Информационные процессы в природе.
Предмет: Информатика, 5 класс
Автор: Попов Владислав Сергеевич

Планируемые образовательные результаты:

предметные — представление об информационных процессах в природе

метапредметные — умение планировать пути достижения целей; соотносить свои действия с планируемыми результатами; осуществлять контроль своей деятельности; определять способы действий в рамках предложенных условий; корректировать свои действия в соответствии с изменяющейся ситуацией; оценивать правильность выполнения поставленной задачи;

личностные — понимание роли информационных процессов в современном мире.

Основные понятия, рассматриваемые на уроке: информационные процессы.

Ход урока

Введение

Добрый день. Тема нашего урока – информационные процессы в природе. Даже сейчас, когда вы меня слушаете и видите, просматривая данный урок, между нами идёт процесс обмена, передачи информации. При этом вы получаете информацию, а я её передаю. Вспомним основные действия, связанные с информацией: это получение, хранение, передача и обработка информации.

1. Информационные процессы в неживой природе

Норберт Винер, известный как отец кибернетики и давший нам одно из определений слова «информация», которое мы рассмотрели на предыдущем уроке, в книге под названием «Кибернетика или управление и связь в животном и машине», которая принесла ему всемирную известность, пишет, что количество информации есть мера организованности, мера упорядоченности системы. Чем более организована или упорядочена система, тем большее количество информации присуще этой системе.

1.1 Понятие энтропии

С понятием информации тесно связано понятие энтропии. Если информация выступает как мера упорядоченности системы, то энтропия выступает как мера её неупорядоченности, мера беспорядка, мера хаоса. Норберт Винер пишет, что энтропия – это мера дезорганизованности системы, и далее добавляет: «Одно равно другому, взятому с обратным знаком». Таким образом, чем больше в системе энтропии, тем меньше информации.

1.2 Закон неубывания энтропии

Понятие энтропии пришло к нам из физики и химии и связано с именами великих учёных – немца Рудольфа Клаузиуса и австрийца Людвига Больцмана. Это понятие родом из XIX века. С понятием энтропии связан один из законов физики – закон неубывания энтропии. Он формулируется следующим образом: «В системе, не обменивающейся энергией и веществом с другими системами, энтропия не уменьшается». Как вы помните, энтропия выступает мерой неупорядоченности, а, следовательно, в системах с течением времени должна возрастать эта самая неупорядоченность.

Что значит переход от порядка к хаосу, что значит возрастание неупорядоченности? Конечно же, вы знаете, что из-за глобальных проблем с окружающей средой всё большую популярность приобретают биоразлагаемые пакеты как замена полиэтиленовым, которые могут разлагаться сотни лет. Разложение бумажного или биоразлагаемого пакета занимает гораздо меньшее количество времени и наносит намного меньший вред окружающей среде. Разложение какой-нибудь вещи, например, рассмотренного пакета, на отдельные части – это пример такого перехода, перехода от порядка к хаосу, который мы рассматриваем. Вспомним замечательную книгу – «Вредные советы» Григория Остера, которую вы наверняка читали. Когда ваши родители будут снова поражаться беспорядку в вашей комнате, просто скажите им, что этот беспорядок является отражением закона неубывания энтропии. Еще один пример возрастания энтропии, перехода от порядка к хаосу, – это солнечное излучение, при котором Солнце выбрасывает огромное количество вещества и энергии. Примером уменьшения энтропии может служить образование планет.

1.3 Энтропия и гипотеза тепловой смерти вселенной

Из-за закона неубывания энтропии Рудольф Клаузиус выдвинул гипотезу тепловой смерти вселенной. Согласно этой гипотезе, Вселенная должна прийти к состоянию тепловой смерти, в которой энтропия Вселенной, её беспорядок, разобщённость будет максимальна. Однако в современной физике идею тепловой смерти Вселенной не поддерживают. В качестве опровержения этой гипотезы обычно приводят следующие идеи. Во-первых, ещё Людвиг Больцман выдвинул флуктуационную гипотезу, согласно которой во Вселенной происходят флуктуации – случайные отклонения, приводящие к уменьшению энтропии и, соответственно, к увеличению упорядоченности и количества информации. После вашего рассказа родителям о действии закона неубывания энтропии на порядок в вашей комнате хорошо бы сделать такую флуктуацию, такое случайное отклонение – то есть всё-таки навести порядок. Во-вторых, Клаузиус не учёл существование гравитации. В-третьих, в XIX веке учёные применяли аппарат классической физики для описания Вселенной, но в мегамире, в мире объектов, несоизмеримо больших, чем те, с которыми мы привыкли иметь дело каждый день, действуют другие, очень интересные законы.

1.4 Микромир, макромир и мегамир

Вселенная, которую, по всей видимости, всё-таки не ждёт тепловая смерть, относят к мегамиру. Уменьшив размеры мегамира до размеров человека, получим макромир – мир объектов, соизмеримый с размерами человека. Уменьшив размеры ещё больше, до размеров элементарных частиц, атомов и молекул, получим микромир. Физические законы и процессы передачи информацией для микромира, макромира и мегамира различаются. Законы, применимые для макромира могут быть неприменимы для микромира, например, для атомов, и мегамира, например, для Вселенной.

2. Информационные процессы в живой природе

Получать, хранить, передавать и обрабатывать информацию умеют не только люди и компьютеры. Эти действия характерны для всей живой природы. Вспомним предыдущий урок. Органы чувств, которые мы изучили, служат цели наилучшего приспособления нас к окружающему миру. Всё живое получает и реагирует на полученную информацию, то есть производит её обработку, для этой же цели – лучшим образом приспособиться к жизни.

Несомненно, у разных животных превалируют разные органы чувств. Если большую часть информации мы, люди, получаем с помощью зрения, то, например, кроты получают большую часть информации с помощью обоняния и осязания. У животных существуют органы чувств, которых нет у людей. Например, у змей существует орган тепловой чувствительности, позволяющий видеть инфракрасное излучение, интенсивность которого зависит от температуры объектов. Такой орган называется термолокатором. Животные могут получать информацию различной природы – это видимый свет, инфракрасное или ультрафиолетовое излучение, звук, запах, и так далее.

Прекрасный пример обработки информации представляют собой перелётные птицы, которые ориентируются по солнцу, звёздам и электромагнитному полю Земли во время длительных перелётов на тысячи километров.

Классическим примером передачи информации и взаимодействия между особями можно считать пчелиный рой или взаимодействие муравьёв. Например, при поиске нового источника пищи муравей оставляет за собой след в виде смеси химических элементов, ну а если ничего съедобного найти не удалось, муравей возвращается к месту разветвления и оставляет соответствующую метку.

Все живые существа обмениваются веществом и энергией с окружающей средой. Живые существа способны развиваться, уменьшая количество энтропии и, соответственно, увеличивая количество информации путём увеличения упорядоченности элементов.

Важную роль в живой природе играет генетическая информация, которая находится в каждой клетке и передаётся по наследству от поколения к поколению. Единицей наследственности живых организмов считается ген. Гены определяют признаки и особенности организмов.

3. Домашнее задание

Ваше домашнее задание сегодня будет состоять в следующем: во-первых, выучите, что такое энтропия, во-вторых, приведите примеры процессов, увеличивающих и уменьшающих энтропию в живой и неживой природе, в-третьих, приведите примеры получения, обработки, хранения и передачи информации в живой природе.