- •Концепции современного естествознания
- •А.И. Бочкарёв, в.М. Васюков, о.В. Козловская, и.А. Дымченко
- •«Поволжский государственный университет сервиса»
- •Концепции современного естествознания
- •1. Рабочая учебная программа дисциплины
- •1.1. Цели освоения дисциплины
- •1.2. Место дисциплины в структуре ооп специальности
- •1.3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
- •1.4. Структура и объем дисциплины
- •1.4.1. Структура дисциплины (распределение фонда времени по семестрам, неделям и видам занятий)
- •1.4.2. Содержание дисциплины (распределение фонда времени по темам и видам занятий)
- •Человеческой культуры. История естествознания
- •1.1. Научное познание и роль науки в обществе. Структура естествознания
- •1.2. Естественные и гуманитарные науки
- •1.3. Эмпирический и теоретический уровни в естествознании
- •1.4. Возникновение рационального мышления. Формирование научного метода. Классический и неклассический периоды естествознания Геоцентрическая система мира
- •Гелиоцентрическая система мира
- •2.1. Механика Ньютона и детерминизм Лапласа. Законы сохранения
- •2.2. Дискретность и непрерывность материи в классическом естествознании
- •2.3. Концепции дальнодействия и близкодействия
- •3.1. Эволюция представлений о пространстве и времени
- •3.2. Постулаты и следствия специальной теории относительности
- •3.3. Взаимосвязь массы и энергии как основа ядерной энергетики. Основные положения и выводы общей теории относительности
- •3.4. Описание состояний в динамических и статических теориях. Законы термодинамики
- •3.5. Хаос, беспорядок и порядок в природе. Энтропия
- •В физике микромира. На переднем плане микромира
- •4.1. Противоречия в классической теории излучения и проявления концепции квантов. Корпускулярно-волновой дуализм
- •4.2. Особенности описания состояний в квантовой механике. Дискретные уровни энергии электронов в атомах и принцип Паули
- •4.3. Методы изучения микромира. Ускорители элементарных частиц. Стандартная модель элементарных частиц
- •I. Классификация элементарных частиц по значению спина
- •II. Классификация элементарных частиц по участию во взаимодействиях
- •4.4. Проблемы объединения фундаментальных взаимодействий
- •5.1. Химия и алхимия
- •5.2. Учение о составе вещества. Понятие о химических элементах. Периодическая система д.И. Менделеева
- •5.3. Учение о структуре вещества
- •5.4. Химические связи и строение молекул. Учение о химических процессах
- •5.5. Неорганические и органические соединения
- •Неорганические соединения
- •Органические соединения
- •5.6. Каталитическая и эволюционная химия
- •6.1. Масштабы и строение Вселенной
- •6.2. Развитие космологических и космологических представлений
- •6.3. Экспериментальные обоснования концепции Большого Взрыва. Темная материя и темная энергия
- •6.4. Разнообразие звезд, их строение и устойчивость. Рождение и термоядерная жизнь звезд. Смерть звезд
- •6.5. Солнце и солнечная система
- •6.6. Предмет и методы наук и Земле. Возникновение Земли и основные периоды геологической эволюции
- •6.7. Внутренние и внешние оболочки Земли
- •6.8. Тектоника литосферных плит. Эволюция атмосферы и гидросферы
- •7.1. Структурная иерархия живой материи. Феноменология жизни Признаки живой материи
- •Уровни организации живой материи
- •7.2. Молекулярные процессы в клетке
- •Строение клеток
- •Воспроизведение клеток
- •Обмен веществ и превращение энергии в клетке
- •Биосинтез белка
- •3 Нуклеотида → 1 аминокислота
- •7.3. Происхождение жизни и основные этапы ее эволюции Гипотезы происхождения жизни на Земле
- •Начальные этапы развития жизни на Земле
- •7.4. Генетика и эволюция
- •Закономерности наследования
- •Изменчивость
- •Генная инженерия и клонирование
- •Основные эволюционные теории
- •Микро- и макроэволюция
- •Факторы эволюции
- •Основные направления эволюции
- •Правила эволюции
- •8.1. Человек в иерархической структуре царства животных. Основные стадии антропогенеза
- •8.2. Социальная природа человека
- •8.3. Человек разумный Социально-географические особенности демографии
- •Социально-экологические особенности демографии. Окружающая среда и здоровье человека
- •8.4. Экосистема и ее элементы
- •Типы взаимодействия организмов
- •8.5. Геохимические функции живого вещества. Биосфера и человек
- •8.6. Глобальный экологический кризис
- •9.1. Естествознание и техника
- •9.2. Особенности эволюционных процессов в природе Самоорганизация в неживой природе
- •Самоорганизация в живой природе
- •Принципы универсального эволюционизма
- •Структурность и целостность в природе
- •Принципы целостности современного естествознания
- •9.3. Синергетика как наука о самоорганизации. Закономерности самоорганизации. Генезис синергетики. Моделирование самоорганизующихся процессов в природе и обществе
- •Методология постижения открытого мира
- •Принципы синергетики и синергетическая среда
- •Формирование инновационной культуры
- •3.Практические занятия (лабораторный практикум)
- •Практическое занятие 7. Естествознание и научно-технический прогресс. Самоорганизация в природе и в обществе (раздел 9)
- •Правила выполнения и оформления лабораторных работ
- •Лабораторная работа № 1. Изучение движения тел
- •Лабораторная работа № 2. Изучение статического равновесия механических систем
- •Лабораторная работа № 3. Изучение эволюции организационных структур методом моделирования электростатических полей
- •Лабораторная работа № 4. Исследование обменных процессов
- •Лабораторная работа № 5. Основные закономерности протекания химических процессов
- •Лабораторная работа № 6. Земля во вселенной
- •Лабораторная работа № 7. Солнечная активность
- •Лабораторная работа № 8. Сравнение строения клеток прокариот и эукариот
- •Лабораторная работа 9. Выявление активности процесса фотосинтеза
- •Лабораторная работа № 10. Исследование динамики открытых систем
- •Лабораторная работа № 11. Имитационное моделирование филогенеза
- •Лабораторная работа № 12. Изучение индивидуальных авторитмов
- •Лабораторная работа № 13. Исследование принципа симметрии
- •Лабораторная работа № 14. Экологическая характеристика места жительства, жилища и образа жизни
- •Лабораторная работа № 15. Изучение информационного поля конкурентного взаимодействий в малой социальной группе
- •Лабораторная работа № 16. Изучение оптических явлений и иллюзий восприятия действительности
- •Иллюзии цвета и контраста
- •Иллюзии восприятия глубины
- •4.Самостоятельная работа
- •Перечень тем творческих реферативных работ
- •5.Образовательные технологии
- •6.Оценочные средства для контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
- •Примерные тестовые задания для текущего, промежуточного и итогового контроля успеваемости обучающихся
- •Тема 1. Естествознание в контексте человеческой культуры. История естествознания
- •Тема 2. Механический детерминизм. Корпускулярные и континуальные концепции в естествознании
- •Тема 3. Пространство, время, относительность. Статистические закономерности в природе
- •Тема 4. Квантовые представления в физике микромира. На переднем крае физики микромира
- •Тема 5. Строение вещества
- •Тема 6. Вселенная. Звезды. Земля
- •Тема 7. Жизнь
- •Тема 8. Человек. Биосфера
- •Тема 9. Естествознание и научно-технический прогресс. Самоорганизация в природе и в обществе
- •7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
- •8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
- •«Концепции современного естествознания»
- •445677, Г. Тольятти, ул. Гагарина, 4.
II. Классификация элементарных частиц по участию во взаимодействиях
Адроны – частицы, участвующие, прежде всего, в сильном, наряду с электромагнитном и слабом взаимодействиями; адроны не являются истинно элементарными частицами, т.к. имеют конечные размеры и сложную структуру |
Лептоны – частицы, участвующие только в электромагнитном и/или слабом взаимодействиях (электрон, мюон, нейтрино) | |
барионы – это адроны с полуцелым спином (нейтрон и протон называют нуклонами) |
мезоны – это адроны с целым спином, их барионный заряд равен нулю |
Кроме того, выделяют еще группу частиц, которые не являются строительным материалом материи, но с их помощью осуществляется перенос взаимодействий. Считается, что все частицы обладают гравитационным взаимодействием.
Полагают, что электрон является истинной элементарной частицей. Нейтрино – наиболее распространенная частица во Вселенной. Нейтрино существует в виде электронного, мюонного и тау-нейтрино. На долю мюонов приходится значительная часть космического излучения; это субатомная частица, как и электрон, имеет тот же заряд и спин, но имеет большую массу (в 206,7 раз) и является нестабильной. За две миллионныедоли секунды она распадается на электрон и два нейтрино. Третий заряженныйлептон ведет себя подобно электрону и мюону, но масса ее превышает массу электрона в 3500 раз.
Выявление общих свойств и различий огромное количество открытых адронов (более 300) было получено с помощью кварковой модели строения адронов, согласно которой адроны рассматриваются как частицы, имеющие сложную внутреннюю структуру. Фундаментальным структурным элементом адронов считаются кварки.
Кварк – частица со спином 1/2 и дробным электрическим зарядом. Кроме спина, кварки имеют еще две внутренние степени свободы, которые назвали «аромат» и «цвет».
4.4. Проблемы объединения фундаментальных взаимодействий
Современная физика пытается раскрыть все содержание реального мира через проявления четырех видов взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого.
Гравитационное взаимодействие описывается фундаментальным законом всемирного тяготения. Все, что имеет массу, а масса присуща любой форме, любому виду материи, испытывает гравитационное притяжение. Оно свободно передается через любые тела, для него не существует преград. Радиус действия гравитационного взаимодействия не ограничен. Гравитационным силам принадлежит доминирующая роль при взаимодействии больших масс, например, космических тел, в этом случае они становятся грандиозными. Так, например, Земля и Луна притягиваются с силой, приблизительно равной 2 ∙ 1016 тонн! Вследствие того, что гравитационные силы являются дальнодействующими, гравитация связывает все тела Вселенной. Гравитационное взаимодействие может играть существенную роль не только в космосе, но и в микромире. На земле гравитационные силы слабы и пропорциональны массе тел. Так, сила притяжения двух людей среднего веса при расстоянии между ними 1 м не превышает 0,03 мг. Скорость распространения гравитационных волн предполагается равной скорости света в вакууме.
Электромагнитное взаимодействие связано с наличием электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при их движении. В отличие от гравитационного взаимодействия, которое всегда проявляется как притяжение, электростатическое взаимодействие между заряженными телами, в зависимости от знака заряда, сводится либо к притяжению, либо к отталкиванию. Электромагнитное взаимодействие обладает универсальным характером и присуще всем телам. Силы электромагнитного происхождения удерживают электроны в окрестности атомного ядра и организуют атомы в молекулы. В астрономических масштабах электромагнитное взаимодействие пренебрежительно мало в связи с тем, что звезды электронейтральны. В масштабах макро- и микромира им принадлежит огромная роль. Радиус действия этих сил неограничен, но они значительно, в 100–1000 раз, слабее сильных взаимодействий.
Сильное взаимодействие отвечает за устойчивость ядер и распространяется только в пределах ядра, то есть на расстоянии 10–13 см. Проявлением сильных взаимодействий выступают ядерные силы, объединяющие нуклоны в ядра. Чем сильнее взаимодействуют нуклоны в ядре, тем больше энергия связи. Однако с возрастанием размера ядра энергия связи уменьшается. Так, ядра элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева, неустойчивы и могут самопроизвольно распадаться. Такой процесс называют радиоактивным распадом. Сильное взаимодействие трактуется как цветовое взаимодействие между кварками, объединяющимися в адроны.
Слабое взаимодействие существует только в микромире. Оно присуще всем адронам и лептонам, но не свойственно фотонам. Силы, которым соответствует слабое взаимодействие, ответственны за превращение и разложение микрочастиц, например, нейтрона на протон, электрон и антинейтрино. Радиус слабого взаимодействия очень мал, всего 10–15 см, поэтому оно ограничивается субатомными частицами. Слабые взаимодействия играют очень важную роль в природе. Они обеспечивают все ядерные процессы, происходящие на Земле и в космосе. Благодаря им происходят ядерные реакции в недрах Солнца и звезд, обеспечивающие Вселенную энергией и веществом.
Четыре вида фундаментальных взаимодействий обеспечиваются четырьмя различными видами частиц – переносчиками взаимодействия:
- переносчик электромагнитного взаимодействия – фотон,
- переносчики слабого взаимодействия – бозоны,
- переносчики сильного взаимодействия – глюоны,
- переносчики гравитационного взаимодействия – гравитоны.
При электромагнитном взаимодействии одноименно заряженные частицы отталкиваются, а при гравитационном – притягиваются.
В современной физике созданы ряд общих законов физических взаимодействий:
Теория единого электрослабого взаимодействия: при очень высоких температурах или энергиях (100 ГэВ) слабое и электромагнитное взаимодействия объединяются и создают единый фундаментальный заряд. Этот заряд порождает общее поле, квантом которого служит безмассовая частица бозон.
Теория Большого объединения объединяет слабое и электромагнитное взаимодействия еще и с сильным взаимодействием; разрабатывается теория суперобъединения, которая включает все четыре фундаментальных взаимодействия, объединение которых возможно при сверхвысоких энергиях порядка 1019 ГэВ.
Литература: 1, 4–9.
Лекция 5. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА