Казанский федеральный университет институт физики кафедра вычислительной физики и моделирования физических процессовВ. М. Бердникова
 Скачать 1.21 Mb.
|
|
КАЗАНСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ Кафедра вычислительной физики и моделирования физических процессов В.М. БЕРДНИКОВА КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ Конспект лекций Казань – 2014 brought to you by CORE View metadata, citation and similar papers at core.ac.uk provided by Kazan Federal University Digital Repository Концепции современного естествознания Институт физики, кафедра вычислительной физики и моделирования физических процессов Направления подготовки: 050700.62 «Специальное (дефектологическое) образование»: Специальная психология, Логопедия (бакалавриат, 3 курс, очное обучение); 050100.62 «Педагогическое образование»: Физика и информатика (бакалавриат, 3 курс, очное обучение), Хореографическое искусство, Изобразительное искусство и иностранный (английский) язык (бакалавриат, 3 курс, очное обучение), Иностранный (английский) язык и второй иностранный язык, Иностранный (немецкий) язык и второй иностранный (английский) язык, Иностранный (французский) язык (бакалавриат, 3 курс, очное обучение), Литература и иностранный (английский) язык, Русский язык и иностранный (английский) язык (бакалавриат, 2 курс, очное обучение) Дисциплины: «Концепции современного естествознания» «Естественнонаучная картина мира» Количество часов: 72 ч. (в том числе: лекции – 18, практические занятия – 18, самостоятельная работа – 36), форма контроля: зачет. Аннотация: Общеобразовательные дисциплины «Концепции современного естествознания» и «Естественнонаучная картина мира» включены в основную образовательную программу самых разных направлений подготовки. Поэтому мною был подготовлен курс, раскрывающий базовую часть содержания данных дисциплин, являющуюся единой для всех направлений подготовки, в которых на изучение этих дисциплин выделяется одинаковое количество часов. Вариативная часть содержания дисциплин, зависящая от направления подготовки, реализуется во время аудиторной работы со студентами и учитывается в самостоятельной работе студентов. В целом курс призван познакомить студента с историей становления и развития естествознания, методами и этикой естественнонаучных исследований и современными достижениями в области естественных наук. Темы: 1. Введение в курс КСЕ. 2. Модуль № 1 "Естествознание и научное познание. Пространство, время, симметрия. Системная организация материи." 3. Модуль № 2 "Порядок и беспорядок в природе. Эволюционное естествознание." 4. Модуль № 3 " Панорама современного естествознания. Биосфера и человек." Ключевые слова: научный метод, история развития естествознания, пространство, время, симметрия, специальная теория относительности, общая теория относительности, квантовая механика, ядро атома, радиоактивность, элементарные частицы, виртуальные частицы, фундаментальные взаимодействия, космология, космогония, химическая кинетика, энтропия, синергетика, законы Менделя, теория эволюции, кодон, абиогенез, автотрофы, биогеоценоз, антропогенез, экосистемы, глобальный экологический кризис. Автор курса: Бердникова Венера Мингазовна, ассистент кафедры вычислительной физики и МФП, тел.:(843) 2-33-77-37, email: zvm84@mail.ru Дата начала эксплуатации: 1 октября 2014 года Доступность: записанные на курс пользователи Язык интерфейса: русский URL: http://tulpar.kfu.ru/course/view.php?id=1745 © Казанский Федеральный университет, 2014 © Бердникова В.М., 2014 Оглавление Введение в курс КСЕ Модуль № 1 "Естествознание и научное познание. Пространство, время, симметрия. Системная организация материи." Лекция № 1 " История развития естествознания"....................................5-16 Лекция № 2" Пространство и время. Специальная и общая теории относительности".......................................................................................16-25 Лекция № 3 "Мегамир"..............................................................................25-36 Лекция № 4 "Микромир"...........................................................................36-44 Модуль № 2 "Порядок и беспорядок в природе. Панорама современного естествознания." Лекция № 5 "Синергетика".......................................................................44-49 Лекция № 6 "Космогония"........................................................................49-56 Лекция № 7 "Космология"........................................................................56-60 Модуль № 3 "Панорама современного естествознания. Биосфера и человек." Лекция № 8 " Происхождение жизни".....................................................60-66 Лекция № 9 "Антропогенез".....................................................................66-71 Глоссарий по курсу....................................................................................71-78 Список литературы....................................................................................78-79 Перечень вопросов к зачёту......................................................................79-80 4 Модуль №1 Лекция №1 История развития естествознания Аннотация. Данная тема освещает историю зарождения и развития естествознания. Ключевые слова: натурфилософия, атомизм Демокрита, гелиоцентризм, естественнонаучная картина мира, научная революция, эволюционизм. Методические рекомендации по изучению темы: Следует внимательно ознакомиться с материалом лекции, после чего необходимо выполнить закрепление материала, отвечая на предлагаемые вопросы для самопроверки. Для каждой темы приведён список литературы, который поможет вам при необходимости более детально изучить данную тему. Глоссарий по теме лекции №1: Атомизм -атомное учение, атомистика, учение о прерывистом, дискретном (зернистом) строении материи. Атомизим утверждает, что материя состоит из отдельных чрезвычайно малых частиц атомов; которые до конца 19 в. считались неделимыми. Большой адронный коллайдер - ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для ускорения и разбивания на больших скоростях адронов (тяжёлых частиц) и прочих высокоэнергетических частиц. Геномика - раздел молекулярной генетики, изучающий структуру и функционирование генома различных организмов с помощью биол., физ.-хим. и компьютерных методов. Гелиоцентрическая система мира - учение, согласно которому Земля, как и другие планеты, обращается вокруг Солнца и, кроме того, вращается вокруг своей оси. Геоцентрическая система мира -существовавшее в древности представление, согласно которому Земля неподвижно покоится в центре мира, а все небесные светила движутся вокруг неё. Классическая механика -вид механики (раздела физики, изучающего законы изменения положений тел в пространстве со временем и причины, его вызывающие), основанный на законах Ньютона и принципе относительности Галилея. Предметом изучения является движение макроскопических материальных тел, совершаемое со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света. Корпускулярно-волновой дуализм -принцип , согласно которому любой физический объект может быть описан как с использованием математического аппарата, основанного на волновых уравнениях , так и с помощью формализма, основанного на представлении об объекте как частице или системе частиц. Натурфилософия - философия природы, умозрительное истолкование природы, рассматриваемой в её целостности. Научная революция - радикальное изменение процесса и содержания научного познания, связанное с переходом к новым теоретическим и 5 методологическим предпосылкам, к новой системе фундаментальных понятий и методов, к новой научной картине мира, а также с качественными преобразованиями материальных средств наблюдения и экспериментирования, с новыми способами оценки и интерпретации эмпирических данных, с новыми идеалами объяснения, обоснованности и организации знания. Релятивистская механика - раздел физики , рассматривающий законы механики (законы движения тел и частиц) при скоростях, сравнимых со скоростью света . При скоростях значительно меньших скорости света переходит в классическую (ньютоновскую) механику Рекомендуемые источники литературы: 1. Нефедьев Ю.А. Естественнонаучная картина мира. Часть 1.: [электронный ресурс] // В.С. Боровских, А.И. Галеев, С.А. Дёмин, О.Ю. Панищев, А.Р. Камалеева, В.М. Бердникова. Казань, 2012. URL: http://www.kpfu.ru/docs/F2109597418/%CA%D1%C5_1.pdf; 2. http://www.2fj.ru; 3. http://www.ihst.ru; 4. http://www.e-biblio.ru/xbook/new/xbook334/book/part-003/page.htm; 5. http://studentu-vuza.ru; 6. http://estestvoznanie.slovaronline.com; 7. http://poiskknig.ru; 8. http://elementy.ru; 9. http://dic.academic.ru; 10.http://ru.wikipedia.org. 1. Естествознание эпохи античности Впервые наука в истории человечества возникла в VI в. до н.э. в Древней Греции. Древнегреческие мыслители были одновременно философами и учеными-естествоиспытателями. Философия считалась "царицей наук", вместилищем всех знаний об окружающем мире, естественные науки – ее составные части. Первой в истории человечества формой естествознания была натурфилософия (от лат. natura - природа), или философия природы. В натурфилософии господствовала идея о некоторых исходных первоначалах, лежащих в основе мироздания. К таким первоначалам относили либо 4 "стихии" - воду, землю, воздух, огонь, либо какое-то мифическое первовещество. Таким первовеществом был "апейрон" (в переводе "беспредельное", неопределенное), придуманное натурфилософом Анаксимандром. "Апейрон" представлял собой туманную массу, постоянно вращающуюся, из которой, в конце концов, произошло все многообразие мира. На смену подобным представлениям приходит атомистическое учение о природе. Выдающимся представителем атомизма был Демокрит. Основные положения его учения: вся Вселенная состоит из атомов и незаполненного пространства пустоты, в которой помещаются атомы; 6 атомы вечны, поэтому вся Вселенная существует вечно;- атомы – мельчайшие, абсолютно неделимые частицы – "кирпичики мироздания"; атомы находятся в постоянном движении; атомы различаются по форме и по величине; все предметы материального мира образуются из атомов различных форм и различного порядка их сочетаний; во Вселенной бесчисленное множество миров; новые тела и миры возникают от сложения атомов, уничтожаются от разложения на атомы. Одним из величайших ученых и философов античности был Аристотель – математик, физик, биолог и астроном. Аристотель – автор космологического учения, согласно которому Земля, имеющая форму шара, неподвижно пребывает в центре Вселенной. Шаровидность Земли Аристотель выводит из наблюдений, сделанных во время лунных затмений. Он разделял мир на две области: Земли и Неба. Область Земли имеет в своей основе 4 элемента: землю, воду, огонь и воздух. Область Неба имеет в своей основе пятый элемент – эфир, из которого состоят небесные тела, самые совершенные из них неподвижные звезды. Геоцентрическая космология Аристотеля была впоследствии математически оформлена и обоснована Клавдием Птолемеем (90-168 гг н.э.). Он занимался географией, математикой, астрономией. Он создал первую математическую теорию, описывающую движение Солнца, Луны и пяти известных тогда планет. Схема мироздания, согласно Птолемею такова : в центре Вселенной – неподвижная Земля, затем Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер и Сатурн. Объясняя данный порядок планет, Птолемей исходил и предположения, что чем быстрее движется планета, тем ближе к Земле она расположена. Древнегреческая натурфилософия прославилась вкладом ее представителей в формирование и развитие математики. Это - прежде всего Пифагор. К числу его достижений относится всем известная "теорема Пифагора", введение понятия иррациональности. Одним из крупнейших математиков был Эвклид, живший в III веке до н.э. в Александрии. В своем объемистом труде " Начала" он привел в систему все математические достижения того времени Созданный Эвклидом метод аксиом, позволил ему построить здание геометрии, носящей по сей день его имя. Первоклассным ученым математиком и механиком был Архимед (287-218 гг. до н.э.). Он решил ряд задач по вычислению площадей поверхностей и объемов, определил значение числа (отношение длины окружности к диаметру). Архимед ввел понятие центра тяжести и разработал методы его определения для различных тел, дал математический вывод законов рычага. Ему приписывают "крылатое" выражение : " Дайте мне точку опоры, и я сдвину Землю". 7 Широчайшую известность получил закон Архимеда, касающийся плавучести тел. Он положил начало гидростатики, которая нашла применение при проверке изделий из драгоценных металлов и определении грузоподъемности кораблей. Ему принадлежат многочисленные изобретения : так называемый "архимедов винт" (устройство для подъема воды на более высокий уровень), системы рычагов, блоков, полиспастов, винтов для поднятия больших тяжестей, военные метательные машины, изготовленные для обороны родного города Архимеда – Сиракузы. Архимед был одним из последних представителей естествознания Древней Греции. К сожалению его научное наследие долго не получало той оценки, которой оно заслуживало. Лишь спустя более полутора тысяч лет, в эпоху Возрождения, труды Архимеда были оценены по достоинству и получили дальнейшее развитие. 2. Естествознание эпохи средневековья Эпоха средних веков характеризовалась в Европе закатом классической греко-римской культуры и резким усилением влияния церкви на всю духовную жизнь общества. В эту пору философия тесно сближается с теологией (богословием), фактически становится ее "служанкой". Возникает непреодолимое противоречие между наукой, делающей выводы из результатов наблюдения опытов, и схоластическим богословием, для которого истина заключается в религиозных догмах. Пока европейская христианская наука переживала период упадка ( вплоть до XII-XIII вв.) на Востоке, наоборот, наблюдался прогресс науки. В IX веке наряду с трудами Птолемея на арабский язык переведены "Начала" Евклида, сочинения Аристотеля. Т.о. древнегреческая научная мысль получила известность в мусульманском мире, способствуя развитию математике и астрономии. В истории науки широко известны имена арабских ученых Мухаммед аль Баттни (850-929гг)- астроном, составивший новые астрономические таблицы, Ибн-Юнос (950-1009гг.), достигший успехов в тригонометрии и в изучении лунных и солнечных затмений, Ибн-аль Хайсам (965-1020гг), получивший известность своими работами в области оптики, Ибн- Рушд(1126-1198гг), философ и естествоиспытатель, считавший Аристотеля своим учителем . Средневековой арабской науке принадлежат и наибольшие успехи в области химии. В XI в. страны Европы пришли в соприкосновение с богатствами арабской цивилизации, переводы арабских текстов стимулировали восприятие знаний Востока европейскими народами. Большую роль в подъеме западной христианской науки сыграли университеты (Пражский, Болонский, Оксфордский и др.), которые стали образовываться, начиная с XII века. XIII в. характерен для европейской науки началом эксперимента и дальнейшей разработкой статики Архимеда. Группа ученых Парижского университета во главе с Иорданом Неморарием развили античное учение о 8 равновесии механических устройств. В XIV в. группа ученых Оксфордского университета под руководством Томаса Брадвардина (1290-1349гг.) написали трактат "О пропорциях"(1328г). На протяжении многовековой, довольно мрачной эпохи Средневековья, интерес к познанию явлений окружающего мира не угасал и процесс поиска истины продолжался. Естествознание- в его нынешнем понимании- еще не сформировалось. Оно находилось в стадии своебразной " преднауки". 3. Естествознание эпохи возрождения и нового времени Начиная с XVI в. характер научного прогресса существенно меняется. В развитии науки появляются переломные этапы, кризисы, выход на качественно новый уровень знаний, радикально меняющий прежнее видение мира. Эти переломные этапы в генезисе научных знаний получили название научных революций. Глобальная научная революция приводит к формированию совершенно нового видения мира, вызывает появление принципиально новых представлений о его структуре и функционировании, а также влечет за собой новые способы познания. Первая научная революция произошла в период конца XV-XVI вв, ознаменовавший переход от Средневековья к Новому Времени и получившей название Возрождение. Эпоха Возрождения характеризовалась возрождением культурных ценностей античности, утверждением идей гуманизма, прогрессом науки и радикальным изменением миропонимания. В первую очередь нужно назвать имя великого польского астронома Николая Коперника (1473-1543гг), который в своем труде "Об обращениях небесных сфер" утверждал, что Земля не является центром мироздания. На основе большого числа астрономических наблюдений и расчетов Коперник создал новую гелиоцентрическую систему мира. Одним из активных сторонников учения Коперника был знаменитый итальянский мыслитель Джордано Бруно (1548-1600), который пошел дальше Коперника, отрицая наличие центра Вселенной и отстаивая тезис о ее бесконечности. Бруно говорил о существовании множества тел подобных Солнцу. Трагическая гибель Бруно произошла на рубеже 2-х эпох : эпохи Возрождения и Нового Времени(XVII, XVIII, XIXвв). В этом периоде особую роль сыграл XVII век, ознаменовавшийся рождением современной науки, у истоков которой стояли такие ученые как Галилей, Кеплер, Ньютон. В учение Галлилео Галилея(1564-1642) были заложены основы нового механического естествознания. Галилей сформулировал принцип инерции, исследовал свободное падение тел, обнаружил весомость воздуха, внес немалый вклад в разработку учения о сопротивлении материалов. Росту научного авторитета Галилея способствовали его астрономические исследования. Используя построенный им телескоп, Галилей установил, что Солнце вращается вокруг своей оси, а на его поверхности есть пятна. Он открыл 4 спутника у Юпитера, гористую поверхность Луны и то, что Млечный 9 Путь состоит из множества звезд. Он отстаивал справедливость учения Коперника. Однако ему пришлось предстать перед судом инквизиции, и он вынужден был отречься от учения Коперника. Однако прервать преемственность научной мысли было уже невозможно. Высокую оценку исследованиям Галилея дал один из крупнейших математиков и астрономов конца XVI – I трети XVII вв. Иоган Кеплер (1571-1630), который занимался законами небесной механики и составлением звездных таблиц. Он установил 3 закона движения планет относительно Солнца: планеты движутся по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце; скорость движения планет по орбите непостоянна, она тем больше, чем ближе планета к Солнцу; квадрат времени обращения планет вокруг Солнца относятся как куб среднего расстояния от него. Кеплер разработал теорию солнечных и лунных затмений, уточнил величину расстояния между Землей и Солнцем, составил астрономические таблицы, по которым можно было определить положение планет в любой момент времени. В 40-х годах XVII века французский ученый Рене Декарт (1596-1650) создал основы аналитической геометрии, ввел оси координат, сформулировал понятия переменной величины. Вторая научная революция завершалась творчеством одного из величайших ученых в истории человечества Исаака Ньютона (1643-1727). Ньютон сформулировал три закона движения, которые легли в основу механики как науки; закон всемирного тяготения. Закон всемирного тяготения – это универсальный закон, которому подчинялось все малое и большое, небесное и земное. Этот закон явился основой создания небесной механики – науки, изучающей движение тел Солнечной системы. В 1687г. вышел в свет главный труд Ньютона "Математические начала натуральной философии", заложившей основы современной теоретической физики. Эту работу высоко оценили не только ученые – современники, но и последующих веков. Программа, которую предложил Ньютон, стала ведущей для ученого мира всех стран, он подчеркивал решающее значение опыта, эксперимента в изучении природы. Естествознание XVII века характеризовалось не только революционными достижениями в космологии и механики, но и в химической науке. Прежде всего, заслуживает внимание открытие "газового закона" Робертом Бойлем (1627-1691)- английского физика и химика. Этот же закон не зависимо от него установил французский медик Эд. Мариотт (1620-1684), в историю науки закон вошел под названием закон Бойля-Мариотта. Р.Бойль одним из первых получил и описал водород, фосфор, сформулировал отличительные признаки кислот. Он изложил основы 10 корпускулярной теории, ввел понятие химического элемента, положил начало преобразованию химии в самостоятельную науку. В области биологии следует отметить труды известного шведского ученого – натуралиста Карла Линнея (1707-1778). В своем основном труде "Система природы" он сформулировал классификацию живой природы, разделив ее на классы, отряды, рода, виды и вариации. Линней ввел бинарную систему обозначения растений и животных – одно родовое, второе – видовое, например Homo sapiens – человек разумный. Однако Линней считал виды растений и животных абсолютно неизменными. В I половине XIX века происходила появилось эволюционное учение французского естествоиспытателя Жана Батиста Ламарка (1744-1829). В своей работе "Философия зоологии" (1809) Ламарк видел, в изменяющихся условиях окружающей среды движущую силу эволюции органического мира, согласно ему изменения в окружающей среде ведут к изменению жизнедеятельности животных, в результате появляются изменения в организме, которые передаются по наследству. Однако взгляды Ламарка не получили должного обоснования. Геологический эволюционизм оказал влияние на дальнейшее совершенствование эволюционного учения в биологии. Это, прежде всего, знаменитая книга Чарлза Роберта Дарвина (1809-1882) " Происхождение видов в результате естественного отбора", в которой объяснены причины биологической революции. Важной в учении Дарвина является теория естественного отбора. Достижения в области химии. Немецкий химик Фридрих Велер (1800- 1882) положил начало синтезу органических соединений из исходных неорганических. Но самым эпохальным событием в химии стало открытие периодического закона химических элементов, которое сделал русский ученый – химик Менделеев Д.И. (1834-1907), который установил зависимость свойств элементов от их атомных весов. Третья научная революция, наряду с диалектизацией естествознания, явившейся ее сутью, включала и начавшийся в конце XVIII века процесс очищения науки от натурфилософских понятий и представлений. 4. |