ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
(ТГПУ)
«УТВЕРЖДАЮ»
Декан физико-математического факультета
__________________А.Н. Макаренко
«__»_______200_г.
ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ДПП.ДС.02 Физические методы мониторинга природных сред
032200 (050203.65) Физика
Томск 2008
1.Цели и задачи дисциплины.
Курс «Физические методы мониторинга природных сред» читается после изложения общих вопросов экологии и системного анализа. Он призван дать основные представления об организации мониторинга, физических основ измерения различных параметров биосферы. Цель данного курса показать широкие возможности физических методов в изучении экосистем.
2.Требования к уровню освоения содержания дисциплины.
Специалист – студент ТГПУ после изучения данного курса:
знает принципы организации мониторинга, а также основные классические и современные методы измерений параметров биосферы;
понимает физические основы, заложенные в различных измерениях;
осознает пределы применимости методов измерения, точность получаемых данных.
3.Объем дисциплины и виды учебной работы.
Вид учебной работы
|
Всего
часов
|
Семестр
|
6
|
Общая трудоемкость дисциплин
|
144
|
144
|
Аудиторные занятия
|
72
|
72
|
Лекции
|
36
|
36
|
Практические занятия
|
36
|
36
|
Лабораторные работы
|
-
|
-
|
Другие виды аудиторных занятий
|
-
|
-
|
Самостоятельная работа
|
72
|
72
|
Курсовой проект (работа)
|
-
|
-
|
Расчетно-графические работы
|
-
|
-
|
Реферат
|
-
|
-
|
Вид итогового контроля
(зачет, экзамен)
|
|
Экзамен
|
4. Содержание дисциплины.
4.1 Раздел дисциплины и вид занятий (Тематический план)
Тема
|
Число часов
|
Форма занятий
|
|
|
Лекции
|
Практ занят.
|
Лаб. раб.
|
Сам. раб.
|
Физические методы мониторинга природных сред
|
72
|
36
|
36
|
|
72
|
1. Введение.
|
|
2
|
-
|
|
-
|
2. Техногенные физические загрязнения и естественный фон
|
|
4
|
6
|
|
6
|
3. Шумы
|
|
4
|
4
|
|
8
|
4. Вибрации
|
|
4
|
4
|
|
8
|
5. Электромагнитные поля
|
|
4
|
4
|
|
8
|
6. Тепловое излучение
|
|
4
|
4
|
|
8
|
7.Энтропия и тепловое излучение Земли
|
|
4
|
4
|
|
8
|
8.Ультрафиолетовое излучение
|
|
2
|
2
|
|
6
|
9. Лазерные излучения
|
|
4
|
4
|
|
8
|
10. Ионизирующие излучения
|
|
2
|
4
|
|
8
|
11.. Заключение
|
|
2
|
-
|
|
-
|
4.1. Содержание курса «Физические методы мониторинга природных сред»
Введение. Понятие мониторинга. Необходимость проведения систематических измерений. Ценность регулярных системных измерений параметров окружающей среды. Дистанционный экологический мониторинг. Масштаб, точность получаемой информации.
Техногенные физические загрязнения и естественный фон. Общее понятие загрязнения окружающей среды. Основные типы загрязнений. Классификация техногенных физических загрязнений. Естественный фон. Магнитосфера Земли. Атмосферное электричество.
Шумы. Общие сведения о звуке. Физическое понятие о звуке. Спектральная чувствительность человеческого уха. Источники звука. Объективные и субъективные акустические характеристики. Скорость звука в средах. Ударная волна. Понятие о шумах. Источники шума естественного и техногенного происхождения. Классификация шумов по физической природе. Биологическое действие шумов. Нормирование шумов. Методы защиты от шумов. Звукопоглощение. Звукоизоляция. Глушители шумов. Приборы и методы измерения шума. Реверберационная камера. Звукомерная камера. Микрофон. Шумомер. Методы измерения шумов.
Вибрации. Промышленные источники вибраций. Биологическое действие вибраций. Нормирование инфразвука. Допустимые уровни вибраций. Методы и средства защиты от инфразвука. Методы и средства защиты от вибраций. Техника измерений вибраций. Акселерометр. Магнитострикционный резонатор. Магнитострикционные преобразователи. Голографический метод анализа вибраций. Акустическая голография. Радиоголография.
Электромагнитные поля. Техногенные источники электромагнитных полей. Спектр ЭМ излучений. Электростатические поля. Биологическое действие ЭМП. Солнечно-земные связи и биосфера. Энергетическое, информационное воздействие. Действие миллиметровых и субмиллиметровых волн, электростатического поля. Защита от воздействия ЭМП. Радиопоглощающие материалы. Приборы и методика измерений.
Тепловое излучение. Закон Стефана-Больцмана. Закон излучения Планка. Источники ИК излучения. Пропускание атмосферы в ИК диапазоне. Радиационный и тепловой баланс Земли. Тепловые загрязнения. Приемники ИК излучения. Тепловые приемники. Радиационные термоэлементы. Радиационные калориметры. Фотоэлектрические приемники. Электронно-оптические преобразователи. Тепловизоры.
Энтропия и тепловое излучение Земли. Второе начало термодинамики. Закон возрастания энтропии. Вероятностное содержание энтропии. Диссипативные структуры. Свойства энтропии для неравновесных структур. Энтропия, биосфера и охрана окружающей среды. Необходимые и достаточные условия существования систем. Энтропия Земли. Энтропия и критерий технического прогресса.
Ультрафиолетовое излучение. Естественные и техногенные источники УФ излучения. Биологическое действие УФ излучения. Озон и его свойства. Атмосферный озон. Механизмы образования и разрушения озонового слоя. Защитные свойства атмосферы от действия УФ излучения. Высотная зависимость состава атмосферы. Роль озона. Приемники УФ излучения. Фотоэмиссионные приемники излучения. Фотоэлементы. Фотоэлектронные умножители.
Лазерные излучения. Энергетические уровни. Спонтанный и индуцированный переходы. Инверсная заселенность. Принципиальная схема квантового генератора. Свойства лазерного излучения. Квантовые генераторы. Лазерное зондирование атмосферы. Метод оптической локации. Метод комбинационного рассеяния. Метод резонансной флюоресценции. Метод регистрации проходящего излучения.
Ионизирующие излучения. Виды ионизирующих излучений. Альфа-, бета – излучение. Нейтронное излучение, рентгеновское и гамма излучение. Единицы измерения ионизирующих излучений. Биологическое действие продуктов радиоактивности. Нормирование ионизирующих излучений. Предельно допустимая доза. Эквивалентная доза. Методы наблюдения и регистрации ионизирующих излучений. Газоразрядный счетчик Гейгера. Сцинтилляционные счетчики. Камера Вильсона.
Заключение. Основные организационные формы мониторинга. Активные и пассивные методы. Различные способы организации регулярных измерений: аэрокосмический мониторинг, пункты наземного базирования.
Лабораторный практикум и практические занятия.
5 а.Лабораторный практикум учебным планом не предусмотрен.
5 б. Практические занятия.
Физические методы исследования различных систем.
Методы мониторинга окружающей среды.
Осуществление мониторинга аэрометодами.
Осуществление мониторинга посредством космических наблюдений.
Осуществление мониторинга в наземных пунктах. Масштаб, подробность, точность получаемой информации.
Электромагнитные измерения: ИК-диапазон, ИК-спектроскопия.
Измерение радиационного контраста, (температуры).
Видимый диапазон, прямые наблюдения процессов.
Фурье-спектроскопия.
Рентгеновский и гамма-диапазоны.
Механические волны.
Сейсмические измерения. Продольные и поперечные волны.
Ультразвуковые измерения.
Учебно-методическое обеспечение дисциплины:
Литература
а)Рекомендуемая литература:
Ландау, Л.Д. Теоретическая физика: учебное пособие для вузов: в 10 тт. Т.3. Квантовая механика /Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц; под ред. Л. П. Питаевского.-5-е изд., стереотип.-М.:ФИЗМАТЛИТ.-(Теоретическая физика). Т. 3:Квантовая механика.-2002.-803 с.
Савельев, И.В. Курс общей физики: В 5 кн. Кн. 2. Электричество и магнетизм/И. В. Савельев. – М.: Астрель, 2004. – 336 с.
Савельев, И.В. Курс общей физики: В 5 кн. Кн. 4. Волны. Оптика /И. В. Савельев. – М.: Астрель, 2003. – 256 с.
Сивухин, Д.В. Общий курс физики: учебное пособие для вузов: в 5 т. Т. 5. Атомная и ядерная физика/Д. В. Сивухин. – Изд. 3-е, стереотип. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. – 782 с.
б)Дополнительная литература.
Емельянов, А.Г. Основы природопользования: учебник для вузов/А. Г. Емельянов. – М.: Академия, 2004. – 295 с.
Машкевич, В.В. Защита от ионизирующих излучений: Справочник/ В.В.Машкевич – М.:Энергоатомиздат, 1982. -286 с.
Мухин, К.Н. Экспериментальная ядерная физика./ К.Н.Мухин. - М.: Энергоатомиздат, 1993. – 156 с.
Моисеев, Н.Н. Экология человечества глазами математика (человек, природа и будущее цивилизации)/ Н.Н. Моисеев.– М.: Наука, 1988.- 204 с.
Трофимова, Т.И. Физика в таблицах и формулах/ Т.И.Трофимова.- М:Дрофа, 2002 - 431 с.
Урсул, А.Д. Путь в ноосферу/ А.Д. Урсул. – М.: Луч, 1993. – 185 с.
6. 1. Средства обеспечения дисциплины:
При изложении различных разделов дисциплины рекомендуется использовать компьютерные демонстрации.
Материально-техническое обеспечение дисциплины:
В соответствии с образовательной программой
Методические рекомендации по организации изучения дисциплины
8.1.Методические рекомендации преподавателю
В основе методов мониторинга лежат фундаментальные физические принципы. Поэтому курс лекций и практические занятия опираются на базовые знания студентов, полученные в курсах общей физики, квантовой механики и статистической физики. Мы рассматриваем материал курса, как углубление физического знания в тех областях, которые являются основополагающими с позиций физической экологии.
Практические занятия основываются на постановке и решении физических задач, максимально приближенных к проблемам, возникающим при конкретном практическом анализе степени техногенных загрязнений окружающей среды. Используются учебно-методические пособия и методические рекомендации, опубликованные сотрудниками кафедры общей физики.
8.2.Методические указания для студентов
Контрольные вопросы
1. Понятие техногенного загрязнения.
2.Основные источники, создающие естественный электромагнитный фон в биосфере.
3. Перечислите техногенные источники загрязнений окружающей среды.
4. В чем различие физического и биологического понятий звука?
5. Назвать объективные акустические характеристики.
6. Дайте понятие звукового поля.
7. Назовите естественные источники инфразвука.
8. Типы и виды техногенных шумов.
9. Как найти временную зависимость одиночного звукового сигнала, если известна его спектральная плотность?
10. Что такое число Маха?
11. Назовите процессы, которые приводят к возникновению ударной волны.
12. Что такое акустическая обработка помещения?
13. Какие приборы применяются для измерения шумов?
14. В чем состоит принцип действия электромеханического акселерометра?
15. Какие способы сканирования звукового поля вы знаете?
16. Какие факторы определяют объемное и поверхностное поглощение электромагнитной энергии при облучении живых организмов?
17. Как оценивается степень воздействия нескольких источников ЭМП различных- диапазонов длин волн.
18. Чем определяется глубина проникновения ЭМП в среду?
19. Чем определяется удельная мощность потерь облучаемой диэлектрической среды?
20. Объясните понятие квантования заряда.
21. Физическая сущность закона излучения Планка.
22. Каким длинам волн соответствуют максимумы излучения Земли и человеческого тела?
23. Какую роль играют пары воды в атмосфере в теплообмене Земли?
24. Какова роль тепловых загрязнений в биосфере?
25. Перечислите разновидности тепловых приемников.
26. Принцип действия радиационных калориметров.
27. В чем состоит вероятностное содержание энтропии?
28. В чем состоят основные свойства энтропии для неравновесных структур?
30. Сформулируйте необходимые и достаточные условия устойчивости биосистемы на основе понятия энтропии.
31. В чем проявляется фотохимическое действие ультрафиолетового излучения?
32. Каковы свойства озона?
33. Назовите возможные механизмы разрушения озона в атмосфере.
34. Какова роль озона в тепловом режиме атмосферы?
35. С помощью каких устройств осуществляют визуализацию УФ излучений?
36. Представьте блок-схему квантового генератора.
37. Какие области применения лазера вы знаете?
38. В чем состоит преимущество лазерных методов зондирования атмосферы?
39. В чем особенность биологического действия лазерного излучения?
40. Что такое изотоп, нуклид, радиоактивность, радионуклид?
41. Что такое ионизирующее излучение?
42. Назовите виды ионизирующих излучений.
43. Излучаемые частицы и излучения, их ионизирующая и проникающая способность.
44. Дозы излучения и их единицы измерения.
45. Что такое коэффициент качества ионизирующих излучений?
46. Каково биологическое действие ионизирующих излучений.
47. Доза космического излучения в фоновом облучении человека.
48. Доза излучения от природных источников в фоновом облучении человека.
49. Доза в фоновом облучении человека от искусственных источников в окружающей среде:
Задания для самостоятельной работы
Методы исследования в экологии.
Роль физики в экологических исследованиях.
Атмосферное электричество
Магнитосфера Земли.
Звуковые колебания и волны. Распространение звуковых волн.
Средства и методы звукопоглощения
Звукоизоляция.
Глушители шума.
Акселерометр.
Акустическая голография.
Красное смещение частоты излучения.
Тепловизоры.
Диссипативные структуры.
Эволюционно-синергетическая концепция развития природы
Примерный перечень вопросов к экзамену
Техногенные физические загрязнения. Классификация.
Физическое понятие о звуке. Источники звука. Объективное и субъективное восприятие звука.
Источники шумов естественного и техногенного происхождения. Классификация шумов по физическим характеристикам.
Биологическое действие шумов. Расчет шумовых характеристик источников.
Методы защиты от шумов.
Приборы и методы измерения шума.
Промышленные источники вибраций. Биологическое действие вибраций.
Методы и средства защиты от вибраций.
Техника измерений вибраций.
Техногенные источники электромагнитных полей.
Электростатические поля
Биологическое действие электромагнитных полей.
Защита от воздействия электромагнитных полей
Приборы и методика измерений электромагнитных полей.
Инфракрасное излучение. Источники ИК излучения.
Радиационный и тепловой баланс Земли. Пропускание атмосферы в ИК диапазоне.
Тепловые загрязнения.
Приемники теплового излучения. Классификация и типы измерительных приборов.
Энтропия, Свойства энтропии для неравновесных структур. «Пирамида» энтропии.
Энтропия, биосфера и охрана окружающей среды.
Энтропия и критерий технического прогресса.
Естественные и техногенные источники ультрафиолетового излучения. Биологическое действие УФ излучения.
Озон и его свойства. Механизмы образования и разрушения слоя озона в атмосфере.
Защитные свойства атмосферы от действия УФ излучения.
Приемники УФ излучения. Типы и классификация.
Принцип действия лазера. Классификация и сравнительные характеристики лазеров.
Свойства лазерного излучения.
Лазер на молекулах аммиака.
Рубиновый лазер.
Гелий-неоновый лазер.
Молекулярный СО2 лазер
Лазерное зондирование атмосферы.
Биологическое действие лазерного излучения.
Виды ионизирующих излучений
Единицы измерения ионизирующих излучений.
Биологическое действие продуктов радиоактивности.
Средства индивидуальной защиты от ионизирующих излучений.
Хранение, перевозка и ликвидация отходов радиоактивных продуктов.
Методы наблюдения и регистрации ионизирующих излучений.
Изучение данного курса проводится в течение 6-ого семестра. Изучение курса включает в себя чтение лекций, проведение практических занятий.
Программа составлена в соответствии с заключением Учебно-методического объединения по специальностям педагогического образования по реализации специализации: 032204 – «Физическая экология» по специальности 050203.65 (032200) – «физика».
Программу составили:
д. ф.-м. наук, профессор каф. общей физики ______________ В.Г. Тютерев
(подпись)
Программа утверждена на заседании кафедры общей физики ТГПУ, протокол № _________
от «_____» ______________ 2008г.
Заведующий кафедрой, профессор __________________ В.Г. Тютерев
Программа дисциплины одобрена методической комиссией физико-математического факультета ТГПУ, (УМС университета)
Председатель методической комиссии
физико-математического факультета ______________ В.И. Шишковский
(подпись)
Согласовано:
Декан физико — математического факультета ______________А.Н. Макаренко
|
