ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Уральский государственный университет им. А.М. Горького»
Математико-механический факультет
Кафедра математической физики
КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Программа дисциплины
(Стандарт ПД-ЕН)
Екатеринбург
2009
I.
II.
Введение
1. Цель дисциплины: Дать студентам представление о наиболее фундаментальных
законах живой и неживой природы.
2. Задачи дисциплины: Выработать у студентов современное естественнонаучное
мышление.
3. Место дисциплины в системе высшего профессионального образования: Усвоения
курса требует знаний физики и биологии в рамках школьного курса этих предметов.
Курс является основой для цикла курсов математического моделирования.
4. Требования к уровню освоения содержания курса: Умение объяснять явления живой и
неживой природы с точки зрения фундаментальных законов естествознания.
5. Методическая новизна курса: Фундаментальные законы природы раскрываются в их
историческом развитии. Особое внимание уделяется демонстрации математических
методов описания явлений живой и неживой природы.
Содержание курса
1. Разделы курса, темы, их краткое содержание
Развитие современного естествознания.
Естествознание в античный период: Фалес
Милетский и его последователи; Пифагор и его школа, Аристотель – развитие
наблюдательного метода, его система и картина мира. Аристарх Самосский – первые
астрономические измерения и гелеоцентрическаяё картина мира. Картина мира по
Птолемею. Естествознание в эпоху Возрождения. Система мира Коперника. Галилей, его
метод познания природы и крупнейшие достижения. Работы тихо Браге и Кеплера. Законы
Кеплера.
Основы классической механики. Ньютон. Его метод рассуждений. Основные законы
механики и всемирного тяготения. Объяснение приливных явлений, открытие конечности
скорости света. Открытие Нептуна и Плутона.
Теория относительности. Предпосылки создания ТО. Гипотеза эфира, эксперименты по
измерению скорости движения Земли через эфир. Эксперимент Майкельсона – Морли.
Постулаты Эйнштейна. Основные результаты СТО (относительность одновременности,
преобразования Лоренца, относительность размеров предметов и длительности явлений,
закон сложения скоростей; импульс и сила в СТО; энергия в СТО, дефект массы). Принцип
эквивалентности ОТО, его следствия – связь геометрии и гравитации, замедление времени,
искажение траектории лучей света в поле тяжести. Экспериментальная проверка ОТО.
Молекулярная картина строения мира. Тепловое движение молекул. Температура, как мера
интенсивности их движения. Энтропия как мера хаоса в системе. Первое и второе начала
термодинамики. Структура вещества как результат конкуренции между тепловым
движением молекул и их взаимодействием. Различные типы агрегатного состояния вещества.
Жидкие кристаллы и полимеры. Испарение и конденсация, связанные с ними тепловые
эффекты. Зависимость температуры кипения от даволения. Интенсификация испарения и
охлаждения при движении окружающей среды. Броуновское движение и диффузия.
Растворение вещества. Интенсификация растворения при перемешивании. Поверхностное
натяжение. Капиллярные явления и их важность для жизни. Природа упругих и вязких
свойств вещества. Вероятностное описание систем, состоящих из большого числа частиц
(молекул). Распределение Гиббса, Максвелла и Больцмана. Идеальная (гауссова) полимерная
цепочка. Биополимеры.
Строение атома и квантовая картина строения мира. Ультрафиолетовая катастрофа. Теория
квантов Планка. Теория фотонов Эйнштейна. Эксперименты Резерфорда по исследованию
строения атома. Планетарная модель. Ее сложности. Теория атома Бора . Вопросы,
возникающие в теории Бора. Волновая гипотеза де-Бройля. Картина атома по де-Бройлю.
Принцип неопределенностей Гейзенберга. Уравнение Шредингера. Вероятностный характер
квантовой механики. Спин и принцип Паули. Качественная теория химических связей.
Атомные ядра и элементарные частицы. Взаимодействие между электрически заряженными
частицами как результат обмена виртуальными фотонами. Протон-нейтронная модель
атомного ядра. Проблемы устойчивости ядра. Модель Юкавы, ядерные силы, мезоны. Распад
ядер и термоядерный синтез. Структура нуклонов; кварки и особенности взаимодействия
между ними.
Современные космологические представления. Теория Большого Взрыва и последующая
эволюция Вселенной. Образование и эволюция звезд. Красные гиганты, сверхновые, белые
карлики, нейтронные звезды, черные дыры. Галактики.
Строение солнечной системы. Гипотезы ее происхождения и эволюции. Теория эволюции
Солнца.
Происхождение и эволюция жизни на Земле. Физико-химические основы жизни. Гипотеза о
происхождении жизни и ее эволюции на до организменном уровне. Основные этапы
эволюции жизни на Земле. Клеточное строение живых организмов. Основы строения и
жизнедеятельности клетки.
Физико-химические основы биологической эволюции и
наследственности.
2. Темы лабораторных, семинарских занятий и коллоквиумов
3. Примерный перечень вопросов к экзамену (зачету)
1. Естествознание в античный период: Фалес Милетский и его последователи; Пифагор и его
школа, Аристотель – развитие наблюдательного метода, его система и картина мира.
2. Аристарх Самосский – первые астрономические измерения и гелеоцентрическая картина
мира. Картина мира по Птолемею.
3. Естествознание в эпоху Возрождения. Система мира Коперника. Галилей, его метод
познания природы и крупнейшие достижения. Работы тихо Браге и Кеплера. Законы
Кеплера.
4. Ньютон. Его метод рассуждений. Основные законы механики и всемирного тяготения.
Объяснение приливных явлений.
5. Предпосылки создания ТО. Гипотеза эфира, эксперименты по измерению скорости
движения Земли через эфир. Эксперимент Майкельсона – Морли.
6. Постулаты Эйнштейна. Основные результаты СТО (относительность одновременности,
преобразования Лоренца, относительность размеров предметов и длительности явлений,
закон сложения скоростей; импульс и сила в СТО; энергия в СТО, дефект массы).
7. Принцип эквивалентности ОТО, его следствия – связь геометрии и гравитации,
замедление времени, искажение траектории лучей света в поле тяжести. Экспериментальная
проверка ОТО.
8. Тепловое движение молекул. Температура, как мера интенсивности их движения.
Энтропия как мера хаоса в системе. Первое и второе начала термодинамики.
9. Структура вещества как результат конкуренции между тепловым движением молекул и их
взаимодействием. Различные типы агрегатного состояния вещества.
10. Испарение и конденсация, связанные с ними тепловые эффекты. Зависимость
температуры кипения от давления. Интенсификация испарения и охлаждения при движении
окружающей среды.
11. Броуновское движение и диффузия. Растворение вещества. Интенсификация
растворения при перемешивании.
12. Поверхностное натяжение. Капиллярные явления и их важность для жизни.
13. Вероятностное описание систем, состоящих из большого числа частиц (молекул).
Распределение Гиббса, Максвелла и Больцмана. Идеальная (гауссова) полимерная цепочка.
14. Ультрафиолетовая катастрофа. Теория квантов Планка. Теория фотонов Эйнштейна.
15. Эксперименты Резерфорда по исследованию строения атома. Планетарная модель. Ее
сложности.
16. Теория атома Бора. Постулаты Бора. Вопросы, возникающие в теории Бора.
17. Волновая гипотеза де-Бройля. Картина атома по де-Бройлю. Принцип
неопределенностей Гейзенберга.
18. Уравнение Шредингера. Вероятностный характер квантовой механики.
19. Протон-нейтронная модель атомного ядра. Проблемы устойчивости ядра. Модель
Юкавы, ядерные силы, мезоны. Распад ядер и термоядерный синтез.
20. Теория Большого Взрыва и последующая эволюция Вселенной.
21. Образование и эволюция звезд. Красные гиганты, сверхновые, белые карлики,
нейтронные звезды, черные дыры.
22. Строение солнечной системы. Гипотезы ее происхождения и эволюции. Теория
эволюции Солнца. Физико-химические основы жизни. Гипотеза о происхождении жизни и
ее эволюции на до организменном уровне. Основные этапы эволюции жизни на Земле.
Клеточное строение живых организмов. Основы строения и жизнедеятельности клетки.
Физико-химические основы биологической эволюции и наследственности.
23. Физико-химические основы жизни. Гипотеза о происхождении жизни и ее эволюции на
до организменном уровне. Основные этапы эволюции жизни на Земле.
24. Клеточное строение живых организмов. Основы строения и жизнедеятельности клетки.
25. Физико-химические основы биологической эволюции и наследственности.
Распределение часов курса по темам и видам работ
III.
№
п/п
Наименование
разделов и тем
ВСЕГО
(часов)
Аудиторные занятия
(час)
в том числе
Лекции
Практические
Самостоятельная
работа
(семинары,
лабораторные
работы)
1
2
3
4
5
Развитие современного
естествознания
Основы классической
механики
Теория относительности
Молекулярная картина
строения вещества
Атомная физика
ИТОГО:
IV.
16
4
0
12
22
6
4
12
26
10
4
12
36
10
6
20
30
120
6
36
4
18
20
66
Форма итогового контроля
Зачет - 5 семестр.
Учебно-методическое обеспечение курса
1. Рекомендуемая литература (основная)
С.А.Гуляев, В.М.Жуковский, С.В.Комов, Основы естествознания
А.Н.Матвеев. Механика и теория относительности
А.Н.Матвеев, Молекулярная физика
Э.В.Шпольский, Атомная физика
М.В.Волькенштейн, Общая биофизика.
V.
2. Рекомендуемая литература (дополнительная)
Нет