Контрольная работа по "Концепциям современного естествознания". 7

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное  автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Российский государственный  профессионально-педагогический

университет»

Институт менеджмента  и  экономической безопасности

Кафедра  экономической  теории

Контрольная работа

По дисциплине «Концепции современного естествознания»

Екатеринбург

2013

1 Эмпирический уровень  познания. Эмпирические методы познания (наблюдение, описание, измерение, эксперимент). Роль эксперимента в науке (примеры). В чем отличие эксперимента от наблюдения? Какие естественные науки основываются главным образом на наблюдении? Приведите примеры.

1.1 Эмпирический уровень   и методы познания.

У человека имеется две основные познавательные способности – чувства и разум. Посредством органов чувств мы вступаем в непосредственный контакт с окружающим миром и получаем чувственные образы окружающих нас вещей и явлений. Мы воспринимаем внешнюю форму окружающих предметов, их окраску, величину, слышим пенье птиц и журчанье ручьев, осязаем твердость и мягкость, тепло и холод. Разум устанавливает причинные связи событий, вскрывает внутреннее строение вещей, выявляется их существенные свойства. В соответствии с познавательными способностями человека в структуре научного знания выделяют два уровня – эмпирический и теоретический.

Эмпирический уровень  включает в себя знание фактов –  каких-то конкретных положений дел, явлений, свойств. Магнит притягивает  железные предметы; Волга впадает в Каспийское море; пингвины не летают; орбита Земли ближе к Солнцу, чем орбита Марса, - все это факты. Они устанавливаются с помощью эмпирических методов познания – наблюдения, измерения, эксперимента – и образуют фундамент любой научной дисциплины.

Наблюдением называется восприятие предметов и явлений  действительности, осуществляемое с  целью их познания.

В акте наблюдения можно  выделить: 1) объект наблюдения; 2) субъект; 3) средства; 4) условия наблюдения; 5) систему знания, исходя, из которой задают цель наблюдения и интерпретируют его результаты. Все эти компоненты акта наблюдения следует учитывать при сообщении результатов наблюдения для того, чтобы его мог повторить любой другой наблюдатель. Важнейшим требованием к научному наблюдению является требование интерсубъективности: наблюдение должно быть осуществлено так, чтобы его мог повторить любой другой наблюдатель с одинаковым результатом. Лишь при соблюдении этого требования результат наблюдения будет включен в науку.

Наблюдение считают  разновидностью научной практики. Это обусловлено тем, что наблюдение существенно предполагает материальную деятельность, связанную с самим актом чувственного восприятия, использования приборов и т.п. Его специфика по сравнению с другими видами практики состоит в том, что наблюдение не включает в себя непосредственного физического воздействия на объект (либо этим воздействием можно пренебречь). Но оно является необходимым элементом других эмпирических методов познания – измерения и эксперимента, которые включают в себя практические действия с предметами.

  Измерение — совокупность  действий, выполняемых при помощи  определенных средств с целью  нахождения числового значения  измеряемой величины в принятых  единицах измерения. При измерении  сопоставляются качественно одинаковые характеристики. Здесь мы сталкиваемся с вполне типичной для научных исследований ситуацией. Сам процесс измерения, несомненно, является экспериментальной операцией. Но вот установление качественной одинаковости сопоставляемых в процессе измерения характеристик относится уже к теоретическому уровню познания. Чтобы выбрать эталон единицы величины, необходимо знать, какие явления эквивалентны друг другу; при этом предпочтение будет отдано тому эталону, который применим к максимальному числу процессов. Длину измеряли локтями, ступнями, шагами, деревянным метром, платиновым метром, а теперь ориентируются на длины электромагнитных волн в вакууме. Время измеряли по движению звезд, Земли, Луны, пульсом, маятниками. Теперь время измеряют в соответствии с принятым эталоном секунды. Одна секунда равна 9192 631 770 периодам излучения соответствующего перехода между двумя определенными уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия. Как в случае с измерением длины, так и в случае измерения физического времени эталонами измерения избрали электромагнитные колебания. Такой выбор объясняется содержанием теории, а именно квантовой электродинамики. Как видим, измерение теоретически нагружено. Измерение может быть эффективно осуществлено лишь после выявления смысла того, что измеряется и каким образом.

Эксперимент - активное и  целенаправленное вмешательство в  протекание изучаемого процесса, соответствующее  изменение объекта или его  воспроизведение в специально созданных  и контролируемых условиях. Латинское слово "экспериментум" буквально означает пробу, опыт. Эксперимент и есть испытание изучаемых явлений в контролируемых и управляемых условиях. Экспериментатор стремится выделить изучаемое явление в чистом виде, с тем чтобы было как можно меньше препятствий в получении искомой информации. Постановке эксперимента предшествует соответствующая подготовительная работа. Разрабатывается программа эксперимента; если нужно, то изготавливаются специальные приборы, измерительная аппаратура; уточняется теория, которая выступает в качестве необходимого инструментария эксперимента.

Составляющими эксперимента являются: экспериментатор; изучаемое  явление; приборы. В случае приборов речь идет не о технических устройствах  типа компьютеров, микро- и телескопов, призванных усилить чувственные и рациональные возможности человека, а о приборах-детекторах, приборах-посредниках, фиксирующих данные эксперимента, испытывающих непосредственное влияние изучаемых явлений. Как видим, экспериментатор находится "во всеоружии", на его стороне кроме всего прочего профессиональный опыт и, что особенно важно, владение теорией. В современных условиях эксперимент чаще всего проводится группой исследователей, которые действуют согласованно, соизмеряя свои усилия и способности.

1.2 Роль эксперимента  в науке, его отличие от наблюдения.

Эксперимент разрушает  устоявшиеся мифы и открывает  глаза на новые грани науки.

Эксперимент обладает захватывающим  азартом, дает надежду на открытие неизведанного, придает дух первооткрывателя, стимулирует  выброс эндорфинов в мозгу и создает мандраж в испытателе.

Пастер, испытавший вакцины  на самом себе, Галилей, вступивший в конфликт с  католической церковью, Архимед, погибший, от рук римлян ни на секунду не колебались, в своих  исследованиях и экспериментах.

Эксперимент  - это метод познания, с участием человека, как наблюдателя или составляющей этого процесса, для получения информации в целях исследования.

Эксперимент ставит последнюю  точку. Он может подтвердить или  опровергнуть теорию. Эксперимент также  может породить новые идеи и теории. Такова роль эксперимента в науке.

Эту роль нельзя переоценить. Вот почему строят супердорогие адронные коллайдеры с бюджетом миллиарды  долларов и временем постройки несколько  лет, строят огромные научно-исследовательские  лаборатории, требующие колоссальных затрат.

Различие между наблюдением  и экспериментом зависит от природы  вопроса. В наблюдении вопрос остается, так сказать, открытым. Исследователь  не знает ответа или имеет о  нем весьма смутное представление. Напротив, в эксперименте вопрос становится гипотезой, то есть предполагает существование какой-то зависимости между фактами, и эксперимент ставит своей целью проверить ее.

Но существуют также  так называемые «эксперименты для  разведки», когда экспериментатор  не имеет ответа па свой вопрос и ставит перед собой цель наблюдать действия испытуемого в ответ на ситуации, созданные экспериментатором. В этом случае отличия, которые можно установить между наблюдением и экспериментом, являются лишь различием в степени между двумя этими процедурами. В наблюдении ситуации определяются менее строго, чем в эксперименте, но, как мы вскоре увидим, с этой точки зрения, существуют разные переходные ступени между естественным наблюдением и спровоцированным наблюдением.

Третье отличие, также  в степени, между наблюдением и экспериментом зависит не от контроля ситуаций, а от точности, с которой можно регистрировать действия испытуемого. Наблюдение часто вынуждено довольствоваться менее строгой процедурой. чем эксперимент, и наши методологические соображения о наблюдении будут посвящены главным образом тому, как обеспечить точность наблюдения, не прибегая к стандартизованным ситуациям эксперимента, где число предвиденных ответов ограничено.

1.3 Естественные науки,  основанные на наблюдении.

Критерий непротиворечивости научного знания обеспечивает последовательность мышления, достигаемый соблюдением известных законов классической, или аристотелевской, логики и, прежде всего, закона недопущения противоречия. Решающую роль критерий непротиворечивости играет в таких формальных и абстрактных науках, как математика и логика, где само существование их объектов основывается на этом критерии. Ведь формально противоречивый объект или доказательство не имеет права на существование в науке. Если определение понятия или доказательство теоремы окажется противоречивым, то оно признается неправильным и поэтому должно быть исключено из науки или, по крайней мере, требует исправления. Соблюдение критерия непротиворечивости обязательно не только для математики и логики, но и для любых наук, в том числе, опирающихся на эксперимент или конкретные факты. Такие науки часто называют эмпирическими, поскольку они развиваются и основываются на различных формах опыта, в том числе наблюдениях и экспериментах, результаты которых составляют эмпирический базис науки. К ним относится большая часть естественных и технических наук. В отличие от них экономические, социальные и гуманитарные науки опираются преимущественно на факты, устанавливаемые в ходе наблюдений социальной жизни и практики, и поэтому их часто называют фактуалъными науками. Поскольку те и другие науки опираются, в конечном счете, на опыт, факты и практику, и тем самым отличаются от абстрактных и формальных наук, то в дальнейшем для единства терминологии, мы будем называть их эмпирическими науками. Следует, однако, не забывать, что во всех этих науках познание не ограничивается только наблюдениями и опытом, а широкое использует теоретические методы исследования.

Из логики известно, что  два противоречащих суждения не могут  быть одновременно истинными, т.е. их конъюнкция дает ложное высказывание. Но по правилу импликации символической логики, лежащей в основе логического вывода, из ложного высказывания можно получить как истину, так и ложь. Поэтому допущение противоречия в рассуждении привело бы к разрушению порядка и последовательности в наших рассуждениях. Чтобы исключить такую возможность, в классической и символической логике вводится особый закон, запрещающий противоречия в рассуждениях (принцип непротиворечивости). С содержательной точки зрения допущение противоречия привело бы к бесплодности науки, ибо противоречивая система не дает никакой конкретной информации об изучаемом мире.

2 Электронная  структура атома и его химические  свойства. Что понимают под металлическими  и неметаллическими свойствами атомов? Энергия ионизации, энергия сродства к электрону и электроотрицательность. Каковы причины и характер их изменения с увеличением заряда ядер атомов элементов в период или группе?

2.1 Электронная  структура атома, его химические свойства.

Атом — неделимый  — микроскопическая электронейтральная частица вещества, наименьшая часть  химического элемента, являющаяся носителем  его свойств.

Атом состоит из атомного ядра и окружающего его электронного облака. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов, а окружающее его облако состоит из отрицательно заряженных электронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: количество протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов — изотопу этого элемента.

Электронам в атоме  приписываются различные орбитали, которые характеризуются главным квантовым числом и, орбитальным квантовым числом / и магнитным квантовым числом mi (см. Квантовые числа, Квантовая химия). Имеется одна наиболее устойчивая орбиталь с п = 1, образующая /С-оболочку. L-Оболочка с п = 2 включает одну орбиталь с l =0 и ml= 0 и три с l = 1 и тl = -1, 0 и + 1. Их называют ls-орбиталь, 2s-op-биталь и три 2р-орбитали. М-Оболочка состоит из Зs-орбитали, трёх Зр-орбиталей и пяти Зd-орбиталей. Электрон имеет спин со спиновым квантовым числом s = 1/2, который может ориентироваться относительно определённого направления двумя различными путями - с компонентами, даваемыми магнитным спиновым квантовым числом ms, равным + 1/3 или -1/2. В атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех квантовых чисел. Следовательно, ls-орбиталь, образующая К-оболочку, может быть занята только одним электроном с положительным или отрицательным спином или же двумя электронами (электронной парой), одним - с положительным спином, другим - с отрицательным.

Заполнение определённых оболочек и под оболочек приводит к особой устойчивости атомов, наблюдающейся у атомов инертных газов. В этих устойчивых структурах электронная конфигурация заполненной оболочки гелия Is2, неона 2s2 2р6, аргона 3s2 Зр6, криптона 3d10 4s2 4р6, ксенона 4d10 5s2 5p6, радона 4fu 5d10 6s2 6pB, эка-радона 5fli 6dia 7s2 7p6. [О заполнении электронных оболочек см. также Атом, Периодическая система элементов.]

Химические свойства атомов определяются конфигурацией электронной оболочки и описываются квантовой механикой. Положение атома в таблице  Менделеева определяется электрическим  зарядом его ядра (т.е. количеством  протонов), в то время как количество нейтронов принципиально не влияет на химические свойства; при этом нейтронов в ядре, как правило, больше, чем протонов. Если атом находится в нейтральном состоянии, то количество электронов в нём равно количеству протонов. Основная масса атома сосредоточена в ядре, а массовая доля электронов в общей массе атома незначительна (несколько сотых процента массы ядра).

Большинство свойств А. определяется строением и характеристиками его  внешних электронных оболочек, в  которых электроны связаны сравнительно слабо (энергии связи от нескольких эв до нескольких десятков эв). Строение внутренних оболочек А., электроны к-рых связаны гораздо прочнее (энергии связи в сотни, тысячи и десятки тысяч эв),< проявляется лишь при взаимодействиях А. с быстрыми частицами и фотонами больших энергий (более сотен эв). Такие взаимодействия определяют рентгеновские спектры А. и рассеяние атомом быстрых частиц. Рассеяние микрочастиц, Дифракция частиц). От массы А., определяемой массой его ядра, зависят его механические свойства при движении А. как целого - количество движения, кинетическая энергия. От механических и связанных с ними магнитных и электрические моментов А. зависят некоторые тонкие эффекты, проявляющиеся при изучении физ. свойств А.

Моменты атомных ядер, Ядерный магнитный  резонанс, Ядерный квадрупольный резонанс.

2.2 Металлические и  неметаллические свойства атомов.

Металлические свойства наиболее характерны для элементов, в атомах которых на внешнем энергетическом уровне находится небольшое количество электронов: от одного до трех. Неметаллические  свойства в первую очередь проявляют  элементы, в атомах которых внешний энергетический уровень содержит от четырех до семи электронов. Элементам, в атомах которых на внешнем уровне находятся восемь электронов (благородным газам), не свойственна ни та, ни другая тенденция, поскольку восьми электронная оболочка обладает повышенной стабильностью. Однако для некоторых из них известны химические соединения, в частности оксиды, фториды, состав которых отвечает максимальной степени окисления этих элементов.

В периодах периодической  системы Д.И. Менделеева металлические  свойства элементов убывают с ростом порядкового номера (слева направо), неметаллические свойства, напротив, возрастают в том же направлении. Это связано с закономерным ростом числа валентных электронов.

В группах металлические  свойства возрастают с ростом порядкового  номера (сверху вниз), а неметаллические убывают, что связано с увеличением радиуса атома и большей удаленностью внешних электронов от ядра. Большинство элементов периодической системы проявляют как металлические, так и неметаллические свойства. Соотношение тех и других свойств определяется спецификой электронной структуры атома. Количественно этот вклад можно охарактеризовать с помощью величины электроотрицательности атома.

Электроотрицательность  увеличивается в периоде слева  направо и убывает в группе сверху вниз.

2.3 Энергия ионизации,  энергия сродства к электрону,  электроотрицательность

Энергия ионизации. Энергия (потенциал) ионизации атома Ei - минимальная  энергия, необходимая для удаления электрона из атома на бесконечность  в соответствии с уравнением :

Х = Х+ + е−

Ее значения известны для атомов всех элементов Периодической  системы. Например, энергия ионизации  атома водорода соответствует переходу электрона с 1s-подуровня энергии (−1312,1 кДж/моль) на подуровень с нулевой  энергией и равна +1312,1 кДж/моль.

В изменении первых потенциалов  ионизации, соответствующих удалению одного электрона, атомов явно выражена периодичность при увеличении порядкового  номера атома.

При движении слева направо  по периоду энергия ионизации, вообще говоря, постепенно увеличивается, при увеличении порядкового номера в пределах группы - уменьшается. Минимальные первые потенциалы ионизации имеют щелочные металлы, максимальные - благородные газы.

Для одного и того же атома  вторая, третья и последующие энергии  ионизации всегда увеличиваются, так как электрон приходится отрывать от положительно заряженного иона. Например, для атома лития первая, вторая и третья энергии ионизации равны 520,3, 7298,1 и 11814,9 кДж/моль, соответственно.

Последовательность отрыва электронов - обычна обратная последовательности заселения орбиталей электронами в соответствии с принципом минимума энергии. Однако элементы, у которых заселяются d-орбитали, являются исключениями - в первую очередь они теряют не d-, а s-электроны.

Сродство к электрону. Сродство атома к электрону Ae - способность атомов присоединять добавочный электрон и превращаться в отрицательный ион. Мерой сродства к электрону служит энергия, выделяющая или поглощающаяся при этом. Сродство к электрону равно энергии ионизации отрицательного иона Х−:

Х− = Х + е−

 Наибольшим сродством  к электрону обладают атомы  галогенов. Например, для атома  фтора присоединение электрона  сопровождается выделением 327,9 кДж/моль  энергии. Для ряда элементов  сродство к электрону близко  к нулю или отрицательно, что значит отсутствие устойчивого аниона для данного элемента.

Обычно сродство к  электрону для атомов различных  элементов уменьшается параллельно  с ростом энергии их ионизации. Однако для некоторых пар элементов  имеются исключения:

Элемент Ei, кДж/моль Ae, кДж/моль

F  1681 −238

Cl  1251 −349

N  1402 7

P  1012 −71

O  1314 −141

S  1000 −200

Объяснение этому можно  дать, основываясь на меньших размерах первых атомов и большем электрон-электронном  отталкивании в них.

Электроотрицательность. Электротрицательность характеризует способность атома химического элемента смещать в свою сторону электронное облако при образовании химической связи (в сторону элемента с более высокой электроотрицательностью). Американский физик Малликен предложил определять электроотрицательность как среднеарифметическую величину между потенциалом ионизации и сродством к электрону: ч = 1/2 (Ei + Ae)

Трудность применения такого способа состоит в том, что  значения сродства к электрону известны не для всех элементов.

Л. Полинг рекомендовал другой способ определения электроотрицательности. Он принял электроотрицательность фтора равной 4 (наибольшее значение), для цезия ч принимает наименьшее значение.

Электроотрицательность  в количественном отношении представляет собой приближенную величину, поскольку она зависит от того, в состав какого конкретного соединения входит данный атом.

В настоящее время  предложено около 20 различных шкал электроотрицательности, среди которых  одна из самых распространенных - шкала  Олреда - Рохова.

3 Искусственная систематизация растительного и животного мира К. Линнея. Основа классификации. Таксоны. Естественная классификация. Эволюционная теория Ж.Б. Ламарка (её основа, предпосылки эволюции, направление эволюционного процесса и причина эволюции).

3.1 Искусственная систематизация растительного и животного мира К. Линнея. Основа классификации. Таксоны. Естественная классификация.

Основная ботаническая дисциплина - систематика растений - разделяет многообразие растительного мира на соподчинённые друг другу естественные группы - таксоны (классификация), устанавливает рациональную систему их наименований (номенклатура) и выясняет родственные (эволюционные) взаимоотношения между ними (филогения).

 В прошлом  систематика основывалась на  внешних морфологических признаках  растений и их географическом распространении, теперь же систематики широко используют также признаки внутреннего строения растений, особенности строения растительных клеток, их хромосомного аппарата, а также химический состав и экологические особенности растений.

Установление  видового состава растений (флоры) какой-либо определенной территории обычно называется флористикой, выявление областей распространения (ареалов) отдельных видов, родов  и семейств - хорологией (фитохорологией). Изучение древесных и кустарниковых растений выделяют в особую дисциплину - дендрологию.

Искусственность классификации состояла в том, что  она основывалась на небольшом количестве случайно взятых признаков. В результате, в одной группе могли оказаться  совершенно не родственные друг другу организмы. Наибольшего расцвета искусственная систематика достигла в середине 18 века (система Карла Линнея).

К. Линней создал самую совершенную для того времени  систему органического мира, включив  в неё всех известных тогда  животных и растений. Он во многих случаях правильно объединил виды организмов по сходству строения. Однако выбор для классификации одного признака привёл К.Линнея к ряду ошибок. Например, по сходству в строении клюва курица и страус попали в один отряд, тогда как по совокупности признаков они принадлежат к разным подклассам птиц (килегрудных и бескилевых). Система К. Линнея была искусственной, так как не отражала родства и сходства растений и животных по совокупности существенных черт строения, не указывала на единство происхождения живых организмов. К. Линней сознавал искусственность своей системы и указывал на необходимость разработки естественной системы природы. Он писал: «Искусственная система служит только до тех пор, пока не найдена естественная».

Таксон - таксономическая группа любого ранга, при этом подразумевается, что каждое растение рассматривается как принадлежащее к неопределённому числу таксонов последовательно соподчинённого ранга, среди которых ранг вида считается основным. Аналогично определяется таксон и в зоологии.

В современных биологических классификациях таксоны формируют иерархическую систему: каждый таксон, с одной стороны, состоит из одного или большего числа таксонов более низкого уровня общности, в то же время каждый таксон является частью другого таксона — группы более высокого уровня общности. Такая иерархическая система именуется таксономической иерархией, а различные её уровни - таксономическими рангами.

В некоторых группах  организмов филогенетические отношения  окончательно не установлены.

Теперь общепринято, что таксоны должны включать потомков и всех или нескольких предков, хотя аргументированность последнего требования всё более подвергается полемике. Естественный таксон — одна из таких групп, которые порождены в процессе эволюции. Такие группы монофилетичны. Искусственный таксон является результатом старого способа классификации (например, по кажущейся схожести, появившейся в результате эволюции несхожих организмов), то есть такие таксоны полифилетичны или парафилетичны.

3.2 Эволюционная теория  Ж.Б. Ламарка

Жан Батист Ламарк по праву  считается основоположником эволюционной теории, которую он высказал в своей  книге «Философия зоологии», опубликованной в начале XIX века, он настаивал на изменяемости видов. Ламарк впервые  обосновал целостную теорию эволюции органического мира, поступательного исторического развития растений и животных. Ученый считал, что естествоиспытатель должен изучать явления природы в их взаимосвязи, раскрывать причины, пути и закономерности прогрессивного развития органического мира, усовершенствования живых существ.

Обосновывая своё учение, Ламарк опирался на следующие факты: наличие разновидностей, занимающих промежуточное положение между  двумя видами; трудности диагностики  близких видов и наличие в  природе множества «сомнительных  видов»; изменение видовых форм при переходе в иные экологические и географические условия; случаи гибридизации, особенно межвидовой.

В основе теории Ламарка  лежит представление о градации - внутреннем «стремлении к совершенствованию», присущем всему живому; действием этого фактора эволюции определяется развитие живой природы, постепенное, но неуклонное повышение организации живых существ - от простейших до самых совершенных. Результат градации - одновременное существование в природе организмов разной степени сложности, как бы образующих иерархическую лестницу существ. Градация легко прослеживается при сравнении представителей крупных систематических категорий организмов (например, классов) и на органах, имеющих первостепенное значение. Считая градацию отображением основной тенденции развития природы, насажденной «верховным творцом всего сущего», Ламарк пытался, однако, дать этому процессу и материалистическую трактовку: в ряде случаев он связывал усложнение организации с действием флюидов (например, теплорода, электричества), проникающих в организм из внешней среды.

Главным фактором изменчивости видов он считал влияние внешней  среды, которое нарушают правильность градации: «Нарастающее усложнение организации  подвергается то здесь, то там на протяжении общего ряда животных отклонениям, вызываемым влиянием условий места обитания и усвоенных привычек». Градация, так сказать, «в чистом виде» проявляется при неизменности, стабильности внешней среды; всякое изменение условий существования понуждает организмы приспосабливаться к новой обстановке, чтобы не погибнуть. Этим нарушается равномерное и неуклонное изменение организмов на пути прогресса, и различные эволюционные линии уклоняются в сторону, задерживаются на примитивных уровнях организации. Так Ламарк объяснял одновременное существование на Земле высокоорганизованных и простых групп, а также разнообразие форм животных и растений.