Параграф 2 - Естествознание. 10 класс. Габриелян О. С.

Материал из Викирешебника
Перейти к навигации Перейти к поиску
Estestvoznanie-10grade-gabrielyan.png
Предмет: Естествознание
Класс: 10 класс
Автор учебника: Габриелян О. С.
Год издания: 2013
Издательство:
Кол-во заданий: 69
Кол-во упражнений:

Эмпирический уровень научного познания — первичное научное знание, которое получается при контакте с изучаемым объектом. Эмпирия (лат.) – опыт. Эмпирическое исследование осуществляется при помощи наблюдения, эксперимента и измерения.[1]

Эмпирический уровень научного познания[править | править код]

Великие учёные и их открытия[править | править код]

  • Назовите имена учёных — физиков, химиков, биологов, астрономов, которые в процессе собственных наблюдений сделали великие открытия в науке.

Слово «ученый» было придумано философом и теологом Уильямом Уэвеллом в 1833 году. Оно описывает человека, который проводит научные исследования для продвижения знаний в определенной области. Очень немногие ученые смогли сделать вмятину во Вселенной своими необычными открытиями. Давайте узнаем их имена и вклады.

  1. Никола Тесла: Его новаторские эксперименты с переменным током сделали возможной передачу электричества на большие расстояния. Помимо своего вклада в переменный ток, Никола Тесла известен увеличительным передатчиком, который он намеревался передавать электрической энергии на большие расстояния. Он также разработал лодку с дистанционным управлением и турбину без лопастей.
  2. Майкл Фарадей: Фарадей активно изучал хлор и смог впервые сжижить его. В своей исследовательской работе, объясняющей законы электролиза, Фарадей ввел знакомые термины, такие как ион, анод, катод и электрод. Его величайшее достижение произошло в 1831 году, когда он открыл электромагнитную индукцию. Его работа была математически объяснена Джеймсом Клерком Максвеллом как Закон Индукции Фарадея.
  3. Чарльз Дарвин: Его результаты опровергли все теории происхождения животных в то время и предположили, что не только виды могут меняться со временем, но эти изменения обусловлены различными факторами окружающей среды.
  4. Альберт Эйнштейн: В 1915 году, углубляясь в специальную теорию относительности, Эйнштейн описал свою теорию гравитации в общей теории относительности. Это в основном говорит нам, что все, что имеет массу, вызывает искажения в пространстве-времени. Его теория была засвидетельствована научным сообществом во время солнечного затмения в 1919 году. Эйнштейн с помощью общей теории относительности предсказал существование гравитационных волн. Спустя столетие исследователи наконец смогли обнаружить эти волны напрямую.
  5. Мария Кюри: Заинтригованная открытием Анри Беккерелем урана и его рентгеновских излучений в 1869 году, Кюри решила продолжить изучение этого вопроса в своей докторской диссертации. Она смогла определить, что все, что вызывает эти таинственные выбросы, происходило на атомном уровне. Ее исследование было важным шагом на пути к поиску гораздо меньших форм материи. Кюри со своим мужем обнаружили два радиоактивных элемента; полоний и радий. В 1903 году Мария Кюри стала первой женщиной, получившей Нобелевскую премию, и единственной женщиной, получившей ее дважды.
  6. Исаак Ньютон: Ньютон интенсивно изучал математику и оптику большую часть 1660-х и 70-х годов. Работая над призмой, он продемонстрировал рассеивание света и способы управления им (используя вторую призму). В конечном итоге это привело его к созданию первого в мире отражающего телескопа.
  7. Галилео Галилей: В 1609 году он завершил свою собственную версию телескопа (тогда известный как Spyglass), который был обнаружен годом ранее. Вскоре своим телескопом Галилей внимательно наблюдал за луной. Это было начало наблюдательной астрономии. Год спустя он определил четыре самые большие луны Юпитера, которые ранее считались неподвижными звездами. Впоследствии он изучал фазы планеты Венера, что помогло ему в дальнейшей поддержке коперниканского гелиоцентризма. Именно он первым указал, что гравитация воздействует на все объекты одинаково, независимо от их массы.
  8. Николай Коперник: Николай Коперник – один из тех людей, кого всегда волновали основы мироздания. Нестандартное мышление этого польского астронома, математика, богослова и медика позволило ему стать величайшим ученым. Ему удалось опровергнуть теорию древних греков, которые были убеждены, что Земля является центром Вселенной, а вокруг нее вращается Солнце, другие планеты. Польский ученый обосновал и создал иную, гелиоцентрическую теорию мироустройства.
  9. Стивен Хокинг: Стивен Хокинг - это вдохновение не только для молодых ученых, но и для людей всех возрастов и профессий. В то время как он был в значительной степени известен его успехом в научно-популярной ; форма научной литературы, предназначенная для широкой публики, Хокинг сделал несколько важных вкладов в общую теорию относительности, включая теоремы Пенроуза-Хокинга и излучение Хокинга.
  10. Жан Батист Ламарк : Выдвинул свою гипотезу эволюции жизни на земле, за что его прозвали предшественником Дарвина. Также Ламарк ввел термин "биология" и положил начало таким дисциплинам, как зоология и палеонтология беспозвоночных животных.[2]

Примеры некоторых открытий[править | править код]

  • Приведите примеры, когда мечты людей, их наблюдательность и предположения приводили к изобретениям и открытиям.
  1. Изобретение рентгена. В 1895 году немецкий физик Вильгельм Рентген работал с катодно-лучевой трубкой. Несмотря на то, что сама трубка была экранирована, Рентген заметил, что картон, покрытый платиносинеродистым барием и находившийся рядом с трубкой, начинал светиться в темной комнате. Рентген попытался блокировать лучи, но большинство вещей, которые он помещал перед ними, проявляли аналогичный эффект. Когда в конце концов он поставил перед трубкой свою руку, то заметил, что она начинает просвечиваться на изображении, проецируемом на экране. Свое открытие он назвал «икс-лучами» (X-rays). После Рентген заменил трубку фотографической пластиной и получил первую рентгенограмму. Вскоре после этого технология была адаптирована медицинскими учреждениями и исследовательскими лабораториями. Однако опасность длительного воздействия рентгеновских лучей ученым еще только предстояло понять.
  2. Радиоактивность была открыта в 1896 году французским физиком Антуаном Анри Беккерелем. Он занимался исследованием связи люминесценции и недавно открытых рентгеновских лучей. Беккерель решил выяснить, не сопровождается ли всякая люминесценция рентгеновскими лучами? Для проверки своей догадки он взял несколько соединений, в том числе одну из солей урана, фосфоресцирующую желто-зеленым светом. Осветив ее солнечным светом, он завернул соль в черную бумагу и положил в темном шкафу на фотопластинку, тоже завернутую в черную бумагу. Через некоторое время, проявив пластинку, Беккерель действительно увидел изображение куска соли. Но люминесцентное излучение не могло пройти через черную бумагу, и только рентгеновские лучи могли в этих условиях засветить пластинку. Проведя несколько аналогичных экспериментов с использованием урановой соли, он понял, что открыты новые лучи, проходящие сквозь непрозрачные предметы, но не являющиеся рентгеновскими.
  3. Пенициллин. В 1928 году сэр Александр Флеминг, профессор бактериологи, вернувшись в свою лабораторию спустя месяц отдыха со своей семьей, обнаружил, что в одной из его чашек Петри появились плесневые грибы, которые уничтожили до этого находившиеся в ней колонии стафилококков, но при этом не тронули другие культуры. Флеминг отнес грибы, выросшие на пластине с его культурами, к роду пеницилловых и спустя несколько месяцев назвал выделенное вещество пенициллином. Но поскольку Флеминг не был химиком, он не был в состоянии извлечь и очистить активное вещество. О своем открытии ученый написал в 1929 году в британском журнале Экспериментальной Патологии, но его статье было уделено мало внимания. До 1940 года Флеминг продолжал свои опыты, пытаясь разработать методику быстрого выделения пенициллина, которую можно было бы использовать в дальнейшем для более масштабного применения. Впервые пенициллин был применен для лечения человека британскими учеными Говардом Флори и Эрнстом Чейном 2 февраля 1941 года, что положило начало эпохи антибиотиков.
  4. Инсулин. Открытие, которое позже позволило изобрести инсулин, стало чистой случайностью. В 1889 году два доктора из Страсбургского университета, Оскар Минковски и Джозеф вон Меринг, пытаясь понять, как поджелудочная железа влияет на пищеварение, удалили этот орган у здоровой собаки. Спустя несколько дней они обнаружили, что вокруг урины подопытного пса собираются мухи, что оказалось совершенной неожиданностью. Они провели анализ этой мочи и обнаружили в ней сахар. Ученые поняли, что его наличие связано с удаленной несколькими днями ранее поджелудочной железой, что привело к тому, что у собаки развился диабет.
  5. Вулканизированная резина. Изобретателем способа вулканизации считают американца Чарльза Гудьира, который с 1830 года пытался создать материал, способный оставаться эластичным и прочным в жару и холод. Он обрабатывал резиновую смолу кислотой, кипятил ее в магнезии, добавлял различные вещества, однако все его изделия превращались в липкую массу в первый же жаркий день. Открытие пришло к изобретателю случайно. В 1839 году, работая на Массачусетской резиновой фабрике, он однажды уронил на раскаленную плиту ком резины, перемешанной с серой. Вопреки ожиданию, она не расплавилась, а, наоборот, обуглилась, словно кожа. В первом своем патенте он предложил подвергать каучук воздействию нитрита меди и царской водки. Впоследствии изобретатель обнаружил, что резина становится невосприимчивой к температурным воздействиям при добавлении серы и свинца. После многочисленных испытаний Гудьир нашел оптимальный режим вулканизации: он смешал каучук, серу и свинцовый порошок и нагрел эту смесь до определенной температуры, в результате чего получилась резина, которая не изменяла свои свойства ни под влиянием солнечных лучей, ни под воздействием холода.[3]

Роль эксперимента в науке[править | править код]

  • Объясните, какую роль в истории науки играл эксперимент. Приведите примеры законов физики, химии, биологии, которые были открыты с помощью этого метода.

Эксперимент (лат. еxperimentum - проба, опыт) — изучение, исследования явлений и процессов, педагогической системы и ее элементов через воссоздание в искусственно созданных или природных (обычных) условиях. Эксперимент играет значительную роль при осуществлении педагогических, образовательных реформ. Эксперимент дает возможность проверить на практике правильность гипотез, теоретических положений, степень эффективности новых рычагов в профессиональной подготовке специалистов и в высшем образовании. Эксперимент также означает исследование, в процессе которого в заданных условиях меняют один или несколько факторов при неизменности других.[4]

Открытия сделанные при помощи научного эксперимента:

  1. Эксперимент Эратосфена Киренского Один из самых древних известных физических экспериментов, в результате которого был измерен радиус Земли, был проведен в III веке до нашей эры библиотекарем знаменитой Александрийской библиотеки Эрастофеном Киренским. Схема эксперимента проста. В полдень, в день летнего солнцестояния, в городе Сиене (ныне Асуан) Солнце находилось в зените и предметы не отбрасывали тени. В тот же день и в то же время в городе Александрии, находившемся в 800 километрах от Сиена, Солнце отклонялось от зенита примерно на 7°. Это составляет около 1/50 полного круга (360°), откуда получается, что окружность Земли равна 40 000 километров, а радиус 6300 километров. Почти невероятным представляется то, что измеренный столь простым методом радиус Земли оказался всего на 5% меньше значения, полученного самыми точными современными методами, сообщает сайт «Химия и жизнь».
  2. Эксперимент Галилео Галилея В XVII веке господствовала точка зрения Аристотеля, который учил, что скорость падения тела зависит от его массы. Чем тяжелее тело, тем быстрее оно падает. Наблюдения, которые каждый из нас может проделать в повседневной жизни, казалось бы, подтверждают это. Попробуйте одновременно выпустить из рук легкую зубочистку и тяжелый камень. Камень быстрее коснется земли. Подобные наблюдения привели Аристотеля к выводу о фундаментальном свойстве силы, с которой Земля притягивает другие тела. В действительности на скорость падения влияет не только сила притяжения, но и сила сопротивления воздуха. Соотношение этих сил для легких предметов и для тяжелых различно, что и приводит к наблюдаемому эффекту.
  3. Эксперимент Жана Бернара Фуко. Французский физик Жан Бернар Леон Фуко в 1851 году экспериментально доказал вращение Земли вокруг своей оси с помощью 67-метрового маятника, подвешенного к вершине купола парижского Пантеона. Плоскость качания маятника сохраняет неизменное положение по отношению к звездам. Наблюдатель же, находящийся на Земле и вращающийся вместе с ней, видит, что плоскость вращения медленно поворачивается в сторону, противоположную направлению вращения Земли.[5]
  4. Расшифровка ДНК. Джеймс Уотсон (James Watson) и Фрэнсис Крик (Francis Crick) подошли очень близко к расшифровке ДНК, но их открытия в значительной степени зависят от работ Альфреда Херши (Alfred Hershey) и Марты Чейз (Martha Chase), они в 1952 году провели известный по сей день эксперимент, который помог им определить как молекулы ДНК связаны с наследственностью. Херши и Чейз работали с типом вируса, известного как бактериофаг. Этот вирус, состоящий из белковой оболочки, окружает нить ДНК, заражает бактериальную клетку, что программирует ее на производство новых зараженных клеток. Затем вирус убивает клетку и на свет появляются новые вирусы. Херши и Чейз знали об этом, но, при этом, они не знали, какой компонент – белок или ДНК – был ответственен за происходящее. Они не знали это до проведения своего гениального "блендер" эксперимента, который вывел их на ДНК рибонуклеиновые кислоты.[6]
  5. Искусственная радиоактивность. Искусственную радиоактивность открыли супруги Ирен (1897—1956) и Фредерик (1900— 1958) Жолио-Кюри. 15 января 1934 года их заметка была представлена Ж. Перреном на заседании Парижской Академии наук. Ирен и Фредерик сумели установить, что после бомбардировки альфа-частицами некоторые легкие элементы — магний, бор, алюминий — испускают позитроны. Далее они попытались установить механизм этого испускания, которое отличалось по своему характеру от всех известных в то время случаев ядерных превращений. Ученые поместили источник альфа-частиц (препарат полония) на расстоянии одного миллиметра от алюминиевой фольги. Затем они подвергали ее облучению в течение примерно десяти минут. Счетчик Гейгера — Мюллера показал, что фольга испускает излучение, интенсивность которого падает во времени по экспоненциальной зависимости с периодом полураспада 3 минут 15 секунд. В экспериментах с бором и магнием периоды полураспада составили 14 и 2,5 минут соответственно.[7]

Дополнительные вопросы параграфа[править | править код]

Наблюдение за природными явлениями и эксперименты[править | править код]

  • Приведите пример из вашей жизни, когда на основании наблюдений вы приходили к какому-либо выводу. Доводилось ли вам проводить какие-либо естественно-научные эксперименты дома, на садовом участке и т. д.?
Tools.png

Этот раздел требует полной доработки. Знаете ответ? Тогда Вы можете помочь проекту!

  • Чтобы ввести текст в этот раздел, нажмите кнопку "править".
  • {{{описание3}}}

Фундаментальные эксперименты ХIХ — начала ХХ вв.[править | править код]

  • Назовите фундаментальные эксперименты ХIХ — начала ХХ вв., которые заложили основу теории сложного строения атома. Какие теории строения атома вы знаете из курса основной школы?

Представление об атоме появилось в 1803 году, когда английский химик Джон Дальтон начал развивать научное определение атома. Он основывался на идеи древних греков в описании атомов как маленьких, твердых, неделимых сфер, как и у греческих философов, у Дальтона атомы одного элемента идентичны друг другу. Последний пункт по-прежнему является в значительной степени верным, исключением являются изотопы различных элементов, которые отличаются по числу нейтронов. Однако, так как нейтрон не был обнаружен до 1932 года, мы, вероятно, можем простить Дальтону эту ошибку. Дальтон также придумал теорию о том, как атомы объединяются, образуя соединения, а также представил первый набор химических символов для известных элементов.

Представление атомной теории Дальтона было началом развития современной модели атома. Однако затем последовал еще один период где наши знания об атоме никак не прогрессировала. Конечно существовали попытки понять, как атомы могут выглядеть, например, такими попытками являлись например предположения лорда Кельвина, что атомы - это вихревые частицы, вращение которых объясняет их основные свойства, по аналогии с теорией гидродинамических вихрей.

Первый прорыв произошел в конце 1800-х годов, когда английский физик Джозеф Джон Томсон обнаружил, что атом не был столь же неделимым, как заявлялось ранее. Он проводил эксперименты с использованием катодных лучей (электронных пучков), произведенных в разрядной трубке, и обнаружил, что лучи притягиваются положительно заряженными металлическими пластинами, но отталкивается отрицательно заряженными. Из этого он сделал вывод, что лучи должны быть заряжены отрицательно.

Далее Эрнест Резерфорд являлся физиком из Новой Зеландии, обучался в Кембриджском университете у Томсона. Работая в Университете Манчестера, он представил новое представление о модели атома. Его работа была опубликована уже после того, как он получил Нобелевскую премию в 1908 году за исследования в химии радиоактивных веществ.

Резерфорд разработал эксперимент, который помог исследовать атомную структуру. Для этого он стрелял положительно заряженными альфа-частицами в тонкий лист золотой фольги. Альфа-частицы были настолько малы, что проходили сквозь золотую фольгу. В соответствии с моделью Томсона, в которой положительный заряд диффундирует по всему атому, альфа частицы должны были пройти насквозь листа практически без отклонения. Проводя этот эксперимент, Резерфорд надеялся, подтвердить модель Томсона - своего учителя, однако, все оказалось как раз наоборот.

В ходе эксперимента, большинство из альфа-частиц, проходили через фольгу практически без отклонения. Тем не менее, очень небольшое число частиц отклонялись от намеченного пути, отклоняясь при этом на очень большой угол. Это было совершенно неожиданно; как заметил сам Резерфорд, "Это было почти так же невероятно, как если бы вы выпустили 15-дюймовый снаряд в папиросную бумагу, а он вернулся бы и ударил бы тебя". Единственным возможным объяснением было то, что положительный заряд не распространялся по всему атому, а был локализован в небольшом, плотном центре - ядре. Согласно этому, большой частью остальной части атома являлось просто пустое пространство.

Открытие Резерфордом ядра означало необходимость переосмысления атомной модели. Он предложил модель, в которой электроны вращаются вокруг положительно заряженного ядра. Однако, он не объяснил, что держит электроны, вращающиеся вокруг ядра вместо того, чтобы просто упасть на ядро.

Новая модель была представлена Нильсом Бором. Бор был датским физик, который приступил к решению проблем, связанных с моделью Резерфорда. Так как, классическая физика не могла правильно объяснить, что происходит на атомном уровне, он обратился к квантовой теории для объяснения расположение электронов. Его модель постулировала существование энергетических уровней или электронных оболочек. Электроны могут находится только на этих энергетических уровнях; Другими словами, их энергия квантуется, и не может принять только какое-либо значение между квантованными уровнями. Электроны могут перемещаться между этими энергетическими уровнями (именуемыми Бором как «стационарные состояния»), но при условии поглощения или испускания энергии.

Модель Бора не решает всех проблем атомной модели. Она хорошо подходит для атомов водорода, но не может объяснить наблюдения за более тяжелыми элементами. Это также нарушает принцип неопределенности Гейзенберга, один из краеугольных камней квантовой механики, в которой говорится, что мы не можем знать точное местоположение и импульс электрона одновременно. Тем не менее, модель атома Бора наиболее широко распространена и известна, что связано с удобством объяснения химической связи и реакционной способности некоторых групп элементов на начальном этапе обучения.[8]

Теория витализма[править | править код]

  • Сформулируйте, в чём состоит сущность естественно-научной теории витализма, господствовавшей в науке вплоть до середины ХИХ в.? Открытия каких учёных-химиков привели к краху теории витализма, в чём заключалась идея их опытов? Для ответа на эти вопросы используйте возможности Интернета.

Витализм — философское направление, утверждающее наличие в организмах нематериальной управляющей жизненными явлениями сверхъестественной силы - "жизненной силы" (лат. vis vitalis), "души", "энтелехии", "архея" и других. Это давняя концепция, ее корни, как и корни механицизма, уходят в классическую древность. Виталистические воззрения уходят корнями в анимизм. Анимизм (от лат. anima - душа) - вера в духов (душу) как причину жизни и явлений природы; низшая ступень религиозного развития, выражающаяся в одухотворении явлений природы. В метафизическом смысле анимизм представляет собой мировоззрение, согласно которому душа является основным принципом жизни. Встречается у Аристотеля и у стоиков; особенное развитие получило в эпоху Возрождения в учении о мировой душе. У примитивных народов душа, духи мыслились скорее представителями сверхъестественного мира, нежели универсальной мистической силой или богами.

Трудами крупнейших русских естествоиспытателей-материалистов К. А. Тимирязева, И.М. Сеченова, И.И. Мечникова, И.П. Павлова, И.В. Мичурина, А.Н. Баха, В.Л. Комарова и др. витализму был нанесен сильный удар. Исследованиями процессов фотосинтеза у растений К.А. Тимирязев опроверг утверждение витализма о том, что жизненные процессы в организме не подчиняются закону сохранения и превращения энергии. Учение И.П. Павлова о ведущей роли центральной нервной системы в регуляции жизненных функций организма дает материалистическое решение проблемы организма как целого, разбивает реакционные вымыслы виталистов о невозможности материалистического объяснения психических явлений (Г. Бунге, В. Келлер, Ч. Шеррингтон), а также идеи "психовитализма" о наличии в каждой клетке особой "клеточной души" (А. Паули, Р. Франсе и др.). А.Н. Бах трудами по биохимии растений разоблачил виталистические идеи о творческой энергии "жизненной силы", преодолевающей якобы пассивность и инертность отдельных химических компонентов и формирующей их в живой организм. Научная критика витализма с позиций диалектического материализма дана в трудах Энгельса и Ленина. Энгельс показал, что для объяснения качественного своеобразия явлений жизни нет никакой необходимости прибегать к помощи мистических сил. Жизнь, указывал он, есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является непрерывный обмен веществ как процесс самосовершающийся, направленный на самообновление живой системы. Живое возникло из неживого на определенной ступени развития природы; разрыва между органической и неорганической природой не существует. Современное материалистическое естествознание полностью подтверждает эти положения диалектического материализма. Достижения материалистической биологии, химии, физики и др. наук ярко свидетельствуют о несостоятельности виталистических идей.[9]

Характеристики некоторых химических элементов[править | править код]

  • Изготовьте из пластилина шаростержневые и объёмные модели молекул водорода, воды, аммиака и метана. Какие характеристики молекул они отражают? Как состав этих веществ можно зафиксировать с помощью знаковых моделей?

Водород — (химический символ — H, лат. Hydrogenium) — первый элемент периодической системы. Электронная оболочка атома водорода — самого лёгкого из атомов — состоит из одного электрона. Молекула водорода H2 состоит из двух атомов водорода, связанных ковалентной связью.[10]

Молекула воды — прозрачная жидкость, без цвета, вкуса и запаха. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Имеет запись в химии как H2O.

Молекула аммиака — При нормальных условиях — бесцветный газ с резким характерным запахом (запах нашатырного спирта), почти вдвое легче воздуха, ядовит. В химии записывается как NH3.[11]

Молекула метана — газ, содержащийся в атмосфере Земли. В его составе один атом углерода и четыре атома водорода. Записывается химической формулой как CH4.[12]

Ответы на другие параграфы учебника[править | править код]

Темы для рефератов[править | править код]

Используемые источники[править | править код]