Естествознание

Задание 1. Перечислите основные компоненты естествознания как системы естественных наук. Дайте их краткую характеристику.

Естествознание — область науки, изучающая совокупность естественных наук, взятая как целое.

Естествознание появилось более 3000 лет назад. Тогда не было разделения на физику, биологию, географию. Науками занимались философы. С развитием торговли и мореплавания началось развитие географии, а с развитием техники — развитие физики, химии.

Подразделения

· Астрономия — наука о расположении, строении, свойствах, происхождении и развитии небесных тел и их систем, вплоть до Вселенной в целом.

· Биология — наука о жизни, одна из естественных наук, предметом которой являются живые существа и их взаимодействие с окружающей средой.

· Биофизика раздел физики и современной биологии, изучающий физические аспекты существования живой природы на всех её уровнях, начиная от молекул и клеток и заканчивая биосферой в целом.

· Биохимия — наука о химическом составе живых клеток и организмов и о химических процессах, лежащих в основе их жизнедеятельности.

· Генетика — наука о законах и механизмах наследственности и изменчивости.

· География — единый комплекс наук, изучающих географическую оболочку Земли и акцентирующихся на выявлении пространственно-временных закономерностей.

· Геология — комплекс наук о составе, строении, истории развития земной коры и размещении в ней полезных ископаемых.

· Радиобиология — это самостоятельная комплексная, фундаментальная наука, состоящая из многих научных направлений, изучающая действие ионизирующих и неионизирующих излучений на биологические объекты.

· Радиохимия, изучает химию радиоактивных веществ, законы их физико-химического поведения, химию ядерных превращений и сопутствующие им физико-химические процессы.

· Физическая химия — наука об общих законах, определяющих строение и химические превращения веществ при различных внешних условиях.

· Химия — одна из важнейших и обширных областей естествознания, наука о веществах, их свойствах, строении и превращениях, происходящих в результате химических реакций.

Задание 2. Охарактеризуйте александрийский период развития науки.

Естествознание в эллинистическую эпоху стало переходить из сферы отвлеченного, философского размышления о природе в сферу конкретных фактов и явлений (произошла систематизация накопленных знаний). В эту эпоху греческая математика, механика и астрономия наряду с другими отраслями знаний достигли своего наивысшего развития. Греческая наука перешла от рассмотрения мира в целом к дифференцированному знанию, из единой науки выделились и развились отдельные науки естественные и гуманитарные.

Почти каждый ученый эллинистической эпохи был связан с Александрией если не личным контактом, то научной перепиской. В Александрии жили и работали крупные ученые: геометр Евклид, географ и математик Эратосфен, астрономы Конон, Аристарх Самосский и позже Клавдий Птолемей. С Александрией были связаны математик Аполлоний Пергский, астроном Гиппарх и Архимед. Особую роль в эллинистическую эпоху сыграли Евклид и Архимед.

Среди четырех дисциплин, изучаемых в Мусейоне (Александрийский музей): литературы, математики, астрономии и медицины, — математика занимала особое место. В течение первого периода своего существования математическая школа отличалась интенсивной и блестящей деятельностью. Она началась с систематизации знаний, накопленных в классическую эпоху, — Евклид разработал начала геометрии, а Аполлоний создал общую теорию конических сечений.

Александрийские ученые получили широкую известность своими исследованиями по математике, астрономии, географии и физике. И хотя биология не принадлежала к числу популярных в Александрии наук, однако, и в ней можно найти, по крайней мере, два славных имени: это Герофил (расцвет его деятельности относится к 300-м годам до н.э.) и его ученик Эразистрат (250-е годы до н.э.).

На развитии биологии сказывался еще и тот немаловажный факт, что жизнь — живая природа в отличие от неживого мира — считалась священной. Анатомирование человеческого тела многим представлялось абсолютно недопустимым. Поэтому вскоре им и вовсе прекратили заниматься — вначале из-за морального осуждения, а затем под страхом нарушения законов.

Задание 3. Укажите основные законы механики Ньютона.

Первый закон Ньютона

Инерциальной называется та система отсчёта, относительно которой любая, изолированная от внешних воздействий, материальная точка сохраняет состояние равномерного прямолинейного движения.

Первый закон Ньютона гласит: инерциальные системы отсчёта существуют.

По сути, этот закон постулирует инерцию тел. Это может казаться очевидным сейчас, но это не было очевидно на заре исследований природы. Так, например, Аристотель утверждал, что причиной всякого движения является сила, т. е. у него не было движения по инерции.

Второй закон Ньютона — дифференциальный закон движения, описывающий взаимосвязь между приложенной к материальной точке силой и её ускорением. Один из трёх законов Ньютона.

Второй закон Ньютона утверждает, что в инерциальной системе отсчета (ИСО) ускорение, которое получает материальная точка, прямо пропорционально приложенной силе и обратно пропорционально массе.

=

Третий закон Ньютона объясняет, что происходит с двумя взаимодействующими телами. Возьмём для примера замкнутую систему, состоящую из двух тел. Первое тело может действовать на второе с некоторой силой F₁₂, а второе — на первое с силой F₂₁. Как соотносятся силы? Третий закон Ньютона утверждает: сила действия равна по модулю и противоположна по направлению силе противодействия. Подчеркнём, что эти силы приложены к разным телам, а потому вовсе не компенсируются.

Сам закон: тела действуют друг на друга с силами, направленными вдоль одной и той же прямой, равными по модулю и противоположными по направлению: .

Задание 4. Укажите основные этапы создания учения об электромагнетизме.

Как и электричество, магнетизм в природе обнаружили древние греки. Примерно к 600 г. до н. э. им были известны свойства магнитного железняка (оксида железа); как обнаружилось, его куски могут действовать друг на друга на расстоянии. Примерно через 500 лет китайцы открыли поразительную способность магнитного железняка определенным образом ориентироваться в пространстве и создали первый примитивный компас. Правда, вначале его использование ограничивалось мистическими действами, и лишь через несколько столетий компас стал навигационным прибором.

В средние века открытое Фалесом странное явление тщательно изучал придворный медик английской королевы Елизаветы I Уильям Гильберт, который обнаружил, что способность электризоваться, присуща и многим другим веществам.

Дальнейшие исследования, проведенные в Англии и других странах Европы, показали, что некоторые вещества ведут себя как изоляторы. Французский ученый Шарль Дюфе установил, что существуют две разновидности электрических зарядов; теперь мы называем их положительными и отрицательными.

В XVIII—XIX вв. природа электричества частично прояснилась после экспериментов Бенджамина Франклина и Майкла Фарадея. Выяснилось, что электрические заряды одного знака отталкиваются, а заряды противоположных знаков притягиваются, и в том и другом случае электрические силы ослабевают с расстоянием в соответствии с законом «обратных квадратов», который Ньютон вывел ранее для гравитации.

Решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в 50-х годах XIX в. Джеймс Клерк Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в единой системе уравнений теории электромагнетизма — первой единой теории поля — невидимого воздействия, создаваемого материей, простирающегося далеко в пространство и способного влиять на электрически заряженные частицы, электрические токи и магниты.

В 1864 году Дж. К. Максвелл опубликовал первые из основных уравнений «классической электродинамики», описывающие эволюцию электромагнитного поля и его взаимодействие с зарядами и токами.

Задание 5. Какие гипотезы и постулаты лежат в основе квантовой механики?

Основное уравнение квантовой механики — уравнение Шрёдингера, математический аппарат — теория матриц, теория групп, операторы, теория вероятностей.

История квантовой механики началась по существу с открытия в 1838 году катодных лучей Майклом Фарадеем. Дальнейшая формулировка в 1859 году задачи об излучении абсолютно чёрного тела Густавом Кирхгофом; предположения в 1877 году Людвигом Больцманом, о том, что энергетические состояния физической системы могут быть дискретными; формулировки в 1900 году квантовой гипотезы Максом Планком о том, что любая энергия поглощается или испускается только порциями, которые состоят из целого числа квантов с энергией е таких, что эта энергия пропорциональна частоте н с коэффициентом пропорциональности, определённым по формуле:

где h — постоянная Планка. Хотя Планк настаивал, что это предположение умозрительно и не относится к физической реальности энергии, в 1905 году для объяснения фотоэффекта Альберт Эйнштейн постулировал на основе квантовой гипотезы Планка, что свет сам по себе состоит из квантов, которые впоследствии назвали фотонами (1926 год). От простого постулирования Эйнштейна родился шквал обсуждений, теоретических работ и экспериментов, из которых возникла новая область физики: квантовая физика.

Математический аппарат нерелятивистской квантовой механики строится на следующих положениях:

· Состояния системы описываются ненулевыми векторами ш комплексного сепарабельного гильбертова пространства H, причем векторы ш₁ и ш₂ описывают одно и то же состояние тогда и только тогда, когда ш₂ = cш₁, где c — произвольное комплексное число. Каждой наблюдаемой однозначно сопоставляется линейный эрмитов оператор.

· Наблюдаемые одновременно измеримы тогда и только тогда, когда соответствующие им эрмитовы операторы коммутируют.

· Эволюция системы определяется уравнением Шредингера где — гамильтониан.

· Каждому вектору из пространства H отвечает некоторое состояние системы, любой линейный эрмитов оператор соответствует некоторой наблюдаемой.

Эти положения позволяют создать математический аппарат, пригодный для описания широкого спектра задач в квантовой механике.

Задание 6. Укажите основные стехиометрические законы.

В химии используются следующие стехиометрические законы: закон сохранения массы, закон постоянства состава вещества, закон эквивалентов, закон кратных отношений.

Закон сохранения массы. Масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.

Закон постоянства состава. Всякое химически чистое соединение независимо от способа его получения имеет вполне определенный состав.

C + O₂ = CO₂

CO + ½O₂ = CO₂

Закон эквивалентов. Химические элементы соединяются друг с другом в строго определенных количествах, соответствующих их эквивалентам.

Закон кратных отношений. Если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то на одну и ту же массу одного из них приходятся такие массы другого, которые относятся между собой как простые целые числа.

Задание 7. В чём заключается явление катализа?

Катализ (от греч. кбфЬлхуйт, восходит к кбфблэейн — разрушение) — явление изменения скорости химической или биохимической реакции в присутствии веществ, количество и состояние которых в ходе реакции не изменяются (катализаторов).

Термин «катализ» был введён в 1835 году шведским учёным Йёнсом Якобом Берцелиусом.

Явление катализа распространено в природе (большинство процессов, происходящих в живых организмах, являются каталитическими) и широко используется в технике (в нефтепереработке и нефтехимии, в производстве серной кислоты, аммиака, азотной кислоты и др.). Большая часть всех промышленных реакций — это каталитические.

Основные принципы катализа Катализатор изменяет механизм реакции на энергетически более выгодный, то есть снижает энергию активации. Катализатор образует с молекулой одного из реагентов промежуточное соединение, в котором ослаблены химические связи. Это облегчает его реакцию со вторым реагентом. Важно отметить, что катализаторы ускоряют обратимые реакции, как в прямом, так и в обратном направлениях.

Задание 8. Перечислите основные свойства живого организма.

Живые организмы — главный предмет изучения в биологии. Для удобства рассмотрения все организмы распределяются по разным группам и категориям, что составляет биологическую систему их классификации.

Самое общее их деление на ядерные и безъядерные.

По числу составляющих организм клеток их делят на одноклеточные и многоклеточные. Формирование целостного многоклеточного организма — процесс, состоящий из дифференцировки структур (клеток, тканей, органов) и функций и их интеграции как в онтогенезе, так и в филогенезе.

Постулатами теории биологической эволюции являются три свойства живых организмов — индивидуальная изменчивость, наследственность и борьба за существование.

Свойства:

· В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы. Однако соотношение элементов в живом и неживом неодинаково. В живых организмах 98% химического состава приходятся на четыре элемента: углерод, кислород, азот и водород.

· Важный признак живых систем — использование внешних источников энергии в виде пищи, света и др. Через живые системы проходят потоки веществ и энергии, вот почему они открытые. Основу обмена веществ составляют взаимосвязанные и сбалансированные процессы ассимиляции, т. е. процессы синтеза веществ в организме, и диссимиляции, в результате которых сложные вещества и соединения распадаются на простые и выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза. Обмен веществ обеспечивает относительное постоянство химического состава всех частей организма.

· Существование каждой отдельно взятой биологической системы ограничено во времени; поддержание жизни связано с самовоспроизведением. Любой вид состоит из особей, каждая из которых рано или поздно перестанет существовать, но благодаря самовоспроизведению жизнь вида не прекращается. В основе самовоспроизведения лежит образование новых молекул и структур, которое обусловлено информацией, заложенной в нуклеиновой кислоте ДНК. Самовоспроизведение тесно связано с явлением наследственности: любое живое существо рождает себе подобных.

· Наследственность заключается в способности организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. Она обусловлена относительной стабильностью, т. е. постоянством строения молекул ДНК.

Задание 9. Охарактеризуйте различные типы изменчивости.

Изменчивость — вариабельность (разнообразие) признаков среди представителей данного вида. Различают несколько типов изменчивости:

· Наследственную (генотипическую) и ненаследственную (фенотипическую).

Наследственная изменчивость обусловлена возникновением разных типов мутаций и их комбинаций в последующих скрещиваниях.

В каждой достаточно длительно существующей совокупности особей спонтанно и не направленно возникают различные мутации, которые в дальнейшем комбинируются более или менее случайно с разными уже имеющимися в совокупности наследственными свойствами.

Изменчивость, обусловленную возникновением мутаций, называют мутационной, а обусловленную дальнейшим перекомбинированием генов в результате скрещивания — комбинационной.

· Индивидуальную (различие между отдельными особями) и групповую (между группами особей, например, различными популяциями данного вида). Групповая изменчивость является производной от индивидуальной.

· Качественную и количественную.

· Направленную и ненаправленную.

Задание 10. Дайте классификацию вещества биосферы на основе учения Вернадского о биосфере.

Биосфера — совокупность частей земной оболочки (лито-, гидрои атмосфера), которая заселена живыми организмами, находится под их воздействием и занята продуктами их жизнедеятельности. Термин «биосфера» был предложен австрийским геологом Эдуардом Зюссом в 1875 году. Большой вклад в развитие учения о биосфере внёс Вернадский.

В книге «Химическое строение биосферы Земли и её окружения» В. И. Вернадский говорит о следующих типах вещества, слагающих биосферу:

1. Вся совокупность тел живых организмов населяющих Землю физико-химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности и называется живым веществом (закон физико-химического единства живого вещества В. И. Вернадского). Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4−3,6*1012 т (в сухом весе). Если её распределить по всей поверхности планеты, то получится слой всего в полтора сантиметра. По В. И. Вернадскому эта «пленка жизни», составляющая менее 10−6 массы других оболочек Земли, является «одной из самых могущественных геохимических сил нашей планеты». На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь всю атмосферу, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород.

2. Биогенное вещество — вещество создаваемое и перерабатываемое жизнью (каменный уголь, битумы, известняк нефть и т. д.)

3. Косное вещество — в образовании которого жизнь не участвует; твердое, жидкое и газообразное.

4. Биокосное вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, кора выветривания и т. д. Организмы в них играют ведущую роль.

5. Вещество, находящееся в радиоактивном распаде.

6. Рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений.

7. Вещество космического происхождения.