Лекция 5 Тема: История развития естествознания (продолжение) Сегодня: ____________________ 2009 г. - презентация

1 Лекция 5 Тема: История развития естествознания (продолжение) Сегодня: ____________________ 2009 г.

2 Развитие теории света В XVII – XVIII в господствовала корпускулярная теория света (свет- поток корпускул-частиц), которую высказал Исаак Ньютон. В 30-х годах XIX в. корпускулярная теория Ньютона была заменена волновой теорией света Юнга–Френеля. Вопреки представлениям Ньютона о свете как потоке корпускул, волновая теория свидетельствовала о том, что электромагнитное излучение или свет обладает волновыми свойствами. Эти свойства проявляются в явлениях интерференции, дифракции, поляризации и голографии.

3 Естествознание в Мире В 30-х годах XX в. были открыты два явления: фотоэффект и эффект Комптона, в которых свет или электромагнитное излучение снова проявляет корпускулярные свойства. По современным представлениям свет или электромагнитное излучение проявляет как волновые, так и корпускулярные свойства. При этом при малой длине волны ( ) и большой частоте ( ) свет ( = с/ ) преимущественно проявляет корпускулярные свойства, при большой длине волны и малой частоте свет проявляет волновые свойства.

4 Естествознание в Мире Таким образом говорят о дуализме или двойственной природе света. Энергия кванта света равна = h, где h – постоянная Планка; – частота. Фотон (частица света) движется со скоростью света с = м/с (в вакууме), не имеет массы покоя.

5 Естествознание в Мире Резерфорд, Бор, Кюри, Томсон, Курчатов работали в области атома и ядра и создали новую систему энергетики (атомную энергетику). Э. РезерфодН.Х. БорП. КюриДж. ТомсонИ. Курчатов

6 Естествознание в Мире Французский физик Луи де Бройль высказал гипотезу о том, что волновыми свойствами обладают не только фотоны, но и элементарные частицы, атомы, молекулы. В дальнейшем эта гипотеза была подтверждена экспериментально. Была получена интерференционная картина, создаваемая электронами. Эта гипотеза, а также соотношение неопределенностей Гейзенберга, гипотеза Планка,принцип Паули и уравнение для волновой функции Шредингера послужили основой самого современного раздела физики – квантовой нерелятивистской механики. В. ГейзенбергМакс ПланкЭ. ШредингерПоль ДиракЛ. де Бройль

7 Физическая картина мира Физическая картина мира в качестве основы включает в себя общетеоретическое физическое знание. Естественно, что на разных этапах развития науки это знание по-разному интерпретировала внешний мир Античная, Ньютоновская и современные физические картины мира очень сильно различаются по своей форме и внутреннему содержанию, и количественно, и качественно. Схема физической картины мира связана со сменой представлений о материи: от атомистических, корпускулярных представлений о материи к полевым, континуальным, а затем к квантовым. Три физических картины мира: - механистическая, - электромагнитная, - квантово–полевая.

8 ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА Общее теоретическое знание в физике, которое включает: – основополагающие физические идеи; – фундаментальные физические теории; – основные принципы, законы и понятия; – принципы и методы познания С одной стороны, физическая картина мира есть обобщение всех ранее полученных знаний о природе и определенная степень познания человеком материального мира и его закономерностей С другой стороны, физическая картина мира есть процесс введения в физику новых основополагающих идей, принципов, понятий и гипотез, которые меняют основы теоретической физики; одна физическая картина заменяется другой Схема физической картины мира связана со сменой представлений о материи: от атомических, корпускулярных представлений о материи к полевым, континуальным, а затем к квантовым. Отсюда и три физических картины мира: механистическая, электромагнитная, квантово–полевая

9 Принципы квантовой механики I.Принцип дополнительности сформулирован Н. Бором. Согласно этого принципа наличие информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект (элементарная частица, атом, молекула) неизбежно связано с потерей информации о других величинах, дополнительных к первым. Такими величинами, например, являются координата частицы и ее скорость (или импульс).

10 Принципы квантовой механики II. Принцип неопределенности (соотношение неопределенностей Гейзенберга, открыт в 1927 г). Объект Микромира невозможно одновременно с заданной точностью характеризовать координатой и импульсом. В классической механике частица движется по определенной траектории и в любой момент точно фиксированы ее координата и импульс.

11 Принципы квантовой механики Согласно соотношению неопределенностейГейзенберга частица не может иметь одновременно и точно определенную координату (х, у, z) и определенную соответствующую проекцию импульса (Р х, Р у, Р z ), причем неопределенность этих величин удовлетворяют условиям: х Р х h/2, у Р у h/2, z Р z h/2, где h – постоянная Планка; х, y, z – неопределенности координат; Р х, Р y, Р z – неопределенности проекций импульса.

12 Принципы квантовой механики Если выражение Р х заменить на Р х = x m, то т.е., чем больше масса частицы, тем меньше неопределенность ( х, x ) ее координаты и скорости, и тем с большей точностью можно применить к этой частице понятие траектории.

13 Принципы квантовой механики Например, для пылинки массой m = 10 –13 кг и линейными размерами l = 10 –6 м, координата которой определена с точностью до 1/100 ее размера ( х = 10 –8 м), неопределенность скорости : м/с, ( h/2 = 1,06 10 –34 Дж с) т.е. х и определяются точно.

14 Принципы квантовой механики Нерелятивистское уравнение квантовой механики Шредингера играет в этой науке такую же роль, какую II закон Ньютона играет в классической механике (оно является уравнением движения). Релятивистское уравнение квантовой механики написал Поль Дирак.

15 Характерные особенности КВАНТОВО-ПОЛЕВАЯ КАРТИНА МИРА Формируется на основе: – квантовой гипотезы М. Планка (1858–1947), – волновой механики Э. Шредингера (1887–1961), – квантовой механики В.Гейзенберга (1901–1976), – квантовой теории атома Н.Бора (1885–1962) и т.д. В рамках квантово-полевой картины мира сложились квантово-полевые представления о материи: – материя обладает корпускулярными и волновыми свойствами, т.е. каждый элемент материи имеет свойства волны и частицы Движение – частный случай физического взаимодействия. Фундаментальные физические взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное. Они описываются на основе принципа близкодействия: взаимодействия передаются соответствующими полями от точки к точке, скорость передачи взаимодействия конечна и не превышает скорости света Картина физической реальности в квантовой механике двупланова: с одной стороны, в нее входят характеристики исследуемого объекта; с другой стороны – условия наблюдения (метод познания), от которых зависит определенность этих характеристик Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности и причинности является то, что они выступают в вероятностной форме, в виде статистических законов При описании объектов используется два класса понятий: пространственно-временные и энергетически-импульсные. Первые дают кинематическую картину движения, вторые – динамическую (причинную). Пространство–время и причинность относительны и зависимы Фундаментальные положения квантовой теории: – принцип неопределенности; – принцип дополнительности

16 Открытия в биологии В XVII – XVIII в. накопилось очень много описаний растительного и животного миров. Систематизацию различных животных и растений вывел Карл Линней (1707 – 1777). Впервые идею эволюционного развития животного мира высказал Жан Батист Ламарк. Жан ЛамаркЧ. ДарвинГрегори Мендель Томас МорганИ. Вавилов

17 Открытия в биологии Жорж Леопольд Кювье был самым выдающимся зоологом конца XVIII и начала XIX вв. Исследования Кювье над ископаемыми животными парижского бассейна привели его к теории катастроф, по которой каждый геологический период имел свою фауну и флору и заканчивался громадным переворотом, катастрофой, при которой гибло на земле все живое и новый органический мир возникал путем нового творческого акта. Учение о катастрофах он изложил в «Discours sur les revolution de la surface du globe et sur les changements qu' elles ont produits dans le regne animal».

18 Открытия в биологии Теория катастроф была предметом дискуссий, отвергнута наукой благодаря трудам Ч. Лайелла. Однако отказ от идей катастрофизма не был окончательным: в 1-ой половине 20 в. Они частично возродились в форме неокатастрофизма – представления об одновременных на всей планете фазах складчатости и горообразования, прерывающих длительные эпохи относительного покоя и медленной эволюции коры.

19 Открытия в биологии Открытия в естественных науках позволили Ч. Дарвину создать эволюционную теорию развития животного мира в труде «Происхождение видов» (1871 г.). Дарвин выдвинул тезис о естественном отборе наряду с принципами борьбы за существования, наследственности и изменчивости (мутации), который является основой дарвинской теории эволюции.

20 Открытия в биологии В XX в. из биологии выделяется новое направление – генетика (генезис – развитие). Генетика – наука о законах наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими. Начало генетики было положено в трудах Т. Моргана и Г. Менделя (изучал наследственность на зеленом горошке).

21 Открытия в биологии Грегор Иоганн Мендель открыл законы дискретной (прерывистой наследственности), т.е. наследуются не все наследственные признаки родителей у потомства. Томас Хант Морган развивал теорию хромосомной наследственности (хромо – цвет (признаки), сома – тело). Хромосома – структурный элемент ядра клетки, содержит ДНК. Отдельные ее участки соответствуют определенным генам.

22 Открытия в биологии Ген – единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо элементарного признака. Самое большое значение генетики заключается в том, что она указала на непосредственную связь биологических и физико-химических процессов. Российские ученые-генетики: И. Вавилов, Н. Кольцов.

23 Открытия в биологии Модель ДНК: Дезоксирибонуклеиновая кислота - высокополимерное природное соединение, содержащееся в ядрах клеток живых организмов. ДНК - носитель генетической информации; отдельные участки ДНК соответствуют определенным генам. ДНК точно воспроизводится при делении клеток, что обеспечивает в ряду поколений клеток и организмов передачу наследственных признаков и специфических форм обмена веществ.

24 Открытия в биологии Модель ДНК: Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль. Цепи построены из большого числа мономеров нуклеотидов, специфичность которых определяется одним из четырех азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин, тимин.

25 Тема: Общие вопросы естествознания

26 Свойства материи и виды законов Известны три вида материи: вещество поле физический вакуум Деление условно, т.к. внутри вещества имеется поле. МАТЕРИЯ ПОЛЕВЕЩЕСТВО ГравитационноеЭлектромагнитное ФИЗИЧЕСКИЙ ВАКУУМ

27 Свойства материи и виды законов Вещество – основной вид материи, обладающей массой. К вещественным объектам относятся элементарные частицы, атомы, молекулы и многочисленные образованные из них материальные объекты. В химии вещества подразделяются на простые (с атомами одного химического элемента) и сложные – химические соединения. Свойства вещества зависят от внешних условий и интенсивности взаимодействия составляющих его атомов и молекул, что и обусловливает различные агрегатные состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. При сравнительно высокой температуре образуется плазменное состояние вещества. Переход вещества из одного состояния в другое можно рассматривать как один из видов движения материи.

28 Свойства материи и виды законов В природе наблюдаются различные виды движения материи, которые можно классифицировать с учетом изменений свойств материальных объектов и их воздействий на окружающий мир. Примеры многообразных видов движения материи: механическое движение (относительное перемещение тел), колебательное и волновое движение, распространение и изменение различных полей, тепловое (хаотическое) движение атомов и молекул, равновесные и неравновесные процессы в макросистемах, фазовые переходы между различными агрегатными состояниями (плавление, парообразование и др.), радиоактивный распад, химические и ядерные реакции, развитие живых организмов и биосферы, эволюция звезд, галактик и Вселенной в целом

29 Свойства материи и виды законов Физическое поле – особый вид материи, обеспечивающий физическое взаимодействие материальных объектов и их систем. К физическим полям относятся электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, а также волновые (квантовые) поля, соответствующие различным частицам (например, электронпозитронное поле). Источником физических полей являются частицы (например, для электромагнитного поля – заряженные частицы). Созданные частицами физические поля переносят с конечной скоростью взаимодействие между ними. В квантовой теории взаимодействие обусловливается обменом квантами поля между частицами.

30 Свойства материи и виды законов Физический вакуум – низшее энергетическое состояние квантового поля. Этот термин введен в квантовой теории поля для объяснения некоторых микропроцессов. Среднее число квантов поля в вакууме равно нулю, однако в нем могут рождаться виртуальные частицы – частицы в промежуточных состояниях, существующие короткое время. Виртуальные частицы влияют на физические процессы. В физическом вакууме могут рождаться пары частица–античастица разных типов. При достаточно большой концентрации энергии вакуум взаимодействует с реальными частицами, что подтверждается экспериментом.

31 Свойства материи и виды законов Материя при своем движении подчиняется трем видам законов: 1. Частные законы (большая часть законов химии, физики, биологии); 2. Общие (фундаментальные: законы сохранения, т.к. выполняются и в физике, и в химии, и в биологии без ограничений, эволюционный закон развития Ч. Дарвина, периодическая система элементов Д.И. Менделеева); 3. Всеобщие (законы диалектики). Диалектика – наука о развитии, разработана Гегелем. Большой вклад внесли К.Маркс, Ф.Энгельс, В.Ленин.

32 Законы диалектики 1. Закон единства и борьбы противоположностей. Появился в учении Дао. Все в Мире имеет свою противоположность, эти противоположности находятся в постоянной борьбе и диалектическом единстве (примеры: положительный и отрицательный заряды, белое и черное, добро и зло, сладкое и горькое, эгоизм и альтруизм и т.д.). 2. Переход количественных изменений в качественные. Количественные изменения накапливаются и скачком переходят в качественные. Характерным примером является периодический закон Менделеева.

33 Законы диалектики 3. Закон отрицания отрицания. Идет непрерывное отрицание. Пример: смена поколений, смена формаций, смена технологических укладов. Эти законы связаны между собой, особенно второй и третий. Несмотря на эту связь, различие действий просматривается на всем зримом пути развития. Разнообразие форм и видов, существующее во Вселенной, возникло благодаря этим законам.

34 Виды движения материи 1. Механическое движение тел относительно друг друга. 2. Переход одного вида энергии в другой. Пример: переход потенциальной энергии в кинетическую; переход механической энергии при торможении автомобиля в тепловую. 3. Химическое взаимодействие огромного количества веществ. 4. Биологические виды движения материи. Бесконечное разнообразие процессов, происходящих в живых организмах. 5. Социальные виды движений. Развитие цивилизации, конкретного сообщества, коллектива.

35 Научный метод исследования в КСЕ Наряду с общим предметом исследования, естественнонаучные дисциплины объединяет и общий метод исследования, который обязан своим возникновением естествознанию. Еще Конфуций в общих чертах указал составляющие научного метода. Конфуций говорил: «К знанию ведут три пути: первый – размышление – самый благородный, второй – подражание – самый легкий, третий – опыт – самый горький».

36 Научный метод исследования в КСЕ Составляющие научного метода включают размышление, наблюдение, опыт или эксперимент. Научный метод не диктует жесткой последовательности действий исследователя, но он требует тщательной подготовки эксперимента, повторяемости его результатов, подтверждения гипотез и теорий и согласованности с известными теориями или объяснения несогласованности, если она есть.

37 Научный метод исследования в КСЕ Методы научного познания: Наблюдение; Эксперимент; Индукция; Дедукция; Анализ; Синтез; Моделирование; Абстрагирование. Критерии научного знания: Объективность; Достоверность; Точность; Системность.

38 Научный метод исследования в КСЕ Функции науки: объяснительная описательная; прогностическая мировоззренческая; системообразующая; производственно-практическая

39 Дифференциация и интеграция наук Процесс дифференциации естественных наук по мере развития научной мысли привел к выделению научных направлений, развивающих отдельные вопросы химии, физики, биологии и смежные области исследований (биофизика, биохимия, биокибернетика). Такое дробление научных знаний по мере движения в глубины мироздания было оправдано, однако, при этом происходит потеря целостности восприятия Мира. Поэтому появилась тенденция к разработке обобщающих курсов (новая натурфилософия), курсов естествознания, базирующихся на общих, «вечных» вопросах естествознания: материя, движение, равновесие, пространство–время, колебания, циклы и т.д.

40 Контроль Основателями волновой природы света являются … 1.Юнг 2.Френель 3.Фарадей 4.Лоренц 5.Ленц 6.Кулон 7.Ньютон

41 Контроль Свойство человеческой натуры эгоизм и альтруизм относятся к закону диалектики …

42 Контроль К всеобщим относятся законы …

43 Контроль Можно ли сказать, что электромагнитное поле – материально? Если да, то почему. 1.нет 2.да, так как переносит энергию 3.да, так как фотоны (частицы электромагнитного излучения) имеют массу покоя 4.да, так как существует три вида материи: вещество, поле, физический вакуум.

44 Контроль Если формулировка принципа: объект микромира невозможно одновременно с заданной точностью характеризовать координатой и импульсом, то это принцип …

45 Контроль Если формулировка принципа: взаимодействие распространяется с конечной скоростью и осуществляется посредством полей, то это принцип …

46 Контроль На связь биологических и физико- химических процессов указала наука – … 1.генетика 2.физика 3.химия 4.кибернетика