Естествознание. 10 класс

Урок 46. Самоорганизация. Причины и условия

Конспект урока

Естествознание, 10 класс

Урок 46. Самоорганизация. Причины и условия

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

  • Какими характерными свойствами обладают системы, способные к самоорганизации?
  • Каков механизм самоорганизации?
  • Как на опыте убедиться в возможностях бифуркаций при развитии сложных систем во времени?

Глоссарий по теме:

Открытая система – система, которая обменивается веществом и энергией с внешним по отношению к системе миром. К открытым системам принадлежат, например, все живые организмы и химические системы с непрерывно протекающими химическими процессами и др.

Нелинейность – термин, введённый синергетикой и означающий множество путей эволюции системы и возможность выбора из данных альтернатив; это труднопредсказуемость будущего состояния системы на основе существующего, поскольку малые воздействия внешней среды могут приводить к очень большим последствиям, а большие - к совершенно незначительным. Это делает такие системы, с одной стороны, исключительно устойчивыми по отношению к крупномасштабным неблагоприятным воздействиям, а с другой стороны - необычайно чувствительными к очень незначительным колебаниям состояния среды.

Флуктуации – (от лат. fluctuatio колебание) случайное отклонение мгновенного значения от среднего; в синергетике флуктуации при определённых условиях вырастают до масштабов системы и могут послужить началом образования новой структуры

Бифуркация – состояние системы, находящейся перед выбором возможных вариантов функционирования или путей эволюции (развилка дорог). В точке бифуркации (на перепутье) система находится в неравновесном состоянии, где малейшие флуктуации или случайные обстоятельства могут кардинально изменить направление дальнейшего развития, закрывая тем самым возможности движения альтернативным путём. 

Основная и дополнительная литература по теме урока:

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 207 – 210.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Открытие процессов самоорганизации в различных открытых системах различной природы (физических, химических и др.), показывают схожесть и взаимосвязь таких процессов в живой и неживой природе. С точки зрения самоорганизации очевидно, что весь окружающий нас мир представляет собой совокупность разнообразных самоорганизующихся систем, процессы в которых являются фундаментом любой эволюции.

Напомним, что под самоорганизацией понимается процесс изменения структуры системы под действием только внутренних факторов. При этом сам процесс самоорганизации не противоречит закону возрастания энтропии, поскольку он сформулирован только для закрытых систем, для которых характерно стремление к максимальному беспорядку, хаосу, простоте, неизменности. Все реально существующие системы являются открытыми, для которых характерно многообразие, усложнение структурной организации. В любой закрытой системе можно обнаружить самоорганизующуюся систему, однако суммарная энтропия этой замкнутой системы будет возрастать в соответствии с законом.

Особенности систем, способных к самоорганизации. Чтобы из бесструктурной субстанции образовались упорядоченные структуры, система должна обладать определёнными свойствами.

Как мы уже сказали, система должна обмениваться веществом, энергией информацией с окружающими телами и средой, т.е. быть открытой.

Система оказывается способной к возникновению новых структур, если она находится в неустойчивом, неравновесном состоянии. Это нарушение равновесия вызывается внешними силами. Так возникновение ячеек Бенара связано с нагреванием в микроскопических областях.

Возникновение спонтанных возмущений, иными словами - флуктуаций, способствующих возникновению новых структур возможно лишь в системах с большим количеством частиц. Такими флуктуациями, например, можно объяснить броуновское движение. При незначительном количестве частиц это явление мы бы не наблюдали.

Эволюцию самоорганизующихся систем невозможно однозначно предсказать. Поскольку даже малейшее воздействие могут оказать существенное влияние на развитие системы, а большие - к совершенно незначительным. Поэтому при математическом описании процессов самоорганизации используют нелинейные уравнения.

Как происходит самоорганизация. Для качественного описания процесса самоорганизации обратимся к опыту с образованием ячеек Бенара. Напомним, что суть явления состоит в том, что при нагреве вязкой жидкости (например, масла) до определённой температуры в ней возникают упорядоченные структуры –конвекционные ячейки.

Нагрев приводит к возникновению перепада температур между верхними и нижними слоями, в результате возникают хаотические флуктуационные потоки жидкости, но при этом ячеек не наблюдается, поскольку невелика разность температур, а значит система близка к состоянию равновесия. При дальнейшем нагреве, флуктуации разрастаются и бесструктурное состояние жидкости становится неустойчивым. В результате образуются цилиндрические структуры – конвекционные потоки жидкости. Отметим, что жидкость вблизи граней каждой из ячеек движется вниз, а поднимается в центральной области.

Таким образом, изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а напротив, накапливаются и усиливаются, что и приводит в конце концов к возникновению нового порядка и структуры. Поскольку образование структур связано со случайными процессами, можно образно сказать, что в данных условиях система находится на развилке путей в будущее. Возникновение ячеек в той или иной части поверхности не предсказуемы и развитие процесса всегда неоднозначно. Такое изменение числа (или устойчивости) решений называется бифуркацией (от латинского слова “развилка”), а точка, в которой это происходит, – точкой бифуркации. При этом происходит нарушение симметрии. В частности, в ячейках потоки движутся в разных направлениях (по часовой стрелке и против), что при однородном состоянии не наблюдается.

Этот пример иллюстрирует, что неравновесность может быть источником порядка.

Приведённые свойства самоорганизации касаются только процесса, но не природы системы. Поэтому например, эмбриональное развитие организма можно также рассматривать как процесс самоорганизации. При формировании, зародыш проходит через ряд точек бифуркаций, можно наблюдать спонтанные нарушения симметрии, в результате которых происходит формирование организма. Неустойчивые состояния сменяются равновесными скачкообразно. Именно в этих точках, развивающийся организм наиболее уязвим к негативным факторам внешней среды.

Процессы самоорганизации, связанные с необратимыми изменениями, приводят к разрушению старых и возникновению новых структур.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1. Выберите один правильный ответ.

Точка бифуркации - это:

  • геометрическая точка;
  • точка на траектории движения тела;
  • состояние неустойчивости;
  • состояние устойчивости.

Ответ: состояние неустойчивости

Пояснение: бифуркация от латинского слова “развилка”, термин используется в синергетике при описании самоорганизующихся систем

Задание 2. Выделите цветом правильный ответ.

Открытая система – это:

А) понятие, выражающее динамику, развитие сложных систем и мира в целом как их фундаментальную характеристику;

Б) система, обменивающаяся с окружающей средой веществом, энергией и информацией, способна творить порядок из хауса путём локализации структур;

В) понятие, выражающее, прогрессивные качественные изменения в системе;

Г) правильного ответа нет.

Ответ: система, обменивающаяся с окружающей средой веществом, энергией и информацией, способна творить порядок из хауса путём локализации структур

Предметы

По алфавиту По предметным областям

Классы

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
angle-skew-bottom mix-copy next-copy-2 no-copy step-1 step-2 step-3 step-4 step-5 step-6 step-6