- •№1 Роль естествознания в формирования профессиональных знаний. Естествознание, экономика и проблемы управления.
- •№2 №3 Фундаментальные и прикладные проблемы естествознания.
- •№4 Естествознание как основа научного мировоззрения. Особенности естествено-научной истины. Естественные науки и философия.
- •Естественно-научные и религиозные знания
- •Эксперимент и теория. Наблюдения и измерения. Современные технические средства измерений. Основные характеристики измерительных приборов. Единицы измерения.
- •Физика - фундаментальная наука о природе. Основные этапы развития физики. Единство природы и универсальность физических законов.
- •Фундаментальные понятия физики: материя, движение, пространство и время. Виды материи. Концепции симметрии, эфира и физического вакуума.
- •Виды фундаментальных взаимодействий. Универсальные физические постоянные.
- •Микро-, макро- и мегамир.Человек и вселенная.
- •Структурные уровни организации материи.
- •Корпускулярная и континуальная концепции описания природы (атомы, поле, кванты). Развитие концепции атомизма.
- •Тождественность микрообъектов и индивидуальность макросистем.
- •Проблема построения единой фундаментальной теории в физике.
- •Развитие концепций движения, пространства и времени
- •Основная задача классической механики и границы ее применимости.
- •Принцип причинности и лапласовский детерминизм.
- •Становление специальной теории относительности
- •Связь между массой и энергией
- •Симметрия пространства-времени, законы сохранения.
- •Развитие представлений о природе тепловых явлений и свойств макросистем.
- •Уравнение состояния идеального газа.
- •Второе начало (закон) термодинамики. Концепция энтропии и закон её возрастания.
- •Основные принципы действия тепловых машин. Цикл Карно и теорема Карно.
- •Необратимость свойство реальных процессов. Статистический характер энтропии. Хаос, структура и порядок макросистем. Проблема тепловой смерти.
- •Основные характеристики колебательных и волновых процессов. Типы колебаний и волн. Резонанс.
- •Виды электромагнитных излучений. Спектры излучений и их характеристики.
- •Тепловое (равновесное) излучение электромагнитных волн. Гипотеза Планка. Двойственная природа света и ее проявления.
- •Корпускулярно-волновой дуализм микрообъектов. Квантово-механическое описание процессов в микромире. Волны де Бройля и волновая функция.
- •Соотношение неопределенностей в квантовой теории. Постоянная Планка. Вероятностный характер микропроцессов.
- •Неразличимость микрочастиц. Спин. Принцип Паули. Фермионы и бозоны.
- •Строение атомов. Квантовые числа. Механизм излучения электромагнитных волн атомами и молекулами. Спонтанное и вынужденное излучение.
- •№38 №39 Атомные ядра и нуклоны. Изотопы. Дефект массы и энергия связи ядер. Деление ядер и термоядерный синтез. Цепная реакция.
- •Основные понятия синергетики и принципы самоорганизации открытых систем. Необходимые условия самоорганизации. Уровни самоорганизации в природе. Бифуркации и катастрофы.
- •Критерии естественно-научной концепции развития.
- •Строение и эволюция Вселенной. Разбегание галактик. Закон Хаббла. Возраст Метагалактики и космологический горизонт.
- •Концепция «большого взрыва». Первичный (космологический) нуклеосинтез и реликтовое излучение.
- •Тонкая подстройка Вселенной и антропный принцип в космологии. Проблема поиска внеземных цивилизаций.
- •Происхождение галактик и звёзд. Строение нашей Галактики. Эволюция звёзд. Синтез химических элементов в звёздах. Сверхновые и квазары.
- •Происхождение и состав Солнечной системы. Исследования планет космическими аппаратами.
- •Строение Земли. Вулканизм и землетрясения. Тектоника материков. Атмосфере Земли, климат и погода.
- •Развитие учения о строении вещества.
- •Периодическая система элементов д.И. Менделеева.
- •Принцип паули
- •Рспространенность химических элементов во вселенной и на земле
- •Химическая связь и структура химических соединений. Синтез новых материалов.
- •Разновидности химических процессов
- •Эволюция и самоорганизация химических систем. Макромолекулы и зарождение органической жизни.
- •Химические процессы и процессы жизнедеятельности. Катализ. Ферменты. Освоение каталитического опыта живой природы.
- •Возможности современных биотехнологий. Клонирование и проблемы воспроизведения живых организмов.
- •Особенности биосферного уровня организации материи. Развитие традиционных принципов в биологии. Живое и неживое.
- •Структурные уровни организации материи в биологии. Принципы систематики простейших организмов, растений и животных.
- •Строение и функции живой клетки. Основополагающие жизненные процессы в организмах.
- •1. Криптозой
- •2. Фанерозой
- •Космическое и внутрипланетарное воздействие на биосферу. Влияние радиоактивных излучений на развитие биосферы.
- •Концепция биосферы в.И.Вернадского. Человек и биосфера. Трансформация биосферы в ноосферу.
- •Естественно-научная база современных информационных технологий. Современные средства накопления, хранения и передачи информации.
- •Поколения эвм и возможности персональных компьютеров. Современные мультимедийные системы и виртуальный мир.
- •Естественно-научные концепции развития микроэлектронных и лазерных технологий.
- •Естественно-научные проблемы современной энергетики. Традиционные и нетрадиционные источники энергии.
- •Стратегия развития энергетики. Атомная энергетика сегодня и завтра. Энергетика будущего.
- •Демографические проблемы человечества. Обеспечение питанием населения Земли.
- •Загрязнение окружающей среды и проблема защиты озонового слоя.
- •Загрязнение окружающей среды и проблемы защиты озонового слоя.
- •Основные экологические проблемы городов и особенно мегаполисов. Экология и здоровье человека.
- •Дозы облучения. Безопасные и летальные дозы для людей. Мощность дозы. Естественный радиационный фон.
- •Клинические последствия радиоактивного облучения для человека в зависимости от дозы и характера воздействия радиации. Способы защиты от радиоактивных излучений.
- •Перемены в базисных отраслях промышленности. Новая техносфера и окружающая среда.
Поколения эвм и возможности персональных компьютеров. Современные мультимедийные системы и виртуальный мир.
Первый компьютер, в котором воплощены принципы Неймана, был создан в 1949 году. Согласно принципам Неймана, для универсальности и эффективности работы компьютер должен содержать следующие устройства: арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции; устройство управления, которое организует процесс выполнения программ; запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных; внешние устройства для ввода-вывода информации.
В современных компьютерах арифметико-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в центральный процессор.
ЭВМ первого поколения (40-е - начало 50-х годов) базировались на электронных лампах. С появлением дискретных полупроводниковых приборов связывают второе поколение ЭВМ (середина 50-х - 60-е годы). В 60-е годы создано третье поколение ЭВМ, основанное на интегральных микросхемах. Середина 60-х годов считается началом разработки ЭВМ четвертого поколения, элементарная база которых включает большие интегральные схемы.
ЭВМ 40-х и 50-х годов представляли собой крупногабаритные устройства, занимавшие огромные помещения и стоившие колоссальных денег. Персональные нынешние компьютеры выгодны для многих деловых применений. Персональный компьютер стал важным инструментом в условиях рыночной экономики. Особенности ПК: простота пользования, удобные и понятные программы, высокая надежность и т.п.
Применение ЭВМ: микропроцессорные системы для станков с программным управлением, промышленные роботы, автоматизированные рабочие места, системы автоматического проектирования, автоматизированная система управления.
Мультимедийные системы и виртуальный мир.
Мультимедиа - это объединение нескольких каналов передачи информации от машины к человеку : звук, изображение, реже - движение реальных предметов. Подразумевается и обратная связь - действия человека должны напрямую и существенно влиять на ход событий в системе. Разработчики современных мультимедийных систем стремятся к возможно более точному моделированию реальности, созданию виртуального мира. В котором человек мог бы совершать то, что недоступно в реальности.
Мультимедийные системы только при разумном их использовании могут непременно способствовать развитию личности и общества, так как при злоупотреблении виртуальной реальностью, человек теряет ощущение реальности жизни и начинает пренебрегать реальными информационными потоками сообществ людей. Также монотонные движения и ритмы игр усыпляют человека и позволяют легко воздействовать на него - проявление отрицательного начала виртуального мира.
№69
Естественно-научные концепции развития микроэлектронных и лазерных технологий.
Электроника - наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств (вакуумных, газоразрядных, полупроводниковых), используемых для передачи, обработки и хранения информации. Возникла она в начале ХХ века. На ее основе были созданы электровакуумные приборы.
С начала 50-х годов интенсивно развивается твердотельная электроника, прежде всего полупроводниковая. В начале 60-х годов возникла микроэлектроника - наиболее перспективное направление электроники, связанное с созданием приборов и устройств в микроминиатюрном исполнении и с использованием групповой технологии их изготовления. Возникновение микроэлектроники вызвано непрерывным усложнением функций и расширением областей применения электронной аппаратуры, что требовало уменьшения ее габаритов и массы, повышения быстродействия и надежности.
Основу электронной базы микроэлектроники составляют интегральные схемы, выполняющие заданные функции блоков и узлов электронной аппаратуры, в которых объединено большое число микроминиатюрных элементов и электрических соединений, изготовляемых в едином технологическом процессе. Микроэлектроника развивается в направлении уменьшения размеров содержащихся в интегральной схеме элементов (до 0,1-1,0 мкм), повышения степени интеграции, плотности упаковки, а также использования различных по принципу действия приборов (опто-, акусто-, криоэлектронных, магниторезисторных и др.) В последнее время ведутся интенсивные работы по созданию интегральных схем, размеры элементов которых определяются нанометрами, то есть постоянно набирает силу наноэлектроника - наиболее важное направление микроэлектроники, характеризующее современный этап развития естествознания.
Развитие твердотельной электроники.
Еще в ХIХ веке выдающийся физик Фарадей столкнулся с первой загадкой - с повышением температуры электропроводность исследуемого образца возрастала по экспоненциальному закону. К тому времени было известно, что электрическое сопротивление многих проводников линейно увеличивается с ростом температуры. Спустя некоторое время А.С.Беккерель обнаружил, что при освещении "плохого" проводника светом возникает электродвижущая сила - фотоЭДС - вторая загадка.
Кроме того было обнаружено изменение сопротивления селеновых стержней под действием света, что в определенной степени подтвердило сущность второй загадки, связанной с фотоэлектрическими свойствами "плохих" проводников.
В 1906 году физик К.Ф.Браун сделал важное открытие: переменный ток, проходя через контакт свинца и пирита, не подчиняется закону Ома; более того, свойства контакта определяются величиной и знаком приложенного напряжения. Это была 3-я физическая загадка.
В 1879 г. физик Холл открыл явление возникновения электрического поля в проводнике с током, помещенном в магнитное поле, направленное перпендикулярно току. Электрическое поле возникало и в полупроводниках. Предполагалось, что направление данного поля определяют электроны и какие-то положительно заряженные частицы. Открытие Э.Холла - четвертая загадка "плохих" проводников.
Созданная Максвеллом теория электромагнитного поля не объясняла ни одну из четырех загадок.
В 1922 г. был создан генерирующий детектор, способный усиливать и генерировать электромагнитные колебания. Основой его служила контактная пара: металлическое острие-полупроводник.
В полупроводниковой электронике 4 загадки оставались неразгаданными почти 100 лет.
Исследовательские работы существенно активизировались после создания зонной теории полупроводников. В верхней зоне - проходимости - находятся свободные заряды. Нижняя зона, в которой заряды связаны, валентная. Между ними - запрещенная зона. Если ее ширина велика, то в твердом теле электропроводность отсутствует и оно относится к диэлектрикам. Если не велика, то электроны могут возбуждаться и переходить из валентной зоны в более высокоэнергетическую. На освободившихся от электронов местах образуются дырки, которые эквивалентны носителям положительного заряда.
Выяснилось, что существуют полупроводники с электронным типом проводимости (п-тип), для кот. Эффект Холла отрицателен, и с положительным эффектом Холла, имеющие дырочный тип проводимости (р-тип). Первые наз. донорными, вторые - акцепторными.
В результате многих экспериментов удалось изготовить образец, включающий границу перехода между двумя типами проводимости. И удалось разгадать все 4 загадки "плохих" проводников.
Истоки современной микроэлектронной технологии.
К 1955 году была налажена технология изготовления транзисторов со сплавными и р-п-переходами. Потом появились разновидности сплавных транзисторов: дрейфовые и сплавные с диффузией.
В конце 50-х годов была разработана технология создания планарных транзисторов, конструкция которых имеет плоскую структуру. Особенность этой технологии - возможность создания множества приборов на одной подложке. Такая технология открыла путь к групповой технологии производства транзисторов и его автоматизации.
Развитие дискретной полупроводниковой техники, возможность автоматизации производства привели к интеграции. В 1960 году был предложен метод изготовления транзисторов в тонком эпитаксиальном слое, выращенном на монокристаллической подложке. Таким способом удавалось на прочной толстой подложке создать транзисторы с тонкой базой. Было предложено использовать транзисторы с тонкопленочными проводниками в пределах одной пластины. Такие транзисторы получили название интегральных, а кристаллы стали называть интегральными схемами.
Таким образом, наряду с дискретной твердотельной электроникой появилась интегральная электроника основанная на тонкопленочной групповой технологии.
Повышение степени интеграции и новые технологии.
Основная продукция микроэлектроники за последние десятилетия - разнообразные интегральные схемы. Возможно 3 пути роста интеграции.
Первый связан с уменьшением топологического размера и соостветственно повышением плотности упаковки элементов на кристалле. Второй - увеличение площади кристалла. Третий - оптимизация конструктивных приемов компоновки элементов.
Характерные размеры элементов интегральных схем становятся близкими к микрометру. Переход к еще меньшим размерам элементов требует нового подхода. Пришлось отказаться от ряда технологических операций. Фотографию заменили электронной, ионной и рентгеновской литографией.; диффузионные процессы заменили ионной имплантацией и т.д. Появилась молекулярно-инженерная технология, позволяющая строить приборы атом за атомом. Использование лучевых методов совместно с вакуумной технологией позволяет получить приборы с размерами до 10-25 нм.
Сфокусированные ионные потоки - инструмент, позволяющий создавать принципиально новые конструкции приборов. Рентгеновские установки позволяют реализовать тиражирование изображений с размерами микроэлементов, недоступных световой оптике.
С развитием микроэлектроники происходит усложнение схем и уменьшение размеров рисунка (ширина линий 0,5 мкм).
Сейчас основной материал полупроводниковых приборов - кремний. Переход к наноэлектронике заставляет обратиться и к другим материалам: арсениду галлия, фосфиду индия и т.д. Наноэлектроника позволяет создавать трехмерные - многослойные структуры. Развивается новое направление электроники - функциональная электроника. В первую очередь это оптоэлектроника.(размеры структур до 100 нм - доли длин световых волн).
Широким фронтом ведутся работы по использованию длинных молекул в качестве элементов микросхем.
Развитие лазерных технологий.
Для физиков лазер дал жизнь нелинейной оптике, охватывающей исследования распространения мощных световых пучков в твердых телах, жидкостях и газах и их взаимодействия с веществом.
Свойства лазерного излучения:
1.Лазерный луч распространяется, почти не расширяясь.
2.Свет лазера обладает исключительной монохроматичностью, то есть он имеет одну длину волны, один цвет.
3.Лазер - самый мощный источник света.
В 1960 г. Мейманом был создан первый лазер - рубиновый, работающий в импульсном режиме. В нем не вся энергия света лампы накачки преобразуется в лазерную вспышку, которая имеет огромную мощность.
Газовый лазер был создан почти одновременно с рубиновым, в 1960г. Он работал на смеси газа и неона. Разреженный газ в лазерной трубке очень мало рассеивает свет. Возбуждается газ электрическим разрядом, который проходит через всю толщу, не затухая. Поэтому размеры трубки могут быть внушительными. (5-10м).
Был создан газодинамический лазер, похожий на реактивный двигатель.
Не только газовые лазеры дают непрерывное излучение. Его дает и полупроводниковый лазер, вдохнувший жизнь в оптическую запись.
Широкое распространение получили лазеры на красителях. Их рабочая жидкость - раствор анилиновых красителей.
На пути использования лазерного луча встали трудности - как его передать. Возникла идея пустить луч по гибкой трубке с зеркальными стенками. Его можно пустить и по стеклянному стержню. Стеклянные волокна можно собирать в жгуты разной длины.
В последнее время успешно развивается волоконная оптика, изучающая процессы прохождения света и изображения по световодам и волноводам оптического диапазона. Свет начал применяться по настоящему только тогда, когда была разработана волоконно-оптическая - лазерная связь
Уникальная способность лазеров концентрировать световую энергию в пространстве, времени и спектральном интервале может быть использована при нерезонансном взаимодействии мощных световых потоков с веществом, при селекторном воздействии на атомы, ионы и молекулы. В этой связи возникли весьма перспективные быстро развивающиеся многоликие лазерные технологии, такие как лазерная обработка материалов, лазерный термоядерный синтез, лазерная химия, лазерное воздействие на живую ткань, лазерная спектроскопия, лазерная связь, лазер в офтальмологии, лазерная хирургия и голография.
№70