- •Федеральное агентство по образованию
- •Е.А.Коломийцева концепции современного естествознания Краткий курс лекций
- •Содержание
- •Вступление
- •Лекция 1. Предмет и методы естествознания
- •1. Предмет естествознания. Естественнонаучная и гуманитарная культуры.
- •2. Наука и научный метод.
- •3. Исторические аспекты развития естествознания.
- •4. Основные разделы современного естествознания.
- •5. Структурные уровни организации материи.
- •Лекция 2. Практические методы физических исследований. Физические величины и измерения.
- •Измерения и измерительные приборы.
- •Для измерения времени также нужен эталон. В настоящее время считается, что 1 секунда – это время, за которое происходит 9192631830 периодов колебаний излучения, испускаемого изотопом цезия .
- •Физические размерности. Международная система си.
- •4. Погрешности измерений.
- •Перечислим основные факторы неточности эксперимента. Помимо грубых промахов самого экспериментатора, их можно разделить на две группы:
- •1) Систематические, которые определяются классом точности прибора (1/2 цены деления) и, возможно, какой-то постоянной ошибкой прибора;
- •Эксперимент.
- •Использование результатов эксперимента. Теория. Критерии научности и истинности теории.
- •Классическая механика и границы ее применимости. Материальная точка. Система отсчета.
- •Траектория, путь и перемещение. Радиус-вектор. Кинематические уравнения.
- •Средняя и мгновенная скорости. Ускорение.
- •Движение материальной точки по окружности. Угол поворота, угловая скорость и угловое ускорение.
- •Связь между линейными и угловыми кинематическими характеристиками движения.
- •Лекция 4. Силы в природе. Фундаментальные взаимодействия.
- •Понятие силы.
- •Динамика макромира. Законы классической механики.
- •Силы в природе.
- •Фундаментальные взаимодействия.
- •Лекция 5. Меры движения – импульс и энергия. Законы сохранения и симметрия пространства - времени.
- •Импульс.
- •Работа в механике. Консервативные и неконсервативные силы.
- •Виды энергии.
- •Момент импульса.
- •Законы сохранения и симметрия пространства-времени.
- •Концепции близкодействия и дальнодействия.
- •Лекция 7. Мегамир. Элементы частной теории относительности. Релятивистская концепция.
- •Движение с большими скоростями.
- •Постулаты Эйнштейна и принцип относительности Эйнштейна.
- •Преобразования Лоренца и следствия из них.
- •Правило сложения скоростей.
- •Масса. Взаимосвязь массы и энергии.
- •Представление об общей теории относительности.
- •Интервал и принцип причинности.
- •Лекция 8. Проблемы пространства и времени.
- •Что мы понимаем под пространством?
- •Основные свойства пространства.
- •Проблемы в представлениях о пространстве.
- •Способы измерения времени.
- •Основные свойства времени.
- •Проблемы в представлениях о времени.
- •Лекция 9. Волновые процессы.
- •Колебания.
- •Скорость и ускорение при колебаниях. Фазовое пространство.
- •Свободные гармонические затухающие колебания и вынужденные колебания.
- •Волновые процессы.
- •Свойства волн.
- •Электромагнитные волны в природе и технике.
- •Автоволны.
- •Лекция 10. Законы микромира. Корпускулярно-волновой дуализм материи. Принцип дополнительности и проблемы причинности.
- •Гипотеза квантов энергии м.Планка.
- •Гипотеза де Бройля. Волновые свойства частиц.
- •Динамика микрочастиц. Принцип неопределенностей Гейзенберга
- •- Принцип неопределенностей Гейзенберга.
- •Представление о квантовой механике.
- •Проблемы причинности.
- •Лекция 11. Элементарные частицы. Кварки.
- •Классификация элементарных частиц.
- •Взаимные превращения элементарных частиц.
- •Гипотеза кварков.
- •Элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия.
- •Лекция 12. Радиоактивность
- •Радиоактивные распады.
- •Виды радиоактивных распадов.
- •Законы радиоактивных распадов.
- •Воздействие излучения на человека.
- •Дозиметрия.
- •Лекция 13. Динамические и статистические закономерности.
- •Термодинамический и статистический методы изучения многочастичных систем.
- •Термодинамическое равновесие и квазистатические процессы.
- •Понятие температуры.
- •Теплота, внутренняя энергия и работа.
- •Лекция 14. Энергия в термодинамических процессах.
- •Первое начало термодинамики как закон сохранения энергии.
- •Тепловые машины. Цикл Карно.
- •Деградация энергии. Тепловое загрязнение окружающей среды.
- •Традиционные и нетрадиционные источники энергии.
- •Лекция 15. Порядок и беспорядок в природе. Фазовые переходы. Энтропия. Второе начало термодинамики и «стрела времени».
- •Энтропия.
- •Статистическое толкование энтропии.
- •Второе начало термодинамики.
- •Энтропия и информация.
- •Фазовые переходы. Нарушения симметрии при фазовых переходах и параметр порядка.
- •Лекция 16. Синергетика. Соотношение порядка и хаоса в открытых неравновесных системах.
- •Открытые неравновесные системы.
- •Функция диссипации. Диссипативные структуры.
- •Сценарий образования упорядоченных структур.
- •Примеры самоорганизации в неживой природе: Возникновение структуры как фазовый переход.
- •Бифуркации. Вероятностный характер эволюции системы. Динамический хаос.
- •Аттракторы. Фракталы.
- •Лекция 17. Происхождение и эволюция Вселенной.
- •Строение Вселенной.
- •Гипотезы о возникновении Вселенной.
- •«Инфляционная модель».
- •Физический вакуум.
- •Виды галактик. Млечный Путь.
- •Звезды и их эволюция. Главная последовательность.
- •Черные дыры.
- •Солнце и Солнечная система.
- •Лекция 18. Планета Земля.
- •Формирование и строение Земли.
- •Строение Земли.
- •История геологического развития Земли.
- •Литосфера и ее экологические функции.
- •Магнитосфера.
- •Гидросфера.
- •Атмосфера.
- •Географическая оболочка Земли.
- •Климат.
- •Географическая широта местности
- •10. Глобальные изменения климата.
- •Лекция 19. Элементы химии.
- •Химические элементы. Периодическая система элементов д.И.Менделеева.
- •Понятие вещества. Агрегатные состояния вещества. Виды химических связей.
- •Реакционная способность веществ. Виды химических реакций.
- •Тепловой эффект химических реакций и энтропия.
- •Химическое равновесие. Катализ и его виды.
- •Лекция 20. Вода и гипотезы о происхождении жизни на Земле. Самоорганизация в живой природе.
- •Особенности биологического уровня организации материи.
- •Вода как колыбель жизни.
- •Исторический обзор основных концепций возникновения жизни на Земле.
- •Самоорганизация в живой природе.
- •Лекция 21. Биосфера и проблемы экологии. Понятие о ноосфере.
- •Уровни организации живой материи.
- •Биосфера.
- •Биоценоз. Биогеоценоз.
- •Проблемы взаимодействия человека и природы.
- •Возможные сценарии развития биосферы.
- •Учение в.И.Вернадского о ноосфере.
- •Лекция 22. Молекулярные основы жизни. Днк и информация.
- •Молекулярные механизмы жизни.
- •Элементарные представления о строении клетки и ее жизнедеятельности.
- •Днк и информация.
- •Мутации как ошибки при репликации днк.
- •Проблемы биологической этики.
- •Поведенческая информация. Информация и жизнь.
- •Лекция 23. Феномен человека.
- •Антропология.
- •Человек как высшая ступень эволюции. Основные этапы антропогенеза.
- •Концепция географически детерминированного этногенеза л.Н.Гумилева..
- •Космические и биологические циклы. Русский космизм (идеи а.Л.Чижевского, к.Э.Циолковского).
- •Антропный принцип.
- •Человек: индивидуум, личность, индивидуальность.
- •Самоорганизация в социально-экономических системах.
- •Лекция 24. Теория эволюции в биологии. Принципы универсального эволюционизма. Путь к единой культуре.
- •Додарвиновский эволюционизм. Идеи Ламарка и Кювье.
- •Классическая теория эволюции ч.Дарвина.
- •Современная теория эволюции.
- •Квантовый характер видообразования.
- •Принцип универсального эволюционизма.
- •Вопросы для подготовки к экзамену
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Рекомендуемая литература
Электромагнитные волны в природе и технике.
Нагляднее всего мы представляем себе волны, когда говорим о волнах на воде. Однако даже их мы видим благодаря электромагнитным волнам – свету. В природе и технике это – самые распространенные волны благодаря очень широкому диапазону возможных частот и длин волн. Порождаются электромагнитные волны всегда электрическим зарядами, которые движутся неравномерно (т.е. с ускорением). Электромагнитные волны всегда поперечны.
Приведем шкалу электромагнитных волн, обозначив их происхождение. Границы участков шкалы достаточно условны, вопрос о том, к какому типу отнести волну, решается прежде всего ее природой.
Радиоволны 10 км > > 1 мм – порождаются переменным электрическим током. Диапазон 1 м > > 1 мм называется микроволнами (волнами СВЧ).
Оптические волны 1 мм > > 1 нм – порождаются хаотическим тепловым движением молекул, переходами электронов внутри атомов.
Рентгеновские волны 10-8 м > > 10-12 м возникают при торможении электронов в веществе.
Гамма-излучение < 10-11 м возникает при ядерных реакциях.
Оптический диапазон длин волн делится на инфракрасную (ИК-), видимую и ультрафиолетовую (УФ-) области. Человеческий глаз воспринимает узкую часть спектра: 0.78 мкм > > 0.38 мкм. Лучше всего человек воспринимает = 555 нм (желто-зеленый свет).
Автоволны.
Особый тип волн может существовать в активных средах или в средах, поддерживаемых энергетически. За счет внутренних источников среды или за счет подпитки энергией извне волна может распространяться без затухания и без изменения своих характеристик. Такие самоподдерживающиеся волны в нелинейных средах получили название автоволн (Р.В.Хохлов).
Автоволны были открыты при реакциях горения, при передаче возбуждения по нервным волокнам, мышцам, сетчатке глаза, при анализе численности биологических популяций и т.д.
Обязательным условием существования автоволн является нелинейность среды, т.е. зависимость свойств среды от характеристик волны. Волна как бы сама определяет количество энергии, необходимое для поддержания ее характеристик, и тем самым осуществляет обратную связь.
Лекция 10. Законы микромира. Корпускулярно-волновой дуализм материи. Принцип дополнительности и проблемы причинности.
Гипотеза квантов энергии м.Планка.
Волновые свойства, присущие свету, были известны уже давно, с XVII века. Тем не менее лишь во 2-й половине ХIХ в. было окончательно доказано, что свет – это электромагнитная волна.
Однако существовал ряд явлений, которые не удавалось объяснить с позиций волновой природы света. Среди этих явлений – давление света, который легко демонстрируется на опыте, и фотоэффект, детально изученный П.Н.Лебедевым. Фотоэффект состоит в выбивании светом с поверхности металла электронов; появляется электрический ток, называемый фототоком. Закономерности фотоэффекта таковы, что вызывающее его излучение естественнее рассматривать как поток неких частиц, нежели как волну.
Еще одна проблема, которую не удавалось разрешить исходя из волновой теории света, получила у современников название «ультрафиолетовая катастрофа». Волновая теория предсказывает, что энергия теплового излучения (т.е. электромагнитной волны, испускаемой любым телом вследствие теплового движения его молекул) должна быть тем больше, чем больше его частота. Значит, в УФ диапазоне длин волн должно излучаться столько энергии, что тело потратит всю свою энергию на тепловое излучение. Эксперимент же показывал полное расхождение с классической волновой теорией. Реальное тепловое излучение зависит от частоты не монотонно, имеется частота, на которой интенсивность излучения максимальна, при высоких и низких частотах она стремится к 0. Следовательно, классическая волновая теория неадекватно описывала тепловое излучение.
В 1900 г. М.Планк выдвинул гипотезу, согласно которой нагретое тело излучает энергию не непрерывно, а отдельными порциями, которые в 1905 г. получили название кванты. Энергия одного кванта пропорциональна частоте излучения:
Е = h = ћ,
постоянная h = 6.63 10-34 Дж с, ћ = ћ/2 = 1.055 10-34 Дж с – постоянные Планка. (Заметим, что размерность ћ совпадает с размерностью момента импульса. Величину ћ называют иногда «квантом действия»).
Постоянная Планка – одна из фундаментальных физических констант. Наш мир таков, каков он есть, в частности, потому, что ћ имеет именно такое, а не какое-то иное значение.
Таким образом, волна, которая ранее считалась непрерывной, была представлена в дискретном виде. Эта гипотеза оказалась весьма плодотворной и позволила количественно описать тепловое излучение в полном соответствии с экспериментом. В развитие гипотезы Планка было предположено, что волна не только испускается, но и распространяется и поглощается в виде квантов. Однако было непонятно, является ли дискретный характер излучения свойством самого излучения или это – результат его взаимодействия с веществом. Первым, кто понял, что дискретность – неотъемлемое свойство излучения, - был Эйнштейн, применивший это представление при исследовании фотоэффекта.