Концепция современного естествознания

Концепция современного естествознания

4

Контрольная работа по концепции современного естествознания

Вариант №10

Содержание

1. Чем отличается живая система от неживой? Как развивалась биология? В чем суть и значение дарвиновской теории в развитии биологии? Каковы структурные уровни познания живой материи? 4

2. В чем суть концепции атомизма? Какие структуры материи Вам известны? С какими учеными связана данная концепция? Как развивалась концепция атомизма и как она связана с современными проблемами построения единой физической теории? Каковы особенности использования этой модели для описания вещества как системы частиц? 6

3. Как происходит процесс теплопередачи? Характеризуйте теплопроводность, конвекцию и излучение и приведите примеры. 12

4. Определите понятия теплоты и температуры. Как связаны эти величины, в каких единицах измеряются? Сколько времени нужно выполнять физические упражнения мощностью в 700 Вт, чтобы сбросить свой вес на 450 г (на расщепление 1 г жира расходуется около 40 к Дж, а 1 г углеводов -

20 кДж) ? 14

5. Поясните понятия энтропии и термодинамической вероятности. В чем состоит принцип Больцмана? Что общего между понятиями "энтропия" и "информация"? поясните понятие информация, укажите на ее связь с законом необходимого разнообразия кибернетики. 16

6. Что такое - фазовое равновесие, перегретая жидкость? Опишите физическую картину процесса кипения. Как зависит точка кипения от внешнего давления? Какое значение в природе имеют процессы сублимации и десублимации? Приведите примеры. 18

7. Поясните смысл понятия "фотон". Какие явления, и каким образом были объяснены с помощью квантовой теории света? 20

8. Сопоставьте понятия "популяция" и "вид". Докажите, что популяция является единицей эволюции. Почему разные популяции одного вида отличаются по частоте генов? 23

9. Как происходит деление клеток, ядра и ДНК? Как реализуется система воспроизводства на молекулярном уровне? В чем особенности биотехнологий: генной и клеточной инженерии, каковы их возможности и перспективы? 24

10. Что такое синергетика и каково ее значение для современной картины мира? Какие этапы можно выделить в развитии самоорганизующихся систем? Каково соотношение случайного и закономерного в концепции развития? Поясните понятия "хаоса", "бифуркации", "катастрофы". Опишите процессы самоорганизации материи в процессе эволюции

галактик и звезд. 26

Список литературы 30

1. Чем отличается живая система от неживой? Как развивалась биология? В чем суть и значение дарвиновской теории в развитии биологии? Каковы структурные уровни познания живой материи?

Живые системы отличает от неживых (косных, по выражению В.И. Вернадского) множество признаков, которые перечисляются в любом учебнике школьной биологии. Но по отдельности каждый из этих признаков может быть обнаружен и в системах, которые живыми назвать никак нельзя. Но есть такие признаки, которые, особенно характерны для живых систем и тем не менее нечасто фигурируют в их самых общих описаниях.

Живые организмы являются открытыми системами, потребляющими энергию внешней среды. Все живые организмы содержат четыре главных класса органических соединений: углеводы, лепиды, белки и нуклеиновые кислоты

Развитие, спонтанное повышение степени гетерогенности (разнообразия частей) при укреплении взаимосвязей между ними - один из наиболее характерных признаков живого, будь то индивидуальный организм, популяция или биосфера. Теория биологического поля Гурвича позволяет найти подход к решению принципиальных вопроса о том, как можно объяснить это явление исходя из единого принципа (постулата о существовании такого поля). Но любой процесс, а все жизненные проявления - или, говоря словами Гурвича, Структурированные Процессы невозможно рассматривать без привлечения понятия энергии. Структурно - энергетическая специфичность жизни и ее отличие в этом отношении от процессов, протекающих в неживых объектах, отражена в принципах теоретической биологии, сформулированных Э. Бауэром.

Первый его принцип (постулат, утверждение, вытекающее только из наблюдений и которое может быть отвергнуто только если появятся наблюдения, ему противоречащие) гласит: "Все и только живые системы никогда не находятся в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянно работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях". Другими словами, принципиальное отличие между живыми и неживыми системами Бауэр видит в следующем. Любая живая система с момента своего возникновения уже одарена неким запасом избыточной энергии по сравнению с окружающей ее средой. Эта энергия обеспечивает постоянно реализуемую работоспособность живой системы, а вся ее работа направлена на возрастание или, по меньшей мере, на сохранение достаточного для продолжения жизнедеятельности уровня активности. Бауэр назвал это состоянием "устойчивого неравновесия" живой системы относительно окружающей ее среды.

В современном преставлении биология - совокупность наук о живой природе - об огромном многообразии вымерших и ныне населяющих Землю живых существ, их строении и функциях, происхождении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой. Биология устанавливает общие и частные закономерности, присущие жизни во всех ее проявлениях.

На начальном этапе развития биология носила описательный характер и позднее она была названа традиционной биологией. Объект изучения ее - живая природа в ее естественном состоянии и целостности .

Карл Линней внес значительный вклад в традиционную биологию, создав систему растительного и животного мира и построил наиболее удачную классификацию растений и животных, подробно описав около 1500 растений. Классификация производилась по определенным признакам, отражающим закономерности в живой природе.

Материал традиционной биологии накапливается в результате непосредственного наблюдения объекта изучения - живой природы, воспринимаемой как единое целое во всем многообразии ее форм и проявлений.

Эволюционная биология построена на концепции развития в биологии. Эв., биология начиналась с теории Ч. Дарвина. Эволюция, по Дарвину, осуществляется в результате, взаимодействия 3 основных факторов: изменчивости, наследственности и естественного отбора. Изменчивость служит основой образования новых признаков и особенностей в строении и функциях организмов. Наследственность закрепляет эти признаки. Под действием естественного отбора устраняются организмы, не приспособленные к условиям существования. Благодаря наследственной изменчивости и непрерывному действию естественного отбора организмы в процессе эволюции накапливают все новые приспособительные функции, что, в конечном счете, ведет к образованию новых видов.

Выделяют следующие уровни познания живой материи:

Клеточный: уровень элементарной жизни, мельчайший элемент организма, изучаются особенности строения, взаимодействия с окружающей средой, влияние окружающей среды на клетку и ее реакции и т.д.;

Межклеточный: особенности взаимодействия клеток, взаимные реакции, влияние друг на друга;

Организменный: строение организма, его функционирование (жизнь), взаимодействие организма с окружающей средой и влияние внешней среды на организм;

Межорганизменный: особенности взаимодействия организмов, взаимное влияние.

2. В чем суть концепции атомизма? Какие структуры материи Вам известны? С какими учеными связана данная концепция? Как развивалась концепция атомизма и как она связана с современными проблемами построения единой физической теории? Каковы особенности использования этой модели для описания вещества как системы частиц?

Атомизм, атомное учение, атомистика, учение о прерывистом, дискретном (зернистом) строении материи. А. утверждает, что материя состоит из отдельных чрезвычайно малых частиц; до конца 19 в. они считались неделимыми. Для современного А. характерно признание не только атомов, но и других частиц материи как более крупных, чем атомы (например, молекул), так и более мелких (атомные ядра, электроны и др.). С точки зрения современного А., электроны суть "атомы" отрицательного электричества, фотоны - "атомы" света и т.д. А. распространяется и на биологические явления, в том числе на явления наследственности. В более широком смысле под А. понимается иногда дискретность вообще какого-нибудь предмета, свойства, процесса.

А. выступал почти всегда как материалистическое учение. Поэтому борьба вокруг него отражала, прежде всего, борьбу между материализмом и идеализмом в науке А. уже с древности был направлен против идеалистического и религиозного взгляда на мир, ибо всё сущее он объяснял при помощи частиц материи, не прибегая к сверхъестественным причинам. Материалистическое течение в А. исходит из тезиса, согласно которому атомы материальны, существуют объективно и познаваемы. Идеалистическая позиция выражается в отрицании реальности атомов; в объявлении их лишь удобным средством систематизации опытных данных, в отрицании их познаваемости.

Атомистические воззрения первоначально (на Др. Востоке, в античных Греции и Риме, отчасти в средние века у арабов) были лишь гениальной догадкой, превратившейся затем в научную гипотезу (17,18 вв. и первые две трети 19 в) и, наконец, в научную теорию. С самого зарождения и до конца 1-й четверти 20 в. в основе А. лежала идея о тождестве строения макро - и микрокосмоса . Из непосредственно наблюдаемой расчленённости видимого макромира (прежде всего звёздного) на отдельные более или менее обособленные друг от друга тела был сделан вывод, что природа, будучи единой, должна быть устроена в малейшей своей части так же, как и в величайшей. Древние атомисты считали поэтому непрерывность материи кажущейся, как кажется издали сплошной куча зерна или песка, хотя она состоит из множества отдельных частичек.

Известны следующие структурные уровни материи:

Атомарный - уровень элементарных частиц;

Молекулярный - уровень межатомарного взаимодействия, образование молекул;

Вещественный - уровень объединения материи в различные структуры, образование веществ.

Признание единства строения макро - и микрокосмоса открывало путь к перенесению на атомы таких механических, физических или химических свойств и отношений, которые обнаруживались у макротел. Исходя из теоретически предугаданных свойств атомов, можно было сделать заключение о поведении тел, образованных из атомов, а затем экспериментально проверить это теоретическое заключение на опыте.

Идея о полном подобии строения макро - и микрокосмоса, казалось бы, окончательно восторжествовала после создания в начале 20 в. планетарной модели атома, основу которой составляло положение, что атом построен подобно миниатюрной Солнечной системе, где роль Солнца выполняет ядро, а роль планет - электроны, вращающиеся вокруг него по строго определенным орбитам. Почти вплоть до 2-й четверти 20 в. идея единства строения макро - и микрокосмоса понималась слишком упрощённо, прямолинейно, как полное тождество законов и как полное сходство строения того и другого. Отсюда микрочастицы трактовались как миниатюрные копии макротел (как чрезвычайно малые шарики), двигающиеся по точным орбитам, которые совершенно аналогичны планетным орбитам, с той лишь разницей, что небесные тела связаны силами гравитационного взаимодействия, а микрочастицы - электрического. Такая форма А. названа классическим А.

Современный А., воплотившийся в квантовую механику, не отрицает единства природы в большом и малом, но раскрывает качественное различие микро - и макрообъектов: микрочастицы представляют единство противоположностей прерывности и непрерывности, корпускулярности и волнообразности. Это не шарики, как думали раньше, а сложные материальные образования, в которых дискретность (выраженная в свойствах корпускулы) определенным образом сочетается с непрерывностью (выраженной в волновых свойствах). Поэтому и движение таких частиц (например, электрона вокруг атомного ядра) совершается не по аналогии с движением планеты вокруг Солнца (т.е. не по строго определённой орбите), а скорее по аналогии с движением облака ("электронное облако"), имеющего как бы размытые края. Такая форма А. названа современным (квантово-механическим) А.

После открытия электрона (английский физик Дж.Дж. Томсон, 1097), создания теории квантов (М. Планк, 1900) и введения понятия фотона (А. Эйнштейн, 1905) А. принял характер физического учения, причём идея дискретности была распространена на область электрических и световых явлений и на понятие энергии, учение о которой в 19 в. опиралось на представления о непрерывных величинах и функциях состояния. Важнейшую черту современного А. составляет А. действия, связанный с тем, что движение, свойства и состояния различных микрообъектов поддаются квантованию, т.е. могут быть выражены в форме дискретных величин и отношений. В итоге вся физика микропроцессов, поскольку она носит квантовый характер, оказывается областью приложения современного А. Постоянная Планка (квант действия) есть универсальная физическая константа, которая выражает количественную границу, разделяющую две качественно различные области: макро - и микроявлений природы. Физический (или квантово-электронный) А. достиг особенно больших успехов благодаря созданию (Н. Бор, 1913) и последующей разработке модели атома, которая с физической стороны объясняла периодическую систему элементов. Создание квантовой механики (Л. де Бройль, Э. Шрёдингер, В. Гейзенберг, П. Дирак и др., 1924-28) придало А. квантово-механический характер. Успехи ядерной физики, начиная с открытия атомного ядра (Э. Резерфорд, 1911) и кончая открытием серии элементарных частиц, особенно нейтрона (английский физик Дж. Чедвик, 1932), позитрона (1932), мезонов различной массы, гиперонов и др., также способствовали конкретизации А. Одновременно в 20 в. шло развитие химического А. в сторону открытия частиц более крупных, чем обычные молекулы (коллоидные частицы, мицеллы, макромолекулы, частицы высокомолекулярных, высокополимерных соединений); это придавало А. надмолекулярно-химический характер. В итоге можно выделить главные виды А., которые явились вместе с тем историческими этапами в развитии А.: 1) натурфилософский А. древности, 2) механический А.17-18 вв., 3) химический А. 19 в. и 4) современный физический А.

С открытиями в области А. связаны крупные научные эпохи. "Новая эпоха начинается в химии с атомистики..., - писал Энгельс, - а в физике, соответственно этому, - с молекулярной теории". Революцию в физике на рубеже 19 и 20 вв. вызвали, по словам В.И. Ленина, "новейшие открытия естествознания - радий, электроны, превращение элементов... ". Начало века атомной энергии непосредственно связано с дальнейшим развитием современным физическим А.

Неисчерпаемость электрона наглядно обнаружилась после неудачи попыток построить модель атома, исходя из представления об электронах-шариках (или даже точках), наделённых определенной массой и зарядом и двигающихся вокруг ядра по законам классической механики. Ядерная же физика показала, что электрон может рождаться из нейтрона, гиперонов и мезонов (с выделением нейтрино), может поглощаться и исчезать как частица в атомном ядре (при захвате), может сливаться с позитроном, словом, испытывать такие многообразные и сложные коренные превращения, которые неоспоримо свидетельствуют о его реальной неисчерпаемости. В истории познания каждый крупный успех А. составлял не только революцию в физическом учении о материи и её строении, но вместе с тем очередное поражение идеалистического взгляда на природу (хотя сам по себе А., конечно, отнюдь не всегда и не во всех своих конкретных формах непосредственно выражал научную истину). Так, открытие Дальтоном закона простых кратных отношений в химии привело в начале 19 в. к крушению идеалистической теории динамизма (Кант, Шеллинг, Гегель и др.), согласно которой основу природы составляет не материя, а прерывные силы. В конце 19 в. в физике и химии получило распространение феноменологическое, агностическое течение, связанное с термодинамикой и наиболее отчётливо обнаружившееся в энергетическом мировоззрении (В. Оствальд, 1895). Энергетизм, как и махизм, отрицал реальность атомов и молекул; он пытался построить всю физику и химию на представлении о чистой энергии, комплексом различных видов которой объявлялась сама материя и все её свойства. Успехи физики и химии на рубеже 19 и 20 вв., особенно подсчёт числа ионов - газовых частиц, несущих электрические заряды, а также изучение "броуновского движения" и др. показали совпадение значений Авогадро числа, определённого самыми различными физическими методами. В 1908 Оствальд признал своё поражение в борьбе против А. "Я убедился, что в недавнее время нами получены экспериментальные подтверждения прерывного, или зернистого, характера вещества, которое тщетно отыскивала атомистическая гипотеза в течение столетий и тысячелетий. Изолирование и подсчет числа ионов в газах..., а также совпадение законов броуновского движения с требованиями кинетической теории... дают теперь самому осторожному ученому право говорить об экспериментальном подтверждении атомистической теории вещества... Тем самым атомистическая гипотеза поднята на уровень научно обоснованной теории".

В конце 1-й четверти 20 в. оказалось, что выбрасываемые при b-распаде электроны уносят только часть энергии, теряемой ядром. Отсюда был сделан вывод, что другая её часть попросту уничтожается. Материалистическое решение возникшей трудности (В. Паули, 1931) состояло в предположении, что при b-распаде наряду с электроном из ядра вылетает другая, неизвестная ещё частица материи, с очень малой массой и электрически нейтральная, которую назвали "нейтрино". Без представления о нейтрино невозможно понять многие ядерные превращения, а также и превращения элементарных частиц (мезонов, нуклонов, гиперонов).Т. о., и здесь успех А. принёс поражение идеализму в физике.

После открытия позитрона И. и Ф. Жолио-Кюри наблюдали (1933) превращение позитронов и электронов в фотоны; наблюдалось также рождение пары - электрона и позитрона - при прохождении фотона - g-лучей вблизи атомного ядра. Эти явления были истолкованы как аннигиляция (уничтожение) материи и как её рождение из энергии. Развивая А., физики-материалисты (С.И. Вавилов, Ф. Жолио-Кюри и др.) показали, что в данном случае происходит взаимопревращение одного физического вида материи (вещества) в другой её вид (свет). Следовательно, и в этом отношении А. нанёс своими открытиями удар идеализму.

3. Как происходит процесс теплопередачи? Характеризуйте теплопроводность, конвекцию и излучение и приведите примеры.

Процессы теплопередачи, как внутри одного тела, так и от одного тела к другому, находящимся с ним в прямом контакте, происходят по той причине, что кинетическая энергия атомов и молекул из участков, где она выше, под влиянием упругих соударений с соседними атомами переходит в области, где кинетическая энергия атомов и молекул меньше. В соответствии с этим, описание процессов теплопередачи должно осуществляться не на основе разности температур, как это делалось до сих пор, а на основе разности их внутренних энергий теплового движения.

Поэтому процесс переноса тепла от тела с большей кинетической энергией к телу с меньшей кинетической энергией может происходить, даже если температура первого меньше температуры второго, т.е. тепло может переходить от более холодного тела к более горячему, что противоречит формулировке второго закона термодинамики. Его следует сформулировать более точно: тело с меньшей кинетической энергией теплового движения атомов (молекул) не может отдать тепло телу, атомы (молекулы) которого обладают большей кинетической энергией теплового движения.

Если привести в соприкосновение два разных металла или полупроводника с сильно отличающимися характеристическими температурами, то, кроме контактной разности температур, возникает и контактная разность потенциалов. Не исключено поэтому, что, составив замкнутую электрическую цепь, за счет контактной разности температур и потенциалов можно получить электродвижущую силу и создать, таким образом, новый прямой способ преобразования тепловой энергии окружающей среды в электрическую - один из способов, предложенных П.К. Ощепковым.

Кроме основной, традиционной, формулировки второго закона термодинамики (тело с более низкой температурой самопроизвольно не может отдавать тепло телу с более высокой температурой), существуют еще две. Одна из них: при всех процессах в замкнутых системах энтропия не убывает. Эта, претендующая на всеобщий закон, формулировка абстрактна, и ее правильность, по мнению С.В. Цивинского, не подтверждена ни экспериментами, ни безупречными теоретическими выводами. Более того, правильность этой формулировки, как закона природы, не подтверждается даже простым рассмотрением процесса смешения двух идеальных одноатомных газов в замкнутой системе: никакого изменения энтропии здесь не будет. Понятие энтропии не пригодно для точного описания тепловых процессов, так же, как и традиционная формулировка второго закона термодинамики.

Теплопроводность является одним из видов переноса тепла. Способность вещества проводить теплоту характеризуется коэффициентом теплопроводности l. Согласно основному закону теплопроводности (закону Фурье - q = - l grad t) коэффициент теплопроводности равен плотности теплового потока q при градиенте температуры 1 К/м. Наименьшим коэффициентом теплопроводности обладают газы, наибольшим - металлы. Для сравнения воздух имеет l "0,025 Вт/(мЧК), вода l" 0,6 Вт/(мЧК), сталь l "50 Вт/(мЧК), серебро и медь l" 400 Вт/(мЧК). В ограждениях холодильников используемые строительные материалы (кирпич, бетон) имеют l "0,7…1,0 Вт/(мЧК), а теплоизоляция (пенопласты, минеральная вата l "0,04…0,09 Вт/(мЧК).

Теплоотдача путем конвекции - перемещение частиц газа или жидкости, смешивание их нагретых слоев с охлажденными. В воздушной среде даже в условиях покоя на теплоотдачу конвекцией приходится до 30% потерь тепла. Роль конвекции на ветру или при движении человека еще более возрастает.

Передача тепла излучением от нагретого тела к холодному совершается согласно закону Стефана-Больцмана и пропорциональна разности четвертых степеней температуры кожи (одежды) и поверхности окружающих предметов. Этим путем в условиях "комфорта" раздетый человек отдает до 45% тепловой энергии, но для тепло одетого человека особой роли теплопотери излучением не играют.

4. Определите понятия теплоты и температуры. Как связаны эти величины, в каких единицах измеряются? Сколько времени нужно выполнять физические упражнения мощностью в 700 Вт, чтобы сбросить свой вес на 450 г (на расщепление 1 г жира расходуется около 40 к Дж, а 1 г углеводов - 20 кДж) ?

Температура - характеристика степени нагретости тела. Теплота кинетическая часть внутренней энергии вещества, определяемая интенсивным хаотическим движением молекул и атомов, из которых это вещество состоит . Мерой интенсивности движения молекул является температура. Количество теплоты, которым обладает тело при данной температуре, зависит от его массы; например, при одной и той же температуре в большой чашке с водой заключается больше теплоты, чем в маленькой, а в ведре с холодной водой его может быть больше, чем в чашке с горячей водой (хотя температура воды в ведре и ниже).

Количество тепловой энергии в веществе нельзя определить, наблюдая за движением каждой его молекулы по отдельности. Напротив, только изучая макроскопические свойства вещества, можно найти усредненные за некий период времени характеристики микроскопического движения многих молекул. Температура вещества - это средний показатель интенсивности движения молекул, энергия которого и есть тепловая энергия вещества.

Тепловое равновесие. Очевидно, что если два тела A и B плотно прижать друг к другу, то, потрогав их спустя достаточно долгое время, мы заметим, что температура их одинакова. В этом случае говорят, что тела A и B находятся в тепловом равновесии друг с другом. Однако тела, вообще говоря, не обязательно должны соприкасаться, чтобы между ними существовало тепловое равновесие, - достаточно, чтобы их температуры были одинаковыми. В этом можно убедиться с помощью третьего тела C, приведя его сначала в тепловое равновесие с телом A, а затем сравнив температуры тел C и B. Тело C здесь играет роль термометра. В строгой формулировке этот принцип называется нулевым началом термодинамики: если тела A и B находятся в тепловом равновесии с третьим телом C, то эти тела находятся также в тепловом равновесии друг с другом. Этот закон лежит в основе всех способов измерения температуры.