Читать книгу Естествознание. Базовый уровень. 10 класс - Н. С. Пурышева, О. С. Габриелян - Страница 6

1. Приведите примеры физических, химических, биологических законов.

2. Сформулируйте основные положения клеточной теории, с которой вы знакомились при изучении биологии.

Естественно-научные понятия

Естественные науки используют особую систему предметных понятий. Например, в физике используются такие понятия, как сила, броуновское движение, вакуум, гигроскопичность, гравитация, динамика, скорость, ускорение и т. д. Химия использует свою терминологию: химический элемент, химическая реакция, химическая связь и др. Биологи говорят на своём языке, используя понятия: вид, популяция, наследственность, изменчивость, ген, клетка, бактерия, вирус. Некоторые понятия являются универсальными для естественных наук и используются в каждом предметном языке, например: атом, молекула, реакция, температура, энергия. Поэтому, чтобы конкретизировать то или иное понятие, естественные науки уточняют термин: химическая реакция и ядерная реакция, энергия химической связи и внутренняя энергия, физические и биологические периодические явления.

Особую группу понятий составляют естественно-научные величины: скорость, масса, напряжение, электрический заряд, молярная масса, валентность, магнитуда землетрясения. Величины характеризуют определённые свойства объектов или процессов. Так, масса характеризует инертные свойства вещества, скорость – быстроту изменения некоторой величины (пути, течения реакции).

Естественно-научные величины служат не только для описания свойств объектов или процессов, но и для того, чтобы количественно сравнивать степень выраженности этих свойств. С этой целью вводят процедуру измерения величин, для чего используют измерительные приборы.

Измерение величины – это сравнение её с однородной величиной, принятой за единицу.

Например, измерить пройденный телом путь – значит сравнить его с путём, принятым за единицу, т. е. с 1 м. Измерить силу землетрясения – значит сравнить её с силой землетрясения, принятой за 1 балл. Вычислить относительную молекулярную массу – значит определить, во сколько раз эта масса превосходит величину, взятую за единицу (1 атомная единица массы).

В результате измерений получают значения величин. Например, значение заряда электрона равно -1,6 10 ^-19 Кл. Значение величины состоит из числового значения (-1,6•10^-19) и единицы (Кл).

Естественно-научные понятия часто используются в совершенно иных сферах деятельности человека – бизнесе (реклама), производстве (экологическая безопасность), творчестве и т. д.

Приведём несколько примеров, показывающих необходимость правильного употребления терминов и понятий естествознания.

Пример первый. Иногда возникает путаница в употреблении понятий «вещество – материал – физическое тело».

« Напомним, что вещество – это совокупность атомов, имеющая определённый элементный состав и обладающая характерными химическими и физическими свойствами.

В отличие от смесей веществ, состав индивидуального вещества отражается химической формулой и не может быть произвольно изменён.

Так, карбонат кальция – это вещество, состоящее из трёх химических элементов (кальция, углерода и кислорода), состав этого вещества отражает химическая формула CaCO₃, т. е. на один атом кальция в данной соли приходится один атом углерода и три атома кислорода.

Карбонат кальция как вещество может входить в состав различных материалов, например мрамора, школьного мела, минералов кальцита и известняка, штукатурных смесей и т. п. В состав этих материалов наряду с основным компонентом входят и другие вещества. Так, в мраморе, помимо карбоната кальция, содержится карбонат магния MgCO₃ и примеси других веществ, придающих мрамору различную окраску и текстуру.

Окружающие нас предметы – физические тела – могут быть образованы или изготовлены из одного или нескольких материалов. Статуя Венеры Милосской, колонна дворца Тадж-Махал или облицовочная плитка – это физические тела, изготовленные из мрамора.

Пример второй. Ещё одна сложность в понимании и употреблении химических терминов связана с одинаковым (в большинстве случаев) названием химических элементов и простых веществ, ими образованных. Понять, в каком смысле употреблено, например, слово «кислород» – как химический элемент или как простое вещество – можно только по контексту.

« Напомним, что химический элемент – это вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

Простое вещество – вещество, состоящее из атомов одного химического элемента.

Для химических элементов не свойственны признаки, которые мы ассоциируем с веществами: цвет, запах, вкус, агрегатное состояние и др. Все перечисленные качества характеризуют вещества, в том числе простые.

Когда мы говорим «Яблоки содержат много железа», слово «железо» означает химический элемент, а не простое вещество-металл. В словосочетании «железный метеорит», напротив, имеется в виду железо как простое вещество.

Пример третий. Что касается физической терминологии, то наиболее часто мы в обиходе не различаем понятия «вес» и «масса».

Мы измеряем массу тела с помощью весов, сравниваем её с эталоном массы и т. д. Масса – это мера инертности тела.

Вес и масса связаны вторым законом Ньютона, из которого очевидно, что это далеко не одно и то же:

P = mg,

где P – вес; m – масса тела; g – ускорение свободного падения.

В условиях невесомости у всех тел вес равен нулю, а масса у каждого тела своя.

Однако во многих бытовых ситуациях слово «вес» мы используем и тогда, когда речь идёт о массе. Например, мы говорим, что какой-то предмет «весит один килограмм». Даже слова «весы» и «взвешивать» имеют корень «вес», тем не менее имеют отношение к определению массы тела. Так что, строго говоря, мы должны следить за массой своего тела, а не за своим весом.

В измерении величин немаловажную роль играют эталоны.

Эталон – средство измерений (или комплекс средств изменений), обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение единицы какой-либо физической величины.

Международные эталоны основных единиц хранятся в Международном бюро мер и весов – постоянно действующей международной организации со штаб-квартирой, расположенной в городе Севр (предместье Парижа, Франция). Оно было учреждено в 1875 г. вместе с подписанием Метрической конвенции. Основная задача Бюро заключается в обеспечении существования единой системы измерений во всех странах-участницах этой конвенции, для чего выполняются метрологические работы, связанные с разработкой, хранением международных эталонов и сличением национальных эталонов с международными и между собой. В Бюро также проводятся исследования в области метрологии, направленные на увеличение точности измерений.

Современные эталоны – это, как правило, сложные аппаратурные комплексы. А вот эталон массы был и остаётся гирей – платиново-иридиевой образца 1889 г. (именно тогда Международное бюро мер и весов изготовило 42 эталона килограмма). Килограмм никак не связан ни с физическими константами, ни с какими-либо природными явлениями. Поэтому эталон берегут очень тщательно: не дают пылинке на него сесть, ведь пылинка – это уже несколько делений на чувствительных весах. Международный прототип эталона достают из хранилища не чаще одного раза в пятнадцать лет, российский – раз в пять лет. Все работы ведутся со вторичными эталонами (только их допускается сравнивать с основным), от вторичного эталона значение массы передаётся рабочим эталонам, от них – к образцовым наборам гирь.

Эталонные весы во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева установлены на специальном фундаменте в 700 тонн, не связанном со стенами здания, чтобы исключить влияние вибраций. Температура в помещении, где за сутки на весы устанавливаются две килограммовые гири, поддерживается с точностью до 0,01 °C, а все операции ведутся из соседней комнаты с помощью манипуляторов. Погрешность эталона массы России не превышает +0,002 мг.

Как вам известно, эталон времени связан с периодическими процессами. Раньше эталон времени был связан с обращением Земли вокруг своей оси. К середине ХХ в. развитие техники привело к тому, что точность лучших часов превзошла точность природного эталона. Современный эталон – атомная секунда – промежуток времени, равный 9 192 631 770 периодам излучения изотопа атома цезия-133 (¹³³Cs).

Эталон времени – особенный, его нельзя остановить, как нельзя остановить время. Меньше всего он напоминает часы, а оборудование и научные подразделения, которые обеспечивают эксплуатацию эталона, занимают большое здание. Находится оно во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений под Москвой. Российский государственный эталон времени входит в группу лучших мировых эталонов, его относительная погрешность не превышает 5 10^–14, т. е. 0,00000000000005 с. Погрешность эталон даст за полмиллиона лет в 1 с.

Прогресс не только вводит новые эталоны, но и повышает точность старых. Например, длина одного метра, вместо хранящегося в Севре архаичного образца, в настоящее время установлена как величина, равная пути, проходимому светом в вакууме за 1/299 792 458 с.

Естественно-научные законы

Любое явление характеризуется не одной, а несколькими величинами. Так, характеристиками механического движения являются перемещение, время, скорость, ускорение; протекания химической реакции – время, концентрация исходных веществ и продуктов реакции. Величины, характеризующие то или иное явление, оказываются связанными друг с другом. Например, сила тока, проходящего по участку цепи, прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению: где I – сила тока, U – напряжение на участке цепи, R – сопротивление.

Связь между величинами, характеризующими явление или свойство тела, может быть установлена экспериментально или теоретически.

Если связь между величинами носит устойчивый характер, т. е. повторяется в эксперименте, то её называют законом.

В приведённом ранее примере первое уравнение выражает закон Ома для участка электрической цепи. Он устанавливает связь между силой тока и напряжением. Связь эта была установлена Омом экспериментально.

Вам уже известны такие законы, как законы Ньютона, закон Архимеда (ок. 287–212 г. до н. э.), закон Паскаля, законы Менделя, закон постоянства состава веществ, Периодический закон Д. И. Менделеева.

Некоторые естественно-научные законы являются частными, т. е. они описывают ограниченный круг явлений, например закон Ома, закон гомологических рядов в биологии, закон постоянства состава веществ в химии и т. д.

Другие законы носят более общий характер, они используются во всех естественных науках, т. е. в естествознании в целом. Это законы сохранения энергии, импульса, электрического заряда, закон сохранения массы. В естествознании действуют и общефилософские законы, отражающие объективные закономерности развития не только природы, но и общества: закон единства и борьбы противоположностей, закон перехода количественных изменений в качественные, закон отрицания отрицания.

Большинство естественно-научных законов имеют определённые границы применимости. Так, законы Ньютона применимы к макроскопическим телам, которые можно считать материальными точками, движущимися в инерциальных системах отсчёта со скоростями, много меньшими скорости света. Закон постоянства состава веществ распространяется только на группу веществ молекулярного строения, называемую дальтонидами.

Как уже говорилось, некоторые законы установлены экспериментально. Например, закон Авогадро, закон сохранения энергии.

Другие законы являются результатом теоретических изысканий. Например, закон взаимосвязи массы и энергии, сформулированный А. Эйнштейном ещё в 1905 г.:

E = mc²,

где E – энергия; m – масса; c – скорость света в вакууме.

Это, пожалуй, самое известное уравнение в физике (рис. 16), олицетворяющее целую концепцию, согласно которой масса тела является мерой заключённой в нём энергии.

Рис. 16. Изображение знаменитого уравнения Эйнштейна: а – на небоскрёбе в столице Тайваня Тайбэе во время празднования года физики (2005); б – на палубе первого атомного авианосца

Естественно-научные теории

Экспериментальные факты – это один из элементов системы знаний о природе. Более полными эти знания могут стать только при создании теории для объяснения экспериментальных фактов. Так, предположение о том, что вещества состоят из частиц, находящихся в непрерывном хаотическом движении, оставалось гипотезой и после того, как были поставлены эксперименты, косвенным образом доказывающие его справедливость. И лишь после создания Максвеллом классической статистической теории оно превратилось в истинное знание. Следует понимать, что, говоря об истинности знаний, мы имеем в виду современный этап развития науки. Дальнейшее развитие науки и техники может вносить неожиданные поправки.

В процессе познания важно не только установить законы, но и объяснить, почему данное явление подчиняется тем или иным законам. Здесь на помощь приходит теория. Именно теория, теоретические знания позволяют ответить на вопрос «почему?». Так, в XIX в. учёные обнаружили, что водные растворы некоторых веществ проводят электрический ток. И лишь в 1887 г. выдающимся шведским химиком С. А. Аррениусом (1859–1927) были заложены основы теории электролитической диссоциации, которая позволила объяснить природу электрического тока в растворах и расплавах электролитов.

Теория позволяет не только объяснять явления и свойства вещества, но и предсказывать их. Например, зная тип химической связи в веществе и его растворимость в воде, без проведения эксперимента легко предсказать, будет ли его водный раствор проводить электрический ток.

Более того, научная теория, теоретические знания в конечном итоге воплощаются в практически значимые результаты. Теория электролитической диссоциации положила начало современной технологии электрохимического производства, без которого сегодня немыслимы получение множества веществ и материалов, нанесение декоративных, защитных и специальных покрытий, производство химических источников тока, работа заводов и предприятий космической и радиоэлектронной техники.

Что же такое научная теория?

Теория – это система понятий, принципов и законов, позволяющих достаточно полно описывать определённый круг явлений.

Например, молекулярно-кинетическая теория объясняет явления, природа которых связана со строением вещества, в частности тепловые явления.

Естественно-научные теории можно условно разделить на фундаментальные и частные. Так, выделяют четыре фундаментальные физические теории – классическую механику, молекулярно-кинетическую теорию, электродинамику и квантовую теорию. Каждая из этих теорий включает в себя частные теории. Например, в электродинамику входят такие частные теории, как теория проводимости, теория электромагнитной индукции, электростатика и др.

« Знание основных понятий законов, теорий естествознания совершенно необходимо каждому культурному человеку для того, чтобы представлять естественно-научную картину мира. Что это такое и каковы её составляющие, вы узнаете из материала следующего параграфа.

Вы знаете

♦ что такое естественно-научное понятие

♦ что такое естественно-научный закон

♦ что такое естественно-научная теория

Вы можете

♦ объяснить, для чего служат естественно-научные величины и как их можно измерить

♦ обосновать, почему одни естественно-научные законы являются частными, а другие используются во всех естественных науках, и привести примеры тех и других

♦ доказать, что только с помощью теории можно объяснить природу тех или иных явлений и свойств веществ, после чего гипотезы превращаются в истинное знание

Выполните задания

1. Приведите примеры законов, различающихся по степени общности.

2. На примере наследственности и изменчивости при становлении новых форм жизни в биологической эволюции проиллюстрируйте справедливость закона единства и борьбы противоположностей.

3. Объясните, какова роль теории в познании. Приведите примеры фундаментальных и частных теорий. Какие явления они объясняют?

4. В притче Ф. Кривина «Окисление» читаем:

«– Окисляемся, браток?

– Окисляемся.

– Ну и как оно? Ничего?

– Ничего.

Разговор ведут два полена.

– Что-то ты больно спешишь, это, браток, не по-моему. Окисляться надо медленно, с толком, с пониманием…

– А чего тянуть? Раз – и готово!

– Готово! Это смотря как готово… Ты окисляйся по совести, не почём зря. У меня в этом деле опыт есть, я уже три года тут окисляюсь…

Окисляются два полена. Одно медленно окисляется, другое быстро.

Быстро – это значит горит.

Медленно – это значит гниёт.

Вот какие бывают окисления».

Определите, какой из процессов в притче является более общим, а какой частным, аргументируйте свой ответ.

5. Сформулируйте основные положения атомно-молекулярного учения. Какое название носит это учение в курсе физики? Сравните основные положения этого учения и теории.

Темы для рефератов

1. Четыре фундаментальные теории в физике. 2. Теория электролитической диссоциации и её практическое значение в современной промышленности.