УДК 50/796
ББК 20/75.0я73
Е86
Рецензенты:
Ю.Ф. Курамшин, доктор педагогических наук, профессор, зав. кафедрой
теории и методики физической культуры Национального государственного
университета физической культуры, спорта и здоровья им. П.Ф. Лесгафта,
заслуженный работник высшей школы РФ;
С.С. Михайлов, доктор медицинских наук, профессор, зав. кафедрой биохимии
Национального государственного университета физической культуры,
спорта и здоровья им. П.Ф. Лесгафта, заслуженный деятель науки РФ;
В.А. Морозов, доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой
физической механики СПбГУ (раздел I – «Математика»);
В.Ю. Карасёв, доктор физико-математических наук, профессор кафедры
общей физики СПбГУ (раздел II – «Физика»);
Е.Д. Суглобова, доктор биологических наук, старший научный сотрудник,
заведующая лабораторией почечной недостаточности НИИ нефрологии
ГБОУ ВПО СПбГМУ им. И.П. Павлова (раздел III – «Химия»);
Л.А. Мамон, доктор биологических наук, старший научный сотрудник, профессор
кафедры генетики и селекции СПбГУ (раздел IV – «Биология
с основами экологии»).
Естественно-научные основы физической культуры
Е86
и спорта : учебник / под ред. А. В. Самсоновой, Р. Б. Цаллаговой.
– М. : Советский спорт, 2014. – 456 с. : ил.
ISBN 978-5-9718-0697-4
Учебник написан в соответствии с Федеральным государственным образовательным
стандартом по направлению подготовки 034300 (62) – «Физическая
культура» (квалификация «бакалавр»). Учебник составляют четыре раздела
дисциплины «Естественно-научные основы физической культуры и спорта»:
математика, физика, химия, биология с основами экологии.
Предназначен для студентов дневной и заочной форм обучения высших
и средних учебных заведений физической культуры.
УДК 50/796
ББК 20/75.0я73
ISBN 978-5-9718-0697-4
2
Коллектив авторов, 2014
Оформление. ОАО «Издательство
“Советский спорт”», 2014
Стр.2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение .................................................................................................. 3
РАЗДЕЛ I. МАТЕМАТИКА
Список условных обозначений ........................................................... 6
Глава 1. Введение в математику ......................................................... 8
1.1. Числовые множества ................................................................... 8
1.2. Абсолютная и относительная погрешности ................................. 9
1.3. Системы координат на прямой и плоскости ................................. 9
1.4. Уравнение прямой на плоскости .................................................. 10
1.5. Кривые на плоскости ................................................................... 11
Контрольные вопросы ............................................................................ 12
Глава 2. Линейная алгебра .................................................................. 13
2.1. Векторная алгебра ....................................................................... 13
2.2. Линейные алгебраические системы. Метод Крамера .................... 16
Контрольные вопросы ............................................................................ 18
Глава 3. Введение в математический анализ ................................... 19
3.1. Определение функции ................................................................. 19
3.2. Свойства функций ....................................................................... 20
3.3. Вектор-функция .......................................................................... 20
3.4. Элементарные функции ............................................................... 20
3.5. Некоторые неэлементарные функции .......................................... 23
3.6. Предел и непрерывность функции ............................................... 24
Контрольные вопросы ............................................................................ 25
Глава 4. Дифференциальное исчисление .......................................... 26
4.1. Определение производной. Ее геометрический смысл ................. 26
4.2. Таблица производных и правила дифференцирования ................. 28
4.3. Частные производные ................................................................. 29
4.4. Производная вектор-функции ...................................................... 30
4.5. Исследование функций с помощью производных ........................ 30
Контрольные вопросы ............................................................................ 33
Глава 5. Интегральное исчисление .................................................... 34
5.1. Определение первообразной и неопределенного интеграла .......... 34
5.2. Определение определенного интеграла и его свойства ................. 35
448
Стр.448
5.3. Приложения определенного интеграла ........................................ 37
5.4. Интегрирование вектор-функции одного аргумента...................... 38
5.5. Криволинейные интегралы .......................................................... 38
5.6. Определение двойного и тройного интегралов ............................. 41
Контрольные вопросы ............................................................................ 44
Глава 6. Обыкновенные дифференциальные уравнения .............. 45
6.1. Основные определения ................................................................ 45
6.2. Общее и частное решения дифференциального уравнения.
Задача Коши ....................................................................................... 46
6.3. Интегрирование линейных дифференциальных уравнений
2-го порядка с постоянными коэффициентами ............................. 46
Контрольные вопросы ............................................................................ 49
Глоссарий ................................................................................................ 49
Рекомендуемая литература .................................................................. 50
РАЗДЕЛ II. ФИЗИКА
Глава 1. Предмет и метод физики. Измерения.
Физические величины .......................................................... 52
1.1. Физика – основа естествознания .................................................. 52
1.2. Понятие о научном методе .......................................................... 54
1.3. Понятие физической величины .................................................... 57
Контрольные вопросы ............................................................................ 59
Глава 2. Основные положения классической механики ................ 60
2.1. Что изучает механика .................................................................. 60
2.2. Анализ основных положений классической механики ................. 61
2.3. Используемые в механике модели тел ......................................... 64
2.4. Виды механического движения ................................................... 66
Контрольные вопросы ............................................................................ 67
Глава 3. Кинематика поступательного движения ........................... 68
3.1. Скорость и ускорение материальной точки .................................. 68
3.2. Ускорение при движении по криволинейной траектории ............. 71
3.3. Прямая и обратная задачи кинематики ........................................ 72
Контрольные вопросы ............................................................................ 73
Глава 4. Физические поля .................................................................... 74
4.1. Понятие физического поля .......................................................... 74
4.2. Напряженность поля ................................................................... 75
4.3. Принцип суперпозиции ............................................................... 76
449
Стр.449
4.4. Сила ............................................................................................ 77
4.5. Вычисление сил между телами конечных размеров ..................... 78
4.6. Выражения для моделей тел ........................................................ 78
4.7. Эмпирические выражения для сил ............................................... 79
4.7.1. Сила тяжести ....................................................................... 79
4.7.2. Контактные силы ................................................................. 80
4.7.3. Сила упругости .................................................................... 81
4.7.4. Сила вязкого трения ............................................................. 82
Контрольные вопросы ............................................................................ 83
Глава 5. Динамика поступательного движения .............................. 84
5.1. Первый закон Ньютона ............................................................... 84
5.2. Второй закон Ньютона ................................................................ 85
5.3. Третий закон Ньютона ................................................................ 87
5.4. Закон сохранения импульса ......................................................... 88
5.5. Центр масс .................................................................................. 89
5.6. Работа силы ................................................................................ 90
5.6.1. Работа постоянной силы ....................................................... 90
5.6.2. Работа переменной силы ....................................................... 90
5.7. Энергия ....................................................................................... 91
5.7.1. Кинетическая энергия ........................................................... 91
5.7.2. Консервативные силы ........................................................... 92
5.7.3. Потенциальная энергия ........................................................ 93
5.7.4. Вычисление сил ................................................................... 93
5.7.5. Закон сохранения механической энергии ................................ 94
5.7.6. Закон сохранения полной энергии ......................................... 94
Контрольные вопросы ............................................................................ 95
Глава 6. Кинематика и динамика вращательного движения ....... 97
6.1. Кинематика вращательного движения ......................................... 97
6.2. Связь с характеристиками поступательного движения ................. 100
6.3. Динамика вращательного движения ............................................ 100
6.3.1. Момент силы ....................................................................... 101
6.3.2. Основной закон динамики вращательного движения ............... 102
6.3.3. Момент импульса ................................................................ 104
6.4. Работа и энергия при вращательном движении ............................ 106
6.5. Трение качения ........................................................................... 106
Контрольные вопросы ............................................................................ 107
Глава 7. Статика .................................................................................... 109
7.1. Условия равновесия тел .............................................................. 109
7.2. Деформация тел .......................................................................... 111
Контрольные вопросы ............................................................................ 112
450
Стр.450
Глава 8. Колебания ................................................................................ 114
8.1. Гармонические колебания ........................................................... 114
8.1.1. Уравнение гармонических колебаний ..................................... 116
8.1.2. Энергия гармонического осциллятора .................................... 118
8.1.3. Фазовые траектории ............................................................. 119
8.2. Затухающие колебания ................................................................ 120
8.3. Вынужденные колебания ............................................................ 122
8.3.1. Энергетические соотношения ................................................ 125
Контрольные вопросы ............................................................................ 126
Глава 9. Кинетический и термодинамический подход
к описанию сред ..................................................................... 127
9.1. Основы термодинамики .............................................................. 127
9.1.1. Гипотеза сплошной среды ..................................................... 128
9.1.2. Термодинамическая система ................................................. 128
9.1.3. Термодинамические переменные и функции ........................... 129
9.1.4. Термодинамическое равновесие ............................................ 129
9.2. Законы термодинамики ............................................................... 129
9.2.1. Нулевое начало термодинамики ............................................ 130
9.2.2. Термодинамическая работа, связанная с изменением объема .... 130
9.2.3. Первое начало термодинамики .............................................. 130
9.2.4. Второе начало термодинамики .............................................. 132
9.2.5. Третье начало термодинамики ............................................... 132
9.2.6. Уравнение состояния ............................................................ 133
9.3. Неравновесные системы .............................................................. 133
9.4. Термодинамика идеального газа .................................................. 133
9.5. Кинетическая теория ................................................................... 135
9.5.1. Модель идеального газа ....................................................... 135
9.5.2. Закон идеального газа .......................................................... 136
9.6. Распределение молекул по скоростям в газе ................................ 138
9.7. Закон равнораспределения энергии ............................................. 140
Контрольные вопросы ............................................................................ 142
Глава 10. Электричество ...................................................................... 143
10.1. Начала электростатики ............................................................... 143
10.2. Поток напряженности поля ........................................................ 145
10.2.1. Теорема Гаусса ................................................................. 146
10.2.2. Электрическая индукция .................................................... 147
10.3. Электрический потенциал .......................................................... 148
10.4. Конденсатор .............................................................................. 148
10.4.1. Накопление энергии .......................................................... 149
10.4.2. Диэлектрики .................................................................... 149
451
Стр.451
10.5. Законы электрического тока ....................................................... 150
10.5.1. Закон Ома ........................................................................ 150
10.5.2. Правила Кирхгофа ............................................................ 151
Контрольные вопросы ............................................................................ 152
Глоссарий ................................................................................................ 153
Рекомендуемая литература .................................................................. 163
РАЗДЕЛ III. ХИМИЯ
Глава 1. Базовые представления о строении вещества .................. 166
1.1. Строение атома ........................................................................... 166
1.2. Периодический закон Д.И. Менделеева.
Периодическая система химических элементов ........................... 176
1.3. Химические связи в молекуле ..................................................... 181
Контрольные вопросы ............................................................................ 188
Глава 2. Дисперсные системы ............................................................. 189
2.1. Истинные растворы. Вода, ее особые свойства ............................ 189
2.2. Растворение. Характеристика растворов ...................................... 190
2.3. Буферные растворы. Буферное действие ...................................... 198
2.4. Коллоидные системы .................................................................. 201
Контрольные вопросы ............................................................................ 207
Глава 3. Основные положения химической кинетики.
Катализ .................................................................................... 208
3.1. Основные понятия и определения ................................................ 208
3.2. Скорость химической реакции ..................................................... 209
3.3. Факторы, влияющие на скорость химической реакции ................. 210
3.4. Элементы формальной кинетики: кинетический порядок
и молекулярность реакции ........................................................... 213
3.5. Химическое равновесие ............................................................... 215
3.6. Принцип Ле-Шателье .................................................................. 216
3.7. Катализ ....................................................................................... 217
Контрольные вопросы ............................................................................ 224
Глава 4. Основы органической химии .............................................. 225
4.1. Органическая химия – область химической науки,
изучающая соединения углерода ................................................. 225
4.2. Теория строения органических соединений А.М. Бутлерова ........ 227
4.3. Ациклические насыщенные углеводороды .................................. 229
452
Стр.452
4.4. Номенклатура органических соединений (базовые понятия) ........ 235
4.5. Полимеризация. Высокомолекулярные соединения ..................... 237
4.6. Алкены ....................................................................................... 240
4.7. Алкины ....................................................................................... 244
4.8. Кислородсодержащие соединения.
Общие сведения о кислородсодержащих соединениях ................. 246
4.9. Амины ........................................................................................ 258
4.10. Гетерофункциональные соединения ............................................ 261
4.11. Ароматические соединения. Бензол и его производные ............... 262
4.12. Гетероциклические соединения ................................................... 268
Контрольные вопросы ............................................................................ 269
Глоссарий ................................................................................................ 270
Рекомендуемая литература .................................................................. 277
РАЗДЕЛ IV. БИОЛОГИЯ С ОСНОВАМИ ЭКОЛОГИИ
Список условных обозначений ........................................................... 279
Подраздел I. БИОЛОГИЯ
Глава 1. Введение в дисциплину.
Эволюция – история жизни ................................................. 280
1.1. Биология как наука ..................................................................... 280
1.2. Определение жизни и основные свойства живой материи ............ 281
1.3. Уровни организации живой материи ........................................... 285
1.4. Теории происхождения жизни ..................................................... 287
1.5. Элементарные факторы, пути и результаты эволюции ................. 291
1.6. Геохронологическая шкала. Происхождение человека ................. 296
Контрольные вопросы ............................................................................ 298
Глава 2. Клетка – структурная и функциональная единица
живого ...................................................................................... 299
2.1. Основы цитологии. Клеточная теория ......................................... 299
2.2. Классификация форм жизни на основе их клеточного строения ... 300
2.3. Строение эукариотической клетки ............................................... 303
2.4. Клеточный метаболизм ............................................................... 312
2.5. Клеточный цикл. Способы деления клеток.
Половое и бесполое размножение ................................................ 316
Контрольные вопросы ............................................................................ 321
Глава 3. Генетика: основные понятия и законы ............................. 322
3.1. Генетика как наука ...................................................................... 322
3.2. Основные понятия и законы генетики ......................................... 324
453
Стр.453
3.3. Материальные основы наследственности .................................... 326
3.4. Генетический код ........................................................................ 335
3.5. Применение генетических знаний ............................................... 338
Контрольные вопросы ............................................................................ 340
Глава 4. Организм как единое целое .................................................. 341
4.1. Онтогенез ................................................................................... 341
4.2. Гистогенез и органогенез ............................................................ 343
4.3. Механизмы поддержания гомеостаза в организме ....................... 347
4.4. Адаптационные возможности организма ..................................... 349
Контрольные вопросы ............................................................................ 351
Подраздел II. ЭКОЛОГИЯ
Глава 1. Введение в экологию.
Основные понятия экологии ............................................... 352
1.1. Экология как наука ..................................................................... 352
1.2. Биосфера и ее границы ................................................................ 354
1.3. Биогеохимические циклы ............................................................ 356
1.4. Экология спорта .......................................................................... 360
Контрольные вопросы ............................................................................ 363
Глава 2. Экология экосистем ............................................................... 364
2.1. Структура экосистемы ................................................................ 364
2.2. Экологические пирамиды ............................................................ 367
2.3. Продуктивность экосистем .......................................................... 369
2.4. Закономерности трофического оборота ....................................... 370
2.5. Экологические факторы .............................................................. 371
2.6. Закономерности действия экологических факторов ..................... 377
Контрольные вопросы ............................................................................ 384
Глава 3. Популяционная экология. Понятие о сообществах ......... 385
3.1. Экология популяций ................................................................... 385
3.2. Понятие о сообществах ............................................................... 390
3.3. Экологические сукцессии ............................................................ 393
Контрольные вопросы ............................................................................ 397
глава 4. Глобальные экологические проблемы, рациональное
природопользование и охрана природы ........................... 398
4.1. Глобальные экологические проблемы.
Антропогенный стресс ................................................................ 398
4.2. Классификация антропогенных воздействий на биосферу ............ 399
454
Стр.454
4.3. Охрана природы и рациональное природопользование ................ 413
4.4. Система управления и контроля в области охраны окружающей
среды .......................................................................................... 418
4.5. Международное сотрудничество в области экологии ................... 423
4.6. Правовые и экономические вопросы экологической
безопасности ............................................................................... 427
Контрольные вопросы ............................................................................ 430
Глоссарий ................................................................................................ 431
Рекомендуемая литература .................................................................. 446
455
Стр.455