- •Учебно-методический комплекс по дисциплине
- •Содержание
- •I. Учебная программа дисциплины
- •I. Учебная программа дисциплины
- •Пояснительная записка
- •Цели и задачи изучения дисциплины
- •3. Требования к уровню освоения дисциплины
- •4. Содержание дисциплины
- •4.1. Содержание дисциплины, структурированное по видам учебных занятий с указанием их объемов в часах
- •Распределение часов по темам и видам учебной работы
- •4.2. Содержание разделов и тем
- •Тема 4. Развитие представлений о материи, движении и взаимодействии
- •Раздел II. Пространство, время, симметрия
- •Тема 5. Эволюция представлений о пространстве и времени
- •Тема 6. Специальная теория относительности (сто). Общая теория относительности (ото).
- •Тема 7. Принципы симметрии, законы сохранения
- •Раздел III. Структурные уровни и системная организация материи
- •Тема 8. Системные уровни организации материи. Микро-, макро-, мегамиры.
- •Тема 9. Структуры микромира
- •Тема 10. Химические системы
- •Тема 11. Особенности биологического уровня организации материи
- •Раздел IV. Порядок и беспорядок в природе
- •Раздел V. Панорама современного естествознания
- •Тема 16. Космология (мегамир)
- •Тема 17. Геологическая эволюция
- •Тема 18. Происхождение жизни. Эволюция и развитие живых систем.
- •Тема 19. История жизни на Земле и методы исследования эволюции.
- •Тема 20. Генетика и эволюция
- •Раздел VI. Биосфера и человек
- •Тема 21. Экосистемы (многообразие живых организмов - основа организации и устойчивости биосферы)
- •Тема 22. Учение о биосфере
- •Тема 23. Человек в биосфере
- •Тема 24. Глобальный экологический кризис (экологические функции литосферы, экология и здоровье).
- •5. Организация промежуточного и итогового контроля знаний
- •5.1. Система формирования 100-балльной оценки
- •5.2. Образцы тестовых и контрольных заданий
- •5.3. Форма итогового контроля
- •5.4. Перечень вопросов к зачету или экзамену
- •1. Методические указания по выполнению отдельных видов учебной работы
- •Тема 3. Развитие научных исследовательских программ и картин мира (история естествознания, тенденции развития).
- •Тема 1. Научный метод познания
- •Тема 18. Происхождение жизни. Эволюция и развитие живых систем.
- •2.Методические указания по организации самостоятельной работы
- •3. Технические средства обучения и контроля
- •III. Учебные материалы
- •Раздел I. Эволюция научного метода и естественнонаучной картины мира
- •Тема 1.1. Научный метод познания
- •Тема 1.2. Естественнонаучная и гуманитарная культуры
- •Тема 1.3. Развитие научных исследовательских программ и картин мира (история естествознания, тенденции развития)
- •1) Астрономия
- •2) Космология
- •3) Биология
- •4) Медицина
- •5) Физика
- •6) Информатика и кибернетика
- •7) Геология и науки о Земле
- •1) Физика, космология и астрономия
- •2) Биология
- •3) Медицина
- •4) Психофизиология
- •5) Кибернетика и информатика
- •Темы 1.4. Развитие представлений о материи
- •1. Корпускулярная концепция
- •2. Континуальная концепция
- •3. Корпускулярно-волновой дуализм
- •Тема 1.5. Развитие представлений о движении
- •1. Движение
- •Тема 1.6. Развитие представлений о взаимодействии
- •Раздел II. Пространство, время, симметрия Тема 2.1. Эволюция представлений о пространстве и времени
- •Два типа движения (по Аристотелю)
- •Два типа времени
- •Две современные модели времени
- •Тема 2.2. Специальная теория относительности (сто)
- •Тема 2.3. Общая теория относительности
- •Тема 2.4. Принципы симметрии, законы сохранения
- •1. Понятие симметрии в естествознании
- •2. Стереоизомерия и асимметрия живого (нарушенные симметрии)
- •3. Симметрия и законы сохранения
- •Раздел III. Структурные уровни и системная организация материи Тема 3.1. Микро-, макро-, мегамиры
- •Тема 3.2. Системные уровни организации материи
- •Свойства систем
- •Тема 3.3. Структуры микромира
- •Тема 3.4. Химические системы
- •Тема 3.5. Особенности биологического уровня организации материи
- •1. Основные признаки жизни
- •2. Специфика, единство и многообразие живого
- •3. Уровни организации живых систем
- •Раздел IV. Порядок и беспорядок в природе Тема 4.1. Динамические и статистические закономерности в природе
- •1. Идеи детерминизма
- •2. Динамические и статистические закономерности в природе
- •Тема 4.2. Концепции квантовой механики
- •Тема 4.3. Принцип возрастания энтропии
- •1. Основные понятия
- •2. Законы (начала) классической термодинамики
- •3. Принцип возрастания энтропии. Соотношение порядка и беспорядка в природе.
- •Тема 4.4. Закономерности самоорганизации. Принципы универсального эволюционизма.
- •Раздел V. Панорама современного естествознания
- •Тема 5.1. Космология (мегамир)
- •Альтернативные космологические модели
- •Тема 5.2. Геологическая эволюция
- •Тема 5.3. Происхождение жизни (эволюция и развитие живых систем)
- •1. Возникновение жизни
- •Тема 5.4. Эволюция живых систем
- •Тема 5.5. История жизни на Земле и методы исследования эволюции (эволюция и развитие живых систем)
- •Этапы развития жизни на Земле
- •Тема 5.6. Генетика и эволюция
- •Раздел VI. Биосфера и человек Тема 6.1. Экосистемы (многообразие живых организмов - основа организации и устойчивости биосферы)
- •Тема 6.2. Биосфера
- •Тема 6.3. Человек в биосфере
- •К концу хх века на Земле сложился комплекс экологических проблем, основные из которых следующие:
- •Практикум Практические и контрольные задания для работы на занятиях и самостоятельной работы
- •Классификация понятий по области научного знания
- •Виды понятий
- •Античная наука
- •Наука в развитии
- •Основные достижения, открытия, имена
- •История часов
- •Фундаментальные физические взаимодействия
- •Микро-, макро- и мегамиры
- •Сравнительная характеристика днк и рнк
- •Уровни организации биологических систем
- •Солнечная система
- •Практические работы Тема: Изучение индивидуальных авторитмов Теоретическая часть
- •Практическая часть
- •Часть 1
- •1. Определите им без отсчета и без помехи.
- •2. Определите им с отсчетом, без помехи.
- •3. Определите им без отсчета, но с помехой.
- •4. Определите им с отсчетом и помехой.
- •Часть 2
- •Пример графика расчета физического, эмоционального и интеллектуального ритмов
- •Тема: Определение индивидуального профиля асимметрии
- •I. Теоретическая часть
- •II. Практическая часть
- •1. Определение ведущей руки (тест Аннет)
- •2. Тесты на несознательные двигательные реакции (более надежны, чем тест Аннет)
- •III. Форма отчетности
- •Асимметрия мозга
- •Клеточные автоматы Теоретическая часть
- •Ход работы
Тема 3.3. Структуры микромира
Основные понятия
Элементарные частицы
Фундаментальные частицы – по современным представлениям, не имеющие внутренней структуры и конечных размеров (например, кварки, лептоны)
Частицы и античастицы
Классификация элементарных частиц:
- по участию во взаимодействиях: лептоны, адроны
- по времени жизни: стабильные (протон, электрон, нейтрино), нестабильные (свободный нейтрон) и резонансы (нестабильные короткоживущие)
Взаимопревращения элементарных частиц (распады, рождение новых частиц при столкновениях, аннигиляция)
Возможность любых реакций элементарных частиц, не нарушающих законов сохранения (энергии, заряда и т.д.)
Вещество как совокупность корпускулярных структур (кварки — нуклоны — атомные ядра — атомы с их электронными оболочками)
Размеры и масса ядра в сравнении с атомом
Микромир – мир атомов и элементарных частиц
Микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10-8 до 10-16 см, а время жизни — от бесконечности до 10-24 сек. В области реально, экспериментально изучаемого мира физики фиксируют размеры порядка 10–16 см (в тысячу раз меньше размеров атомных ядер). Микромир выделяется как объект квантовой механики, в том числе релятивистской, учитывающей одновременно и квантованность, и относительность (релятивность) процессов в микромире, их структурных, пространственно-временных и энергетических характеристик.
Еще с древнейших времен человек пытался познать первооснову мира, то, из чего состоит все. Ранее такой основой считались атомы. Затем выяснилось, что атомы и даже атомные ядра делимы.
Прежде всего был открыт электрон. Его характеристики были определены в 1897 г. Дж. Дж. Томсоном. Было установлено, что ион водорода, который Резерфорд назвал в 1914 г. протоном, является элементарным носителем положительного заряда. В 1920 г. Резерфордом было предсказано существование нейтрона, который был открыт в 1932 г. В том же году был открыт позитрон.
Элементарными (субъядерными) частицами называют такие частицы, которые не удается расщепить на составные части. Они подразделяются на стабильные и нестабильные. Всем элементарным частицам присущи такие основные черты:
частицы, пока существуют, неизменны.
частицы одного сорта абсолютно одинаковы, неразличимы;
частицы могут рождаться и исчезать.
Согласно стандартной модели всё вещество (включая свет) состоит из 12 фундаментальных элементарных частиц и 12 частиц-переносчиков взаимодействий. В это число входят кварки (из которых состоят протоны и нейтроны), электроны, фотоны и другие элементарные частицы.
Всем элементарным частицам присущ корпускулярно-волновой дуализм: с одной стороны, частицы представляют собой единые, неделимые объекты, с другой стороны, они в определённом смысле «размазаны» в пространстве. При определённых условиях такая «размазанность» может принимать даже макроскопические размеры. Квантовая механика описывает частицу используя так называемую волновую функцию, которая определяет не где точно находится частица, а где бы она могла находиться и с какой вероятностью. Таким образом, поведение частиц носит принципиально вероятностный характер: вследствие вероятностной «размазанности» частицы в пространстве мы не можем с абсолютной уверенностью определить её местоположение (принцип неопределённости). Но в макромире дуализм незначителен.
Пока неизвестны причины того, почему имеется именно такой набор частиц, причины наличия массы у некоторых из них и ряда других параметров. Перед физикой стоит задача построить теорию, в которой свойства частиц вытекали бы из свойств вакуума.
К настоящему времени открыто несколько сотен элементарных частиц. Естественно, что столь большое число элементарных частиц нуждается в конкретной классификации.
Все элементарные частицы характеризуются такими параметрами, как масса покоя (фотон, движущийся со скоростью света, имеет массу покоя равную нулю, электрон – наилегчайший с ненулевой массой покоя, протоны и нейтроны в 2000, а Z-частица в 200000 раз тяжелее электрона), электрический заряд (он всегда кратен заряду электрона, равному –1, либо вовсе отсутствует), спин (момент импульса частицы, у бозонов спины целые – 0, 1, 2, а у фермионов полуцелые – например ½), и время жизни (стабильные – электрон, протон, фотон и нейтрино и нестабильные, с временем жизни от 15 минут до триллионных и более малых долей секунды).
В основе классификации элементарных частиц лежит их возможность участвовать в тех или иных видах фундаментальных взаимодействий.
Классификация элементарных частиц:
Фотоны – кванты электромагнитного поля, частицы с нулевой массой покоя, не имеют сильного и слабого взаимодействия, но участвуют в электромагнитном.
Лептоны – элементарные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии. Класс лептонов состоит из шести частиц (электрон, мюон, тау-лептон и три вида нейтрино) и шести античастиц.
Адроны – частицы, которые способны участвовать в сильном взаимодействии. Адронов очень много. Они состоят из кварков, и все их большое разнообразие можно свести к сочетанию кварков — элементарных частиц с дробным электрическим зарядом 1/3 или 2/3. Класс кварков состоит из шести частиц и шести античастиц. Кварки не встречаются в свободном состоянии, а образуют связанные соединения.
Барионы – адроны, образуемые комбинациями трех кварков (протон, нейтрон и др.).
Мезоны – адроны, состоящие из кварка и антикварка, это сильно взаимодействующие нестабильные частицы.
Частицы — переносчики взаимодействий: фотон (электромагнитное взаимодействие: фотон не имеет массы, что обусловливает большой радиус этого взаимодействия), мезоны (слабое взаимодействие), глюоны (сильное взаимодействие), гравитоны (гравитационное взаимодействие). Так, электромагнитное взаимодействие передается нейтральным. Переносчики слабого взаимодействия — два промежуточных векторных бозона W± и один нейтральный Z-бозон обладают большой массой и обеспечивают осуществление слабого взаимодействия только на очень коротких расстояниях.
Кварки: Сейчас известно, что адроны состоят из кварков и антикварков. На сегодняшний день кварки и антикварки считаются неделимыми, их по 6 типов, которые называются «ароматами» (flowers): u (up), d (down), с (charm), s (strangeness), t (top) и b (bottom). Самое необычное свойство кварков заключается в том, что они существуют только внутри адронов и не наблюдаются как самостоятельно существующие частицы. имеют дробный электрический и барионный заряд. Барионы и мезоны состоят из кварков.
Также элементарные частицы можно классифицировать следующим образом:
1) По спину: на фермионы (полуцелый спин) и бозоны (целый спин).
2) По времени жизни частицы можно разбить на:
1) стабильные (электрон, протон, фотон, нейтрино);
2) квазистабильные — распадающиеся вследствие электромагнитного и слабого взаимодействий (нейтрон);
3) нестабильные — распадающиеся вследствие сильного взаимодействия (π-мезоны).
3) По массе все частицы разделены на три класса:
барионы (тяжелые): протон, нейтрон, гипероны, часть резонансов. Из них стабилен протон. Все они - фермионы. Имеют барионный заряд +1. Участвуют во всех типах взаимодействий.
мезоны (средние, промежуточные): пи-мезоны, ка-мезоны и др. Нестабильны. Являются бозонами (нулевой или целочисленный спин). Барионного заряда нет. Участвуют во всех типах взаимодействий. Барионы + мезоны = адроны.
лептоны (легкие): мюон, нейтрино, электрон. Мюоны являются фермионами, не участвуют в сильных взаимодействиях и обладают лептонным зарядом.
Вне этих классов находится фотон: не лептон и не адрон. Лептонного заряда нет, в сильных взаимодействиях не участвует. Участвует в электромагнитных взаимодействиях, его спин = 1, а масса покоя = 0.
При определенных условиях у частицы есть «двойник», античастица с противоположным знаком. У античастиц такие же массы, время жизни, спин, изоспин, как и у частиц. При встрече друг с другом частица и античастица аннигилируют, т.е. превращаются в другие частицы.
Основные положения современной атомистики:
атом является сложной материальной структурой, представляет собой мельчайшую частицу химического элемента;
у каждого элемента существуют разновидности атомов (содержащиеся в природных объектах или искусственно синтезированы);
атомы одного элемента могут превращаться в атомы другого; эти процессы осуществляются либо самопроизвольно (естественные радиоактивные превращения), либо искусственным путем (посредством различных ядерных реакций).
Вещество, с которым мы сталкиваемся в повседневной жизни, состоит из атомов. В состав атомов входит атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, а также электроны, «вращающиеся» вокруг ядра (квантовая механика использует понятие «электронное облако»). Протоны и нейтроны относятся к адронам (которые состоят из кварков). Следует отметить, что в лабораторных условиях удалось получить «атомы», состоящие и из других элементарных частиц.
Атомы каждого химического элемента имеют в своём составе одно и то же количество протонов, называемое атомным номером или зарядом ядра. Однако количество нейтронов может различаться, поэтому один химический элемент может быть представлен несколькими изотопами. В настоящее время известно свыше 110 элементов, наиболее массивные из которых нестабильны.
Атомы могут взаимодействовать друг с другом, образуя химические вещества. Взаимодействие происходит на уровне их электронных оболочек. Химические вещества чрезвычайно многообразны. Наука пока не решила задачу точного предсказания физических свойств химических веществ.