Реферат : Естествознание

Предмет естествознания — различные формы движения материи в природе: их материальные носители (субстраты), образующие лестницу последовательных уровней структурной организации материи, их взаимосвязи, внутренняя структура и генезис; основные формы всякого бытия — пространство и время; закономерная связь явлений природы как общего, так и специфического характера.

К числу естественных наук относятся физика, химия, биология, геология.

Цели естествознания двоякие:

Находить сущность явлений природы, их законы и на этой основе предвидеть или создавать новые явления.

Раскрывать возможность использования на практике познанных законов, сил и веществ природы.
Методы естествознания могут быть подразделены на группы:

общие методы, касающиеся всего естествознания, любого предмета природы, любой науки;

особенные методы — специальные методы, касающиеся не предмета естествознания в целом, а лишь одной из его сторон или же определенного приема исследований: анализ, синтез, индукция, дедукция;

частные методы — это методы, действующие либо только в пределах отдельной отрасли естествознания, либо за пределами той отрасли естествознания, где они возникли.
Физика — наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира. Вследствие этой общности, физика и ее законы лежат в основе всего естествознания.

[sms]

Химия — наука, изучающая превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава или строения. В современной химии отдельные ее области — неорганическая химия, органическая химия, физическая химия, аналитическая химия, химия полимеров — стали в значительной степени самостоятельными науками. На законах химии базируются такие технические науки, как химическая технология, металлургия.

Биология — совокупность наук о живой природе, об огромном многообразии вымерших и ныне населяющих Землю живых существ, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой.

Астрономия — наука о строении и развитии космических тел, образуемых ими систем и Вселенной в целом. Геология — комплекс наук о составе, строении и истории развития земной коры и Земли. География — система естественных (физико-географических) и общественных (экономико- и социально-географических) наук, изучающих географическую оболочку Земли, природные, производственно-территориальные и социально-территориальные комплексы и их компоненты.

Взаимная связь отраслей естествознания отражает общий ход развития всей природы от более простых, низших ступеней и форм до наивысших и сложнейших. Раздвоение природы на неживую и живую, которое зарождается в пределах химии (поскольку химические соединения дифференцируются на неорганические и органические) можно представить так:

физика неорганическая (путь к неживой природе);

химия органическая (путь к живой природе).
Общий ход познания природы проходит следующие основные ступени:

Непосредственное созерцание природы как нерасчлененного целого.

Анализ природы, расчленение ее на части, выделение и изучение отдельных вещей и явлений, поиски отдельных причин и следствий.

Воссоздание целостной картины на основе уже познанных частностей путем приведения в движение остановленного, оживления омертвленного, связывания изолированного раньше, т.е. на основе фактического соединения анализа с синтезом.
Существует ряд подготовительных периодов к систематическому изучению природы:

Первый подготовительный период — натурфилософский (зарождение элементов будущего естествознания) — характерен для древности.

Второй период характеризуется господством схоластики и теологии в Западной Европе и спорадическими открытиями у арабоязычных народов.

Период механического и метафизического естествознания.

Период открытия всеобщей связи и утверждения эволюционных идей в естествознании характеризуется стихийным проникновением диалектики в естествознание.

Период “новейшей революции”.
В середине 90-х годов XIX века началась новейшая революция в естествознании, главным образом в физике, а также в химии и биологии. В 1913 – 1921 гг. на основе представлений об атомном ядре, электронах и квантах Н. Бор создает модель атома, разработка которой ведется соответственно периодической системе Д. И. Менделеева. Это сопровождалось нарушением прежних представлений о материи и ее строении, свойствах, формах движения и типах закономерностей, о пространстве и времени, что привело к кризису физики и всего естествознания. Это был I этап революции в физике и во всем естествознании.

Второй этап “новейшей” революции в естествознании начался в середине 20-х годов XX века в связи с созданием квантовой механики и сочетанием ее с теорией относительности в общую квантово-релятивистскую концепцию. Происходит дальнейшее бурное развитие естествознания, и в связи с этим продолжается коренная ломка старых понятий, главным образом тех, которые связаны со старой классической картиной мира.

Началом III этапа в естествознании было первое овладение атомной энергией в результате открытия деления ядра (1930 г.) и последующих исследований, с которыми связано зарождение электронно-вычислительных машин и кибернетики. Теперь в естествознании наряду с физикой лидирует биология, химия, а также науки, смежные с естествознанием — космонавтика, кибернетика.

В настоящее время изучение естественной науки сконцентрировано на трех главных фронтах:

Изучение очень большого — этим занимается астрономия, астрономы наблюдают все более отдаленные объекты и пытаются составить представление о том, как выглядит населяемый нами мир в макрокосмосе.

Изучение очень малого — представляет собой мир атомов. Мы сами и все вокруг нас состоит из атомов, для нас представляет первостепенный интерес то, как мы сложены.

Изучение очень сложного — эта область принадлежит биологии.
До 20-х годов XX века физическая картина мира складывалась из двух элементов — частиц и полей. Частицы — маленькие комочки материи — корпускулы, движущиеся по законам классической механики Ньютона. Каждая из них имеет 3 степени свободы — ее положение в пространстве задается тремя координатами. Если зависимость координат от времени известна, это дает исчерпывающую информацию о движении частицы.

Механику (динамику), основанную на законах Ньютона называют ньютоновской или классической механикой. Как показал опыт, она оказывается верной для очень широкого круга явлений. С помощью законов Ньютона рассчитывают движение автомобилей и самолетов, искусственных спутников и космических кораблей, жидкостей и газов, электронов в кинескопе телевизора и т. д.

Элементарные частицы. Протон, нейтрон, позитрон

Атом состоит из мельчайших частиц, называемых элементарными частицами. Протон — самая тяжелая элементарная частица, ядро атома водорода, заряжен положительно. Нейтрон — обладает почти такой же массой, как протон, но электрически нейтрален, входит в состав всех атомных ядер. Позитрон — положительно заряженная частица (обладающая такими же свойствами, что и электрон) — античастица электрона.

В физике взаимодействием называется воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению состояния их движения. В механике Ньютона действие тел друг на друга количественно характеризуется силой. Более общей характеристикой взаимодействия является потенциальная энергия. Взаимодействие электрически заряженных тел осуществляется не мгновенно, а лишь спустя конечное время.

В природе, по современным данным, имеется лишь 4 типа взаимодействий (в порядке возрастания интенсивности): гравитационные взаимодействия, слабые взаимодействия (отвечающие за распад элементарных частиц), электромагнитные взаимодействия, сильные взаимодействия (обеспечивающие, в частности, связь частиц в атомных ядрах).

Согласно концепции близкодействия, взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей, непрерывно распределенных в пространстве. Так, всемирное тяготение осуществляется гравитационным полем.

Взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое не принимает никакого участия в передаче взаимодействия, при этом передача взаимодействия происходит мгновенно. Так, считалось, что перемещение Земли должно сразу приводить к изменению силы тяготения, действующей на Луну.

Корпускулярно-волновой дуализм заключается в том, что любые микрообъекты материи (фотоны, электроны, протоны, атомы) обладают свойствами и частиц, и волн. Количественное выражение корпускулярно-волнового дуализма — соотношение де Бройля.

Волны де Бройля

Двуединое, корпускулярно-волновое представление о кванте электромагнитного излучения — фотона — было распространено Луи де Бройлем. В 1924 году Л. Де Бройль получил простую зависимость, в которой между собой связаны как корпускулярные (энергия, масса, скорость передвижения), так и волновые свойства материи. Он показал, что любая движущаяся частица характеризуется определенной длиной волны, которая обратно пропорциональна массе и скорости перемещения частицы. При этом коэффициентом пропорциональности является постоянная Планка.

Квантовая механика

Квантовая механика (волновая механика) — теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц в заданных внешних полях; один из основных разделов квантовой теории. Квантовая механика впервые позволила описать структуру атомов и понять их спектры, установить природу химических связей, объяснить периодическую систему элементов. Законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства микроскопических явлений.

Основные принципы квантовой механики: принцип дополнительности, принцип суперпозиции, принцип симметрии, принцип неопределенности.

Принцип дополнительности был высказан Н. Бором. Из этого принципа следует, что получение экспериментальных данных об одних физических величинах неизбежно связано с изменением таких данных о величинах, дополнительных к первым (координата и импульс частицы), и лишь вся сумма исчерпывает информацию об объекте.

Вернер Гейзенберг математически выразил принцип неопределенности. Оказалось, что не только координату, но и импульс частицы невозможно точно определить. Согласно этому принципу, чем точнее определяется местонахождение данной частицы, тем меньше точности в определении ее скорости, и наоборот.

Принцип суперпозиции — это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности. Принцип суперпозиции выполняется, когда воздействующие явления не влияют друг на друга.

Фундаментальные постоянные природы — скорость света в пустоте и постоянная Планка (квант действия).

Пространство и время. Принцип относительности

Теория относительности рассматривает пространственно-временные свойства физических процессов. Эти свойства зависят от полей тяготения в данной области пространства и времени. Теория, описывающая пространственно-временные свойства в приближении, когда полями тяготения можно пренебречь, называется теорией относительности. В основе теории лежат два положения: принцип относительности, означающий равноправие всех инерциальных систем отсчета, и постоянство скорости света в вакууме, ее независимость от скорости движения источника света.

Принцип симметрии утверждает, что если пространство однородно, перенос системы как целого в пространстве не изменяет свойств системы. Если все направления в пространстве равнозначны, то принцип симметрии разрешает поворот системы как целого в пространстве. Принцип симметрии соблюдается, если изменить начало отсчета времени. В соответствии с принципом, можно произвести переход в другую систему отсчета, движущуюся относительно данной системы с постоянной скоростью.

Закон сохранения энергии

При любых взаимодействиях тел энергия не исчезает бесследно и не возникает из ничего. Энергия только передается от одного тела к другому или превращается из одной формы в другую. Внутренняя энергия U системы, изолированной от любых взаимодействий с внешней средой, не изменяется при любых взаимодействиях внутри системы. Следовательно, для изолированной системы справедливо соотношение:

U = const, или

D U = 0

Принцип Карно выражает собой весьма интересную особенность: он определяет общую тенденцию в эволюции физического мира. С течением времени в замкнутой изолированной системе энтропия должна постоянно возрастать. Функция состояния термодинамической системы, изменение которой в равновесном процессе равно отношению количества теплоты, сообщенного системе или отведенного от нее, к термодинамической температуре системы. Неравновесные процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии, они приближают систему к состоянию равновесия, в котором энтропия максимальна.

Является правилом, что энтропия непосредственно связана с вероятностями. Эту связь можно представить математическим соотношением. М. Планк выразил соотношение в виде следующей формулы: S0 = klnP0, где k = 1,38*1016 . В этом выражении S0 характеризует энтропию физической системы, а P0 — число элементарных микроскопических состояний — “комплексий”, как их называет Планк.

Основные определения

Атом — от греческого “неделимый” — мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства. В центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома; вокруг движутся электроны, образующие электронные оболочки, размеры которых определяют размеры атомов.

Молекула — от латинского “масса” — наименьшая частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами. Состоит из атомов, соединенных химическими связями.

Веществом называют каждый отдельный вид материи, обладающий при данных условиях определенными физическими свойствами, например вода, железо, кислород и др.

Элемент, или элементарное вещество, состоит из атомов только одного вида. Соединение, или сложное вещество, состоит из двух или более различных атомов.

Моль — единица количества вещества, обозначается моль. 1 моль вещества содержит 6,02*1023 соответствующих атомов. Моль — это число молекул кислорода, которое содержится в 32,0 г этого элемента. Число, равное 6,02*1023, называется числом Авогадро.

Закон Авогадро — равные объемы газов при одинаковых температуре и давлении содержат одинаковое число молекул. Объем одного моля газообразного вещества равен числу Авогадро — 6,022*1023 моль-1.

Число Авогадро — число молекул или атомов в 1 моле вещества, Na = 6,022*1023 моль-1.

Атомный вес элемента — это вес числа Авогадро его атомов, выраженный в граммах. Пример: атомный вес H = 1,01 г; атомный вес O = 16,00 г.

Молекулярный вес — вес числа Авогадро его молекул, выраженный в граммах. Пример: молекулярный вес H2O = 2 (атомный вес H) + 1 (атомный вес O) = 2*(1,01) + 16,00 г = 18,02 г.

Химическая формула вещества. Число и вид атомов могут быть охарактеризованы с помощью молекулярной формулы, например, молекула воды может быть обозначена H2O. Число и расположение атомов в молекуле можно видеть из структурной формулы. Так H2O имеет структурную формулу: H-O-H.

Химические реакции. Основные типы химических реакций — это химическое превращение вещества в результате его взаимодействия с другим веществом либо, к примеру, в результате горения. Виды: экзотермическая, эндотермическая.

Уравнение химической реакции:

2H2O + 1O2 = 2H2O.

H2 + 2O2 = 4H2O — образование воды из элементов.

2H2O = 1O2 + 2H2 — разложение воды.
Экзо- и эндотермические реакции. Реакция, при которой выделяется тепло, называется экзотермической (если реагируют 1 моль чистого водорода и 0,5 моля чистого кислорода, образуется 1 моль воды, при этом выделяется тепло, количество которого равно 68000 кал.). Реакция, при которой происходит поглощение тепла, называется эндотермической (при разложении в приборе 1 моля воды на электродах образуются 1 моль водорода и 0,5 моля кислорода. Для того чтобы происходило разложение воды, необходимо затратить определенное количество энергии).

Теплосодержание вещества. Тепловой эффект реакции. 1 моль каждого индивидуального вещества обладает определенным теплосодержанием, равно как и массой. Это теплосодержание является мерой энергии, накапливаемой веществом при его образовании. Тепловой эффект химической реакции равен разности между теплосодержанием продуктов реакции и теплосодержанием реагирующих веществ.

Аддитивность теплот реакций (закон Гесса). Если реакцию можно представить в виде алгебраической суммы двух или нескольких последовательных реакций, то теплота реакции равна алгебраической сумме этих реакций. Это обобщение, применимое ко всем реакциям, называется законом аддитивности теплот реакций.

Скорость реакции — CO + NO2 = CO2 + NO — отношение числа молей прореагировавшей NO2 к промежутку времени. Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ, а также от концентрации реагирующих веществ и от температуры.

Во многих случаях, при повышении концентрации реагирующих веществ, скорость реакции возрастает. Все вещества построены из молекул, поэтому, для того чтобы вступить в реакцию, две молекулы должны достаточно сблизиться. Химическая реакция зависит от столкновений между реагирующими частицами — атомами, молекулами. Концентрацию вещества можно как повышать, так и понижать. В газах концентрация какого-либо одного реагирующего вещества может быть увеличена введением дополнительного количества этого вещества в реакционную смесь. Концентрацию всех компонентов можно увеличить одновременно, уменьшая объем, занимаемый смесью.

При повышении температуры увеличивается скорость столкновения молекул, что приводит к увеличению скорости реакций. Однако это влияние температуры на скорость реакции очень невелико по сравнению с влиянием повышения эффективности столкновений за счет кинетической энергии. Столкновение приводит к химической реакции только в том случае, если сталкивающиеся молекулы обладают энергией, превышающей некоторую определенную величину.

Энергия активации — это энергия необходимая для превращения реагирующих веществ в состояние активированного комплекса.

Многие реакции протекают очень медленно, если просто смешать реагирующие вещества, но скорость их протекания можно значительно ускорить путем введения некоторых других веществ. Эти вещества, называемые катализаторами, не расходуются при реакции. Примером может служить каталитическое действие кислоты H2SO4 при разложении муравьиной кислоты HCOOH.

Химическое равновесие — характеризуется постоянством микроскопических свойств. Равновесие может существовать только в замкнутой системе — системе, содержащей постоянное количество вещества при постоянной температуре. Динамический характер равновесия характеризуется растворимостью и давлением пара. При равновесии микроскопические процессы продолжаются, но они взаимно уравновешиваются, поэтому никаких макроскопических изменений не наблюдается.

Факторы, влияющие на состояние химического равновесия:

концентрация;

температуры;

катализаторы.
Закон химического равновесия: для реакции аА + bBЫсС + dD, при которой устанавливается равновесие между концентрациями продуктов реакций (С) и (D) и концентрациями реагирующих веществ (A) и (B) будет существовать простое соотношение cdab

Константа химического равновесия: (C)*(D) : (A)*(B) = K. Константа К постоянна при постоянной температуре. Исходя из уравнения любой химической реакции, можно сразу же записать выражение, связывающее концентрации реагирующих веществ и продуктов реакции, которое будет постоянно при любой данной температуре. Если определить константу, то полученное значение можно использовать в расчетах для всех других случаев равновесия при той же самой температуре.

Изменение температуры приводит к изменению равновесных концентраций. Относительные количества NO2 и N2O4 непосредственно и определенно зависят от изменения температуры. При изменении температуры изменяются и равновесные концентрации.

Сдвиг химического равновесия — качественно предсказать влияние изменения внешних условий можно с помощью правила, впервые сформулированного французским химиком Ле Шателье. Это правило называется принципом Ле Шателье, или принципом подвижного равновесия. Если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии воздействовать извне, изменяя какое-нибудь из условий, определяющих состояние равновесия, то равновесие смещается в том направлении, в котором эффект воздействия уменьшается.

Жизнь — это активное, идущее с затратами поддержание (за счет постоянного обмена веществ с окружающей средой) и матричное воспроизведение специфической и упорядоченной структуры. В живом все подчинено закону оптимума. Живые системы обладают высокой степенью сложности, динамической упорядоченности и иерархичности своей структуры, неоднородностью в пространстве; энергия из окружающей среды используется не только для поддержания, но и для усиления своей упорядоченности. Главное свойство — поддержание своей целостности и воспроизведение себе подобных, согласно вложенной в нее программе, реплицирующейся матричным способом.

Живое вещество в основном состоит из элементов, являющихся водными и воздушными мигрантами, т.е. образующих газообразные и растворимые соединения. 99% массы живых организмов приходится на те 14 элементов, которые преобладают и в земной коре, составляя в ней 98,9%, хотя и в других соотношениях. Таким образом, жизнь — это химическое производное земной коры. В организмах обнаружены почти все элементы таблицы Менделеева, т.е. они характеризуют той же химией, что и неживая природа.

Взаимоотношение процесса жизни по мере ее усложнения и организованности с энтропией — возникновение и усложнение биоорганизации происходит практически “бесплатно”. Энтропия совокупности 1013 одноклеточных организмов почти не отличается от энтропии человека, состоящего из 1013 клеток. Эволюция жизни — путем максимализации убивания энтропии, за счет внешней энергии и повышения уровня структуры живого.

Проблема симметрии и асимметрии в живой и неживой природе — неживой мир очень симметричен. Нередко нарушения симметрии в квантовой физике элементарных частиц — это проявление еще более глубокой симметрии. Асимметрия является структурообразующим и созидающим принципом жизни. В живых клетках функционально значимые биомолекулы ассиметричны: белки состоят из левовращающих аминокислот (L-форма), а нуклеиновые кислоты содержат в своем составе, помимо гетероциклических оснований, правовращающие углеводы — сахара (Д-форма). Кроме того, сама ДНК — основа наследственности — является правой двойной спиралью.

Гипотезы зарождения жизни на Земле, их экспериментальная обоснованность — существует четыре гипотезы зарождения жизни на Земле:

Креационизм (не случайное, а запрограммированное появление жизни).

Самопроизвольное, случайное зарождение из неживого путем биохимии, существование добиологических форм преджизни.

Жизнь существовала всегда, но в разных формах.

Жизнь на Землю занесена извне из Космоса.
Происхождение человека — сейчас принято считать, что человек разумный появился локально в центре Африки, от 4 до 6 млн. лет назад.

Биологический вид — это группа организмов, которые обычно скрещиваются друг с другом, но не скрещиваются с представителями других таких групп.

Биологическая эволюция — существуют три основных механизма биологической эволюции: изменчивость, наследственность, естественный отбор.

Мутации — случайны, неприспособительны, непредсказуемы, ненаправлены, т.е. изменяют генетическую программу без учета содержания сохраняющейся в ней информации. Факторы мутации — резкие изменения температуры, действие ультрафиолета, радиации, реакционноспособных химических веществ (мутагенов), вирусов.

Естественный отбор — отбраковка нежизнестойкого (борьба за существование), обеспечивает приспособляемость видов к конкретным условиям среды и создает новые виды.

Наследственность. Законы Менделя

Наследственные признаки передаются по наследству как некие дискретные единицы (гены). Гены кодируют определенные функционально значимые белки. Гены могут объединяться в индивидууме, возникающем в результате оплодотворения, но затем расходятся, так что в репродуктивную клетку поступает для передачи следующему поколению либо один, либо другой ген. Механизмы деления и соединения хромосом обеспечивают определенную статистическую правильность распределения наследуемых черт. Если контрастирующие гены какого-либо признака присутствуют у гибридных индивидуумов, то один из них может проявляться (доминировать) у данного индивидуума и замаскировать (рецессировать) присутствие своего партнера.

Число хромосом в обычных и половых клетках человека в норме составляет 46, из них 2 половые, остальные 44 идентичны у обоих полов. 23 хромосомы человек получает от отца, 23 — от матери.

Гены — отдельные минимальные участки молекулы ДНК, находящейся в хроматине ядра.

Механизм генетического кода: двойная спираль ДНК — это негатив + позитив. В механизмах наследственности во всей Вселенной главное не материальный субстрат, а матричный принцип его синтеза. В химическом коде ДНК — 64 “буквы”, число сочетаний из 4 оснований нуклеотидов в ДНК по 3 кодона; 1 триплет (кодон) кодирует одно аминокислотное звено полипептидной (белковой) цепи, состоящей из 20 природных аминокислот. В химическом коде некоторые триплеты выполняют функцию стоп-сигнала, определяя конец и начало нового предложения.

[/sms]