Концепции современного естествознания Учебно-методическое пособие

Скачать 300.59 Kb.

Название	Концепции современного естествознания Учебно-методическое пособие
страница	2/3
Дата публикации	07.01.2015
Размер	300.59 Kb.
Тип	Учебно-методическое пособие

100-bal.ru > Культура > Учебно-методическое пособие

1 2 3

V. Структурные уровни организации материи

Важнейшими атрибутами (существенными свойствами) материи являются структурность и системность. Они выражают упорядоченность существования материи и конкретные формы, в которых она проявляется. В неживой природе выделяют следующие структурные уровни организации материи:

вакуум (поля с минимальной энергией);
поля и элементарные частицы;
атомы;
молекулы;
макроскопические тела;
планеты и планетные системы;
звезды и звездные системы;
галактики;
Метагалактика;
Вселенная.

Традиционно эти уровни сводят к трем основным уровням:

микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10^-8 до 10^-16 см, а время жизни от бесконечности до 10^-24 секунды;
макромир – мир макрообъектов, соизмеримых с человеком и его опытом;
мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется астрономическими единицами, световыми годами и парсеками, а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет.

Рационалистическое мировоззрение предполагает, что любое событие имеет причину и эта причина материальна. Поэтому любая программа объяснения окружающего мира включает в себя представление о механизме взаимодействия материальных объектов. Исторически сложилось два подхода:

Концепция дальнодействия предполагает, что взаимодействие материальных тел не требует материального посредника и может передаваться мгновенно. Например, в рамках механической картины мира подобным образом объяснялись электрические и магнитные явления.
Концепция близкодействия предполагает, что взаимодействие возможно только при непосредственном контакте взаимодействующих объектов, а любое действие на расстоянии должно происходить через материальных посредников. Хотя эта концепция берет свое начало от Аристотеля, всеобщее признание она получила после формирования электродинамики (Максвелл, Фарадей), прежде всего благодаря введению понятия «поля».

Так как возмущение поля (волна) может одновременно рассматриваться как совокупность частиц (квантов поля), то взаимодействие, переносимое полем, можно представлять как процесс обмена квантами поля между взаимодействующими телами. Кванты, которыми обмениваются взаимодействующие тела, представляют собой виртуальные частицы, т.е. в отличие от реальных частиц, обнаружить их во время существования невозможно.

Известны четыре основных физических взаимодействия, определяющих структуру всего окружающего мира:

сильные взаимодействия происходят на уровне атомных ядер и представляют собой взаимное притяжение их составных частей, действующее на расстоянии 10^-13 см;
электромагнитное взаимодействие в 100 – 1000 раз слабее сильного, но значительно более дальнодействующее. При нем происходит испускание о поглощение фотонов;
слабые взаимодействия слабее электромагнитного, но сильнее гравитационного. За счет слабого взаимодействия светит солнце. При слабых взаимодействиях меняется заряд частиц;
гравитационные взаимодействия. Самое слабое из всех известных. Например, оно слабее силы взаимодействия электрических зарядов в 10⁴⁰ раз. Однако эта сила определяет строение всей Вселенной: образование всех космических систем, существование планет, звезд, галактик, их циклы развития.

В рамках микромира выделяют следующие классы элементарных частиц. В зависимости от массы покоя:

не имеющие массу покоя. Фотоны, движущиеся со скоростью света;
лептоны – легкие частицы. К ним относятся электрон и нейтрино;
мезоны – средние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона;
барионы – тяжелые частицы с массой более тысячи масс электрона. К ним относятся протоны, нейтроны, гипероны.

В зависимости от заряда могут быть отрицательными, положительными либо нулевыми. Должны существовать также частицы с дробным электрическим зарядом – кварки.

В зависимости от времени существования выделяют стабильные частицы – фотон, электрон, протон, нейтрино. Все остальные нестабильные, они существуют 10^-10 – 10^-24 с. Самые короткоживущие частицы называются резонансами.

В зависимости от типа взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, они подразделяются:

на лептоны, участвующие в электромагнитном и слабом взаимодействиях;
адроны, участвующие также и в сильном взаимодействии;
частицы – переносчики взаимодействий. Переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон, гравитационного – гравитон, слабого – три тяжелых бозона, сильного – глюоны.

Не менее серьезным достижениям физика обязана исследованию материи на молекулярном уровне. В XIX в. формируется молекулярно-кинетическая теория, которая впервые показала несостоятельность механического детерминизма и плодотворность статистического, вероятностного подхода в отношении многочастичных систем. В XX в. выяснилось, что хаотическим непредсказуемым поведением могут обладать и системы из микро-, макро- и мегамиров. Ситуация, когда поведение простой материальной системы невозможно предсказать из-за ее чувствительности к слабому изменению начальных условий, называется динамическим хаосом. Хаос отличают от беспорядка. Беспорядочным называют поведение, определяемое постоянно действующими факторами, которые мы не можем или не хотим учитывать. Например, броуновское движение частицы в жидкости – беспорядочно. Хаотическое же поведение возникает, когда все определяющие факторы известны, но воспользоваться этим знанием нельзя из-за чрезвычайной чувствительности расчетов к ошибкам. (Например, поведение земной атмосферы).

Наиболее фундаментальные законы физики – это, как правило, законы сохранения той или иной физической величины (энергии, импульса, электрического заряда и т.д.). Сохранение, постоянство чего-либо означает эквивалентность прошлого и будущего, их полную симметричность. В классической физике только такие законы имели право на существование. Например, первое начало (закон) термодинамики – закон сохранения энергии утверждает, что изменение внутренней энергии тела равно получаемой энергии за вычетом работы, совершаемой телом.

В середине XIX в. был открыт второй закон (начало) термодинамики, который утверждает о невозможности сохранения определенной физической величины. В другой формулировке: существует физическая величина – энтропия, которая в замкнутой системе с течением времени может только возрастать. Следствием этого закона можно считать утверждение о направленности времени. Л. Больцман предложил формулу для определения энтропии системы молекул:

S = k lnW,

где S – энтропия системы молекул, k – коэффициент пропорциональности (постоянная Больцмана), W – статистический вес данного макроскопического состояния системы. Статистический вес – это число способов, которым можно реализовать данное макроскопическое состояние системы.

Получение веществ с заданными свойствами и выявление способов управления свойствами веществ относят к задачам, стоящим перед современной химией («основная двуединая проблема химии»). В истории самой химии выделяют четыре последовательно сменяющих друг друга этапа:

середина XX века – эволюционная химия;
XX век – учение о химических процессах;
XIX век – структурная химия;
XVII век – учение о составе вещества.

В системе химии они являются подсистемами, так же как сама химия представляет собой подсистему естествознания.

Концепция химического элемента появилась в химии благодаря стремлению человека обнаружить первый элемент природы. Р. Бойль положил начало современному представлению о химическом элементе как о простом теле, пределе химического разложения вещества, переходящем без изменения из состава одного сложного тела в другое. Наиболее полные выводы из этой концепции были сделаны Д. И. Менделеевым, доказавшим, что свойства химического элемента зависят от его места в периодической системе. Сам Менделеев определял это место по атомной массе, но в XX в. было выяснено, что порядковый номер элемента зависит не от атомной массы, а от заряда атомного ядра и количества электронов. Сегодня выяснены особенности строения электронных орбиталей атомов всех элементов и особая роль внешнего электронного уровня атома, от количества электронов которых зависит реакционная способность элемента – химическая активность вещества. Она учитывает как разнообразие реакций, возможных для данного вещества, так и их скорость. Наиболее активными с химической точки зрения являются элементы, имеющие минимальную атомную массу и 6-7 электронов на внешнем электронном уровне (фтор, хлор, кислород). Также большой реакционной способностью отличаются металлы, обладающие большой атомной массой и имеющие 1-2 электрона на внешнем электронном уровне (барий, цезий).
VI. Геосферы Земли

Согласно современным космологическим представлениям, Земля образовалась примерно 4,5 млрд. лет назад путем гравитационной конденсации из рассеянного в околосолнечном пространстве газопылевого вещества, содержащего все известные элементы в природе. Ключевым вопросом геологического развития является вопрос о химической дифференциации земного вещества. На него пытаются ответить три теории.

Теория гомогенной аккумуляции О.Ю.Шмидта утверждает, что Земля возникла как квазиоднородная планета, химически относительно однородный шар. В то время планета представляла однородную смесь частиц железа, силикатов и сульфидов, распределенных по всему объему равномерно. В процессе аккумуляции также была захвачена часть газов – водород, углекислый газ, вода в газообразном состоянии. В период расплавления внешней сферы, которая возникла не только из-за падения метеоритов, но и из-за радиоактивного разогрева недр планеты, расплавленные массы вещества начали расслаиваться. При этом железо, обладающее вдвое большим удельным весом, чем силикаты, стекло в центр Земли, образуя ядро. Пластичные силикатные массы были выдавлены вверх, образовав мантию.
Теория гетерогенной аккумуляции утверждает, что Земля начала аккумулироваться в той последовательности, в которой происходила конденсация вещества из первичной туманности. Вначале преимущественно из металлических частиц сформировалось ядро. Остальные слои появлялись по мере остывания планеты и оседания на нее более поздних конденсатов – силикатных частиц. При этом начался быстрый радиоактивный разогрев Земли, способствующий резкому обособлению оболочек планеты.
Теория частично гетерогенной аккумуляции утверждает, что резких перерывов в поступлении материалов, из которых образовался земной шар, не было. Разница в составе существовала лишь между центральными частями Земли и поверхностными частями мантии.

Результатом дифференциации вещества Земли стало возникновение концентрических расположенных слоев – геосфер, различающихся химическим составом, агрегатным состоянием и физическими свойствами.

Центральную область планеты занимает ядро (самая глубокая геосфера). Средний радиус ядра составляет около 3500 км. Температура ядра достигает 4000С. Внешний слой ядра находится в жидком состоянии. Это объясняет наличие магнитного поля Земли и его вариаций (эффект динамо-машины).

Мантия – наиболее мощная оболочка Земли, занимает 2/3 ее массы и большую часть объема. Выделяют два слоя – нижний и верхний. Данные о химическом составе мантии получены на основании анализов наиболее глубинных магматических горных пород, поступивших в верхние горизонты в результате мощных тектонических поднятий. Материал верхней мантии собран со дна различных участков океана. Температура мантии составляет около 2500C. В расплавленном состоянии находится астеносфера – нижняя часть верхней мантии. Это подстилающий верхнюю мантию и литосферу слой. Литосфера как бы «плавает» в нем.

Литосфера – это земная кора с частью подстилающей ее мантии, которая образует слой толщиной порядка 100 км. В верхней части она слагается с гранитами, в нижней – базальтами. Средняя мощность континентальной коры – 35 км. На дне океана гранитный слой отсутствует и земная кора состоит только из базальтового слоя. Ее мощность – 5-10 км. Кора, образующая верхнюю часть литосферы, в основном слагается из восьми химических элементов: кислорода, кремния, алюминия, железа, кальция, магния, натрия, калия. Половина всей массы коры приходится на кислород, который содержится в ней в связанном состоянии, главным образом в виде оксидов металлов.

Поверхность Земли сложилась из литосферных плит, число и положение менялось от эпохи к эпохе. Плита – это вся масса коры и подстилающей мантии, которая движется по поверхности Земли. Сегодня выделяют 8-9 больших плит и более 10 малых. Плиты медленно перемещаются горизонтально (глобальная тектоника плит).

В основе работы геотектонического механизма лежит продолжающийся процесс дифференциации вещества Земли. На границе между мантией и ядром за счет высокой температуры происходят химические процессы, похожие на те, что человек использует в металлургических печах: из соединений железа восстанавливается чистое железо. Тяжелое железо тонет, а более легкий «шлак», образующийся в тех же реакциях, всплывает вверх к земной коре. Таким образом, возникает конвекция, т.е. нагретая жидкость расширяется, становится легкой и стремится всплыть вверх. На смену опускаются более холодные и плотные слои. Восходящие и нисходящие потоки мантии пространственно разделены. Поэтому у верхней ее границы, под земной корой, возникают горизонтальные потоки, направленные от точек выхода восходящих движений к зонам опускания вещества. На этих горизонтальных потоках скользят плиты, на которых расположены материки Земли. Таким образом, всю мантию можно представить себе как систему конвективных ячеек, в каждой из которых вдоль одной стенки вещество поднимается из недр и течет вдоль поверхности к другой стенке.

На поверхности литосферы в результате совокупной деятельности ряда факторов возникает почва. В.В. Докучаев назвал почвой наружные горизонты горных пород, естественно измененных совместным влиянием воды, воздуха и различного рода организмов, включая их остатки.

Изучение функции литосферы имеет большое значение в практической деятельности человека. Основными экологическими функциями являются:

ресурсная функция заключается в ее потенциальной способности обеспечения потребностей экосистем абиотическими ресурсами, в том числе и потребности человека в тех или иных полезных ископаемых. Прежде всего, это энергоресурсы;
геодинамическая функция проявляется в ходе различных геологических процессов, влияющих на различные экосистемы, в том числе и человеческое общество (природные геологические, техногенные);
геохимическая функция заключается в ее активном участии в процессах круговорота веществ в природе. В зависимости от способа перемещения веществ в природе выделяют механическую, физико-химическую и техногенную миграцию.

Гидросфера – водная оболочка Земли включает в себя Мировой океан, пресные воды рек и озер, ледниковые и подземные воды.

Атмосфера – воздушная оболочка Земли, окружающая ее и вращающаяся вместе с ней. Она состоит из воздуха – смеси газов, состоящей из 78% азота, 21% кислорода, а также инертных газов, водорода, углекислого газа, паров воды, на которые приходится около 1% объема воды.

Масса атмосферы составляет 5,1510¹⁸ кг. Вес этого воздуха, давящего на нас, называют атмосферным давлением. Среднее атмосферное давление на поверхности Земли равно 1 атм., или 760 мм рт. ст. Неоднородность атмосферы вызывает перемещение воздушных масс, что приводит к появлению ветров. Основная масса воздуха перемещается от экватора к полюсам.

В атмосфере Земли выделяют:

тропосферу – нижний слой атмосферы, определяющий погоду на нашей планете. Его толщина – 10-18 км. С высотой давление падает, и температура опускается до -55C. В тропосфере содержится основное количество водяных паров, образуются облака, и формируются все виды осадков;
стратосферу – простирается до 50 км в высоту;
ионосферу – часть атмосферы начинается с высоты 50 км и состоит из ионов – электрически заряженных частиц воздуха. Ионизация воздуха происходит под действием солнца;
мезосферу - начиная с 80 км, происходит поглощение озоном, водяным паром и углекислым газом ультрафиолетовой радиации Солнца;
термосферу – на высоте 90-400 км происходят основные процессы поглощения и преобразование солнечного ультрафиолетового и рентгеновского излучений;
экзосферу – от 450-800 до 2000-3000 км. В ней содержатся атомарный кислород, гелий, водород.

Результатом саморегулирующихся процессов в атмосфере Земли является климат нашей планеты, т.е. состояние погоды какого-то региона за длительный промежуток времени.

1 2 3

	Учебно-методический комплекс по дисциплине Концепции современного... Учебно-методический комплекс по дисциплине «Концепции современного естествознания» составлен в соответствии с требованиями Государственного...		Аннотация к рабочей программе учебной дисциплины «Концепции современного естествознания» Дисциплина «Концепции современного естествознания» входит в цикл Математических и естественнонаучных дисциплин (Б. 2)
	Учебно-методический комплекс на модульной основе дисциплины «концепции... Целью курса «Концепции современного естествознания» является обеспечение фундаментальности и целостности высшего образования, что,...		«Концепции современного естествознания» Учебное пособие обсуждено на заседании кафедры статистики, эконометрики и естествознания 24. 06. 11, протокол №11
	Методическая разработка по дисциплине «Концепции современного естествознания» Дисциплина «Концепции современного естествознания», согласно государственному образовательному стандарту, является обязательной для...		Горелов А. А. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для вузов / А. А. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для вузов / А. А. Горелов. – М.: Владос, 2002. – 511 с.: ил
	Рабочая программа дисциплины концепции современного естествознания... Рабочая программа учебной дисциплины «Концепции современного естествознания» подготовлена Голигузовым Д. В., к ф н., доцентом кафедры...		Н. И. Константинова концепции современного К65 Концепция современного естествознания: Учебное пособие. – Новосибирск: нф рап, 2006
	Н. И. Константинова концепции современного К65 Концепция современного естествознания: Учебное пособие. – Новосибирск: нф рап, 2012		Концепции Современного Естествознания Преподаватель Рыжиков В. Н.... Учебник: Биболетова М. З., Бабушис Е. Е., Снежко Н. Д. EnjoyEnglish» Учебник для 10 класса общеобразовательных учреждений, Обнинск:...
	Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями гос впо... Дубов В. П. Концепции современного естествознания. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов специальности 032001....		Пояснительная записка требования гос к уровню знаний, умений и навыков,... Т. В. Сазанова. Концепции современного естествознания: Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов озо специальности...
	С. П. Филин Концепции современного естествознания: конспект лекций Конспект лекций соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования РФ и...		Учебно-методическое пособие для семинарских занятий, самостоятельной... Тема История естествознания. Панорама современного естествознания. Тенденции развития. Взаимосвязь естественно-научной и гуманитарной...
	Программа дисциплины «Концепции современного естествознания» Программа дисциплины «Концепции современного естествознания» разработана доцентом кафедры прикладной и медицинской физики, к ф м...		Методические рекомендации к самостоятельной работе студентов по дисциплине... Содержание внеаудиторной самостоятельной работы студентов по дисциплине «концепции современного естествознания» включает в себя различные...

Концепции современного естествознания Учебно-методическое пособие

Похожие: