Концепция современного естествознания Глава 1: Предмет естествознания
| Вид материала | Документы |
- Н. И. Константинова концепции современного естествознания учебное пособие, 2191.08kb.
- Экзаменационные вопросы по дисциплине «концепции современного естествознания» Структура, 33.61kb.
- В. М. Найдыш Концепции современного естествознания, 8133.34kb.
- Концепции Современного Естествознания, 274.86kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины концепции современного естествознания Специальность, 187.08kb.
- Программа курса «Концепции современного естествознания», 168.05kb.
- Концепции современного естествознания, 52.76kb.
- Концепции современного естествознания, 232.93kb.
- Программа дисциплины Концепции современного естествознания Специальность/направление, 456.85kb.
- И. А. Кудрова вопросы к зачету по дисциплине «Концепции современного естествознания», 29.77kb.
Концепция современного естествознания
Глава 1: Предмет естествознания.
§1: Естествознание.
Естествознание – совокупность наук о живой и неживой природе, взятых в их взаимосвязи как единое целое. Основу естествознания составляют физика, астрономия, химия, биология, медицина и информатика.
Концепция – система взглядов на что-нибудь, основная мысль. Дисциплина К.С.Е. представляет собой систему взглядов на окружающую нас природу, на вселенную в целом, на возникновение человека и его отношение к природе.
Существует три положения необходимости изучения К.С.Е.:
1 – Образование полагает, что человек понимает точное различие между знаниями, основанными на проверенных фактах и знаниями, основанными на догадках и верах.
2 – курс концепции обществознания изучает научную картину мира, способствует формированию мировоззрения человека. Существует три картины мира, формирующие мировоззрение:
1. Религиозная картина мира
2. Физическая картина мира, перерастающая в научную картину мира
3. метафизическая картина мира
Религиозная картина мира – догматическая картина мира (неизменная). В своё время она помогала людям объяснять явления природы и возникновение человека. В её основе лежит вера в существование Творца, который настолько всемогущ, что сумел создать весь материальный мир и человека.
Физическая картина мира – наиболее динамически развивающаяся картина мира. По мере открытия новых законов, рождения новых теорий, изменяется и сама картина мира. Имеет дело, как правило, только с неживой природой.
Научная картина мира включает в себя кроме неживой ещё и живую природу.
Метафизическая картина мира основана на идеях Аристотеля, суевериях, вере в возможность познания природы помимо органов чувств.
3 – Принято считать, что естествознание следует изучать как составную часть общечеловеческой культуры.
Чарльз Сноу выступил с лекцией «Две культуры и научная революция». Две культуры – культура научная (техническая) культура гуманитарная. Научная культура становится всё глубже и глубже, оттого человечество меньше времени уделяет гуманитарной науке, что вызывает всеобщее непонимание.
§2: Возникновение естествознания.
Часть историков науки полагают, что естествознание возникло в каменном веке, когда человек начал приобретать первые знания о природе и передавать эти знания другим людям.
Считается, что естествознание возникло вместе с целенаправленной практической деятельностью людей. Человек строит жильё, обрабатывает землю, разводит скот, создаёт оружие труда, а, соответственно, познаёт природу.
Познание естествознания возникло в 5-3 вв. до нашей эры в Древней Греции. В 5 вв. до нашей эры вместо мифологических мировоззрений приходят первые программы научных мировоззрений. Начинает развиваться математика. Греки первыми доказали теоремы. Естествознание – не только знание, но и знание с его доказательством. Греки удивительно точно предсказали движение планет.
Естествознание возникло в 12-14 вв. Это случилось в связи с отказом от долгого учения Аристотеля. Инициаторами выступили учёные Англии, которые считали, что в основе должны лежать на философские традиции, а опыт, рассуждение и наблюдение экспериментов.
Возникло в 16-17 вв. Это время, когда появились работы Кеплера, Галилея, Гюйгенса и Ньютона. Учёные объединяются в сообщества. В 1662 году возникло лондонское королевское сообщество. В1666 году была создана парижская академия наук, объединённая парижскими учёными. И лишь в 1755 была возведена российская академия наук. В конце 19 вв. занятие наукой становится профессией. Это произошло благодаря реформам образования В. Гумбольдта, по которым преподаватели были обязаны заниматься научными исследованиями. В результате этого изменилась экономика. На рынке появились товары, производство которых требует доступа к научным данным. Началось машиностроение, производство удобрений и взрывчатых веществ.
Глава 2: Методологические науки.
§1: Специфика научной деятельности.
Наука – специфическая деятельность людей, главной целью которой является получение новых знаний о реальности. Знания – главный продукт науки, но не единственный. К продуктам научной деятельности можно отнести и научный способ мышления, который используется в других областях. Занятие наукой является источником нравственных ценностей. Хотя наука ориентирована на получение новых знаний, наука и истина не тождественны. Истинное знание может быть получено не обязательно в результате целенаправленной научной деятельности, но и в результате любой другой области деятельности человека.
Наука не признаёт паронаучные концепции, а именно астрологию, парапсихологию, уфологию и т.п. Она основывается на фактах.
Критерии научного знания. Одним из важных критериев научного знания является его систематизированность. Специфика научной систематизации состоит в структуре. Элементами этой структуры являются факты, законы, теории, картины мира.
Характерно стремление и к полноте. Используются разные способы обоснования научного знания: имперические знания (обоснованы многократной экспериментальной проверкой и обращениями к среднестатистическим проверкам), теоретические знания (обосновываются проверкой их противоречиями и согласиями с экспериментальными фактами) и научные знания (предопределённые объективным ходом развития науки).
Методы научного познания различают два взаимосвязанных уровня научного познания: экспериментальный и теоретический. На первом происходит накопление научных фактов, на втором – обобщение имперических фактов, создание законов и теорий.
Основными методами являются наблюдение и эксперименты.
Наблюдения – это такой метод получения имперических знания, при котором наблюдатель не вмешивается в ход наблюдений явления.
Эксперимент – это такой метод получения имперических знаний, при котором исследователь активно влияет на изучаемое им явление, может изучать условие, при котором явление происходит.
Любое экспериментальное исследование не может быть проведено без предводительной теоретической проработки. Задача не сводится только к сбору экспериментальных фактов, необходимо их обобщить. В результате такого обобщения рождаются новые законы и теории. Ценность теории в том, что она обладает способностью предсказывать явления, ну а поскольку языком теория является математическим, то теория даёт количественные оценки, характерные для изучаемого явления. Всякая теория основана на фактах. Всякая теория должна проверяться экспериментами. Новые эксперименты позволяют определить точность теории и пределы её применимости. Появляются новые научные факты, которые вновь обобщаются теоретически и т.д.
Физическая картина мира. Предмет и задачи физики.
Физика – наука о природе. Физика изучает простейшие и, вместе с тем, самые общие закономерности в природе. Физики изучают свойства отдельных молекул, атомов. Физика – наука экспериментальная в том смысле, что в её основе лежат экспериментальные факты. Затем эти факты обобщаются теоретически и, в результате, рождаются новые законы и новые теории. Язык физики – математические и физические законы, представляющие собой количественные связи между величинами, определяющими определяющее явление. Любая теория носит приближённый характер. При построении теории учитываются наиболее существенные характеристики данного явления, а второстепенные характеристики отбрасываются. Принято считать, что в своём развитии физика прошла три этапа:
1 – классическая физика
2 – новая физика
3 – современная физика
Классическая физика:
Этап начался к концу 19 века, примерно к 1895 году. Тогда в основном были разработаны такие разделы физики, как: механика, термодинамика и оптика. Этот этап закончился в конце 19 века.
Новая физика:
Этап начался в конце 19 века и длился до конца третьего десятилетия 20 века. Это время ознаменовалось рядом выдающихся открытий. Например: в 1896 году было открыто явление радиоактивности, в 1897 году Томпсон открыл электрон, в 1905 году Эйнштейн выдвинул теорию относительности, которая кардинально изменила наши взгляды на пространство и время. Многочисленные попытки понять строение атомов привели к созданию квантовой физики.
Современная физика:
Этот этап начался с 30-х годов 20 века. Интенсивно развивается ядерная физика. Пример: открыто деление ядра. Появились физика атомных частиц и физика плазмы. Был изобретён мощный источник оптического излучения.
Структурно-масштабная лестница
Все известные материальные объекты представляют собой структуры различного масштаба. В зависимости от размеров их выстраивают в ряд: от самых больших до самых мелких. В результате получается иерархия материальных структур, которая называется структурно-масштабной лестницей. Все элементы структурно-масштабной лестницы можно разделить на 3 большие группы:
1 – Мегаструктуры. К ним относятся объекты космического масштаба.
2 – Макроструктуры. К ним относятся объекты соразмерные человеку.
3 – Микроструктуры. К ним относятся элементарные частицы, атомы, молекулы и некоторые надмолекулярные структуры.
Основные концепции классической механики.
Основатели: Галилей и Ньютон. Механика зародилась в 16-17 веке. Классическая механика изучает механическое движение макроскопических тел. Механическим движением называют изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени.
Пространство и время в классической механике.
Пространство – форма существования материальных объектов. Пространство характеризует структурность, протяжённость и взаимное расположение материальных объектов. Без материи не существует пространства. Но и материальные объекты не могут существовать вне пространства. Главные свойства пространства: протяжённость, единство прерывности и непрерывности. Наука, изучающая пространство называется геометрия. Геометрия возникла как наука об измерении расстояний, площадей и объёмов. Она базируется на 5 постулатах. Для нас наиболее интересен пятый:
В эвклидовой геометрии: Через любую точку, находящуюся вне прямой, можно провести одну и только одну прямую, параллельную данной прямой
В геометрии Лобачевского: Через любую точку, находящуюся вне прямой, можно провести бесконечное количество прямых, параллельных данной прямой.
В сферической геометрии Римана: Через любую точку, находящуюся вне прямой, нельзя провести ни одной прямой, параллельной данной прямой.
Геометрия Римана основывается на том, что прямая – линия, соединяющая 2 полюса на сфере.
Время, как и пространство – форма существования материи. Время характеризует последовательность смены явлений, состояний материй и длительность их бытия. Время, как и пространство, неотделимо от материи. Универсальные свойства у времени – это длительность, неповторимость и необратимость.
Для отсчёта времени люди придумали календарь. Любой календарь строится на основе сопоставления длительности вращения Земли вокруг собственной оси и длительности её обращения вокруг Солнца.
Первый научно обоснованный календарь был предложен в первом веке до нашей эры в Риме. Назван он был Юлианским, в честь Юлия Цезаря. В нём было 365,25 суток.
К 14 веку сложилась ситуация, когда время, рассчитанное по календарю, отставало на 12 суток. В связи с этим был придуман новый календарь, Григорианский, в честь отца Григория.
Существует всемирная система единого времени. Эталоном времени являются атомно-цезиевые часы.
Система отсчёта.
1 – изменение положения тела относительно других тел. Точка отсчёта – такое тело, которое условно считается неподвижным и относительно которого фиксируется положение других тел. Тело отсчёта выбирается произвольно.
2 – изменение положения тела относительно системы координат. Система координат состоит из абсциссы ординаты и аппликаты.
3 – часы
Эти 3 элемента и составляют систему отсчёта. Очень важно выбрать правильную систему отсчёта.
Кинематические характеристики механического движения.
Кинематика – раздел механики, изучающий механическое движение, не рассматривая причины, вызывающие движение.
Путь – длина траектории от начального положения тела до конечного.
Перемещение – вектор, направленный от начального положения материальной точки к конечному.
Скорость – векторная величина, характеризующая быстроту перемещения тела.
Основные законы динамики.
Динамика – раздел механики, изучающий механическое движение, учитывая причины, вызывающие это движение.
Тело называют свободным, если оно не взаимодействует не с какими другими телами. Существуют такие системы отсчёта, относительно которых любое свободное тело движется с постоянной скоростью, то есть, равномерно и прямолинейно. Такие системы отсчёта называют инерциальной (И.С.О). Система отсчёта будет инерциальной, если телом отсчёта будет свободное тело. В действительности инерциальных систем отсчёта не существует, но при этом мы можем строить такие системы отсчёта, которые соответствуют инерциальным.
Первый закон динамики (Закон инерции).
Тело, не взаимодействует с другими телами или, при взаимодействии, компенсация этих взаимодействий относительно инерциальной системы отсчёта движется равномерно и прямолинейно
Второй закон динамики.
Сила – физическая, векторная величина, характеризующая действие на данное тело других тел. Чтобы задать силу, нужно задать её величину. На тело одновременно действует несколько сил, от этого введено равноденствие приложенных сил. Равнодействующая – гипотетическая сила, которая оказывает на тело такое же действие, как все приложенные силы вместе взятые. Всякое тело обладает свойством инертности. Это способность изменять своё состояние не мгновенно, а в течение какого-либо времени.
Физическая величина, характеризующая свойство инертности тела, называется массой этого тела. Ньютон полагал, что масса не зависит от состояния тела и от силы, приложенной к этому телу. Он рассматривал массу как количество вещества. На самом деле масса зависит от состояния тела.
Ускорение, которое приобретает тело, под действием приложенной силы, прямо пропорционально этой силе и обратно пропорционально инертной массе этого тела.
Третий закон динамики:
Тела взаимодействуют между собой с силами, равными по величине и противоположными по направлению. На второе тело со стороны первого также действует сила, равная по модулю и противоположная по значению силе, действующей со стороны второго тела на первое.
§2: Силы в природе.
Если исходить из физического механизма возникновения сил, то все, существующие в природе силы можно разделить на четыре группы:
1 – гравитационные взаимодействия
2 – слабые взаимодействия
3 – электромагнитные взаимодействия
4 – сильные (ядерные) взаимодействия
Эти группы в свою очередь являются фундаментальными (основными) взаимодействиями.
1 – Гравитационные взаимодействия характеризуют силы притяжения между всеми телами, обладающими какой-то массой. Их называют дальнодействующими, поскольку они проявляются на любых расстояниях между взаимодействующими объектами.
2 – Слабые взаимодействия характерны только для элементарных частиц. Они появляются в процессах взаимопревращения между элементарными частицами. Являются короткодействующими. Проявляются на очень малых расстояниях.
3 – Электромагнитные взаимодействия – взаимодействия между электрическими зарядами. Существуют на любых расстояниях.
4 – Сильные взаимодействия – взаимодействия между тяжёлыми элементарными частицами, входящих в состав атомного ядра. Взаимодействия короткодействующие.
| Взаимодействия | Источник взаимодействий | Радиус действий | Относительность интенсивного взаимодействия |
| Гравитационные | Масса | Дальнодействующие | 10-38 |
| Слабые | Элементарные частицы | 10-16 м | 10-15 |
| Электромагнитные | Электричество | Дальнодействующие | 10-2 |
| Ядерные (сильные) | Нуклоны | 10-15 м | 1 |
Протоны + Нейтроны = Нуклоны
В классической механике рассматриваются только дальнодействующие взаимодействия. Короткодействующие взаимодействия применяются на таких расстояниях, на которых законы классической механики не работают. Для них специально существует квантовая механика.
Проявления электромагнитных взаимодействий настолько многообразны, что описать их единым образом не возможно.
Закон всемирного тяготения: Все тела притягиваются друг к другу силой как прямо пропорционально произведению масс взаимодействий, так и обратно пропорциональной квадрату расстояния межу ними.
F = G m1 m2
r2
F12 = -F21
На основе закона всемирного тяготения удаётся предсказать всемирное строение, движение планет на несколько десятилетий вперёд. Этот закон позволил открыть новые планеты. Также он помогает понять, что такое сила тяжести.
Сила тяжести.
Земля – шар. Радиус – R. Масса – M. m– масса маленького тела около Земли.
F = G M m
R2
G – ускорение свободного падения.
Величина ускорения свободного падения зависит от географического положения. Чем больше масса тела, тем меньше ускорения оно получает.
A = F
m
Массой тела называют физическую величину, характеризующую его инертные и гравитационные свойства. Силой тяжести называют силу, с которой Земля притягивает другие тела.
По третьему закону Ньютона, если натяжение нити действует на тело, то и тело действует на нить, растягивая её.
P = -T
P = -N
Вес тела – сила, с которой тело растягивает подвес или давит на опору.
ma = mg + N
a = 0, то тело не подвижно, следовательно, вес тела равен силе тяжести. p=mg
- a¯g P = m(g + a)
Чем больше ускорение тела, тем больше вес тела.
a = (5-7) g - катапульта
a = (10-12) g полёт в космос
a = g p=0 невесомость
Законы сохранения:
Замкнутое механическое движение.
Любое макроскопическое тело – механическая система. Тела механической системы могут двигаться относительно друг друга, взаимодействуя между собой и с внешней средой. Различают два типа сил: внутренняя и внешняя.
Внутренние силы – это те силы, с которыми тела системы взаимодействуют между собой.
Внешние силы – силы взаимодействия тел, входящих в систему с внешней средой.
В механике особый интерес представляют замкнутые системы, то есть такие системы, в которых нет внешних сил.
В природе замкнутых систем не существует. Существуют только такие физические величины, которые в замкнутых системах не изменяются с течением времени. Такие величины называются инвариантными (интегралами движения).
Законы, описывающие инвариантность движения называются законами сохранения. Есть четыре инвариантных движения: m механической системы, импульс механической системы, момент импульса механической системы, полная механическая энергия системы. По ним существуют четыре закона: закон сохранения m механической системы, закон сохранения импульса механической системы, закон сохранения момента импульса механической системы, закон сохранения полной механической энергии системы.
Масса замкнутой системы тел при любых условиях между телами не изменяется с течением времени.
Закон сохранения импульса:
ma = F
V0 (Dt) ÞV
a = V – V0
Dt
mV – mV0 = FDt
p = mV
Полный импульс замкнутой системы тел не изменяется с течением времени при любых взаимодействиях между телами.
Если тело замкнуто, то суммарный импульс остаётся тем же самым.
P
= 0P’ = 0
Pp + Pг = 0
Pp = - Pг
Работа и энергия
A = F S cosa
[A] = 1(Дж.)
Если система тел или тело могут совершить работу, то говорят, что они обладают энергией, поэтому энергия – это физическая величина, характеризующая работу, которую способно совершить тело в данных условиях. Совершая механическую работу, тело изменяет своё состояние. Механика изучает два типа энергии:
1 – кинетическая энергия (энергия движения тела)
2 – потенциальная энергия (энергия покоя)
Ek = mV2
2
Кинетическая энергия численно равна работе, которую необходимо совершить, чтобы разогнать тело из состояния покоя до некоторой скорости V.
Ek1 = mV12
2
Ek2 = mV22
2
A = Ek2 - Ek1
Эта теорема справедлива для любых сил и для любых систем отсчёта.
Eп – энергия, которая определяется взаимным расположением тел.
A = AAC ( = 0) + ACB = ACB
A = - mg (h2-h1) = - (mgh2-mgh1)
Eп = mgh
Работа силы тяжести не зависит от формы траектории движения тела, а зависит только от конечного и начального положения этого тела. Силы, работа которых не зависит от траектории движения тела, а полностью определяется начальным и конечным положением этого тела, называются консервативными.
Работа консервативной силы всегда равна разности между конечным и начальным значениями потенциальной энергии, взятой с противоположным знаком.
A = - (Eп2 – Eп1)
Полная механическая энергия замкнутой системы тел, в которой действуют только консервативные силы, не изменяется с течением времени. Механические системы, в которых действуют только консервативные силы, называются консервативными, в противном случае система называется диссипативной (от латинского Dissipation – рассеивание).
E = 0
E = Aд (диссипативная) + Aв (внутренняя)
§3: Принцип относительности Галилея.
Рассмотрим две инерциальные системы отсчёта: K и K’, причём система K’ движется относительно системы K с постоянной скоростью V0.
За начало отсчёта времени выберем момент, когда начала координат o и o’ совпадают.
x = x’ +V0t
y = y’, z = z’, t = t’
Преобразование Галилеем координат времени при переходе от одной инерциальной системы к отсчёта к другой:
Пусть объём материальной точки равен V. V’ – объём этой же материальной точки относительно K’. Из преобразований Галилея мы видим:
V = V’ + V0
Правило сложения скоростей по Галилею:
a = a’
F = ma
F’ = ma’
Уравнения динамики имеют один и тот же вид в различных инерционных системах отсчёта. Уравнения классической механики инвариантны к любой системе отсчёта. Физически это обозначает, что в любой инерциальной системе отсчёта характеристика механического движения будет одной и той же. Все механические явления в различных инерциальных системах отсчёта протекают одинаковым образом, вследствие чего ни какими техническими опытами не возможно установить: покоится данная система отсчёта или движется равномерно и прямолинейно.