Контрольная работа по "Концепция современного естествознания"

ИНСТИТУТ МИРОВОЙ ЭКОНОМИКИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ

НЕГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КОНЦЕПЦИЯ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

 

 

 

Студент: Усова Галина Алексеевна                 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МОСКВА - 2015

 

 

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

Ответ: Естествознание – это наука о природе как единой целостности, представляющая собой единую систему знаний, компоненты которой – естественные науки, тесно связаны и взаимообусловлены. 
В настоящее время спектр научных исследований в естествознании необыкновенно широк. В систему естественных наук, помимо основных естественных наук: физики, химии, биологии, географии, геологии, астрономии, включают междисциплинарные науки, стоящие на стыке нескольких традиционных наук (биофизику, биохимию, геофизику, астрофизику, геохимию и т.д.) и даже науки, стоящие на стыке между естественными и гуманитарными дисциплинами, например, психологию. 
Подразделения:

Астрономия - наука о расположении, строении, свойствах, происхождении и развитии небесных тел и их систем, до Вселенной в целом.

Биология - наука о жизни, предметом которой являются живые существа и их взаимодействие с окружающей средой.

Биофизика - раздел физики и современной биологии, изучающий физические аспекты существования живой природы на всех её уровнях, начиная от молекул и клеток и заканчивая биосферой в целом.

Биохимия - наука о химическом составе живых клеток и организмов и о химических процессах, лежащих в основе их жизнедеятельности.

Генетика - наука о законах и механизмах наследственности и изменчивости.

География - единый комплекс наук, изучающих географическую оболочку Земли и акцентирующихся на выявлении пространственно-временных закономерностей.

Геология - комплекс наук о составе, строении, истории развития земной коры и размещении в ней полезных ископаемых.

Радиобиология - это самостоятельная комплексная, фундаментальная наука, состоящая из многих научных направлений, изучающая действие ионизирующих и неионизирующих излучений на биологические объекты.

Радиохимия, изучает химию радиоактивных веществ, законы их физико-химического поведения, химию ядерных превращений и сопутствующие им физико-химические процессы.

Физическая химия - наука об общих законах, определяющих строение и химические превращения веществ при различных внешних условиях.

Химия - одна из важнейших и обширных областей естествознания, наука о веществах, их свойствах, строении и превращениях, происходящих в результате химических реакций.

Особая роль в естествознании принадлежит математике. Это обусловлено тем, что она является всеобщим универсальным языком для различных естественных наук, пронизывает все основные стадии современного естественнонаучного процесса познания, такие как: сбор и обработка количественной информации; формулировка законов в строгой математической форме; построение математического аппарата; моделирование природных процессов и явлений. 
 
Задание 2. Охарактеризуйте александрийский период развития науки.

Ответ: Развитие древней науки, начиная с III в. до н.э. в значительной степени связано с древним городом Александрией, основанным Александром Македонским. Поэтому рассматриваемый период в развитии науки древности называют александрийским периодом. Его также называют эллинистическим, поскольку такое название дают древней культуре III–I вв. до н.э. Александрийский период характеризуется выделением из натурфилософии первых самостоятельных научных дисциплин – астрономии,  как самостоятельной науки, первой области физики – статики (учение Архимеда о равновесии тел) и развитием математики («Начала» Евклида). 
Становление астрономии как самостоятельной науки означало приведение в систему астрономических знаний, усовершенствование и развитие измерительных методов. В этот период были проведены измерения окружности Земли и расстояния от Луны до Земли, уточнены положение и движение небесных светил. Крупным астрономом александрийского периода был Аристарх Самосский (первая половина III в. до н.э.), выдвинувший гипотезу о гелиоцентрическом строении Вселенной. За эту теорию Аристарх был обвинен в безбожии и подвергался гонениям. Его учение получило развитие только в XVI в. польским астроном Н. Коперником, возродившим идеи Аристарха.  
Другим известным астрономом александрийского периода был Гиппарх (II в. до н. э.). Гиппарх значительно усовершенствовал методы астрономических измерений, применяя различного рода угломерные приборы, имеющие точность до 0,1 градуса. Он уточнил положение и движение небесных светил, составил большой звездный каталог, содержащий 1080 неподвижных звезд. Гиппарх уточнил продолжительность года и определил его с точностью до 6 минут. Гиппарху принадлежит также уточнение системы мира Аристотеля, которая господствовала в александрийский период (о Земле как центре мира и о круговых орбитах небесных тел как совершенных траекториях). Гиппарх предположил, что, хотя Солнце, Луна и планеты движутся по круговым “совершенным” орбитам, тем не менее, центры их орбит не совпадают с центром Земли (теория эксцентриков в труде «Великое построение» александрийского астронома Птоломея (70–147 н. э.). Астрономия получила законченную форму, которая долгое время, вплоть до Коперника, не подвергалась каким-либо существенным изменениям.  
Другой наукой, достигшей больших успехов в александрийский период, была математика. Знаменитый александрийский математик Евклид (III в. до н. э.) подвел итоги и обобщил в своих “Началах” все, что было сделано до него в области математики. Он создал настолько совершенную и законченную систему элементарной геометрии, что она почти в неизменном виде просуществовала многие столетия. Евклид придал геометрии исключительную логическую строгость и безукоризненность. Вся его система геометрии многие века считалась образцом научной системы; ей подражали самые крупные математики, физики, механики и даже философы последующих времен.  
"Начала" Евклида являются одним из математических оснований классической физики и фундаментом современной элементарной геометрии. 
В александрийский период получили свое развитие и элементы высшей математики. Здесь большая заслуга принадлежит Архимеду (287–212 до н. э.), решившему труднейшие математические проблемы своего времени, – вычисление площадей криволинейных фигур. Однако развивающиеся элементы высшей математики не были приведены в систему; это было сделано гораздо позже И. Ньютоном и Г. Лейбницем в XVII в. 
Учение Архимеда о равновесии тел представляет собой объединение и развитие знаний, накопленных древнегреческой наукой о равновесии тел к III в. до н.э., их систематизацию и оформление в самостоятельную научную область – статику. Центральное место в учении Архимеда занимают теория рычага, при построении которой использован аксиоматический метод, и теория равновесия тел в жидкости (гидростатика), включающая в себя доказательство ряда теорем, в том числе – закона Архимеда. 
Подход Архимеда к физическим проблемам основан на простых геометрических доказательствах, так что его можно считать родоначальником математической физики, которой он посвятил трактаты “О равновесии плоских тел” и “О плавающих телах”.  
С начала развития нашей эры в развитии науки начинается упадок. Вместе с разложением рабовладельческого строя в Европе разлагаются и гибнут античная культура и наука. 

Задание 3. Укажите основные законы механики Ньютона.

Ответ: В 1667 г. Ньютон сформулировал три закона динамики, составляющие основной раздел классической механики. Законы Ньютона рассматривают обычно как систему взаимосвязанных законов. 
Первый закон Ньютона: всякая материальная точка (тело) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит ее изменить это состояние.  
Стремление тела сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью, или инерцией. Поэтому первый закон Ньютона называют также законом инерции. 
Для количественной формулировки второго закона динамики вводятся понятия ускорения а, массы тела mи силы F. 
Ускорением а характеризуется быстрота изменения скорости движения тела.  
Масса тела m – физическая величина, одна из основных характеристик материи, определяющая ее инерционные свойства (инертная масса) и гравитационные свойства (тяжелая или гравитационная масса).  
Сила F – это векторная величина, мера механического воздействии на тело со стороны других тел или полей, в результате которого тело приобретает ускорение, или изменяет свою форму и размеры. 
Второй закон Ньютона: ускорение, приобретаемое материальной точкой (телом), пропорционально вызывающей его силе и обратно пропорционально массе материальной точки (тела) 
а= F/m. 
Второй закон Ньютона справедлив только в инерциальных системах отсчета. Первый закон Ньютона можно получить из второго. Действительно, в случае равенства нулю равнодействующих сил (при отсутствии воздействия на тело со стороны других тел) ускорение также равно нулю. Однако первый закон Ньютона рассматривается как самостоятельный закон, а не как следствие второго закона, так как именно он утверждает существование инерциальных систем отсчета.  
Взаимодействие между материальными точками (телами) определяется третьим законом динамики – законом равенства действия и противодействия. 
Третий закон Ньютона: всякое действие материальных точек (тел) друг на друга носит характер взаимодействия; силы, с которыми действуют друг на друга материальные точки, всегда равны по модулю, противоположно направлены и действуют вдоль прямой, соединяющей эти точки: 
F12= –F21 , 
где F12 – сила, действующая на первую материальную точку со стороны второй;  
F21 – сила, действующая на вторую материальную точку со стороны первой.  
Эти силы приложены к разным материальным точкам (телам), всегда действуют парами и являются силами одной природы. Третий закон Ньютона позволяет осуществить переход от динамики отдельной материальной точки к динамике системы материальных точек, характеризующихся парным взаимодействием.

Задание 4. Укажите основные этапы создания учения об электромагнетизме.

Ответ: В XIX веке возникли теории электромагнетизма. До этого электрические и магнитные явления, хотя были известны давно, изучались обособленно друг от друга.  
Первое систематизированное описание магнитных и электрических явлений изложено в труде английского естествоиспытателя, придворного врача английской королевы У. Гильберта (1540–1603) "О магните, магнитных телах и великом магните Земле" (1600). В нем Гильберт изложил результаты проведенных им опытов. Вопреки распространенному мнению о том, что магнитная стрелка устанавливается в направлении какой-то точки на небесном своде, причиной ориентировки магнитной стрелки Гильберт считал земной магнетизм. Гильберт занимался также изучением электрических явлений, в частности, провел детальные исследования электризации тел трением. Сравнение электрических и магнитных свойств тел и установление факта о разной природе притяжения у янтаря и магнита привело Гильберта к ошибочному выводу, что электрические и магнитные явления не имеют между собой ничего общего. Электрические и магнитные явления были разделены на два класса и исследовались раздельно. Этот подход к изучению электрических и магнитных явлений оказал серьезное влияние на будущих исследователей и на всю историю электромагнетизма вплоть до конца XVIII в. 
Дальнейший ход развития науки показал, что между электричеством и магнетизмом существует глубокая взаимосвязь. В 1820 г. датский ученый Г. Эрстед (1777–1851) обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку, помещенную вблизи проводника с током.  
Явление, лежащее в основе открытия Эрстеда, было объяснено Ампером магнитным действием тока. Взаимодействия токов настолько отличались от прежде известных электрических явлений, что Ампер назвал эти новые явления электродинамическими и предложил разделение науки об электричестве на электростатику и электродинамику.  
Открытие Эрстеда повлекло за собой цикл экспериментальных работ М. Фарадея (1791–1867), разработавшего концепцию электромагнитного поля и теоретических работ Д.К. Максвелла (1831–1879), воплотивших эту концепцию в строгую теорию электромагнетизма, что с полным правом считается величайшим достижением научной мысли. 

Задание 5. Какие гипотезы и постулаты лежат в основе квантовой механики?

Ответ: Квантовая механика является областью физики, возникшей в связи с необходимостью разработки нового подхода к явлениям микромира, необъяснимым с позиций механики Ньютона.  
В основе квантовой механики лежат представления Планка, согласно которым излучение энергии веществом происходит малыми порциями –квантами с энергией, пропорциональной частоте испускаемого излучения, гипотеза де Бройля о волновых свойствах частиц вещества, соотношение неопределенностей Гейзенберга.  
В квантовой механике вводится понятие волновой функции Ψ(x,y,z,t), определяющей вероятность нахождения микрочастицы в данном месте пространства в данное время. Основным уравнением квантовой механики является уравнение Шредингера, определяющее вид функции Ψ(x,y,z,t). 
 
Задание 6. Укажите основные стехиометрические законы.

Ответ: В конце XVIII – начале XIX вв. были открыты стехиометрические законы (закон постоянства состава, закон кратных отношений, закон простых объемных отношений, закон Авогадро). Эти законы составили фундамент, на котором базируется современная химия. 
Французский химик Ж. Пруст (1754–1826) после тщательнейших экспериментов с рядом веществ установил закон постоянства состава – один из основных законов химии. 
Согласно закону постоянства состава, всякое чистое вещество, независимо от способов его получения и нахождения в природе, имеет постоянный качественный и количественный состав.  
Это означает, что все соединения содержат элементы в строго определенных весовых пропорциях, независимо от способа получения, Так, например, сернистый газ, полученный сжиганием серы, или действием кислот на сульфиты, или любым другим способом, всегда содержит одну весовую часть серы и одну весовую часть кислорода. 
Закон постоянства состава был теоретически обоснован в 1800–1810 гг. английским ученым Дж. Дальтоном (1766–1844), который на основе атомической гипотезы не только подтвердил этот закон, но и открыл новый закон – закон простых кратных отношений. 
Закон простых кратных отношений утверждает, что если два химических элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то весовые количества одного из элементов, приходящиеся в этих соединениях на одно и то же весовое количество другого элемента, относятся между собой как небольшие целые числа.  
Этот закон был установлен не на основе опытных данных, а был выведен из атомистических представлений, согласно которым предполагались целочисленные соотношения атомов в соединениях. 
Из закона простых кратных отношений следует, что атомы элементов соединяются в молекулы, причем молекулы содержат небольшое число атомов. Измерение весового содержания элементов позволяет, с одной стороны, определять молекулярные формулы соединений, а с другой стороны – находить относительные веса атомов. 
В 1808 г. французский ученый Ж. Л. Гей-Люссак (1778–1850) на основе изучения химических реакций газов открыл еще один фундаментальный закон химии – закон простых объемных отношений. 
Гей-Люссак изучал реакции между различными газами, но всегда отношения между объемами реагирующих газов и объемами полученных газообразных продуктов реакции выражались простыми целыми числами. Обобщением этих результатов и явился закон простых объемных отношений, согласно которому объемы вступающих в реакцию газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) относятся друг к другу как простые целые числа. 
Открытие великого итальянского химика А. Авогадро (1776–1856) подтвердило подлинный смысл закона объемных отношений. Он в 1811 г. предположил, что в равных объемах различных газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) содержится одинаковое число молекул. Эта гипотеза Авогадро, впоследствии названная законом, основывалась на молекулярных представлениях и означала, что все газы ведут себя в некотором смысле одинаково и что объем газа при заданных условиях не зависит от химической природы газа, а определяется только числом частиц.  
Большая заслуга Авогадро состоит в том, что он смог установить простую связь между наблюдаемой макроскопической величиной (объемом) и микроскопическими свойствами газообразных веществ (числом частиц).  
Закон Авогадро ввел в науку представление о молекулах как о мельчайших частицах вещества, причем, представление об атомах как о мельчайших частицах элемента сохранялось. Авогадро особенно подчеркивал, что молекулы простых веществ отнюдь не должны быть тождественны с атомами, а, напротив, они обычно состоят из нескольких атомов данного элемента.