Урок 25. Единство природы. Симметрия
Предмет: Естествознание, 10 класс

Конспект урока

Естествознание, 10 класс

Урок 25. Единство природы. Симметрия

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

Какими свойствами симметрии обладают пространство и время, и что следует из этих свойств;
Что такое нарушенная симметрия, и как она проявляется.

Глоссарий по теме:

Симметрия – это отображение существующего в объективной действительности порядка, определённое равновесное состояние, относительная устойчивость, пропорциональность и соразмерность между частями целого.

Нарушение симметрии (асимметрия) – явление нарушения порядка, равновесия, пропорциональности, соразмерности между частями целого, в связи с изменениями, развитием, организационной перестройкой, внешним направленным воздействием.

Однородность – равноценность, равноправность моментов времени или точек пространства.

Изотропность – тождественность физических свойств в любых направлениях. Изотропность пространства – равноценность всех направлений; ни одно направление не имеет преимуществ в сравнении с другим.

Замкнутая система – идеализированная модель системы тел, для которой равнодействующая внешних сил равна нулю. Например, Замкнутая система в механике может быть определена как такая система тел, на которую не действуют внешние силы, либо действия этих внешних сил на тела системы полностью скомпенсированы.

Закон сохранения энергии - фундаментальный закон природы; в замкнутой системе полная энергия остаётся неизменной с течением времени. Является следствием однородности времени.

Закон сохранения импульса - для замкнутой системы внешние силы отсутствуют, и импульс замкнутой системы сохраняется, т.е. остаётся неизменным со временем. Закон является следствием однородности пространства.

Закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени; или импульс системы материальных точек сохраняется, если система замкнута, или если сумма моментов всех внешних сил, действующих на систему, равна нулю. Закон является следствием изотропности пространства.

Хиральность – свойство объекта быть несовместимым со своим зеркальным изображением. Хиральные тела характеризуются тем, что у них отсутствуют плоскости и центры симметрии. В то же время, они могут иметь оси симметрии. Типичным примером хиральных объектов являются руки, ноги и даже левая и правая половины лица человека. Подобным свойством обладают многие молекулы органических веществ.

Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):

Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017.: с 119 - 121.

Электронные ресурсы:

Хиральные и ахиральные молекулы. Асимметрический атом углерода. Примеры. Оптическая активность.Открытый образовательный ресурс Познайка// электронный доступ: https://poznayka.org/s16947t1.html

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Взаимосвязи между явлениями природы человек фиксирует в формате законов природы. Эти законы существуют в самой природе и не зависят от человека. Совокупность фундаментальных законов обнаруживает некую первооснову, которую в науке называют принципами (основа, начало, первоначало (лат. Principium). Если бы не было единых принципов, то и не было бы подобия явлений.

К числу наиболее фундаментальных принципов, относится принцип симметрии, который, как предполагает современное естествознание, лежит в основе многообразия и единства природы.

Принцип симметрии

Термин симметрия можно встретить у мыслителей древней Греции. Под ней понималась соразмерность, пропорциональность, однородность. Античные философы считали симметрию сущностью вечного и прекрасного; порядка и определённости. В архитектуре, предметах изобразительного искусства, музыке авторы интуитивно или сознательно через симметрию пытались воспроизвести порядок, красоту и совершенство.

Суть симметрии можно представить как отображение существующего в объективной действительности порядка, определённое равновесное состояние, относительную устойчивость, пропорциональность и соразмерность между частями целого.

С понятием симметрии вы начали своё знакомство в геометрии. Здесь под симметрией понимается отражение точки, фигуры или геометрического тела относительно некоего центра – точки, прямой или плоскости. Другими словами, симметрию можно понимать в геометрическом смысле как симметрию положений. Например, рассмотрение объектов по отношению к отражениям, поворотам, переносам.

Мир природы показывает проявление принципа симметрии во всем многообразии.

Расположение частиц вещества обнаруживает определённую тенденцию к упорядочению. Примером могут служить пространственные модели кристаллов. Симметрия кристаллов выступает как форма, в которой неживая природа выражает тенденцию к своему самосохранению .

Химия изучает симметрию геометрических конфигураций молекул. Большинство простых молекул обладают осями симметрии. Например, форма молекул метана соответствует правильной треугольной пирамиде (тетраэдр). Напомним, что пространственное строение молекул влияет на их физические и химические свойства. Поэтому, например, исследование строения, свойств и поведения комплексных соединений связано со знаниями о симметрии молекул.

Изучение многообразия биологических систем обнаруживает структурную симметрию. Эволюционное развитие иллюстрирует изменение от простых симметричных форм (шар, правильный многогранник) до билатеральной и многолучевой симметрии животных и растений.

На первый взгляд, может показаться странным, однако наше пространство также обладает такими свойствами. Попробуем осмыслить это.

Протекание физических явлений в одних и тех же условиях, но в разных местах пространства одинаково. Другими словами все точки пространства равноправны. Это проявление так называемой трансляционной симметрии. Например, телефон, выпущенный на другом континенте, будет работать и у нас. Благодаря этой равноправности, мы убеждены, что закон открытый, например, в парижской лаборатории, будет справедлив и в Санкт-Петербурге, и в любом другом месте. Этот тип симметрии связан со свойством однородности пространства.

Следующее свойство пространства – изотропность – в пространстве равноправны не только все точки, но и все направления. Именно в силу изотропности пространства мы можем наблюдать поворотную симметрию. Так поставив какой-либо эксперимент, а затем поворачивая всю экспериментальную установку вокруг некоторой оси на некоторый угол, результаты окажутся аналогичными. Наблюдение за раскрученным спинером покажет, что поворачивая его на разные углы, он также продолжает своё движение, а значит момент импульса сохранится. Из изотропности пространства прямо следует закон сохранения момента импульса.

Время тоже обладает симметрией. Симметрия времени означает его однородность. Так, любое физическое явление, осуществлённое в какой-нибудь момент времени, может быть точно воспроизведено (если сохранились все условия его протекания) в любой последующий момент времени. Это означает, что ход времени сам по себе не может изменить характер протекания явления. Именно в силу временной симметрии мы уверены, что те научные факты, которые были твёрдо установлены наукой в прошлом, должны иметь место и в настоящее время.

Ещё одним видом симметрии является зеркальная симметрия, т.е. отражение пространства относительно любой плоскости. Так, в природе мы встречаем зеркальную симметрию, рассматривая структуру снежинки; различаем левую и правую сторону в теле человека. Время тоже обладает этим свойством. В микромире законы в основном симметричны по отношению к обращению времени. В макромире такого не наблюдается в следствии неравновесности Вселенной. Другими словами, в реальности двигаться во времени обратно невозможно, нельзя вернуться в прошлое.

Симметрия пространства и времени определяет существование законов сохранения. Однородность пространства проявляется в законе сохранение импульса. А однородность времени фиксирует закон сохранения энергии.

Нарушение симметрии.

Наблюдения в природе показывают, что абсолютной симметрии не бывает. Чаще всего симметрию обнаруживают в результате её нарушения. Любой физический объект содержит элементы симметрии и асимметрии. Таким образом симметрия и асимметрия взаимодополняемы.

Нарушение симметрии обычно связано с нарушением порядка, равновесия, пропорциональности, соразмерности между частями целого, в связи с изменениями, развитием, организационной перестройкой, внешним направленным воздействием.

Чаще всего нарушение симметрии связано с воздействием внешних сил. При этом внутренняя симметрия сохраняется. Например, деформированные ветви деревьев сохраняют симметричное расположение и форму листьев.

Асимметрия встречается в расположении внутренних органов человека; выполняемые функции полушарий так же различаются. Наибольший интерес имеет нарушению симметрии на молекулярном уровне живого. В природе существуют молекулы органических веществ с зеркальной симметрией, отличающихся как левые и правые перчатки. Это называют хиральностью молекул. При этом, у живых организмов встречаются молекулы только одной ориентации (левой или правой). Известно, что спираль ДНК всегда закручена вправо. У глюкозы правовращающаяся форма. Организм может усваивать только «правильно» симметричные молекулы белков или углеводов. По всей вероятности это стало результатом эволюции. Поскольку в природе встречаются оба типа молекул, то по некоторым представлениям именно хиральность молекул разграничивает живую и неживую природу.

Заметим, что сама по себе асимметрия не отменяет симметрии исходных фундаментальных законов. Явление нарушения симметрии природы, как считают современные учёные, имеет не случайный характер, а является важнейшим условием её существования и развития.

ВЫВОД:

Пытаясь разобраться в окружающем, человек стремится в многообразии выделить нечто общее, сохраняющееся, инвариантное. Поиск и анализ симметрий помогает этому. Например, открытые законы сохранения - это положения, выделяющие общее, инвариантное в частном многообразии.

Явления симметрии и нарушения симметрии природы имеет не случайный характер, а является важнейшим условием её существования и развития.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1.

Выберите один ответ:

Как называется симметрии пространства, согласно которому пространство однородно, а следовательно при одинаковых условиях эксперимент в разных точках планеты будет схожесть результатов

Трансляционная симметрия;

Поворотная симметрия;

Осевая симметрия

Ответ: Трансляционная симметрия

Пояснение: от лат. translatio — перенос, перемещение

Задание 2.

Почему открытие в 17 века Ньютоном закона Всемирного притяжения считается справедливым? (вычеркните ошибочное суждение)

А) И.Ньютон был великим учёным и его мнению можно безоговорочно доверять;

Б) Закон представляет собой наиболее обобщённую трактовку описываемого явления;

Б) Пространство обладает свойством симметрии, вследствие чего при одинаковых условиях этот закон остаётся справедливым;

В) Однородность времени даёт возможность утверждать, что факты, установленные в прошлом, имеют место и в настоящее время.

Ответ:

А) И.Ньютон был великим учёным и его мнению можно безоговорочно доверять;

Б) Закон представляет собой наиболее обобщённую трактовку описываемого явления;

Б) Пространство обладает свойством симметрии, вследствие чего при одинаковых условиях этот закон остаётся справедливым;

В) Однородность времени даёт возможность утверждать, что факты, установленные в прошлом, имеют место и в настоящее время.

Пояснение: Объективность научных законов - законы существуют в самой природе и не зависят от человека. В свою очередь, выявление связей между явлениями описываются научным языком, и допускает вариативность трактовок, отражающую суть закономерности.