KSE_лабораторный практикум

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СЕРВИСА» (ПВГУС)

Кафедра «Современное естествознание»

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

по дисциплине «Концепции современного естествознания»

для студентов всех специальностей и направлений

Одобрено Учебно-методическим Советом университета

Составители: Бочкарёв А. И., Бочкарёва Т. С., Бочкарёва Р. А.

Тольятти 2011

УДК 502(075.8)

ББК 70я73

Л 12

Рецензент

д.т.н., проф. Аникин В. И.

Лабораторный практикум по дисциплине «Концепции со-

Л12 временного естествознания» / сост. А. И. Бочкарёв, Т. С. Бочкарёва, Р. А. Бочкарёва. – Тольятти : Изд-во ПВГУС, 2011. – 128 с.

Для студентов всех специальностей и направлений.

©Бочкарёв А. И., Бочкарёва Т. С., Бочкарёва Р. А., составление, 2011

©Поволжский государственный университет сервиса, 2011

2

ВВЕДЕНИЕ

Практикум разработан в соответствии Государственным образовательным стандартом по дисциплине «Концепции современного естествознания» с учетом многолетнего положительного опыта постановки экспериментов и преподавания данной дисциплины в Поволжском государственном университете сервиса в составе мультидисциплинарного комплекса в дополнение к базовому учебнику (Бочкарёв А.И., Бочкарёва Т.С., Саксонов С.В., - М.: КНОРУС, 2011г)

Практикум включает описание к лабораторным работам, охватывающим все темы курса «Концепции современного естествознания» по рабочим программам нового поколения. Лабораторные работы предназначены для студентов всех специальностей и направлений.

Все описания к лабораторным работам составлены в едином ключе, ориентированы на фронтальное выполнение, включают наряду с реальными, дополненные модельными и виртуальными экспериментами, а также компьютерную обработку и представление результатов. Программное обеспечение для выполнения виртуальных лабораторных работ, обработка результатов эксперимента и моделирования имеется в лаборатории а. Т- 312 «Современное естествознание и высокие технологии».

Программное обеспечение практикума, виртуальные лабораторные макеты и средства обучения постоянно модернизируется и все изменения в них будут помещаться в виде Интернет-публикаций на рабочий стол кафедры «Современное естествознание» сайта www.tolgas.ru университета.

Многие работы настоящего практикума являются инновационными и описаны впервые. За счет рациональной теоретической и технологической подготовки эксперимента с помощью практикума удается организовать фронтальное выполнение лабораторных работ по инновационной интерактивной технологии «одного образовательного окна», а также дистанционной технологии, требующей максимальной мобилизации активности как преподавателей, лаборантов, так и самих студентов.

Лабораторные работы (макеты, программы, описания) составлены авторами практикума совместно.

Описания к работе № 13 составлены совместно с асс. Ивановым А.А. Программа к работе № 7.1 и описание (стр. 62-63) составлены совместно с

к.т.н. доц. Леонтьевым.

Практикум издается под редакцией заведующего кафедрой «Современное естествознание», д.п.н., профессора Бочкарёва А.И.

3

В современной науке существует множество методов, позволяющих изучить или познать явления природы, но наилучшими для понимания и запоминания считаются эмпирические методы. К эмпирическим методам познания относятся: наблюдение, эксперимент, сравнение, описание и измерение.

Наблюдение – целенаправленное пассивное изучение предметов, опирающееся в основном на данные органов чувств, в ходе него мы получаем знания не только о внешних сторонах объекта познания, но и о его существенных свойствах и отношениях. Наблюдение может быть непосредственным и опосредованным различными приборами и другими техническими устройствами. Основные требования к научному наблюдению: однозначность замысла (что именно наблюдается); возможность контроля путем либо повторного наблюдения, либо с помощью других методов (например, эксперимента). Важным моментом наблюдения является интерпретация его результатов – расшифровка показаний приборов и т.п.

Эксперимент – активное и целенаправленное вмешательство в протекание изучаемого процесса, соответствующее изменение исследуемого объекта или его воспроизведение в специально созданных и контролируемых условиях, определяемых целями эксперимента.

Основные особенности эксперимента: более активное (чем при наблюдении) отношение к объекту исследования, вплоть до его изменения и преобразования; возможность контроля за поведением объекта и проверки результатов; многократная воспроизводимость изучаемого объекта по желанию исследователя; возможность обнаружения таких свойств явлений, которые не наблюдаются в естественных условиях.

Виды экспериментов весьма разнообразны. Так, по своим функциям выделяют исследовательские (поисковые), проверочные (контрольные), воспроизводящие эксперименты. По характеру объектов различают физические, химические, биологические, социальные и т.п. Существуют эксперименты качественные и количественные. Широкое распространение в современной науке получил мысленный эксперимент – система мыслительных процедур, проводимых над идеализированными объектами.

Сравнение – познавательная операция, выявляющая сходство или различие объектов (либо ступеней развития одного и того же объекта), т.е. их тождество и различия. Оно имеет смысл только в совокупности однородных предметов, образующих класс. Сравнение предметов осуществляется по признакам, существенным для данного рассмотрения. При этом предметы, сравниваемые по одному признаку, могут быть несравнимы по другому. Суть сравнения – выявление общего и особенного в познании различных ступеней (периодов, фаз) развития одного и того же явления или разных сосуществующих явлений.

Описание – познавательная операция, состоящая в фиксировании результатов опыта (наблюдения или эксперимента) с помощью определенных систем обозначения, принятых в науке.

4

Измерение – совокупность действий, выполняемых при помощи определенных средств с целью нахождения числового значения измеряемой величины в принятых единицах измерения.

В основе лабораторного практикума лежат именно эти методы познания. Структура каждой лабораторной работы практикума одинакова и предполагает выделение:

•цели исследования,

•необходимых первоначальных знаний о предмете исследования,

•теоретической справки о самом предмете и характере его исследования,

•порядка выполнения работы,

•контрольных вопросов для закрепления полученных экспериментальным путем компетенций (знаний, умений и навыков).

На наш взгляд, изучение природы требует как раз эмпирического подхода во всем его многообразии. Потому что природу можно рассматривать как с точки зрения физических, химических, биологических концепций, так и с позиции ее восприятия и психологического воздействия на человека, а также творчества. В настоящем практикуме собраны наиболее полный набор лабораторных работ, в том числе творческих интерактивных работ, затрагивающих разнообразные стороны по изучению систем различной природы. Многие работы настоящего практикума являются инновационными разработаны и описаны впервые.

ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ И ОФОРМЛЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

При выполнении лабораторных работ по дисциплине «Концепции современного естествознания» следует руководствоваться приведенными ниже рекомендациями.

Максимальную пользу от выполнения лабораторных работ можно извлечь, только выполняя их самостоятельно. Описание лабораторных работ – это лишь ориентир для самостоятельной работы студента, которая предполагает внимание, усидчивость и творческий подход с его стороны. Объём знаний умений и навыков сформированных профессиональных компетенций и польза от проделанных лабораторных работ определяется не только ознакомлением с описанием работы по методическим указаниям, а, главным образом, сознательным отношением студента к её выполнению.

Необходимым условием для начала выполнения лабораторной работы является чёткое представление о сущности изучаемого объекта (теоретическая подготовка), а также понимание порядка или алгоритма проведения самой работы (практическая подготовка).

При оформлении результатов лабораторных работ необходимо соблюдать структуру бланка-отчета [8]:

Титульный лист должен содержать следующие сведения: − название дисциплины, по которой проводилась работа,

5

−тема лабораторной работы (номер, название),

−сведения о студенте (ФИО, группа, номер варианта). Основная часть отчёта включает в себя:

−цель работы,

−краткий конспект теории,

−письменные ответы на контрольные вопросы, предложенные в работе,

−выполненные задания практической части, которые могут иметь вид:

таблицы, описания, описания с зарисовками, рисунка.

Выводы по проделанной работе отражают личное отношение студента и могут содержать следующие пункты:

−чему студент научился благодаря проделанной работе,

−степень заинтересованности студента в конкретной работе,

−его рекомендации по усовершенствованию лабораторной работы,

−перечисление усвоенных студентом благодаря данной работе практических навыков,

−указание видов деятельности, где, по мнению студента, могут пригодиться полученные знания и навыки, компетенции,

−предположения о том, как полученные навыки могут пригодиться

студенту в его будущей профессиональной деятельности и др. Лабораторная работа считается полностью выполненной, если она

защищена по контрольным вопросам методических указаний. В отчет студенту преподаватель выставляет итоговую оценку за выполненную и защищённую работу.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 .

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ В РАЗВИТИИ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ

Цель работы: Ознакомиться со свойствами пространства и времени, пространственно-временными явлениями в открытых нелинейных, неравновесных системах.

Разделы программы: Принципы нелинейного образа мира. Характеристики и свойства пространства и времени. Явления необратимости и фактор времени в природе.

Необходимые предварительные знания: Динамика постижения нелинейного мира. Пространство и время. Принцип наименьшего действия. ПринципФерма. Режимы собострением. LS и HS-режимы.

Приборы и оборудование: специальный лабораторный макет или/и виртуальный лабораторный стенд исследования вариантов сложных систем

Программное обеспечение: Gnuplot.

Формируемые компетенции: Знать:

1. достижения современного естествознания в исследовании человека, соотношения личности и индивидуальности, творческой самореализации, закономерности развития интеллекта, основы саморазвития и

6

самосовершенствования в синергетической среде мультикультурного профессионального образования, формирующего профессионализм выпускников;

2.закономерности развития и редукции сложных открытых систем в условиях случайного выбора, способы нахождения организационно-управленческих решений в нестандартных ситуациях, самостоятельного принятия решений и готовностью нести за них ответственность;

3.глобальные процессы в природе и обществе и их направленность, концепции биосферы, ноосферы, пассионарности, солнечной и экономической активности, синергетику социально-экономических систем, социогенетические циклы,

мотивационные основы жизнедеятельност).

Уметь:

1.использовать достижения современного естествознания в исследовании биосоциальной сущности человека, его естественного стремления к личностному и профессиональному саморазвитию через творчество в повышении своей квалификации

имастерства;

2.находить организационно-управленческие решения в нестандартных ситуациях снижать априорную неопределенность случайного выбора, самостоятельно принимать решения и быть готовым нести за них персональную ответственност;

3.понимать социальную значимость своей профессии, использовать знания законов современного естествознания, эволюции глобальных, локальных, региональных социотехнических систем в поддержании высокой мотивации к выполнению своей профессиональной деятельности в ноосферных циклах пассионарности, солнечной и экономической активности, быстрой смены технологий.

Владеть:

1.навыками применения естественно-научных знаний закономерностей интеллектуального, культурного, нравственного, физического и профессионального саморазвития и самосовершенствования, способностью постоянного повышения своей квалификации и мастерства;

2.способностью и навыками организационно-управленческих решений в нестандартных ситуациях случайного выбора в открытом неравновесном, нелинейном, кризисном мире, самостоятельного принятия ответственных решений в условиях ограниченных времени и средств, готовностью нести за них персональную ответственность;

3.способностью понимать высокую социальную значимость своей профессии, поддерживать мотивацию к выполнению своей профессиональной деятельности в условиях глобальных процессов в природе и обществе, ноосферных циклов пассионарности, солнечной и экономической активности, быстрой смены технологий.

Литература: [1-5,8].

Теоретическая подготовка эксперимента

Первое и простейшее свойство времени – это его способность упорядочивать. Мир без времени – это первозданный хаос, в котором нет ни «раньше», ни «позже». Но как только оказывается, что некоторое событие x случилось раньше (или позже) некоторого события y – появляется [5].

Время упорядочивает события, под которыми понимаются такие пространственно локализованные явления, в которых нет «раньше» и «позже», которые не имеет протяженности во времени. Поэтому необходимо различать события и их последовательности – процессы. В любом явлении,

7

происходящем во времени, различается начало и конец, то есть существует как минимум два события – событие начала и конца этого явления. Таким образом, вторым фундаментальным свойством времени является то, что в отношение «раньше, чем» вступают уникальные индивидуализированные события.

Последовательности событий также уникальны и индивидуализированы, они образуют историю соответствующей области реальности. Здесь возникает следствие второго свойства времени, которое заключатся в том, что время и история неразрывно связаны. Если есть время, значит, существуют индивидуализированные события и их последовательность, то есть история. И наоборот, история развертывается в последовательности уникальных событий, а последние упорядочены отношением «раньше, чем» – появляется время.

Следующий аспект понятия времени (его третье свойство) связан с разделением событий на прошлые, настоящие и будущие. В той или иной степени данное свойство времени знакомо как историкам, так и исследователям, разрабатывающим сценарии будущего.

Другой традиционный аспект времени можно выразить словами – время течет или время идет. Течение или ход времени состоит в том, что события будущего становятся событиями настоящего, события настоящего – событиями прошлого, а события прошлого – событиями еще более далекого прошлого. Течение времени – четвертое неотъемлемое фундаментальное свойство времени. Используя слова «течение времени» и «становление» как синонимы, следует отметить тот факт, что существование становления – неоспоримое свидетельство индивидуального опыта каждого человека.

Переход событий из будущего в настоящее, а затем в прошлое – определяет становление во времени. Но упомянутый переход не занимает времени в том смысле, что его длительность принципиально невозможно измерить с помощью каких-либо приборов, часов. Течение времени протекает не во времени. Все процессы протекают во времени, за исключением самого времени. Таким образом, есть одно – единое и общее для всего мира – время. Универсальность – пятое фундаментальное свойство времени.

Шестое свойство – это необратимость времени. Невозможно вернуться в прошлое, однажды бывшее никогда не повториться. Оснований для подобного вывода два: временной порядок налагает запрет на петли во времени; нельзя попасть в мир событий, которые уже по-настоящему не существуют.

Седьмым свойством времени является нефиксированность будущего: то есть возможны альтернативные сценарии развития событий будущего, при этом из множества таких сценариев реализуется только один.

Перечисленные свойства времени выделяют феномен темпоральности среди всех остальных явлений. Они необходимы для характеризации времени, хотя, возможно, не достаточны, и у времени есть другие, пока не выявленные, фундаментальные свойства.

Поскольку пространство и время неотделимы от материи, правильнее было бы говорить о пространственно-временных свойствах и отношениях материальных систем. Выделяют всеобщие и специфические свойства

8

пространства и времени. Исследуют также особенности пространства и времени в микро- и мегамире. К всеобщим свойствам пространства и времени относятся [1]:

−объективность и независимость от человеческого сознания;

−абсолютность (как универсальных форм бытия материи, проявляющихся на всех структурных уровнях ее существования);

−неразрывная связь друг с другом и с движущейся материей;

−единство прерывности и непрерывности в их структуре (наличие отдельных тел, фиксированных в пространстве при отсутствии в нем каких-либо разрывов);

−количественная и качественная бесконечность, неотделимая от структурной бесконечности материи (невозможность найти место, где

отсутствовали бы пространство и время), а также неисчерпаемость их свойств.

Всюду, где есть любое взаимодействие и движение материи, сосуществование и связь ее элементов, обязательно наличествует пространство и время; всюду, где имеется сохранение материи, длительность ее бытия и последовательность смены состояний, есть и время, включающее в свое содержание все эти процессы.

К общим свойствам пространства относятся следующие.

1.Протяженность – рядоположенность, существование и связь различных элементов (точек, отрезков, объемов и др.), возможность прибавления к каждому данному элементу некоторого следующего элемента либо возможность уменьшения числа элементов.

2.Связность и непрерывность – проявляющиеся в характере перемещений тел от точки к точке, в распространении воздействий через различные материальные поля в виде близкодействия, в передаче материи и энергии.

3.Трехмерность – общее свойство пространства, обнаруживающееся на всех известных структурных уровнях, органически связанное со структурностью систем и их движением.

4.Пространству на всех структурных уровнях материи присуще единство метрических и топологических свойств. Метрические свойства проявляются в протяженности и характере связи элементов тел.

Общими свойствами времени являются следующие.

1.Длительность – последовательность сменяющих друг друга моментов или состояний, возникновение за каждым данным интервалом времени последующих. Никакой процесс в природе не может происходить сразу, мгновенно, он обязательно длится во времени, что обусловлено конечной скоростью распространения взаимодействий и изменения состояний. Аналогично протяженности пространства длительность относится к метрическим свойствам.

2.Длительность бытия объектов во времени выступает как единство прерывного и непрерывного. Сохраняемость материи и непрерывная последовательность ее изменений, близкодействие в причинных отношениях

9

определяют и общую непрерывность времени, проявляющуюся в постоянном переходе предшествующих состояний в последующие.

3.Всеобщим свойством времени является необратимость, означающая однонаправленное изменение от прошлого к будущему. Прошлое порождает настоящее и будущее, переходит в них. К прошлому относятся все те события, которые уже осуществились и превратились в последующие. Будущие события

–это те, которые возникнут из настоящих и непосредственно предшествующих им событий. Настоящее охватывает все те объекты, системы и процессы, которые реально существуют и способны к взаимодействию между собой. Взаимодействие возможно лишь при одновременном сосуществовании объектов. Настоящее может быть расширено, в зависимости от сопоставляемых интервалов и масштабов события, до часа, дня, года и большего отрезка времени, как и понятие со-временности (кооперации, собственности времени).

4.Одномерность времени проявляется в линейной последовательности событий, связанных между собой. Если для определения положения тела в пространстве необходимо задать три координаты, то для определения времени достаточно одной.

К специфическим пространственно-временным свойствам относятся:

− конкретные пространственные формы тел, их положение в пространстве по отношению друг к другу, скорость пространственного перемещения, размеры тел;

− наличие внутренней симметрии или асимметрии. Различные виды симметрии свойственны как макро-, так и микромиру, являясь фундаментальным свойством неживой природы. Живому веществу присуще свойство пространственной асимметрии, которым обладает молекула живого вещества;

− изотропность и неоднородность пространства. Изотропность означает отсутствие выделенных направлений (верха, низа и др.), независимость свойств тел, движущихся по инерции, от направления их движения.

Вбиологических системах есть специфические пространственновременные свойства: асимметрия расположения атомов в молекулах белка и нуклеиновых кислот, собственные временные ритмы и темпы изменения внутри организменных и надорганизменных биосистем, взаимосвязь и синхронизация ритмов друг с другом, а также с вращением Земли вокруг своей оси и сменой времен года.

В обществе есть специфические пространственные отношения между его элементами, собственные ритмы и темпы изменения в различных сферах общественной жизни. Ускорение темпов развития проявляется с прогрессом науки и техники.

Дуализм наследственных механизмов [4] проявляется «от прошлого» и «от будущего» в терминах «генетического управления» (управления через генетическую информацию) есть дуализм управления, двухканального генетического управления: от прошлого – с отставанием, от будущего – с

опережением. С начала цикла система имеет достаточную аккумуляцию будущего времени, обеспечивающую ей предадаптацию, затем по мере

10

накопления прошлого времени, теряются предадаптационные способности к изменчивости среды, накапливаются повреждения, увеличиваются сопротивления инновациям, наступает кризис, происходит «выталкивание» из системы части прошлого опыта и обмен его на будущее время. Иными словами,

цикл есть обменный процесс между прошлым и будущим временами.

Парадокс времени – противоречие, возникающее из выводов классической механики с ее обратимостью времени (и в прошлое, и в будущее) и «стрелой времени» – направленностью хода времени, из данных неравновесной термодинамики, биологии, истории, геологии и других наук.

Контрольные вопросы

1.Каковы общие свойства времени?

2.Каковы свойства пространства?

3.Что такое стрела времени?

4.Какова связь пространства и времени в специальной теории относительности?

5.Каковы парадоксы времени?

6.Что означает нелинейность времени?

7.Какова природа необратимости?

8.Что характеризует биологическое время?

9.Каковы общие черты пространства и времени?

10.Как понимать бесконечность?

11.Что такое цикл?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 .

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЙ САМООРГАНИЗАЦИИ И НЕОБРАТИМОСТИ В СРЕДАХ С ПАМЯТЬЮ

Цель работы: Ознакомиться с явлениями гистерезиса и невзаимности в нелинейных анизотропных средах (ферритах).

Разделы программы: Принципы нелинейного образа мира. Пространство и время. Явления гистерезиса или «отставание причины от следствия». Метаморфозы структур, содержащих домены. Режимы с обострением. LS и HSрежимы.

Необходимые предварительные знания: Динамика постижения нелинейного мира. Пространство и время. Явления гистерезиса или «отставание причины от следствия». Метаморфозы структур, содержащих домены. Принцип наименьшего действия. Режимы собострением. LS и HS-режимы.

Приборы и оборудование: Макет для наблюдения петли гистерезиса, осциллограф, генератор.

Программное обеспечение: Gnuplot.

Формируемые компетенции: Знать:

принципы и основы формирования и развития научного знания, основные концепции естествознания, принципы самоорганизации в неживой природе, принципы

11