Тема 8 Химическая связь и химические реакции

«КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ»
Нагрузка
Всего часов по учебному плану
В том числе аудиторная нагрузка
Лекции
Семинары
Контрольные работы
Форма отчетности
В часах
200
100
64
32
4
Зачет, экзамен
Кафедра общей физики Казанского государственного университета, тел. 231-51-94
Авторы программы и лекторы: доктор физ.-мат. .наук, профессор Д.А. Таюрский
(Dmitrii.Tayurskii@ksu.ru)
Курс является ЕН,, читается в 1 и 2 семестрах
Аннотация
Естественнонаучная и гуманитарная культуры; научный метод; история
естествознания; панорама современного естествознания; тенденции развития;
корпускулярная и континуальная концепции описания природы; порядок и беспорядок в
природе; хаос; структурные уровни организации материи; микро-, макро- и мегамиры;
пространство, время; принципы относительности; принципы симметрии; законы
сохранения; взаимодействие; близкодействие, дальнодействие; состояние; принципы
суперпозиции, неопределенности, дополнительности; динамические и статистические
закономерности в природе; законы сохранения энергии в макроскопических процессах;
принцип возрастания энтропии; химические процессы, реакционная способность веществ;
внутреннее строение и история геологического развития земли; современные концепции
развития геосферных оболочек; литосфера как абиотическая основа жизни; экологические
функции
литосферы:
ресурсная,
геодинамическая,
геофизико-геохимическая;
географическая оболочка Земли; особенности биологического уровня организации материи;
принципы эволюции, воспроизводства и развития живых систем; многообразие живых
организмов – основа организации и устойчивости биосферы; генетика и эволюция; человек:
физиология, здоровье, эмоции, творчество, работоспособность; биоэтика, человек, биосфера
и космические циклы: ноосфера, необратимость времени, самоорганизация в живой и
неживой природе; принципы универсального эволюционизма; путь к единой культуре.
Учебная задача
Дать студентам понятия об основных этапах развития, особенностях и концепциях
современного естествознания, таких как: ньютоновская и эволюционная парадигма;
концепции пространства и времени; принципы симметрии и законах сохранения;
концептуальная и континуальная традиции в описании природы; динамические и
статистические закономерностях в естествознании; соотношение порядка и беспорядка в
природе, упорядоченности строения физических объектов, переходах из упорядоченных в
неупорядоченные состояния и наоборот; самоорганизация в живой и неживой природе;
иерархия структурных элементов материи от микро- до макро- и мегамира; взаимосвязи
между физическими, химическими и биологическими процессами; специфика живого,
принципах эволюции, воспроизводства и развитии живых систем и их целостности в
гомеостазе; иерархичность, уровни организации и функциональной асимметрии живых
систем; биологическое многообразие, его роли в сохранении устойчивости биосферы и
принципах систематики; физиологические основы психологии, социального поведения,
экологии и здоровья человека; взаимодействие организма и среды, сообщества организмов,
экосистемы, принципы охраны природы и рационального природопользования; место
человека в эволюции Земли, о ноосфере и парадигме единой культуры.
Методы проведения аудиторных занятий: Лекции, семинарские занятия, консультации
Формы самостоятельной работы: работа с литературой, изучение материалов
лекций, подготовка к семинарским занятиям.
Содержание курса
Тема 1. Введение. Естественно-научный метод.
Естественнонаучная и гуманитарная культуры в современном обществе. Наука и
познание. Научное, донаучное и вненаучное познание. Структура естественнонаучного
познания. Уровни научного познания. Эмпирический уровень научного познания. Факты
науки. Эмпирические законы. Теоретический уровень научного познания. Структура
научной теории: идеальные объекты, исходные понятия, принципы и законы. Функции
научной теории: описание, объяснение, предсказание. Типология научных теорий:
фундаментальные, прикладные, феноменологические др. Основные этапы становления
научной теории. Научная картина мира как специфический компонент научного знания, как
интегральный образ действительности; ее структура и функции. Частнонаучные картины
мира: физическая, химическая, астрономическая и биологическая др. Научная картина мира
и мировоззрение. Стиль мышления в науке. Понятие метода. Метод как знание о способах
организации средств познания, как система регулятивных принципов, как форма
опосредования теории и практики. Соотношение теории и метода. Метод и методология.
Эмпирические (наблюдение, описание, измерение, эксперимент) и теоретические (
аксиоматический, генетический, гипотетико-дедуктивный, метод математической гипотезы,
метод моделирования) естественнонаучного познания. Соотношение эмпирического и
теоретического уровней исследований.Эволюционные и революционные этапы развития
науки. Природа научных революций. Основные этапы развертывания революции в науке.
Научная революция и научно-техническая революция.
Тема 2. История становления естественнонаучной картины мира
Развитие протонаучных знаний в цивилизациях древнего Востока. Возникновение
науки в древнегреческой культуре. Системы мира античных философов. Атомистическая
гипотеза Демокрита. Физика, механика и космология Аристотеля. Первые измерения Земли
и неба. Геоцентрическая система Птолемея и завершение создания первой научной картины
мира. Упадок античной науки.
Естествознание в эпоху Средневековья. Продолжение накопления в период
Средневековья эмпирических фактов и обобщений, технического опыта и мастерства. Наука
на средневековом Востоке. Сохранение достижений античной науки в университетах
Западной Европы. Физические идеи средневековья. Химия и алхимия, астрономия и
астрология в средневековье. Средневековая математика: общая характеристика.
Эпоха Возрождения и начало коренных преобразований в способе познания природы.
Мировоззренческая
революция
эпохи
Возрождения.
Процесс
отпочкования
естественнонаучных знаний от философии и зарождение аналитического исследования
природы. Формирование экспериментального метода. Гелиоцентрическая система мира
Коперника как начало формирования классического естествознания. Мировоззренческое и
методологическое значение труда Коперника "Об обращении небесных сфер" (1543).
Значение работ Кеплера, Галилея и Ньютона в формировании классической механики
как первой фундаментальной естественнонаучной теории. Законы динамики. Пространство
и время в классической механике. Энергия и импульс как меры движения в классической
механике. Космология Ньютона.
Тема 3. Структурная иерархия материального мира
Структурная иерархия материального мира. Масштабы расстояний. Измерение расстояний и
масс в космосе. Открытие реликтового излучения.
Тема 4. Возникновение и эволюция Вселенной
Солнечная система. Планеты и их спутники. Строение планет. Происхождение
планет. Химический состав вещества во Вселенной. Природа звезд. Эволюция звезд. Звезда
от "рождения" до "смерти". Сверхновые звезды. Черные дыры. Общее представление о
галактиках и их изучении. Межзвездная среда. Понятие Метагалактики.
Вселенная как объект космологии. Классическая и неклассическая космологии.
Космологические парадоксы. Формирование релятивистской космологии. Расширение
Вселенной. Эволюция Вселенной. Модели эволюции Вселенной. Возраст Вселенной.
Теория "горячей Вселенной". Сценарии прошлого Вселенной. Инфляционная модель
Большого Взрыва. Сценарии будущего Вселенной. Проблема множественности вселенных.
Проблема бесконечности Вселенной. Мировоззренческий аспект космологии. Антропный
принцип в космологии. Физика и астрофизика. Взаимосвязь космологических и
микрофизических констант.
Тема 5 Взаимодействия в природе
Четыре типа взаимодействий в природе. Теории дальнодействия и близкодействия.
Электромагнитное взаимодействие: исторические концепции в теории электричества и
магнетизма, теория Максвелла.
Шкала электромагнитных волн. Свет как электромагнитная волна. Корпускулярная
теория света.
Тема 6 Строение атома и атомного ядра. Вещество и поле
Гипотеза квантов. Становление квантовых идей от М. Планка до Н. Бора. Строение
атома. Планетарная модель атома Резерфорда. Корпускулярно-волновой дуализм.
Основные идеи, принципы и понятия квантовой механики. Физический смысл
волновой функции. Вопрос об объективности квантово-механического описания реальности.
Проблема интерпретации квантовой механики. Динамические и статистические
закономерности. Роль прибора в познании микроявлений. Принцип дополнительности.
Проблема наглядности в квантовой физике.
Строение атомного ядра. Элементарные частицы: их классификация и
взаимодействия между ними. Понятие физического вакуума.
Вещество и поле. Закон сохранения и превращения материи. Понятие дефекта массы.
Свойства атомных ядер. Взаимопревращения химических элементов. Радиоактивность.
Ядерные реакции. Принцип действия ядерного реактора и защита окружающей
среды. Термоядерный синтез.
Электронная оболочка атома. Квантовые числа. Принцип запрета Паули.
Периодическая система Д.И.Менделеева как естественная классификация элементов
по электронным структурам атомов.
Тема 7 Молекулярная структура вещества. Термодинамический и статистичеcкий
методы
Роль валентных электронов при образовании молекул. Типы химической связи.
Взаимодействия между молекулами. Агрегатные состояния вещества. Ближний и
дальний порядок.
Термодинамический метод. Основные законы термодинамики. Понятие энтропии.
Необратимость тепловых процессов, стрела времени.
Статистический метод. Макро- и микросостояния. Энтропия и вероятность. Энтропия
и информация. “Тепловая смерть” Вселенной. Теория информации и кибернетика.
Термодинамические
потенциалы.
Термодинамическое
равновесие.
Закон
действующих масс. Принцип Ле-Шателье-Брауна.
Тема 8 Химическая связь и химические реакции
Химическая связь и химические реакции. Физическая и химическая кинетика.
Энергия активации химической реакции. Химические реакции с участием радикалов,
цепные химические реакции. Каталитические реакции.
Тема 9 Происхождение и эволюция жизни
Отличие живого от неживого. Особенности биологической формы организации
материи (целостность, обмен веществ, подвижность, раздражимость, рост, размножение,
приспособляемость).
Химический состав живых организмов. Необходимые элементы для построения
элементарного организма. Белки как строительный материал. Аминокислоты. Структура
белка. Нуклеиновые кислоты. Генетический код. Конвариантная редупликация
(биологическое "узнавание", матричный синтез).
Клеточное строение организмов. Жизненный цикл клетки. Единство и многообразие
клеточных типов. Дифференциация и интеграция функций в организме. Гомеостаз.
Многообразие биологических видов. Принципы систематики и таксономии. Эволюция
живого. Онтогенез и филогенез.
Концепции эволюции: ламаркизм, катастрофизм, униформизм. Актуалистический
метод. Дарвиновская революция. Принципы и понятия дарвиновской теории
эволюции.Проблема происхождения жизни, ее мировоззренческое значение. Основные
современные направления исследования проблем происхождения жизни. Возраст живого на
Земле. Образование простых органических соединений. Возникновение сложных
органических соединений. "Первичный бульон" и образование коацерватов. Возникновение
простейших форм живого. Проблема "уникальности живого". Революция в космохимии.
Жизнь во Вселенной.
Тема 10 Неравновесные системы и явления самоорганизации
Термодинамика незамкнутых систем. Самоорганизация в физико-химических
процессах: ячейки Бенара, реакция Жаботинского-Белоусова. Самоорганизация в биологии.
Понятия и принципы синергетики. Математическое моделирование процессов
самоорганизации. Характеристики самоорганизующихся систем (открытость, нелинейность,
диссипативность). Закономерности самоорганизации. Понятие бифуркации. Понятие
симметрии. Нарушение симметрии при фазовых переходах.
Режимы с обострением. Динамический хаос. Стохастические структуры. Хаос и
Гармония.. Гипотеза рождения материи.
Принципы и понятия синергетики в современной физике, астрономии. химии,
биологии,
геологии,
экологии.
Гуманитарные
приложения
синергетики.
Принцип универсального эволюционизма.
Тема 11. Биосфера и цивилизация
Биосфера как продукт взаимодействия живого и косного вещества. Учение В.И.
Вернадского о биосфере. Живое и биокосное вещество, их взаимопроникновение и
перерождение в круговоротах вещества и энергии. Функциональная целостность биосферы.
Современная экология, различные толкования терминов. Основные понятия и законы
экологии. Популяции, сообщества, экосистемы и биосфера как уровни биологической
организации. Формы биологических отношений в сообществах. Экологическая ниша;
трофические цепи и сети, биопродуктивность. Экологические пирамиды. Экологическое
равновесие. Гомеостаз экосистем, его механизмы. Эффекты самоочищения. Биосфера, ее
эволюция и космические циклы. Ресурсы и условия среды, необходимые для жизни человека.
Взаимозависимость всех биосферных процессов. Нелинейное моделирование в изучении
биосферы. Жизнь как космическое явление и значение видового разнообразия для ее
сохранения.
Человек в биосфере. Экология человечества: проблемы демографии, развития
технологической цивилизации, ресурсов биосферы. Антропогенное воздействие на природу.
Нелинейные и парадоксальные эффекты антропогенных воздействий. Экологический
кризис. Критерии кризиса и катастрофы. Доантропогенные и антропогенные кризисы.
Принципы рационального использования природных ресурсов и охраны природы. Пути
развития экономики, не разрушающей природу. Концепция "устойчивого развития"
(экоразвития). Истоки и пути преодоления современного экологического кризиса.
Литература
ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Буданов В.Г., Мелехова О.П. Концепции современного естествознания. 1998.
МГТУГА.
2. Горбачев Г.Г. Концепции современного естествознания. Учебник для ВУЗов. М.,
Мир и образование, 2003.
3. Дубнищева И.А. Концепции современного естествознания. Новосибирск, ЮКЭА:
1997.
4. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. Учебное пособие.М.,1999.
5. Степин B.C., Кузнецова Л.И. “Современная научная картина мира”. М.: Наука, 1997.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
Алексеева Т. И. Географическая среда и биология человека.М.; Мысль,1977. 302 с.
Бернал Дж. Возникновение жизни. М., 1969.
Бройль Л. де. Революция в физике. М. 1963.
Винер Н. Я-математик. М., 1964.
Винер Н. Кибернетика. М., 1968.
Вайскопф В. Наука и удивительное (как человек понимает природу). М., 1965.
Вернадский В.И. Химическое строение Земли и ее окружения. М., 1965.
Вернадский В.И. Размышления натуралиста. Кн. 1: Пространство и время в неживой
и живой природе. М., 1975; Кн. 2: Научная мысль как планетное явление. М., 1977.
9. Вернадский В.И. Философские мысли натуралиста. М., 1988.
10. Волькенииггейн М.В. Общая бисфизика. М., 1978.
11. Волькенштейн М.В. Биофизика. М., 1981.
12. Годмен А Иллюстрированный химический словарь. М.. 1988.
13. Голдсмит Д., Оуэн Т. Поиски жизни во Вселенной. М., 1983
14. Грин Н..Стаут У.,Тейлор Д. Биология. М.; Мир,1990.Т. 1-3.
15. Девис П. Пространство и время в современной картине Вселенной. М., 1979.
16. ДевисП. Суперсила. М., 1989.
17. Имбри Дж.,Имбри К.П. Тайны ледниковых эпох. М.; Прогресс, 1988. 264 с.
18. Зельдович Я.Б., Хлопов М.Ю. Драма идей в познании природы. М., 1988.
19. Кальвин М. Химическая эволюция. М.; Мир, 1971. 240 с.
20. Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Строение вещества. М., 1970.
21. К.лимишин И.А. Открытие Вселенной. М., 1987.
22. Климишин И. А. Астрономия наших дней. М., 1986.
23. Майр Э. Популяции,виды и эволюция. М.; Мир,1974. 460 с.
24. Мечников И.И. Этюды оптимизма. М.; Наука, 1988. 328 с.
25. Моисеев Н. Человек и ноосфера. М.; Молодая гвардия,1990.352 с.
26. Мухин Л.М. Мир астрономии. М., 1987.
27. Николас Г., ПригожинИ. Самоорганизация в неравновесных системам М., 1979.
28. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. М., 1990.
29. Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. М., 1983.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
30. Опарин А.И. Возникновение жизни на Земле. М., 1957.
31. Опарин А.И. Материя - жизнь - интеллект. М., 1977.
32. Onapин A.H. Жизнь, ее природа, происхождение и развитие. М., 1968.
33. Полинг Л. Общая химия. М., 1974.
34. Пригожин И. От существующего к возникающему. М., 1985
35. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986.
36. Пригожин И., Стенгерс И. Время, хаос, квант. М., 1994.
37. РэмсденЭ.Н. Начала современной химии. Л, 1989.
38. Силк Дж. Большой взрыв. Рождение и эволюция Вселенной. М., 1982.
39. Тейяр де Шарден П. Феномен человека.М.; Наука, 1987. 240 с.
40. Тимофеев-Ресовский Н.В..Воронцов Н.Н.,Яблоков А,В. Краткий очерк теории
эволюции. М.; Наука, 1977. 301 с.
41. ФейнбергДж. Из чего сделан мир. М., 1980.
42. Фламмарион К. История неба. М., 1994.
43. Холдейн Дж. Происхождение жизни. Планета Земля. М., 1961.
44. Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум. М., 1977.
45. Шкловский И.С. Звезды: их рождение, жизнь и смерть. М..1984.
46. Шредингер Э. Что такое жизнь?: С точки зрения физика. М., 1972.
47. Эрдеи-Груз Т. Основы строения материи. М., 1976.