Связь физики с другими науками - подробное объяснение с примерами

Содержание:

Связь физики с другими науками:

Физика – это интересная и увлекательная наука. Она дает возможность понять окружающий мир, приучает к логическому мышлению и развивает творческие способности. 

Величайшие открытия в биологии – генная инженерия, клонирование, рас-шифровка строения молекулы ДНК, которая передает код наследственности, –  были бы невозможны без таких физических приборов, как рентгеновские аппараты, ультрацентрифуги, холодильные установки, электронные микроскопы и многих других. 

Интересно, что существование молекулы ДНК задолго до ее открытия пред-сказали австрийский физик Эрвин Шредингер и американский физик украинского происхождения Георгий Гамов.  

Лазерные прицелы и аппараты ночного видения служат военным, а лазерные ножи – врачам. Лазерные шоу украшают праздники.

Особенно важной для жизни общества является роль физики в создании новых источников энергии: от батареек и электрогенераторов до атомных и термоядерных станций.

Бурное развитие физики в ХХ в. обусловило появление новых научных дисциплин: химическая физика и физическая химия, биофизика, биоэнергетика, бионика и инженерная генетика, астрофизика, космология и космическая физика, медицинская физика... 

ХХ век оказался веком неожиданных и увлекательных открытий в физике. Все они получили практическое использование и существенно изменили жизнь человеческого общества.

Физика – основа техники и технологии

Компьютерами сегодня пользуется каждый: от школьника и бухгалтера до инженера и ученого. Появление современных компьютеров стало возможным благодаря исследованиям физиков в отрасли полупроводниковых материалов и нанотехнологий. То, что физика уже давно проникла в производство, технику, медицину, быт и индустрию развлечений, еще раз подтверждает: знание физики пригодится каждому человеку.

Создание ядерной физики

Одна из проблем человечества – получение достаточного количества энергии. После открытия законов ядерной физики человечество получило невиданное могущество, которое дало возможность решения энергетического кризиса (атомные электростанции (рис. 8.1)). Однако при этом также возникла угроза самоуничтожения (атомное и водородное оружие). Открытие анти-вещества обещает дать в сотни раз более мощные источники энергии, чем ядерные. 
Зимой ведром угля можно обогреть квартиру на один вечер. Одно ведро урана (если высвободить всю ядерную энергию, которая в нем со-держится) может обеспечить полумиллионный город светом и теплом на протяжении года! 

Выход в космос

При помощи ракет удалось преодолеть земное притяжение, построить космические станции и даже побывать на Луне (рис. 8.2). Первый искусственный спутник был запущен в 1957 г. в Советском Союзе, а советский космонавт Юрий Гагарин стал первым человеком, который побывал в космосе. Космическим аппаратам удалось сфотографировать с близкого расстояния многие планеты Солнечной системы. На Марс, Венеру, Луну и даже на спутник Сатурна Титан удалось высадить дистанционно управляемые аппараты (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Марсоход Curiosity совершил посадку на Красной планете

Создание космических аппаратов нуждается в новых технологиях. Однако приборы и материалы космической промышленности можно применять, на-пример, для изготовления искусственных суставов в медицине или для производства горных лыж и автомобильных двигателей. Это, как оказалось, при-носит большую прибыль. Поэтому развитые страны вкладывают в научные исследования огромные средства. Так, программа «Аполлон» – высадка чело-века на Луну – обошлась американцам в 25 млрд. долларов. Но прибыль от высоких технологий составила 4 доллара на каждый затраченный. Это в 20 раз эффективнее, чем аналогичные вложения в промышленность. Следовательно, вкладывать деньги в развитие новых технологий, образование и фундаментальные исследования (те, которые лежат в основе всех других) выгодно. 

Радио, телевидение, интернет

Радио и телевидение – чудо, к которому мы уже привыкли и воспринимаем его как должное. Существование радиоволн предсказал еще в ХІХ в. английский физик Джеймс Клерк Максвелл. Прошло 14 лет, прежде чем немец-кий физик Генрих Герц открыл эти волны, и еще 8 лет, пока российский физик Александр Попов изобрел способ их использования – радиоприемник. Отсюда берут свое начало современные радио и телевидение, мобильная телефонная связь, электронная почта и «всемирная паутина» – «www» – Интернет. Интересно, что Интер-нет был создан в Европейском центре ядерных исследований ЦЕРН в 1995 году (рис. 8.4).

Рис. 8.4.  «Отец» Интернета Тим Бернес Ли из Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН)

Создание современных компьютеров

В первой половине ХХ в. физики открыли новый класс материалов, названных полупроводниками. А в 1948 г. на основании этих материалов был создан важнейший элемент всех электронных приборов – транзистор. Именно за открытие транзистора американский физик Джон Бардин был удостоен самой престижной в мире ученых Нобелевской премии.

Однако настоящая революция в изготовлении компьютеров началась в 1970-ые годы, когда ученые и технологи научились выращивать миллионы транзисторов на небольших полупроводниковых пластинках, площадь которых равна площади ногтя. Сегодня персональные компьютеры (рис. 8.5) можно расположить на столе, а некоторые модели даже в кармане. Да и выполнять они могут миллиарды и триллионы операций в секунду. Например, объемы памяти компьютеров уже исчисляются в Мб (мегабайтах) и Тб – терабайтах, а в суперкомпьютерах – в петабайтах (Пб). 

Рис. 8.5. Современный портативный компьютер

Оптические квантовые источники света (ЛАЗЕРЫ)

В 1964 году Нобелевские премии за открытие лазера получили американец Чарльз Таунс и советские физики Николай Басов и Александр Прохоров.

Лазеры проникли буквально во все сферы жизни, включая медицину, сельское хозяйство, бытовую радиоэлектронику и даже индустрию развлечений. При помощи лазерного луча делают сложные операции на глазу человека (рис. 8.6). 

Рис 8.6. Лазерная коррекция зрения

Однако наиболее интересное применение лазеров для демонстрации объемного кино и объемного телевидения еще впереди. Мощные волоконные линии, которые используются в магистралях для передачи информации, в том числе и для работы Интернета, – это также область применения лазеров. 

Это далеко не все достижения физической науки. А сколько их еще впереди!

Итоги:

• Физика – универсальная наука. Физические приборы и теории используются в других науках. 
• Физика – основа техники и технологии. Благодаря новым материалам и источникам энергии происходит прогресс. 
• Физические теории объясняют окружающий мир и расширяют наше мировоззрение.
• Самые крупные открытия в физике ХХ века сделаны в области атомной и ядерной физики. 
• Прогресс в создании физических теорий способствовал возникновению новых отраслей техники и технологии.

Физика как естественная наука

Физические величины

Наименование	Символ	Единицы измерения, СИ	Формула	Приборы
длина	L	м (метр)		линейка
площадь: прямоугольника, параллелограмма квадрата  треугольника круга	S	м2 (метр квадратный)	S = a · b S = a · b = a2 S = π · R2	палетка, линейка
объем  параллелепипеда цилиндра шара	V	м3 (метр кубический)	V = S · h V = a · b · h V = πR2 · h	линейка, мензурка

Основные положения атомно-молекулярного учения

1. Все тела состоят из молекул, атомов.

2. Молекулы, атомы непрерывно и беспорядочно двигаются.

3. Молекулы, атомы взаимодействуют между собой

Влияние физики на общественное развитие и научно-технический прогресс

Все окружающее нас пространство заполнено радиоволнами, которые поступают не только от радио- и телевизионных станций, но и из космоса – от галактик и квазаров, на протяжении миллионов и миллиардов лет, днем и ночью. Однако еще 150 лет назад никто о них ничего не знал, кроме одного человека – Джеймса Клерка Максвелла, который открыл существование электромагнитных волн. 

От открытия – к практическому применению

Радиовещание, каким мы его понимаем в настоящее время, существует уже около 100 лет. Таким образом, инопланетные цивилизации, способные принять радиопередачи земных радиостанций, должны находиться от нас на рас-стоянии не больше, чем 100 световых лет. Те, которые проживают дальше, даже не подозревают о нашем существовании! Это не так уж и далеко, именно на таком расстоянии мощные телескопы могут установить наличие у звезды планет.

На самом деле радиосвязь осуществляется довольно сложным способом через систему ре-трансляторов, телевизионных спутников и волоконнооптических линий.

Вполне возможно, что в природе существу-ют способы телекоммуникации намного лучшие и более надежные, чем радиоволны, но мы ничего о них не знаем.

Всего 50 лет назад телевизор мог принять максимум 12 телевизионных каналов, а реально их было не более шести, и качество изображения было не из лучших. Сами телевизионные приемники  были громоздкими, а размеры экранов – маленькими.

Этому радиоприемнику всего 60 лет	Этому телевизору –  50 лет

Сравните с сегодняшними возможностями – тысячи каналов, изображения высокой четкости, 3d-изображения, возможность принять сигнал даже на карманный прибор через Интернет.

Ускорение технического прогресса

Чтобы теоретические знания воплотились в создание паровой машины, понадобилось около 100 лет. Путь радио – от идеи к широкому потреблению –  также занял около 100 лет, фотографии – 110 лет. В последние 20 лет наблюдается небывалое ускорение технического и технологического прогресса. Мобильные телефоны системы / с использованием технологии связи 3G создали около 10 лет назад. Пять лет тому назад появились смартфоны, три года назад –  планшеты.

Возможно, через 20 лет этот экран также вызовет улыбку	Смартфон	Планшеты появились совсем недавно

В области фотографии произошла настоящая революция. Состоялся сначала переход к машинной печати фотографий, а впоследствии – к созданию цифровых фотоаппаратов и цифровых изображений (рис. 37.1). А еще не так давно специалисты спорили, хватит ли имеющихся в мире запасов серебра для изготовления фото-пленок! Основой новых технологий является микроэлектроника и исследования в области полупроводниковых материалов.

Рис. 37.1. Стремительный переход от пленок к «цифре»

Возможности нанотехнологий

Инженеров давно беспокоит идея космического лифта – троса, который свяжет наземную станцию с геостационарным спутником (рис. 37.2) и заменит дорогие ракеты. По этому тросу длиной 36 000 км будет пере-двигаться лифт и перевозить грузы на космическую станцию. До недавнего времени эта идея принадлежала к фантастическим, поскольку стальной трос рвется под собственным весом уже при длине 6 км.

Рис. 37.2. Космический лифт

Появление в 1991 году углеродных нанотрубок (рис. 37.3) прибавило изобретателям оптимизма. Новый материал будет втрое легче и в 120 раз крепче станцию с геостационарным спутником (рис. 37.2) и заменит дорогие ракеты. По этому тросу длиной 36 000 км будет пере-двигаться лифт и перевозить грузы на космическую станцию. До недавнего времени эта идея принадлежала к фантастическим, поскольку стальной трос рвется под собственным весом уже при длине 6 км.

Рис. 37.3. Углеродные нанотрубки намного легче и крепче стали

Появление в 1991 году углеродных нанотрубок (рис. 37.3) прибавило изобретателям оптимизма. Новый материал будет втрое легче и в 120 раз крепче стали. Такой нанотрос диаметром 1 мм сможет выдержать груз 10 т, и это не предел.

Рис. 37.4. Аэрогель имеет плотность воздуха и прочность кирпича Рис. 37.4. Аэрогель имеет плотность воздуха и прочность кирпичаногие лаборатории целенаправленно создают материалы с заранее заданными свойства-ми, и эта область науки приобретает промышленный размах.

Совсем недавно создан еще один удивительный материал – аэрогель (рис. 37.4). Он крепче кирпича, и почти такой же по плотности, как воздух. Он очень плохо проводит тепло, и его можно будет использовать в качестве идеального теплоизолятора.

Рис. 37.4. Аэрогель имеет плотность воздуха и прочность кирпича

Рис. 37.5. Роботы освободили людей от тяжелого и однообразного труда

• Заказать решение задач по физике

Развитие исследований

Историки науки заметили, что большинство открытий были сделаны не по непосредственной практической необходимости, а просто из любопытства.

На самом деле происходит постоянное взаимодействие между развитием науки и ее приложением на практике. Без конструкторского бюро Антонова не было бы у нас таких самолетов, а без большого желания летать – не было бы конструкторов.

Украина обладает значительными достижениями в развитии как практической, так и теоретической механики. У нас строят самые большие в Европе и мире самолеты (рис. 37.7), космические ракеты, оптические и радиотелескопы, тепловые, атомные и гидроэлектростанции.

Сложность созданных машин и механизмов поражает воображение (рис. 37.8). Эти области науки и техники требуют большого количества научных и инженерных кадров, которые способны придумать что-то новое.

Рис. 37.6. Марсоход	Рис. 37.7. Чтобы чего-то достичь – нужно мечтать	Рис. 37.8. Турбореактивный двигатель современного самолета содержит около 6000 высокотехнологичных деталей

Технический и научный прогресс требуют новых идей

Классическая механика, созданная более чем 300 лет тому назад Исааком Ньютоном, с ее абсолютным и незыблемым пространством и временем в 1905 году столкнулась с драматическими испытаниями со стороны новой механики Альберта Эйнштейна, в которой временем можно управлять, замедляя его почти до нуля при больших скоростях. Это открыло принципиальную возможность путешествий в будущее, и дело только в техническом воплощении выводов теории относительности.

Однако у теории Эйнштейна есть фундаментальное ограничение, которое уже 100 лет не дает покоя любителям науки и ученым – скорости света в вакууме не может достичь ни один объект, кроме света. Но это не остановило американского физика украинского происхождения Олексу-Мирона Биланюка, который создал теорию «тахионов» – частиц, которые могут двигаться со скоростью, большей, чем световая.

И хотя пока существование этих частиц не подтверждено экспериментально, не исключено, что именно кто-то из вас это сделает.

Современное состояние физической науки

В ЦЕРНе, на границе между Швейцарией и Францией, неподалеку от г. Женевы находится самый большой и самый дорогой на сегодняшний день физический прибор, построенный для исследования глубинных свойств материи. Эта уникальная машина работает по новейшим технологиям. В кольцевом тоннеле длиной почти  27 км и расположенном на средней глубине 100 м  находятся две трубки (рис. 37.9), внутри которых двигаются навстречу друг другу два пучка про-тонов. Вакуум в трубках в 10 раз глубже, чем в космосе.

Рис. 37.9. Система охлаждения и две трубки, по которым двигаются протоны

Протоны удерживаются на круговой орбите 9500 сверхпроводящими магнитами, обмотки которых охлаждены до температуры –271°C.

По трубам, в которых находятся сверхпроводящие кабели, течет жидкий гелий, находящийся в сверхтекучем состоянии, а ток в кабеле составляет около 12000 А (двигатели троллейбуса или трамвая потребляют 200–300 А).

Протоны в количестве две миллиардных доли грамма ускоряются в течение десяти часов до скорости, составляющей 99,9999991 % скорости света. Кольцо ускорителя протоны проходят 11000 раз в секунду. В результате это мизерное по массе количество частиц приобретает энергию, которую имеет скоростной поезд массой 140 тонн на скорости 150 км/ч (рис. 37.10).

Рис. 37.10. Этот 140-тонный поезд на скорости 150 км/ч. имеет такую же энергию, как две миллиардных доли грамма протонов, разогнанных почти до скорости света

Для установки CMS, построенной для изучения протон-протонных столкновений и поиска бозона Хиггса, харьковский Институт монокристаллов создал 22 тысячи детекторов из радиационно устойчивой пластмассы. Кроме того, Украина поставляет железо для магнитов и уникальные кристаллы.

С помощью коллайдера ученые уже сегодня получают и хранят антивещество (антиводород), учатся лечить рак с помощью протонов и антипротонов, открыли частицу Хиггса (6 июля в 2012 г.), пытаются понять природу темной материи и темной массы.