- Подробности
- Опубликовано 17.12.2011 11:34
- Просмотров: 30936
1.1. Информация в природе, обществе и технике
1.1.1. Информация в неживой природе
В физике, которая изучает неживую природу, информация является мерой упорядоченности системы по шкале «хаос — порядок». Один из основных законов классической физики утверждает, что замкнутые системы, в которых отсутствует обмен веществом и энергией с окружающей средой, стремятся с течением времени перейти из менее вероятного упорядоченного состояния в наиболее вероятное хаотическое состояние.
Например, если в одну половину замкнутого сосуда поместить газ, то через некоторое время в результате хаотического движения молекулы газа равномерно заполнят весь сосуд. Произойдет переход из менее вероятного упорядоченного состояния в более вероятное хаотическое состояние, и информация, которая является мерой упорядоченности системы, в этом случае уменьшится (рис. 1.1).
В соответствии с такой точкой зрения физики в конце XIX века предсказывали, что нашу Вселенную ждет «тепловая смерть», т. е. молекулы и атомы со временем равномерно распределятся в пространстве и какие-либо изменения и развитие прекратятся.
Однако современная наука установила, что некоторые законы классической физики, справедливые для макротел, нельзя применять для микро- и мегамира. Согласно современным научным представлениям, наша Вселенная является динамически развивающейся системой, в которой постоянно происходят процессы усложнения структуры.
Таким образом, с одной стороны, в неживой природе в замкнутых системах идут процессы в направлении от порядка к хаосу (в них информация уменьшается). С другой стороны, в процессе эволюции Вселенной в микро- и мегамире возникают объекты со все более сложной структурой и, следовательно, информация, являющаяся мерой упорядоченности элементов системы, возрастает.
Согласно теории Большого взрыва, Вселенная образовалась около 15 миллиардов лет назад в результате взрыва «первоматерии». В первые мгновения материя существовала фактически в форме энергии, а затем на протяжении долей секунды начало образовываться вещество в форме элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов и др.).
В следующий миллион лет основные события развивались в микромире. Из разлетающихся во все стороны элементарных частиц образовывались атомы, т. е. из хаоса возникали системы с более сложной структурой. Сначала возникли атомы самых легких химических элементов (водорода и гелия), а затем и более тяжелых элементов.
В мегамире в течение последующих миллиардов лет под действием сил гравитационного притяжения из хаоса гигантских облаков пыли и газа формировались сложные структуры галактики. Наша Солнечная система, в которую входит планета Земля, образовалась около 5 миллиардов лет назад и вместе с сотнями миллионов других звезд образует нашу галактику Млечный Путь (рис. 1.2).
На поверхности планет стали происходить химические реакции, в результате которых из атомов образовывались более сложные системы — молекулы веществ. В том числе молекула воды, которая состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода (рис. 1.3).
Контрольные вопросы
- Попробуйте привести примеры перехода от хаоса к порядку (увеличения информации) в окружающем мире.
- Попробуйте привести примеры перехода от порядка к хаосу (уменьшения информации) в окружающем мире.
1.1.2. Информация в живой природе
Информация как мера увеличения сложности живых организмов. Примерно 3,5 миллиарда лет назад на Земле возникла жизнь. С тех пор идет саморазвитие, эволюция живой природы, т. е. повышение сложности и разнообразия живых организмов. Живые системы (одноклеточные, растения и животные) являются открытыми системами, так как потребляют из окружающей среды вещество и энергию и выбрасывают в нее продукты жизнедеятельности также в виде вещества и энергии.
Живые системы в процессе развития способны повышать сложность своей структуры, т. е. увеличивать информацию, понимаемую как меру упорядоченности элементов системы. Так, растения в процессе фотосинтеза потребляют энергию солнечного излучения и строят сложные органические молекулы из «простых» неорганических молекул.
Животные подхватывают эстафету увеличения сложности живых систем, поедают растения и используют растительные органические молекулы в качестве строительного материала при создании еще более сложных молекул.
Биологи образно говорят, что "живое питается информацией", создавай, накапливая и активно используя информацию.
Информационные сигналы. Нормальное функционирование живого организма невозможно без получения и использования информации об окружающе среде. Целесообразное поведение живых организмов строиться на основе получения информационных сигналов. Информационные сигналы могут иметь различную физическую или химическую природу. Это звук, свет, запах и др.
Даже простейшие одноклеточные организмы (например, амеба) постоянно воспринимают и используют информацию, например, о температуре и химическом составе среды для выбора наиболее благоприятных условий существования.
Выживание популяций животных во многом базируется на обмене информационными сигналами между членами одной популяции. Информационный сигнал может быть выражен в различных формах: позах, звуках, запахах и даже вспышках света (ими обмениваются светлячки и некоторые глубоководные рыбы).
Генетическая информация. Одной из основных функций живых систем является размножение, т. е. создание организмов данного вида. Воспроизведение себе подобных обеспечивается наличием в каждой клетке организма генетической информации, которая передается по наследству.
Генетическая информация представляет собой набор генов, каждый из которых «отвечает» за определенные особенности строения и функционирования организма. При этом «дети» не являются точными копиями своих родителей, так как каждый организм обладает уникальным набором генов, которые определяет различия в строении и функциональных возможностях.
Контрольные вопросы
- Попробуйте привести примеры перехода от хаоса к порядку (увеличения информации) в живой природе.
- Попробуйте привести примеры получения, передачи и использования информации живыми организмами.
1.1.3. Человек и информация
Примерно 40 тысяч лет назад в процессе эволюции живой природы появился Человек разумный (перевод с латинского «Homo Sapiens»). Человек существует в «море» информации, он постоянно получает информацию из окружающего мира с помощью органов чувств, хранит ее в своей памяти, анализирует с помощью мышления и обменивается информацией с другими людьми.
Способы восприятия информации. Целесообразное поведение человека, так же как и животных, строится на основе анализа информационных сигналов, которые он получает с помощью органов чувств. Чувствительные нервные окончания органов чувств (рецепторы) воспринимают воздействие (например, на глазном дне колбочки и палочки реагируют на воздействие световых лучей) и передают его по нервной системе в мозг.
Способы восприятия информации живыми организмами зависят от наличия у них тех или иных органов чувств. Человек может использовать пять различных способов восприятия информации с помощью пяти органов чувств:
- зрения — с помощью глаз информация воспринимается в форме зрительных образов;
- слуха — с помощью ушей и органов слуха воспринимаются звуки (речь, музыка, шум и т. д.);
- обоняния — с помощью специальных рецепторов носа воспринимаются запахи;
- вкуса — рецепторы языка позволяют различить сладкое, соленое, кислое и горькое;
- осязания — рецепторы кожи (особенно кончиков пальцев) позволяют получить информацию о температуре объектов и типе их поверхности (гладкая, шершавая и т. д.).
Наибольшее количество информации (около 90%) человек получает с помощью зрения, около 9% — с помощью слуха и только 1% с помощью других органов чувств (обоняния, осязания и вкуса).
Полученную информацию в форме зрительных, слуховых и других образов человек хранит в памяти, обрабатывает с помощью мышления и использует для управления своим поведением и достижения поставленных целей. Например, при переходе дороги человек видит сигналы светофора и движущегося автомобиля анализирует полученную информацию и выбирает безопасный вариант перехода.
Информация в форме сообщений. Человек живет в обществе. В процессе общения с другими людьми человек передает и получает информацию в форме сообщений. На заре человеческой истории для передачи информации использовался язык жестов, затем появилась устная речь. В настоящее время обмен сообщениями между людьми производится с помощью сотен так называемых естественных языков (русского, английского и т. д.).
Для того чтобы информация была понятна, язык должен быть известен всем людям, участвующим в общении. Чем большее количество языков вы знаете, том шире круг вашего общения.
Согласно библейской легенде о вавилонском столпотворении, строившаяся в древнем городе Вавилоне башня не была закончена и разрушилась, так как сотни строителей говорили на различных языках и не понимали друг друга (рис. 1.4).
Информация в форме знаний. С самого начала человеческой истории возникла потребность накопления информации для ее передачи во времени из поколения в поколение и передачи в пространстве на большие расстояния. Процесс накопления информации начался с изобретения в IV тысячелетии до нашей эры письменности и первых носителей информации (шумерских глиняных табличек и древнеегипетских папирусов).
Для того чтобы человек мог правильно ориентироваться в окружающем мире, информация должна быть полной и точной. Задача получения полной и точной информации о природе, обществе и технике стоит перед наукой. Процесс систематического научного познания окружающего мира, в котором информация рассматривается как знания, начался с середины XV века после изобретения книгопечатания.
Для долговременного хранения знаний (передачи из поколения в поколение) и распространения их в обществе (тиражирования) необходимы носители информации.
Материальная природа носителей информации может быть различной. До настоящего времени в качестве основного носителя информации используется бумага. В прошлом веке широкое распространение для хранения графической информации получила фото- и кинопленка. В настоящее время для хранения информации широко используются также магнитные носители (аудио- и видеопленки, гибкие и жесткие диски) и оптические носители (CD- и DVD-диски) (рис. 1.5).
Средства массовой информации. Широко известен термин «средства массовой информации» (газеты, радио, телевидение), которые доводят информацию до каждого члена общества. Такая информация должна быть достоверной, актуальной и полезной. Недостоверная информация вводит членов общества в заблуждение и может быть причиной возникновения социальных потрясений. Неактуальная информация не имеет применения в настоящий момент времени, и поэтому никто, кроме историков, не читает прошлогодних газет. Бесполезная информация создает информационный шум, который затрудняет восприятие полезной информации
Контрольные вопросы
- Какие способы и органы чувств использует человек при восприятии информации?
- Коковы должны быть свойства информации, представленной в форме сообщений?
- Каковы должны быть свойства информации, представленной в форме знаний?
- Каковы должны быть свойства информации, распространяемой средствами массовой информации?
1.1.4. Информационные процессы в технике
Системы управления техническими устройствами. Функционирование систем управления техническими устройствами связано с процессами приема, хранения, обработки и передачи информации. Системы управления могут выполнять различные функции. Например, такие системы могут поддерживать определенное состояние технической системы.
Так системы автоматической терморегуляции холодильника, утюга и кондиционера обеспечивают поддержание заданной температуры. В системе терморегуляции управляющее устройство получает информацию от температурных датчиков, обрабатывает ее (сравнивает реальную температуру с заданной) и передает команды нагревательному элементу (усилить или уменьшить нагрев) (рис. 1.6).
Рис. 1.6. Система управления, регулирующая температуру
Системы управления встроены практически во всю современную бытовую технику, станки с числовым программным управлением, транспортные средства и пр.
Системы управления могут обеспечивать функционирование технической системы по заданной программе. Например, системы программного управления обеспечивают выбор режимов стирки в стиральной машине, записи в видеомагнитофоне, обработки детали на станке с программным управлением.
В некоторых случаях главную роль в процессе управления выполняет человек, в других управление осуществляет встроенный в техническое устройство микропроцессор или подключенный компьютер. Например, управление полетом самолета может осуществлять летчик или в режиме автопилота бортовой компьютер. Они получают информацию о режиме полета от датчиков (скорости, высоты и пр.), обрабатывают ее и передают команды на исполнительные механизмы (закрылки, клапаны, регулирующие работу двигателей, и пр.), изменяющие режим полета.
Первый микропроцессор Intel 4004, «дедушка» современных процессоров, был разработан в 1971 году специально для использования в автоматизированных системах управления. Процессор включал 2300 электронных переключателей, обладал памятью объемом 640 байтов и мог выполнять 100 .тысяч операций в секунду (рис. 1.7).
Роботы. Роботами называются автоматические устройства, предназначенные для осуществления научных, производственных и других работ. Роботы могут иметь различные внешний вид и размеры, но все они выполняют те или иные действия на основании заложенной в них программы обработки информации.
Промышленные роботы обычно заменяют человека в тех отраслях производства, где требуется проведение утомительных и однообразных работ (например, конвейерная сборка автомобилей и электронных устройств), опасных технических работ (например, работа с радиоактивными материалами), а также работ, где присутствие человека физически невозможно (например, автоматические космические и глубоководные аппараты).
Большой интерес всегда вызывают роботы, подобные человеку или животным по внешнему виду и действиям. Они могут ходить, преодолевать препятствия, реагировать на внешние раздражители и даже разговаривать (рис. 1.8).
Информационные и коммуникационные технологии.
В современном информационном обществе главным ресурсом является информация, использование которой базируется на информационных и коммуникационных технологиях. Информационные и коммуникационные технологии являются совокупностью методов, устройств и производственных процессов, используемых обществом для сбора, хранения, обработки и распространения информации.
Во второй половине прошлого, XX века в связи с бурным ростом объема информации начали создаваться специальные технические устройства, предназначенные для обработки, хранения и приема/передачи информации в цифровой форме.
В последние годы появились роботы, оснащенные органами чувств, аналогичными органам чувств человека (зрение, слух, тактильные ощущения), имеющие память и способные обрабатывать полученную информацию и осуществлять целенаправленные действия. Такие роботы могут работать дома (уже производится робот-пылесос), в больнице (экспериментальные образцы разносят больным лекарства), на других планетах (луноходы и марсоходы путешествуют по поверхностям небесных тел) и т. д.
Универсальным устройством обработки информации является компьютер. Подключаемые к компьютеру периферийные устройства (принтеры, сканеры, цифровые камеры и др.) позволяют вводить информацию в компьютер в цифровой форме и представлять ее в форме, удобной для человека. Для передачи информации по компьютерным сетям используются модемы и другие сетевые устройства.
Контрольные вопросы
- Приведите примеры систем управления техническими устройствами.
- Приведите примеры использования роботов в различных сферах деятельности.
- Приведите примеры использования информационных и коммуникационных технологий.
_______________________________________________________________________
Предыдущий раздел - Рекомендации по использованию учебника.
Следующий раздел - 1.2. Кодирование информации с помощью знаковых систем.
К оглавлению учебника - Угринович. Информатика Базовый курс. 8 класс. 2005.