Семинар 2. Структурные уровни организации материи

Стр 1 из 2Следующая ⇒

I. Гравитационное взаимодействие.

1. Законы гравитации в солнечной системе и галактиках.

2. Обнаружение черных дыр.

II. Электромагнитное взаимодействие.

1. Шкала электромагнитных волн.

2. Влияние электромагнитных волн на биологические объекты.

3. Электромагнитные поля мобильных телефонов.

4. Электромагнитные поля компьютеров.

5. Электромагнитные поля бытовых приборов.

III. Сильное взаимодействие.

1. Энергия ядер. Проблемы овладения ядерной энергией.

2. Иерархия элементарных частиц.

3. Квантовая хромодинамика. Кварки и строение элементарных частиц.

IV. Слабое взаимодействие.

1. Лептоны и слабое взаимодействие.

2. Типы лептонов и нейтрино.

3. Законы сохранения и симметрия в природе.

Литература: [1, 2, 3, 4, 6, 8]

Семинар 3. Фундаментальные взаимодействия

Ι. Дуализм волновых и корпускулярных свойств вещества.

1. Гипотеза де Бройля. Принцип неопределенности Гейзенберга Экспериментальные доказательства волновых свойств частиц.

2. Описание поведения микрочастиц. Волновая функция. Вероятностный характер процессов в микромире. Детерменизм в микромире.

3. Принцип Паули. Периодическая система химических элементов.

4. Химические связи и многообразие вещества.

Ι Ι. Пространственно-временные соотношения и системы отсчета.

1. Экспериментальные основы специальной теории относительности (СТО).

2. Экспериментальные доказательства СТО.

3. СТО в современных технологиях.

Литература: [1, 2, 3, 4, 6, 8]

Семинар 4. Концепция единства пространственно-временных отношений в природе

I. Общая теория относительности и эволюция Вселенной.

1. Экспериментальные доказательства ОТО.

2. Закон Хаббла. Определение постоянной Хаббла.

3. Постоянная Хаббла и время эволюции Вселенной.

4. Темная масса и темная энергия. Энергия вакуума как причина современного расширения Вселенной.

5. Концепция Большого взрыва. Теория «Горячей Вселенной». Этапы расширения Вселенной.

6. Экспериментальные доказательства теории «Горячей Вселенной».

7. Открытие реликтового излучения.

8. Анизотропия реликтового излучения и сетчатая структура Вселенной.

Ι Ι. Происхождение и эволюция галактик.

1. Происхождение и структура спиральных галактик.

2. Эллиптические галактики.

3. Неправильные галактики.

4. Квазары.

Ι Ι Ι. Происхождение и эволюция звезд.

1. Протозвезды и их свойства.

2. Звезды в стабильной стадии. Солнце.

3. Стадия красного гиганта.

4. Белые карлики и их свойства.

5. Нейтронные звезды. Открытие и строение.

6. Черные дыры в двойных звездных системах.

Литература: [2, 3, 4, 6, 8, 9, 17]

Семинар 5. Континуальные и корпускулярные традиции описания природы

I. Микроэлементы.

1. Микроэлементы в растениях.

2. Роль микроэлементов для человеческого организма.

II. Органические соединения.

1. Ферменты и их функции.

2. Липиды и их функции.

3. Углеводы и их функции.

III. Витамины.

1. Жирорастворимые витамины.

2. Водорастворимые витамины.

3. Гиповитаминозы.

4. Гипервитаминозы.

Литература: [2, 3, 4, 7]

Семинар 6. Эволюция Вселенной

I. Законы генетики живых систем.

1. Строение ДНК и РНК. Их роль в синтезе белка.

2. Мутации и мутагенные факторы.

3. Наследственные заболевания.

4. Работа иммунной системы организма.

III. Генная инженерия.

1. Успехи в создании генномодифицированных продуктов.

2. Правовые аспекты создания ГМП.

3. Технология создания вакцин.

4. Клонирование. История клонирования.

5. Перспективы технологии клонирования.

Литература: [2, 3, 7, 15, 16]

Семинар 7. Биологический уровень организации материи

I. Происхождение солнечной системы.

II. Теории биохимической эволюции.

1. Теория коацерватных капель Опарина-Холдейна..

2. Теория С.Фокса.

3. Проблема создания биологического кода.

III. Эволюция растений.

IV. Эволюция животных.

1. Эволюция ящеров.

2. Эволюция млекопитающих.

3. Происхождение человека.

Литература: [2, 3, 7, 9, 16, 17]

Семинар 8. Порядок и хаос в природе. Синергетика. Процессы самоорганизации в природе и обществе

1. Признаки самоорганизующися систем.

2. Состояние хаоса, странные аттракторы, понятие бифуркации.

3. Самоорганизующися системы в физике.

4. Самоорганизующися системы в химии

5. Самоорганизующися системы в биологии.

6. Процессы самоорганизации в человеческом обществе.

Литература: [12, 13, 14]

6. ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ
РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

Главной формой самостоятельной работы студентов при изучении курса «Концепции современного естествознания» является изучение соответствующих разделов учебников и учебных пособий по тем или иным вопросам и темам.

Для организации самостоятельной работы важное значение приобретает подготовка и написание рефератов. В ходе этой работы студент должен определить литературные источники, после изучения которых сможет грамотно сформулировать цель, задачи и актуальность выбранной темы, а также приобрести навыки изложения своих мыслей и сформулировать выводы по изучаемым вопросам и проблемам.

Примерные темы рефератов перечислены в разделе 7. Они полностью отражают содержание курса «Концепции современного естествознания» в соответствии с Государственным стандартом по этой дисциплине.

Помимо указанных рекомендаций для самостоятельной работы студентов как очной так и заочной форм обучения предлагается решение конкретных задач в рамках по каждой теме; всего 40 задач (№№ 101 – 140 на стр. 23-26 настоящего УМК).

Перечень и содержание этих задач указан в разделе 8.1. Номера задач по каждой теме приведены в круглых скобках таблицы.

Разделы и темы для самостоятельного обучения.	Виды и содержание самостоятельной работы
Тема 1. Естественная и гуманитарная культуры.История естествознания. Панорама современного естествознания	Проработка учебников и учебных пособий [1, 5, 13]. Подготовка рефератов по истории естествознания. Дискуссия: проблема двух культур. Решение задач (114, 117, 128, 129)
Тема 2. Структурные уровни организации материи. Микро-, макро-, и мегамиры. Физический вакуум. Ядра и элементарные частицы. Атомы и молекулы. Микроскопические тела. Макроскопические тела. Звезды. Галактики. Метагалактика. Крупно-масштабная структура Вселенной.	Проработка учебников и учебных пособий [3, 7, 15] и конспекта лекций. Подготовка рефератов. Решение задач (105, 108, 110, 112, 117)
Тема 3. Фундаментальные взаимодействия. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Деление тяжелых ядер. Цепная реакция деления ядер урана. Термоядерный синтез.	Проработка учебников и учебных пособий [4, 8, 16] и конспекта лекций. Подготовка к круглому столу: достижения и проблемы ядерной энергетики. Решение задач (106, 107, 112, 120)
Тема 4. Концепция единства пространственно-временных отношений в природе. Законы сохранения энергии, импульса, момента импульса и их связь с симметриями пространства-времени. Симметрия в живой и неживой природе.	Проработка учебников [1, 9, 17] и конспекта лекций. Подготовка рефератов. Решение задач (107, 111, 119)
Тема 5. Континуальные и корпускуляр-ные традиции описания природы.	Проработка учебников и учебных пособий [2, 10, 18] и конспекта лекций. Подготовка реферата Решение задач (101, 102, 118)
Тема 6. Эволюция Вселенной.	Проработка учебников и учебных пособий [3, 11, 13] и конспекта лекций. Подготовка реферата Решение задач (111, 112, 115, 117)
Тема 7. Биологический уровень организации материи. Структурные уровни организации живой материи. Химическая организация клетки: неорганические соединения, органические соединения (белки, жиры, углеводы). Основы клеточной теории.	Проработка учебников и учебных пособий [4, 12, 15] и конспекта лекций. Подготовка к дискуссии: «Достижения и проблемы генной инженерии». Решение задач (121, 122, 123, 129, 136)
Тема 8. Порядок и хаос в природе. Синергетика, самоорганизация в природе.	Проработка учебника и конспекта лекций. Подготовка реферата Решение задач (111, 112, 113, 117)

ТЕМЫ РЕФЕРАТОВ

1. Естественная и гуманитарная культуры.

2. Научный метод.

3. Корпускулярная и континуальная концепции описания природы.

4. Порядок и беспорядок в природе, хаос.

5. Структурные уровни организации материи, микро-, макро- и мегамиры.

6. Пространство, время.

7. Принципы относительности.

8. Принципы симметрии.

9. Законы сохранения.

10. Взаимодействие, близкодействие, дальнодействие.

11. Состояние.

12. Принципы суперпозиции, неопределенности, дополнительности.

13. Динамические и статистические закономерности в природе.

14. Законы сохранения энергии в макроскопических процессах. Принцип возрастания энтропии.

15. Химические системы, энергетика химических процессов, реакционная способность веществ.

16. Особенности биологического уровня организации материи.

17. Принципы воспроизводства и развития живых систем.

18. Многообразие живых организмов.

19. Основы организации и устойчивости биосферы.

20. Генетика и эволюция.

21. Ноосфера.

22. Проблема времени.

23. Самоорганизация в живой и неживой природе.

24. Принципы универсального эволюционизма.

25. Путь к единой культуре.

ТЕМЫ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ

Темы контрольных работ для студентов очной формы обучения

(определяет преподаватель)

1. Фундаментальные взаимодействия.

2. Специальная теория относительности.

3. Эволюция Вселенной.

4. Эволюция звезд.

5. Происхождение и строение солнечной системы.

6. Химическое строение живых организмов.

7. Законы генетики. Проблемы генной инженерии.

8. Происхождение живого и его эволюция.

9. Происхождение человека.

10. Проблемы синергетики.

Темы контрольных работ для студентов заочного отделения

Таблица вариантов выбора контрольных работ

Вариант

Номер варианта соответствует последней цифре номера зачетной книжки.

Примечание:

№101–110 – задачи на сравнение всех типов различных взаимодействий. Законы сохранения в ядерных реакциях.

№ 111-120 – состав и структура галактик. Эволюция Вселенной. Строение Солнечной системы.

№ 121- 130 – современные проблемы биологии. Эволюционные процессы в живых системах.

№ 131-140 – задачи на законы генетики.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Пример 1. Сравнить для изотопа водорода ₁Н² силы гравитационного и кулоновского взаимодействия электрона и ядра изотопа.

Решение :

ДАНО:

q₁ = e^- = -1.6 ·10^-19Кл

q₂ =½ e^-½ = 1.6 ·10^-19Кл

m₁= 9.1·10^{-31 кг}

m₂ = 3.3425 ·10^-27кг

1/4pe₀ =9 ·10⁹ Н м²/Кл²

G = 6.67·10^-11 Н м²/кг²

Определить: F₁/F₂

Решение:

Сила электростатического взаимодействия электрона и протона F₁, находящегося в ядре изотопа водорода определяется законом Кулона:

F₁ = q₁q₂/4pe₀ r² = e²/ 4pe₀ r²

Сила гравитационного взаимодействия электрона и ядра F₂ определяется законом всемирного тяготения:

F₂ = G m₁m₂/r²

Сравнивая две силы, возьмем отношение этих сил:

F₁/F₂ = q₁q₂/4pe₀ r²: G m₁m₂/r²= q₁q₂/4pe₀ × G m₁m₂=

=(1.6 ·10^-19)² 9× 10⁹/(6.67 10^-11× 9.1× 10 ^-31× 3.3425× 10^-27)=

=2.56 × 9 /6.67× 9.1× 3.3425× 10^{-38+9+11+31+27}

=0.11356× 10³⁹»1.14× 10³⁸.

Ответ: F₁/F₂ =1.14× 10³⁸.

Пример 2. Оценить возможный радиус черной дыры для звезды, масса которой больше солнечной массы в 10 раз.

Решение:

ДАНО:

М = 10M₀ = 10× 2× 10³⁰кг=2× 10³¹кг.

G =6.67× 10¹¹Нм²/кг².

с = 3·10⁸ м/с.

Определить: R_ч.д

Решение:

Радиус черной дыры (без учета эффектов общей теории относительности) находится из условия равенства второй космической скорости и скорости света.

Вторая космическая скорость – это скорость, с которой тело может уйти за пределы поля тяготения. Она находится из условия закона сохранения энергии в точке, удаленной от центра тяготения на расстояние R, и на бесконечном расстоянии:

Е_{пот R} + E_{кин R}= Е_пот_¥ + Е_кин_¥

mV²/2 - GmM/R = 0 + 0

________

V_II = Ö 2GM/R – вторая космическая скорость.

Приравнивая вторую космическую скорость к скорости света, получаем:

_______

с = Ö 2GM/R

Откуда R = 2GM/c²

R = 2× 6.67× 10^-11× 2× 10³¹/(3× 10⁸)² =(2× 6.67× 2/9) × 10^-11+31-16=2.9644× 10⁴м »29.6 × 10³м »30 км.

Ответ: R_{ч д} » 30 км.

Пример 3. Определить расстояние в световых годах до галактики по ее красному смещению Dl =10 нм линии l = 486 нм.

Решение:

Н =75 км× с^-1/Мпк.

Dl =10 нм.

l = 486 нм.

Определить: R.

При удалении галактики со скоростью V согласно эффекту Доплера для смещения Dl в красную сторону (в сторону удлинения длины волны) линии излучения l справедливо соотношение (при небольшом удалении):

Dl/l = V/c,

где c – скорость света.

Отсюда скорость удаления галактики равна:

V = c × Dl/l.

Вычислим скорость, чтобы узнать скорость удаления:

V = 3× 10⁸× 10/486 =0.062× 10⁸ м/с =62× 10⁵ м/c =6200 км/с.

По закону Хаббла скорость удаления пропорциональна расстоянию до галактики:

V = H ·R.

Примем постоянную Хаббла Н = 75 км× с^-1/Мпк.

Расстояние до галактики будет:

R = V/H = 6200/75 = 82.7 Мпк.

Учтем, что 1 парсек = 3.26 световых года, а 1 Мпк =10⁶ пк. Тогда

R =269× 10⁶ cв. лет.

Ответ: галактика удалена на 269 млн. световых лет.

Пример 4.

В результате соударения a- частицы с ядром атома бора ₅В¹⁰ образовались два новых ядра. Одним из этих ядер стало ядро атома водорода ₁Н¹.

Определите порядковый номер и массовое число второго ядра. Дать символическую запись ядерной реакции и определить ее энергетический эффект.

Решение:

Обозначим неизвестное ядро символом _ZX^A. Так как a-частица представляет собой ядро гелия ⁴He₂, запись реакции имеет вид

₂He⁴ + ₅B¹⁰ ® ₁H¹ + _ZX^A

Применив закон сохранения числа нуклонов, получим уравнение 4+10=1+А, откуда А=13. Применив закон сохранения заряда, получим уравнение 2+5=1+Z, откуда Z=6. Следовательно, неизвестное ядро является ядром атома изотопа углерода ₆С¹³. Окончательно записываем реакцию:

₂He⁴ + ₅B¹⁰ ® ₁H¹ + ₆С¹³

Но в таблицах обычно указываются массы элементов в атомных единицах массы, а энергия в ядерной физике определяется в мегаэлектронвольтах (МэВ =10⁶эВ=1.6× 10^-13Дж).

В этих единицах с²=9× 10¹⁶м²/c²=931 МэВ/а.е.м.

Тогда, энергетический эффект Q ядерной реакции, выражаемый в мегаэлектронвольтах, определяется по формуле

Q =(М₁₀- М₂₀- m_a) × 931 (*)

Хотя это соотношение относится к массам ядер, если добавить массы электронов элементов, входящих в реакцию, соотношение (*) останется справедливым для атомных масс элементов. Воспользовавшись данными табл.3, получаем:

Q=931{(m_He + m_B) - (m_H + m_B)} = 931{(4.00260 + 10.01294) – (1.00783 + +13.00335)}МэB = +4.06 МэВ

Знак + означает, что энергия выделяется.

Решение генетических задач

При решении задач в области генетики студент должен усвоить следующие основные принципы:

1) в передаче наследственной информации участвуют оба родителя, и они вносят одинаковый вклад в генетическую конструкцию потомка;

2) каждая особь имеет по два гена, в то время как гамета содержит лишь один такой ген;

3) две пары генов, находящихся в разных хромосомах, наследуются независимо друг от друга;

4) две пары генов, находящихся в одной и той же хромосоме, имеют тенденцию наследоваться совместно, но могут разделяться в случае кроссинговера;

5) гаметы могут соединяться в случайных комбинациях.

При решении генетических задач следует придерживаться следующих правил:

1) Записать символы, используемые для обозначения каждого гена.

2) Выяснить генотипы родителей, определяя их по фенотипам самих родителей, а если этого недостаточно, то по фенотипам либо их родителей, либо потомков.

3) Определить все гаметы, образующиеся у каждого родителя.

4) Начертить решетку Пеннета, в которой по горизонтали записать женские гаметы, а по вертикали – мужские.

5) Заполнить клетки решетки, записав в них генотипы соответствующих потомков, и определить соотношения в потомстве разных генотипов и разных фенотипов.

6) При решении задач на " признаки, сцепленные с полом" учесть, что ген, отвечающий за признак, находится в Х хромосоме, находящейся в половой паре хромосом. У женской особи рецессивный ген «а» не проявляется ( генотип Х^АХ^а), а в мужской особи рецессивный ген проявляется, так как нет альтернативного гена ( генотип Х^аУ)

Пример 5. У человека ген карего цвета глаз доминирует над геном голубых глаз. Гетерозиготная кареглазая женщина вышла замуж за голубоглазого мужчину. Какой цвет глаз возможен у их детей?

Условие задачи оформим в виде таблицы

Фенотип	Ген	Генотип
Карий цвет глаз	B	BB, Bb
Голубой цвет глаз	b	bb

Генетическая запись решения:

Р Bb х bb

G B b b

F₁ Bb bb

либо с помощью решетки Пеннета

	B	b
b	Bb	bb
b	Bb	bb

Гетерозиготная особь (в данном случае – мать) дает два типа гамет, гомозиготная (отец) – один. В результате такого брака вероятность рождения детей с карими и голубыми глазами равна 1: 1 (по 50%).

12 Следующая ⇒