 ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ
| ПОЯСНЕНИЯ К РАБОЧЕЙ ПРОГРАММЕ
Приступая к изучению дисциплины Концепции современного естествознания необходимо уяснить, что естественные науки изучают объективные свойства окружающего нас материального мира. Современное естествознание это не только совокупность наук о Природе, а прежде всего единая система, компонентами которой являются естественные науки, представляющие собой органическое единство. К естественным наукам относятся: физика, астрономия, химия, биология, психология и другие. Фундаментом естествознания является физика. Она исследует наиболее общие формы движения материи и их взаимные превращения. Движение есть форма существования материи. Физические понятия являются простейшими и в то же время основополагающими и всеобщими в естествознании (пространство, время, движение, масса, работа, энергия, энтропия и др.). В контрольную работу включены задачи, дающие возможность проверить знания студентов по ключевым вопросам курса «Концепции современного естествознания». Задание № 1. преследует цель изучить историю и понять логику развития основных естественных наук: физики, химии, биологии. При выполнении этого задания студент должен уяснить, что каждая из этих наук изучает собственные специфические явления Природы. Чтобы понять органическое единство всех физических, химических и биологических явлений нужно, прежде всего, вспомнить что это за науки. Ниже приводится фрагмент из текста ответа на задание № I. БИОЛОГИЯ - (от био... и ...логия), совокупность наук о живой природе - об огромном многообразии вымерших и ныне населяющих Землю живых существ, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой. Биология устанавливает общие и частные закономерности, присущие жизни во всех ее проявлениях и свойствах обмен веществ, размножение, наследственность, изменчивость, приспособляемость, рост, подвижность и др.). Свое наименование получила в 1802 году. Термин «биология» был предложен Ж. Б. Ламарком и Г.Р. Тревиранусом. Первые систематические попытки познания живой природы были сделаны античными врачами и философами (Гиппократ, Аристотель, Теофраст, Гален). Их труды, продолженные в эпоху Возрождения, положили начало ботанике и зоологии, а также анатомии и физиологии человека (Везалий и др.). в XVII-XVIII вв. в биологию проникают экспериментальные методы. На основе количественных измерений и применения законов гидравлики был открыт механизм кровообращения (У. Гарвей, 1628). Изобретение микроскопа раздвинуло границы известного мира живых существ, углубило представление об их строении. Одно из главных достижений этой эпохи - создание системы классификации растений и животных (К. Линней, 1735). Вместе с тем преобладали умозрительные теории о развитии и свойствах живых существ (самозарождения, преформации и др.). в XIX веке в результате резко возросшего числа изучаемых биологических объектов (новые методы, экспедиции в тропические малодоступные районы Земли и др.), накопления и дифференциация знаний сформировались многие специфические биологические науки. Так ботаника и зоология дробятся на разделы, изучающие отдельные систематические группы, развиваются эмбриология, гистология, микробиология, палеонтология, биогеография и др. Среди достижения биологии - клеточная теория (Т. Шванн, 1839), открытие закономерностей наследственности (Г. Мендель, 1865). Переворот в биологии произвело учение Ч. Дарвина (1859), который открыл движущие силы эволюции и дал материалистическое объяснение целесообразности организации живых существ; Для биологии XX века характерны две взаимосвязанные тенденции в изучении явлений жизни. С одной стороны, сформировалось представление о качественно различных уровнях ее организации: молекулярном (молекулярная биология, биохимия и др. науки, объединяемые понятием физико-химическая биология), клеточном (цитология), организменном (анатомия, физиология, эмбриология), популяционно-видовом (экология, биогеография). С другой стороны, стремление к целостному, синтетическому познанию живой природы привело к прогрессу наук, изучающих определенные свойства живой природы на всех структурных уровнях ее организации (генетика, систематика, эволюционное учение и др.). Больших успехов начиная с 50-х гг. достигла молекулярная биология, вскрывшая химические основы наследственности, оказавшиеся универсальными для всех организмов (строение ДНК, генетический код, матричный принцип синтеза биополимеров). Учение о биосфере (В.И. Вернадский) как особой оболочке Земли раскрыло масштабы геохимической деятельности живых организмов, их неразрывную связь с неживой природой. Всё возрастающее практическое значение биологических исследований и методов (в т.ч. генетической инженерии., биотехнологии) для медицины, сельского хозяйства, промышленности, разумного использования естественных ресурсов и охраны природы, а также проникновение в эти исследование идей и методов точных наук выдвинули биологию с середины XX века на передовые рубежи естествознания. Данные биологии - естественнонаучная основа материалистического познания природы и места человека в ней. * Ботаника - (от греч. botane - трава, растение), наука о растениях, один из основных разделов биологии. Изучает видовое многообразие растений (систематика), их строение (морфология и анатомия), особенности жизнедеятельности (физиология', биохимия), закономерности индивидуального и исторического развития (эмбриология, эволюция), родственные связи (филогения), распространение (география растений), взаимоотношения со средой обитания (экология),- структуру растительного покрова (геоботаника). Зоология - (от зоо... и логия), наука о животных, один из основных разделов биологии. Изучает видовое многообразие животных (систематика), их строение (анатомия), особенности жизнедеятельности (физиология), закономерности индивидуального и исторического развития (эмбриология, эволюционное учение), родственные связи (филогения), распространение (зоогеография), взаимоотношения со средой обитания и между собой (экология), особенности поведения (зоопсихология и этиология), вымерших животных (палеозоология). Зоология связана с другими биологическими науками, медициной, ветеринарией, с хозяйством, с производственной деятельностью человека и охраной животных. Анатомия - (от греч. anatome - рассечение), наука о строении (преимущественно внутреннем) организма, раздел морфологии. Различают анатомию животных и анатомию растений. Самостоятельными являются анатомия человека (с ее основными разделами - нормальной анатомией и патологической анатомией) и сравнительная анатомия животных. Физиология- (от греч. physis - природа и ... логия), наука о жизнедеятельности целостного организма и его отдельных частей - клеток, органов, функциональных ^истем. Физиология изучает механизмы различных функций живого организма (рост, размножение, дыхание и др.), их связь между собой, регуляцию и приспособление к внешней среде, происхождение и становление в процессе эволюции и индивидуального развития особи. Решая принципиально общие задачи, физиология животных и человека и физиология растений имеют различия, обусловленные строением и функциями их объектов. Бактериология- (отбактерии и ...логш\ раздел микробиологии, изучающий бактерий. Вирусология- (от вирусы и ...логия), наука о вирусах. Общая вирусология изучает природу вирусов, их строение, размножение, биохимию, генетику, Медицинская, ветеринарная и сельскохозяйственная вирусология исследует патогенные вирусы, их инфекционные свойства, разрабатывает меры предупреждения, диагностики и лечения вызываемых ими заболеваний. Молекулярная биология,исследует основные свойства и проявления жизни на молекулярном уровне. Выясняет, каким образом и в какой мере рост и развитие организмов, хранение и передача наследственной информации, превращение энергии в живых клетках и другие явления обусловлены структурой и свойствами биологически важных макромолекул (главным образом белков и нуклеиновых клеток). Тесно связана с биохимией и биофизикой, а исторически также с генетикой и микробиологией. Биохимия- наука, изучающая входящие в состав организмов химические вещества, их структуру, распределение, превращения и функции. Наряду с молекулярной биологией, биофизикой, биоорганической химией, - биохимию включают в комплекс наук - физико-химическую биологию. Задание № 2. Выполнение задания 2 дает возможность студенту ознакомиться с процессом возникновения, становления и развития естествознания, основными этапами развития науки. Студент должен уяснить, что наука - социальный институт, она создается сообществом ученых на протяжении уже более двух тысячелетий. Задание № 3. Выполняя задание 3 студент знакомится с объектами Вселенной, концепцией атомизма. Пространственные масштабы нашей Вселенной, размеры основных материальных образований, и другие количественные характеристики (в том числе объектов микромира), студент может себе представить лишь после того, как будет заполнена таблица этого задания. Обратите внимание, что отношение самого большого к самому малому размеру, доступному сегодняшнему эксперименту составляет примерно 35 порядков. Заполняя таблицу многие данные студент берет из справочной литературы. Студент должен самостоятельно рассчитать: 1. один световой год (используя определение и зная, что скорость света в вакууме 2. время обращения Земли вокруг Солнца (один год выразить в секундах, зная, 3. время, в течение которого свет от Солнца доходит до_3емля; 4. время» в течение которого свет проходит 1 метр; 5. определить промежуток времени между двумя биениями собственного сердца. Задание № 4, Выполняя задание 4, студент должен уяснить, что взаимодействие движения представляют собой важнейшие атрибуты материи. .Взаимодействие и движение - формы существования материи. Для всякого материального объекта существовать - значит взаимодействовать. Взаимодействие обусловливает объединение различных материальных элементов в системы. В ответе на вопрос студент должен пояснить с каким свойством или качеством материального объекта связано соответствующее фундаментальное взаимодействие и в каких явлениях природы оно проявляется.
Задание № 5. Астрономия - одна из наук, которая предоставляет необходимые для построения естественнонаучной картины мира наблюдательные данные. Вторая глобальная естественнонаучная революция, преобразовавшая естествознание, представляет собой переход от геоцентризма к гелиоцентризму, а от него к полицентризму. Эта революция была физически завершена Ньютоном. Ньютон создал единую механику всех земных и небесных тел с общими для них законами инерции, динамики, действия и противодействия, а также Всемирного тяготения. Обратите внимание, что закон Всемирного тяготения - это фундаментальный закон природы. Задание № 6. В это задание включены задачи, решение которых основано на использовании законов сохранения. Студент должен знать, что законы сохранения и свойства пространства и времени взаимосвязаны. Из свойства симметрии пространства его однородности следует закон сохранения импульса. Из однородности времени следует закон сохранения механической энергии. Из изотропности пространства следует закон сохранения момента импульса. Обратите внимание, что закон сохранения и превращения энергии - фундаментальный закон природы справедлив как для макроскопических, так и для микроскопических систем. Первый закон термодинамики - это закон сохранения и превращения энергии применительно к тепловым процессам. С позиций законов сохранения можно описать фотоэлектрический эффект и эффект Комптона.
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ
I. Шар и сплошной цилиндр имеют одинаковую массу (5 кг каждый) и катятся с одинаковой скоростью 10 м/с. найти отношение их кинетических энергий.
Дано: m1=m2 = m; v1=v2 = v Найти: Eк1 / Ек2 Решение: по условию шар и сплошной цилиндр катятся, т.е. происходит поступательное движение их центров масс и одновременно вращательное движение этих тел относительно их собственных осей вращения. Кинетическая энергия катящегося шара равна:
а цилиндра: Ек1= m v2 / 2 + I1 ω12 / 2,
Ек2 = m v2 / 2 + I1 ω22 / 2, где I1, I2 и ω1 , ω2 - моменты инерции и угловые скорости соответственно шара и цилиндра. Момент инерции шара I1 = 0,4 m r12 , а цилиндра I2 = 0,5 m г22 , где r1 и г2 -радиусы шара и цилиндра. Так как линейная и угловая скорость связаны соотношением ω = v/r, то выражение для EK1 и Еk2 приобретает следующий вид: EK1 = m v2 / 2 + 0,4 m r12 ω 2 / r12 = 0,7 m v2 Ек2 = m v2 / 2 + 0,5 m r22 ω 2 / г22 = m v2 откуда ЕК1/ Ек2 =0,7
Ответ: Ек1 / Ек2 = 0,7 2. Кислород массой 320 г. нагревают при постоянном давлении от 300 до 310 К. Определить количество теплоты, поглощенное газом, изменение внутренней энергии и работу расширения газа. Дано: m = 320 г. = 0,32 кг; Т1 = 300 К; Т2 = 310 К; М = 32 · 10-3 кг/моль Найти: A, Q, ∆U Решение: считаем газ идеальным. Количество теплоты, необходимое для нагревания газа при постоянном давлении, находим, используя 1 начало термодинамики для изобарного процесса:
где молярные теплоемкости при постоянном объеме Cv и при постоянном давлении Ср равны: Cv = iR/2; Cp = (i + 2)R/2 Молекулы кислорода двухатомные, поэтому для них число степеней свободы i = 5. С учетом записанных выражений для молекулярных теплоемкостей, выражение для Q принимает вид: Q = m(i + 2)R(T2-T1)/2M (1) Изменение внутренней энергии: ∆U=(m/M)Cv (T2-T1)=(m/M)(i/2) R(T2-T,) (2)
Работа расширения газа при изобарном процессе А = Р∆V так как согласно уравнению Клайперона-Менделеева: Р∆V= (m / M) R ∆T, то получаем: А = Р∆V= (m/М)R∆T ={m/М)R(Т2-Т1) (3) Подставляя числовые значения в формулы (1), (2) и (3), имеем: Q = [0,32 (5+2) 8,31 (310 - 300] / (2 • 32 • 10-3) = 2910 Дж ∆U=[0,32 • 5 • 8,3 1 (310 - 300)] / (2 • 32 – 10-3) = 2080 Дж А = [0,32 - 5 • 8,3 1 (310 - 300)] / 32 – 10-3 = 830 Дж Ответ: Q = 2910 Дж; ∆U= 2080 Дж; А = 830 Дж 3. Давление света (длина волны 0,55 мкм) нормально падающего на зеркальную поверхность равно 9 мкПа. Определить концентрацию фотонов вблизи поверхности. Дано: λ = 0,55 • 10-6 Па, ρ=1 Найти: n Решение: давление света при нормальном падении на поверхность с коэффициентом отражения р: p = I(l+ρ)/c = w (1+ρ) (1) где I - интенсивность излучения, с - скорость света в вакууме, w = I / с - объемная плотность энергии излучения. Энергия одного фотона ε = hс / λ, где h - постоянная Планка. Объемная плотность энергии излучения: w= nhc/ λ (2) где n – концентрация фотонов.
Подставляем (2) в (1) получаем: p = nhc(l+ρ)/ λ (3)
откуда: n= λP/hc(1+ρ)
n = (0,55 • 10 -6 · 9 · 10-6) / [(6,62 • 10-34 • 3 • 108 (1 + 1)] = 2,49 • 1013 м--3 Ответ: n = 2,49 • 1013 м-3
4. Красная граница фотоэффекта для никеля равна 0,257 мкм. Найти длину волны света, падающего на никелевый электрод, если фототок прекращается при задерживающей разновидности потенциалов, равной 1,5В. Дано: λк = 0,257 мкм; U= 1,5 В Найти: λк Решение: Согласно уравнению Эйнштейна для внешнего фотоэффекта
где h - постоянная Планка; с - скорость света в вакууме; λ - длина волны света; А -работа выхода электронов из металла; Ттах - максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов. Красная граница фотоэффекта определяется из условия равенства энергии фотона е = hc / λ работе выхода электронов A, т.е.
Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов может быть определена через задерживающую разность потенциалов U:
Tmax=eU где е - элементарный заряд (заряд электрона). Подставляя выражение (2) и (3) в (1), получим
Из уравнения (4) найдем длину волны света:
Подставляя в (5) числовые значения, получим:
Ответ: λ = 0,196 мкм Задание № 7. В это задание включены задачи, решение которых даст возможность студенту уяснить принцип корпускулярно-волнового дуализма, который сыграл важнейшую роль для построения новой физической теории - квантовой механики. В основе квантовой механики лежат гипотеза де Бройля, соотношения неопределенностей Гейзенберга. Фундаментом квантовой механики является уравнение Шредингера, которое играет такую же роль как и уравнения Ньютона в классической механике. Законы квантовой механики носят вероятностный характер. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ 1. Вычислить длину волны де Бройля электрона, движущегося со скоростью v =0,75 с (с - скорость света в вакууме). Дано: v = 0,75 с; с = 3 • 108 м/с Найти: λ Решение: длина волны де Бройля для частиц определяется формулой: λ = h/p (1) где: h - постоянная Планка, р - импульс частицы. При движении частиц со скоростями, близкими к скорости света в вакууме, масса частицы зависит от скорости. Поэтому в выражении для импульса p=mv m = f(v), (2) . где m - масса движущейся частицы. Зависимость массы от скорости выражается отношением:
где m0- масса покоя частицы, v - скорость движения частицы. Подставив в выражение (1) значение р и m из формулы (2) и (3), получим: λ = h√(l-v2/c2)/m0v По условию задачи скорость движения электрона равна 0,75 с. Подставив это значение в формулу (4) имеем:
λ = h √ (1 - 0,752 с2 / с2) / m0 0,75 с = (h / m0 с) [√ (1 - 0,752)] / 0,75] где (h / m0 с) - компгоновская длина волны Λ. Учитывая это, получим:
λ=0,88Λ Находим из таблиц Λ или вычисляем, зная массу покоя электрона Λ =2,42 10-9м=2,42нм λ = 0,88·2,42 нм = 2,24 нм Ответ: λ= 2,24 нм
2. Масса движущегося электрона в три раза больше массы его покоя. Чему равна минимальная неопределенности координаты электрона? .
Дано: m = 3m0; m0= 0,91 • 10-30 кг Найти: ∆хmin
Решение: согласно соотношениям неопределенности Гейзенберга
∆x∆p≥h/2π (1) где ∆x и ∆p - неопределенности координаты и импульса частицы; h - постоянная Планка. Учитывая, что импульс равен p=mv (2) где m - масса, a v - скорость частицы, соотношение (I) можно представить в виде:
∆x≥h/2πm∆vx (3) Такая неопределенность скорости ∆vx , как и сама скорость не может превышать скорости света в вакууме, то . ∆xmin = h/2πmc (4) . по условию задачи m =3m0, тогда (см. (4))
∆xmin = h/6πm0 c
6,62 · 10-34 Дж с / (6 • 3,14 • 0,91 • 10-30 кг 3 • 108 м/с) = 1,28 • 10-13 м Ответ: ∆xmin= 1,28·10-13 м
Задание № 8. Выполняя это задание студент должен знать, что энергия взаимодействия нуклонов в ядрах атомов обусловлена сильным взаимодейств Энергия связи, приходящейся на один нуклон различна для разных ядер. Зависимость энергии связи от атомного числа делает энергетически возможным два процесса: 1 . деление тяжелых ядер на несколько легких ядер; 2. синтез легких ядер (термоядерные реакции). Термоядерные реакции протекают в недрах Солнца и звезд. Энергия, излучаемая Солнцем является источником жизни на Земле. Во всех ядерных реакциях выполняются законы сохранения: энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда, числа нуклонов и др.
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
1. Вычислить в мегаэлектрон-вольтах энергию ядерной реакции . 59 1 60 С0 +n → Со+γ 27 0 27 . . Выделяется или поглощается энергия при этой реакции?
Решение: энергия ядерной реакции: Е = ∆mс2 (1) где ∆m - дефект массы реакции, с - скорость света в вакууме. Если ∆m - выражать в а.е.м., то формула (1) примет вид: Е = 931∆m [МэВ]
Дефект массы равен ∆m=mCo60+mn-mCo59 Так как число электронов до и после реакции сохраняется, то вместо значений масс ядер воспользуемся значением масс нейтральных атомов, которые приводятся в справочных таблицах • mСо59 = 58,95182 а.е.м.; mn = 1,00867 а.е.м. mCo 60 = 59,95250 а.е.м. ∆m = (59,96075 - 59,95250) а.е.м. = 0,00825 а.е.м. Реакция идет в выделением энергии, т.к. ∆m > 0 Е = 931 МэВ/а.е.м. · 0,00825 а.е.м. = 7,66 МэВ 2. Сколько энергии выделяется при образовании 1 г гелия из протонов и нейтронов? Дано: m = 1,0 г = 10-3 кг Найти: Е Решение: выделившуюся энергию найдем по формуле взаимосвязи масс и энергии Е = ∆mс2n . где ∆m - изменение массы при образовании одного ядра атома гелия (дефект массы), с - скорость распространения света, n - число атомов гелия в массе m. Дефект массы определим из равенства
∆m=Zmp+(A-Z)mn-ma где Z - зарядовое число элемента, равное порядковому номеру элементам таблице Менделеева, для гелия Z = 2; mр - масса прогона, mn - масса нейтрона. mр = 1,00783 а.е.м.; mn = 1,00867 а.е.м. . массовое число, для гелия А =4; mа - масса атома гелия; mа = 4,00260 а.е.м. Подставим эти значения в расчетную формулу (2): ∆m = [2 - 1,00783 + (4 - 2) 1,00867 - 4,00260] а.е.м. = 0,0304 а.е.м. = 5,05 10-29 кг
Учтем, что n = (m / M) Na Число атомов в одном г. равно n = 10-3 NA/M, где NA - постоянная Авогадро, М - молярная масса; для гелия М = 4 • 10-3 кг/моль Подставим значения в формулу (1): Е = (5,05 · 10-29 кг • 10-3 • 6,023 • 1023 моль-1• 9 • 101б м2/с2 / 4 -10-3 кг/моль = 6,84 • 1011 Дж Ответ: Е =6,84 • 1011 Дж . Задание № 9.Вода - основа жизни на Земле. Студенты должны уяснить себе, что уникальные свойства воды связаны со структурой ее молекул. Важное значение в живой природе имеют водородные связи, на которых держится вся жизнь на Земле. Вода является не только уникальным растворителем, но и средой обитания многих живых организмов. Обратите внимание, что максимальная плотность у воды при 4 °С. . Задания № 10, № 11 и№ 12.Выполнение этого задание преследует цель акцентировать внимание студентов на важнейших для жизни химических элементов -органогенных элементах. Студент должен уяснить, что уникальными свойствами обладает не только углерод - основа жизни на Земле, но и другие химические элементы, которые наиболее распространены в живых организмах и составляют приблизительно 99 % массы живого.
Ниже приводится фрагмент из текста ответа на задание № 12. Кислород, (лат. Oxygenium), О, химический элемент VI группы периодической системы Менделеева; ат. н. 8, ат. м. 15,9994. В свободном виде встречается в виде двух модификаций - О2 ("обычный" кислород) и О3 (озон). О2 - самый распространенный на Земле элемент; в виде соединений составляет около 1/2 массы земной коры; входит в состав воды (88,8 % по массе) и множество тканей живых организмов (ок. 70 % по массе). Физиологическое значение кислорода огромно. Это единственный газ, который живые организмы могут использовать для дыхания. Окисление кислородом углеводов, жиров и белков служит источником энергии живых организмов. В организме человека содержание кислорода составляет 61% от массы тела. В виде различных соединений он входит в состав всех органов, тканей, биологических жидкостей. Отсутствие кислорода вызывает остановку жизненных процессов и гибель организма. Без кислорода человек может прожить всего несколько минут. При дыхании поглощается кислород, который принимает участие в окислительно-восстановительных процессах, происходящих в организме, а выделяются продуктов окисления органических веществ - вода» оксид углерода (IV) и другие вещества. Как наземные, так и водные живые организмы дышат кислородом: наземные -свободным кислородом атмосферы, а водные - кислородом, растворенным в воде. В „природе происходит своеобразный круговорот кислорода. Кислород из атмосферы поглощается животными, растениями, человеком, расходуется yа процессы горения топлива, гниение и прочие окислительные процессы. Оксид углерода (IV) и вода, образующиеся в процессе окисления, потребляются зелеными растениями, в которых с помощью хлорофилла листьев и солнечной энергии осуществляется фотосинтез, т.е. синтез органических веществ из оксида углерода (IV) и воды, сопровождающийся выделением кислорода. Для обеспечения кислородом одного человека нужны кроны двух больших деревьев. Зеленые растения поддерживают постоянный состав атмосферы.
Задания№№ 13,14,15,16.Выполняя эти задания, студент знакомится с биологическими концепциями естествознания, изучает структурные уровни организации материи и знакомится с основополагающими жизненными системами. К фундаментальным биологическим знаниям, без которых невозможно понять сущность жизнедеятельности организмов, относится клеточная теория. Одно из ее положений гласит, что клетка является структурно-функциональной единицей всех живых организмов. Без знаний химического состава клетки - основной единицы жизни нельзя понять механизм сложнейших процессов, которые протекают в живых организмах. Студент должен знать, что все проявления жизнедеятельности клетки связаны с химическими превращениями веществ. Задания преследуют цель акцентировать внимание студента на особую роль нуклеиновых кислот в природе - хранение и передача наследственной информации. Обратите внимание, что нуклеиновые кислоты всех живых существ от вирусов до высших многоклеточных организмов обладают сходством химического состава. Ниже приводится фрагмент из текста ответа на задание № 16. .
Биологические полимеры - нуклеиновые кислоты, распадаясь образуют мономеры - нуклеотиды. Структурными единицами каждого нуклеотида являются фосфат (остаток фосфорной кислоты), углеводный остаток сахара, содержащего пять атомов углевода, - дезоксирибозы (в ДНК) или рибозы (в РНК)
Дезоксирибоза ДНК всего органического мира образованы соединением четырех видов нуклеотидов. Их структуры приведены ниже. Как видно, у всех четырех нуклеотидов углевод и фосфорная кислота одинаковы. Нуклеотиды отличаются только по азотистым основаниям, в соответствии к которыми их называют: нуклеотид с азотистым основанием аденин (сокращенно А), нуклеотид с гуанином (Г), нуклеотид с тимином (Т) и нуклеотид с цитозином (Ц). По размерам А - Г, а Т - Ц; размеры А и Г несколько больше, чем Т и Ц
Рибоза Как и в ДНК, структура РНК создается чередованием четырех типов нуклеотидов, но состав нуклеотидов РНК несколько отличается от нуклеотидов ДНК, т.е. углевод в РНК не дезоксири-боза, а рибоза, отсюда и название РНК. Кроме того, в РНК вместо азотистого основания тимина входит другое, близкое по строению основание, называемое урацилом (У).
Задания № 17 и № 18,Выполняя эти задания, студент должен уяснить, что биосфера - это сложная система, составной частью которой является человечество. Многообразие живых организмов - основа организации и устойчивости биосферы. Спасти человечество может только создание целого комплекса мер по охране биосферы. Задание № 19.Выполняя это задание студент знакомится с индивидуально-психологическими особенностями личности человека. К этим особенностям относятся: темперамент, характер, способности.
Ниже приведен фрагмент ответа на задание № 19. Холерическийтемперамент деятельности характеризует вспыльчивого человека. О таком человеке говорят, что он слишком горяч, не сдержан. Вместе с тем такой индивид быстро остывает и успокаивается, если ему уступают, идут на встречу. Его движения порывисты, но непродолжительны. Для холерика нестерпимо любое ожидание. Для него неприятно время, проведенное на автобусной остановке. Ему трудно стоять спокойно. Он суетится, постоянно заглядывает вперед, чтобы выяснить, не показался ли наконец автобус, и, измучившись даже недолгим ожиданием, идет торопливо к следующей остановке, а по дороге его, естественно, обгоняет долгожданный автобус. На очередной остановке все повторяется, в результате холерик нередко приходит домой пешком. Торопливость, суетливость - характерные черты холерика. Затеяв с кем-нибудь спор, он горячится, перебивает собеседника и совершенно не способен прислушаться к его аргументации. Повышенная общительность - одно из свойств характера холерика. Если сосед по электричке обратился в Вам еще раньше, чес Вы заняли свободное место, да к тому же затронул вопрос, совершенно не относящийся к предстоящей поездке, - он наверняка холерик. Мировая литература богата описаниями подобных людей. Портрет человека с неудержимым темпераментом - Ноздрева - талантливо изобразил Н.В. Гоголь в романе "Мертвые души". Вот как характеризует подобных людей сам Гоголь: "Они скоро знакомятся, и не успеешь оглянуться, как. уже говорят тебе "ты". Дружбу заведут, кажется, навек, но почти всегда так случается, что подружившийся подерется с ними того же вечера на дружеской пирушке. Они всегда говоруны, кутилы, лихачи..." Ноздрев дома "больше дня никак не мог усидеть. Чуткий нос его слышал за несколько десятков верст, где была ярмарка со всякими съездами и балами; он уже в одно мгновение ока был там, спорил и заводил сумятицу...". Встретившись, "в ту же минуту он предлагал вам ехать куда угодно, хоть на край света, войти в какое хотите предприятие, менять все, что ни есть, на все, что хотите. Ружье, собака, лошадь - все было предметом мены, но вовсе не с тем, чтобы выиграть; это происходило просто от какой-то неугомонной юркости и бойкости характера". Вспомните, как Ноздрев продавал Чичикову мертвые души, как предлагал различные варианты обмена, игры в карты и шашки, при этом ссорился к оскорблял его. Задания № 20 и № 21 являются итоговыми. Студент должен понимать смысл основных терминов, включенные в это задание. Ниже представлен фрагмент ответа на задание № 21 . Аннигиляция- превращение элементарных частиц и античастиц в другие частицы (например при аннигиляции пары электрон-позитрон возникают фотоны). Ноосфера- учение Вернадского - сфера разума, ставшая по своему воздействию на планету сравнимой с геологической силой. Самоорганизация- процесс взаимодействия объектов, в результате которого возникает новый порядок или структура в системе.
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 1. Проанализируйте приведенный перечень биологических дисциплин, который построен в определенном порядке (рис. 1). Объясните эту последовательность списка и постройте аналогичную последовательность для физики и химии. Какие естественные науки, кроме перечисленных выше, Вы еще знаете? Что изучают эти науки?
2. Укажите в какой период развития науки и в каких областях естествознания работали следующие ученые: А. Авогадро, А. Ампер, Аристарх Самосский, Аристотель, Архимед, А. Беккерель, К. Бернар, И. Берцелиус, Ал-Бируни, Л. Больцман* Н. Бор, Л. де Бройль, Джордано Бруно, A.M. Бутлеров, А. Везалий, В.И. Вернадский, Гален, Галилео Галилей, Г. Гамов, В. ГеЙзенберг, Ж. Гей-Люссак, Э. Геккель, Г. Гельмгольц, Г. Герц, У. Гершель, Гиппократ, Р. Гук, Ч. Дарвин, Р. Декарт, Демокрит, Евклид, Д.Д. Иваненко, Ф. Кекуле, Кеплер, А. Комптон, Н. Коперник, Ф. Крик, Ш. Кулон, А. Лавуазье, Ж-Б. Ламарк, Левкипп, Леонардо да Винчи, Ле Шателье, Линей, М.В. Ломоносов, Ю. Майер, Д. Максвелл, Д.И. Менделеев, Г. Мендель, И.И. Мечников, Ф. Мишер, Т. Морган, И. Ньютон, А.И. Опарин, И.П. Павлов, Р. Парацельс, Л. Пастер, Пифагор, М. Планк, Л. Полинг, И. Пригожий, Птолемей, Э. Резерфорд, Н.Н. Семенов, И.М. Сеченов, А.Г. Столетов, Д. Томсон, П. Тейяр де Шарден* М.Фарадей, Э. Ферми, АА. Фридман, Э. Хаббл, Г. Хакен, К,Э. Циолковский, Т. Шванн, М. Шлейден, Э. Шредингер, А. Эйнштейн, X. Юкава. Заполните таблицу.
3. Дайте понятия микро- макро- и мегамиру. Какие из объектов приведенные в таблице относятся к микро-, макро- и мегамиру? Заполните таблицу.
4. Назовите виды фундаментальных взаимодействий. В чем проявляется универсальность фундаментальных взаимодействий. Дайте характеристику фундаментальных взаимодействий, заполните таблицу. В каких процессах играют определяющую роль фундаментальные взаимодействия?
5. а) Дайте краткую характеристику солнечной системы. Заполните таблицу.
б) В чем сущность закона Всемирного тяготения? Почему этот закон называется Всемирным? Определите скорость вращения планеты вокруг Солнца, считая, что она движется по окружности.
6. Решите задачи: 6.1. Тело массой 2 кг, двигаясь со скоростью 10 м/с сталкивается с неподвижным телом массой 3 кг. Считая удар центральным и неупругим, найти количество теплоты, выделившейся при ударе. 6.2. Фотон с длиной волны 0,2 мкм вырывает с поверхности натрия фотоэлектрон, кинетическая энергия которого 2 эВ. Определить работу выхода и красную границу фотоэффекта. 6.3. Во сколько раз увеличится объем I моля водорода при изотермическом расширении при температуре 27°С, если при этом была затрачена теплота, равная 4 кДж?
6.4. Сплошной шар скатывается по наклонной плоскости, длина которой 10 м, и угол наклона 30°. Определить скорость шара в конце наклонной плоскости. . 6.5. Определить количество теплоты, сообщенное 20 г азота, если он был нагрет от 27 до 177°С. Какую работу при этом совершит газ и как изменится его внутренняя энергия? 6.6. В результате комптоновского эффекта электрон приобрел энергию 0,5 МэВ. Определить энергию падающего фотона, если длина рассеянного фотона равна 0,025 нм. 6.7. Снаряд массой 2 кг, летящий со скоростью 300 м/с, попадает в мишень с песком массой 100'кг и застревает в ней. С какой скоростью и в каком направлении будет двигаться мишень после попадания снаряда (мишень неподвижна). 6.8. Определить максимальную скорость фотоэлектронов, вылетающих из вольфрамового электрода, освещаемого ультрафиолетовым светом с длиной волны 0,2 мкм. 6.9. Световое давление, испытываемое зеркальной поверхностью площадью I см2, равно 10 Па. Найти длину волны монохроматического света, если ежесекундно падают 5 -1012 фотонов. . 6.0. Найти работу и изменение внутренней энергии при изобарном расширении 32 граммов кислорода, если его объем увеличился в 2 раза. Начальная температура кислорода 27°С. 7. Решите задачи: 7.1. Кинетическая энергия электрона равна его энергии покоя. Вычислить длину волны де Бройля для такого электрона. . 7.2. На фотографии, полученной с помощью камеры Вильсона, ширина следа электрона составляет 0,8 • 10"3 м. Найти неопределенность в нахождении его скорости. 7.3. Протон движется со скоростью 1 л 10 м/с. Определить длину волны де Бройля протона. 7.4. Электрон находится в одномерной потенциальной яме с бесконечно высокими стенками, ширина которой 1,4 • 10"9 м. Определить энергию, излучаемую при переходе электрона с третьего энергетического уровня на второй. 7.5. Кинетическая энергия протона равна его энергии покоя. Вычислить длину волны де Бройля для такого протона.
7.6. Протон находится в бесконечно глубокой одномерной потенциальной яме шириной 0,01 пм. Вычислить длину волны излучения при переходе протона с третьего на первый энергетический уровень. 7.7. Чему равна минимальная неопределенность координаты фотона, соответствующего видимому излучению с длиной волны 0,55 мкм. 7.8. Масса- движущегося электрона в три раза больше его массы покоя. Вычислить дебройлевскую длину волны электрона. 7.9. Средняя кинетическая энергия электрона в невозбужденном атоме водорода 13,6 эВ. Используя соотношения неопределенностей, найти наименьшую погрешность, с которой можно вычислить координату электрона в атоме. 7.0. Альфа-частица находится в бесконечно глубокой одномерной потенциальной яме. Чему равна ширина ямы, если минимальная энергия частицы составляет 6 МэВ. 8. В каких агрегатных состояниях может находиться вещество? От каких факторов зависит состояние вещества? В каком состоянии вещества находятся звезды? Что является источником энергий Солнца и звезд? Найдите энергию, выделяющуюся при термоядерной реакции: Массы некоторых изотопов (а.е.м.)
8.1. Н21 + Н21 → Н31 + р11 8.2. Н12 + Н21 → Не32 + n10 8.3. Н21 + Н31 → Не42 + n10 8.4. Не32 + Не32 → Не42 + 2р11 8.5. Li63 + Н21 → 2Не42 8.6. Н21 + Н21 → Н11 + Н31 8.7. Н21 + Не32 → Н11 + Не42 8.8. Ве94 + Н21 → В105 + n10 8.9. Ве94 + Н21 → В105 + n10 8.0. Li63 + Н11 → Не32 + Не42
9. Какие типы химических связей Вы знаете? Объясните на примере молекул воды механизм образования ковалентной и водородной связей. Изобразите: а) структуру молекулы воды; б) образование водородных связей в воде Чем определяются уникальные свойства воды? Перечислите эти свойства и охарактеризуйте их биологическую роль. 10.Какие вещества называют органическими? Исходя из положения углерода е периодической системе элементов Д.И. Менделеева, укажите: I) сколько протоков и сколько нейтронов в ядре атома? 2) сколько электронов в атоме; 3) сколько электронных уровней; 4) сколько электронов на внешнем электронном уровне; 5) почему атом углерода имеет переменную валентность, какую валентность проявляем углерод в органических соединениях; 6) напишите электронную формулу и распределите электроны по энергетическим ячейкам атома углерода находящегося: а) в нормальном состоянии; б) в возбужденном состоянии. 7) какими связями способны соединяться атомы углерода. 11. Исходя из положения элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева, укажите: 1) сколько протонов и сколько нейтронов в ядре атома? 2) сколько электронов в атоме; 3) сколько электронных уровней; 4) сколько электронов на внешнем электронном уровне; 5) проявляет ли элемент переменную валентность? 6) напишите электронную формулу и распределите электроны по энергетическим ячейкам атома находящегося: а) в нормальном состоянии; б) в возбужденном состоянии. 7) какими связями способен соединяться атом.
12. Какие химические элементы, являются самыми главными для жизни и почему? Поясните. Напишите о значении для организмов каждого химического элемента.
13. Постройте схему из следующих понятий: 1) клетка; 2) вид; 3) молекула; 4) органы, ткани; 5) биосфера; 6) целостный организм; 7) биоценоз. Объясните последовательность схемы. Укажите, где проходит граница между живым и неживым. Укажите основные признаки живого. 14 Какие уровни организации живой материи Вам известны? Заполните таблицу.
15. Какие органические вещества входят в состав клетки? Какие органические вещества являются самыми распространенными на Земле? Охарактеризуйте, какие функции в клетках выполняют органические вещества.
16. Дайте сравнительные характеристики ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) и РНК (рибонуклеиновой кислоты) по следующим признакам;
17. Приведите пример биогеоценоза (экосистемы) Вашей местности. Перечислите важнейшие компоненты экосистемы и раскройте роль каждого из них. Являются ли экосистемы - открытыми системами? Обоснуйте ответ. ___________________________ :_______________________
18. От каких факторов зависит климат на планете Земля? Почему климат глобальная характеристика? Какие космические факторы определяют изменения климата планеты? Определите по таблице изменение климата с удалением от океана в глубь материка (заполните таблицу). Какое влияние на климат и оболочки Земли оказывает деятельность человека?
19.Какие основные типы темпераментов Вы знаете? Дайте им краткую характеристику, на примере литературных персонажей или исторических личностей. К какому типу темперамента Вы себя относите? 20.Укажите из каких областей естествознания следующие термины и понятия. Адаптация; Адроны; Алгоритм; Аннигиляция; Античастицы; Антропогенный; Аэробные организмы; Барионы; Биосфера; Бифуркация; Валентность; Витамин; Воздух; Галактика; Гармония; Ген; Генетика; Геотермальная энергия; Гидросфера; Гипотеза; Гравитация; Гравитон; Детерминизм; Дискретный; Диссипация; Естественнонаучная картина мира; Естествознание; Закон природы; Иерархия; Изотропность; Инвариант; Интеграция; Интерпретация; Катализ; Катастрофа; Квант; Кварки; Кибернетика; Климат; Коацерваты; Континент; Континуум; Концепция; Корпускула; Корпускулярно-волновой дуализм вещества; Космос; Вселенная; Лептоны; Липиды; Литосфера; Метаболизм; Метагалактика; Мутация; Нейрон; Нейтрино; Ноосфера; Нуклеиновые кислоты; Нуклоны; Однородность; Онтогенез; Органогены; Парсек; Полимеры; Панспермия; Парадигма; рН показатель; Популяция; Постулат; Прокариоты; Пространство и время; Пульсары; Рациональный; Реликтовое
излучение; Рентабельный; Репродукция; Самоорганизация; Синергетика; Синтез; Спин; Урбанизация; Фауна; Феномен; Ферменты; Флора; Флюктуация; Фоновое излучение; Фотон; Фотосинтез; Фундаментальная наука; Хаос; Химический элемент; Хромосомы; Эволюция; Экология; Электромагнитная волна; Элементарные частицы; Элементарный заряд; Энергия; Энтропия; Эукариоты; Эффект; Ядерный синтез; Ядро.
21.Объясните значения следующих терминов и понятий:
21.1. 21.2. 21.3. 21.4. 21.5.
21.6 Адроны; Витамин; Ген; Гравитон; Естествознание; Изотропность; Интерпретация; Концепция; Корпускула; Космос; Нейтрино; Парадигма; Репродукция; Фауна; Флюктуация; Электромагнитная волна; Ядро.___________ Алгоритм; Барионы; Валентность; Воздух; Детерминизм; Естетствознание; Катализ; Концепция; Корпускулярно-волновой дуализм; Ноосфера; рН показатель; Самоорганизация; Фоновое Аннигиляция; Витамин; Галактика; Гипотеза; Дискретный; Естествознание Интеграция; Катастрофа; Концепция; Космос; Нуклеиновые кислоты; Популяция; Рациональный; Синергетика; Фотон; Эволюция; Элементарный заряд.____ Античастицы; Гармония; Диссипация; Естествознание; Квант; Концепция; Лептоны; Ноосфера; Нуклоны; Парадигма; Парсек; Постулат; Синтез; Фотосинтез; Экология; Электромагнитная волна; Энергия.___________________________________ Антропогенный; Валентность; Ген; Гипотеза; Естественнонаучная картина мира; Естествознание; Кварки; Кибернетика Концепция;Липиды; Однородность; Прокариоты; рН показатель; Спин; Фауна; Фундаментальная наука; Энтропия.____ „_ ________________________________ 21.7 Аэробные организмы; Воздух; Генетика; Естествознание; Закон природы; Кибернетика; Континуум; Концепция; Литосфера; Нуклеиновые кислоты; Онтогенез; Пространство и время; Урбанизация; Хаос; Элементарный заряд; Эукариоты Ядерный синтез. 21.8. 21.9. 21.0. Антропогенный; Барионы; Вселенная; Геотермальная энергия; Естествознание; Иерархия; Квант; Климат; Континент; Концепция; Метаболизм; Органогены; Пульсары; Фауна; Фоновое излучение; Химический элемент; Эффект. ^_^ Биосфера; Гармония; Гидросфера; Диссипация; Естествознание; Изотропность; Коацерваты; Концепция; Метагалактика; Парсек; Рациональ |
(4)
(5)
(3)
