Концепции современного естествознания. Шпаргалки. Естествознание Возникновение химии как науки, основные этапы ее развития

У них отсутствует научное понимание закономерностей развития окружающего мира, умение комплексно применять знания, полученные ими при изучении основ естественных наук в школе. В преодолении этих недостатков в условиях традиционно сложившейся системы изучения основ естественных наук в школе большая роль отводится межпредметным связям.

В большинстве случаев учителя ограничиваются лишь фрагментарным включением МПС. Учителя редко включают учащихся в самостоятельную работу по применению межпредметных знаний и умений при изучении программного материала, а также в процессе самостоятельного переноса ранее усвоенных знаний в новую ситуацию. Следствие - неумение ребят осуществлять перенос и синтез знаний из смежных предметов.

Нет и преемственности в обучении. Так, учителя биологии непрерывно "забегают вперед", знакомя учащихся с различными физико-химическими процессами, протекающими в живых организмах, без опоры на физические и химические понятия.

Решение межпредметных задач требует особых умений: связывать между собой и обобщать предметные знания, видеть объект в единстве его многообразных свойств и отношений, оценивать частное с позиций общего, что обеспечивает формирование научного мировоззрения школьников.

Умения комплексной многосторонней характеристики объекта — это наиболее сложный вид умений. Это умения учащихся осуществлять комплексные межпредметные связи. Специфичным для них является познавательное действие широкого переноса предметных знаний и умений в новые условия их комплексного применения. Такие умения в своей содержательной основе опираются на знания из разных учебных предметов и обобщенные идеи, а их операционная сторона имеет сложную структуру действий разной степени обобщенности.

Межпредметные связи усложняют содержание и процесс познавательной деятельности учащихся. Поэтому необходимо постепенное введение как элементов проблемности, так и объема и сложности межпредметных связей. Важно обеспечить рост познавательных умений и учебных успехов, укрепляющих самостоятельность и интерес учащихся к познанию связей между знаниями из разных предметов. Методика организации процесса обучения осуществляется следующими этапами:

1. односторонние МПС на уроках по смежным предметам на основе репродуктивного обучения и элементов проблемности;
2. усложнение межпредметных познавательных задач и усиление самостоятельности учащихся в поиске их решения;
3. включение двусторонних, а затем и многосторонних связей между предметами путем координации деятельности учителей (выдвижение общих учебных проблем, их поэтапное решение в системе уроков);
4. разработка широкой системы в работе учителей, осуществляющих МПС как в содержании и методах, так и в формах организации обучения (комплексные домашние задания, уроки, семинары, экскурсии, конференции), включая внеклассную работу и расширяя рамки учебной программы.

Для тех учеников, которые не имеют прочной системы знаний, решение межпредметных задач может оказаться непосильным, а их интерес к обучению снизится. Для учащихся с высоким уровнем знаний по предметам опора на межпредметные связи является необходимым условием их дальнейшего развития в процессе обучения. Поэтому в организации творческой деятельности учащихся на основе МПС ведущее место занимает учебная работа, направленная на усвоение системы предметных знаний и овладение способами их переноса и обобщения.

«Научение» учащихся достигается с помощью системы тренировочных самостоятельных работ, отрабатывающих отдельные элементы умений комплексного применения знаний: распознавание МПС в учебных текстах, в отрывках из научных статей, в первоисточниках отбор фактического предметного материала для подтверждения, доказательства законов диалектики, общенаучных идей, понятий; анализ конкретных примеров (из области биологии, физики, химии, истории) с позиций общих закономерностей, категорий; осознание межпредметного характера познавательных учебных задач; самостоятельная постановка (видение) межпредметных задач, проблем на основе сравнения и анализа научных фактов пограничных предметов (биохимических, физико-химических, биофизических и т. п.); составление плана для решения межпредметной проблемы и др.

Важную роль играют показ образца выполнения таких заданий, проведение установочных бесед, определяющих логику рассуждения, доводящих до осознания последовательность выполняемых действий, дифференцированный подход с учетом познавательных интересов и возможностей учащихся. Необходимы последовательные стадии в формировании умений осуществлять межпредметные связи:

1. пробуждение познавательного интереса учащихся к решению межпредметных задач, их распознавание и осознание ими необходимости использовать знания из разных дисциплин;
2. отработка отдельных способов творческой деятельности на основе межпредметных связей;
3. синтез частных умений в целостное умение комплексного применения знаний при решении межпредметных задач. Основным условием успешного переноса предметных знаний выступают сходство, аналогичность структуры содержательных и процессуальных элементов в серии межпредметных познавательных задач определенного типа. На уроках необходимо побуждать учащихся к самостоятельному решению таких задач с выполнением ими действий по образцу и усвоением обобщенных ориентиров в синтезе знаний.

Взаимодействие интереса и умений в процессе решения межпредметных задач.

Развитие познавательных интересов зависит от овладения учащимися обобщенными умениями поисковой деятельности и умениями осуществлять МПС. Изучение психологии мышления доказало, что в качестве внутреннего побудителя поисковой деятельности, действующего сопряжено со знаниями и способами, выступает осознание цели, познавательной потребности, которая регулирует процесс поиска, отражаясь и на его эмоциональной насыщенности. Принятие межпредметной задачи в значительной мере зависит от теоретической направленности познавательных интересов ученика, его стремления к познанию философских, мировоззренческих аспектов в предметных знаниях.

Осознанное вычленение межпредметной задачи, являясь одним из проявлений творческих действий учащихся, способствует тесной корреляции знаний и способов действий в структуре умений ее решать. Вычисление коэффициентов корреляции показало тесную связь между уровнями знаний и способов действий в работах учащихся, самостоятельно выделивших межпредметную познавательную задачу.

В процесс решения межпредметной познавательной задачи учащиеся включают предметные умения, их активность зависит и от мотива интереса к соответствующим учебным дисциплинам. Здесь также наблюдается тесная связь между уровнем интереса к предмету, широтой и успешностью использования знаний из него. Учащиеся привлекают новые сведения из дополнительных источников информации, находят оригинальные способы их анализа и связи с программным материалом. Отсутствие устойчивых предметных интересов и знаний лишает ученика основы в «межпредметной» деятельности, вызывая подчас негативное отношение к ней.

Межпредметные связи на первых этапах включения в познавательную деятельность изменяют соответствие уровней умений и интересов учащихся по предметам. Умения, проявляемые при решении межпредметных задач, начинают в большей степени зависеть от опыта переноса, овладения его способами, чем от ранее сложившегося, но тем не менее подвижного интереса к тому или иному предмету. У одних учащихся под влиянием межпредметных связей повышается интерес к ранее не интересовавшим их предметам, а уровень знаний и умений еще остается невысоким. У других, наоборот, значительно возрастают умения межпредметного переноса, но заметных изменений в развитии предметных интересов не наблюдается. Они сохраняют устойчивость. Это объясняется тем, что МПС не являются единственным фактором, формирующим познавательные интересы учащихся.

Познавательный опыт, ограниченный узкопредметными рамками, мешает увидеть хорошо известное в новом, необычном аспекте, необходимом для творческого решения межпредметной задачи. Возникающее на первых этапах познавательной деятельности на основе межпредметных связей рассогласование между ранее сформировавшимися умениями и интересами учащихся в последующем нивелируется, происходит усиление взаимосвязей умений и интереса на качественно новой обобщенной содержательной основе. Систематически включаемые в учебное познание МПС положительно изменяют широту и диапазон применения знаний и умений. Это способствует умственному развитию школьников и формированию широких познавательных интересов как одному из показателей развития личности. В деятельности на основе МПС возникает устойчивая зависимость: широта познавательных интересов - осознанное восприятие межпредметных задач - потребность в познании межпредметных связей - творческий подход - умение мыслить системно - познавательная самостоятельность ученика.

Формирование мировоззренческой направленности познавательных интересов старшеклассников.

Включение в процесс обучения межпредметных связей как стимула познавательного интереса качественно преобразует другие его стимулы. Это происходит в силу того, что учебный процесс представляет собой систему, в которой все компоненты находятся в структурно-функциональной связи и изменение одного из них нарушает эти связи и вызывает необходимость системного подхода к организации всего процесса. Включаемые в содержание урока межпредметные связи усиливают его новизну, вызывают обновление уже известного материала, объединяют новые и прежние знания в систему.

Связи смежных курсов позволяют глубже проникнуть в сущность предметов, раскрыть, например, причинно-следственные, физико-химические связи в биологических процессах. Это дает возможность полнее показать историю науки, методы и достижения современной науки, в которой усиливаются интеграция знаний и системный подход к познанию. Укрепляя стимулирующее содержание уроков, межпредметные связи активизируют и процесс усвоения знаний, основанный на их постоянном применении. Становится наглядной практическая нужность и полезность знаний по всем предметам. Осознание нужности знаний надежно укрепляет интерес к их углублению и расширению. Сам процесс познания, обогащенный межпредметными связями, активизируя мыслительные процессы, служит источником устойчивого" интереса школьников. Межпредметные связи усиливают обобщающий характер содержания учебного материала, который требует изменения и методов обучения.

Межпредметные связи приводят в действие все стимулы познавательного интереса, связанные с учебной деятельностью: вносят проблемность, элементы исследования и творчества, разнообразят формы самостоятельной работы, побуждают к овладению новыми умениями. Преобразуя методы обучения, МПС оказывают влияние на изменение и его организационных форм. Возникает потребность в коллективных формах организации учебной работы, которые наилучшим образом обеспечивают решение межпредметных проблем, создавая условия для проявления знаний и интересов учащихся по другим предметам. При этом возможен успех для каждого.

Успешность деятельности, как известно, важнейший побудитель активности и интереса к ней. В коллективных формах учебной работы активно действуют стимулы познавательного интереса, связанные с отношениями между участниками учебного процесса: эмоциональный тонус, доверие к познавательным возможностям учащихся, взаимная поддержка в деятельности, элементы соревнования, поощрение и другие (Г. И. Щукина).

В процессе формирования познавательных интересов учащихся межпредметные связи (содержательные, операционно - деятельностные, организационно - методические) выполняют многоплановые функции. Прежде всего, они выступают как стимул интересов учащихся к урокам, преломляясь во всех других положительных стимулах, идущих от содержания, деятельности и отношений. Учебная деятельность с опорой на межпредметные связи вызывает непосредственный интерес к урокам. Осуществляясь систематически, они становятся условием формирования устойчивых познавательных интересов школьников. Такие умения формируются на основе установления межпредметных связей, когда учитель предлагает задачи типа «дать критику», «доказать», «обосновать», «аргументировать вывод» и т. п. Оценочный фактор в познании стимулирует интерес и активность учащихся.

Итак, обучение на основе разносторонних межпредметных связей активно формирует устойчивые широкие мировоззренческие познавательные интересы, что особенно ценно для всестороннего развития личности старшеклассника.

Мировоззренческая направленность познавательных интересов — это устойчивое стремление школьника к пониманию и обоснованию существенных связей, объясняющих отношения «личность и общество», «природа и общество», «человек и труд». Процесс формирования мировоззренческой направленности познавательных интересов включает этапы:

1. пробуждение интереса и желания опираться на межпредметные связи при усвоении общепредметных мировоззренческих идей с помощью элементов проблемности;
2. развитие и расширение интереса к усвоению мировоззренческих идей, формирование познавательной самостоятельности при решении межпредметных задач;
3. укрепление и углубление интереса к мировоззренческим проблемам в процессе постоянно развиваемой активности и самостоятельной деятельности учащихся (система творческих работ и внеклассной работы межпредметного содержания).

Развитие познавательной самостоятельности старшеклассников в деятельности на основе межпредметных связей происходит в тесной взаимосвязи с формированием мировоззренческих, ценностных ориентаций личности, регулирующих ее социальную активность.

Средства реализации межпредметных связей могут быть различны:

• вопросы межпредметного содержания: направляющие деятельность школьников на воспроизведение ранее изученных в других учебных курсах и темах знаний и их применение при усвоении нового материала.
• межпредметные задачи, которые требуют подключения знаний из различных предметов или составлены на материале одного предмета, но используемые с определенной познавательной целью в преподавании одного другого предмета. Они способствуют более глубокому и осмысленному усвоению программного материла, совершенствованию умений выявить причинно-следственные связи между явлениями.
• домашнее задание межпредметного характера - постановка вопросов на размышление, подготовка сообщений, рефератов, изготовление наглядных пособий, составление таблиц, схем, кроссвордов, требующих знаний межпредметного характера.
• межпредметные наглядные пособия - обобщающие таблицы, схемы, диаграммы, плакаты. Они позволяют учащимся наглядно увидеть совокупность знаний из разных предметов, раскрывающую вопросы межпредметного содержания.
• химический эксперимент - если предметом его являются биологические объекты и химические явления, происходящие в них.

Использование межпредметных связей вызвало появление новых форм организации учебного процесса: урок с межпредметными связями, комплексный семинар, комплексная экскурсия, межпредметная экскурсия и др.

Уроки с межпредметным содержанием могут быть следующих видов: урок-лекция; урок-семинар; урок-конференция; урок-ролевая игра; урок-консультация и др.

Необходимость межпредметных связей в обучении бесспорна. Последовательное и систематическое их осуществление значительно усиливает эффективность учебно-воспитательного процесса, формирует диалектический способ мышления учащихся. К тому же межпредметные связи - непременное дидактическое условие развития у них интереса к знаниям основ наук, в том числе и естественных.

ЛИТЕРАТУРА

1. Данилюк Д.Я. Учебный предмет как интегрированная система / Д.Я. Данилюк // Педагогика. - 1997. - № 4. - С. 24 - 28.
2. Ильченко В. Р. Перекрестки физики, химии и биологии. - М.: Просвещение, 1986.
3. Максимова В. Н. Межпредметные связи и совершенствование процесса обучения. - М.: Просвещение, 1984. -143с.
4. Максимова В. Н. Межпредметные связи в учебно-воспитательном процессе средней школе. - М.: Просвещение, 1986.

Новикова Ирина Петровна
учитель химии
МОУ Совхозная сош
Тамбовский район

Система естественно-научных знаний

Естествознание является одной из составляющих системы современного научного знания, включающей также комплексы технических и гуманитарных наук. Естествознание представляет собой эволюционирующую систему упорядоченных сведений о закономерностях движения материи.

Объектами исследования отдельных естественных наук, совокупность которых еще в начале XX в. носила название естественной истории, со времени их зарождения и до наших дней были и остаются: материя, жизнь, человек, Земля, Вселенная. Соответственно современное естествознание группирует основные естественные науки следующим образом:

• физика, химия, физическая химия;
• биология, ботаника, зоология;
• анатомия, физиология, генетика (учение о наследственности);
• геология, минералогия, палеонтология, метеорология, физическая география;
• астрономия, космология, астрофизика, астрохимия.

Конечно же, здесь перечислены лишь основные естественные , на самом же деле современное естествознание представляет собой сложный и разветвленный комплекс, включающий сотни научных дисциплин. Одна только физика объединяет целое семейство наук (механика, термодинамика, оптика, электродинамика и т. д.). По мере роста объема научного знания отдельные разделы наук приобрели статус научных дисциплин со своим понятийным аппаратом, специфическими методами исследования, что зачастую делает их трудно доступными для специалистов, занимающихся другими разделами той же, скажем, физики.

Подобная дифференциация в естественных науках (как, впрочем, и в науке вообще) является естественным и неизбежным следствием всё более сужающейся специализации.

Вместе с тем также естественным образом в развитии науки происходят встречные процессы, в частности складываются и оформляются естественно-научные дисциплины, как часто говорят, «на стыках» наук: химическая физика, биохимия, биофизика, биогеохимия и многие другие. В результате границы, некогда определившиеся между отдельными научными дисциплинами и их разделами, становятся весьма условными, подвижными и, можно сказать, прозрачными.

Эти процессы, приводящие, с одной стороны, к дальнейшему росту количества научных дисциплин, но с другой — к их сближению и взаимопроникновению, являются одним из свидетельств интеграции естественных наук, отражающей общую тенденцию в современной науке.

Именно здесь, пожалуй, уместно обратиться к такой занимающей, безусловно, особое место научной дисциплине, как математика, которая является инструментом исследования и универсальным языком не только естественных наук, но и многих других — тех, в которых можно усмотреть количественные закономерности.

В зависимости от методов, лежащих в основе исследований, можно говорить о естественных науках:

• описательных (исследующих фактические данные и связи между ними);
• точных (строящих математические модели для выражения установленных фактов и связей, т. е. закономерностей);
• прикладных (использующих систематику и модели описательных и точных естественных наук для освоения и преобразования природы).

Тем не менее, общим родовым признаком всех наук, изучающих природу и технику, является сознательная деятельность профессиональных работников науки, направленная на описание, объяснение и предсказание поведения исследуемых объектов и характера изучаемых явлений. Гуманитарные же науки отличаются тем, что объяснение и предсказание явлений (событий) опирается, как правило, не на объяснение, а на понимание реальности.

В этом состоит принципиальное различие между науками, имеющими объекты исследования, допускающие систематическое наблюдение, многократную опытную проверку и воспроизводимые эксперименты, и науками, изучающими по сути уникальные, неповторяющиеся ситуации, не допускающие, как правило, точного повторения опыта, проведения более одного раза какого-либо эксперимента.

Современная культура стремится преодолеть дифференциацию познания на множество самостоятельных направлений и дисциплин, в первую очередь раскол между естественными и гуманитарными науками, явно обозначившийся в конце XIX в. Ведь мир един во всем своем бесконечном многообразии, поэтому относительно самостоятельные области единой системы человеческого знания органически взаимосвязаны; различие здесь преходяще, единство абсолютно.

В наши дни явно наметилась интеграция естественнонаучного знания, которая проявляется во многих формах и становится наиболее выраженной тенденцией его развития. Всё в большей степени эта тенденция проявляется и во взаимодействии естественных наук с науками гуманитарными. Свидетельством этому является выдвижение на передний фронт современной науки принципов системности, самоорганизации и глобального эволюционизма, открывающих возможность объединения самых разнообразных научных знаний в цельную и последовательную систему, объединяемую общими закономерностями эволюции объектов различной природы.

Есть все основания полагать, что мы являемся свидетелями всё большего сближения и взаимной интеграции естественных и гуманитарных наук. Подтверждением тому служит широкое использование в гуманитарных исследованиях не только технических средств и информационных технологий, применяемых в естественных и технических науках, но и общенаучных методов исследования, выработанных в процессе развития естествознания.

Предметом настоящего курса являются концепции, относящиеся к формам существования и движения живой и неживой материи, в то время как законы, определяющие ход социальных явлений, являются предметом гуманитарных наук. Следует, однако, иметь в виду, что, как бы ни различались между собой естественные и гуманитарные науки, они обладают общеродовым единством, каковым является логика науки. Именно подчинение этой логике делает науку сферой человеческой деятельности, направленной на выявление и теоретическую систематизацию объективных знаний о действительности.

Естественно-научная картина мира создается и видоизменяется учеными разных национальностей, среди которых и убежденные атеисты, и верующие различных вероисповеданий и конфессий. Однако в своей профессиональной деятельности все они исходят из того, что мир материален, т. е. существует объективно вне зависимости от изучающих его людей. Заметим, однако, что сам процесс познания может оказывать влияние на изучаемые объекты материального мира и на то, как представляет их себе человек в зависимости от уровня развития средств исследования. Кроме того, каждый ученый исходит из того, что мир принципиально познаваем.

Процесс научного познания — это поиск истины. Однако абсолютная истина в науке непостижима, и с каждым шагом по пути познания она отодвигается дальше и глубже. Таким образом, на каждом этапе познания ученые устанавливают относительную истину, понимая, что на следующем этапе будет достигнуто знание более точное, в большей степени адекватное реальности. И это еще одно свидетельство того, что процесс познания объективен и неисчерпаем.

Качество подготовки инженеров существенно зависит от уровня их образования в области фундаментальных наук: математики, физики и химии. Роль и место химии в системе естественнонаучных дисциплин определяется тем, что в области материального производства человеку всегда приходится иметь дело с веществом.

В повседневной жизни мы наблюдаем, что вещества подвергаются различным изменениям: стальной предмет во влажном воздухе покрывается ржавчиной; дрова в печи сгорают, оставляя лишь небольшую кучку золы; бензин в двигателе автомобиля сгорает, при этом в окружающую среду поступает около двухсот различных веществ, в том числе токсичных и канцерогенных; опавшие листья деревьев постепенно истлевают, превращаясь в перегной, и т.д.

Познание свойств вещества, строения, химической природы его частиц, механизмов их взаимодействия, возможных путей превращения одного вещества в другое, - эти проблемы составляют предмет химии.

Химия – это наука о веществах и законах их превращений.

Как одна из отраслей естествознания, химия связана с другими естественными науками. Химические изменения всегда сопровождаются изменениями физическими. Широкое применение физических методов исследования и математического аппарата в химии сблизило её с физикой и математикой. Химия также связана и с биологией, поскольку биологические процессы сопровождаются непрерывными химическими превращениями. Химические методы используют для решения проблем геологии. Связь между различными естественными науками очень тесная, на стыках наук возникают новые науки, например, ядерная химия, биохимия, геохимия, космохимия и т.д.

Изучение химическими методами ряда технических проблем связывает химию с инженерно – техническими и специальными дисциплинами, необходимыми для практической деятельности инженера. Так, производство стали и других сплавов, чистых металлов и полупроводников, выработка из них изделий и их дальнейшее использование, эксплуатация различных механизмов в соответствующих газовых и жидких средах – всё это требует конкретных химических знаний и умения применить их на практике.

Нет почти ни одной отрасли производства, не связанной с применением химии. Природа даёт нам исходное сырьё: дерево, руду, нефть, газ и др. Подвергая природные материалы химической переработке, человек получает разнообразные вещества, необходимые для сельского хозяйства, промышленности, домашнего обихода: удобрения, металлы, пластические массы, краски, лекарственные вещества, мыло, соду и т.д. Химия нужна человечеству для того, чтобы получить из природных веществ, всё необходимое – металлы, цемент и бетон, керамику, фарфор и стекло, каучук, пластмассы, искусственные волокна, фармацевтические средства. Для химической переработки природного сырья необходимо знать общие законы превращения веществ, а эти знания даёт химия.

В современных условиях, когда стало ясно, что запасы многих природных ресурсов ограничены и не восстанавливаются, когда нагрузка на окружающую среду со стороны человека стала столь велика, а способность природы к самоочищению ограничена, на первый план выдвигается ряд принципиально новых проблем, решение которых невозможно без химических знаний. К ним в первую очередь относятся вопросы охраны окружающей среды и соблюдение экологических требований в новых технологических процессах, создание замкнутых производственных циклов и безотходных технологий, теоретическое обоснование и разработка энерго- и ресурсосберегающих технологий. Реализация требований к высокому качеству продукции и её долговечности немыслима без понимания того, что контроль за химическим составом является важнейшим этапом технологического цикла. Борьба с коррозией материалов, изделий из них, новые методы обработки поверхностей требуют от инженера глубокого понимания сущности химических процессов.

Указанные выше проблемы по силам решить всесторонне грамотным инженерам, способным наряду с другими задачами разбираться и самостоятельно ориентироваться в химических вопросах.

Основные понятия химии

Объектом изучения в химии являются химические элементы и их соединения.

Химическим элементом называют вид атомов с одинаковым зарядом ядер. Атом – наименьшая частица элемента, обладающая его химическими свойствами.

Молекулой называют наименьшую частицу индивидуального вещества, способную к самостоятельному существованию, обладающую его основными химическими свойствами и состоящую из одинаковых или различных атомов.

Если молекулы состоят из одинаковых атомов, то вещество называют простым или элементарным , например He, Ar, H 2 , O 2 , S 4 . Простое вещество является формой существования химического элемента в свободном состоянии. Если молекула вещества состоит из разных атомов, то вещество называют сложным (или химическим соединением) , например CO, H 2 O , H 3 PO 4 .

Химические свойства вещества характеризуют его способность участвовать в химических реакциях, т. е. в процессах превращения одних веществ в другие.

Массы атомов, молекул очень малы. Например, массы отдельных атомов составляют 10 -24 - 10 -22 г. Массы атомов, молекул выражают или в относительных единицах (через массу какого-либо одного определенного вида атома), или в атомных единицах массы (а.е.м.).

1а.е.м.-это 1/12 часть массы атома изотопа углерода С. 1а.е.м.=1.66053*10 -24 г.

Значение относительной атомной (A r) или молекулярной массы (M r) показывает, во сколько раз масса атома или молекулы больше чем 1/12 часть массы атома изотопа углерода С (углеродная шкала атомных масс) . A r и М r – безразмерны. Значения А r приводятся в периодической системе элементов Д.И. Менделеева под символом элемента. Численно А r и А (а.е.м.) совпадают. Зная относительную атомную массу, легко можно найти и массу атома, выраженную в граммах. Так, масса атома углерода-12 в г равна: 12* 1.66053*10 -24 = 1.992636*10 -23 г . Масса молекулы равна сумме масс атомов, входящих в ее состав.

Количество вещества (n;n) – это число структурных единиц (атомов, молекул, ионов, эквивалентов, электронов и т.д.) в системе. Единицей измерения количества вещества является моль. Моль – количество вещества, которое содержит столько определенных структурных единиц, сколько атомов содержится в 12 г изотопа углерода 12 С. Число структурных единиц, содержащихся в 1 моле любого вещества в любом агрегатном состоянии, есть постоянная Авогадро: N A= 6,02*10 23 моль -1 .

Количество вещества (n) равно отношению числа структурных единиц (атомов, молекул, ионов, эквивалентов, электронов и т.д.) в системе (N) к их числу в 1 моле вещества (N А):

Молярная масса (М) – это масса 1 моль вещества, равная отношению массы вещества (m) к его количеству (n):

Основной единицей измерения молярной массы является г/моль (кг/моль). Молярная масса вещества, выраженная в граммах, численно равна относительной молекулярной массе этого вещества.

Молярный объем (V м) – это объем, занимаемый 1 моль газообразного вещества, равный отношению объема газообразного вещества (V) к его количеству():

При н.у. (273,15 К и 101,325 кПа) для любого вещества в газообразном состоянии V м = 22,4 л/моль.

Эквивалент (Э) – это реальная или условная частица вещества, которая может замещать, присоединять, высвобождать или быть каким-либо другим образом эквивалентна (равноценна) одному иону водорода в кислотно-основных или ионно-обменных реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях (ОВР). Эквивалент безразмерен, его состав выражают с помощью знаков и формул так же, как в случае молекул, атомов или ионов.

Для того чтобы определить формулы эквивалента вещества и правильно записать его химическую формулу, надо исходить из конкретной реакции, в которой участвует данное вещество.

Рассмотрим несколько примеров определения формулы эквивалента:

А. 2NaOH+H 2 SO 4 =2H 2 O+Na 2 SO 4 .

Краткое ионно-молекулярное уравнение процесса:

2OH - +2H + =2H 2 O.

В данной ионообменной реакции участвуют два иона водорода. На один ион водорода приходится:

NaOH+1/2H 2 SO 4 =H 2 O+1/2Na 2 SO 4 ,

т.е. одному иону водорода соответствует: одна молекула NaOH, 1/2 молекулы H 2 SO 4 , одна молекула H 2 O, 1/2 молекулы Na 2 SO 4 , поэтому Э(NaOH)=NaOH; Э(H 2 SO 4)=1/2H 2 SO 4 ; Э(H 2 O)=H 2 O; Э(Na 2 SO 4)=1/2Na 2 SO 4 .

Б. Zn+2HCl=ZnCl 2 +H 2

Ионно-электронные уравнения процессов окисления, восстановления:

В данной ОВР участвуют два электрона. На один электрон приходится:

1/2Zn+HCl=1/2ZnCl 2 +1/2H 2 ,

т.е. одному электрону соответствует 1/2 атома Zn, одна молекула HСl,1/2 молекулы ZnCl 2 и 1/2 молекулы Н 2 , поэтому Э(Zn) = 1/2Zn; Э(HCl) = HCl; Э(ZnCl 2) = 1/2ZnCl 2 ; Э(H 2) = 1/2H 2 .

Число, обозначающее, какая доля от реальной частицы эквивалентна одному иону водорода или одному электрону, получило название фактора эквивалентности f э . Например, в рассматриваемых реакциях f э (Zn)=1/2, f э (NaOH)=1.

Для окислительно-восстановительных реакций используют понятие «эквивалентное число» (Z), которое равно числу электронов, присоединенных одной молекулой окислителя или отданных одной молекулой восстановителя.

Моль эквивалента – количество вещества, cодержащего 6,02*10 23 эквивалентов. Массу одного моля эквивалента вещества называют молярной массой эквивалента вещества (М э), измеряют в г/моль и рассчитывают по формулам:

М э =m/n э; М э =f э *М,

где М – молярная масса вещества, г/моль; ν э – количество эквивалента вещества, моль.

Для расчета молярной массы эквивалента вещества можно использовать следующие формулы:

1. Для простого вещества:

М э =М А /В, f э = 1/В,

где М А – молярная масса атомов данного вещества; В – валентность атома, например, М э (Al)=27/3=9 г/моль.

2. Для сложного вещества:

М э =М/В*n, f э = 1/В*n,

где В – валентность функциональной группы; n – число функциональных групп в формуле молекулы вещества.

Для кислот функциональной группой является ион водорода, для оснований – ион гидроксила, для солей – ион металла, для оксидов – оксидообразующий элемент.

М э кислоты =М кислоты /основность кислоты.

Основность кислоты определяется числом протонов, которое отдает молекула кислоты, реагируя с основанием .

Например, М э (H 2 SO 4)=98/2=49 г/моль.

М э основания = М основания /кислотность основания.

Кислотность основания определяется числом протонов, присоединяемых молекулой основания при взаимодействии его с кислотой.

Например, М э (NaOH)=40/1=40 г/моль.

М э соли =М соли /(число атомов металла*валентность металла).

Например, М э (Al 2 (SO 4) 3)=342/(2*3)=57 г/моль.

М э оксида =М оксида /(число атомов оксидообразующего элемента * валентность элемента).

Например, М э (Al 2 O 3)=102/(2*3)=17 г/моль.

В общем случае молярная масса эквивалента химического соединения равна сумме молярных масс эквивалентов составляющих его частей.

3. Для окислителя, восстановителя:

где Z – эквивалентное число (Z=1/f э).

Как известно, моль любого газа при нормальных условиях (Т=273,15 К, Р=101,325 кПа или 760 мм рт. ст.) занимает объем, равный 22,4 л; этот объем называется молярным объемом V м. Исходя из этой величины, можно рассчитать объем одного моля эквивалента газа (V э, л/моль) при нормальных условиях. Например, для водорода Э(Н 2)=1/2Н 2 , моль эквивалента водорода в два раза меньше его моля молекул и поэтому объем одного моля эквивалента водорода также в два раза меньше его молярного объема: 22,4 л/2=11,2 л. Для кислорода Э(О 2)=1/4 О 2 , отсюда объем одного моля эквивалента кислорода в четыре раза меньше его молярного объема: 22,4 л/4=5,6 л.

В общем случае: V э =f э *V м; V э = V/ .

Основные законы химии

1. Закон сохранения массы веществ (М.В. Ломоносов; 1756 г.):

масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции.

2. Закон постоянства состава.

Имеет различные формулировки:

Состав соединений молекулярной структуры является постоянным независимо от способа получения (более точная современная формулировка);

- любое сложное вещество независимо от способа его получения имеет постоянный качественный и количественный состав ;

Соотношения между массами элементов, входящих в состав данного соединения, постоянны и не зависят от способа получения этого соединения.

3. Закон кратных отношений (Дальтон, 1803 г.):

если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то массы одного из элементов, приходящиеся в этих соединениях на одну и ту же массу другого, относятся между собой как небольшие целые числа.

Закон свидетельствовал о том, что элементы входят в состав соединений лишь определенными порциями, подтвердил атомистические представления. Наименьшее количество элемента, вступающее в соединение, - это атом. Следовательно, в соединение может вступать только целое число атомов, а не дробное. Например, массовые соотношения С:О в оксидах СО 2 и СО равны 12:32 и 12:16. Следовательно, массовое отношение кислорода, связанное с постоянной массой углерода в СО 2 и СО, равно 2:1.

4. Закон объемных отношений (закон Гей-Люссака):

объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу и к объемам образующихся газообразных продуктов реакции как небольшие целые числа.

5.Закон Авогадро (1811 г.):

в равных объемах любых газов, взятых при одной и той же температуре и при одинаковом давлении, содержится одно и то же число молекул. Постоянная Авогадро N A = 6,02*10 23 моль -1 – число структурных единиц в одном моле вещества.

Следствия из закона Авогадро:

а) при определенных температуре и давлении 1 моль любого вещества в газообразном состоянии занимает один и тот же объем;

б) при н.у. (273,15 К и 101,325 кПа) молярный объем (V м) любого газа равен 22,4 л моль.

6. Уравнениесостояния идеального газа – Менделеева-Клапейрона:

где Р – давление газа, Па; V – объем газа, м 3 ; m – масса вещества, г; М – его молярная масса, г/моль; Т – абсолютная температура, К; R – универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/моль*К.

7. Закон парциальных давлений (закон Дальтона):

Давление смеси газов, химически не взаимодействующих друг с другом, равно сумме парциальных давлений газов, составляющих смесь .

8. Закон эквивалентов.

Имеет несколько формулировок:

1) массы участвующих в реакции веществ пропорциональны их молярным массам эквивалента :

m 1 / m 2 = M Э1 / M Э2 = …;

2) все вещества реагируют между собой в эквивалентных количествах, т.е. количества молей эквивалента веществ, участвующих в реакции, равны между собой:

ν э1 =ν э2 = …;

m 1 / M Э1 = m 2 / M Э2 =… . .

3) для реагирующих веществ, находящихся в растворе, закон эквивалентов записывают следующим образом:

С Э 1 *V 1 =C Э 2 *V 2 ,

где С Э 1 , С Э 2 – нормальные концентрации или молярные концентрации эквивалента первого и второго растворов, моль/л; V 1 и V 2 – объемы реагирующих растворов, л.

Химия - наука о строении, свойствах веществ, их превращениях и сопровождающих явлениях.

Задачи:

1. Исследование строения вещества, развитие теории строения и свойств молекул и материалов. Важно установление связи между строением и разнообразными свойствами веществ и на этой основе построение теорий реакци­онной способности вещества, кинетики и механизма химических реакций и ката­литических явлений.

2. Осуществление направленного синтеза новых веществ с заданными свойствами. Здесь также важно найти новые реакции и катализаторы для более эффективного осуществления синтеза уже известных и имеющих промышленное значение соединений.

3. Традиционная задача химии приобрела особое значе­ние. Оно связано как с увеличением числа химических объектов и изучаемых свойств, так и с необходимостью определения и уменьшения последствий воз­действия человека на природу.

Химия является общетеоретической дисциплиной. Она призвана дать студентам современное научное представление о веществе как одном из видов движущейся материи, о путях, механизмах и способах превращения одних веществ в другие. Знание основных химических за­конов, владение техникой химических расчетов, понимание возможностей, пре­доставляемых химией с помощью других специалистов, работающих в отдель­ных и узких ее областях, значительно ускоряют получение нужного результата в различных сферах инженерной и научной деятельности.

Химическая отрасль - одна из важнейших отраслей промышленности в нашей стране. Производимые ею химические соединения, различные композиции и материалы применяются повсюду: в машиностроении, металлургии, сельском хозяйстве, строительстве, электротехнической и элек­тронной промышленности, связи, транспорте, космической технике, медицине, быту, и др. Главными направлениями развития современной химической промышленности являются: производство новых соединений и материалов и повышение эффек­тивности существующих производств.

В медицинском вузе студенты изучают общую, биоорганическую, биологическую химию, а также клиническую биохимию. Знания студентами комплекса химических наук в их преемственности и взаимосвязи дают большую возможность, больший простор в исследовании и практическом использовании различных явлений, свойств и закономерностей, способствует развитию личности.

Специфическими особенностями изучения химических дисциплин в медицинском вузе являются:

· взаимозависимость между целями химического и медицинского образования;

· универсальность и фундаментальность данных курсов;

· особенность построения их содержания в зависимости от характера и общих целей подготовки врача и его специализации;

· единство изучения химических объектов на микро- и макроуровнях с раскрытием разных форм их химической организации как единой системы и проявляемых ею разных функций (химических, биологических, биохимических, физиологических и др.) в зависимости от их природы, среды и условий;

· зависимость от связи химических знаний и умений с реальной действительностью и практикой, в том числе медицинской, в системе «общество - природа - производство - человек», обусловленных неограниченными возможностями химии в создании синтетических материалов и их значением в медицине, развитием нанохимии, а также в решении экологических и многих других глобальных проблем человечества.

1. Взаимосвязь между процессами обмена веществ и энергии в организме

Процессы жизнедеятельности на Земле обусловлены в значительной мере накоплением солнечной энергии в биогенных веществах - белках, жирах, углеводах и последующими превращениями этих веществ в живых организмах с выделением энергии. Особенно отчетливо понимание взаимосвязи химических превращений и энергетических процессов в организме было осознано после работы А. Лавуазье (1743-1794) и П. Лапласа (1749- 1827). Они прямыми калориметрическими измерениями показали, что энергия, выделяемая в процессе жизнедеятельности, определяется окислением продуктов питания кислородом воздуха, вдыхаемым животными.

Обмен веществ и энергии - совокупность процессов превращения веществ и энергии, происходящих в живых организмах, и обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Обмен веществ и энергии является основой жизнедеятельности организмов и принадлежит к числу важнейших специфических признаков живой материи, отличающих живое от неживого. В обмене веществ, или метаболизме, обеспеченном сложнейшей регуляцией на разных уровнях, участвует множество ферментных систем. В процессе обмена поступившие в организм вещества превращаются в собственные вещества тканей и в конечные продукты, выводящиеся из организма. При этих превращениях освобождается и поглощается энергия.

С развитием в XIX-XX вв. термодинамики - науки о взаимопревращениях теплоты и энергий - стало возможно количественно рассчитывать превращение энергии в биохимических реакциях и предсказывать их направление.

Обмен энергии может осуществляться передачей теплоты или совершением работы. Однако живые организмы не находятся в равновесии с окружающей средой и поэтому могут быть названы неравновесными открытыми системами. Тем не менее при наблюдении в течение определенного отрезка времени в химическом составе организма видимых изменений не происходит. Но это не значит, что химические вещества, составляющие организм, не подвергаются никаким превращениям. Напротив, они постоянно и достаточно интенсивно обновляются, о чем можно судить по скорости включения в сложные вещества организма стабильных изотопов и радионуклидов, вводимых в клетку в составе более простых веществ-предшественников.

Между обменом веществ и обменом энергии существует одно принципиальное различие . Земля не теряет и не получает сколько-нибудь заметного количества вещества. Вещество в биосфере обменивается по замкнутому циклу и т.о. используется многократно. Обмен энергией осуществляется иначе. Она не циркулирует по замкнутому циклу, а частично рассеивается во внешнее пространство. Поэтому для поддержания жизни на Земле необходим постоянный приток энергии Солнца. За 1 год в процессе фотосинтеза на земном шаре поглощается около 10 21 кал солнечной энергии. Хотя она составляет лишь 0,02% всей энергии Солнца, это неизмеримо больше, чем та энергия, которая используется всеми машинами, созданными руками человека. Столь же велико количество участвующего в кругообороте вещества.

2. Химическая термодинамика как теоретическая основа биоэнергетики. Предмет и методы химической термодинамики

Химическая термодинамика изучает переходы химической энергии в другие формы - тепловую, электрическую и т. п., уста­навливает количественные законы этих переходов, а также направление и пределы самопроизвольного протекания химиче­ских реакций при заданных условиях.

Термодинамический метод основан на ряде строгих понятий: «система», «состояние системы», «внутренняя энергия системы», «функция состояния системы».

Объектом изучения в термодинамике является система

Одна и та же система может находиться в различных состоя­ниях. Каждое состояние системы характеризуется определенным набором значений термодинамических параметров. К термодина­мическим параметрам относятся температура, давление, плот­ность, концентрация и т. п. Изменение хотя бы только одного термодинамического параметра приводит к изменению состояния системы в целом. Термодинамическое состояние системы назы­вают равновесным, если оно характеризуется постоянством тер­модинамических параметров во всех точках системы и не изменя­ется самопроизвольно (без затраты работы).

Химическая термоди­намика изучает систему в двух равновесных состояниях (конеч­ном и начальном) и на этом основании определяет возможность (или невозможность) самопроизвольного течения процесса при заданных условиях в указанном направлении.

Термодинамика изучает взаимные превращения различных видов энергии, связанные с переходом энергии между телами в форме теплоты и работы. Термодинамика базируется на двух основных законах, по­лучивших название первого и второго начал термодинамики. Предметом изучения в термодинамике является энергия и законы взаимных превращений форм энергии при химических ре акциях, процессах растворения, испарения, кристаллизации.

Хими́ческая термодина́мика - раздел физической химии, изучающий процессы взаимодействия веществ методами термодинамики.
Основными направлениями химической термодинамики являются:
Классическая химическая термодинамика, изучающая термодинамическое равновесие вообще.
Термохимия, изучающая тепловые эффекты, сопровождающие химические реакции.
Теория растворов, моделирующую термодинамические свойства вещества исходя из представлений о молекулярном строении и данных о межмолекулярном взаимодействии.
Химическая термодинамика тесно соприкасается с такими разделами химии, как аналитическая химия; электрохимия; коллоидная химия; адсорбция и хроматография.
Развитие химической термодинамики шло одновременно двумя путями: термохимическим и термодинамическим.
Возникновением термохимии как самостоятельной науки следует считать открытие Германом Ивановичем Гессом, профессором Петербургского университета, взаимосвязи между тепловыми эффектами химических реакций ---законы Гесса.

3. Термодинамические системы: изолированные, закрытые, открытые, гомогенные, гетерогенные. Понятие о фазе.

Система – это совокупность взаимодействующих веществ, мысленно или фактически обособленная от окружающей среды (пробирка, автоклав).

Химическая термодинамика рассматривает переходы из одного состояния в другое, при этом могут изменяться или оставаться постоянными некоторые параметры :

· изобарические – при постоянном давлении;

· изохорические – при постоянном объеме;

· изотермические – при постоянной температуре;

· изобарно - изотермические – при постоянном давлении и температуре и т.д.

Термодинамические свойства системы можно выразить с помощью нескольких функций состояния системы , называемых характеристическими функциями : внутреннейэнергииU , энтальпии H , энтропии S , энергии Гиббса G , энергии Гельмгольца F . Характеристические функции обладают одной особенностью: они не зависят от способа (пути) достижения данного состояния системы. Их значение определяется параметрами системы (давлением, температурой и др.) и зависит от количества или массы вещества, поэтому принято относить их к одному молю вещества.

По способу передачи энергии, вещества и информации между рассматриваемой системы и окружающей средой термодинамические системы классифицируются:

1. Замкнутая (изолированная) система - это система в которой нет обмена с внешними телами ни энергией, ни веществом (в том числе и излучением) , ни информацией.

2. Закрытая система - система в которой есть обмен только с энергией.

3. Адиабатно изолированная система - это система в которой есть обмен энергией только в форме теплоты.

4. Открытая система - это система, которая обменивается и энергией, и веществом, и информацией.

Классификация систем :
1) по возможности тепло- и массообмена: изолированные, закрытые, открытые. Изолированная система не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Закрытая система обменивается с окружающей средой энергией, но не обменивается веществом. Открытая система обменивается с окружающей средой и веществом и энергией. Понятие изолированной системы используется в физической химии как теоретическое.
2) по внутренней структуре и свойствам: гомогенные и гетерогенные. Гомогенной называется система, внутри которой нет поверхностей, делящих систему на части, различные по свойствам или химическому составу. Примерами гомогенных систем являются водные растворы кислот, оснований, солей; смеси газов; индивидуальные чистые вещества. Гетерогенные системы содержат внутри себя естественные поверхности. Примерами гетерогенных систем являются системы, состоящие из различных по агрегатному состоянию веществ: металл и кислота, газ и твёрдое вещество, две нерастворимые друг в друге жидкости.
Фаза – это гомогенная часть гетерогенной системы, имеющая одинаковый состав, физические и химические свойства, отделённая от других частей системы поверхностью, при переходе через которую свойства системы меняются скачком. Фазы бывают твёрдые, жидкие и газообразные. Гомогенная система всегда состоит из одной фазы, гетерогенная – из нескольких. По числу фаз системы классифицируются на однофазные, двухфазные, трёхфазные и т.д.

5.Первое начало термодинамики. Внутренняя энергия. Изобарный и изохорный тепловые эффекты .

Первое начало термодинамики - один из трёх основных законов термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических систем.

Первое начало термодинамики было сформулировано в середине XIX века в результате работ немецкого учёного Ю. Р. Майера, английского физика Дж. П. Джоуля и немецкого физика Г. Гельмгольца.

Согласно первому началу термодинамики, термодинамическая система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии .

Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника. Процесс, протекающий при постоянной температуре, назы­вается изотермическим , при постоянном давлении - изобаричес­ким , при постоянном объеме – изохорическим. Если во время процесса система изолирована от внешней среды таким образом, что исключен теплообмен со средой, процесс называют адиабатическим.

Внутренняя энергия системы. При переходе системы из одного состояния в другое изменяются некоторые ее свойства, в част­ности внутренняя энергия U.

Внутренняя энергия системы представляет со­бой ее полную энергию, которая складывается из кинетической и потенциальной энергий молекул, атомов, атомных ядер и элект­ронов. Внутренняя энергия включает в себя энергию поступатель­ного, вращательного и колебательного движений, а также потен­циальную энергию, обусловленную силами притяжения и оттал­кивания, действующими между молекулами, атомами и внутри­атомными частицами. Она не включает потенциальную энергию положения системы в пространстве и кинетическую энергию дви­жения системы как целого.

Внутренняя энергия является термодинамической функ­цией состояния системы. Это значит, что всякий раз, когда система оказывается в данном состоянии, ее внутренняя энергия принимает определенное присущее этому состоянию зна­чение.

∆U = U 2 - U 1

где U 1 и U 2 - внутренняя энергия системы в конечном и началь­ном состояниях cсоответственно.

Первый закон термодинамики. Если система обменивается с внешней средой тепловой энергией Q и механической энергией (работой) А, и при этом переходит из состояния 1 в состоянии 2, количество энергии, которое выделится или поглощается системой форм теплоты Q или работой А равно полной энергии системы при переходе из одного состояния в другое и записывается.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

1. Естествознание как наука о Природе. Базовые науки естествознания и их взаимосвязь

2. Квантовая физика и ее основные принципы. Мир частиц и античастиц

3. Механика. Основные законы классической механики

1. Естествознание как наука о Природе. Базовые науки естествознания и их взаимосвязь

Естествознание наука о природе . В современном мире естествознание представляет систему наук о природе, или так называемых естественных наук, взятых во взаимной связи и опирающихся, как правило, на математические способы описания объектов исследования.

Естествознание:

Одна из трех основных областей научного знания о природе, обществе и мышлении;

Является теоретической основой промышленной и сельскохозяйственной техники и медицины

Является естественнонаучным фундаментом картины мира.

Являясь фундаментом формирования научной картины мира, естествознание представляет собой определенную систему взглядов на то или иное понимание естественных явлений или процессов. И если такая система взглядов принимает единый, определяющий характер, то она, как правило, называется концепцией. С течением времени появляются новые эмпирические факты и обобщения и система взглядов на понимание процессов изменяется, появляются новые концепции.

Если рассматривать предметную область естествознания предельно широко, то она включает:

Различные формы движения материи в природе;

Их материальные носители, которые образуют "лестницу" уровней структурной организации материи;

Их взаимосвязь, внутреннюю структуру и генезис.

Но так было не всегда. Проблемы устройства, происхождения организации всего, что есть во Вселенной (Космосе), в 4-6 веках относились к "физике". А Аристотель называл тех, кто занимался этими проблемами, просто "физиками" или "физиологами", т.к. древнегреческое слово "физика" равно слову "природа".

В современном естествознании природа рассматривается не абстрактно, вне деятельности человека, а конкретно, как находящаяся под воздействием человека, т.к. ее познание достигается не только умозрительной, теоретической, но и практической производственной деятельностью людей.

Таким образом, естествознание как отражение природы в человеческом сознании совершенствуется в процессе ее активного преобразования в интересах общества.

Из этого вытекают и цели естествознания:

Выявление сущности явлений природы, их законов и на этой основе предвидение или создание новых явлений;

Умение использовать на практике познанные законы, силы и вещества природы.

Отсюда следует, что если общество заинтересовано в подготовке высококвалифицированных специалистов, способных продуктивно использовать свои знания, то цель изучения концепций современного естествознания - это не изучение физики, химии, биологии и т.п., а выявление тех скрытых связей, которые создают органическое единство физических, химических, биологических явлений.

К естественным наукам относятся:

Науки о космосе, его строении и эволюции (астрономия, космология, астрофизика, космохимия и т.д.);

Физические науки (физика) - науки о наиболее глубоких законах природных объектов и в то же время - о наиболее простых формах их изменений;

Химические науки (химия) - науки о веществах и их превращениях

Биологические науки (биология) - науки о жизни;

Науки о Земле (геономия) - сюда относится: геология (наука о строении земной коры), география (наука о размерах и формах участков земной поверхности) и др.

Перечисленные науки не исчерпывают всего естествознания, т.к. человек и человеческое общество от природы неотделимы, являются его частью.

Стремление человека к познанию окружающего мира выражается в различных формах, способах и направлениях его исследовательской деятельности. Каждая из основных частей объективного мира - природа, общество и человек - изучается своими отдельными науками. Совокупность научных знаний о природе формируется естествознанием, т. е. знанием о природе ("естество" - природа - и "знание").

Естествознание - совокупность наук о природе, имеющих предметом своих исследований различные явления и процессы природы, закономерности их эволюции. Кроме того, естествознание является отдельной самостоятельной наукой о природе, как едином целом. Оно позволяет изучить любой объект окружающего нас мира более глубоко, чем это может сделать какая-либо одна из естественных наук. Поэтому естествознание, наряду с науками об обществе и мышлении, - важнейшая часть человеческого знания. Оно включает в себя как деятельность по получению знания, так и ее результаты, т. е. систему научных знаний о природных процессах и явлениях.

Спецификой предмета естествознания является то, что оно исследует одни и те же природные явления сразу с позиций нескольких наук, выявляя наиболее общие закономерности и тенденции, рассматривая Природу как бы сверху. Только так можно представить Природу как единую целостную систему, выявить те основания, на которых строится все разнообразие предметов и явлений окружающего мира. Итогом таких исследований становится формулировка основных законов, связывающих микро-, макро- и мегамиры, Землю и Космос, физические и химические явления с жизнью и разумом во Вселенной. Главная задача настоящего курса - осознание Природы как единой целостности, поиск более глубоких взаимоотношений между физическими, химическими и биологическими явлениями, а также выявление скрытых связей, создающих органическое единство этих явлений.

Структура естествознания представляет собой сложную разветвленную систему знаний, все части которой находятся в отношении иерархической соподчиненности. Это означает, что систему естественных наук можно представить в виде своеобразной лестницы, каждая ступенька которой является фундаментом для следующей за ней науки, и в свою очередь основывается на данных предшествующей науки.

Так, основа, фундамент всех естественных наук - физика, предметом которой являются тела, их движения, превращения и формы проявления на различных уровнях.

Следующая ступень иерархии - химия, изучающая химические элементы, их свойства, превращения и соединения.

В свою очередь химия лежит в основе биологии - науки о живом, изучающей клетку и все от нее производное. В основе биологии - знания о веществе, химических элементах.

Науки о Земле (геология, география, экология и др.) - следующая степень структуры естествознания. Они рассматривают строение и развитие нашей планеты, представляющей собой сложнейшее сочетание физических, химических и биологических явлений и процессов.

Завершает эту грандиозную пирамиду знаний о Природе космология, изучающая Вселенную как целое. Частью этих знаний являются астрономия и космогония, изучающие строение и происхождение планет, звезд, галактик и т. д. На этом уровне происходит новое возвращение к физике. Это позволяет говорить о циклическом, замкнутом характере естествознания, что, очевидно, отражает одно из важнейших свойств самой Природы.

В науке идут сложнейшие процессы дифференциации и интеграции научного знания. Дифференциация науки - это выделение внутри какой-либо науки более узких, частных областей исследования, превращение их в самостоятельные науки. Так, внутри физики выделились физика твердого тела, физика плазмы.

Интеграция науки - это появление новых наук на стыках старых, проявление процессов объединения научного знания. Примером такого рода наук являются: физическая химия, химическая физика, биофизика, биохимия, геохимия, биогеохимия, астробиология и др.

Естествознание - совокупность наук о природе, имеющих предметом своих исследований различные явления и процессы природы, закономерности их эволюции.

Метафизика (греч. meta ta physika - после физики) - философское учение о сверхчувствительных (недоступных опыту) принципах бытия.

Натурфилософия - умозрительное истолкование природы, восприятие ее как единого целого.

Системный подход - представление о мире как о совокупности разноуровневых систем, связанных отношениями иерархической соподчиненности.

2. Квантовая физика и ее основные пр инципы. Мир частиц и античастиц

В 1900г. немецкий физик М. Планк своими исследованиями продемонстрировал, что излучение энергии происходит дискретно, определенными порциями - квантами, энергия которых зависит от частоты световой волны. Теория М. Планка не нуждалась в концепции эфира и преодолевала противоречия и трудности электродинамики Дж. Максвелла. Эксперименты М. Планка привели к признанию двойственного характера света, который обладает одновременно корпускулярными и волновыми свойствами. Понятно, что такой вывод был несовместим с представлениями классической физики. Теория М. Планка положила начало новой квантовой физики, которая описывает процессы, протекающие в микромире.

Опираясь на идеи М. Планка, А. Эйнштейн предложил фотонную теорию света, согласно которой свет есть поток движущихся квантов. Квантовая теория света (фотонная теория) рассматривает свет как волну с прерывистой структурой. Свет есть поток неделимых световых квантов - фотонов. Гипотеза А. Эйнштейна позволила объяснить явление фотоэффекта - выбивания электронов из вещества под действием электромагнитных волн. Стало ясно, что электрон выбивается фотоном лишь в том случае, если энергия фотона достаточна для преодоления силы взаимодействия электронов с атомным ядром. В 1922 г. за создание квантовой теории света А. Эйнштейн получил Нобелевскую премию.

Объяснение процесса фотоэффекта опиралось, помимо квантовой гипотезы М. Планка, также на новые представления о строении атома. В 1911г. английский физик Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома. Модель представляла собой атом как положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны. Возникающая при движении электронов по орбитам сила уравновешивается притяжением между положительно заряженным ядром и отрицательно заряженными электронами. Общий заряд атома равен нулю, поскольку заряды ядра и электронов равны друг другу. Почти вся масса атома сосредоточена в его ядре, а масса электронов ничтожно мала. С помощью планетарной модели атома было объяснено явление отклонения альфа-частиц при прохождении через атом. Поскольку размеры атома велики по сравнению с размерами электронов и ядра, альфа-частица без препятствий проходит через него. Отклонение наблюдается только тогда, когда альфа-частица проходит близко от ядра, в этом случае электрическое отталкивание вызывает ее резкое отклонение от первоначального пути. В 1913г. датский физик Н. Бор предложил более совершенную модель атома, дополнив идеи Э. Резерфорда новыми гипотезами. Постулаты Н. Бора звучали следующим образом:

1. Постулат стационарных состояний. Электрон совершает в атоме устойчивые орбитальные движения по стационарным орбитам, не испуская и не поглощая энергии.

2. Правило частот. Электрон способен переходить с одной стационарной орбиты на другую, при этом испуская или поглощая энергию. Поскольку энергии орбит дискретны и постоянны, то при переходе с одной из них на другую всегда испускается или поглощается определенная порция энергии.

Первый постулат позволил ответить на вопрос: почему электроны при движении по круговым орбитам вокруг ядра не падают на него, т.е. почему атом остается устойчивым образованием?

Второй постулат объяснил прерывность спектра излучения электрона. Квантовые постулаты Н. Бора означали отказ от классических физических представлений, которые до этого времени считались абсолютно истинными.

Несмотря на быстрое признание, теория Н. Бора все же не давала ответов на многие вопросы. В частности, ученым не удавалось точно описать многоэлектронные атомы. Выяснилось, что это связано с волновой природой электронов, представлять которые в виде твердых частиц, движущихся по определенным орбитам, ошибочно.

В действительности состояния электрона могут меняться. Н. Бор предположил, что микрочастицы не являются ни волной, ни корпускулой. При одном типе измерительных приборов они ведут себя как непрерывное поле, при другом - как дискретные материальные частицы. Выяснилось, что представление о точных орбитах движения электронов также ошибочно. Вследствие своей волновой природы электроны скорее "размазаны" по атому, причем весьма неравномерно. В определенных точках плотность их заряда достигает максимума. Кривая, связывающая точки максимальной плотности заряда электрона, и представляет собой его "орбиту".

В 20-30-е гг. В. Гейзенберг и Л. де Бройль заложили основы новой теории - квантовой механики. В 1924г. в работе "Свет и материя"

Л. де Бройль высказал предположение об универсальности корпускулярно-волнового дуализма, согласно которому все микрообъекты могут вести себя и как волны, и как частицы. На основе уже установленной дуальной (корпускулярной и волновой) природы света он высказал идею о волновых свойствах любых материальных частиц. Так, например, электрон ведет себя как частица, когда движется в электромагнитном поле, и как волна, когда проходит сквозь кристалл. Эта идея получила название корпускулярно-волнового дуализма. Принцип корпускулярно-волнового дуализма устанавливает единство дискретности и непрерывности материи.

В 1926г. Э. Шредингер на основе идей Л. де Бройля построил волновую механику. По его мнению, квантовые процессы - это волновые процессы, поэтому классический образ материальной точки, занимающей определенное место в пространстве, адекватен только макропроцессам и совершенно неверен для микромира. В микромире частица существует одновременно и как волна, и как корпускула. В квантовой механике электрон можно представить как волну, длина которой зависит от ее скорости. Уравнение Э. Шредингера описывает движение микрочастиц в силовых полях и учитывает их волновые свойства.

На основе этих представлений в 1927г. был сформулирован принцип дополнительности, по которому волновые и корпускулярные описания процессов в микромире не исключают, а взаимно дополняют друг друга, и только в единстве дают полное описание. При точном измерении одной из дополнительных величин другая претерпевает неконтролируемое изменение. Понятия частицы и волны не только дополняют друг друга, но и в то же время противоречат друг другу. Они являются дополняющими картинами происходящего. Утверждение корпускулярно-волнового дуализма стало основой квантовой физики.

В 1927г. немецкий физик В. Гейзенберг пришел к выводу о невозможности одновременного, точного измерения координаты частицы и ее импульса, зависящего от скорости, эти величины мы можем определить только с определенной степенью вероятности. В классической физике предполагается, что координаты движущегося объекта можно определить с абсолютной точностью. Квантовая механика существенно ограничивает эту возможность. В. Гейзенберг в работе "Физика атомного ядра" изложил свои идеи.

Вывод В. Гейзенберга получил название принципа соотношения неопределенностей, который лежит в основе физической интерпретации квантовой механики. Его суть в следующем: невозможно одновременно иметь точные значения разных физических характеристик микрочастицы - координаты и импульса. Если мы получаем точное значение одной величины, то другая остается полностью неопределенной, существуют принципиальные ограничения на измерение физических величин, характеризующих поведение микрообъекте.

Таким образом, заключил В. Гейзенберг, реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы ее или нет. "Квантовая теория уже не допускает вполне объективного описания природы", - писал он. Измерительный прибор влияет на результаты измерения, т.е. в научном эксперименте влияние человека оказывается неустранимым. В ситуации эксперимента мы сталкиваемся с субъект-объектным единством измерительного прибора и изучаемой реальности.

Важно отметить, что это обстоятельство не связано с несовершенством измерительных приборов, а является следствием объективных, корпускулярно-волновых свойств микрообъектов. Как утверждал физик М. Борн, волны и частицы - это только "проекции" физической реальности на экспериментальную ситуацию.

Два фундаментальных принципа квантовой физики - принцип соотношения неопределенностей и принцип дополнительности - указывают на то, что наука отказывается от описания только динамических закономерностей. Законы квантовой физики - статистические. Как пишет В. Гейзенберг, "в экспериментах с атомными процессами мы имеем дело с вещами и фактами, которые столь же реальны, сколь реальны любые явления повседневной жизни. Но атомы или элементарные частицы реальны не в такой степени. Они образуют скорее мир тенденций или возможностей, чем мир вещей и фактов". В дальнейшем квантовая теория стала базой для ядерной физики, а в 1928г. П. Дирак заложил основы релятивистской квантовой механики.

3. Механика. Основн ые законы классической механики

естествознание наука механика квантовый

Классическая механика - физическая теория, устанавливающая законы движения макроскопических тел со скоростями, значительно меньшими скорости света в вакууме.

Классическая механика подразделяется на:

Статику (которая рассматривает равновесие тел)

Кинематику (которая изучает геометрическое свойство движения без рассмотрения его причин)

Динамику (которая рассматривает движение тел).

Основу классической механики составляют три закона Ньютона:

Первый закон Ньютона постулирует существование особых систем отсчета, называемых интерциальными, в которых любое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока на него не действуют силы со стороны других тел (закон инерции).

Второй закон Ньютона утверждает, что в инерциальных системах отсчета ускорение любого тела пропорционально сумме действующих на него сил и обратно пропорционально массе тела (F = ma).

Третий закон Ньютона гласит, что при взаимодействии любых двух тел, они испытывают друг со стороны друга силы, одинаковые по величине и противоположные по направлению (действие равно противодействию).

Чтобы на базе этих основных законов Ньютоновой механики рассчитывать движение физических тел, их необходимо дополнить описанием сил, возникающих между телами при различных способах взаимодействия. В современной физике рассматривается множество различных сил: гравитации, трения, давления, натяжения, Архимеда, подъемная сила, Кулона (электростатическая), Лоренца (магнитная) и др. Все эти силы зависят от взаимного расположения и скорости взаимодействующих тел.

Классическая механика - вид механики (раздела физики, изучающей законы изменения положений тел и причины, это вызывающие), основанный на 3 законах Ньютона и принципе относительности Галилея. Поэтому её часто называют "Ньютоновской механикой". Важное место в классической механике занимает существование инерциальных систем. Классическая механика подразделяется на статику (которая рассматривает равновесие тел) и динамику (которая рассматривает движение тел). Классическая механика дает очень точные результаты в рамках повседневного опыта. Но для систем, движущихся с большими скоростями, приближающимися к скорости света, более точные результаты дает релятивистская механика, для систем микроскопических размеров - квантовая механика, а для систем, обладающих обеими характеристиками - квантовая теория поля. Тем не менее, классическая механика сохраняет свое значение, поскольку она намного проще в понимании и использовании, чем остальные теории, и в обширном диапазоне она достаточно хорошо приближается к реальности. Классическую механику можно использовать для описания движения таких объектов, как волчок и бейсбольный мяч, многих астрономических объектов (таких, как планеты и галактики), и даже многих микроскопических объектов, таких как органические молекулы. Хотя классическая механика в общих чертах совместима с другими "классическими теориями", такими как классическая электродинамика и термодинамика, в конце 19 века были найдены несоответствия, которые удалось разрешить только в рамках более современных физических теорий. В частности, классическая электродинамика предсказывает, что скорость света постоянна для всех наблюдателей, что трудно совместить с классической механикой, и что привело к необходимости создания специальной теории относительности. При рассмотрении совместно с классической термодинамикой, классическая механика приводит к парадоксу Гиббса в котором невозможно точно определить величину энтропии и к ультрафиолетовой катастрофе, в которой абсолютно чёрное тело должно излучать бесконечное количество энергии. Попытки разрешить эти проблемы привели к развитию квантовой механики.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Основные компоненты естествознания как системы естественных наук. Александрийский период развития науки. Основные законы механики Ньютона. Этапы создания учения об электромагнетизме. Квантовая механика. Стехиометрические законы. Явление катализа.

контрольная работа , добавлен 16.01.2009


Цели и задачи курса "Концепции современного естествознания", место данной дисциплины в системе других наук. Классификация наук, предложенная Ф. Энгельсом. Взаимосвязь физических, химических и биологических знаний. Виды атмосферных процессов в природе.

контрольная работа , добавлен 13.06.2013


Место естествознания в современной научной картине мира. Вклад средневековой науки в развитие научного знания. Пример смены парадигм в археологии – борьба концепций эволюционизма и миграционизма. Развитие науки в Средние века, вклад Леонардо да Винчи.

реферат , добавлен 09.12.2010


Значение науки в современной культуре и структура научного знания. Основные этапы эволюции европейского естествознания. Типы физических взаимодействий. Механистическая, электромагнитная и квантово-релятивистская картина мира. Модели строения атома.

учебное пособие , добавлен 27.01.2010


Определение естествознания как отрасли научного познания, его отличие от других наук, разделы естествознания. Наука как одна из форм общественного сознания. Описание и объяснение различных процессов и явлений действительности как основные цели науки.

реферат , добавлен 16.04.2011


Классическая механика как фундамент естественнонаучной теории. Возникновение и развитие классического естествознания. Система Коперника. Галлилео Галлилей. Исаак Ньютон. Формирование основ классической механики. Метод флюксий.

контрольная работа , добавлен 10.06.2007


Систематизация знаний в отдельные науки. Возникновение и развитие естествознания, основные понятия и цели. Связь научных знаний о природе с производственной и трудовой деятельностью человека. Взаимосвязь и взаимозависимость естествознания и общества.

контрольная работа , добавлен 04.04.2009


Концепция как совокупность главных идей методов исследования и описания результатов, функции науки. Картин мира – научная, механическая, электромагнитная и современная (объединяющая все естественные науки). Основные принципы, на которых они основываются.

реферат , добавлен 10.06.2010


Естествознание как система научных знаний о природе, обществе и мышлении взятых в их взаимной связи. Формы движения материи в природе. Предмет, цели, закономерности и особенности развития, эмпирическая, теоретическая и прикладная стороны естествознания.

реферат , добавлен 15.11.2010


Физика и естествознание. Формирование квантовой механики и квантовой физики, специфика их законов и принципов. Основные понятия "элементарность", "простое-сложное", "деление". Многообразие и единство элементарных частиц, проблема их классификации.