Контрольные работа по "Естествознанию"

      Контрольные вопросы по КСЕ 

      2. Специфика естественнонаучного познания

      Естествознание  является до известной степени основой всякого знания - и естественно-научного, и технического, и гуманитарного.

      Основные  цели естествознания:

        - находить сущность явлений природы, их законы и на этой основе предвидеть или создавать новые явления;

      - раскрывать возможность использования на практике познанных законов природы.

      Современная наука охватывает огромную область  знаний - около 15 тысяч дисциплин, которые  в различной степени отдалены друг от друга. В ХХ веке научная информация за каждые 10‑15 лет удваивалась. Если в 1900 году существовало около 10 тысяч научных журналов, то в настоящее время - несколько сотен тысяч. Более 90 % ученых, когда-либо живших на Земле, - наши современники, их число в мире к концу ХХ века составило свыше пяти миллионов человек.

      Естественные  науки являются составной частью естественнонаучной культуры. Естественнонаучная культура – это:

      - совокупный исторический объем знания о природе и обществе;

        - объем знания о конкретных видах и сферах бытия, который в сокращенно-концентрированной форме актуализирован и доступен изложению;

      - усвоенное человеком содержание накопленного и актуализированного знания о природе и обществе.

      Специфика естественнонаучной культуры: знания о природе отличаются высокой степенью объективности и достоверности (истинности). Кроме того, это глубоко специализированное знание.

      Естественнонаучные знания дают фундаментальные представления о структуре окружающего мира и месте в нем человека, а гуманитарные знания, являясь логическим продолжением естественнонаучных сведений, строятся на этом фундаменте.

      Познание, как и любой другой вид деятельности, предполагает применение определенной совокупности тех или иных приемов  и операций, ведущих так или иначе к достижению той или иной  цели. Такая система приемов обычно и называется методом. Таким образом,  метод научного познания - это совокупность приемов и операций, регулирующих действия с изучаемыми объектами.

      Метод познания, по сути своей, выражает целенаправленность, планомерность процесса познания как процесса, программно осуществляемого. Он является важным инструментом научного познания, двигателем науки, средством ее развития и обогащения новыми результатами.

      В идеальном случае метод включает следующие компоненты:

      1. сформулированную цель, задачу (проблемный аспект);

      2. описание объективной ситуации, в рамках которой решается задача (онтологический аспект);

      3. процедуру - перечень операций, необходимых для достижения цели в заданных условиях (процедурный аспект).

      К методу научного познания предъявляется ряд требований:

      - Детерминированность метода, то есть его обусловленность закономерностями как самого объекта, так и познавательной деятельности. Детерминированность метода исключает произвольный набор приемов и операций, но не исключает активности субъекта в использовании метода.

      - Заданность метода целью исследования, что вытекает из обусловленности метода закономерностями самой деятельности. Данное требование делает необходимым соответствие всех компонентов метода цели исследования и подчеркивает активность субъекта познания.

      - Результативность и надежность метода: он должен быть таким. чтобы мог давать результат с высокой степенью надежности.

      - Экономичность метода, т.е. затраты на его создание и использование должны быть всегда меньше величины, окупаемой результатами исследования, что показывает обусловленность метода кадровыми, экономическими и социально-организационными факторами.

      - Ясность и эффективная распознаваемость метода, Метод должен быть таким, чтобы им мог воспользоваться при соответствую идей подготовке любой человек, пожелавший сделать это.

      - Воспроизводимость метода, т.е. возможность его использования неограниченное число раз, а это зависит от воспроизводимости всех компонентов данного метода.

      - Обучаемость методу, основой чего являются воспроизводимость, ясность и распознаваемость метода.  

      4. Эволюция естественнонаучной  картины мира

      Естественнонаучная  картина мира это – множество  теорий в совокупности описывающих известный человеку природный мир, целостная система представлений об общих принципах и законах устройства мироздания. Поскольку картина мира это системное образование, ее изменение нельзя свести ни к какому единичному, пусть и самому крупному и радикальному открытию. Как правило, речь идет о целой серии взаимосвязанных открытий, в главных фундаментальных науках. Эти открытия почти всегда сопровождаются радикальной перестройкой метода исследования, а так же значительными изменениями в самих нормах и идеалах научности.

      В истории развития науки можно  выделить три четко и однозначно фиксируемых радикальных смен научной  картины мира, научных революций, обычно их принято персонифицировать  по именам трех ученых сыгравших наибольшую роль в происходивших изменениях.

      Аристотелевская (VI-IV века до нашей эры) в результате этой научной революции возникла сама наука, произошло отделение  науки от других форм познания и  освоения мира, созданы определенные нормы и образцы научного знания. Наиболее полно эта революция  отражена в трудах Аристотеля. Он создал формальную логику, т.е. учение о доказательстве, главный инструмент выведения и систематизации знания, разработал категориально понятийный аппарат. Он утвердил своеобразный канон организации научного исследования (история вопроса, постановка проблемы, аргументы за и против, обоснование решения), дифференцировал само знание, отделив науки о природе от математики и метафизики

      Ньютоновская  научная революция (XVI-XVIII века), Ее исходным пунктом считается переход от геоцентрической модели мира к гелиоцентрической, этот переход был обусловлен серией открытий, связанных с именами Н. Коперника, Г. Галилея, И. Кеплера, Р. Декарта, И. Ньютон, подвел итог их исследованиям и сформулировал базовые принципы новой научной картины мира в общем виде. Основные изменения:

      - Классическое естествознание заговорило языком математики, сумело выделить строго объективные количественные характеристики земных тел (форма величина, масса, движение) и выразить их в строгих математических закономерностях.

      - Наука Нового времени нашла мощную опору в методах экспериментального исследования, явлений в строго контролируемых условиях.

      - Естествознания этого времени отказалось от концепции гармоничного, завершенного, целесообразно организованного космоса, по их представления Вселенная бесконечна и объединена только действием идентичных законов.

      Эйнштейновская  революция (рубеж XIX-XX веков). Ее обусловила сери открытий (открытие сложной структуры  атома, явление радиоактивности, дискретного  характера электромагнитного излучения и т.д.). В итоге была подорвана, важнейшая предпосылка механистической картины мира – убежденность в том, что с помощью простых сил действующих между неизменными объектами можно объяснить все явления природы.

        Фундаментальные основы новой картины мира:

      - общая и специальная теория относительности (новая теория пространства и времени привела к тому, что все системы отсчета стали равноправными, поэтому все наши представления имеют смысл только в определенной системе отсчета. Картина мира приобрела релятивный, относительный характер, видоизменились ключевые представления о пространстве, времени, причинности, непрерывности, отвергнуто однозначное противопоставление субъекта и объекта, восприятие оказалось зависимым от системы отсчета, в которую входят и субъект и объект, способа наблюдения и т.д.)

      - квантовая механика (она выявила вероятностный характер законов микромира и неустранимый корпускулярно-волновой дуализм в самых основах материи). Стало ясно, что абсолютно полную и достоверную научную картину мира не удастся создать никогда, любая из них обладает лишь относительной истинностью.

        Позднее в рамках новой картины  мира произошли революции в  частных науках в космологии (концепция  не стационарной Вселенной), в  биологии (развитие генетики), и т.д. Таким образом, на протяжении XX века естествознание очень сильно изменило свой облик, во всех своих разделах.

      Три глобальных революции предопределили три длительных периода развития науки, они являются ключевыми этапами  в развитии естествознания. Это не означает, что лежащие между ними периоды эволюционного развития науки были периодами застоя. В это время тоже совершались важнейшие открытия, создаются новые теории и методы, именно в ходе эволюционного развития накапливается материал, делающий неизбежной революцию. Кроме того, между двумя периодами развития науки разделенными научной революцией, как правило, нет неустранимых противоречий, согласно сформулированному Н. Бором, принципу соответствия, новая научная теория не отвергает полностью предшествующую, а включает ее в себя в качестве частного случая, то есть устанавливает для нее ограниченную область применения. Уже сейчас, когда с момента возникновения новой парадигмы не прошло и ста лет многие ученые высказывают предположения о близости новых глобальных революционных изменений в научной картине мира. 

      5. Системный подход в естествознании

      Системный подход является одной из попыток  вырваться за пределы однозначности  научных знаний. Это новый этап в развитии методов познания мира, дополнительный к принципам механистического подхода. Он является попыткой оценить по достоинству роль целостности. В основе системности в природе лежит ее свойство быть одновременно единым и неделимым целым и в то же время обладать свойством множественности.

      «Слово  «система» в переводе с греческого означает «целое, составленное из частей». Под системой понимают совокупность явлений, элементов, находящихся в определенных отношениях и связях между собой и образующих определенную целостность. Различают простые и сложные системы Фурсенко.

      Можно считать систему сложной, если ее поведение содержит акт решения, определяемый как выбор альтернатив  с помощью какого-либо алгоритма, например случайного. Известно, что  в свойствах и поведении сложных  систем независимо от природы составляющих их элементов прослеживаются четкие аналогии.

      Наиболее  общей закономерностью сложных  систем является закон подобия части  и целого: часть является миниатюрной  копией целого, а потому все части  одного уровня иерархии систем похожи друг на друга.

      Для биосистем в формулировке Мюллера и Геккеля закон подобия части и целого известен как биогенетический закон: онтогенез (индивидуальное развитие особи) повторяет филогенез (историческое развитие вида). Ярким подтверждением данного закона является эмбриогенез: развитие эмбриона повторяет формы, через которые данный вид прошел в процессе своей эволюции. «Для человека этот закон можно, вероятно, дополнить: ноогенез (формирование мышления) каждого человека повторяет антропогенез, то есть исторический процесс формирования мыслительного аппарата всего человечества.

      Любая система характеризуется своей  «структурой» и «поведением». Структура - это строение и внутренняя форма  организации системы, выступающая  как единство устойчивых взаимосвязей между ее элементами, а также законов данных взаимосвязей. Поведение определяет внешнюю сторону системы (текстуру), в соответствии с которой любая система может входить в качестве элемента в состав других систем более высокого уровня. Таким образом, одним из основных свойств систем является их иерархичность (иерархия - расположение ступенчатым рядом), в соответствии с которым любая система сама может являться элементом более общей системы, в то же время каждый элемент системы сам в свою очередь может являться системой. Иерархичность систем обеспечивает их устойчивость и неуязвимость.

      Современный уровень знаний позволяет представить  иерархию природных систем в виде следующей цепочки: элементарные частицы - атомы - молекулы - клетки - многоклеточные - экосистемы - биосфера - космическое тело - звездная система - галактика - Вселенная. Между уровнями приведенной иерархии биосистем не существует четких границ или разрывов, здесь обнаруживается масса промежуточных переходных форм, например, молекула - макромолекула (полимер) - сложномолекулярный комплекс (вирус) - коацерватная капля - клетка. По большому счету четкой границы нет даже между отдельным организмом и экосистемой: организм, изолированный от экосистемы, не может жить долго, так же как изолированный орган не может жить долго без тела, в котором он изначально зародился.

      Принципы  системного подхода противопоставлены  принципам механицизма:

      - дедуктивность - постулируется возможность существования явлений, даже если мы не понимаем их механики, и уже исходя из этого выводятся законы, позволяющие существовать таким явлениям;

      - рекуррентность - постулируется возможность существования таких свойств и связей между элементами системы, механика которых нам не понятна (тем самым узаконивается эмерджентность);

      - телеологичность - признается существование феномена целесообразности в поведении сложных систем и их элементов.

      Мир, будучи системой систем, сложнейшим материальным образованием, находится в процессе непрерывного движения, возникновения и уничтожения, взаимоперехода одних систем в другие, причем одни системы изменяются медленно и длительное время кажутся неизменными, другие же изменяются настолько стремительно, что в рамках обыденных человеческих представлений фактически не существуют. Чем обширнее система, тем медленнее она изменяется, а чем меньше, тем быстрее она проходит этапы своего существования. В этом простом соответствии скрыт глубокий смысл еще не до конца понятой связи пространства и времени. И здесь можно увидеть одну из закономерностей развития материи: от меньшего к большему и от большего к меньшему, осознание которой привело к пониманию развития и качественного изменения систем слагающих мир, и мира как системы.  

      8. Фундаментальные физические взаимодействия

      Гравитация  первым из четырех фундаментальных  взаимодействий стала предметом научного исследования. Созданная в ХVII в. ньютоновская теория гравитации (закон всемирного тяготения) позволила впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы.

      Гравитация  обладает рядом особенностей, отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий. Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Гравитационное взаимодействие в 1039 раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов.

      Ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. И хотя притяжение одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Это проявляется и в повседневной жизни: мы ощущаем гравитацию потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас. Зато в микромире роль гравитации ничтожна. Никакие квантовые эффекты в гравитации пока не доступны наблюдению.

      Если  бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием  между электрическими зарядами, то радиус низшей (самой близкой к  ядру) орбиты электрона превосходил  бы радиус доступной наблюдению части  Вселенной.

      Кроме того, гравитация - дальнодействующая  сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного  взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В  астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике. Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание еще никогда не наблюдалось.

      По  величине электрические силы намного  превосходят гравитационные, поэтому в отличие от слабого гравитационного взаимодействия электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.).

      В течение долгого времени электрические и магнитные процессы изучались независимо друг от друга.

      Существование электрона (единицы электрического заряда) было твердо установлено в 90-е  гг. XIX в. Но не все материальные частицы  являются носителями электрического заряда. Электрически нейтральны, например, фотон и нейтрино. В этом электричество и отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы.

      Долгое  время загадкой была и природа магнетизма. Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные - притягиваются. В отличие от электрических зарядов магнитные полюсы встречаются не по отдельности, а только парами - северный полюс и южный. Хорошо известно, что в обычном магнитном стержне один конец действует как северный полюс, а другой - как южный. Еще с древнейших времен известны попытки получить посредством разделения магнита лишь один изолированный магнитный полюс - монополь. Но все они заканчивались неудачей: на месте разреза возникали два новых магнита, каждый из которых имел и северный, и южный полюсы. Может быть, существование изолированных магнитных полюсов в природе исключено? Определенного ответа на этот вопрос пока не существует. Некоторые современные теории допускают возможность существования монополя. Электрическая и магнитная силы (как и гравитация) являются дальнодействующими, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Электромагнитное взаимодействие проявляется на всех уровнях материи - в мегамире, макромире и микромире. Как и гравитация, оно подчиняется закону обратных квадратов.

        Электромагнитное поле Земли  простирается далеко в космическое  пространство; мощное поле Солнца  заполняет всю Солнечную систему;  существуют и галактические электромагнитные поля. Электромагнитное взаимодействие определяет также структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных). К нему сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др.

      К выявлению существования слабого  взаимодействия физика продвигалась медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц; и поэтому с его проявлением столкнулись с открытием радиоактивности и исследованием бета-распада.

      У бета-распада обнаружилась в высшей степени странная особенность. Исследования приводили к выводу, что в этом распаде как будто нарушается один из фундаментальных законов физики – закон сохранения энергии. Казалось, что часть энергии куда-то исчезала. Чтобы «спасти» закон сохранения энергии, В. Паули предположил, что при бета-распаде вместе с электроном вылетает, унося с собой недостающую энергию, еще одна частица. Она - нейтральная и обладает необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э. Ферми назвал частицу-невидимку «нейтрино».

        Но предсказание нейтрино - это  только начало проблемы, ее постановка. Нужно было объяснить природу нейтрино, но здесь оставалось много загадочного. Дело в том, что электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами. Но было неопровержимо доказано, что внутри ядер нет таких частиц. Об их возникновении было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существуют в ядре в «готовом виде», а каким-то образом образуются из энергии радиоактивного ядра. Дальнейшие исследования показали, что входящие в состав ядра нейтроны, предоставленные самим себе, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо одной частицы появляется три новые. Анализ приводил к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой. Исследования показали, что этой силе соответствует некоторое слабое взаимодействие.

      Слабое  взаимодействие по величине значительно  меньше всех взаимодействий, кроме  гравитационного, и в системах, где  оно присутствует, его эффекты  оказываются в тени электромагнитного  и сильного взаимодействий. Кроме  того, слабое взаимодействие распространяется на очень незначительных расстояниях. Радиус слабого взаимодействия очень мал. Слабое взаимодействие прекращается на расстоянии, большем 10-16 см от источника, и потому оно не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается микромиром, субатомными частицами. Когда началось лавинообразное открытие множества нестабильных субъядерных частиц, то обнаружилось, что большинство из них участвуют в слабом взаимодействии.

      Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий - сильное взаимодействие, которое является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, - Солнце. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Но и человек научился высвобождать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции.

      К представлению о существовании  сильного взаимодействия физика шла  в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать положительно заряженные протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация слишком слаба и не может это обеспечить; очевидно, необходимо какое-то взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено. Выяснилось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, но за пределами ядра оно не ощущается. Как и в случае слабого взаимо­действия, радиус действия новой силы оказался очень малым: сильное взаимодействие проявляется на расстоянии, определяемом размерами ядра, т.е. примерно 10-13 см. Кроме того, выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Так, его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны неподвластны ему. В сильном взаимодействии участвуют обычно только тяжелые частицы. Оно ответственно за образование ядер и многие взаимодействия элементарных частиц.

      Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия развивалось трудно. Прорыв наметился только в начале 60-х гг., когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из кварков.

      Таким образом, в фундаментальных физических взаимодействиях четко прослеживается различие сил дальнодействующих  и близкодействующих. С одной  стороны, взаимодействия неограниченного  радиуса действия (гравитация, электромагнетизм), а с другой - малого радиуса (сильное и слабое). Мир физических процессов разверты­вается в границах этих двух полярностей и является воплощением единства предельно малого и предельно большого – близкодействия в микромире и дальнодействия во всей Вселенной.

      Принцип симметрии – базовый принцип  в научном познании, объясняющий  взаимодействие элементарных частиц. Выводится из принципа противоречия – это отношение противоположностей, которые взаимно обуславливают  друг друга и не могут друг без друга существовать.

      Инвариантность (принцип инвариантности - смещения во времени и пространстве не влияет на протекание физических процессов) структуры, свойств, формы материального объекта  относительно его преобразований называется симметрией. Наглядный пример пространственной симметрии материальных систем – кристаллическая структура твердых тел (симметрия раковин моллюсков, орнамент, дикорастущие растения и др. – симметрия строения).

      Сохранения  законы, физические закономерности, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются со временем в любых процессах или в определённом классе процессов

      Закон сохранения энергии - основной закон природы, заключающийся в том, что энергия замкнутой системы сохраняется во времени. Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может в никуда исчезнуть, она может только переходить из одной формы в другую. Согласно теореме Нётер, закон сохранения механической энергии является следствием однородности времени. В классической механике закон проявляется в сохранении механической энергии (суммы потенциальной и кинетической энергий). В термодинамике закон сохранения энергии называется первым началом термодинамики и говорит о сохранении энергии в сумме с тепловой энергией.

      Закон сохранения импульса утверждает, что сумма импульсов всех тел (или частиц) замкнутой системы есть величина постоянная.

      Как и любой из законов сохранения, закон сохранения импульса описывает  одну из фундаментальных симметрий, - однородность пространства.

      Закон сохранения момента импульса (закон сохранения углового момента) -векторная сумма всех моментов импульса относительно любой оси для замкнутой системы остается постоянной.

      Закон сохранения электрического заряда гласит, что алгебраическая сумма зарядов  электрически замкнутой системы  сохраняется. Изменение заряда в любом наперёд заданном объёме равно потоку заряда через его границу. Заряд исчезает в одной точке пространства и мгновенно возникает в другой. 

      11. Внутреннее строение  и геологическое  развитие земли

      Рассматривать геологическую историю нашей планеты можно только с того времени, с которого сохранились наиболее древние свидетели этой истории - горные породы и минералы. Однако первым древнейшим этапом образования земли следует считать интервал времени, в течение которого она сформировалась как одна из планет Солнечной системы, т.е. со времени аккреции вещества газопылевой туманности, которое, по мнению исследователей не было продолжительным и по видимому составляло не более 100 миллионов лет.