Реферат: Е. К. Силина заведующий кафедрой "Инженерная экология и техносферная безопасность" рготупс, проф., А. А. Фортыгин к ф. м н., доцент Программа

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ


Программу составили

Е.К. Силина заведующий кафедрой “Инженерная экология и

техносферная безопасность” РГОТУПС, проф.,

А.А. Фортыгин к.ф.-м.н., доцент


Программа одобрена на заседании кафедры “Физики и химии”

протокол №_____ от “___ ” ___________ 2010 года


Рецензент – д. ф.-м. н, проф. Б.А. Демидов


Данная программа построена в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта и “Примерной программы дисциплины «Концепции современного естествознания»” Министерства образования Российской Федерации, принятой 08.12.2000г.


РОАТ


Москва - 2010


^ 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

Дисциплина “ Концепции современного естествознания “ относится к блоку естественнонаучных дисциплин Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования, предназначена для студентов гуманитарных специальностей. Данная рабочая программа написана для студентов 1-го курса заочной формы обучения РГОТУПС специальностей 060700. национальная экономика (НЭ), 061100.менеджмент организации(МО), 060500.бухучет и аудит (БУ), 351400. информационные системы (в экономике) (ЭИ), 061500.маркетинг(М), 060400.финансы и кредит(Ф).

В курсе “ Концепции современного естествознания ” изучаются фундаментальные законы физики, химии, биологии, формируются представления о естественнонаучной картине мира, эволюции живой и неживой природы. Без глубокого изучения законов природы невозможно понимание современных технологических процессов, использующихся в промышленности, на транспорте. Курс “Концепции современного естествознания ” знакомит студентов гуманитарных направлений с приемами познавательной деятельности, сформировавшимися в естественнонаучных дисциплинах.

Данная программа построена в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта и “Примерной программы дисциплины «Концепции современного естествознания»” Министерства образования Российской Федерации, принятой 08.12.2000г.


^ 2. ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ

ДИСЦИПЛИНЫ

Дисциплина «Концепции современного естествознания» входит в цикл «Общематематических и естественнонаучных дисциплин» Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования РФ. Изучение дисциплины закладывает основы общенаучного фундамента будущего специалиста широкого профиля.

Знания и навыки, полученные при изучении дисциплины, значительно повышают эффективность учебного процесса в целом и дают возможность студентам осваивать последующие дисциплины учебного плана на качественно более высоком уровне.

Согласно Государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования государственные требования к минимуму содержания и уровню подготовки выпускника предполагают, что в результате изучения дисциплины «Концепции современного естествознания» формируются представления:

• о Вселенной в целом и её эволюции;

• о современных представлениях на возникновение жизни и её эволюции;

• о фундаментальном единстве естественных наук; незавершенности естествознания и возможности его дальнейшего развития;

• о дискретности и непрерывности в природе;

• о динамических и статистических закономерностях в природе;

• о вероятности как объективной характеристике природных систем;

• об индивидуальном и коллективном поведении объектов в природе.

В ходе изучения дисциплины «Концепции современного естествознания» должны быть сформированы знания и умения использовать представления:

• об основных этапах развития естествознания, особенностях современного естествознания;

• о концепциях пространства и времени;

• о принципах симметрии и законах сохранения;

• о корпускулярной и континуальной традициях в описании природы;

• о динамических и статистических закономерностях в естествознании;

• о самоорганизации в живой и неживой природе;

• об иерархии структурных элементов материи от микро- до макро- и мегамира ;

• о взаимоотношении теоретического и экспериментального исследования в естествознании;

В содержании программы учтены дидактические единицы, приведенные в стандарте


^ 3.ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ


Вид учебной работы

Всего

Семестры

1

-

Общая трудоемкость

100(200)

100(200)

-

Аудиторные занятия

16(20)

16(20)




Лекции

8

8




Практические занятия (ПЗ)

-

-




Семинары (С)

-

-




Лабораторные работы (ЛР)

8

8(12)




Самостоятельная работа

84

84(180)




Контрольная работа

2

2




Расчетно-графические работы

-

-




Зачет по лабораторным работам

1

1




Вид итогового контроля - экзамен

1

1




(…) - объем часов для специальности М-061500


^ 4. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

4.1. Разделы дисциплины и виды занятий.

Раздел дисциплины

Лекции

Лабораторные занятия

Введение. Естественная и гуманитарная культуры. Панорама современного естествознания.


1




Структурные уровни организации материи. Микро- макро- и мегамиры.

1




Фундаментальные взаимодействия

1

(2)

Концепция единства пространственно-временных отношений в природе

1

2(4)

Континуальные и корпускулярные традиции описания природы

1

2

Эволюция Вселенной

1




Биологический уровень организации материи

1

2

Порядок и хаос в природе. Синергетика. Процессы самоорганизации в природе и обществе.

1

2

Всего

8

8(12)


(…) - объем часов для специальности М-061500


^ 4.2 Содержание разделов дисциплины.


Тема 1. Естественная и гуманитарная культуры. Панорама современного естествознания

Проблемы двух культур. Научный метод. Этапы развития естественнонаучного мышления. Наука в современном мире. Социальная функция науки. Противоречия современной науки. Наука как объективное и предметное знание. Идеалы и нормы научного познания. Уровни естественнонаучного познания.

Специфика естественнонаучного метода. Этапы развития естественнонаучного мышления. История естествознания до начала ХХI века.

[1,2]

^ Тема 2. Структурные уровни организации материи. Микро-, макро-, и мегамиры
Физический вакуум. Ядра и элементарные частицы. Атомы и молекулы. Микроскопические тела. Макроскопические тела. Звезды. Галактики. Метагалактика. Крупномасштабная структура Вселенной.

[1,2,3]


^ Тема 3. Фундаментальные взаимодействия.

Типы взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Понятие заряда как носителя способности частиц к определенному типу воздействий. Взаимодействия и типы зарядов.

Особенности гравитационного взаимодействия, его роль в формировании Вселенной. Теория тяготения Ньютона, законы небесной механики. Гравитационная и инертная масса. Черные дыры. Гравитационный заряд. Гравитационное поле и гравитационные волны.

Классические представления об электромагнитном взаимодействии. Электрические и магнитные поля как материальные структуры. Развитие представлений о свете. Электромагнитные волны. Шкала электромагнитных волн. Основные свойства электромагнитных волн. Реакция живых организмов на электромагнитное излучение.

Слабое взаимодействие.

Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Деление тяжелых ядер. Цепная реакция деления ядер урана. Термоядерный синтез.

Сильное взаимодействие. Переносчики сильного взаимодействия. Теория сильного взаимодействия – квантовая хронодинамика (КХД): основные положения.

Нуклоны. Строение атомного ядра. Радиус действия ядерных сл. Размеры и модели ядра. Модели ядерных взаимодействий Юкавы. Дефект массы. Принципы ядерной энергетики.

Великое объединение и суперобъединение фундаментальных взаимодействий. Антропный принцип в физике.

Структурные уровни организации материи.

Микромир: “пена пространства - времени”, элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.

Макромир: твердые тела, планеты и звезды.

Мегамир: Наша галактика, галактики, скопление галактик, видимая Вселенная. Крупномасштабная структура Вселенной.

[1,2,3,4,5,6,7]


^ Тема 4.Концепция единства пространственно-временных отношений в природе.

Фундаментальные физические представления о пространстве и времени. Временные отношения в природе. Событие и процесс. Часы как прибор.

Масштабы времени. Однородность времени. Пространственные отношения в природе. Трехмерность пространства. Линейка как прибор. Масштабы пространства. Однородность и изотропность пространства.

Законы сохранения энергии, импульса, момента импульса и их связь с симметриями пространства-времени. Симметрия в живой и неживой природе.

Промежуток времени между одноместными событиями. Протяженность неподвижного объекта. Одновременность удаленных событий и синхронизация часов. Протяженность движущегося объекта. Мир событий при малых и больших скоростях. Принципы относительности Галилея и Эйнштейна. Следствия специальной теории относительности. (СТО). Искривление пространства и времени в общей теории относительности. (ОТО). Экспериментальная проверка СТО и ОТО.

[1,2,3,4,5,7]

^ Тема 5. Континуальные и корпускулярные традиции описания природы.
Проявление вещества: поле и дискретные частицы. Дуализм волновых и корпускулярных свойств вещества. Принцип дополнительности. Вероятностный характер микропроцессов. Волновая функция. Уравнение Шредингера.

Принцип неопределенностей Гейзенберга. Соотношение неопределенностей и детерминизма в квантовой механике. Принцип Паули и периодическая система химических элементов.

[1,2,3,4,5,6,7]

^ Тема 6. Эволюция Вселенной
Концепция Большого взрыва. Закон и постоянная Хаббла. Возраст Вселенной. Проблема скрытой массы. Горячая Вселенная. Ранние стадии эволюции Вселенной.

Первичный нуклеосинтез. Субстанции ранней Вселенной: лептоны (нейтрино, антинейтрино), реликтовое излучение (фотоны), барионное вещество. Водород – гелиевая Вселенная.

Звездный нуклеосинтез. Образование звезд. Характеристики звезд. Диаграмма Гершпрунга – Рассела. Эволюция звезд.

Виды галактик: спиральные, эллиптические, неправильные. Строение галактик.

Крупномасштабная структура Вселенной. Наша галактика, ее структура и особенности.

Химический состав Вселенной. Асимметрия между веществом и антивеществом.

Свойства мира и согласованность фундаментальных констант.

Природа и состав Солнца. Метеориты. Кометы. Внутренние планеты. Внешние планеты и их спутники. Земля – планета Солнечной системы. Возраст Земли. Радиологические методы определения геологического времени.

[3,5,6]


^ Тема 7. Биологический уровень организации материи

Особенности биологического уровня организации материи. Сущность живого и его основные признаки. Структурные уровни организации живой материи. Химическая организация клетки: неорганические соединения, органические соединения (белки, жиры, углеводы). Биологический код.

Основы наследственности, генетический механизм передачи и хранения информации. Наследственный аппарат и генная инженерия. Основы клеточной теории. Размножение и развитие организмов.

Современные представления о возникновении жизни. Основные положения теории Дарвина-Уоллеса. Движущие силы эволюции. Формы естественного отбора, видообразование. Многообразие живых организмов – основа организации и устойчивости биосферы.

Основные этапы антропогенеза. Эволюция головного мозга. Типы поведения. Поведение и гены. Биологические, психологические и социальные особенности поведения человека.

[2,4,5,6,8,9]


^ Тема 8. Порядок и хаос в природе. Синергетика. Процессы самоорганизации в природе и обществе.

Хаос как непредсказуемая степень порядка. Статистические, периодические и хаотические аттракторы и поведение сложных систем в природе и обществе. Бифуркации. Общее представление о синергетике. Самоорганизация в живой и неживой природе.

[1,2,3,6]


^ 5.ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ.

Описание лабораторных работ приведено в

«Концепции современного естествознания. Лабораторный практикум для студентов 1-го курса экономических специальностей. РГОТУПС.М.:2001»


^ 6. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ.


6.1 Рекомендуемая литература

Основная литература.

Горелов Анатолий Алексеевич. Концепции современного естествознания .: учебное пособие: Министерство образования и науки РФ- М.: Академия, 2006.-495с.

Карпенков Степан Харламович. Концепции современного естествознания .: учебник- М.: КНОРУС, 2009. - 671 с.


Дополнительная литература.

Бейзер А. Основные представления современной физики.

Вернадский В.И. Труды по философии естествознания. М.: Наука. 2000

Орир Д. Физика. – М.:, 1981. – Т. 1 – 2 .

Робертсон Б. Современная физика в прикладных науках. М.: Мир, 1985.

Фейнберг Е.Л. Две культуры. Интуиция и логика в искусстве и науке. М.: Наука 1992.

Самоорганизация и наука: опыт философского осмысления. М.: Арго 1994.

Н.Грин, У.Стаут, Д.Тейлор. Биология. 1-3 т. М.: Мир 1993

Новиков И.Д. Эволюция Вселенной М.: Наука 1992.

Пригожин. И., Стенгерс И. Порядок и хаос. М.: Мир, 1986.


^ 6.2 Средства обеспечения освоения дисциплины

Ресурсы Internet

http://home/ptd.net/~swenger/

http://www.colorado.edu/physics/2000/TOC/html

http://www/physics.purdue.edu/~hinson/ftl/html/FTL part.html

http://www.itk.ntnu.no/

http://www.teleport.com/~pdx4d/links.html

htth://www/galaxy/net/~k12/matter/

htth://www-hflm.sci.kun.nl. hflm/levitate.html




^ МАТЕРИАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Реализация программы дисциплины ““ Концепции современного естествознания ” предполагает наличие компьютерного класса с программным обеспечением соответствующих видов занятий,лабораторных работ по программе курса.


^ МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОРГАНИЗАЦИИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ.

Студенты – заочники выполняют 2 контрольные работы, лабораторный практикум, сдают зачет. Итоговым контролем является экзамен.


^ ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ И РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Номер варианта определяется по двум последним цифрам учебного шифра студента. Первые четыре задачи определяются по последней цифре, последние две – по предпоследней цифре учебного шифра.

Условия всех задач переписываются полностью, без сокращений.

Все значения величин, заданных в условиях и привлекаемых из справочных таблиц, записываются для наглядности сокращенно (столбиком) в тех единицах, которые заданы, и в единицах той системы, в которой выполняются решения (как правило, в системе СИ)

Все задачи(кроме биологических), как правило, следует решать в системе СИ.

Необходимо указать законы, которые должны быть использованы, и аргументировать возможность их применения для решения данной задачи.

Вывод формул и решение задач следует сопровождать краткими, но исчерпывающими пояснениями.

Использованные в формулах буквенные обозначения должны быть согласованы с обозначениями, приведенными в условии задачи. Дополнительные буквенные обозначения следует сопровождать соответствующими объяснениями.

Каждая последующая задача в контрольной работе должна начинаться с новой страницы.

В конце контрольной работы необходимо указать учебные пособия, учебники, использованные при ее выполнении, а также дату сдачи работы и поставить свою подпись.

Если контрольная работа не допущена к зачету, то все необходимые дополнения и исправления представляют вместе с не зачтенной работой. Исправления в тексте не зачтенной работы не допускаются.

Допущенные к зачету контрольные работы с внесенными уточнениями предъявляются преподавателю на зачете. Студент должен быть готов дать во время зачета пояснения по решению всех выполненных им задач.



^ КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1


Таблица вариантов к контрольной работе №1


Вариант

Номер задачи




1

2

3

4

5

6

0

110

120

130

140

150

160

1

101

111

121

131

141

151

2

102

112

122

132

142

152

3

103

113

123

133

143

153

4

104

114

124

134

144

154

5

105

115

125

135

145

155

6

106

116

126

136

146

156

7

107

117

127

137

147

157

8

108

118

128

138

148

158

9

109

119

129

139

149

159


Примечание:

№101–110 – задачи на сравнение всех типов различных взаимодействий.

№ 111–120 – волновые свойства вещества, принцип неопределенности.

№ 121-130 – СТО, законы сохранения в ядерных реакциях.

№ 131- 140 – состав и структура галактик. Эволюция Вселенной.

№ 141-150 – задачи на законы генетики.

№ 151-160 – молекулярные основы наследственности.


^ ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ.

Пример 1. Сравнить для изотопа водорода 1Н2 силы гравитационного и кулоновского взаимодействия электрона и ядра изотопа.

Решение:

ДАНО:

q1 = e- = -1.6 10-19Кл

q2 =e- = 1.6 10-19Кл

m1 = 9.1 10-31 кг

m2 = 3.3425 10-27кг

1/40 =9 109 Ф/м

G = 6.67 10-11 Н м2/кг2

Определить: F1/F2

Решение:

Сила электростатического взаимодействия электрона и протона F1 , находящегося в ядре изотопа водорода определяется законом Кулона:

F1 = q1q2/40 r2 = e2/ 40 r2

Сила гравитационного взаимодействия электрона и ядра F2 определяется законом всемирного тяготения:

F2 = G m1m2/r2

Сравнивая две силы, возьмем отношение этих сил:

F1/F2 = q1q2/40 r2: G m1m2/r2 = q1q2 /40  G m1m2 =

=(1.6 10-19)2 9109/(6.67 10-119.110 -313.342510-27)=

=2.56 9 /6.679.13.342510-38+9+11+31+27

=0.1135610391.141038

Ответ: F1/F2 =1.141038


Пример 2.Оценить возможный радиус черной дыры для звезды, масса которой больше солнечной массы в 10 раз.

Решение:

ДАНО:

М = 10M0 = 1021030кг=21031кг

G =6.671011Нм2/кг2

с = 3 108 м/с

Определить: Rч.д

Решение:

Радиус черной дыры (без учета эффектов общей теории относительности) находится из условия равенства второй космической скорости и скорости света.

Вторая космическая скорость - это скорость, с которой тело может уйти за пределы поля тяготения. Она находится из условия закона сохранения энергии в точке, удаленной от центра тяготения на расстояние R, и на бесконечном расстоянии:

Епот R + Eкин R = Епот + Екин  (1)

mV2/2 - GmM/R = 0 + 0 (11)

VII = 2GM/R (2)

Приравнивая вторую космическую скорость к скорости света, получаем:

с == 2GM/R

Откуда R = 2GM/c2 (3)

R = 26.6710-1121031/(3108)2 =(26.672/9) 10-11+31-16=2.9644104м 29.6 103м

30 км

Ответ: Rч д  30 км


Пример 3 Определить длину волны де Бройля для электронов в кинескопе цветного телевизора с ускоряющим напряжением 15 кВ. Надо ли учитывать волновые свойства электрона в кинескопе, если пучок электронов в кинескопе имеет диаметр 10-3м?

Решение:

ДАНО

U = 15 кВ =15103 В

е = -1.610-19Кл

m = 9.110-31 кг

h = 6.6210-34Джс

d = 10-3 м

Определить: Б

Решение:

По гипотезе де Бройля микрочастица обладает волновыми свойствами. Причем длина волны рассчитывается по формуле:

Б = h/p

где h - постоянная Планка; p - импульс частицы.

Электрон, прошедший ускоряющую разность потенциалов U, набрал энергию Екин= eU. По закону сохранения энергии для электрона, первоначально обладавшего нулевой скоростью, eU =mV2/2=p2/2m .Отсюда импульс электрона р = mV =2 meU .

Длина волны де Бройля электрона будет:

Б = h/p = h/2 meU =6.6210-34/29.110-311.610-1915103=

=6.6210-34/29.11.61510-31-19+3=(6.62/9.11.63)10-34+24=1.00210-1010-10м

Так как длина волны де Бройля много меньше характерных размеров пучка

Б /d = 10-10/10-3 = 10-10+3=10-7,

то волновые свойства электрона не проявляются.

^ Ответ: Б =10-10м, волновые свойства электрона не проявляются.


Пример 4. Какова неопределенность импульса нейтрона, заключенного в ядре? Размер ядра 10 –15м.

Решение:

Согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга

X  P = h/2

(такое же соотношение справедливо для энергии E и времени t - E  t = h/2)

где X – неопределенность измерения координаты,

P - неопределенность измерения импульса.

Для нейтрона, находящегося в ядре, неопределенность измерения координаты X – порядка размеров ядра. Тогда P = h/2X = 1.05 10 -34/ 10 -1515= 10 –19кг м/с.


Пример 5. Белый карлик радиусом 9000 км при гравитационном коллапсе превращается в нейтронную звезду радиусом 6 км. Вычислить период излучения получившегося пульсара, если белый карлик совершал один оборот за 30 суток. При коллапсе было сброшено 35%массы.

Решение:

ДАНО

 = 0.35

m2/m1 =1-  =0.65

R1 =9000 км = 9106 м

R2 =6 км = 6103 м

T1 = 30 cуток = 30246060 c.

Определить: T2

Решение:

Белый карлик при гравитационном коллапсе превращается в нейтронную звезду. Так как коллапс происходит за доли секунды (т.е. почти мгновенно), то справедлив закон сохранения момента количества движения:

J11 =J2 2 (1)

где J1 =0.4 m1R21 - момент инерции звезды (белого карлика) в виде шара;

J2 =0.4 m2R22 - момент инерции нейтронной звезды;

1 = 2 n1 =2/T1 - угловая скорость вращения белого карлика;

2 = 2 n2 = 2/T2 - угловая скорость вращения нейтронной звезды;

T1, T2 - периоды обращения белого карлика и нейтронной звезды соответственно.

Подставляя значения моментов инерции и угловых скоростей в (1) получим соотношение для определения периода звезды:

0.4 m1R1 2/T1 =0.4 m2 R222/T2

Откуда

Т2 = (m2/m1) (R2/R1)2 T1 =0.65(6103/9106)230246060 =

=0.65(4/9)10-6 3662.4104 =8.3210-2c

Согласно современным представлениям период излучения пульсара совпадает с периодом обращения нейтронной звезды.

Ответ: Период излучения пульсара равен Т=0.0832 с


Пример 6. Определить расстояние в световых годах до галактики по ее красному смещению  =10 нм линии  = 486 нм.

Решение:

Н =75 кмс-1/Мпс

 =10 нм

 = 486 нм

Определить: R

При удалении галактики со скоростью V согласно эффекту Доплера для смещения  в красную сторону (в сторону удлинения длины волны) линии излучения  справедливо соотношение (при небольшом удалении):

/ = V/c

где c - скорость света.

Отсюда скорость удаления галактики равна:

V = c /

Вычислим скорость, чтобы узнать скорость удаления:

V = 310810/486 =0.062108 м/с =62105 м/c =6200 км/с

По закону Хаббла скорость удаления пропорциональна расстоянию до галактики:

V = H R

Примем постоянную Хаббла Н = 75 кмс-1/Мпс

Расстояние до галактики будет:

R = V/H = 6200/75 = 82.7 Мпс

Учтем, что 1 парсек = 3.26 световых года, а 1 Мпс =106 пс. Тогда

R =269106 cв. лет

Ответ: галактика удалена на 269 млн. световых лет.


Пример 7.

Какова кинетическая энергия α-частиц, вылетающих в результате распада

222Rn 218Po+ 4He ?

86842

Решение:

В результате α-распада ядер более тяжелые обычно покоятся, а α-частицы вылетают из ядер и обладают значительной кинетической энергией.

В процессах распада полная кинетическая энергия частиц сохраняется.

E10 = E20+ E0 + Eкин

Поэтому кинетическая энергия α -частиц равна:

Eкин α =Е10 - E20- E0

или Eкин =(М10 - М20- м0)  с2


где E10 =М10 с2 – энергия покоя распадающегося ядра

М10 –масса покоя распадающегося ядра

E20 =М20 с2 – энергия покоя получившегося ядра

М20 - масса покоя получившегося ядра

E0 -энергия покоя α –частицы

м0 -масса покоя α –частицы

Представляя массы покоя частиц в килограммах и умножая на квадрат скорости света, получим кинетическую энергию α –частиц в джоулях.

Но в таблицах обычно указываются массы элементов в атомных единицах массы, а энергия в ядерной физике определяется в мегаэлектронвольтах (МэВ =106эВ=1.6 10-13Дж)

В этих единицах с2=9 1016м2/c2=931 МэВ/а.е.м.

Тогда кинетическая энергия α –частиц, выражаемая в мегаэлектронвольтах, равна

Eкин =(М10 - М20- м) 931


Пример 8.

При соударении - частицы с ядрои Бора 10В в результате которой

5

образовались два новых ядра. Одним из этих ядер было ядро атома водорода 1Н

1

определите порядковый номер и массовое число второго ядра. Дать символическую запись ядерной реакции и определить ее энергитический эффект.

Решение:

Обозначим неизвестное ядро символом aX. Так как - частица представляет

z

собой ядро гелия 4He, запись реакции имеет вид

2

4He + 10B  1H + aX

2 5 1 z

Применив закон сохранения числа нуклонов, получим уравнение 4+10=1+А, откуда А=13. Применив закон сохранения заряда, получим уравнение 2+5=1+Z, откуда Z=6. Следовательно, неизвестное ядро является ядром атома изотопа углерода 13С. Окончательно записываем реакцию :

6

4He + 10B  1H + 13C

2 5 1 6

Энергетический эффект Q ядерной реакции определяется по формуле

Q=931{(mHe+ mB) - (mH+ mB)} = 931{(4.00260 + 10.01294) – (1.00783 + +13.00335)}МэB= 4.06 МэВ


Решение генетических задач.


При решении задач в области генетики студент должен усвоить следующие основные принципы:

1) в передаче наследственной информации участвуют оба родителя, и они вносят одинаковый вклад в генетическую конструкцию потомка;

2) каждая особь имеет по два гена, в то время как гамета содержит лишь один такой ген;

3) две пары генов, находящихся в разных хромосомах наследуются независимо друг от друга;

4) две пары генов, находящихся в одной и той же хромосоме, имеют тенденцию наследоваться совместно, но может разделяться в случае кроссинговера;

5) гаметы могут соединяться в случайных комбинациях.

При решении генетических задач следует придерживаться следующих правил:

1) Записать символы, используемые для обозначения каждого гена.

2) Выяснять генотипы родителей, определяя их по фенотипам самих родителей, а если этого недостаточно, то по фенотипам либо их родителей, либо потомков.

3) Определить все гаметы, образующиеся у каждого родителя.

4) Начертить решетку Пеннета, в которой по горизонтали записывают женские гаметы, а по вертикали - мужские

5) Заполнить клетки решетки, записав в них генотипы соответствующих потомков, и определить соотношения в потомстве разных генотипов и разных фенотипов.


Пример 9. У человека ген карего цвета глаз доминирует над голубым. Гетерозиготная кареглазая женщина вышла замуж за голубоглазого мужчину. Какой цвет глаз возможен у их детей?

Условие задачи оформим в виде таблицы

Фенотип

Ген

Генотип

Карий цвет глаз

B

BB, Bb

Голубой цвет глаз

b

bb

Генетическая запись решения:

Р Bb х bb

G B b b

F1 Bb bb

либо с помощью решетки Пеннета




B

b

b

Bb

bb

b

Bb

bb


Гетерозиготная особь (в данном случае - мать) дает два типа гамет, гомозиготная (отец) - один. В результате такого брака вероятность рождения детей с карими и голубыми глазами равна 1:1 (по 50%).


Пример 10. У человека близорукость (М) доминирует над нормальным зрением (m), а карий цвет глаз (B) - над голубым (b). Гетерозиготная кареглазая женщина с нормальным зрением вышла замуж за голубоглазого гетерозиготного близорукого мужчину. Определить возможные фенотипы и генотипы их детей.

Условие задачи

Фенотип

Ген

Генотип

Близорукость

M

MM, Mm

Нормальное зрение

m

mm

Карий цвет глаз

B

BB, Bb

Голубой цвет глаз

b

bb


Решение:

Р Bbmm х bbMm

G Bm bm bM bm

F1 BbMm Bbmm bbMm bbmm


или с помощью решетки Пеннета







Bm

Bm

bm

bm

bM

BbMm

BbMm

bbMm

bbMm

bm

Bbmm

Bbmm

bbmm

bbmm

bM

BbMm

BbMm

bbMm

bbMm

bm

Bbmm

Bbmm

bbmm

bbmm



Возможны 4 случая: один ребенок - кареглазый близорукий гетерозиготный по обеим парам аллелей BbMm; другой - кареглазый, гетерозиготный с нормальным зрением Bbmm; третий - голубоглазый близорукий гетерозиготный по второй паре аллелей bbMm; четвертый - голубоглазый с нормальным зрением -bbmm. Вероятность рождения каждого из них - 25%.

^ Молекулярные основы наследственности

Пример решения типовой задачи

Пример 11. Одна из цепочек молекулы ДНК имеет следующий порядок нуклеотидов: ЦЦГТАЦЦТАГТЦ... Определить последовательность аминокислот в соответствующем полипептиде, если известно, что и- РНК синтезируется на комплементарной данной цепи ДНК.

^ Решение задачи.

Молекула и-РНК синтезируется по принципу комплиментарности на одной из цепей молекулы ДНК. По условию задачи, и-РНК синтезируется на комплиментарной цепи. Следовательно, сначала необходимо построить комплементарную цепь ДНК, помня при этом, что аденину соответствует тимин, а гуанину - цитозин. Двойная цепочка ДНК будет выглядеть следующим образом:

Ц Ц Г Т А Ц Ц Т А Г Т Ц . .

Г Г Ц А Т Г Г А Т Ц А Г . .

Теперь строим молекулу и-РНК. При этом следует вспомнить, что вместо тимина в молекулу РНК входит урацил. Тогда

ДНК: Г Г Ц А Т Г Г А Т Ц А Г
и-РНК: Ц Ц Г У А Ц Ц У А Г У Ц

Три рядом расположенных нуклеотида (триплет или кодон) и-РНК определяют присоединение одной аминокислоты. Соответствующие триплетам аминокислоты находим по таблице кодонов (табл.). Кодон ЦЦГ соответствует пролину, УАЦ - тирозину, ЦУА - лейцину, ГУЦ - валину. Следовательно, последовательность аминокислот в полипептидной цепи будет:

ПРО - ТИР - ЛЕЙ - ВАЛ –


Задачи

101. Оценить во сколько раз сила электростатического взаимодействия двух электронов между собой больше их гравитационного притяжения?

102. Оценить во сколько раз сила электростатического отталкивания двух протонов между собой больше их гравитационного притяжения?

103. С какой силой взаимодействуют два электрона, находящиеся на расстоянии 0.1 мм друг от друга?

104. С какой силой взаимодействуют электрон и протон в атоме водорода? Радиус орбиты электрона 0.53 10-10 м.

105. Оценить силу электростатического отталкивания в ядре двух протонов. Принять размеры ядра 10-15м.

106. Определить радиус черной дыры в центре галактики с массой порядка 109 масс Солнца.

107. Оценить возможный радиус черной дыры для Солнца.

108. Определить радиус черной дыры для Сириуса.

109. Определить радиус черной дыры для Веги.

110. Определить радиус черной дыры для Бетельгейзе.

111. Вычислить длину волны де Бройля для электрона в кинескопе, ускоряющая разность потенциалов которого 10 кВ. Надо ли учитывать волновые свойства электрона, если диаметр электронного пучка 1 мм.

112. Вычислить длину волны де Бройля для пучка электронов в электронном микроскопе, ускоряющая разность потенциалов которого 1 кВ. Проявляются ли волновые свойства электронов, если объект бактерии, размер которых порядка 1 мкм?

113. Надо ли учитывать волновые свойства электронов в атоме водорода? Потенциал ионизации атома водорода 13.6 В, а размер порядка 0.53 10-10м.

114. Пучок альфа-частиц диаметром 1 см прошел разность потенциалов 100 В. Надо ли учитывать волновые свойства альфа-частиц при распространении в этом пучке?

115. Вычислить длину волны де Бройля в молекулярном пучке атома водорода, имеющих скорость 103м/с. Надо ли учитывать волновые свойства, если диаметр пучка 1 мм?

116. Элементарные частицы, которые называются резонансами, обладают неопределенностью массы покоя 200МэВ. Чему равно время жизни таких частиц?

117. Радиоактивный изотоп серебра 108 распадается за 2.4 мин. Чему равна неопределенность его энергии?

118. Электрон движется со скоростью 106м/с. Допустим, что мы можем измерить его положение с точностью до 10-12 м. Сравнить неопределенность импульса электрона p с самим значением его импульса р.

119. Теннисный мяч массой 200 г движется со скоростью 30 м/с. Если мы можем определить положение мяча с ошибкой, соизмеримой с длиной волны света, используемого при наблюдении (например, 500 нм) то, как соотносится неопределенность в установлении его импульса с самим импульсом мяча?

120. Оценить неопределенность импульса протона в ядре. Размер ядра 10-15 м.

121.-125. Дописать ядерную реакцию и определить кинетическую энергию частиц, вылетающих в результате распада:

1) Th230  Ra226 + ?

9088


2) 14N+ 4He  17O+ ?

728


3) 226 Ra ?+ 4He

882


4) 234U 230Th+ ?

9290


5) 14N+ 2H  ? + 4He

7 1 2

126. Определить длину волны де Бройля для электрона, летящего в ускорителе со скоростью  =3/5 c.

127. Определить длину волны де Бройля для электрона, летящего в ускорителе со скоростью  =0.8 c.

128. Определить объем куба с ребром а=10 см в лабораторной системе координат, двигающегося прямолинейно со скоростью V=0.6 с.

129. Во сколько раз изменится объем куба с ребром а=10см, двигающегося прямолинейно со скоростью V=0.6 с по оси Х?

130.При какой скорости частицы ее масса m превышает массу покоя m0 на 1%?

131. Вычислить радиус белого карлика, если при коллапсе этой звезды было сброшено 50% ее массы. Радиус образовавшейся нейтронной звезды 10 км, а периоды вращения белого карлика и нейтронной звезды 10 суток и 0.3 с соответственно.

132. Вычислить период излучения оптического пульсара, если при коллапсе белого карлика радиусом 6000 км было сброшено 30%массы. Радиус нейтронной звезды 12 км, а период вращения белого карлика был 20 суток.

133. Определить радиус нейтронной звезды, если при коллапсе белого карлика радиусом 5000 км было сброшено 10%массы. Белый карлик делал 0.06 оборотов в сутки, а период излучения пульсара -0.1 с.

134. Вычислить радиус нейтронной звезды, если при коллапсе белого карлика было сброшено 40% массы звезды. Радиус белого карлика был 15 000 км, а период вращения белого карлика и нейтронной звезды были 20 суток и 0.2 с соответственно.

135. На месте белого карлика с радиусом 10 000 км и угловой скоростью 0.314 рад/сут образовалась нейтронная звезда диаметром 16 км. Определить период излучения образовавшегося пульсара. Учесть, что при коллапсе было сброшено 40% массы звезды.

136. Оценить расстояние до галактики, если красное смещение линии Hводорода (длина волны =656 нм) составляет 30 нм. Принять постоянную Хаббла равной Н=75 км с-1/Мпс.

137. Оценить расстояние до галактики, если красное смещение линии Hводорода (длина волны =656 нм) составляет 10 нм. Принять постоянную Хаббла равной Н=75 км с-1/Мпс.

138. Для галактики, находящейся на расстоянии 400 световых лет, красное смещение линии Hводорода (длина волны =656 нм) составляет 20 нм. Оценить постоянную Хаббла.

139. По красному смещению линий водорода было найдено, что галактика, находящаяся на расстоянии 45 млн. световых лет удаляется со скоростью 103км/с. Оценить постоянную Хаббла.

140. Для галактики, находящейся на расстоянии 600 млн. световых лет, красное смещение линии Hводорода (длина волны =656 нм) составляет 30 нм. Оценить постоянную Хаббла.

141-143. У человека карий цвет глаз доминирует над голубым, а способность лучше писать правой рукой доминирует над леворукостью. Обе пары генов расположены в разных хромосомах.

1.Голубоглазый правша женился на кареглазой правше. У них родилось двое детей - кареглазый левша и голубоглазый правша. Каковы генотипы родителей?

2.Голубоглазый правша, отец кот