- •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.
Лабораторная работа № 4. Исследование обменных процессов
Цель работы: изучение зависимости полезной мощности, коэффициента полезного действия, силы тока в цепи и напряжения от величины внешнего сопротивления (нагрузки).
Материалы и оборудование: источник тока, переменное сопротивление, амперметр, вольтметр; программное обеспечение: Gnuplot; kse.exe.
Теоретическая часть
Электрический ток представляет собой направленное, упорядоченное движение заряженных частиц (носителей тока) под действием поля. При отсутствии электрического поля носители тока совершают хаотическое движение, и через любую воображаемую поверхность проходит в обе стороны в среднем одинаковое число носителей любого знака, так что ток через поверхность равен 0. Количественной характеристикой электрического тока служит сила тока, которая определяется как заряд, переносимый через рассматриваемую поверхность в единицу времени.
Для поддержания постоянной величины силы тока необходимы сторонние силы, действующие либо на отдельных участках цепи, либо во всей цепи. Эти силы могут быть обусловлены химическими процессами (гальванические элементы, аккумуляторы), диффузией носителей тока в неоднородной среде, электрическими полями, порождаемыми меняющимися во времени магнитными полями (генераторы) и т.д. Всякое устройство, в котором возникают сторонние силы, называется источником тока.
Характеристикой источника тока является электродвижущая сила, которая определяется как работа сторонних сил источника тока по перемещению единичного положительного заряда с отрицательного полюса источника на положительный.
На участке электрической цепи, содержащей источник тока, кроме сторонних сил, на заряд действуют силы электростатического поля, результирующая сила, действующая в каждой точке цепи на заряд, равна разности этих сил.
Закон Ома для замкнутой цепи:
где − э.д.с., действующая в цепи;−суммарное сопротивление всей цепи:,(−внутреннее сопротивление источника;− сопротивление внешнего участка цепи).
Мощность источника может расходоваться на совершение работы в нагрузке и зависит от внутреннего сопротивления и сопротивления нагрузки. Мощность, развиваемая источником, выделяется на внутреннем сопротивлении источника и сопротивлении нагрузки. Полезной мощностью является мощность, выделяемая на нагрузочном сопротивлении.
Отношение полезной мощности, развиваемой источником, называется коэффициентом полезного действия:
Из формул видно, что при заданных и,изависят от внешнего сопротивления в цепи (сопротивления нагрузки). Чтобы выяснить условия, при которых полезная мощность достигает максимума, первую производнуюприравниваем нулю:
где ,.
При этом условии коэффициент полезного действия равен:
Зависимости от сопротивлениянагрузки легко проанализировать теоретически, используя формулы графики этих зависимостей приведены на рис. 3.
Рис.3. Зависимости мощности, коэффициента полезного действия, тока и напряжения источника тока от сопротивления нагрузки.
Интерпретация проделанной работы применительно к социально-экономической сфере достаточно проста с использованием метода аналогий. Например, динамика (зависимость передаваемой мощности) (продаваемой продукции) от сопротивления нагрузки (эластичности спроса-предложения) похожи (аналогичны), поскольку в условиях равновесия работают потенциальные модели, основанные на принципе наименьшего действия и принципе непрерывности (закон полного тока). При равенстве сопротивления нагрузки внутреннему сопротивлению генератора (издержек производителя) имеет место максимальная передача мощности (максимальная прибыль) при этом эластичность единичная.
Рассмотрим второй случай: сопротивление нагрузки равно бесконечности, т.е. разрыв цепи постоянный ток не течет и в нагрузке не выделяется мощность – это соответствует абсолютно неэластичному спросу. Напряжение на выходе равно приблизительно электродвижущей силе генератора (источника тока). Произведенная продукция не находит спроса. Мы рассматриваем только тот случай, когда производитель только продает, а покупатель покупает.
Рассмотрим третий случай: сопротивление нагрузки равно нулю, в цепи течет ток короткого замыкания. Это соответствует тому состоянию, когда продукция предлагается по цене ниже рыночной или вообще бесплатно, в результате спрос (ток) значительно возрастает и достигает в предельном случае (сопротивление нагрузки равно нулю) величины тока короткого замыкания. Продавец не получает прибыли и работает себе в убыток.
Практическая часть
Исследование зависимости силы тока, напряжения, полезной мощности и коэффициента полезной мощности в замкнутой цепи от величины внешнего сопротивления (нагрузки) по схеме лабораторного макета.
1. Измерить напряжение на клеммах источника без нагрузки, показания вольтметра будут близки к величине э.д.с. источника. Записать показания вольтметра.
2. Подключить нагрузку к источнику. Изменяя сопротивление нагрузки измерить силу тока и напряжения на нагрузке, результаты измерения произвести не меньше, чем для десяти значений силы тока в цепи, перекрывающих весь диапазон.
3. Вычислить значения ,ии занести в таблицу.
4. Построить графики зависимости
5. По графику определить ток короткого замыкания и внутреннее сопротивление источника.
Контрольные задания
1. Что такое электрический ток?
2. Назовите условия возникновения электрического тока.
3. Что такое сторонние силы? Дайте определение электродвижущей силы.
4. При каком сопротивлении нагрузки полезная мощность максимальна?
5. Каково значение к.п.д. источника тока при максимальной полезной мощности ?