- •Федеральное агентство по образованию
- •Е.А.Коломийцева концепции современного естествознания Краткий курс лекций
- •Содержание
- •Вступление
- •Лекция 1. Предмет и методы естествознания
- •1. Предмет естествознания. Естественнонаучная и гуманитарная культуры.
- •2. Наука и научный метод.
- •3. Исторические аспекты развития естествознания.
- •4. Основные разделы современного естествознания.
- •5. Структурные уровни организации материи.
- •Лекция 2. Практические методы физических исследований. Физические величины и измерения.
- •Измерения и измерительные приборы.
- •Для измерения времени также нужен эталон. В настоящее время считается, что 1 секунда – это время, за которое происходит 9192631830 периодов колебаний излучения, испускаемого изотопом цезия .
- •Физические размерности. Международная система си.
- •4. Погрешности измерений.
- •Перечислим основные факторы неточности эксперимента. Помимо грубых промахов самого экспериментатора, их можно разделить на две группы:
- •1) Систематические, которые определяются классом точности прибора (1/2 цены деления) и, возможно, какой-то постоянной ошибкой прибора;
- •Эксперимент.
- •Использование результатов эксперимента. Теория. Критерии научности и истинности теории.
- •Классическая механика и границы ее применимости. Материальная точка. Система отсчета.
- •Траектория, путь и перемещение. Радиус-вектор. Кинематические уравнения.
- •Средняя и мгновенная скорости. Ускорение.
- •Движение материальной точки по окружности. Угол поворота, угловая скорость и угловое ускорение.
- •Связь между линейными и угловыми кинематическими характеристиками движения.
- •Лекция 4. Силы в природе. Фундаментальные взаимодействия.
- •Понятие силы.
- •Динамика макромира. Законы классической механики.
- •Силы в природе.
- •Фундаментальные взаимодействия.
- •Лекция 5. Меры движения – импульс и энергия. Законы сохранения и симметрия пространства - времени.
- •Импульс.
- •Работа в механике. Консервативные и неконсервативные силы.
- •Виды энергии.
- •Момент импульса.
- •Законы сохранения и симметрия пространства-времени.
- •Концепции близкодействия и дальнодействия.
- •Лекция 7. Мегамир. Элементы частной теории относительности. Релятивистская концепция.
- •Движение с большими скоростями.
- •Постулаты Эйнштейна и принцип относительности Эйнштейна.
- •Преобразования Лоренца и следствия из них.
- •Правило сложения скоростей.
- •Масса. Взаимосвязь массы и энергии.
- •Представление об общей теории относительности.
- •Интервал и принцип причинности.
- •Лекция 8. Проблемы пространства и времени.
- •Что мы понимаем под пространством?
- •Основные свойства пространства.
- •Проблемы в представлениях о пространстве.
- •Способы измерения времени.
- •Основные свойства времени.
- •Проблемы в представлениях о времени.
- •Лекция 9. Волновые процессы.
- •Колебания.
- •Скорость и ускорение при колебаниях. Фазовое пространство.
- •Свободные гармонические затухающие колебания и вынужденные колебания.
- •Волновые процессы.
- •Свойства волн.
- •Электромагнитные волны в природе и технике.
- •Автоволны.
- •Лекция 10. Законы микромира. Корпускулярно-волновой дуализм материи. Принцип дополнительности и проблемы причинности.
- •Гипотеза квантов энергии м.Планка.
- •Гипотеза де Бройля. Волновые свойства частиц.
- •Динамика микрочастиц. Принцип неопределенностей Гейзенберга
- •- Принцип неопределенностей Гейзенберга.
- •Представление о квантовой механике.
- •Проблемы причинности.
- •Лекция 11. Элементарные частицы. Кварки.
- •Классификация элементарных частиц.
- •Взаимные превращения элементарных частиц.
- •Гипотеза кварков.
- •Элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия.
- •Лекция 12. Радиоактивность
- •Радиоактивные распады.
- •Виды радиоактивных распадов.
- •Законы радиоактивных распадов.
- •Воздействие излучения на человека.
- •Дозиметрия.
- •Лекция 13. Динамические и статистические закономерности.
- •Термодинамический и статистический методы изучения многочастичных систем.
- •Термодинамическое равновесие и квазистатические процессы.
- •Понятие температуры.
- •Теплота, внутренняя энергия и работа.
- •Лекция 14. Энергия в термодинамических процессах.
- •Первое начало термодинамики как закон сохранения энергии.
- •Тепловые машины. Цикл Карно.
- •Деградация энергии. Тепловое загрязнение окружающей среды.
- •Традиционные и нетрадиционные источники энергии.
- •Лекция 15. Порядок и беспорядок в природе. Фазовые переходы. Энтропия. Второе начало термодинамики и «стрела времени».
- •Энтропия.
- •Статистическое толкование энтропии.
- •Второе начало термодинамики.
- •Энтропия и информация.
- •Фазовые переходы. Нарушения симметрии при фазовых переходах и параметр порядка.
- •Лекция 16. Синергетика. Соотношение порядка и хаоса в открытых неравновесных системах.
- •Открытые неравновесные системы.
- •Функция диссипации. Диссипативные структуры.
- •Сценарий образования упорядоченных структур.
- •Примеры самоорганизации в неживой природе: Возникновение структуры как фазовый переход.
- •Бифуркации. Вероятностный характер эволюции системы. Динамический хаос.
- •Аттракторы. Фракталы.
- •Лекция 17. Происхождение и эволюция Вселенной.
- •Строение Вселенной.
- •Гипотезы о возникновении Вселенной.
- •«Инфляционная модель».
- •Физический вакуум.
- •Виды галактик. Млечный Путь.
- •Звезды и их эволюция. Главная последовательность.
- •Черные дыры.
- •Солнце и Солнечная система.
- •Лекция 18. Планета Земля.
- •Формирование и строение Земли.
- •Строение Земли.
- •История геологического развития Земли.
- •Литосфера и ее экологические функции.
- •Магнитосфера.
- •Гидросфера.
- •Атмосфера.
- •Географическая оболочка Земли.
- •Климат.
- •Географическая широта местности
- •10. Глобальные изменения климата.
- •Лекция 19. Элементы химии.
- •Химические элементы. Периодическая система элементов д.И.Менделеева.
- •Понятие вещества. Агрегатные состояния вещества. Виды химических связей.
- •Реакционная способность веществ. Виды химических реакций.
- •Тепловой эффект химических реакций и энтропия.
- •Химическое равновесие. Катализ и его виды.
- •Лекция 20. Вода и гипотезы о происхождении жизни на Земле. Самоорганизация в живой природе.
- •Особенности биологического уровня организации материи.
- •Вода как колыбель жизни.
- •Исторический обзор основных концепций возникновения жизни на Земле.
- •Самоорганизация в живой природе.
- •Лекция 21. Биосфера и проблемы экологии. Понятие о ноосфере.
- •Уровни организации живой материи.
- •Биосфера.
- •Биоценоз. Биогеоценоз.
- •Проблемы взаимодействия человека и природы.
- •Возможные сценарии развития биосферы.
- •Учение в.И.Вернадского о ноосфере.
- •Лекция 22. Молекулярные основы жизни. Днк и информация.
- •Молекулярные механизмы жизни.
- •Элементарные представления о строении клетки и ее жизнедеятельности.
- •Днк и информация.
- •Мутации как ошибки при репликации днк.
- •Проблемы биологической этики.
- •Поведенческая информация. Информация и жизнь.
- •Лекция 23. Феномен человека.
- •Антропология.
- •Человек как высшая ступень эволюции. Основные этапы антропогенеза.
- •Концепция географически детерминированного этногенеза л.Н.Гумилева..
- •Космические и биологические циклы. Русский космизм (идеи а.Л.Чижевского, к.Э.Циолковского).
- •Антропный принцип.
- •Человек: индивидуум, личность, индивидуальность.
- •Самоорганизация в социально-экономических системах.
- •Лекция 24. Теория эволюции в биологии. Принципы универсального эволюционизма. Путь к единой культуре.
- •Додарвиновский эволюционизм. Идеи Ламарка и Кювье.
- •Классическая теория эволюции ч.Дарвина.
- •Современная теория эволюции.
- •Квантовый характер видообразования.
- •Принцип универсального эволюционизма.
- •Вопросы для подготовки к экзамену
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Рекомендуемая литература
Строение Земли.
Форма Земли – геоид. В центре расположено ядро Земли, состоящее, видимо, из железа с примесью кремния и никеля и их соединений с серой и кислородом, его средний радиус около 3.5 тыс. км, оно в свою очередь подразделяется на внешнее ядро и субъядро. По современным представлениям ядро – твердое металлическое образование, находящееся при очень высоких температуре и давлении и свободно плавающее в окружающей его жидкой мантии. Мантия – это еще одна геосфера, ее толщина достигает 2900 км. С составом верхних слоев мантии можно ознакомиться при извержении вулканов. Между верхним (до 400 км) и нижним слоем мантии лежит тонкий переходный слой, называемый поверхностью Мохоровичича (от 400 до 1000 м). В процессе выплавления из мантии выделились наиболее легкие и легкоплавкие компоненты, образовавшие земную кору. Толщина земной коры под материками – до 70 км, под океанами – до 5 км. Ядро, мантия и земная кора составляют внутренние геосферы и называются твердой землей (хотя внешняя часть ядра и мантия имеют свойства вязкой жидкости). За ее пределами находятся внешние геосферы: водная (гидросфера) и воздушная (атмосфера). Они сформировались из паров и газов, которые выделялись из недр Земли. Гидросфера и атмосфера пополняются и поныне.
История геологического развития Земли.
Современные представления об истории геологического развития Земли базируются на результатах изучения горных пород. Возраст самых древних из них составляет около 3.5 млрд. лет. Считается, что около 1 млрд. лет занял догеологический период, вкратце описанный выше. Собственно геологическая история Земли состоит из двух неравных частей: докембрий ( около 3 млрд. лет, делится на архей и протерозой) и фанерозой (около 570 млн. лет, делится на палеозой, мезозой и кайнозой, который продолжается и сейчас).
В докембрийский период сформировались 9 самых древних платформ: Восточно-Европейская (Русская), Сибирская, Китайско-Корейская, Южнокитайская, Индийская, Африканская, Австралийская, Северо- и Южно-Американская, Антарктида. Образование этих древнейших платформ завершилось 1500 – 1600 млн лет назад. В настоящее время насчитывается примерно 15 платформ толщиной 75 – 150 км, свободно плавающих на мантии.
В фанерозое имели место тектонические процессы планетарного значения, происходило образование молодых платформ. В соответствии с представлениями современной геологии, этот процесс состоял из следующих этапов:
Наступление моря. Песчано-глинистые осадки сменяются известковыми.
Цикл поднятия земной коры, приводящий к образованию горной страны (горообразование, или орогенез). Молодые горы имеют складчатую структуру. На разломах характерен орогенный вулканизм.
Денудация – утрата подвижности. Рельеф поверхности выравнивается, в результате получается фундамент молодой платформы.
Литосфера и ее экологические функции.
Литосферой называют внешнюю сферу «твердой земли» – земную кору и верхнюю часть мантии. До 60-х гг. ХХ в. слово «литосфера» было синонимом земной коры, однако впоследствии оказалось, что нельзя не учитывать ее взаимодействие с верхней частью мантии, которое выражается в обмене веществом, в сейсмической и вулканической деятельности.
Литосфера имеет три основные функции: геодинамическую, геофизико-геохимическую и ресурсную.
Геодинамическая функция литосферы выражается в том, что вещество в ней находится в непрерывном движении и изменении. В мантии перемещаются огромные массы вещества, происходит его расширение, сжатие, фазовые переходы, миграция химических элементов, циркуляция тепловых и электрических токов. Энергия для этих процессов берется из двух источников: это внутренние (эндогенные) процессы – радиоактивные распады – и внешние (экзогенные) – энергия солнечного излучения. Происходящее при перемещении расплавленных веществ разделение на легко- и тугоплавкие поддерживает тектонические процессы. Кругооборот вещества обеспечивается также взаимно противоположными процессами: разрушительными (выветривание, снос пород реками) и созидательными (накопление осадков).
Геофизико-геохимическая функция связана с определенными физическими и химическими свойствами вещества, составляющего литосферу. Физические свойства: плотность, температура, вязкость, упругость, электропроводимость, изменяющиеся с глубиной как непрерывно, так и скачкообразно. В химическом составе земной коры преобладают кислород (50%) и кремний (25%), самые распространенные соединения – кремнезем SiO2 и глинозем Al2O3. В мантии присутствуют Fe, Mn, соединенные с SiO2.
Ресурсная функция литосферы состоит в том, что она, являясь средой обитания человека, снабжает его всем необходимым для его жизнедеятельности. Используемые человеком в процессе общественного производства компоненты окружающей среды называют естественными, или природными, ресурсами.
Итак, литосфера – источник природных ресурсов, которые бывают неисчерпаемые и исчерпаемые (возобновляемые и невозобновляемые).
К природным ресурсам относятся: солнечная энергия, энергия приливов и отливов, энергия ветров, внутриземное тепло, водные, земельные, минеральные (в том числе топливно-энергетические), растительные, ресурсы животного мира. Таким образом, важнейшие для жизнедеятельности ресурсы человечество черпает именно из литосферы. К сожалению, по большей части это невозобновляемые ресурсы.