- •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
Проблемы взаимодействия человека и природы.
Биогеоценоз – устойчивая система, которая может существовать в течение длительного времени. При этом, чем сложнее система, чем больше видов она включает, тем она жизнеспособнее. Однако внезапные резкие изменения внешних условий снижают устойчивость экологической системы и вызывают нарушение ее внутренней структуры. Может произойти необратимое нарушение равновесия и распад всей системы. Поэтому для нормальной жизнедеятельности биогеоценоза необходимо сохранение всех или подавляющего большинства его элементов.
Человек, являясь частью живого вещества, активно участвует в его геохимической функции, причем, осуществляя производственную деятельность, реализует эту функцию наиболее интенсивно.
Рассмотрение человека как элемента биоты приводит к следующим заключениям:
Какими бы сложными и разнообразными ни были отношения человека с окружающим миром, все они, в конечном счете, экологические.
Экологические проблемы составляют суть существования человека; они постоянны, непрерывны, сменяют друг друга.
Активно вмешиваясь в живую природу, преобразуя ее, человек создает искусственную среду обитания. На сегодняшний день уничтожено уже около 70% естественных экологических систем. Живая природа также не остается пассивной. Ее ответная реакция с трудом поддается прогнозированию.
Среди частных аспектов экологических проблем можно выделить следующие:
Парниковый эффект (избыток СО2 приводит к тому, что нагрев Земли идет не сверху вниз, а снизу вверх, нарушается естественная циркуляция атмосферы, происходит таяние льдов и нарушается тепловой баланс планеты)
Разрушение озонового слоя (попадание загрязняющих веществ в стратосферу, где они очень быстро перемещаются и лишают Землю естественной защиты от УФ излучения).
Кислотное загрязнение атмосферы (кислотные соединения, выбрасываемые с выхлопными газами, дымом теплоэлектростанций и т.п. Затем они выпадают в виде осадков – кислотных дождей - и загрязняют почву и водоемы.
Захоронение радиоактивных отходов (механизмы миграции радиоактивных веществ в почве слабо изучены, и последствия непредсказуемы).
Обострение глобальных экологических проблем говорит о необходимости изменения путей развития цивилизации, поиска новых ценностных ориентиров и новых способов взаимодействия человека с окружающим миром. Экология превращается из частного раздела биологии в комплекс междисциплинарных исследований, выходящих за пределы естествознания.
В поисках выхода из экологического тупика предлагаются поиск новых источников энергии, безотходные технологии, замкнутые производственные циклы, утилизация отходов с помощью биотермического обезвреживания с участием различных групп бактерий.
Возможные сценарии развития биосферы.
Биосфера, представляющая из себя область распространения жизни и включающая как живые организмы, так и среду их обитания, по определению является экологической системой. В случае нарушения устойчивости этой системы могут иметь место непоправимые последствия. Распад столь сложной системы может спровоцировать прежде всего деятельность человека.
Математическое моделирование экологических ситуаций после ядерного взрыва было проведено группой академика Н.Н.Моисеева в 80-х гг. ХХ в. в ВЦ АН СССР. Было показано, что после удара мощностью 10 тыс. Мт возникнут грандиозные пожары, и в атмосферу поднимется огромное количество сажи, препятствующей поступлению света и тепла от Солнца. В результате на несколько месяцев наступят «ядерная ночь» и «ядерная зима» (понижение температуры до -35оС). Планета лишится пресной воды. Циркуляция атмосферы прекратится, поскольку ее нагрев теперь будет осуществляться не снизу, а сверху. Океан охладится на 1.5 – 2оС, что приведет к постоянным штормам. Все живое при таких условиях, кроме, возможно, низших форм жизни, погибнет.
Техногенные катастрофы также способны нарушить неустойчивое равновесие, в котором находится биосфера, и привести к бифуркации ее развития. Например, покрытие океана мономолекулярной пленкой нефти понижает энергообмен между атмосферой и океаном на 25%.
Таким образом, человечество в целях самосохранения должно предвидеть приближение к критическому состоянию и предотвращать его. Это требует от человечества сознательного, разумного отношения к окружающей среде.