 планет ( если считать и Плутон, но по современной классификации, Плутон вычеркнули из списка планет, перенеся его в разряд более мелких планетоидов – т.е. планет сейчас считается 8, а не 9), не считая десятков их спутников, пояс космических глыб и камней – пояс астероидов, а также огромное облако ( на границах солнечной системы ) из ледяных глыб замерзшей воды и газов (облако Орта). Когда последние , двигаясь по эллиптической орбите, подлетают близко к Солнцу ( в пределах внутренних планет Солнечной системы ), то испаряющееся вещество ледяных глыб ( под действием нагрева со стороны Солнца ) образует газовый шлейф за глыбой – рождается комета.
Все тела состоят из атомов, а сами атомы из элементарных частиц. Устройство атома: в центре его крохотное положительно заряженное ядро ( но почти вся масса атома сосредоточена в этом ядре ), а вокруг ядра располагаются электронные оболочки в виде облаков своеобразного электронного газа. Форма этих оболочек может быть различной – сферическая, крестообразная, гантелеобразная.
Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Массы этих частиц почти одинаковы ( и примерно в 1000 раз больше массы электрона ), а по электрическому заряду эти частицы различны – нейтрон электрически нейтрален, протон положительно заряжен. Удерживаются вместе эти частицы благодаря взаимному притяжению при помощи сильного поля ( присутствует только в атомном ядре).
Размер атома – около 10-10м. Размер атомного ядра – около 10-14м.
Физико-химические свойства атомов зависят, среди прочего, от того, как заполнены электронами его электронные оболочки. Если во внешней оболочке всего один электрон, то такой атом будет химически активен, стремясь вступить в химсоединение с другим атомом с отдачей ему этого единственного электрона ( примером служит натрий ). Если же во внешней электронной оболочке недостает одного электрона до её полного заполнения, то это химически активный атом другого типа: он стремится получить от другого атома ( с которым вступает в химическую связь ) недостающий ему электрон ( примером служит хлор ). Атомы с промежуточным заполнением электронной оболочки ( между натрием и хлором ) химически менее активны и не проявляют яркого стремления ни к отдаче, ни к приему электронов от других атомов ( примером служит углерод или медь ). Атомы с полностью заполненными электронными оболочками химически инертны – ни с кем не вступают в химические реакции ( это инертные газы, например, гелий или аргон, а также благородные металлы, например, золото ).
Молекулы, образованные атомами неисчислимы по разнообразию и степени сложности – от простейшего соединения О2до сложнейшей молекулы ДНК длиной до 10 см ! Состав и геометрия молекул определяют свойства вещества, составленного из них.
В начале двадцатого века были открыты химические реакции особого типа – они могли идти между химическими веществами только в присутствии небольших количеств, так называемых, катализаторов .
Катализаторы позволяют управлять химической реакцией ( по крайней мере, запускать её ). В живых организмах именно так идет управление большинством химических реакций. Научится этому у живой природы – задача современной каталитической химии.
Живые организмы – сложнейшие создания природы. Поэтому их изучение необычайно сложно. Современные физика и химия дают в руки биологам новейшие средства исследования живого ( например, электронный микроскоп или “хитрые” химические реагенты ).
Конечная задача биологии ( вероятно, недостижимая ) – узнать , чем живое отличается от неживого. Оказалось, что нет ни одной черты у живого, которую нельзя было бы найти в неживой природе !
Минимальное живое существо – это клетка ( вирусы вряд ли можно отнести к живым существам, т.к. это просто сложная белковая молекула, которая не может даже сама размножаться – для этого ей требуется помощь клетки, которая за счет своего вещества ( погибая при этом ) строит новые поколения вируса. Вирусы ведут себя как живые существа, но не являются таковыми ( аналогично компьютерные вирусы тоже ведут себя как живые и даже разумные, хотя, конечно, таковыми не являются – это просто компьютерная программа ).
Все живое на Земле делится на три группы : растения, животные и грибы.
Исторически все многообразие нынешней жизни произошло эволюционным путем из одноклеточных существ, появившихся на Земле 4 миллиарда лет назад.
Гипотезы о возникновении жизни на Земле:
А) Жизнь на Земле сотворил Бог ;
Б) Жизнь самозародилась на Земле из неживой природы;
В) Жизнь пришла на землю из космоса ( бактерии на метеоритах или космических пылинках ).
Вариант (А) естествознание не рассматривает – это область для религии; вариант (Б) был детально разработан академиком Опариным,
но экспериментальные проверки этой теории не дали в должной мере положительного результата; вариант (В) высказан также нашим ученым Вернадским ( в одно время с Опариным ) и имеет под собой некие основания, т.к. в метеоритах действительно находят остатки органических молекул, а несколько лет назад найдены и остатки внеземных бактерий !
Всё живое на Земле взаимосвязано – биосфера. Все живые существа зависят друг от друга ( причем, чем более высокоразвитое существо – тем больше его зависимость от всех других ).
Человек –составная часть биосферы, зависит от её состояния, но пока недостаточно полно это осознаёт. Отсюда возникают и вредные воздействия на биосферу со стороны человека и соответствующие экологические проблемы.
Происхождение человека на Земле до конца не выяснено. Традиционно считается ( хотя это строго так и не доказано ), что он произошел от обезъяноподобных приматов эволюционным путем.
Возраст человека как вида оценивают, примерно, в 2 миллиона лет.
Возраст человека, как представителя цивилизации еще меньше – несколько сот тысяч лет ( когда появилось искусство – росписи на стенах пещер и т.д., когда появились элементы религии, т.е. духовной жизни и т.д. ).
Мозг – носитель нашего разума. Мозг – это живой компьютер, а разум – это некая сверхсложная программа, загруженная в мозг. Содержание этой программы пока недоступно науке. Ясно лишь, что разум – это явление коллективное, социальное. Биологически здоровый человек, но выросший вне контактов с другими людьми ( аналог Маугли), не становится разумным существом ! Разум не является врожденным свойством человека, генетической программы такого рода наука не знает.
На сознание человека влияют многие факторы – семья, знакомые, коллеги, социальная принадлежность, биологические факторы человека.
В последнее время отмечается новый сильнейший фактор, влияющий на сознание человека – средства массовой информации, часто более сильно действующие, чем все остальные факторы вместе взятые. Отсюда возникает проблема информационного загрязнения окружающей среды (информация негативного, разлагающего, развращающего характера )
Общий итог для дисциплины КСЕ – она не рассматривает содержание всех естественных наук подробно, как это делается в их собственных рамках. КСЕ рассматривает лишь наиболее крупные, важные для мировоззрения человека научные положения с целью получить цельный, интегрированный взгляд на природу, как на единый объект с бесконечным многообразием взаимосвязей в ней и определить место в природе для самого человека.
Ниже приведен официальный тезаурус ( словарь ) терминов дисциплины КСЕ с их расшифровкой. Данный словарь полезен для детального ознакомления с тематикой данной дисциплины, для поиска более обширной информации в справочной, энциклопедической литературе.
Эволюция научного метода и естественнонаучной картины мира
1-01. Научный метод познания
Методология— учение о принципах построения, формах и способах научного познания.
Свойства научного знания: - объективность, достоверность, точность, системность
Эмпирическое и теоретическое познание :- эмпирическое познание основано на опыте, данных экспериментов, теоретическое опирается на данные экспериментов и на систему идей, гипотез
Методы научн. познан.:-наблюдение, измерение, индукция, дедукция, анализ, синтез, абстрагирование, моделирование, эксперимент
Гипотеза:- предположительное суждение о закономерной (причинной) связи явлений; форма развития науки.
Требования к научным гипотезам:-соответствие эмпирическим фактам, проверяемость
Научная теория:- форма научного знания, дающая целостное представление о закономерностях и существенных связях действительности.
Область применимости теории: - ограничена теми рамками, которые возможны для её экспериментальной проверки и набором выводов из постулатов теории
Принцип соответствия:- новая теория, претендующая на более широкую область применимости, чем старая, должна включать последнюю как предельный случай.
1-02. Естественнонаучная и гуманитарная культуры
Естествознание :-комплекс естеств. наук о природе
Дифференциация наук:-узкая специализация наук по объектам и методам их исследования, например, физика, химия, биология (в пределах каждой науки своя дифференцация, например, физика плазмы или оптика…)
Интеграция наук:-объединение, взаимопроникновение разных наук с их методами исследований для изучения общего для них объекта исследования ( примеры – биофизика, биохимия, физическая химия, геология, астрономия, криминалистика, математическая физика…)
Гуманитарные науки:- обращены к человеческой личности, не имеют эксперимента, их знание субъективно
Гуманитарно-художественная культура, её основные отличия от научно-технической:
- субъективность, нестрогий язык, интерес к частностям изучаемых предметов, сложность проверки
Математика:-язык естествознания
Псевдонаука:-имитация научной деятельности
Отличительные признаки псевдонауки:-фрагментарность, некритический подход к исходным данным, невосприимчивость к критике, отсутствие общих законов, неверифицируемость псевдонаучных данных
1-03. Развитие научных исследовательских программ и картин мира
Научная программа: -программа исследования Мира с целью получить некое его целостное понимание
Древняя Греция:-появление программы рационального объяснения мира
принцип причинности в первоначальной форме:- (каждое событие имеет естественную причину) и его позднейшее уточнение:- (причина должна предшествовать следствию)
Атомистическая исследовательская программа Левкиппа и Демокрита:-всё состоит из дискретных атомов; всё сводится к перемещению атомов в пустоте
Континуальная исследовательская программа Аристотеля:-всё формируется из непрерывной бесконечно делимой материи, не оставляющей места пустоте
Взаимодополнительность атомистической и континуальной исследовательских программ:- обе коснулась части истины, вместе они дают более полное представление о природе
Научная (или натурфилософская) картина мира:-образно-философское обобщение достижений естеств. наук
Фундаментальные вопросы, на которые отвечает научная (или натурфилософская) картина мира:- о материи, о движении, о взаимодействии, о пространстве и времени, о причинности, акономерности и случайности, о космологии (устройство и происхожд. мира)
Натурфилософская картина мира Аристотеля:-Вселенная конечна; все имеет свою причину и цель; постигать природу математикой невозможно; физические законы не имеют всеобщего характера; природа выстроена по иерархической лестнице; следует не объяснять мир, а классифицировать его составляющие с научной точки зрения.
Научные картины мира:-механическая, электромагнитная, неклассическая (1-я половина XX в.), современная эволюционная
1-04 Развитие представлений о материи
(1 этап) - Фалес:-проблема поиска первоначала , Все многообразие явлений и вещей он сводил к единой основе-первоначалу, которым Фалес считал воду ( жил ок. 640 — ок. 546), древнегреческий философ и ученый, основатель так называемой ионийской (милетской) школы, родоначальник античной философии и науки)
Абстракция материи:- вещество; субстрат, субстанция; содержание. Понятие материи как субстрата вещественного мира было выработано в греческой философии в учениях Платона и Аристотеля, при этом материя понималась как неоформленное небытие (meon), чистая потенция
(2 этап) - Механическая картина мира:-материя – есть вещество, состоящее из дискретных корпускул
(3 этап) - Электромагнитная картина мира:-две формы материи — вещество и электромагнитное поле
Волна:-распространяющееся возмущение физического поля
Эффект Доплера:-зависимость измеряемой длины волны от взаимного движения наблюдателя и источника волн
(4 этап) - Современная научная картина мира: три формы материи:— вещество, физическое поле, физический вакуум
1-05. Развитие представлений о движении
------------- (Античность и средневековье)------------
Гераклит:-идея безостановочной изменчивости вещей
Учение Аристотеля о движении:-движение есть атрибут материи , есть разнообразные формы движения
------------- (Новое время – 17_19 века)------------------
Механическая картина мира:-единственная форма движения — механическое перемещение
-------------- (19 век, начало 20 века)--------------------
Электромагнитная картина мира:-движение — не только перемещение зарядов, но и изменение поля (распространение волн)
-----------------Современность)------------------
Понятие состояния системы:- совокупность данных, позволяющих предсказать дальнейшее поведение системы
Движение как изменение состояния
Химическая форма движения:-химический процесс
Биологическая форма движения:-процессы жизнедеятельности, эволюция живой природы
Современная научная картина мира:-эволюция как универсальная форма движения материи, многообразие форм движения, качественно различных и не сводимых друг к другу
1-06. Развитие представлений о взаимодействии
Представления Аристотеля о взаимодействии (античность):-одностороннее воздействие движущего на движимое; первоначальная форма концепции близкодействия (передача воздействия только через посредников)
Механическая картина мира (17-19 века):
- концепция взаимодействия (третий закон Ньютона),
- открытие фундаментального взаимодействия (зак. тяготен.),
- принятие концепции дальнодействия (мгновенной передачи взаимодействия через пустоту на любые расстояния)
Электромагнитная картина мира (19 - 20 века):
-- открытие второго фундаментального взаимодействия (электромагнитное взаимодействие),
- возврат к концепции близкодействия (взаимодействие передаётся только через материального посредника, т.е. физического поле , причем с конечной скоростью),
- полевой механизм передачи взаимодействий (заряд создаёт соответствующее поле, которое действует на иные заряды)
Современная научная картина мира (20-21 в.):-
- четыре фундаментальных взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое)
- квантово-полевой механизм передачи взаимодействий (заряд испускает виртуальные частицы-переносчики соответствующего взаимодействия, поглощаемые другими аналогичными зарядами)
- частицы-переносчики взаимодействий (фотоны, гравитоны, глюоны, промежуточные векторные бозоны)
Фундаментальные взаимодействия - масштаб
- микромир (сильное, слабое и электромагнитное)
- макромир (электромагнитное)
- мегамир (гравитационное)