Министерство образования и науки Российской Федерации
Сибирский федеральный университет
СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИКИ
Методические указания к семинарским занятиям
Красноярск
СФУ
2011
Составитель: Белобров Петр Иванович.
Методические указания составлены в соответствии с учебным планом и программой по дисциплине «Современные проблемы физики». Пособие содержит тематический план занятий, представлены источники основной и дополнительной литературы в соответствии с темами занятий. В пособие даны рекомендации для подготовки к семинарам, промежуточному и итоговому контролю.
Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению 011200.68 «Физика», магистерские программы «Биофизика», 011200.68.07 «Окружающая среда и человек: основы контроля и надзора».
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Цель изучения дисциплины
Дисциплина «Современные проблемы физики» призвана установить взаимосвязь между современными достижениями физики и химии с биологией. При этом в свете достижений современной науки физика сохраняет свою мировоззренческую роль на более высоком методологическом уровне и помогает студентам ориентироваться в изменяющемся мире.
Целью изучения дисциплины является глубокое понимание студентами основных открытий в физике, которые обязан знать каждый биофизик, подготовка специалистов, способных решать вопросы современной науки с позиций системного подхода на основных этапах научно-исследовательской деятельности.
Задачи изучения дисциплины
По окончании изучения дисциплины «Современные проблемы физики» магистр должен обладать:
специальной подготовкой в предметной области;
знаниями современной физики и использовать фундаментальные представления количественной биологии в сфере профессиональной деятельности;
специализацией, определяемой перечнем дисциплин из предметной области;
представлением о физических основах устойчивого развития человечества на глобальном и региональном уровнях
уметь:
• эффективно использовать современные базы данных, базы знаний и экспертные системы;
• эффективно применять типовые программные пакеты и системы, ориентированные на решение научных, проектных и технологических задач;
• формулировать и решать задачи, возникающие в ходе научно-исследовательской и педагогической деятельности, требующие углубленных профессиональных знаний;
• выбирать необходимые методы исследования, модифицировать существующие и разрабатывать новые методы, исходя из задач конкретного исследования;
• обрабатывать полученные результаты, анализировать и осмысливать их с учетом имеющихся литературных данных;
• вести библиографическую работу с привлечением современных информационных технологий.
владеть:
• методами системного анализа в предметной области;
• методами (методологиями) проведения научно-исследовательских работ;
• методами и средствами компьютерного моделирования;
• методами планирования, организации и проведения научных исследований;
• типовыми программными продуктами, ориентированными на решение научных, проектных и информационно-технологических задач;
• действующими стандартами, нормами, методологией и культурой мышления, позволяющими перерабатывать и подготавливать материалы по результатам исследований к опубликованию в печати, а также в виде обзоров, рефератов, отчетов, докладов и лекций.
Межпредметная связь
Данная дисциплина является полезной для выполнения научно-исследовательских работ по темам магистерских диссертаций и прохождения научно-исследовательской практики, а также для дальнейшей научной и преподавательской работы студентов.
ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ
Объем дисциплины и виды учебной работы приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Вид учебной работы
|
Всего зачетных
единиц
(часов)
|
Семестр
|
9
|
Общая трудоемкость дисциплины
|
3 (108)
|
3 (108)
|
Аудиторные занятия:
|
0,78 (28)
|
0,78 (28)
|
лекции
|
0,39 (14)
|
0,39(14)
|
практические занятия (ПЗ)
|
0,39 (14)
|
0,39(14)
|
Самостоятельная работа:
|
1,22 (44)
|
1,22 (44)
|
изучение теоретического курса (ТО)
|
0,56 (20)
|
0,56 (20)
|
реферат
|
0,56 (20)
|
0,56 (20)
|
промежуточный контроль (ПК)
|
0,11 (4)
|
0,11 (4)
|
Вид итогового контроля
(зачет)
|
Экзамен
1 (36)
|
Экзамен
1 (36)
|
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ Разделы дисциплины и виды занятий в часах (тематический план занятий)
Тематический план занятий и их объем приведен в табл. 3.1.
Таблица 3.1
№
п/п
|
Модули и разделы
дисциплины
|
Лекции,
зачетных единиц
(часов)
|
ПЗ или СЗ,
зачетных единиц
(часов)
|
Самостоятельная работа,
зачетных единиц
(часов)
|
Реализуемые компетенции
|
|
Модуль 1. Фундаментальные физические константы
|
0,05
(2)
|
0,05
(2)
|
0,05
(2)
|
ОК-1;
ОК-7;
ОК-10;
ПК-1;
ПК-2;
ПК-3;
ПК-4;
ПК-6;
ПК-7.
|
1.1
|
Тема 1. Измерение – ключ современной физики.
|
0,05
(2)
|
0,05
(2)
|
0,05
(2)
|
|
Модуль 2. Примеры Нобелевских премий по физике
|
0,17
(6)
|
0,17
(6)
|
0,585
(21)
|
2.1
|
Тема 2. Квантовый эффект Холла (1985) – смена точки зрения на измерения с высокой точностью.
|
0,056
(2)
|
0,056
(2)
|
0,195
(7)
|
2.2
|
Тема 3. Мягкое вещество, жидкие кристаллы и полимеры (1991) – идеи де Жена в биологии.
|
0,056
(2)
|
0,056
(2)
|
0,195
(7)
|
2.3
|
Тема 4. Проблемы физики углерода: графен (2010).
|
0,056
(2)
|
0,056
(2)
|
0,195
(7)
|
|
Модуль 3. Физика надмолекулярной самоорганизации в химии и биологии
|
0,17
(6)
|
0,17
(6)
|
0,585
(21)
|
3.1
|
Тема 5. Зеленый флуоресцентный белок (2008), GFP в датчиках, биосенсорах и чипах.
|
0,056
(2)
|
0,056
(2)
|
0,195
(7)
|
3.2
|
Тема 6. ЯМР-спектроскопия биомолекул в растворе (2002) и ЯМР томография (2003).
|
0,056
(2)
|
0,056
(2)
|
0,195
(7)
|
3.3
|
Тема 7. Физика надмолеку- лярной самоорганизации – роль измерения и фундамен- тальных физических постоян- ных в химии и биологии.
|
0,056
(2)
|
0,056
(2)
|
0,195
(7)
|
3.2 Содержание разделов и тем лекционного курса
Дисциплина «Современные проблемы физики» представляется тремя модулями, каждый из которых раскрывает определенные аспекты:
модуль 1 – «Фундаментальные физические константы»
модуль 2 – «Примеры Нобелевских премий по физике»;
модуль 3 – «Физика надмолекулярной самоорганизации в химии и биологии»
Лекции построены на основе ключевых Нобелевских премий по физике, химии, физиологии и медицине, которые позволяют понять студенту роль физики в открытиях современной химии, биологии и медицины.
3.3 Практические занятия
Практические занятия по дисциплине «Современные проблемы физики» будут способствовать умению студентов работать с различными видами информации с помощью компьютера и других средств информационных и коммуникационных технологий как в ходе образовательного процесса, так в научных исследованиях.
Общий объем практических занятий – 14 часов.
Рекомендуемый перечень и объем практических занятий приведен
в табл. 3.2.
Таблица 3.2
№
п/п
|
№ раздела
дисциплины
|
Наименование практических занятий,
объем в часах
|
9-й семестр
|
1
|
Тема 1. Измерение – ключ современной физики.
|
Квантование энергии, квант действия = постоянная Планка. Квантование заряда, заряд электрона. Квант магнитного потока. Квант циркуляции. Кванты сопротивления и проводимости. Критические аспекты применения физико-химических постоянных в количественной биологии. Проблема биомаркеров. (2)
|
2
|
Тема 2. Квантовый эффект Холла (1985) – смена точки зрения на измерения с высокой точностью.
|
Интегральные микросхемы и полупроводниковые гетероструктуры (2000). Реализация идеи интегральных микросхем в ДНК-чипах. Гигантское магнитосопротивление (2007). Использование этого эффекта в системах записи и считывания информации. (2)
|
3
|
Тема 3. Мягкое вещество, жидкие кристаллы и полимеры (1991) – идеи де Жена в биологии.
|
Сверхпроводимость и сверхтекучесть (2003). Коллективные возбуждения Квантование коллективных возбуждений, концепция квазичастиц. Квантование электромагнитных волн. Фотон. Квантование звука. Фонон. Квантование спиновых волн. Магнон. Волны спиновой плотности. Плазмон, экситон, полярон, поляритон, эктон, конформон, боголоны в сверхпроводниках (куперовские пары). Ротоны Фейнмана и вихри Абрикосова. (2)
|
4
|
Тема 4. Проблемы физики углерода: графен (2010)..
|
Проблемы химии углерода: фуллерен (1996). Современные исследования фуллеренов, применения в медицине. Биоконъюгаты фуллеренов и наночастиц. Конструкции аналитических микрочипов. Методы детектирования в микрочипах. Твердофазная, жидкостная и микрофлюидная экстракция. (2)
|
5
|
Тема 5. Зеленый флуоресцентный белок (2008), GFP в датчиках, биосенсорах и чипах.
|
Сигналы в физике, химии и биологии. Собственные сигналы белков, управляющие их транспортом и локализацией в клетке (1999). Ключевые регуляторы клеточного цикла (2001). Рецепторы запаха и организация обонятельной системы (2004). (2)
|
6
|
Тема 6. ЯМР-спектроскопия биомолекул в растворе (2002) и ЯМР томография (2003).
|
Специфика клеточной иммунной защиты (1996); 11 Нобелевских премий за иммунитет в течение 110 лет! От Мечникова и Эрлиха до Нобелевской премии 2011: патогенраспознающие рецепторы, врожденный иммунитет от бактерий до человека, роль горизонтального и вертикального переноса генов, иммунитет слизистых, взаимодействие биологических симбиозов. (2)
|
7
|
Тема 7. Физика надмолекулярной самоорганизации – роль измерения и фундаментальных физических постоянных в химии и биологии.
|
Модели надмолекулярной самоорганизации в биологических системах. Физические, химические и биологические сценарии происхождения жизни. Теория В. И. Вернадского, его представления о биосфере и эволюции, человек как геологический фактор, ноосфера. Дополнения П.А. Кропоткина о взаимной поддержке в "борьбе за существование". Вклад Н. И. Вавилова в теории гомологических рядов, фенотипических и генотипических признаков (фенов и генов), и в иммунитет растений против инфекционных заболеваний. Технологические платформы биохимической физики. (2)
|
3.4 Методические замечания к проведению семинарских занятий
Семинарские занятия направлены на расширение и углубление понимания теоретических знаний и их практическое применение по курсу «Современные проблемы физики». Особое внимание обращается на развитие у студентов умений и навыков самостоятельного и критического мышления, дискурсивных практик.
Важными задачами семинарского занятия являются:
развитие способности к анализу и синтезу и формирование навыков контекстной обработки информации;
проблематизация и актуализация изучаемого материала, а также умение обобщать на основе законспектированных научных текстов.
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ Основная и дополнительная литература, информационные ресурсы
Основная литература
Bionanotechnology: Global Prospects. Editor: D. E. Reisner, CRC Press, 2009, 345 pp. Режим доступа: http://lib2.sfu-kras.ru/elib/b28/0234104.pdf
Jian-Qin, Liu. Biomolecular Computation for Bionanotechnology, Boston : Artech House ; London, 2007 . - XII с.: ill., hardback. 286 с. (1 экз.)
Тимофеев-Ресовский Н. В. Генетика, эволюция, значение методологии в естествознании. [Электронный ресурс]. Токмас-Пресс, 2009. 240 c. Режим доступа: http://lib2.sfu-kras.ru/elib/b28/0234127.pdf
Блюменфельд Л. А. Решаемые и нерешаемые проблемы биологической физики : [монография] . Изд. 2-е. М. : Едиториал УРСС, 2010. 158 с. (2 экз.)
Современные проблемы физики: учеб.-метод. пособие для самостоят. работы / Сиб. федерал. ун-т. сост. П. И. Белобров. Красноярск : СФУ, 2012. 18 с. (8 экз.)
Дополнительная литература
Биология. В 3 т. Грин Н. , Стаут У. , Тейлор Д., 2010. Мир.
С.Г. Каршенбойм. Новые рекомендованные значения фундаментальных физических постоянных (КОДАТА 2006) // УФН, 178 (10), 1057-1064 (2008); Прогресс в уточнении фундаментальных физических констант: рекомендованные значения КОДАТА-2010 // УФН, 183 (2013), статья принята к публикации.
William M. Haynes (Editor). CRC Handbook of Chemistry and Physics. 94th Edition. CRC Press, 2013. 2672 pp.
Bionanotechnology: Global Prospects. Editor: D. E. Reisner, CRC Press, 2011. 559 pp. Publication Date: July 14, 2011.
Тимофеев-Ресовский Н. В. Генетика, эволюция, значение методологии в естествознании. [Электронный ресурс]. Токмас-Пресс, 2009. 240 c.
Nanochromatography and nanocapillary electrophoresis: pharmaceutical and environmental analyses. Eds.: I. Ali, H. Y. Aboul-Enein, V. K. Gupta. John Wiley & Sons, 2009. 270 pp.
В.Г. Горшков. Физические и биологические основы устойчивости жизни, 2013. Специальное Издание БИК СФУ для спецкурса «Дополнительные главы физики и химии для биологов». Дата публикации July 14, 2013.
Peter J. Mohr, Barry N. Taylor, David B. Newell. CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2010 // Rev. Mod. Phys. 84, 1527–1605 (2012).
Гантмахер В.Ф. Электроны в неупорядоченных средах. М. Физматлит, 2005, 176 p.
Богданкевич О. В. Лекции по экологии.- М.: Физматлит, 2002.- 208 с.
Environmental Nanotechnology. Applications and Impacts of Nanomaterials. Mark R. Wiesner, Jean-Yves Bottero. McGraw-Hill Companies. 2007. 540 pp.
Абрикосов А.А. Основы теории металлов. Наука, 1987, 520 p.
D.R. Lide (ed) Handbook of chemistry and physics, 89th ed. CRC 2009, 2692 p.
Данилов Ю. А. Лекции по нелинейной динамике. Элементарное введение: Учебное пособие. Изд. 2-е, испр. - М.: Ком Книга, 2006. 208 с.
Луи де Бройль. «Революция в физике» (Новая физика и кванты). Атомиздат, Москва, 1965.
Киселев В.Ф., Козлов С.Н., Зотеев А.В. Основы физики поверхности твердого тела. М. Изд-во МГУ, 1999, 284 с.
А.П. Назаретян. Цивилизационные кризисы в контексте универсальной истории. Синергетика - психология - прогнозирование. Пособие для вузов Издание второе, переработанное и дополненное Москва, 2004.
Ю.Л. Климонтович. Введение в физику открытых систем - М.: «Янус-К», 2002. - 284 с.
Эбелинr В., Энreль А., Файстель Р. Физика процессов эволюции. Пер. с нем. Ю. А. Данилова. М. Эдиториал. УРСС, 2001
Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. М. Наука, 2001, 376 стр.
Gilbert, Scott F. and David Epel. Ecological developmental biology; integrating epigenetics, medicine, and evolution. Sinauer Associates, 2009, 480 pages.
Nanomedicine and Nanobiotechnology. Interdisciplinary Reviews. Wiley. 2009. 351 pp.
Nanoscience. Nanobiotechnology and Nanobiology. Patrick Boisseau, Philippe Houdy, Marcel Lahmani. Springer. 2009. 1200 pp.
Nanobioelectronics for Electronics, Biology, and Medicine (Nanostructure Science and Technology). Andreas Offenhausser, Ross Rinaldi. Springer. 2009. 337 pp.
Nanobiotechnology & nanobiosciences. Claudio A Nicolini. Pan Stanford Pub. Hackensack, NJ. 2009. 367 pp.
Bionanodesign. Following Natures Touch (RSC Nanoscience and Nanotechnology). Maxim Ryadnov. Royal Society of Chemistry. 2009. 238 pp.
Bruce Alberts, Dennis Bray, Karen Hopkin, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter. Essential Cell Biology, 3rd Edition, Garland Science (Taylor & Francis Group), 2009, 860 pp.
Nanobiotechnology II. More Concepts and Applications. Chad A. Mirkin, Christof M. Niemeyer. Wiley-VCH. 2007.
Bionanotechnology. Papazoglou E., Parthasarathy A. Morgan & Claypool. 2007. 137 pp.
Environmental Applications of Nanomaterials. Synthesis, Sorbents and Sensors. Glen E. Fryxell-Imperial College Press. 2007. 507 pp.
Plenty of Room for Biology at the Bottom. An Introduction to Bionanotechnology. Ehud Gazit. Imperial College Press. 2007. 183 pp. Есть русский перевод приложения …
BioNanotechnology. Elisabeth S. Papazoglou. Morgan and Claypool Publishers. 2007. 139 pp.
NanoBioTechnology. BioInspired Devices and Materials of the Future. Oded Shoseyov, Oded Shoseyov, Ilan Levy. Humana Press. 2007. 485 pp.
BioNanoFluidic MEMS (MEMS Reference Shelf). Peter J. Hesketh. Springer. 2007. 295 pp.
New Frontiers in Ultrasensitive Bioanalysis. Advanced Analytical Chemistry Applications in Nanobiotechnology, Single Molecule Detection, and Single Cell Analysis. Xu X.N. 2007. 308 pp.
Nanotechnology. Consequences for Human Health and the Environment. Hester R.E., Harrison R. The Royal Society of Chemistry. 2007. 134 pp.
Bionanotechnology. Proteins to Nanodevices. Renugopalakrishnan V.,_Randy V. Lewis. Springer. 2006. 296 pp.
Goodsell D.S. Bionanotechnology: lessons from nature, Wiley, 2004, 347 p.
NanoBiotechnology Protocols (Methods in Molecular Biology). Sandra J Rosenthal, David W. Wright. Humana Press. 2005. 228 pp.
Biotic Regulation of the Environment: Key Issue of Global Change. V. G. Gorshkov, V. V. Gorshkov, A. M. Makarieva. 2000. Springer-Praxis Series in Environmental Sciences, 367 pp. Praxis: Chichester, Springer: Berlin.
Marine Molecular Biotechnology. Biosilica in Evolution, Morphogenesis, and Nanobiotechnology. Werner E. G. Muller, Mikhael A. Grachev. Springer. 2009. 421 pp.
Nanoparticles and Nanodevices in Biological Applications. Zhiming M. Wang, Andreas Waag, Gregory Salamo, Naoki Kishimoto, Stefano Bellucci. Springer. 2009. 197 pp.
Каталог лицензионных программных продуктов, используемых в СФУ / сост. : А. В. Сарафанов, М. М. Торопов. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т; 2008. – Вып. 3.
Нобелевские лекции по физике, химии, физиологии и медицине
Электронные ресурсы
Информационно-коммуникационные технологии в естественнонаучных исследованиях [Электронный ресурс] : электрон. учеб.-метод. комплекс по дисциплине / И. Е. Суковатая, А. Г. Суковатый, В. А. Кратасюк, К. Н. Захарьин. – Электрон. дан. ( 148 Мб). – Красноярск : ИПК СФУ, 2009. – (Информационно-коммуникационные технологии в естественнонаучных исследованиях : УМКД № 1363/991–2008 / рук. творч. коллектива И. Е. Суковатая). – 1 электрон. опт. диск (DVD). – Систем. требования : Intel Pentium (или аналогичный процессор других производителей) 1 ГГц ; 512 Мб оперативной памя-ти ; 208 Мб свободного дискового пространства ; привод DVD ; операционная система Microsoft Windows XP SP 2 / Vista (32 бит) ; Adobe Reader 7.0 (или аналогичный продукт для чтения файлов формата pdf) ; Microsoft PowerPoint 2003 или выше. – (Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» 0320902487).
Фотобиофизика. Версия 1.0 [Электронный ресурс] : электрон. учеб.-метод. комплекс по дисциплине / И. Е. Суковатая, В. А. Кратасюк, В. В. Межевикин и др. – Электрон. дан. (177 Мб). – Красноярск : ИПК СФУ, 2008. – (Фотобиофизика : УМКД № 141-2007 / рук. творч. коллектива
В. А. Кратасюк). – 1 электрон. опт. диск (DVD). – Систем. требования : Intel Pentium (или аналогичный процессор других производителей) 1 ГГц ; 512 Мб оперативной памяти ; 96 Мб свободного дискового пространства ; привод DVD ; операционная система Microsoft Windows 2000 SP 4 / XP SP 2 / Vista (32 бита) ; Adobe Reader 7.0 (или аналогичный продукт для чтения файлов формата pdf) ; Microsoft PowerPoint 2003 или выше. – (Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» 0320802751 от 22.12.2008).
Информационные ресурсы
http://physics.nist.gov/cuu/Constants/index.html
http://nobelprize.org/nobel_prizes/
http://www.bioticregulation.ru/pubs/pubs5_r.php
AmericanChemicalSociety (ACS) - Американское химическое общество http://pubs.acs.org/ -
Blackwell http://onlinelibrary.wiley.com/
Cambridge University Press http://www.journals.cambridge.org/archives/
EBSCO Publishing http://search.ebscohost.com/
Elsevier (журналы открытого доступа) http://www.sciencedirect.com/
Institute of Physics http://iopscience.iop.org/journals?type=archive
Web of Science http://apps.webofknowledge.com/UA_GeneralSearch_input.do?product=UA&search_mode=GeneralSearch&SID=W2aheM4EFbHgbODcMFB&preferencesSaved=
JSTOR http://www.jstor.org/action/showJournals?browseType=collectionInfoPage&selectCollection=as&
Nature Publishing Group http://www.nature.com/
Oxford University Press (Oxford Journals) http://www.oxfordjournals.org/
-
-
-
-
-
-
-
Архив научных публикаций arXiv.org http://arxiv.org/
Информационно-аналитическая система "Статистика"
http://www.ias-stat.ru/module/Free/News.aspx
Ист Вью (eastview) http://www.ebiblioteka.ru/search/simple
Научная электроннаябиблиотека: Российские академические журналы
(elibrary.RU) http://elibrary.ru/defaultx.asp
Университетская информационная система Россия (УИС РОССИЯ)
Http://uisrussia.msu.ru/is4/main.jsp
Электронная библиотека издательского дома "Гребенников" http://grebennikon.ru/
POLPRED.COM http://polpred.com/?Ns=1
Proquest Dissertations and Theses https://www.proquest.com/trials/trialsummary.action?View=subject&trialbean.token=OGI11NSEO4L0UZ20K3ZO
Электронная библиотека диссертаций (ЭБД) РГБ http://diss.rsl.ru/ |
