Контрольная работа по "Концепциям современного естествознания"

Контрольная работа

 

по дисциплине «Концепции современного естествознания»

 

 

Задание 1. Перечислите основные компоненты естествознания как системы  естественных наук. Дайте их краткую  характеристику.

Естествознание – это  наука о природе как единой целостности, представляющая собой  единую систему знаний, компоненты которой – естественные науки, тесно  связаны и взаимообусловлены.

 

В настоящее время спектр научных исследований в естествознании необыкновенно широк. В систему  естественных наук, помимо основных естественных наук: физики, химии, биологии, географии, геологии, астрономии, включают междисциплинарные  науки, стоящие на стыке нескольких традиционных наук (биофизику, биохимию, геофизику, астрофизику, геохимию и  т.д.) и даже науки, стоящие на стыке  между естественными и гуманитарными  дисциплинами, например, психологию.

 

Астрономия (от греч. astron —  звезда и nomos — закон) означает –  изучение звезд. Астрономия — наука  о строении и развитии космических  тел и их систем. Эта классическая наука переживает в XX в. и в XXI в. свою вторую молодость в связи с  бурным развитием техники (телескопов-рефлекторов, приемников излучения (антенн) и т.п.) наблюдений — основного своего метода исследований. В астрономии исследуются  радиоволны, свет, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское излучения и гамма-лучи. Астрономия делится на небесную механику, радиоастрономию, астрофизику и  другие дисциплины.

 

Особое значение приобретает  в настоящее время астрофизика - часть астрономии, изучающая физические и химические явления, происходящие в небесных телах, их системах и в  космическом пространстве. Значение астрофизики определяется тем, что  в настоящее время основное внимание в релятивистской космологии переносится  на физику Вселенной, на изучение состояния  вещества и физических процессов, идущих на разных, включая наиболее ранние, стадиях расширения Вселенной.

 

Одна из наиболее древних  и фундаментальных наук — физика. В буквальном переводе с греческого слово physis означает «природа». Стало  быть, физика - наука о природе.

 

Структура современной физики

Виды процессов 

Уровень

 

Движение (гравитация) 

Тепловые процессы 

макро

 

Классическая механика 

Термодинамика, синергетика 

макро

 

Квантовая механика 

Физика элементарных частиц 

микро

 

Релятивистская физика 

Астрофизика 

мега

 

 

 

Физика - главная из естественных наук, поскольку она открывает  истины о соотношении нескольких основных переменных, справедливые для  всей Вселенной. Законы физики лежат  в основании научного постижения действительности. Законы физики - «кирпичики»  познания. «Кирпичиками» познания законы физики являются не только потому, что  в них используются некоторые  основные и универсальные переменные и постоянные, действующие во всей Вселенной, но также и потому, что  в науке действует принцип  редукционизма, согласно которому все  законы развития сложных уровней  реальности должны быть сводимы к  законам более простых уровней.

 

Для большинства людей  представляет большую сложность  разделить предметы исследования физики и химии. Физика - наука о неживой  природе. Но и химия тоже. Трудность  здесь связана с тем, что химия изучает один из уровней организации материи, который находится между двумя уровнями, изучаемыми физикой. Физика исследует уровень макровещества, но она же изучает и атомы. Когда в XVII в. возникла химия, то предполагалось, что она будет изучать все то, что относится к микромиру. Атомная физика, однако, начав в XX в. исследовать процессы, протекающие в микромире, оставила и более глубокие уровни организации материи за физикой.

 

Химии пришлось довольствоваться единственным уровнем, которым она  занималась изначально, - молекулярным. Химия изучает процессы превращения  молекул и воздействия на них  внешних факторов (тепла, света, физических полей и т. п.). Химия изучает  также связи между атомами, входящими  в состав молекул (так называемые химические связи). Создание квантовой  механики привело к развитию квантовой  химии, в которой вводится представление  об электронном облаке. Рентгеноструктурный  анализ, спектроскопические методы и  метод ядерного магнитного резонанса  позволили в XX в. определить строение огромного числа молекул, что  имело не только важное теоретическое, но и практическое значение.

 

Важной заслугой химии  является то, что она показала большое  значение структуры для свойств  вещества и ее относительную самостоятельность. Большое значение в химии XX в. имело  изучение катализаторов — веществ, которые изменяют скорость реакций, но не входят в состав их конечного  продукта. Катализаторы имеют огромное значение для процессов, происходящих в живых организмах. Примером катализаторов  является хлорофилл — соединение в живой ткани зеленого листа, благодаря которому происходит процесс  фотосинтеза. Выдающимся достижением  химии явилось то, что она открыла  так называемые цепные реакции еще  до того, как в физике был обнаружен  радиоактивный распад.

 

Биохимия изучает химические реакции, происходящие в живых организмах, химический состав живых организмов и клеток. Эта промежуточная между  биологией и химией наука получила развитие именно в XX в. Биохимия стремится  объяснить функционирование живых  тел на молекулярном уровне, поэтому  говорят также о молекулярной биологии. Биохимия изучает роль химических элементов и веществ, таких как  вода, в создании и функционирова­нии  живого. Биохимию называют химией живых  организмов. Она является фундаментом  для физиологии и выполняет объяснительную роль для всех биологических процессов. Биохимия изучает такие важные соединения, как аминокислоты и белки, макромолекулы  которых содержат до 1000 аминокислот. Биогеохимия изучает распространение  химических элементов по поверхности  Земли под влиянием живых организмов. Это пример пограничной науки, которая  состоит из трех наук — биологии, химии и геологии. Основоположником биогеохимии стал выдающийся русский  ученый XX в. В.И.Вернадский.

 

Биология рассматривает  свойства живых систем, уровни их организации, дает систематику живой природы. В ней рассматриваются закономерности биологической эволюции, современное  понимание сущности жизни и ее происхождения на Земле, излагаются с общих позиций основы генетики, генной инженерии и биоэтики. Особое внимание уделяется учению Вернадского  о биосфере – глобальном уровне организации живой природы.

 

Генетика – область  биологии, изучающая наследственность и изменчивость – универсальные  свойства живых организмов, реализуемые  при передаче генетической информации от родителей к потомкам.

 

В физиологии анализируются  современные представления о  взаимосвязи сознания и мозга, роли сознательного и бессознательного в жизни человека, а также о  здоровье и работоспособности человека как комплексной научной и  социально-практической проблеме.

 

Особая роль в естествознании принадлежит математике. Это обусловлена  тем, что она является всеобщим универсальным  языком для различных естественных наук, пронизывает все основные стадии современного естественнонаучного  процесса познания, такие как: сбор и обработка количественной информации; формулировка законов в строгой  математической форме; построение математического  аппарата; моделирование природных  процессов и явлений.

 

По мере своего развития естествознание, начиная с простого счета и  всевозможных измерений, в дальнейшем использует все более совершенный  математический арсенал высшей математики: дифференциальное и интегральное исчисление, дифференциальные уравнения, теорию вероятностей и математическую статистику и т.д. Математика – это тот цемент, который связывает воедино науки, входящие в естествознание и позволяет  взглянуть на него как целостную  науку.

 

Задание 2. Охарактеризуйте  александрийский период развития науки.

Развитие древней науки, начиная с III в. до н.э. в значительной степени связано с древним  городом Александрией, основанным Александром  Македонским. Поэтому рассматриваемый  период в развитии науки древности  называют александрийским периодом. Его также называют эллинистическим, поскольку такое название дают древней  культуре III–I вв. до н.э.

 

Александрийский период характеризуется  выделением из натурфилософии первых самостоятельных научных дисциплин  – астрономии как самостоятельной  науки, первой области физики – статики (учение Архимеда о равновесии тел) и развитием математики («Начала» Евклида).

 

Становление астрономии как  самостоятельной науки означало приведение в систему астрономических  знаний, усовершенствование и развитие измерительных методов. В этот период были проведены измерения окружности Земли и расстояния от Луны до Земли, уточнены положение и движение небесных светил. Крупным астрономом александрийского периода был Аристарх Самосский (первая половина III в. до н.э.), выдвинувший  гипотезу о гелиоцентрическом строении Вселенной. За эту теорию Аристарх был  обвинен в безбожии и подвергался  гонениям. Его учение получило развитие только в XVI в. польским астроном Н. Коперником, возродившим идеи Аристарха.

 

Другим известным астрономом александрийского периода был Гиппарх (II в. до н. э.). Гиппарх значительно  усовершенствовал методы астрономических  измерений, применяя различного рода угломерные приборы, имеющие точность до 0,1 градуса. Он уточнил положение и движение небесных светил, составил большой  звездный каталог, содержащий 1080 неподвижных  звезд. Гиппарх уточнил продолжительность  года и определил его с точностью  до 6 минут. Гиппарху принадлежит также  уточнение системы мира Аристотеля, которая господствовала в александрийский  период (о Земле как центре мира и о круговых орбитах небесных тел как совершенных траекториях). Гиппарх предположил, что, хотя Солнце, Луна и планеты движутся по круговым “совершенным” орбитам, тем не менее, центры их орбит не совпадают с  центром Земли (теория эксцентриков). Астрономия получила законченную форму, которая долгое время, вплоть до Коперника, не подвергалась каким-либо существенным изменениям, в труде «Великое построение»  александрийского астронома Птоломея (70–147 н. э.)

 

Другой наукой, достигшей  больших успехов в александрийский  период, была математика. Знаменитый александрийский  математик Евклид (III в. до н. э.) подвел итоги и обобщил в своих  “Началах” все, что было сделано  до него в области математики. Он создал настолько совершенную и  законченную систему элементарной геометрии, что она почти в  неизменном виде просуществовала многие столетия. Евклид придал геометрии  исключительную логическую строгость  и безукоризненность. Вся его  система геометрии многие века считалась  образцом научной системы; ей подражали  самые крупные математики, физики, механики и даже философы последующих  времен.

 

"Начала" Евклида являются  одним из математических оснований  классической физики и фундаментом  современной элементарной геометрии.

 

В александрийский период получили свое развитие и элементы высшей математики. Здесь большая  заслуга принадлежит Архимеду (287–212 до н. э.), решившему труднейшие математические проблемы своего времени, – вычисление площадей криволинейных фигур. Однако развивающиеся элементы высшей математики не были приведены еще в систему; это было сделано гораздо позже  И. Ньютоном и Г. Лейбницем в XVII в.

 

Учение Архимеда о равновесии тел представляет собой объединение  и развитие знаний, накопленных древнегреческой  наукой о равновесии тел к III в. до н.э., их систематизацию и оформление в самостоятельную научную область  – статику. Центральное место  в учении Архимеда занимают теория рычага, при построении которой использован  аксиоматический метод, и теория равновесия тел в жидкости (гидростатика), включающая в себя доказательство ряда теорем, в том числе – закона Архимеда.

 

Подход Архимеда к физическим проблемам основан на простых  геометрических доказательствах, так  что его можно считать родоначальником  математической физики, которой он посвятил трактаты “О равновесии плоских  тел” и “О плавающих телах”.

 

С начала развития нашей эры  в развитии науки начинается упадок. Вместе с разложением рабовладельческого строя в Европе разлагаются и  гибнут античная культура и наука.

Задание 3. Укажите основные законы механики Ньютона.

В 1667 г. Ньютон сформулировал  три закона динамики, составляющие основной раздел классической механики. Законы Ньютона рассматривают обычно как систему взаимосвязанных  законов.

 

Первый закон Ньютона: всякая материальная точка (тело) сохраняет  состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит ее изменить это  состояние.

 

Стремление тела сохранить  состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью, или инерцией. Поэтому первый закон  Ньютона называют также законом  инерции.

 

Для количественной формулировки второго закона динамики вводятся понятия  ускорения а, массы тела m и силы F.

 

Ускорением а характеризуется  быстрота изменения скорости движения тела.

 

Масса тела m – физическая величина, одна из основных характеристик  материи, определяющая ее инерционные  свойства (инертная масса) и гравитационные свойства (тяжелая или гравитационная масса).

 

Сила F – это векторная  величина, мера механического воздействии  на тело со стороны других тел или  полей, в результате которого тело приобретает  ускорение, или изменяет свою форму  и размеры.

 

Второй закон Ньютона: ускорение, приобретаемое материальной точкой (телом), пропорционально вызывающей его силе и обратно пропорционально  массе материальной точки (тела)

 

а= F/m.

Второй закон Ньютона  справедлив только в инерциальных системах отсчета. Первый закон Ньютона можно  получить из второго. Действительно, в  случае равенства нулю равнодействующих сил (при отсутствии воздействия  на тело со стороны других тел) ускорение  также равно нулю. Однако первый закон Ньютона рассматривается  как самостоятельный закон, а  не как следствие второго закона, так как именно он утверждает существование  инерциальных систем отсчета.

 

Взаимодействие между  материальными точками (телами) определяется третьим законом динамики – законом  равенства действия и противодействия.

 

Третий закон Ньютона: всякое действие материальных точек (тел) друг на друга носит характер взаимодействия; силы, с которыми действуют друг на друга материальные точки, всегда равны по модулю, противоположно направлены и действуют вдоль прямой, соединяющей  эти точки: