Koncepcje współczesnych nauk przyrodniczych. Łóżeczka. Nauki przyrodnicze Powstanie chemii jako nauki, główne etapy jej rozwoju

Brakuje im naukowego zrozumienia wzorców rozwoju otaczającego ich świata i umiejętności wszechstronnego zastosowania wiedzy, którą zdobyli podczas studiowania w szkole podstaw nauk przyrodniczych. W przezwyciężaniu tych braków w kontekście tradycyjnie ustalonego systemu nauczania podstaw nauk przyrodniczych w szkole, dużą rolę odgrywają powiązania interdyscyplinarne.

W większości przypadków nauczyciele ograniczają się do jedynie fragmentarycznego włączania MPS. Nauczyciele rzadko włączają uczniów w samodzielną pracę nad zastosowaniem interdyscyplinarnej wiedzy i umiejętności podczas studiowania materiału programowego, a także w proces samodzielnego przenoszenia zdobytej wcześniej wiedzy do nowej sytuacji. Konsekwencją jest niezdolność dzieci do przekazywania i syntezy wiedzy z przedmiotów pokrewnych.

Nie ma też ciągłości w szkoleniach. Dlatego nauczyciele biologii nieustannie „wybiegają do przodu”, zapoznając uczniów z różnymi procesami fizykochemicznymi zachodzącymi w organizmach żywych, nie odwołując się do pojęć fizykochemicznych.

Rozwiązywanie problemów interdyscyplinarnych wymaga specjalnych umiejętności: łączenia i uogólniania wiedzy przedmiotowej, widzenia przedmiotu w jedności jego różnorodnych właściwości i relacji, oceniania szczegółu z punktu widzenia ogólnego, co zapewnia kształtowanie światopoglądu naukowego uczniów.

Najbardziej złożonym typem umiejętności są umiejętności o złożonej wielostronnej charakterystyce obiektu. Jest to zdolność studentów do realizacji złożonych powiązań interdyscyplinarnych. Specyficzny dla nich jest efekt poznawczy szerokiego przeniesienia wiedzy przedmiotowej i umiejętności do nowych warunków w celu ich kompleksowego zastosowania. Umiejętności te w swojej treści opierają się na wiedzy z różnych przedmiotów edukacyjnych i uogólnionych idei, a ich strona operacyjna ma złożoną strukturę działań o różnym stopniu uogólnienia.

Powiązania interdyscyplinarne komplikują treść i proces aktywności poznawczej uczniów. Konieczne jest zatem stopniowe wprowadzanie zarówno elementów o charakterze problematycznym, jak i wolumenu i złożoności powiązań interdyscyplinarnych. Ważne jest, aby zapewnić rozwój umiejętności poznawczych i sukces edukacyjny, wzmacniając samodzielność uczniów i zainteresowanie poznawaniem powiązań wiedzy z różnych przedmiotów. Metodologia organizacji procesu uczenia się przebiega w następujących etapach:

1. jednostronny IPS na lekcjach przedmiotów pokrewnych w oparciu o edukację reprodukcyjną i elementy problematyczne;
2. zwiększenie złożoności interdyscyplinarnych zadań poznawczych i zwiększenie samodzielności studentów w poszukiwaniu rozwiązań;
3. włączenie dwustronnych, a następnie wielostronnych powiązań między przedmiotami poprzez koordynację działań nauczycieli (proponowanie wspólnych problemów edukacyjnych, ich stopniowe rozwiązywanie w systemie lekcji);
4. rozwój szerokiego systemu pracy nauczycieli realizujących ITS zarówno pod względem treści i metod, jak i form organizacji szkoleń (kompleksowe prace domowe, lekcje, seminaria, wycieczki, konferencje), w tym zajęć pozalekcyjnych i poszerzania zakresu programowego.

Dla tych uczniów, którzy nie mają solidnej bazy wiedzy, rozwiązywanie problemów międzyprzedmiotowych może być przytłaczające i ich zainteresowanie nauką spadnie. Dla uczniów charakteryzujących się wysokim poziomem wiedzy przedmiotowej oparcie się na powiązaniach interdyscyplinarnych jest warunkiem koniecznym ich dalszego rozwoju w procesie uczenia się. Dlatego w organizacji działalności twórczej uczniów w oparciu o MPS wiodące miejsce zajmuje praca edukacyjna mająca na celu opanowanie systemu wiedzy przedmiotowej oraz opanowanie metod jej przekazywania i uogólniania.

„Uczenie się” studentów odbywa się poprzez system kształcenia niezależnych prac, które ćwiczą poszczególne elementy umiejętności kompleksowego stosowania wiedzy: rozpoznawanie IPS w tekstach edukacyjnych, we fragmentach artykułów naukowych, w źródłach pierwotnych, doborze merytorycznego materiału tematycznego dla potwierdzenia, dowód praw dialektyki, ogólnych idei naukowych, koncepcji; analiza konkretnych przykładów (z biologii, fizyki, chemii, historii) z punktu widzenia ogólnych wzorców i kategorii; świadomość interdyscyplinarnego charakteru zadań uczenia się poznawczego; samodzielne formułowanie (wizja) zadań interdyscyplinarnych, problemów w oparciu o porównanie i analizę faktów naukowych z przedmiotów granicznych (biochemicznych, fizykochemicznych, biofizycznych itp.); sporządzenie planu rozwiązania problemu interdyscyplinarnego itp.

Ważną rolę odgrywa pokazanie próbki realizacji takich zadań, prowadzenie rozmów orientacyjnych ustalających logikę rozumowania, uświadamianie kolejności wykonywanych czynności oraz zróżnicowane podejście uwzględniające zainteresowania i możliwości poznawcze uczniów. W kształtowaniu umiejętności nawiązywania powiązań interdyscyplinarnych wymagane są kolejne etapy:

1. rozbudzenie zainteresowania poznawczego uczniów rozwiązywaniem problemów interdyscyplinarnych, ich rozpoznanie i świadomość konieczności wykorzystania wiedzy z różnych dyscyplin;
2. rozwój indywidualnych metod działalności twórczej w oparciu o powiązania interdyscyplinarne;
3. syntezę poszczególnych umiejętności w całościową umiejętność kompleksowego zastosowania wiedzy w rozwiązywaniu problemów interdyscyplinarnych. Głównym warunkiem pomyślnego przekazania wiedzy przedmiotowej jest podobieństwo i podobieństwo struktury treści i elementów proceduralnych w szeregu interdyscyplinarnych zadań poznawczych określonego typu. Na zajęciach należy zachęcać uczniów do samodzielnego rozwiązywania takich problemów poprzez wykonywanie działań według wzorca i opanowywanie uogólnionych wskazówek w zakresie syntezy wiedzy.

Interakcja zainteresowań i umiejętności w procesie rozwiązywania problemów interdyscyplinarnych.

Rozwój zainteresowań poznawczych zależy od opanowania przez uczniów uogólnionych umiejętności poszukiwania i umiejętności wdrażania MPS. Badania psychologii myślenia wykazały, że wewnętrznym stymulatorem aktywności poszukiwawczej, działającym w połączeniu z wiedzą i metodami, jest świadomość celu, potrzeby poznawczej, która reguluje proces poszukiwań, wpływając na jego intensywność emocjonalną. Przyjęcie zadania interdyscyplinarnego w dużej mierze zależy od teoretycznej orientacji zainteresowań poznawczych studenta, jego chęci zrozumienia filozoficznych i światopoglądowych aspektów wiedzy przedmiotowej.

Świadoma identyfikacja problemu interdyscyplinarnego, będącego jednym z przejawów twórczych działań uczniów, sprzyja ścisłemu powiązaniu wiedzy i metod działania w strukturze umiejętności jego rozwiązania. Obliczenie współczynników korelacji wykazało ścisły związek poziomu wiedzy i sposobów działania w pracach studentów, którzy samodzielnie zidentyfikowali interdyscyplinarne zadanie poznawcze.

W procesie rozwiązywania interdyscyplinarnego zadania poznawczego studenci uwzględniają umiejętności przedmiotowe; ich aktywność zależy także od motywu zainteresowania odpowiednimi dyscyplinami akademickimi. Tutaj również istnieje ścisły związek pomiędzy poziomem zainteresowania tematem, szerokością i sukcesem wykorzystania wiedzy z niego wynikającej. Studenci czerpią nowe informacje z dodatkowych źródeł informacji, znajdują oryginalne sposoby na ich analizę i łączenie z materiałem programowym. Brak stabilnych zainteresowań przedmiotowych i wiedzy pozbawia studenta podstaw do działań „interdyscyplinarnych”, powodując czasami negatywny stosunek do niego.

Powiązania interdyscyplinarne na pierwszych etapach włączania w aktywność poznawczą zmieniają zgodność poziomów umiejętności i zainteresowań uczniów przedmiotami. Umiejętności wykazywane przy rozwiązywaniu problemów interdyscyplinarnych zaczynają w większym stopniu zależeć od doświadczenia przeniesienia, opanowania jego metod, niż od wcześniej ustalonego, ale jednak poruszającego zainteresowania konkretnym tematem. U części uczniów pod wpływem powiązań interdyscyplinarnych wzrasta zainteresowanie przedmiotami, które wcześniej ich nie interesowały, jednak poziom wiedzy i umiejętności nadal pozostaje niski. W przypadku innych wręcz przeciwnie, umiejętności transferu interdyscyplinarnego znacznie wzrastają, ale nie obserwuje się zauważalnych zmian w rozwoju zainteresowań przedmiotowych. Pozostają stabilne. Tłumaczy się to tym, że MPS nie są jedynym czynnikiem kształtującym zainteresowania poznawcze uczniów.

Doświadczenie poznawcze, ograniczone do wąskich ram tematycznych, nie pozwala zobaczyć tego, co znane, w nowym, nietypowym aspekcie, niezbędnym do twórczego rozwiązania problemu interdyscyplinarnego. Rozbieżność między wcześniej ukształtowanymi umiejętnościami i zainteresowaniami uczniów, powstająca na pierwszych etapach aktywności poznawczej na podstawie powiązań interdyscyplinarnych, zostaje następnie wyrównana, a relacje między umiejętnościami i zainteresowaniami zostają wzmocnione w oparciu o jakościowo nową, uogólnioną podstawę treści. IPS systematycznie włączane do wiedzy edukacyjnej pozytywnie zmieniają szerokość i zakres stosowania wiedzy i umiejętności. Przyczynia się to do rozwoju umysłowego uczniów i kształtowania szerokich zainteresowań poznawczych jako jednego ze wskaźników rozwoju osobowości. W zajęciach opartych na MPS powstaje trwała zależność: szerokość zainteresowań poznawczych – świadome postrzeganie zadań interdyscyplinarnych – potrzeba wiedzy o powiązaniach interdyscyplinarnych – kreatywne podejście – umiejętność systematycznego myślenia – samodzielność poznawcza ucznia.

Kształtowanie się orientacji ideologicznej zainteresowań poznawczych uczniów szkół średnich.

Włączenie powiązań interdyscyplinarnych do procesu uczenia się jako bodźca zainteresowania poznawczego jakościowo przekształca pozostałe jego bodźce. Dzieje się tak dlatego, że proces edukacyjny jest systemem, w którym wszystkie elementy pozostają w powiązaniu strukturalnym i funkcjonalnym, a zmiana jednego z nich zakłóca te połączenia i wymaga systematycznego podejścia do organizacji całego procesu. Powiązania interdyscyplinarne zawarte w treściach lekcji zwiększają jej nowatorstwo, powodują aktualizację już znanego materiału oraz łączą nową i dotychczasową wiedzę w system.

Powiązania pomiędzy pokrewnymi kursami pozwalają wniknąć głębiej w istotę przedmiotów i ujawnić np. powiązania przyczynowo-skutkowe, fizykochemiczne w procesach biologicznych. Pozwala to pełniej ukazać historię nauki, metody i osiągnięcia nauki nowożytnej, w której wzmacniana jest integracja wiedzy i systematyczne podejście do wiedzy. Wzmacniając stymulującą treść zajęć, powiązania interdyscyplinarne aktywują także proces przyswajania wiedzy, oparty na jej ciągłym stosowaniu. Staje się jasna praktyczna potrzeba i przydatność wiedzy ze wszystkich przedmiotów. Świadomość potrzeby wiedzy rzetelnie wzmacnia zainteresowanie jej pogłębianiem i poszerzaniem. Sam proces poznania, wzbogacony o powiązania interdyscyplinarne, aktywujące procesy myślowe, jest źródłem trwałego zainteresowania uczniów. Połączenia interdyscyplinarne wzmacniają uogólniający charakter treści materiałów edukacyjnych, co wymaga zmian w metodach nauczania.

Powiązania interdyscyplinarne uruchamiają wszystkie bodźce zainteresowań poznawczych związane z działalnością edukacyjną: wprowadzają problematykę, elementy badawcze i twórcze, urozmaicają formy samodzielnej pracy i zachęcają do nabywania nowych umiejętności. Transformując metody nauczania, IPS wpływa na zmiany w swoich formach organizacyjnych. Istnieje potrzeba zbiorowych form organizacji pracy edukacyjnej, które najlepiej rozwiązują problemy interdyscyplinarne, tworząc warunki do manifestowania wiedzy i zainteresowań uczniów innymi przedmiotami. Jednocześnie sukces jest możliwy dla każdego.

Jak wiadomo, sukces działania jest najważniejszym stymulatorem aktywności i zainteresowania nią. W zbiorowych formach pracy edukacyjnej aktywne są bodźce do zainteresowania poznawczego związane z relacjami między uczestnikami procesu edukacyjnego: ton emocjonalny, zaufanie do zdolności poznawczych uczniów, wzajemne wsparcie w działaniach, elementy rywalizacji, zachęty i inne ( G. I. Szczukina).

W procesie kształtowania zainteresowań poznawczych studentów powiązania interdyscyplinarne (merytoryczne, operacyjno-działalnościowe, organizacyjno-metodologiczne) pełnią wieloaspektowe funkcje. Przede wszystkim stymulują zainteresowanie uczniów lekcjami, odzwierciedlając wszystkie inne pozytywne bodźce płynące z treści, zajęć i relacji. Zajęcia edukacyjne oparte na powiązaniach interdyscyplinarnych wzbudzają bezpośrednie zainteresowanie lekcjami. Prowadzone systematycznie stają się warunkiem kształtowania stabilnych zainteresowań poznawczych uczniów. Umiejętności te kształtują się na zasadzie nawiązywania powiązań interdyscyplinarnych, gdy nauczyciel oferuje zadania takie jak „krytykować”, „udowodniać”, „uzasadniać”, „uzasadniać wnioski” itp. Czynnik wartościujący w poznaniu pobudza zainteresowanie i aktywność studentów.

Zatem uczenie się w oparciu o różnorodne powiązania interdyscyplinarne aktywnie kształtuje stabilne, szerokie zainteresowania poznawcze o charakterze ideologicznym, co jest szczególnie cenne dla wszechstronnego rozwoju osobowości ucznia szkoły średniej.

Światopogląd zainteresowań poznawczych to trwałe pragnienie ucznia, aby zrozumieć i uzasadnić podstawowe powiązania wyjaśniające relacje „jednostka i społeczeństwo”, „przyroda i społeczeństwo” oraz „człowiek i praca”. Proces kształtowania się światopoglądowej orientacji zainteresowań poznawczych obejmuje następujące etapy:

1. rozbudzanie zainteresowania i chęci oparcia się na powiązaniach interdyscyplinarnych przy opanowywaniu ogólnoprzedmiotowych idei światopoglądowych za pomocą elementów problematycznych;
2. rozwój i poszerzanie zainteresowań asymilacją idei światopoglądowych, kształtowanie niezależności poznawczej w rozwiązywaniu problemów interdyscyplinarnych;
3. wzmocnienie i pogłębienie zainteresowania problematyką ideologiczną w procesie stale rozwijającej się aktywności i samodzielnej aktywności studentów (system prac twórczych i zajęć pozalekcyjnych o treści interdyscyplinarnej).

Rozwój samodzielności poznawczej uczniów szkół średnich w działaniach opartych na powiązaniach interdyscyplinarnych następuje w ścisłym związku z kształtowaniem się światopoglądu i orientacji wartościowych jednostki, regulujących jej aktywność społeczną.

Sposoby realizacji powiązań interdyscyplinarnych mogą być różne:

• kwestie o treści interdyscyplinarnej: kierowanie działaniami uczniów w celu odtworzenia wiedzy wcześniej studiowanej w innych kursach i tematach edukacyjnych oraz ich zastosowanie w opanowywaniu nowego materiału.
• zadania interdyscyplinarne, które wymagają połączenia wiedzy z różnych przedmiotów lub są kompilowane na materiale z jednego przedmiotu, ale służą konkretnemu celowi poznawczemu w nauczaniu innego przedmiotu. Przyczyniają się do głębszego i bardziej znaczącego przyswojenia materiału programowego, poprawiając umiejętność identyfikowania związków przyczynowo-skutkowych pomiędzy zjawiskami.
• prace domowe o charakterze interdyscyplinarnym - zadawanie pytań do refleksji, przygotowywanie komunikatów, abstraktów, wykonywanie pomocy wizualnych, sporządzanie tabel, diagramów, krzyżówek wymagających wiedzy o charakterze interdyscyplinarnym.
• interdyscyplinarne pomoce wizualne - tabele podsumowujące, wykresy, diagramy, plakaty. Pozwalają studentom wyraźnie zapoznać się z zasobem wiedzy z różnych przedmiotów, ujawniając zagadnienia o treści interdyscyplinarnej.
• eksperyment chemiczny – jeżeli jego przedmiotem są obiekty biologiczne i zachodzące w nich zjawiska chemiczne.

Zastosowanie powiązań interdyscyplinarnych spowodowało pojawienie się nowych form organizacji procesu edukacyjnego: lekcja z powiązaniami interdyscyplinarnymi, kompleksowe seminarium, wycieczka kompleksowa, wycieczka interdyscyplinarna itp.

Lekcje o treści interdyscyplinarnej mogą mieć charakter: lekcja-wykład; lekcja-seminarium; lekcja-konferencja; lekcja odgrywania ról; lekcje-konsultacje itp.

Niezaprzeczalna jest potrzeba interdyscyplinarnych powiązań w procesie uczenia się. Ich konsekwentna i systematyczna realizacja znacząco podnosi efektywność procesu edukacyjnego i kształtuje dialektyczny sposób myślenia uczniów. Ponadto powiązania interdyscyplinarne są niezbędnym warunkiem dydaktycznym dla rozwoju ich zainteresowań znajomością podstaw nauk, w tym przyrodniczych.

LITERATURA

1. Danilyuk D.Ya. Przedmiot akademicki jako system zintegrowany / D.Ya. Danilyuk // Pedagogika. - 1997. - nr 4. - s. 24 - 28.
2. Ilchenko V. R. Skrzyżowanie fizyki, chemii i biologii. - M.: Edukacja, 1986.
3. Maksimova V. N. Połączenia interdyscyplinarne i doskonalenie procesu uczenia się. - M.: Edukacja, 1984. -143 s.
4. Maksimova V. N. Powiązania interdyscyplinarne w procesie edukacyjnym w szkole średniej. - M.: Edukacja, 1986.

Nowikowa Irina Pietrowna
nauczyciel chemii
Miejska placówka oświatowa Sowkhoznaja sosz
Rejon Tambow

System wiedzy przyrodniczej

Naturalna nauka jest jednym z elementów systemu współczesnej wiedzy naukowej, w skład którego wchodzą także zespoły nauk technicznych i humanistycznych. Nauki przyrodnicze to ewoluujący system uporządkowanych informacji o prawach ruchu materii.

Przedmiotem badań są poszczególne nauki przyrodnicze, których całość przypada na początek XX wieku. nazwano historią naturalną, od chwili ich powstania do dnia dzisiejszego istniały i pozostają: materia, życie, człowiek, Ziemia, Wszechświat. W związku z tym współczesne nauki przyrodnicze grupują podstawowe nauki przyrodnicze w następujący sposób:

• fizyka, chemia, chemia fizyczna;
• biologia, botanika, zoologia;
• anatomia, fizjologia, genetyka (nauka o dziedziczności);
• geologia, mineralogia, paleontologia, meteorologia, geografia fizyczna;
• astronomia, kosmologia, astrofizyka, astrochemia.

Oczywiście wymieniono tutaj tylko główne naturalne, ale w rzeczywistości nowoczesne nauki przyrodnicze to złożony i rozgałęziony kompleks obejmujący setki dyscyplin naukowych. Sama fizyka jednoczy całą rodzinę nauk (mechanikę, termodynamikę, optykę, elektrodynamikę itp.). Wraz ze wzrostem wolumenu wiedzy naukowej określone dziedziny nauki uzyskały status dyscyplin naukowych posiadających własny aparat pojęciowy i specyficzne metody badawcze, co często utrudnia dostęp do nich specjalistom zajmującym się innymi dziedzinami tej samej, np. fizyki.

Takie zróżnicowanie w naukach przyrodniczych (jak zresztą w nauce w ogóle) jest naturalną i nieuniknioną konsekwencją coraz bardziej zawężającej się specjalizacji.

Jednocześnie w rozwoju nauki w sposób naturalny zachodzą także przeciwprocesy, w szczególności powstają i kształtują się dyscypliny nauk przyrodniczych, jak to często się mówi, „na przecięciach” nauk: fizyki chemicznej, biochemii, biofizyki, biogeochemii i wielu innych. inni. W efekcie granice, jakie kiedyś wyznaczały poszczególne dyscypliny naukowe i ich działy, stają się bardzo warunkowe, elastyczne i, można by rzec, przejrzyste.

Procesy te, prowadzące z jednej strony do dalszego wzrostu liczby dyscyplin naukowych, z drugiej jednak do ich zbieżności i przenikania się, są jednym z dowodów integracji nauk przyrodniczych, odzwierciedlającym ogólny trend w nowoczesna nauka.

Być może w tym miejscu warto zwrócić się ku takiej dyscyplinie naukowej, która z pewnością zajmuje szczególne miejsce, jak matematyka, będąca narzędziem badawczym i uniwersalnym językiem nie tylko nauk przyrodniczych, ale także wielu innych - takie, w których można dostrzec wzorce ilościowe.

W zależności od metod badawczych, o naukach przyrodniczych możemy mówić:

• opisowy (badanie dowodów i powiązań między nimi);
• dokładne (budowanie modeli matematycznych w celu wyrażenia ustalonych faktów i powiązań, czyli wzorców);
• stosowane (wykorzystywanie systematyki i modeli nauk opisowych i ścisłych do opanowywania i przekształcania przyrody).

Jednak wspólną cechą gatunkową wszystkich nauk zajmujących się przyrodą i technologią jest świadoma działalność zawodowych naukowców, mająca na celu opisywanie, wyjaśnianie i przewidywanie zachowania badanych obiektów oraz natury badanych zjawisk. Nauki humanistyczne różnią się tym, że wyjaśnianie i przewidywanie zjawisk (zdarzeń) opiera się z reguły nie na wyjaśnianiu, ale na rozumieniu rzeczywistości.

Na tym właśnie polega zasadnicza różnica między naukami, których przedmiotem badań są systematyczne obserwacje, powtarzalne badania eksperymentalne i powtarzalne eksperymenty, a naukami badającymi zasadniczo unikalne, niepowtarzalne sytuacje, które z reguły nie pozwalają na dokładne powtórzenie eksperymentu, lub przeprowadzanie określonego eksperymentu więcej niż raz lub eksperymentu.

Kultura współczesna dąży do przezwyciężenia zróżnicowania wiedzy na wiele niezależnych kierunków i dyscyplin, przede wszystkim rozłamu między naukami przyrodniczymi i humanistycznymi, który wyraźnie zarysował się pod koniec XIX wieku. Przecież świat jest jeden w całej swojej nieskończonej różnorodności, dlatego stosunkowo niezależne obszary jednego systemu wiedzy ludzkiej są ze sobą organicznie powiązane; różnica jest tu przejściowa, jedność jest absolutna.

Współcześnie wyraźnie zarysowała się integracja wiedzy nauk przyrodniczych, która przejawia się w wielu postaciach i staje się najbardziej wyraźnym trendem w jej rozwoju. Tendencja ta coraz wyraźniej przejawia się w interakcji nauk przyrodniczych z humanistycznymi. Dowodem tego jest wysunięcie na czoło współczesnej nauki zasad systematyki, samoorganizacji i globalnego ewolucjonizmu, które otwierają możliwość łączenia szerokiej gamy wiedzy naukowej w integralny i spójny system, zjednoczony ogólnymi prawami ewolucji obiektów o różnej naturze.

Istnieją podstawy, by sądzić, że jesteśmy świadkami coraz większego zbliżenia i wzajemnej integracji nauk przyrodniczych i humanistycznych. Potwierdza to powszechne wykorzystanie w badaniach humanitarnych nie tylko środków technicznych i technologii informacyjnych stosowanych w naukach przyrodniczych i technicznych, ale także ogólnych metod badań naukowych, wypracowanych w procesie rozwoju nauk przyrodniczych.

Przedmiotem tego kursu są pojęcia związane z formami istnienia i ruchem materii żywej i nieożywionej, natomiast prawa decydujące o przebiegu zjawisk społecznych są przedmiotem nauk humanistycznych. Należy jednak pamiętać, że niezależnie od tego, jak bardzo różnią się od siebie nauki przyrodnicze i humanistyczne, łączy je ogólna jedność, która jest logiką nauki. To właśnie podporządkowanie tej logice czyni naukę sferą aktywności człowieka mającej na celu identyfikację i teoretyczne usystematyzowanie obiektywnej wiedzy o rzeczywistości.

Naturalno-naukowy obraz świata tworzą i modyfikują naukowcy różnych narodowości, w tym zadeklarowani ateiści oraz wyznawcy różnych wyznań i wyznań. Jednak w swojej działalności zawodowej wszyscy wychodzą z faktu, że świat jest materialny, to znaczy istnieje obiektywnie, niezależnie od ludzi, którzy go badają. Zauważmy jednak, że sam proces poznania może wpływać na badane obiekty świata materialnego i na to, jak je sobie wyobrażamy, w zależności od poziomu rozwoju narzędzi badawczych. Ponadto każdy naukowiec wychodzi z faktu, że świat jest zasadniczo poznawalny.

Proces poznania naukowego jest poszukiwaniem prawdy. Jednak prawda absolutna w nauce jest niepojęta i z każdym krokiem na ścieżce wiedzy posuwa się coraz dalej i głębiej. Zatem na każdym etapie wiedzy naukowcy ustalają prawdę względną, rozumiejąc, że na kolejnym etapie zostanie osiągnięta wiedza dokładniejsza, bardziej adekwatna do rzeczywistości. A to kolejny dowód na to, że proces poznania jest obiektywny i niewyczerpany.

Jakość kształcenia inżynierów w istotny sposób zależy od poziomu ich wykształcenia w zakresie nauk podstawowych: matematyki, fizyki i chemii. Rolę i miejsce chemii w systemie nauk przyrodniczych wyznacza fakt, że w dziedzinie produkcji materialnej człowiek zawsze ma do czynienia z materią.

W życiu codziennym obserwujemy, jak substancje ulegają różnym przemianom: stalowy przedmiot rdzewieje w wilgotnym powietrzu; drewno w piecu pali się, pozostawiając jedynie niewielką kupkę popiołu; benzyna spala się w silniku samochodu, uwalniając do środowiska około dwustu różnych substancji, w tym toksycznych i rakotwórczych; opadłe liście drzew stopniowo gniją, zamieniając się w próchnicę itp.

Znajomość właściwości substancji, budowy, charakteru chemicznego jej cząstek, mechanizmów ich oddziaływania, możliwych sposobów przemiany jednej substancji w drugą - zagadnienia te stanowią przedmiot chemii.

Chemia to nauka o substancjach i prawach ich przemian.

Jako jedna z dziedzin nauk przyrodniczych, chemia jest powiązana z innymi naukami przyrodniczymi. Zmianom chemicznym zawsze towarzyszą zmiany fizyczne. Powszechne stosowanie fizycznych metod badawczych i aparatury matematycznej w chemii zbliżyło ją do fizyki i matematyki. Chemia jest również powiązana z biologią, ponieważ procesom biologicznym towarzyszą ciągłe przemiany chemiczne. Do rozwiązywania problemów geologicznych stosuje się metody chemiczne. Związek między różnymi naukami przyrodniczymi jest bardzo ścisły; na styku nauk powstają nowe nauki, na przykład chemia nuklearna, biochemia, geochemia, kosmochemia itp.

Badanie szeregu problemów technicznych metodami chemicznymi łączy chemię z dyscyplinami inżynierskimi, technicznymi i specjalnymi niezbędnymi do praktycznej działalności inżyniera. Zatem produkcja stali i innych stopów, czystych metali i półprzewodników, wytwarzanie z nich produktów i ich dalsze wykorzystanie, działanie różnych mechanizmów w odpowiednich środowiskach gazowych i ciekłych - wszystko to wymaga szczególnej wiedzy chemicznej i umiejętności stosowania to w praktyce.

Prawie nie ma branży, w której nie wykorzystuje się chemii. Natura daje nam surowce: drewno, rudę, ropę, gaz itp. Poddając naturalne materiały chemicznej obróbce, człowiek otrzymuje różnorodne substancje niezbędne w rolnictwie, przemyśle i gospodarstwie domowym: nawozy, metale, tworzywa sztuczne, farby, leki substancje, mydło, soda itp. Ludzkość potrzebuje chemii, aby uzyskać wszystko, czego potrzebuje z substancji naturalnych - metali, cementu i betonu, ceramiki, porcelany i szkła, gumy, tworzyw sztucznych, włókien sztucznych, farmaceutyków. Do chemicznego przetwarzania surowców naturalnych konieczna jest znajomość ogólnych praw przemian substancji, a wiedzę tę zapewnia chemia.

We współczesnych warunkach, kiedy stało się jasne, że zasoby wielu zasobów naturalnych są ograniczone i nie są odnawiane, gdy obciążenie środowiska przez człowieka stało się tak duże, a zdolność przyrody do samooczyszczania jest ograniczona, szereg na pierwszy plan wysuwają się zasadniczo nowe problemy, których rozwiązania nie da się rozwiązać bez wiedzy chemicznej. Należą do nich przede wszystkim zagadnienia ochrony środowiska i spełniania wymagań środowiskowych w nowych procesach technologicznych, tworzenia zamkniętych cykli produkcyjnych i technologii bezodpadowych, teoretycznego uzasadnienia i rozwoju technologii oszczędzających energię i zasoby. Realizacja wymagań dotyczących wysokiej jakości produktów i ich trwałości jest nie do pomyślenia bez zrozumienia, że ​​kontrola składu chemicznego jest najważniejszym etapem cyklu technologicznego. Walka z korozją materiałów i wyrobów z nich wykonanych oraz nowe metody obróbki powierzchni wymagają od inżyniera głębokiego zrozumienia istoty procesów chemicznych.

Powyższe problemy mogą rozwiązać wszechstronnie kompetentni inżynierowie, którzy przy innych zadaniach potrafią zrozumieć i samodzielnie poruszać się po zagadnieniach chemicznych.

Podstawowe pojęcia chemii

Przedmiotem badań w chemii są pierwiastki chemiczne i ich związki.

Pierwiastek chemiczny to rodzaj atomów o tym samym ładunku jądrowym. Atom to najmniejsza cząstka pierwiastka, która ma swoje właściwości chemiczne.

Cząsteczka to najmniejsza cząsteczka pojedynczej substancji, zdolna do samodzielnego istnienia, posiadająca podstawowe właściwości chemiczne i składająca się z identycznych lub różnych atomów.

Jeśli cząsteczki składają się z identycznych atomów, wówczas substancję nazywa się prostą lub elementarną, na przykład He, Ar, H 2, O 2, S 4. Substancja prosta jest formą istnienia pierwiastka chemicznego w stanie wolnym. Jeśli cząsteczka substancji składa się z różnych atomów, wówczas substancję nazywa się kompleksem (lub związkiem chemicznym), na przykład CO, H 2 O, H 3 PO 4.

Właściwości chemiczne substancji charakteryzują jej zdolność do uczestniczenia w reakcjach chemicznych, czyli w procesach przekształcania jednych substancji w inne.

Masy atomów i cząsteczek są bardzo małe. Na przykład masy poszczególnych atomów wynoszą 10–24–10–22 g. Masy atomów i cząsteczek wyrażane są albo w jednostkach względnych (przez masę dowolnego określonego rodzaju atomu), albo w jednostkach masy atomowej (amu). .

1 amu to 1/12 masy atomu izotopu węgla C. 1a.m.=1,66053*10 -24 g.

Względna wartość masy atomowej (A r) lub masy cząsteczkowej (M r) pokazuje, ile razy masa atomu lub cząsteczki jest większa niż 1/12 masy atomu izotopu węgla C (skala masy atomowej węgla). A r i M r są bezwymiarowe. Wartości Ar podane są w układzie okresowym pierwiastków przez D.I. Mendelejew pod symbolem żywiołu. Liczbowo Ar i A (amu) pokrywają się. Znając względną masę atomową, można łatwo znaleźć masę atomową wyrażoną w gramach. Zatem masa atomu węgla-12 w g jest równa: 12* 1,66053*10 -24 = 1,992636*10 -23 g . Masa cząsteczki jest równa sumie mas atomów tworzących jej skład.

Ilość substancji (n;n) to liczba jednostek strukturalnych (atomów, cząsteczek, jonów, równoważników, elektronów itp.) w układzie. Jednostką miary ilości substancji jest mol. Mol to ilość substancji, która zawiera tyle konkretnych jednostek strukturalnych, ile jest atomów zawartych w 12 g izotopu węgla 12 C. Liczba jednostek strukturalnych zawartych w 1 molu dowolnej substancji w dowolnym stanie skupienia jest stałą Avogadro: N A = 6,02 * 10 23 mol -1 .

Ilość substancji (n) jest równa stosunkowi liczby jednostek strukturalnych (atomów, cząsteczek, jonów, równoważników, elektronów itp.) w układzie (N) do ich liczby w 1 molu substancji (N A ):

Masa molowa (M) to masa 1 mola substancji, równa stosunkowi masy substancji (m) do jej ilości (n):

Podstawową jednostką masy molowej jest g/mol (kg/mol). Masa molowa substancji wyrażona w gramach jest liczbowo równa względnej masie cząsteczkowej tej substancji.

Objętość molowa (V m) to objętość zajmowana przez 1 mol substancji gazowej, równa stosunkowi objętości substancji gazowej (V) do jej ilości():

Pod nr. (273,15 K i 101,325 kPa) dla dowolnej substancji w stanie gazowym V m = 22,4 l/mol.

Równoważnik (E) to rzeczywista lub fikcyjna cząstka substancji, która może zastąpić, dodać, uwolnić lub w inny sposób być równoważna jednemu jonowi wodoru w reakcjach kwasowo-zasadowych lub wymianie jonowej lub jednemu elektronowi w reakcjach redoks(OVR). Odpowiednik jest bezwymiarowy, jego skład wyraża się znakami i wzorami w taki sam sposób, jak w przypadku cząsteczek, atomów czy jonów.

Aby wyznaczyć wzory równoważnika substancji i poprawnie zapisać jej wzór chemiczny, należy wyjść od konkretnej reakcji, w której bierze udział dana substancja.

Spójrzmy na kilka przykładów zdefiniowania równoważnej formuły:

A. 2NaOH+H2SO4=2H2O+Na2SO4.

Krótkie równanie jonowo-molekularne procesu:

2OH - +2H + =2H2O.

W tej reakcji wymiany jonowej biorą udział dwa jony wodoru. Na jeden jon wodorowy przypada:

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

te. jeden jon wodorowy odpowiada: jednej cząsteczce NaOH, 1/2 cząsteczce H 2 SO 4, jednej cząsteczce H 2 O, 1/2 cząsteczce Na 2 SO 4, zatem E(NaOH) = NaOH; E(H2SO4) = 1/2H2SO4; E(H2O)=H2O; E(Na2SO4) = 1/2Na2SO4.

B. Zn+2HCl=ZnCl2+H2

Równania jonowo-elektronowe procesów utleniania i redukcji:

Ten ORR obejmuje dwa elektrony. Dla jednego elektronu mamy:

1/2Zn+HCl=1/2ZnCl2 +1/2H2,

te. jeden elektron odpowiada 1/2 atomu Zn, jednej cząsteczce HСl, 1/2 cząsteczki ZnCl 2 i 1/2 cząsteczki H 2, zatem E(Zn) = 1/2Zn; E(HCl) = HCl; E(ZnCl2) = 1/2ZnCl2; E(H2) = 1/2H2.

Liczba wskazująca, jaki ułamek rzeczywistej cząstki odpowiada jednemu jonowi wodorowemu lub jednemu elektronowi, nazywa się współczynnikiem równoważności f e. Na przykład w rozważanych reakcjach f e (Zn) = 1/2, f e (NaOH) = 1.

W przypadku reakcji redoks stosuje się tę koncepcję „liczba równoważna” (Z), która jest równa liczbie elektronów przyłączonych do jednej cząsteczki środka utleniającego lub oddanych przez jedną cząsteczkę środka redukującego.

Równoważnik molowy to ilość substancji zawierająca 6,02 * 10 23 równoważników. Masę jednego równoważnika molowego substancji nazywa się masą molową równoważnej substancji (M e), mierzone w g/mol i obliczane przy użyciu wzorów:

M mi = m/n mi; M e =f mi *M,

gdzie M jest masą molową substancji, g/mol; ν e – ilość równoważnika substancji, mol.

Aby obliczyć równoważnik masy molowej substancji, można skorzystać z następujących wzorów:

1. Dla prostej substancji:

M mi = M A / B, fa mi = 1 / B,

gdzie MA jest masą molową atomów danej substancji; B to wartościowość atomu, na przykład M e (Al) = 27/3 = 9 g/mol.

2. W przypadku substancji złożonej:

M e =M/B*n, fa e = 1/B*n,

gdzie B jest wartościowością grupy funkcyjnej; n to liczba grup funkcyjnych we wzorze cząsteczki substancji.

W przypadku kwasów grupą funkcyjną jest jon wodoru, dla zasad - jon hydroksylowy, dla soli - jon metalu, dla tlenków - pierwiastek tworzący tlenek.

M kwas = M kwas / zasadowość kwasu.

Zasadowość kwasu określa się na podstawie liczby protonów, które cząsteczka kwasu oddaje podczas reakcji z zasadą..

Na przykład M e (H2SO4) = 98/2 = 49 g/mol.

M e zasady = M zasady / kwasowość zasady.

Kwasowość zasady zależy od liczby protonów dodanych do cząsteczki zasady, gdy ta oddziałuje z kwasem.

Na przykład M e (NaOH) = 40/1 = 40 g/mol.

M e sól = M sól / (liczba atomów metalu * wartościowość metalu).

Na przykład M e (Al 2 (SO 4) 3) = 342/(2*3) = 57 g/mol.

M e tlenek = M tlenek / (liczba atomów pierwiastka tworzącego tlenek * wartościowość pierwiastka).

Na przykład M e (Al 2 O 3) = 102/(2*3) = 17 g/mol.

Ogólnie rzecz biorąc, równoważnik masy molowej związku chemicznego jest równy sumie równoważników masy molowej jego części składowych.

3. Dla utleniacza, reduktora:

gdzie Z jest liczbą równoważną (Z=1/f e).

Jak wiadomo, mol dowolnego gazu w normalnych warunkach (T=273,15 K, P=101,325 kPa lub 760 mmHg) zajmuje objętość równą 22,4 litra; objętość ta nazywana jest objętością molową V m. Na podstawie tej wartości można obliczyć objętość jednego mola równoważnika gazu (V e, l/mol) w normalnych warunkach. Na przykład dla wodoru E(H2) = 1/2H2 równoważnik molowy wodoru jest dwa razy mniejszy niż jego mol cząsteczek, a zatem objętość jednego równoważnika molowego wodoru jest również dwa razy mniejsza niż jego objętość molowa: 22,4 l/2 = 11, 2 l. Dla tlenu E(O 2) = 1/4 O 2, stąd objętość jednego mola równoważnika tlenu jest czterokrotnie mniejsza od jego objętości molowej: 22,4 l/4 = 5,6 l.

Ogólnie: V e =f e *V m; V mi = V/ .

Podstawowe prawa chemii

1. Prawo zachowania masy substancji(M.V. Łomonosow; 1756):

masa substancji, które weszły w reakcję, jest równa masie substancji powstałych w wyniku reakcji.

2. Prawo stałości składu.

Ma różne formuły:

Skład struktury molekularnej związków jest stały niezależnie od sposobu przygotowania (bardziej precyzyjna, współczesna formuła);

- każda złożona substancja, niezależnie od metody jej przygotowania, ma stały skład jakościowy i ilościowy;

Stosunki mas pierwiastków tworzących dany związek są stałe i niezależne od metody otrzymywania tego związku.

3. Prawo wielokrotności(Dalton, 1803):

jeśli dwa pierwiastki tworzą ze sobą kilka związków chemicznych, wówczas masy jednego z pierwiastków przypadające w tych związkach na tę samą masę drugiego są ze sobą powiązane jako małe liczby całkowite.

Prawo stanowiło, że pierwiastki wchodzą w skład związków tylko w określonych proporcjach i potwierdzało idee atomistyczne. Najmniejszą ilością pierwiastka wchodzącą w skład związku jest atom. W związku z tym do związku może wejść tylko cała liczba atomów, a nie ułamkowa. Na przykład stosunki masowe C:O w tlenkach CO2 i CO wynoszą 12:32 i 12:16. Dlatego stosunek masowy tlenu związany ze stałą masą węgla w CO 2 i CO wynosi 2:1.

4. Prawo stosunków objętościowych(Prawo Gay-Lussaca):

Objętości reagujących gazów odnoszą się do siebie nawzajem oraz do objętości powstałych gazowych produktów reakcji jako małe liczby całkowite.

5.Prawo Avogadra( 1811) :

równe objętości dowolnych gazów pobranych w tej samej temperaturze i pod tym samym ciśnieniem zawierają tę samą liczbę cząsteczek. Stała Avogadra N A = 6,02*10 23 mol -1 – liczba jednostek strukturalnych w jednym molu substancji.

Wnioski z prawa Avogadra:

A) w określonej temperaturze i ciśnieniu 1 mol dowolnej substancji w stanie gazowym zajmuje tę samą objętość;

b) pod nr. (273,15 K i 101,325 kPa) objętość molowa (V·m) dowolnego gazu wynosi 22,4 l mol.

6. Równanie stanu gazu doskonałego – Mendelejewa-Clapeyrona:

gdzie P – ciśnienie gazu, Pa; V – objętość gazu, m3; m – masa substancji, g; M to jego masa molowa, g/mol; T – temperatura bezwzględna, K; R jest uniwersalną stałą gazową równą 8,314 J/mol*K.

7. Prawo ciśnień cząstkowych(Prawo Daltona):

Ciśnienie mieszaniny gazów, które nie oddziałują ze sobą chemicznie, jest równe sumie ciśnień cząstkowych gazów tworzących mieszaninę.

8. Prawo ekwiwalentów.

Ma kilka preparatów:

1) masy substancji uczestniczących w reakcji są proporcjonalne do ich równoważnych mas molowych:

m 1 / m 2 = M E1 / M E2 = ...;

2) wszystkie substancje reagują ze sobą w równoważnych ilościach, te. liczba moli równoważnych substancji biorących udział w reakcji jest sobie równa:

ν e1 = ν e2 = …;

m 1 / M E1 = m 2 / M E2 =…. .

3) dla substancji reagujących w roztworze, prawo ekwiwalentów napisane w następujący sposób:

S mi 1 * V 1 = C mi 2 * V 2,

gdzie SE 1, SE 2 to normalne stężenia lub stężenia molowe odpowiedników pierwszego i drugiego roztworu, mol/l; V 1 i V 2 – objętości reagujących roztworów, l.

Chemia- nauka o budowie, właściwościach substancji, ich przemianach i zjawiskach im towarzyszących.

Zadania:

1. Badanie budowy materii, rozwój teorii budowy i właściwości cząsteczek i materiałów. Ważne jest ustalenie powiązania pomiędzy budową a różnymi właściwościami substancji i na tej podstawie konstruowanie teorii reaktywności substancji, kinetyki i mechanizmu reakcji chemicznych oraz zjawisk katalitycznych.

2. Wdrażanie celowanej syntezy nowych substancji o określonych właściwościach. Tutaj również ważne jest znalezienie nowych reakcji i katalizatorów dla wydajniejszej syntezy już znanych i ważnych przemysłowo związków.

3. Tradycyjne zadanie chemii nabrało szczególnego znaczenia. Wiąże się to zarówno ze wzrostem liczby badanych obiektów i właściwości chemicznych, jak i koniecznością określenia i ograniczenia skutków oddziaływania człowieka na przyrodę.

Chemia jest ogólną dyscypliną teoretyczną. Ma na celu przekazanie studentom współczesnego naukowego zrozumienia materii jako jednego z rodzajów poruszającej się materii, sposobów, mechanizmów i metod przekształcania jednych substancji w inne. Znajomość podstawowych praw chemicznych, opanowanie technik obliczeń chemicznych, zrozumienie możliwości, jakie daje chemia przy pomocy innych specjalistów pracujących w jej poszczególnych i wąskich dziedzinach, znacznie przyspiesza uzyskanie pożądanego rezultatu w różnych dziedzinach inżynierii i działalności naukowej.

Przemysł chemiczny jest jedną z najważniejszych gałęzi przemysłu w naszym kraju. Związki chemiczne, różnorodne składy i materiały, które wytwarza, znajdują zastosowanie wszędzie: w budowie maszyn, metalurgii, rolnictwie, budownictwie, przemyśle elektrycznym i elektronicznym, łączności, transporcie, technologii kosmicznej, medycynie, życiu codziennym itp. Główne kierunki rozwoju firmy nowoczesny przemysł chemiczny to: produkcja nowych związków i materiałów oraz zwiększanie wydajności istniejących gałęzi przemysłu.

W szkole medycznej studenci studiują chemię ogólną, bioorganiczną, biologiczną, a także biochemię kliniczną. Znajomość przez studentów kompleksu nauk chemicznych w ich ciągłości i wzajemnych powiązaniach zapewnia większe możliwości, większe pole do badań i praktycznego wykorzystania różnych zjawisk, właściwości i wzorców, a także przyczynia się do rozwoju osobistego.

Specyficzne cechy studiowania kierunków chemicznych na uczelni medycznej to:

· współzależność celów edukacji chemicznej i medycznej;

· uniwersalność i fundamentalność tych kursów;

· specyfikę konstruowania ich treści w zależności od charakteru i ogólnych celów kształcenia lekarza i jego specjalizacji;

· jedność badania obiektów chemicznych na poziomie mikro i makro z ujawnieniem różnych form ich organizacji chemicznej jako pojedynczego układu i różnych funkcji, jakie pełni (chemiczne, biologiczne, biochemiczne, fizjologiczne itp.) w zależności od ich przyroda, środowisko i warunki;

· uzależnienie od powiązania wiedzy i umiejętności chemicznych z rzeczywistością i praktyką, w tym także praktyką medyczną, w układzie „społeczeństwo – przyroda – produkcja – człowiek”, ze względu na nieograniczone możliwości chemii w tworzeniu materiałów syntetycznych i ich znaczenie w medycynie , rozwój nanochemii, a także w rozwiązywaniu problemów środowiskowych i wielu innych globalnych problemów ludzkości.

1. Związek procesów metabolicznych z energią w organizmie

Procesy życiowe na Ziemi w dużej mierze zdeterminowane są akumulacją energii słonecznej w składnikach odżywczych – białkach, tłuszczach, węglowodanach i późniejszymi przemianami tych substancji w organizmach żywych wraz z wyzwoleniem energii. Zrozumienie związku pomiędzy przemianami chemicznymi a procesami energetycznymi w organizmie zostało szczególnie wyraźnie zrealizowane później dzieła A. Lavoisiera (1743-1794) i P. Laplace'a (1749-1827). Za pomocą bezpośrednich pomiarów kalorymetrycznych wykazali, że o energii uwalnianej w procesie życia decyduje utlenianie pożywienia przez tlen z powietrza wdychany przez zwierzęta.

Metabolizm i energia to zespół procesów przemian substancji i energii zachodzących w organizmach żywych oraz wymiany substancji i energii pomiędzy organizmem a środowiskiem. Metabolizm substancji i energii jest podstawą życia organizmów i jest jedną z najważniejszych specyficznych cech materii żywej, odróżniającej ożywioną od nieożywionej. Metabolizm, czyli metabolizm, który zapewnia bardzo złożona regulacja na różnych poziomach, obejmuje wiele układów enzymatycznych. W procesie metabolicznym substancje dostające się do organizmu przekształcają się w substancje własne tkanek oraz w produkty końcowe wydalane z organizmu. Podczas tych przemian energia jest uwalniana i absorbowana.

Wraz z rozwojem w XIX-XX wieku. termodynamika - nauka o wzajemnej przemianie ciepła i energii - umożliwiła ilościowe obliczanie przemian energii w reakcjach biochemicznych i przewidywanie ich kierunku.

Wymiana energii może odbywać się poprzez przekazywanie ciepła lub wykonywanie pracy. Jednakże organizmy żywe nie są w równowadze ze swoim środowiskiem i dlatego można je nazwać nierównowagowymi układami otwartymi. Jednak obserwowane przez pewien okres czasu nie powodują widocznych zmian w składzie chemicznym organizmu. Nie oznacza to jednak, że substancje chemiczne tworzące organizm nie ulegają żadnym przemianom. Wręcz przeciwnie, odnawiają się stale i dość intensywnie, co można ocenić po szybkości, z jaką stabilne izotopy i radionuklidy wprowadzone do komórki w ramach prostszych substancji prekursorowych włączają się w złożone substancje organizmu.

Jest jedna rzecz pomiędzy metabolizmem a metabolizmem energetycznym zasadnicza różnica. Ziemia nie traci ani nie zyskuje żadnej zauważalnej ilości materii. Materia w biosferze wymienia się w obiegu zamkniętym itp. używany wielokrotnie. Wymiana energii odbywa się inaczej. Nie krąży w obiegu zamkniętym, ale jest częściowo rozproszony w przestrzeni zewnętrznej. Dlatego, aby utrzymać życie na Ziemi, niezbędny jest stały dopływ energii ze Słońca. Za 1 rok około 10 21 kał energia słoneczna. Chociaż stanowi ona zaledwie 0,02% całkowitej energii Słońca, jest to niepomiernie więcej niż energia zużywana przez wszystkie maszyny skonstruowane przez człowieka. Ilość substancji biorącej udział w krążeniu jest równie duża.

2. Termodynamika chemiczna jako podstawa teoretyczna bioenergii. Przedmiot i metody termodynamiki chemicznej

Termodynamika chemiczna bada przejścia energii chemicznej w inne formy - cieplną, elektryczną itp., ustala ilościowe prawa tych przejść, a także kierunek i granice spontanicznego występowania reakcji chemicznych w danych warunkach.

Metoda termodynamiczna opiera się na szeregu ścisłych pojęć: „układ”, „stan układu”, „energia wewnętrzna układu”, „funkcja stanu układu”.

Obiekt studiowanie termodynamiki to system

Ten sam system może znajdować się w różnych stanach. Każdy stan układu charakteryzuje się pewnym zbiorem wartości parametrów termodynamicznych. Parametry termodynamiczne obejmują temperaturę, ciśnienie, gęstość, stężenie itp. Zmiana co najmniej jednego parametru termodynamicznego prowadzi do zmiany stanu układu jako całości. Stan termodynamiczny układu nazywa się równowagą, jeżeli charakteryzuje się stałością parametrów termodynamicznych we wszystkich punktach układu i nie zmienia się samoistnie (bez nakładu pracy).

Termodynamika chemiczna bada układ w dwóch stanach równowagi (końcowym i początkowym) i na tej podstawie określa możliwość (lub niemożliwość) samorzutnego procesu w danych warunkach w określonym kierunku.

Termodynamika studia wzajemne przemiany różnych rodzajów energii związane z przekazywaniem energii pomiędzy ciałami w postaci ciepła i pracy. Termodynamika opiera się na dwóch podstawowych prawach, zwanych pierwszą i drugą zasadą termodynamiki. Przedmiot badań w termodynamice jest energia i prawa wzajemnych przemian form energii podczas reakcji chemicznych, procesów rozpuszczania, parowania, krystalizacji.

Termodynamika chemiczna to dział chemii fizycznej zajmujący się badaniem procesów interakcji substancji metodami termodynamicznymi.
Główne kierunki termodynamiki chemicznej to:
Klasyczna termodynamika chemiczna, która ogólnie bada równowagę termodynamiczną.
Termochemia zajmująca się badaniem efektów termicznych towarzyszących reakcjom chemicznym.
Teoria rozwiązań, która modeluje właściwości termodynamiczne substancji w oparciu o wyobrażenia o strukturze molekularnej i danych o oddziaływaniach międzycząsteczkowych.
Termodynamika chemiczna jest ściśle powiązana z takimi gałęziami chemii jak chemia analityczna; elektrochemia; chemia koloidów; adsorpcja i chromatografia.
Rozwój termodynamiki chemicznej przebiegał jednocześnie na dwa sposoby: termochemiczny i termodynamiczny.
Za pojawienie się termochemii jako samodzielnej nauki należy uznać odkrycie przez Hermana Iwanowicza Hessa, profesora Uniwersytetu w Petersburgu, związku pomiędzy termicznymi skutkami reakcji chemicznych – prawami Hessa.

3. Układy termodynamiczne: izolowane, zamknięte, otwarte, jednorodne, niejednorodne. Pojęcie fazy.

System- jest to zbiór oddziałujących ze sobą substancji, psychicznie lub faktycznie izolowanych od środowiska (probówka, autoklaw).

Termodynamika chemiczna uwzględnia przejścia z jednego stanu do drugiego, przy czym niektóre mogą się zmieniać lub pozostać stałe. opcje:

· izobaryczny– przy stałym ciśnieniu;

· izochoryczny– przy stałej głośności;

· izotermiczny– w stałej temperaturze;

· izobaryczny - izotermiczny– przy stałym ciśnieniu i temperaturze itp.

Właściwości termodynamiczne układu można wyrazić za pomocą kilku funkcje stanu systemu, zwany funkcje charakterystyczne: energia wewnętrzna U , entalpia H , entropia S , Energia Gibbsa G , Energia Helmholtza F . Funkcje charakterystyczne mają jedną cechę: nie zależą od sposobu (ścieżki) osiągnięcia danego stanu systemu. Ich wartość zależy od parametrów układu (ciśnienie, temperatura itp.) i zależy od ilości lub masy substancji, dlatego zwyczajowo odnosi się je do jednego mola substancji.

Zgodnie ze sposobem przekazywania energii, materii i informacji pomiędzy rozważanym systemem a otoczeniem, systemy termodynamiczne są klasyfikowane:

1. System zamknięty (izolowany).- jest to układ, w którym nie dochodzi do wymiany energii, materii (w tym promieniowania) ani informacji z ciałami zewnętrznymi.

2. Zamknięty system- układ, w którym następuje wymiana wyłącznie na energię.

3. Układ izolowany adiabatycznie - Jest to układ, w którym następuje wymiana energii wyłącznie w postaci ciepła.

4. Otwarty system to system wymiany energii, materii i informacji.

Klasyfikacja systemu:
1) jeżeli możliwe jest przenikanie ciepła i masy: izolowane, zamknięte, otwarte. Układ izolowany nie wymienia materii ani energii z otoczeniem. Układ zamknięty wymienia energię z otoczeniem, ale nie wymienia materii. Układ otwarty wymienia materię i energię ze swoim otoczeniem. Pojęcie układu izolowanego jest stosowane w chemii fizycznej jako pojęcie teoretyczne.
2) według struktury wewnętrznej i właściwości: jednorodne i niejednorodne. Układ nazywamy jednorodnym, jeśli nie ma w nim powierzchni dzielących układ na części różniące się właściwościami lub składem chemicznym. Przykładami układów jednorodnych są wodne roztwory kwasów, zasad i soli; mieszaniny gazów; poszczególne czyste substancje. Systemy heterogeniczne zawierają w sobie naturalne powierzchnie. Przykładami układów heterogenicznych są układy składające się z substancji różniących się stopniem skupienia: metalu i kwasu, gazu i ciała stałego, dwóch nierozpuszczalnych w sobie cieczy.
Faza- jest to jednorodna część układu heterogenicznego, posiadająca ten sam skład, właściwości fizyczne i chemiczne, oddzielona od innych części układu powierzchnią, przez którą po przejściu następuje gwałtowna zmiana właściwości układu. Fazy ​​​​są stałe, ciekłe i gazowe. Układ jednorodny składa się zawsze z jednej fazy, heterogeniczny z kilku. Na podstawie liczby faz systemy dzieli się na jednofazowe, dwufazowe, trójfazowe itp.

5.Pierwsza zasada termodynamiki. Energia wewnętrzna. Izobaryczne i izochoryczne efekty termiczne .

Pierwsza zasada termodynamiki- jedna z trzech podstawowych praw termodynamiki, reprezentuje prawo zachowania energii dla układów termodynamicznych.

Pierwsza zasada termodynamiki została sformułowana w połowie XIX wieku w wyniku prac niemieckiego naukowca J. R. Mayera, angielskiego fizyka J. P. Joule'a i niemieckiego fizyka G. Helmholtza.

Zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki, układ termodynamiczny może podlegać działa tylko dzięki swojej energii wewnętrznej lub zewnętrznym źródłom energii .

Pierwszą zasadę termodynamiki formułuje się często jako niemożność istnienia maszyny perpetuum mobile pierwszego rodzaju, która wykonywałaby pracę bez pobierania energii z jakiegokolwiek źródła. Proces zachodzący w stałej temperaturze nazywa się izotermiczny, przy stałym ciśnieniu - izobaryczny, przy stałej głośności – izochoryczny. Jeżeli w trakcie procesu układ jest odizolowany od środowiska zewnętrznego w sposób wykluczający wymianę ciepła z otoczeniem, proces nazywa się adiabatyczny.

Energia wewnętrzna układu. Kiedy system przechodzi z jednego stanu do drugiego, zmieniają się niektóre jego właściwości, w szczególności energia wewnętrzna U.

Energia wewnętrzna układu to jego energia całkowita, na którą składają się energie kinetyczne i potencjalne cząsteczek, atomów, jąder atomowych i elektronów. Energia wewnętrzna obejmuje energię ruchów translacyjnych, obrotowych i wibracyjnych, a także energię potencjalną wynikającą z sił przyciągania i odpychania działających pomiędzy cząsteczkami, atomami i cząsteczkami wewnątrzatomowymi. Nie obejmuje energii potencjalnej położenia układu w przestrzeni i energii kinetycznej ruchu układu jako całości.

Energia wewnętrzna jest termodynamiczną funkcją stanu układu. Oznacza to, że ilekroć układ znajdzie się w danym stanie, jego energia wewnętrzna przyjmuje pewną wartość właściwą temu stanowi.

∆U = U 2 - U 1

gdzie U 1 i U 2 są energią wewnętrzną układu V odpowiednio stan końcowy i początkowy.

Pierwsza zasada termodynamiki. Jeżeli układ wymienia energię cieplną Q i energię mechaniczną (pracę) A z otoczeniem zewnętrznym i jednocześnie przechodzi ze stanu 1 do stanu 2, to ilość energii wydzielonej lub pochłoniętej przez układ form ciepła Q lub praca A jest równa całkowitej energii układu podczas przejścia z jednego stanu do drugiego i jest rejestrowana.

Wyślij swoją dobrą pracę do bazy wiedzy jest prosta. Skorzystaj z poniższego formularza

Studenci, doktoranci, młodzi naukowcy, którzy wykorzystują bazę wiedzy w swoich studiach i pracy, będą Państwu bardzo wdzięczni.

Opublikowano na http://www.allbest.ru/

Plan

1. Przyrodoznawstwo jako nauka o przyrodzie. Podstawowe nauki historii naturalnej i ich związek

2. Fizyka kwantowa i jej podstawowe zasady. Świat cząstek i antycząstek

3. Mechanika. Podstawowe prawa mechaniki klasycznej

1. Przyrodoznawstwo jako nauka o przyrodzie. Podstawowe nauki historii naturalnej i ich związek

Naturalna nauka nauka o Natura . We współczesnym świecie nauki przyrodnicze stanowią system nauk przyrodniczych, czyli tak zwanych nauk przyrodniczych, wziętych we wzajemnym powiązaniu i opierających się z reguły na matematycznych metodach opisu przedmiotów badań.

Nauka:

Jeden z trzech głównych obszarów wiedzy naukowej o przyrodzie, społeczeństwie i myśleniu;

Stanowi teoretyczne podstawy technologii przemysłowej i rolniczej oraz medycyny

Jest to naturalny naukowy fundament obrazu świata.

Będąc podstawą kształtowania naukowego obrazu świata, nauki przyrodnicze reprezentują pewien system poglądów na temat określonego rozumienia zjawisk lub procesów naturalnych. A jeśli taki system poglądów nabiera jednego, definiującego charakteru, to z reguły nazywa się go pojęciem. Z biegiem czasu pojawiają się nowe fakty empiryczne i uogólnienia, zmienia się system poglądów na temat rozumienia procesów, pojawiają się nowe koncepcje.

Jeśli spojrzymy na obszar przedmiotowy nauk przyrodniczych niezwykle szeroko, obejmuje on:

Różne formy ruchu materii w przyrodzie;

Ich materialne nośniki, które tworzą „drabinę” poziomów strukturalnej organizacji materii;

Ich związek, struktura wewnętrzna i geneza.

Ale nie zawsze tak było. Problemy struktury, pochodzenia organizacji wszystkiego, co istnieje we Wszechświecie (Kosmosie), w IV-VI wieku łączono z „fizyką”. A Arystoteles nazywał tych, którzy zajmowali się tymi problemami, po prostu „fizykami” lub „fizjologami”, ponieważ Starożytne greckie słowo „fizyka” jest równoznaczne ze słowem „natura”.

We współczesnych naukach przyrodniczych przyrodę rozważa się nie abstrakcyjnie, poza działalnością człowieka, ale konkretnie, jako znajdującą się pod wpływem człowieka, gdyż jego wiedzę zdobywa się nie tylko poprzez spekulatywną, teoretyczną, ale także praktyczną działalność produkcyjną ludzi.

Tym samym nauki przyrodnicze jako odbicie natury w świadomości człowieka doskonalą się w procesie jej aktywnego przekształcania w interesie społeczeństwa.

Cele nauk przyrodniczych wynikają z tego:

Rozpoznawanie istoty zjawisk przyrodniczych, ich praw i na tej podstawie przewidywanie lub tworzenie nowych zjawisk;

Umiejętność wykorzystania w praktyce znanych praw, sił i substancji natury.

Wynika z tego, że jeśli społeczeństwo jest zainteresowane kształceniem wysoko wykwalifikowanych specjalistów, którzy potrafią produktywnie wykorzystać swoją wiedzę, to celem studiowania koncepcji współczesnych nauk przyrodniczych nie jest studiowanie fizyki, chemii, biologii itp., ale identyfikacja te ukryte połączenia, które tworzą organiczną jedność zjawisk fizycznych, chemicznych i biologicznych.

Nauki przyrodnicze obejmują:

Nauki o przestrzeni, jej strukturze i ewolucji (astronomia, kosmologia, astrofizyka, kosmochemia itp.);

Nauki fizyczne (fizyka) - nauki o najgłębszych prawach obiektów naturalnych i jednocześnie - o najprostszych formach ich zmian;

Nauki chemiczne (chemia) - nauki o substancjach i ich przemianach

Nauki biologiczne (biologia) - nauki o życiu;

Nauki o Ziemi (geonomia) – obejmuje to: geologię (naukę o budowie skorupy ziemskiej), geografię (naukę o rozmiarach i kształtach obszarów powierzchni ziemi) itp.

Wymienione nauki nie wyczerpują wszystkich nauk przyrodniczych, gdyż człowiek i społeczeństwo ludzkie są nierozerwalnie związane z przyrodą i stanowią jej część.

Chęć zrozumienia otaczającego świata człowieka wyraża się w różnych formach, metodach i kierunkach jego działalności badawczej. Każda z głównych części obiektywnego świata - przyroda, społeczeństwo i człowiek - jest badana przez odrębne nauki. Korpus wiedzy naukowej o przyrodzie tworzą nauki przyrodnicze, czyli wiedza o przyrodzie („natura” – przyroda – i „wiedza”).

Przyrodoznawstwo to zbiór nauk o przyrodzie, których przedmiotem badań są różne zjawiska i procesy występujące w przyrodzie, wzorce ich ewolucji. Ponadto nauki przyrodnicze są odrębną, niezależną nauką o przyrodzie jako całości. Pozwala nam badać dowolny obiekt w otaczającym nas świecie głębiej, niż jest to w stanie zrobić jakakolwiek inna nauka przyrodnicza. Dlatego nauki przyrodnicze, obok nauk o społeczeństwie i myśleniu, są najważniejszą częścią ludzkiej wiedzy. Obejmuje zarówno działalność zdobywania wiedzy, jak i jej wyników, czyli system wiedzy naukowej o procesach i zjawiskach naturalnych.

Specyfika przedmiotu nauk przyrodniczych polega na tym, że bada on te same zjawiska przyrodnicze z pozycji kilku nauk jednocześnie, identyfikując najogólniejsze wzorce i tendencje, oglądając Naturę jakby z góry. Tylko w ten sposób można wyobrazić sobie Naturę jako jeden integralny system, określić podstawy, na których zbudowana jest cała różnorodność obiektów i zjawisk w otaczającym świecie. Efektem takich badań jest sformułowanie podstawowych praw łączących mikro-, makro- i megaświaty, Ziemię i Kosmos, zjawiska fizyczne i chemiczne z życiem i inteligencją we Wszechświecie. Głównym celem zajęć jest zrozumienie Natury jako jednej całości, poszukiwanie głębszych związków pomiędzy zjawiskami fizycznymi, chemicznymi i biologicznymi, a także identyfikacja ukrytych powiązań tworzących organiczną jedność tych zjawisk.

Struktura nauk przyrodniczych jest złożonym, rozgałęzionym systemem wiedzy, którego wszystkie części pozostają w relacji hierarchicznego podporządkowania. Oznacza to, że system nauk przyrodniczych można przedstawić w postaci pewnego rodzaju drabiny, której każdy stopień stanowi fundament nauki, która po niej następuje, a z kolei opiera się na danych nauki poprzedniej.

Zatem podstawą, fundamentem wszystkich nauk przyrodniczych jest fizyka, której przedmiotem są ciała, ich ruchy, przemiany i formy manifestacji na różnych poziomach.

Kolejnym poziomem hierarchii jest chemia, która bada pierwiastki chemiczne, ich właściwości, przemiany i związki.

Z kolei chemia leży u podstaw biologii – nauki o żywych istotach, która bada komórkę i wszystko, co z niej pochodzi. Biologia opiera się na wiedzy o materii i pierwiastkach chemicznych.

Nauki o Ziemi (geologia, geografia, ekologia itp.) stanowią kolejny poziom struktury nauk przyrodniczych. Uwzględniają strukturę i rozwój naszej planety, która jest złożoną kombinacją zjawisk i procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych.

Tę imponującą piramidę wiedzy o Naturze uzupełnia kosmologia, która bada Wszechświat jako całość. Częścią tej wiedzy jest astronomia i kosmogonia, które badają strukturę i pochodzenie planet, gwiazd, galaktyk itp. Na tym poziomie następuje nowy powrót do fizyki. Pozwala to mówić o cykliczności, zamkniętej naturze nauk przyrodniczych, co oczywiście odzwierciedla jedną z najważniejszych właściwości samej Natury.

W nauce zachodzą złożone procesy różnicowania i integracji wiedzy naukowej. Zróżnicowanie nauki polega na wyodrębnieniu w obrębie nauki węższych, prywatnych obszarów badań i przekształceniu ich w nauki niezależne. Zatem w obrębie fizyki wyróżniono fizykę ciała stałego i fizykę plazmy.

Integracja nauki to powstawanie nowych nauk na styku starych, przejaw procesów unifikacji wiedzy naukowej. Przykładami tego rodzaju nauk są: chemia fizyczna, fizyka chemiczna, biofizyka, biochemia, geochemia, biogeochemia, astrobiologia itp.

Przyrodoznawstwo to zbiór nauk o przyrodzie, których przedmiotem badań są różne zjawiska i procesy występujące w przyrodzie, wzorce ich ewolucji.

Metafizyka (gr. meta ta physika – po fizyce) to filozoficzna doktryna o nadwrażliwych (niedostępnych doświadczeniu) zasadach bytu.

Filozofia przyrody jest spekulatywną interpretacją natury, postrzeganiem jej jako jednej całości.

Podejście systemowe to koncepcja świata jako zbioru wielopoziomowych systemów połączonych relacjami hierarchicznego podporządkowania.

2. Fizyka kwantowa i jej podstawowe zasadyzasady. Świat cząstek i antycząstek

W 1900 Niemiecki fizyk M. Planck w swoich badaniach wykazał, że emisja energii zachodzi dyskretnie, w określonych fragmentach – kwantach, których energia zależy od częstotliwości fali świetlnej. Teoria M. Plancka nie potrzebowała pojęcia eteru i przezwyciężyła sprzeczności i trudności elektrodynamiki J. Maxwella. Eksperymenty M. Plancka doprowadziły do ​​rozpoznania podwójnej natury światła, które ma zarówno właściwości korpuskularne, jak i falowe. Jest oczywiste, że taki wniosek był niezgodny z ideami fizyki klasycznej. Teoria M. Plancka zapoczątkowała nową fizykę kwantową, która opisuje procesy zachodzące w mikrokosmosie.

Opierając się na pomysłach M. Plancka, A. Einstein zaproponował fotonową teorię światła, według której światło jest strumieniem poruszających się kwantów. Kwantowa teoria światła (teoria fotonów) traktuje światło jako falę o nieciągłej strukturze. Światło jest strumieniem niepodzielnych kwantów świetlnych – fotonów. Hipoteza A. Einsteina pozwoliła wyjaśnić zjawisko efektu fotoelektrycznego - wybijania elektronów z substancji pod wpływem fal elektromagnetycznych. Stało się jasne, że foton wybija elektron tylko wtedy, gdy energia fotonu jest wystarczająca do pokonania siły oddziaływania między elektronami a jądrem atomowym. W 1922 r. A. Einstein otrzymał Nagrodę Nobla za stworzenie kwantowej teorii światła.

Wyjaśnienie procesu efektu fotoelektrycznego opierało się, oprócz hipotezy kwantowej M. Plancka, także na nowych koncepcjach budowy atomu. W 1911 r Angielski fizyk E. Rutherford zaproponował planetarny model atomu. Model przedstawiał atom jako dodatnio naładowane jądro, wokół którego krążą ujemnie naładowane elektrony. Siła wytwarzana, gdy elektrony poruszają się po swoich orbitach, jest równoważona przez przyciąganie pomiędzy dodatnio naładowanym jądrem i ujemnie naładowanymi elektronami. Całkowity ładunek atomu wynosi zero, ponieważ ładunki jądra i elektronów są sobie równe. Prawie cała masa atomu skupia się w jego jądrze, a masa elektronów jest znikoma. Wykorzystując planetarny model atomu wyjaśniono zjawisko odchylania cząstek alfa podczas przejścia przez atom. Ponieważ rozmiar atomu jest duży w porównaniu z rozmiarem elektronów i jądra, cząstka alfa przechodzi przez niego bez przeszkód. Odchylenie obserwuje się tylko wtedy, gdy cząstka alfa przechodzi blisko jądra, w którym to przypadku odpychanie elektryczne powoduje, że gwałtownie zbacza z pierwotnej ścieżki. W 1913 r Duński fizyk N. Bohr zaproponował bardziej zaawansowany model atomu, uzupełniając idee E. Rutherforda o nowe hipotezy. Postulaty N. Bohra brzmiały następująco:

1. Postulat stanów stacjonarnych. Elektron wykonuje stabilne ruchy orbitalne w atomie po orbitach stacjonarnych, nie emitując ani nie pochłaniając energii.

2. Reguła częstotliwości. Elektron może przemieszczać się z jednej orbity stacjonarnej na drugą, emitując lub pochłaniając energię. Ponieważ energie orbit są dyskretne i stałe, podczas przemieszczania się z jednej z nich na drugą zawsze jest emitowana lub pochłaniana pewna część energii.

Postulat pierwszy pozwolił odpowiedzieć na pytanie: dlaczego elektrony poruszając się po orbitach kołowych wokół jądra, nie spadają na nie, tj. Dlaczego atom pozostaje stabilną formacją?

Drugi postulat wyjaśniał nieciągłość widma emisji elektronów. Kwantowe postulaty N. Bohra oznaczały odrzucenie klasycznych koncepcji fizycznych, które do tej pory uważano za absolutnie prawdziwe.

Pomimo szybkiego uznania teoria N. Bohra nadal nie dała odpowiedzi na wiele pytań. W szczególności naukowcom nie udało się dokładnie opisać atomów wieloelektronowych. Okazało się, że wynika to z falowej natury elektronów, którą błędnie wyobraża się jako cząstki stałe poruszające się po określonych orbitach.

W rzeczywistości stany elektronu mogą się zmieniać. N. Bohr zasugerował, że mikrocząstki nie są ani falą, ani korpuskułą. W jednym typie przyrządu pomiarowego zachowują się jak pole ciągłe, w innym jak dyskretne cząstki materiału. Okazało się, że koncepcja dokładnych orbit ruchu elektronów jest również błędna. Elektrony ze względu na swój falowy charakter są raczej „rozmazane” po całym atomie i to bardzo nierównomiernie. W pewnych punktach ich gęstość ładunku osiąga maksimum. Krzywa łącząca punkty maksymalnej gęstości ładunku elektronu reprezentuje jego „orbitę”.

W latach 20-30. W. Heisenberg i L. de Broglie położyli podwaliny pod nową teorię - mechanikę kwantową. W 1924 r w pracy „Światło i materia”

L. de Broglie zasugerował uniwersalność dualizmu falowo-cząsteczkowego, zgodnie z którym wszystkie mikroobiekty mogą zachowywać się zarówno jak fale, jak i cząstki. Opierając się na ustalonej już podwójnej (korpuskularnej i falowej) naturze światła, wyraził ideę falowych właściwości dowolnych cząstek materialnych. Na przykład elektron zachowuje się jak cząstka, gdy porusza się w polu elektromagnetycznym, i jak fala, gdy przechodzi przez kryształ. Idea ta nazywa się dualizmem korpuskularno-falowym. Zasada dualności falowo-cząsteczkowej ustanawia jedność dyskretności i ciągłości materii.

W 1926 r E. Schrödinger, bazując na pomysłach L. de Broglie, opracował mechanikę falową. Jego zdaniem procesy kwantowe są procesami falowymi, dlatego klasyczny obraz punktu materialnego zajmującego określone miejsce w przestrzeni jest adekwatny tylko dla makroprocesów i jest całkowicie błędny dla mikroświata. W mikrokosmosie cząstka istnieje jednocześnie jako fala i korpuskuła. W mechanice kwantowej elektron można traktować jako falę, której długość zależy od jej prędkości. Równanie E. Schrödingera opisuje ruch mikrocząstek w polach siłowych i uwzględnia ich właściwości falowe.

Na podstawie tych pomysłów w 1927 r sformułowana została zasada komplementarności, zgodnie z którą falowe i cząsteczkowe opisy procesów zachodzących w mikroświecie nie wykluczają się, lecz uzupełniają i dopiero w jedności dają pełny opis. Kiedy jedna z dodatkowych wielkości zostanie dokładnie zmierzona, druga ulega niekontrolowanej zmianie. Pojęcia cząstek i fal nie tylko się uzupełniają, ale jednocześnie są ze sobą sprzeczne. Są to uzupełniające się obrazy tego, co się dzieje. Twierdzenie o dualności korpuskularno-falowej stało się podstawą fizyki kwantowej.

W 1927 r Niemiecki fizyk W. Heisenberg doszedł do wniosku, że nie da się jednocześnie dokładnie zmierzyć współrzędnej cząstki i jej pędu, który zależy od prędkości. Wielkości te możemy wyznaczyć jedynie z pewnym stopniem prawdopodobieństwa. W fizyce klasycznej zakłada się, że współrzędne poruszającego się obiektu można wyznaczyć z absolutną dokładnością. Mechanika kwantowa znacznie ogranicza tę możliwość. W. Heisenberg przedstawił swoje idee w swojej pracy „Fizyka jądra atomowego”.

Wniosek W. Heisenberga nazywany jest zasadą relacji nieoznaczoności, która leży u podstaw fizycznej interpretacji mechaniki kwantowej. Jego istota jest następująca: nie jest możliwe jednoczesne posiadanie dokładnych wartości różnych właściwości fizycznych mikrocząstki – współrzędnych i pędu. Jeśli uzyskamy dokładną wartość jednej wielkości, to druga pozostaje całkowicie niepewna; istnieją zasadnicze ograniczenia w pomiarze wielkości fizycznych charakteryzujących zachowanie mikroobiektu.

Zatem – konkludował W. Heisenberg – rzeczywistość różni się w zależności od tego, czy ją obserwujemy, czy nie. „Teoria kwantowa nie pozwala już na całkowicie obiektywny opis natury” – napisał. Urządzenie pomiarowe ma wpływ na wyniki pomiaru, tj. W eksperymencie naukowym wpływ człowieka okazuje się nieredukowalny. W sytuacji eksperymentalnej mamy do czynienia z jednością podmiotowo-przedmiotową urządzenia pomiarowego i badanej rzeczywistości.

Należy zauważyć, że okoliczność ta nie jest związana z niedoskonałością przyrządów pomiarowych, ale jest konsekwencją obiektywnych, cząsteczkowo-falowych właściwości mikroobiektów. Jak argumentował fizyk M. Born, fale i cząstki są jedynie „projekcjami” rzeczywistości fizycznej na sytuację eksperymentalną.

Dwie podstawowe zasady fizyki kwantowej – zasada relacji niepewności i zasada komplementarności – wskazują, że nauka nie chce opisywać jedynie praw dynamicznych. Prawa fizyki kwantowej mają charakter statystyczny. Jak pisze W. Heisenberg „w eksperymentach z procesami atomowymi mamy do czynienia z rzeczami i faktami równie realnymi jak wszelkie zjawiska życia codziennego. Ale atomy czy cząstki elementarne nie są rzeczywiste w takim stopniu, raczej tworzą świat tendencji lub możliwości niż świat rzeczy i faktów.” Następnie teoria kwantowa stała się podstawą fizyki jądrowej, a w 1928 r. P. Dirac położył podwaliny pod relatywistyczną mechanikę kwantową.

3. Mechanika. Głównypierwsze prawa mechaniki klasycznej

historia naturalna nauka mechanika kwantowa

Mechanika klasyczna to teoria fizyczna ustalająca prawa ruchu ciał makroskopowych przy prędkościach znacznie mniejszych niż prędkość światła w próżni.

Mechanika klasyczna dzieli się na:

Statyka (która uwzględnia równowagę ciał)

Kinematyka (która bada geometryczne właściwości ruchu bez rozważania jego przyczyn)

Dynamika (uwzględniająca ruch ciał).

Podstawą mechaniki klasycznej są trzy prawa Newtona:

Pierwsze prawo Newtona postuluje istnienie specjalnych układów odniesienia, zwanych intertialami, w których każde ciało utrzymuje się w stanie spoczynku lub jednostajnym ruchu liniowym, dopóki nie zadziałają na nie siły pochodzące z innych ciał (prawo bezwładności).

Drugie prawo Newtona głosi, że w inercjalnych układach odniesienia przyspieszenie dowolnego ciała jest proporcjonalne do sumy działających na nie sił i odwrotnie proporcjonalne do masy ciała (F = ma).

Trzecie prawo Newtona mówi, że kiedy dowolne dwa ciała oddziałują na siebie, oddziałują na nie siły o równej wielkości i przeciwnym kierunku (akcja jest równa reakcji).

Aby obliczyć ruch ciał fizycznych w oparciu o te podstawowe prawa mechaniki Newtona, należy je uzupełnić o opis sił, jakie powstają pomiędzy ciałami podczas różnych metod oddziaływania. We współczesnej fizyce bierze się pod uwagę wiele różnych sił: grawitację, tarcie, ciśnienie, napięcie, Archimedes, siłę nośną, Coulomb (elektrostatyczny), Lorentza (magnetyczny) itp. Wszystkie te siły zależą od względnego położenia i prędkości oddziałujących ciał.

Mechanika klasyczna to rodzaj mechaniki (dział fizyki badający prawa zmian położenia ciał i przyczyny je powodujące), oparty na 3 prawach Newtona i zasadzie względności Galileusza. Dlatego często nazywa się ją „mechaniką Newtona”. Ważne miejsce w mechanice klasycznej zajmuje istnienie układów inercjalnych. Mechanika klasyczna dzieli się na statykę (która uwzględnia równowagę ciał) i dynamikę (uwzględnia ruch ciał). Mechanika klasyczna daje bardzo dokładne wyniki w ramach codziennego doświadczenia. Jednak w przypadku układów poruszających się z dużymi prędkościami, zbliżającymi się do prędkości światła, dokładniejsze wyniki daje mechanika relatywistyczna, dla układów o mikroskopijnych rozmiarach - mechanika kwantowa, a dla układów o obu cechach - kwantowa teoria pola. Niemniej jednak mechanika klasyczna pozostaje ważna, ponieważ jest znacznie łatwiejsza do zrozumienia i zastosowania niż inne teorie, a w szerokim zakresie dość dobrze przybliża rzeczywistość. Mechaniki klasycznej można używać do opisu ruchu obiektów, takich jak blaty i piłki baseballowe, wielu obiektów astronomicznych (takich jak planety i galaktyki), a nawet wielu obiektów mikroskopijnych, takich jak cząsteczki organiczne. Chociaż mechanika klasyczna jest w dużej mierze zgodna z innymi „klasycznymi teoriami”, takimi jak klasyczna elektrodynamika i termodynamika, pod koniec XIX wieku odkryto niespójności, które można było rozwiązać jedynie za pomocą nowocześniejszych teorii fizycznych. W szczególności elektrodynamika klasyczna przewiduje, że prędkość światła jest stała dla wszystkich obserwatorów, co jest trudne do pogodzenia z mechaniką klasyczną i co prowadzi do potrzeby szczególnej teorii względności. Mechanika klasyczna rozpatrywana łącznie z termodynamiką klasyczną prowadzi do paradoksu Gibbsa, w którym nie można dokładnie określić wartości entropii, oraz do katastrofy ultrafioletowej, w której ciało doskonale czarne musi wypromieniowywać nieskończoną ilość energii. Próby rozwiązania tych problemów doprowadziły do ​​rozwoju mechaniki kwantowej.

Opublikowano na Allbest.ru

...

Podobne dokumenty

Główne składniki nauk przyrodniczych jako systemu nauk przyrodniczych. Aleksandryjski okres rozwoju nauki. Podstawowe prawa mechaniki Newtona. Etapy tworzenia doktryny elektromagnetyzmu. Mechanika kwantowa. Prawa stechiometryczne. Zjawisko katalizy.

test, dodano 16.01.2009


Cele i zadania przedmiotu „Koncepcje współczesnych nauk przyrodniczych”, miejsce tej dyscypliny w systemie innych nauk. Klasyfikacja nauk zaproponowana przez F. Engelsa. Wzajemne powiązania wiedzy fizycznej, chemicznej i biologicznej. Rodzaje procesów atmosferycznych w przyrodzie.

test, dodano 13.06.2013


Miejsce nauk przyrodniczych we współczesnym naukowym obrazie świata. Wkład nauki średniowiecznej w rozwój wiedzy naukowej. Przykładem zmiany paradygmatu w archeologii jest walka między koncepcjami ewolucjonizmu i migracjonizmu. Rozwój nauki w średniowieczu, wkład Leonarda da Vinci.

streszczenie, dodano 12.09.2010


Znaczenie nauki we współczesnej kulturze i struktura wiedzy naukowej. Główne etapy ewolucji europejskich nauk przyrodniczych. Rodzaje oddziaływań fizycznych. Mechanistyczny, elektromagnetyczny i kwantowo-relatywistyczny obraz świata. Modele budowy atomu.

poradnik, dodano 27.01.2010


Definicja nauk przyrodniczych jako gałęzi wiedzy naukowej, jej odmienność od innych nauk, działy nauk przyrodniczych. Nauka jako jedna z form świadomości społecznej. Opis i wyjaśnienie różnych procesów i zjawisk rzeczywistości jako główne cele nauki.

streszczenie, dodano 16.04.2011


Mechanika klasyczna jako podstawa teorii nauk przyrodniczych. Powstanie i rozwój klasycznych nauk przyrodniczych. System Kopernika. Gallileo Gallilei. Izaaka Newtona. Kształtowanie się podstaw mechaniki klasycznej. Metoda fluksyjna.

test, dodano 06.10.2007


Systematyzacja wiedzy na nauki odrębne. Powstanie i rozwój nauk przyrodniczych, podstawowe pojęcia i cele. Związek wiedzy naukowej o przyrodzie z produkcją i działalnością człowieka. Wzajemne powiązania i współzależności nauk przyrodniczych i społeczeństwa.

test, dodano 04.04.2009


Pojęcie jako zbiór głównych idei metod badawczych i opisu wyników, funkcje nauki. Obrazy świata - naukowe, mechaniczne, elektromagnetyczne i nowoczesne (łączące wszystkie nauki przyrodnicze). Podstawowe zasady, na których się opierają.

streszczenie, dodano 06.10.2010


Przyrodoznawstwo jako system wiedzy naukowej o przyrodzie, społeczeństwie i myśleniu ujęte w ich wzajemnym powiązaniu. Formy ruchu materii w przyrodzie. Przedmiot, cele, wzorce i cechy rozwoju, empiryczne, teoretyczne i stosowane aspekty nauk przyrodniczych.

streszczenie, dodano 15.11.2010


Fizyka i nauki przyrodnicze. Powstawanie mechaniki kwantowej i fizyki kwantowej, specyfika ich praw i zasad. Podstawowe pojęcia „elementarny”, „prosty-złożony”, „podział”. Różnorodność i jedność cząstek elementarnych, problem ich klasyfikacji.