I. Khoa học tự nhiên
1. Khái niệm: Khoa học tự nhiên (natural science) là một nhánh của khoa học, có mục đích nhận
thức, mô tả, giải thích và tiên đoán về các sự vật, hiện tượng và quy luật tự nhiên, dựa trên những
bằng chứng rõ ràng có được từ quan sát và thực nghiệm. Trong khoa học tự nhiên, giả thuyết
được sử dụng rộng rãi để xây dựng những lý thuyết khoa học.
2. Ba chức năng chủ yếu:
Khám phá bản chất các sự vật, hiện tượng của thế giới tự nhiên như nguồn gốc phát sinh, phát
triển, các quy luật vận động của các sự vật, hiện tượng;
Hệ thống hoá tri thức đã khám phá được thành các lý thuyết, học thuyết khoa học;
Nghiên cứu ứng dụng những thành quả, sáng tạo khoa học để bảo vệ và cải tạo thế giới tự nhiên.
3. Bốn lĩnh vực của KHTN:
Vật lí (physics), hóa học (chemistry), thiên văn học và khoa học trái đất (astronomy and earth
science): Còn gọi chung là nhóm khoa học vật chất (physical science).
Sinh học (biology): Thuộc nhóm khoa học sự sống (life science).
II. Sáu quy luật cơ bản của Thế giới tự nhiên
Quy luật là mối liên hệ bản chất, tất nhiên, phổ biến và lặp lại giữa các sự vật, hiện tượng hay
giữa các yếu tố cấu thành, các thuộc tính của sự vật, hiện tượng.
Quy luật có hai tích chất cơ bản nhất:
(i) Quy luật có tính khách quan: Mọi quy luật đều tồn tại khách quan, con người không thể sáng
tạo ra quy luật cũng không thể làm trái quy luật. Khả năng cơ bản của con người là nhận thức và
vận dụng quy luật (VD: Quy luật con người được sinh ra và mất đi).
(ii) Quy luật mang tính ổn định: Mọi quy luật đều phản ánh mối liên hệ lặp đi lặp lại giữa các
yếu tố trong sự vật, hiện tượng hoặc giữa các sự vật, hiện tượng với nhau. (VD: Quy luật di truyền Mendel).
1. Quy luật về sự đa dạng của Thế giới tự nhiên
1.1. Phân tích quy luật qua ví dụ minh họa: Từ khái niệm “Thế giới tự nhiên bao gồm tất cả vật chất và năng lượng”
(i) Vật chất gồm 2 loại: Chất và trường.
- Chất gồm tạo nên các vật sống và vật không sống.
+ Vật không sống. Nếu xét về sự đa dạng số lượng: Gồm đơn chất (hiện này có 118 đơn chất,
vẫn chưa phải là con số cuối) vàhợp chất (vô cùng nhiều – không thể đếm được chính xác, ví dụ
các chất mới có nhiều tính chất mới liên tục được tổng hợp tại các phòng thí nghiệm trên thế
giới…). Nếu xét về sự đa dạng tính chất: Sẽ còn nhiều hơn (so với số lượng chất), ví dụ cùng
đơn chất carbon nhưng ở các dạng khác nhau như kim cương (rất cứng, trong suốt, không dẫn
điện) hay than chì (mềm, màu đen, dẫn điện),…Nếu xét về sự đa dạng về thể: Một số chất tồn tại
ở nhiều thể khác nhau như rắn, lỏng, khí,…
+ Với vật sống. Nếu xét về sự đa dạng số lượng: Có thể phân chia thành sinh vật đa bào (động
vật, thực vật, nấm) và sinh vật đơn bào (sinh vật nguyên sinh, vi khuẩn và vi khuẩn cổ). Trong
mỗi loài, chẳng hạn có bao nhiêu loại động vật từ khi hình thành Trái đất đến nay?...Nếu xét về sự đa dạng môi
2. Quy luật về tính cấu trúc của Thế giới tự nhiên
2.1. Phân tích quy luật qua ví dụ minh họa: Từ khái niệm “Thế giới tự nhiên bao gồm tất cả vật chất và năng lượng” Cấu trúc của chất:
+ Nguyên tử có cấu trúc gồm phần lõi (hạt nhân) bao gồm các hạt p và n, và phần vỏ bao gồm các e.
Mỗi phần cũng đều có cấu trúc xác định. Phổ biến và được công nhận rộng rãi là cấu trúc lớp vỏ
nguyên tử: Gồm các lớp electron (tương ứng với kí hiệu K, L, M,… ứng với các số lượng tử
chính n = 1, 2, 3,…); mỗi lớp electron lại được tạo nên bởi các phân lớp (kí hiệu s, p, d,…).
+ Phân tử tạo nên bởi sự sắp xếp có trật tự (nghĩa là có tính cấu trúc) các nguyên tử: Ví dụ phân
tử rượu ethylic phải theo trật tự CH3-CH2-OH mà không phải là CH3-O-CH3, hai cấu trúc khác
nhau sẽ dẫn đến tính chất khác nhau.Cấu trúc của vật sống: (có thể xem vai trò của tế bào như nguyên tử trong chất)
+ Tế bào: Đơn vị nhỏ nhất của sự sống có các thành phần: màng tế bào (bao bọc tế bào), khung
tế bào(hệ thống mạng sợi và ống protein, cấu thành và duy trì hình dáng tế bào), tế bào chất
(không gian thực hiện chức năng tế bào), vật liệu di truyền (yếu tố duy trì thông tin giữa các thế
hệ, là các phân tử nucleic acid: DNA và RNA).
+ Sự thay đổi cấu trúc sinh vật. Xét theo khía cạnh số lượng tế bào: Nói chung, số lượng các tế
bào, ví dụ thần kinh, cơ, máu,…trong cơ mỗi người khác nhau (dù cùng cân nặng) là khác nhau
(khối lượng cơ bắp của cầu thủ C.Ronaldo cũng chiếm tới 50% khối lượng cơ thể, cao hơn 4% so
với mức trung bình của các cầu thủ chuyên nghiệp). Sự thay đổi bất thường về số lượng một loại
tế bào nào đó có thể là dấu hiệu của một loại bệnh tật nào đó. Cấu trúc của một hệ:
+ Hệ vi mô: Nguyên tử, phân tử,…
+ Hệ vĩ mô: Hệ Mặt trời,…
trường sống: Có thể tìm thấy sự đa dạng về môi trường sống của sinh vật như đất (bề mặt, đất
chua, đất mặn,…), nước (ngọt, mặn, lợ, đáy biển…), khí (…). Nếu xét về sự đa dạng thành phần:
mỗi sinh vật khác nhau có thành phần (hóa học) khác nhau!
Trường. Sự đa dạng về số lượng: Trường điện, trường từ,…Sự đa dạng về tính chất (kể 1 số ví dụ
như sự điện phân- trường điện, nam châm hút/đẩy nhau – trường từ).
(ii). Năng lượng. Sự đa dạng về số lượng (chỉ xét các dạng có thể đo được): năng lượng (cơ,
nhiệt, điện, từ, hóa học, hạt nhân, sóng,…). Sự đa dạng về tính chất (…).
1.2. Một số ý nghĩa thực tiễn rút ra từ quy luật trong nghiên cứu KHTN: Về phương diện lí luận,
do tính đa dạng → luôn luôn có cái mới (so với cái đã tìm ra) → thúc đẩy không ngừng học tập,
nghiên cứu. Số lượng, tính chất của các chất là vô cùng! Do vậy về mặt lí thuyết là có thể tồn tại
những chất có tính chất phù hợp với yêu cầu mong muốn của con người (chẳng hạn chất có khả
năng tiêu diệt tế bào ung thu, chất có tính chất tự làm lành vết rách,…).
Mỗi sinh vật có thành phần hóa học khác nhau → Có thể nghiên cứu để khám phá ra những chất
quý báu (thậm chí ngày nay là cả mô, cơ,…) để cung cấp cho con người (làm thuốc, thức ăn, chữa bệnh).
3. Quy luật về tính hệ thống của Thế giới tự nhiên
Mỗi phần tử có hai đặc trưng sau:
- Mỗi phần tử phải có chức năng nhất định.
Mỗi phần tử có tính độc lập tương đối của nó.
Có 2 điều kiện để trở thành hệ thống: - Tập hợp các phần tử
- Những mối quan hệ và liên hệ lẫn nhau giữa các phần tử đó (liên quan đến tính cấu trúc của hệ)
3.1. Phân tích quy luật qua ví dụ minh họa: Từ khái niệm “Thế giới tự nhiên bao gồm tất cả vật chất và năng lượng”
Một số ví dụ biểu hiện tính hệ thống:
+ Vật chất - năng lượng với chức năng tạo nên hệ Thế giới tự nhiên: Có chức năng khác nhau,
độc lập với nhau nhưng có thể chuyển hóa qua lại lẫn nhau (E = mc2), đây chính là mối quan hệ
hữu cơ giữa chúng. Mất đi một trong 2 thành phần này sẽ không còn hệ thống Thế giới tự nhiên.
+ Cái đèn cồn với chức năng cung cấp nhiệt trong phòng thí nghiệm là một hệ thống: Cồn đốt,
phao chứa cồn, bấc để hút/dẫn cồn. Mất đi chỉ cần 1 trong 3 yếu tố này sẽ không còn hệ thống gọi là “đèn cồn”.
+ Hệ (thống) tiêu hóa với chức năng tiêu hóa và chế biến thức ăn gồm tuyến nước bọt, thực quản,
dạ dày, gan, túi mật, tuyến tụy, ruột, trực tràng và hậu môn.
3.2. Một số ý nghĩa thực tiễn rút ra từ quy luật trong nghiên cứu KHTN: Mỗi phần tử trong thế
giới KHTN đều thuộc một (hoặc nhiều) hệ thống nào đó với chức năng xác định.
Để nghiên cứu KHTN được tốt, trước tiên cần phải xác định xem phần tử nghiên cứu thuộc
(những) hệ thống nào, có chức năng ra sao, ảnh hưởng chi phối lẫn nhau giữa các phần tử trong
hệ thống đó là như thế nào → ảnh hưởng thế nào đến chức năng của toàn hệ thống → biện pháp
để nâng cao hiệu quả, chức năng của toàn hệ thống.
VD1: Nếu bấc đèn cồn làm bằng vật liệu kém xốp → hút cồn lên kém → cháy yếu.
VD2: Nếu sử dụng pin trong “hệ thống điện thoại” có điện trở lớn hơn → gây nóng nhanh hơn →cháy nổ điện thoại.
4. Quy luật về tính tuần hoàn của Thế giới tự nhiên
Tuần hoàn: Có tính chất lặp đi lặp lại một cách đều đặn. Một số ví dụ: + Ngày và đêm,
+ Sự tuần hoàn về tính chất của các đơn chất và hợp chất: Bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học,
+ Sự chuyển vận của máu, đi từ trái tim đến khắp cơ thể rồi lại trở về tim,
4. Quy luật về tính tuần hoàn của Thế giới tự nhiên
4.1. Phân tích quy luật qua ví dụ minh họa.
Ví dụ: Sơ đồ vòng tuần hoàn của các chất trong hệ sinh thái
- Chu trình sinh địa hóa của nước
- Chu trình sinh địa hóa của carbon
- Chu trình sinh địa hóa của nitrogen
5. Quy luật về sự vận động và biến đổi của Thế giới tự nhiên
5.1. Phân tích quy luật qua ví dụ minh họa.
Ví dụ 1: Ở 0K không tồn tại Thế giới tự nhiên vì ở nhiệt độ này các nguyên tử, phân tử không chuyển động.
Liên hệ: - Các khí hiếm như He, Ne,… có động năng trung bình E = (3/2)kBT, kB = R/NA , E = mv2/2.
- Có tồn tại nhiệt độ 0K hay không?
- Vì sao nhiệt độ càng thấp điện trở càng giảm?
- Sự biến đổi thể hiện như thế nào trong một lượng khí He nguyên chất ở nhiệt độ, áp suất cố định?
- Sự vận động luôn gắn liền với biến đổi (ở những cấp độ khác nhau. VD một miếng kim loại
vàng để lâu thì thay đổi như thế nào?).
5.2. Một số ý nghĩa thực tiễn rút ra từ quy luật trong nghiên cứu KHTN:
(i). Mọi sự vật luôn vận động và biến đổi (nhiều cấp độ, entropy của vũ trụ luôn tăng).
(ii). Nghiên cứu các điều kiện để xác định sự thay đổi cấp độ vận động (VD: hỗn hợp N2, H2 chỉ
có chuyển động phân tử, nhưng khi tăng nhiệt độ sẽ dẫn đến phản ứng tạo NH3).
6. Quy luật về sự tương tác của Thế giới tự nhiên
6.1. Phân tích quy luật qua ví dụ minh họa.
Ví dụ 1: Sự tương tác vật lí giữa các chất giúp cho sự tồn tại của Thế giới tự nhiên.
Liên hệ: - Hai loại tương tác vật lí phổ biến (trong số 4 loại tương tác vật lí: hấp dẫn, điện từ, hạt nhân yếu, hạt nhân
mạnh) trong Thế giới tự nhiên (tương tác hấp dẫn: công thức tính lực hấp dẫn…; tương tác tĩnh
điện: công thức tính lựctĩnh điện…).
- Trong các va chạm (cơ học, xét ở cấp độ vĩ mô) giữa hai vật thể nhưng thực tế KHÔNG xảy ra
sự CHẠM vàonhau giữa 2 vật thể (xét ở cấp độ vi mô) → Phải có tương tác (câu hỏi: đó là tương
tác nào trong 2 loại tương tác nêutrên, giải thích).
Ví dụ 2: Sự tương tác (nghĩa rộng, vĩ mô) giữa con người với nhau thông qua (nhìn: sóng ánh sáng; nghe: sóng âm
thanh; mùi: phản ứng hóa học; cảm nhận: nhiệt độ, áp suất).
Thảo luận 1: Phân tích các tương tác trong nguyên tử (trong lớp vỏ nguyên tử, trong hạt nhân và giữa hạt nhân với lớp vỏ nguyên tử)
Thảo luận 2: Phân tích sự tương tác giữa sinh vật với môi trường xung quanh (lấy các ví dụ thực tiễn).
6.2. Một số ý nghĩa thực tiễn rút ra từ quy luật trong nghiên cứu KHTN:
(i). Các tương tác vật lí là nguồn gốc của sự vận động và biến đổi (vật chất) của Thế giới.
(ii). Biết được bản chất của tương tác (vi mô, vĩ mô, nghĩa hẹp, nghĩa rộng) là đặc biệt quan trọng.
III. Kĩ thuật và công nghệ
1. Kĩ thuật (engineerning) là lĩnh vực khoa học ứng dụng các kiến thức, thành tựu của toán học,
tin học và khoa học tự nhiên để giải quyết các vấn đề thực tiễn, đáp ứng nhu cầu của cuộc sống.
Nhiều lĩnh vực kĩ thuật: kĩ thuật hóa học (chemical engineering), kĩ thuật xây dựng (civil
engineerning), kĩ thuật điện (electrical engineerning), kĩ thuật cơ khí (mechanical engineering),...
2. Công nghệ (technology) là sự phát minh, sự thay đổi tích cực việc ứng dụng các kiến thức,
thành tựu về công cụ, máy móc, kỹ thuật, kỹ năng nghề nghiệp, hệ thống, và phương pháp tổ
chức, nhằm giải quyết một vấn đề, cải tiến một giải pháp đã tồn tại, đạt một mục đích, hay thực
hiện một chức năng cụ thể.