Симметрия в природе и искусстве - ABCD42.RU

Симметрия в природе и искусстве

Симметрия в природе и искусстве

Главная > Реферат >Биология

Реферат на тему «Симметрия в природе и искусстве»

Понятие симметрии нам хорошо знакомо, ведь мы имеем дело с симметрией везде, где наблюдается какая-либо упорядоченность. Симметрия противостоит хаосу, беспорядку, т.е. асимметрии. В словаре симметрия определяется как «красота, обусловленная пропорциональностью частей тела или любого целого, равновесием, подобием, гармонией, согласованностью». Симметрия (от греческого symmetria — «соразмерность») — понятие, означающее сохраняемость, повторяемость, «инвариантность» каких-либо особенностей структуры изучаемого объекта при проведении с ним определенных преобразований.

Симметрия является одной из наиболее фундаментальных и одной из наиболее общих закономерностей мироздания: неживой, живой природы и общества.

Существуют, в принципе, две группы симметрий: к первой группе относится симметрия положений, форм, структур. Это та симметрия, которую можно непосредственно видеть. Она может быть названа геометрической симметрией.

Вторая группа характеризует симметрию физических явлений и законов природы. Эта симметрия лежит в самой основе естественнонаучной картины мира: ее можно назвать физической симметрией.

Для начала мне бы хотелось поподробнее поговорить о симметрии в природе. Мы ежеднвно сталкиваемся с ней — это смена дня и ночи, смена времен года, пространственно-временная симметрия (неизменность действия законов природы для всех моментов времени).

Симметрия проявляется в многообразных структурах и явлениях неорганического мира и живой природы. В мир неживой природы очарование симметрии вносят кристаллы. Каждая снежинка- это маленький кристалл замерзшей воды. Форма снежинок может быть очень разнообразной, но все они обладают симметрией — поворотной симметрией 6-го порядка и, кроме того, зеркальной симметрией.

А что такое кристалл? Твердое тело, имеющие естественную форму многогранника. Характерная особенность того или иного вещества состоит в постоянстве углов между соответственными гранями и ребрами для всех образов кристаллов одного и того же вещества.

Идея симметрии часто являлась отправным пунктом в гипотезах и теориях ученых прошлого. Вносимая симметрией упорядоченность проявляется, прежде всего, в ограничении многообразия возможных структур, в сокращении числа возможных вариантов. В качестве важного физического примера можно привести факт существования определяемых симметрией ограничений разнообразия структур (о чем уже говорилось в примерах) молекул и кристаллов.

Принцип симметрии также применим при рассмотрении проблем мироздания. Наблюдая хаотическую россыпь звезд на ночном небе, мы понимаем, что за внешним хаосом скрываются вполне симметричные спиральные структуры галактик,

а в них — симметричные структуры планетных систем. Симметрия внешней формы

кристалла является следствием ее внутренней симметрии – упорядоченного взаимного расположения в пространстве атомов (молекул). Иначе говоря, симметрия кристалла связана с существованием пространственной решетки из атомов, так называемой кристаллической решетки.

Кроме того, множество законов физики основаны на свойствах симметрии.

Например, ваш будильник одинаково звенит в любом углу комнаты, что иллюстрирует важную физическую симметрию — однородность и изотропность (равнозначность всех направлений) пространства. Благодаря этой симметрии все физические приборы (в том числе и будильник) одинаково работают в разных точках пространства, если, конечно, не изменяются окружающие физические условия.

Таким образом, не только симметричные формы окружают нас повсюду, но и сами многообразные физические и биологические законы гравитации, электричества и магнетизма, ядерных взаимодействий, наследственности пронизаны общим для всех них принципом симметрии.

Пристальное внимание уделяли симметрии Пифагор и его ученики. Основное положение пифагорейской философии, согласно Аристотелю, состоит в том, «что число есть сущность всех вещей и организация вселенной в ее определениях представляет собою вообще гармоническую систему чисел и их отношений». Исходя из учения о числе пифагорейцы дали первую математическую трактовку гармонии, симметрии, которая не потеряла своего значения и в наши дни.

Среди более поздних естествоиспытателей и философов, занимавшихся разработкой категории симметрии, следует назвать Р. Декарта и Г. Спенсера.

Р.Декарт писал: «Каково бы ни было то неравенство и беспорядок, которое, как мы можем предположить, были с самого начала установлены богом между частицами материи, почти все эти частицы должны по законам природы приблизиться к средней величине и среднему движению». Таким образом, по Декарту, бог, создав асимметричные тела, придал им «естественное» круговое движение, в результате которого они совершенствовались в тела симметричные.

Характерно, что к наиболее интересным результатам наука приходила именно тогда, когда устанавливала факты нарушения симметрии. Следствия, вытекающие из принципа симметрии, интенсивно разрабатывались физикам в прошлом веке и привели к ряду важных результатов. Такими следствиями законов симметрии являются прежде всего законы сохранения классической физики.

Но принципы симметрии лежат не только в основе теории относительности, квантовой механики, физики твердого тела, атомной и ядерной физики, физики элементарных частиц. Эти принципы наиболее ярко выражаются в свойствах инвариантности законов природы. Речь при этом идет не только о физических законах, но и других, например, биологических.

Примером биологического закона сохранения может служить закон наследования. В основе его лежат инвариантность биологических свойств по отношению к переходу от одного поколения к другому. Вполне очевидно, что без законов сохранения (физических, биологических и прочих) наш мир попросту не смог бы существовать.

Следует выделить аспекты, без которых симметрия невозможна:

1) объект — носитель симметрии; в роли симметричных объектов могут выступать

вещи, процессы, геометрические фигуры, математические выражения, живые

2) некоторые признаки — величины, свойства, отношения, процессы, явления —

объекта, которые при преобразованиях симметрии остаются неизменными; их

называют инвариантными или инвариантами.

3 )изменения (объекта), которые оставляют объект тождественным самому себе по

инвариантным признакам; такие изменения называются преобразованиями

4) свойство объекта превращаться по выделенным признакам в самого себя после

соответствующих его изменений.

Важно подчеркнуть, что инвариант вторичен по отношению к изменению; покой

относителен, движение абсолютно.

Таким образом, симметрия выражает сохранение чего-то при каких-то изменениях или сохранение чего-то несмотря на изменение. Симметрия предполагает неизменность не только самого объекта, но и каких-либо его свойств по отношению к преобразованиям, выполненным над объектом. Неизменность тех или иных объектов может наблюдаться по отношению к разнообразным операциям – к поворотам, переносам, взаимной замене частей, отражениям и т.д. В связи с этим выделяют разные типы симметрии.

Симметрия в природе, технике, архитектуре, искусстве

С данной темой мой ученик выступал на окружной НПК «Я — личность».

Просмотр содержимого документа
«готовая работа»

Министерство образования и науки Республики Бурятия

Центральный Образовательный Округ № 1

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Санномыская средняя общеобразовательная школа»

конференция учащихся 4, 5, 6 классов

Тема: «Симметрия в природе, архитектуре, искусстве и технике»

Выполнил: ученик 6 класса

Руководитель: учитель математики

Рекунова Наталья Владимировна

С давних времён математика считается одной из главных наук. Математика одна из древнейших и необходимых для прогресса разных дисциплин наука.

Числа, формулы, геометрические фигуры в математике, внешне холодные и сухие, но полны внутренней красоты. С помощью чего же можно создать порядок, красоту и совершенство?

В последнем своем сочинении один из крупнейших математиков XX века Герман Вейль трактовал, что человек веками с помощью СИММЕТРИИ пытался объяснить и создать порядок, красоту и совершенство.

Возникает проблема:

-«Можно ли с помощью симметрии создать порядок, красоту и совершенство?»,

-«Во всём ли в жизни должна быть симметрия?» — этими вопросами я заинтересовался и попытаюсь на них ответить.

Тема моей творческой исследовательской работы «Симметрия в природе, архитектуре, искусстве и технике». Эту тему я выбрал потому, что симметрия встречается везде. Мне хочется глубже познакомиться с ней в окружающем нас мире, так как понятие симметрии широко используют все направления современной науки.

Актуальность:

Проблема заключена в том, чтобы показать, что красота является внешним признаком симметрии и прежде всего, имеет математическую основу.

На примерах найти и показать симметрию, как, основу красоты в природе, технике, архитектуре и искусстве.

Собрать информацию о симметрии;

Выделить симметрию как математическую основу законов красоты в природе, технике, архитектуре и искусстве;

Изучить и выделить основные направления симметрии, как основы красоты в творчестве человека.

Надеюсь, что моя работа будет интересна широкому кругу любителей.

Основная часть:

2.1. Основное понятие симметрии

Понятие симметрии проходит через всю многовековую историю человеческого творчества. Оно встречается уже у истоков человеческого знания, его широко используют все без исключения направления современной науки.

Принципы симметрии играют важную роль в физике и математике, химии и биологии, технике и архитектуре, живописи и скульптуре, поэзии и музыке и т.д.

Термин «симметрия» по-гречески означает «соразмерность, пропорциональность, одинаковость в расположении частей».

Понятие симметрии фигур появилось в результате наблюдений над объектами окружающего мира. Например, рассматривая изображения растений и животных организмов, можно убедиться, что многие из них с большой степенью точности обладают той или иной симметрией. Так, лист клена обладает осевой симметрией. Различными видами симметрии обладают цветы, многие живые организмы – морские звезды, бабочки. Симметрией вращения и осевыми симметриями обладают снежинки.

Читайте также  Стандартизация, основные понятия

С симметрией мы часто встречаемся в искусстве, технике, быту. Например, симметричны фасады многих зданий и их виды сверху. Симметричны узоры на коврах, узоры бордюров, многие виды механизмов, например колесо или шестеренка.

Необходимо отметить, что в природе невозможна идеальная математическая симметрия. Отсюда можно сделать вывод: в реальной жизни не может быть совершенной симметрии.

2.2. Симметрия и виды симметрии

Симметрия делится на два типа симметрии. Первый тип – это та симметрия, которую можно непосредственно видеть. Она может быть названа геометрической симметрией. Второй тип – эта та симметрия, которая лежит в законах природы и физических явлениях. Ее можно назвать физической симметрией.

Двусторонняя симметрия означает, что правая и левая сторона относительно какой-либо плоскости выглядят одинаково.

В школьном курсе математики выделяют следующие виды симметрии:

1) осевая симметрия (относительно прямой)

2) центральная симметрия (относительно точки)

3) зеркальная симметрия (относительно плоскости)

2.3. Симметрия в природе

В отличие от искусства или техники, красота в природе не создаётся, а лишь фиксируется, выражается среди бесконечного разнообразия форм живой и неживой природы, в изобилии такие совершенные образы, чей вид неизменно привлекает наше внимание. К числу таких образов относятся некоторые кристаллы и многие растения.

Симметрия встречается и в животном мире.

Человеческое тело, так же как и тело других позвоночных, в основе своей построено симметрично. Общие принципы строения организма человека заложены миллиарды лет назад, когда формировался генетический код, и возникла первая клетка. В наших генах содержится значительная часть генофонда древних рыб, первых хордовых и некоторых беспозвоночных животных.

2.4. Симметрия в архитектуре

Прекрасные образцы симметрии демонстрируют произведения архитектуры. Архитектура сопровождает человечество на всем его историческом пути. Архитектурные сооружения, созданные человеком, в большей своей части симметричны. Они приятны для глаза, их люди считают красивыми. Симметрия воспринимается человеком как проявление закономерности, а значит внутреннего порядка. Внешне этот внутренний порядок воспринимается как красота.

Симметричные объекты обладают высокой степенью целесообразности – ведь симметричные предметы обладают большей устойчивостью и равной функциональностью в разных направлениях. Все это привело человека к мысли, что чтобы сооружение было красивым оно должно быть симметричным.

Человеческое творчество во всех своих проявлениях тяготеет к симметрии. Нагляднее всего видна симметрия в архитектуре. Особенно блистательно использовали симметрию в архитектурных сооружениях древние зодчие. Исследуя различные фотографии, я сделал вывод, что использование симметрии в конструкциях зданий, симметричных элементов в отделке, а также симметрично расположенные строения создают красоту и гармонию.

Симметрия в технике

Большинство самых необходимых для нас предметов — от книги, ложки, чайника до газовой плиты, холодильника и пылесоса — тоже обладает симметрией. Большинство транспортных средств — от детской коляски до сверхзвукового реактивного лайнера предназначенных для движения по земной поверхности или параллельно ей, а так же имеют осевую симметрию.

Космическая ракета, устремляющаяся вверх, в небо имеет осевую и центральную симметрию.

Симметрия в искусстве

Симметрия широко используется в искусстве. Бордюры, используемые в архитектурных и скульптурных произведениях, орнаменты, используемы в прикладном искусстве, — все это примеры использования симметрии.

Огромное влияние симметрии в живописи. На рисунках хорошо видна симметрия. Различные фигуры, чаще симметричные, используются для составления орнаментов в народном творчестве.

Художники разных эпох использовали симметричное построение картины. Симметричными были многие древние мозаики. Живописцы эпохи Возрождения часто строили свои композиции по законам симметрии. Такое построение позволяет достигнуть впечатления покоя, величественности, особой торжественности и значимости событий.

Симметрия в искусстве основана на реальной действительности, изобилующей симметрично устроенными формами.

Практическая часть

1. Сбор и структурирование собранного материала на различных этапах исследования.

2. Подбор рисунков, выполнение чертежей, фотографий;

3. Оформление презентации.

3. Заключение.

Из своей исследовательской работы я выяснил, симметрия господствует не только в природе, но и в творчестве человека: в природе, архитектуре, искусстве и технике.

В данной работе определены основные закономерности симметрии в природе и раскрыты важнейшие связи явлений симметрии с живой природой, искусством, техникой.

Симметрия, как объективный признак красоты, проходит через всю историю искусств, как мы убедились, работая над проектом.

Проектная работа расширила мой кругозор и помогла взглянуть на окружающий мир глазами исследователя.

На практике увидел межпредметные связи между математикой и биологией, историей, географией, повысила интерес к изучению этих предметов в школе.

Симметрия вокруг нас

«Стоя перед чёрной доской и рисуя на ней мелом разные фигуры, я вдруг был поражён мыслью: почему симметрия приятна глазу? Это врожденное чувство, отвечал я сам себе».

Многие люди даже не задумываются, проходя мимо обычных, на первый взгляд, вещей о том, какой удивительной формой эти объекты обладают и с какой точностью они созданы природой или человеком. Симметрия окружает нас, находя своё проявление, как в живой, так и в неживой природе.

Термин «симметрия» в переводе с греческого означает соразмерность, пропорциональность, гармония. Как предполагают, ввел в обиход данный термин Пифагор (VI в. до н. э.), обозначив им пространственную закономерность в расположении одинаковых фигур или их частей. Он же определил отклонение от симметрии как асимметрию.

Для симметричной организации композиции характерна уравновешенность её частей по массам, по тону, цвету и даже по форме. В таких случаях одна часть почти зеркально похожа на вторую. В симметричных композициях чаще всего имеется ярко выраженный центр. Как правило, он совпадает с геометрическим центром картинной плоскости.

Симметрия пронизывает наш мир гораздо глубже, нежели это можно увидеть глазами. Осмысливание этого факта происходило в течение многих веков. В результате само понятие симметрии претерпело существенную эволюцию. От тех времен до наших дней понятие «симметрия» прошло длинный путь развития. Из чисто геометрического понятия оно превратилось в фундаментальное понятие, лежащее в основе законов природы. Мы знаем теперь, что симметрия – это не только то, что можно видеть глазами. Симметрия не просто вокруг нас, она сама в основе всего. С самой общей точки зрения, понятие симметрии связано с инвариантностью по отношению к каким-либо преобразованиям. Инвариантность может быть чисто геометрической (сохранение геометрической формы), но может и не иметь отношения к геометрии, например сохранение энергии или биологических свойств. Точно так же преобразования могут иметь геометрический характер (повороты, переносы, перестановки), а могут и не иметь его (замена частиц античастицами, переход от одного поколения к другому).

Чтобы иметь более точное представление о том, что же такое симметрия, нужно рассмотреть её три основных вида: зеркальная симметрия; центральная симметрия; переносная симметрия.

Рассмотрим поподробнее каждый вид. Начнём с зеркальной симметрии. Иногда данный вид ещё называют плоскостная симметрия. Одна половинка симметричного объекта является зеркальным отражением другой половинки. Если поставить зеркальце вдоль прочерченной ровно посередине рисунка прямой, то отражённая в зеркале половинка фигуры дополнит её до целой. Поэтому такая симметрия и называется зеркальной, а прямая, вдоль которой поставлено зеркало, называется осью симметрии. В простейшем случае, если плоскую фигуру имеющую ось симметрии загнуть вдоль оси, то обе её части совпадут.

Следующий вид, который мы рассмотрим – центральная симметрия. Её ещё называют – поворотная симметрия. Данный вид симметрии характеризуется наличием центра симметрии – неподвижной точки (назовём эту точку «О»). Эта точка обладает определённым свойством, заключающемся в том, что при повороте на 180 градусов центрально симметричная фигура переходит сама в себя. Яркими примерами центрально симметричных фигур могут быть снежинки.

Последний вид симметрии – переносная или по-другому трансляционная. Это параллельный перенос вдоль прямой. Данный вид симметрии характерен для архитектуры или искусства. В природе же такая симметрия встречается редко и чаще всего не обладает 100% точностью.

Симметрия в природе – это мир вокруг нас. Наука, изучающая её, называется биосимметрией. Симметрией обладают объекты и явления живой природы. Она позволяет живым организмам лучше приспособиться к среде обитания, защитить себя от недоброжелателей и просто выжить.

Для начала давайте рассмотрим, какие виды симметрии встречаются в растительном мире. Например, для листьев характерна зеркальная симметрия. Многие листья деревьев и лепестки цветов симметричны относительно среднего стебля.

Читайте также  Статистика занятости и безработицы

Центральную симметрию можно наблюдать у следующих цветов: лук, цветок одуванчика, цветок кувшинки, цветок мать и мачехи. Цветок ромашки обладает центральной симметрией, только в случае четного количества лепестков. Её сердцевина представляет собой окружность, и поэтому центрально симметрична, так как мы знаем, что окружность имеет центр симметрии. Нередки случаи и переносной симметрии в растительном мире, например: веточки акации, рябины и многие другие.

Симметрия – базовое свойство большинства живых существ. Быть симметричным очень удобно. Подумайте сами: если у вас совсех сторон есть глаза, уши, носы, рты и конечности, то вы успеете вовремя почувствовать что-то подозрительное, с какой бы стороны оно ни подкрадывалось, и, в зависимости от того, какое оно, это подозрительное, — съесть его или, наоборот, от него удрать. Симметрия в животном мире определяется в соответствие размеров, форм и очертаний, а также относительное расположение частей тела, находящихся на противоположных сторонах разделяющей линии. Ярким примерами симметрии у животных можно считать бабочку, жука плавунца, морскую звезду, лягушку.

Можно сказать, что каждое животное (насекомое, рыба, птица) состоит из двух энантиоморфов – правой и левой половин. Энантиоморфами являются также парные детали, одна из которых попадает в правую, а другая в левую половину тела животного. Так, энантиоморфами являются правое и левое ухо, правый и левый глаз Примером могут являться оленьи рога. Симметрия в животном мире диктуется условиями жизни. Это хорошо видно на примере рыбы камбалы. У камбалы, как и у других рыб, имеется вертикальная плоскость симметрии. Взрослая камбала лежит на дне. Ее глаза, рот, плавники переползают на одну сторону, и ее плоскость симметрии поворачивается на 90º. Камбала приобретает симметрию тела вращения, т.е. поворотную центральную симметрию.Примером симметрии можно считать и паутину. Пауки создают совершенные круговые сети. Сеть паутины состоит из равно отдаленных радиальных уровней, которые распространяются из центра по спирали, переплетаясь друг с другом с максимальной прочностью. Также симметрию в животном мире можно встретить, глядя на лебедя, плывущего по воде. На воде появляется его зеркальное отражение, что придаёт чувство покоя и уравновешенности.

С симметрией мы часто встречаемся в искусстве, архитектуре, технике, быту. Так фасады многих зданий обладают осевой симметрией. В большинстве случаев симметричны относительно оси или центра узоры на коврах, тканях, комнатных обоях. Теперь более подробно о симметрии в архитектуре. Архитектурные сооружения, созданные человеком, в большей своей части симметричны. Они приятны для глаза, их люди считают красивыми. С чем это связано? Здесь можно высказать только предположения.

Во-первых, все мы с вами живем в симметричном мире, который обусловлен условиями жизни на планете Земля, прежде всего существующей здесь гравитацией. И, скорее всего, подсознательно человек понимает, что симметрия это форма устойчивости, а значит существования на нашей планете. Поэтому в рукотворных вещах он интуитивно стремится к симметрии. Золотым веком симметрии в скульптуре и архитектуре была античность. Греко-римская любовь к пропорциям, как высшим ценностям вознесли симметрию на самую высшую точку в скульптуре того времени. Великолепные храмы того времени были переполнены симметрии, но спустя несколько веков, она всё чаще и чаще стала исчезать из архитектуры. Строители храмов, упраздняя симметрию, боролись даже с замыслом архитекторов, заменяя положенные шесть колон – пятью, четыре – тремя. Здания симметричной формы характеризуют собой строгость, вызывает чувство организованности и скованности. Яркими примерами в архитектуре являются: Казанский собор в Санкт-Петербурге (выполнен в стиле классицизма); Кафедральный собор Дуомо в Милане (выполнен в стиле готики), обладает зеркальной-осевой симметрией; Собор Святого Петра в Риме; дворец Лувр; ну и, конечно же, Нотр-Дам-Де-Пари и Эйфелева Башня.

Таким образом, нам удалось познакомиться с понятием симметрии. Объяснение законов симметрии важно для понимания красоты, гармонии, жизни.Принципы симметрии играют важную роль в физике и математике, химии и биологии, технике и архитектуре, живописи и скульптуре, поэзии и музыке. Законы природы, управляющие неисчерпаемой в своем многообразии картиной явлений, в свою очередь также подчиняются принципам симметрии.

Список используемой литературы

Wonder Wild World

Страницы

  • Wonder Wild World
  • КОНТИНЕНТЫ
  • МИРОВОЙ ОКЕАН
  • ФЛОРА
  • ФАУНА
  • ВНУТРЕННИЙ МИР

Симметрия в природе

«Симметрия – символ красоты, гармонии и совершенства»

Г армония — греческое слово, обозначающее «согласованность, соразмерность, единство частей и целого». Внешне гармония может проявляться в мелодии, ритме, симметрии и пропорциональности.

Во всем царит гармонии закон, И в мире всё суть ритм, аккорд и тон. Дж. Драйден

Внимательно приглядевшись к природе, можно увидеть общее даже в самых незначительных вещах и деталях, найти проявления симметрии. Форма листа дерева не является случайной: она строго закономерна. Листок как бы склеен из двух более или менее одинаковых половинок, одна из которых расположена зеркально относительно другой. Симметрия листка упорно повторяется, будь то гусеница, бабочка, жучок и т.п.

Простейший вид симметрии зеркальная (осевая), возникающая при вращении фигуры вокруг оси симметрии.

В природе зеркальная симметрия характерна для растений и животных, которые произрастают или двигаются параллельно поверхности Земли. Например, крылья и туловище бабочки можно назвать эталоном зеркальной симметрии.

Симметрия, возникающая при вращении фигуры вокруг центра вращения, называется центральной.

Также существует винтовая симметрия.

Трансляцию можно комбинировать с отражением или поворотом, при этом возникают новые операции симметрии.

Поворот на определенное число градусов, сопровождаемый трансляцией на расстояние вдоль оси поворота, порождает винтовую симметрию — симметрию винтовой лестницы.

Пример винтовой симметрии – расположение листьев на стебле многих растений.

Если рассматривать расположение листьев на ветке дерева мы заметим, что лист отстоит от другого, но и повернут вокруг оси ствола.

Листья располагаются на стволе по винтовой линии, чтобы не заслонять друг от друга солнечный свет. Головка подсолнечника имеет отростки, расположенные по геометрическим спиралям, раскручивающимся от центра наружу. Самые молодые члены спирали находятся в центре. В таких системах можно заметить два семейства спиралей, раскручивающихся в противоположные стороны и пересекающихся под углами, близкими к прямым.

Но какими бы интересными и привлекательными ни были проявления симметрии в мире растений, там еще много тайн, управляющих процессами развития. Вслед за Гете, который говорил о стремлении природы к спирали, можно предположить, что движение это осуществляется по логарифмической спирали, начиная всякий раз с центральной, неподвижной точки и сочетая поступательное движение (растяжение) с поворотом вращения.

Этому всеобщему закону из двух постулатов подчиняются не только цветы, животные, легкоподвижные жидкости и газы, но и твердые, неподатливые камни. Этот закон влияет на изменчивые формы облаков. В безветренный день они имеют куполовидную форму с более или менее ясно выраженной радиально-лучевой симметрией. Влияние универсального закона симметрии является по сути дела чисто внешним, грубым, налагающим свою печать только на наружную форму природных тел. Внутреннее их строение и детали ускользают из-под его власти.

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.

Читайте также  Питирим Александрович Сорокин (1889–1968)

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.

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.

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.

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.

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:

Выберите один ответ:

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

Ответ: Трансляционная симметрия

Пояснение: от лат. translatio — перенос, перемещение

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.

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.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: