Физика и научно-технический прогресс - основные понятия, история и примеры

Содержание:

Вы изучаете физику в школе и уже ознакомились с основными разделами этой науки — механикой, оптикой, электричеством и др. Вы узнали о том, что в физике называют законами; выяснили, как исследуют физические явления, каким образом достижения ученых-физиков воплощаются в приборах, машинах, оборудовании, значительно повышая качество жизни человека. Теперь рассмотрим вопрос эволюции физической картины мира и взаимосвязи физики и общественного развития.

На протяжении тысячелетий человека интересовали вопросы: что представляет собой окружающая Вселенная? как она «устроена»? по каким законами развивается?

Древние философы считали Землю центром Вселенной и полагали, что Земля плоская и окружена гигантской хрустальной сферой (рис. 40.1).

Рис. 40.1. Древние представления о строении мира (гравюра)

В Средние века благодаря учениям Галилея Галилея и Николая Коперника была сформирована гелиоцентрическая картина мира — учение, согласно которому Солнце находится в центре Вселенной, а все тела, в том числе планеты, и в частности Земля, вращаются вокруг Солнца.

За последние 100 лет знания человечества о Вселенной значительно углубились. Общая теория относительности Альберта Эйнштейна объяснила существование многих загадочных объектов Вселенной, например черных дыр. Благодаря радиотелескопам, работающим во многих диапазонах электромагнитных волн, расширились возможности получения информации о космическом пространстве.

Космические аппараты пролетели вблизи всех планет Солнечной системы, сфотографировали их поверхности, побывали на Марсе, Венере, Луне, других небесных телах. С 1990 г. на орбите Земли работает телескоп «Хаббл», благодаря которому удалось «увидеть» объекты в далеких галактиках (рис. 40.2).

Рис. 40.2. С помощью космического телескопа удалось сфотографировать Туманность Орла — скопление звезд, расположенное на расстоянии 7000 световых лет от Земли

Параллельно с изучением объектов мега-и макромира ученые исследовали мир молекул, атомов и их составных частей — микромир.

Первоначальные представления об атомах возникли примерно 2,5 тысячи лет назад. Они были умозрительны и основывались только на логических построениях философов Древней Греции. В XIX в. появились косвенные доказательства атомарного строения материи, которые базировались, в частности, на уникальных (но непрямых) экспериментах (рис. 40.3).

Рис. 40.3. Копия рисунка французского физика Жана Батиста Перрена (1870-1942), на котором воспроизведены результаты наблюдения в микроскоп броуновской частицы — мельчайшей частицы вещества, зависшей в жидкости. Броуновское движение частиц, вызванное хаотичными ударами по ним молекул, подтверждает атомарное строение материи

Только в конце XIX — начале XX в. появились неопровержимые доказательства атомно-ядерной структуры материи (рис. 40.4). С помощью новейших сверхчувствительных микроскопов, созданных в конце прошлого века (тоннельный, автоэлектронный, автоионный, электронный) (рис. 40.5), удалось сфотографировать отдельные атомы.

Рис. 40.4. Следы частиц в камере Вильсона — устройстве для регистрации заряженных частиц

Развитие представлений о природе света

Со времен древнегреческого философа Аристотеля и до наших дней физическая наука стремится создать целостную картину мира. Исследователи всегда пытались найти единую теорию, которая описывала бы и мега-, и макро-, и микромир.

Первое «соединительное звено» появилось на рубеже XVII-XVIII вв. при изучении природы света. Почти одновременно два выдающихся физика создали две абсолютно разных теории света. Речь идет о корпускулярной теории И. Ньютона и волновой теории X. Гюйгенса.

Согласно корпускулярной теории Ньютона свет — это поток частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами, причем движение световых корпускул подчиняется законам механики. Так, отражение света Ньютон объяснял отражением корпускул от поверхности, на которую падает свет, а преломление света — изменением скорости движения корпускул в результате их взаимодействия с частицами среды.

«Трактат о свете» Гюйгенса, опубликованный в 1690 г., вошел в историю науки как первая научная работа по волновой оптике.

Волновую теорию света поддерживали такие выдающиеся ученые, как М. В. Ломоносов (1711-1765) и JI. Эйлер (1707-1783), однако до конца XVIII — начала XIX в. общепризнанной оставалась корпускулярная теория Ньютона. Так было до тех пор, пока не появились работы английского физика Томаса Юнга (1773-1829) и французского физика Огюстена Жана Френеля (1788-1827). Исследуя свет, ученые наблюдали явления, свойственные только волнам: огибание светом препятствий (дифракция), усиление и ослабление света при наложении световых пучков (интерференция). С того времени в науке стала преобладать волновая теория Гюйгенса.

Рис. 40.5. Электронный микроскоп

В 60-х годах XIX в. Дж. Максвелл создал теорию электромагнитного поля, одним из следствий которой было установление возможности существования электромагнитных волн. По расчетам выходило, что скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света. На основе теоретических исследований Максвелл пришел к выводу, что свет — это электромагнитные волны. После опытов Г. Герца никаких сомнений в электромагнитной природе света не осталось.

Электромагнитная теория света позволила объяснить многие оптические явления, но уже к концу XIX в. стало понятно, что этой теории недостаточно для объяснения явлений, возникающих при взаимодействии света с веществом. Так, процессы излучения и поглощения света, явление фотоэффекта и др. смогли объяснить только в первой половине XX в. — с позиций квантовой теории света, согласно которой свет излучается, распространяется и поглощается веществом не непрерывно, а конечными порциями — квантами. Каждый отдельный квант света имеет свойства частицы, а совокупность квантов ведет себя как волна. Такая двойственная природа света (да и любой частицы) получила название корпускулярно-волновой дуализм.

Таким образом, через несколько сотен лет две абсолютно разные теории «объединились». Параллельно появлялись и другие «соединительные звенья». Когда ученые начали изучать физические процессы, происходящие в звездах, оказалось, что «свечение» этих гигантских скоплений связано со структурой и свойствами наименьших из известных к тому времени объектов — атомных ядер. Так что гигантские ускорители, созданные для изучения микроструктуры материи, дали ответ не только на вопрос «Какова структура атомного ядра?», но и на другой: «Почему светит Солнце?».

Ученые уверены: еще больше загадок Вселенной будет разгадано после получения данных о свойствах элементарных частиц. С этой целью был создан мощнейший из ускорителей — большой адронный коллайдер (см. рис. 22.1). Он был запущен в 2008 г. усилиями ученых многих стран.

Роль физики в научно-техническом прогрессе

Научно-технический прогресс — это единое, взаимообусловленное, поступательное развитие науки и техники.

В курсе физики 9 класса, как и ранее, мы не раз обращали ваше внимание на тесную связь между физикой и техникой. Физическая наука существует почти 25 веков, и результаты ее исследований были направлены не только на объяснение природы мироздания — ученые-физики всегда стремились научно обосновать применение различных технических устройств и приемов.

В XIX в. появилась новая тенденция: физические законы стали применять не только для объяснения и улучшения уже изобретенных инженерами конструкций — они стали «пищей для ума» в процессе создания новых направлений в технике. Приведем несколько примеров.

До XIX в. электричество служило в основном для салонных развлечений (рис. 40.6). Примерно в середине XIX в. благодаря установлению физических законов, описывающих возникновение, прохождение и действие электрического тока (закона Ома, закона электромагнитной индукции и др.), начинает развиваться телеграфная связь, а затем и телефонная. Изобретение и широкое распространение радио стали возможны после создания теории электромагнитного поля Максвелла.

В XIX в. установление новых физических законов происходило, как правило, случайно. Соответственно появление технических изобретений, связанных с этими законами, тоже было спонтанным, и только в XX в. этот процесс был несколько упорядочен. Целый ряд проектов (самый известный из них — «Урановый проект» — программа работ по созданию атомного оружия) осуществлялся по прямому заказу правительств стран. В рамках каждого проекта проводились научные исследования, по результатам которых выполнялись инженерные разработки (расчеты, изготовление конструкций).

Современный этап развития физики характеризуется ее тесной связью с производством и бизнесом. Для решения новой технической задачи привлекают не только инженеров, технологов, но и ученых. Пример результата такого сотрудничества — миниатюризация мобильных телефонов.

Физика повлияла и на развитие других наук. Прежде всего это связано с пониманием структуры материи, основанном на описании микромира с помощью квантовой механики. Так, применение квантовой механики позволило за короткий срок достичь существенного прогресса в развитии химии и биологии.

Практически все современные измерительные приборы и методы измерения, применяемые в астрономии, медицине, археологии и т. д., «выросли» из соответствующих законов физики.

Рис. 40.6. Опыт, демонстрирующий существование проводников и диэлектриков (гравюра середины XVIII в.). Женщина сидит на качелях, подвешенных на шелковых нитях. Мужчина, стоящий справа, приближает наэлектризованную стеклянную палочку к руке женщины, а стоящий слева прикасается к ее другой руке — появляется искра

Подводим итоги:

Почти за 2500 лет своего существования физика смогла создать г целостное представление о природе, объединяющее знания о мега-, макро- и микромире. Значительные усилия ученых-физиков были направлены также на практическое воплощение результатов своих исследований.

Начиная с XIX в. физики не только объясняют известные факты. Они устанавливают новые законы и, опираясь на них, развивают новые области техники.

Особенность современной физической науки — «заказы на разработку»: научные исследования в основном осуществляются для решения конкретных практических задач.

Результаты, полученные учеными-физиками, используются в других науках, в частности в биологии и химии. Физические приборы и методы исследований широко применяют в науке, промышленности, сельском хозяйстве.

«Движение и взаимодействие. Законы сохранения»

1. Изучая раздел V, вы вспомнили основные понятия механики (механическое движение, траектория, путь, перемещение, система отсчета), узнали о равноускоренном прямолинейном движении, научились определять физические величины, характеризующие это движение.

РАВНОУСКОРЕННОЕ ПРЯМОЛИНЕЙНОЕ ДВИЖЕНИЕ движение, при котором тело движется по прямолинейной траектории с неизменным по модулю и направлению ускорением
Физические величины
Ускорение	Скорость движения	Перемещение	Координата

2. Вы изучили важнейшие законы динамики — законы Ньютона, научились различать инерциальные и неинерциальные системы отсчета.

РАВНОУСКОРЕННОЕ ПРЯМОЛИНЕЙНОЕ ДВИЖЕНИЕ
Первый закон Ньютона	Второй закон Ньютона	Третий закон Ньютона
Существуют такие системы отсчета (инерциальные), относительно которых тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют никакие силы или если эти силы скомпенсированы	Ускорение, которое приобретает тело в результате действия силы, прямо пропорционально этой силе и обратно пропорционально массе тела:	Тела взаимодействуют друг с другом с силами, которые направлены вдоль одной прямой, равны по модулю и противоположны по направлению:

3. Вы углубили свои знания о гравитационном взаимодействии, изучили закон всемирного тяготения и получили формулу для определения силы тяжести.

ГРАВИТАЦИОННЫЕ СИЛЫ
Сила всемирного тяготения	Сила тяжести

4. Вы выяснили, что движение тела только под действием силы тяжести называют свободным падением, а ускорение, с которым движутся тела под действием силы тяжести, — ускорением свободного падения.

УСКОРЕНИЕ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ
Формула	Направление	Зависит	Не зависит
вблизи поверхности Земли		от высоты расположения тела над поверхностью Земли; от географической широты местности	от массы тела; от значения и направления скорости движения тела

5. Вы вспомнили закон сохранения механической энергии, ознакомились с законом сохранения импульса.

ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ В МЕХАНИКЕ
Закон сохранения механической энергии	Закон сохранения импульса
В замкнутой системе тел, которые взаимодействуют только силами упругости и силами тяготения, полная механическая энергия сохраняется:	В замкнутой системе тел векторная сумма импульсов тел остается неизменной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой:

6. Вы обобщили свои знания о фундаментальных взаимодействиях в природе, узнали о фундаментальном характере законов сохранения.

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Гравитационное	Электромагнитное	Сильное	Слабое

Эволюция физической картины мира

Материал, который вы изучали, является результатом гигантской исследовательской работы, выполненной в течение многих веков учеными всего мира по исследованию различных форм движения материи, строения и свойств материальных тел. Вы убедились в том, что при всем своем разнообразии окружающий мир единый. Его единство оказывается, в первую очередь, в том, что все явления, какими бы сложными они ни казались, являются разными состояниями и свойствами подвижной материи, имеют в конечном результате материальное происхождение. Единство мира проявляется также во взаимосвязи всех явлений, возможности взаимопревращений форм материи и движения. Вместе с тем единство мира оказывается в существовании общих законов движения материи.

Задача физики и других естественных наук заключается в том, чтобы выявить всеобщие законы природы и объяснить на их основе конкретные явления и процессы.

Отражением единства мира в познании является синтез научных знаний, приобретенных в процессе исследования природы разными науками. На каждом этапе развития науки возникает потребность объединения научных знаний в единую систему знаний о явлениях, процессах и других объектах природы в естественно-научную картину мира.

Физическая картина мира представляет часть всей системы знаний о природе, поскольку она касается лишь физических свойств материальных тел и физических форм движения материи.

Физическая картина мира дает общее синтезированное представление о сути физических явлений на определенном этапе развития физической науки. С развитием физики ученые открывают новые законы. Одновременно устанавливается связь между данными законами, некоторые из них получают теоретическое обоснование и дальнейшее обобщение, на основе чего часто становится возможным вывести известные ранее законы из более общих физических теорий, принципов. Так, из электронной теории строения вещества можно вывести законы Ома, Джоуля-Ленца и т. п.

В древнем мире все знания о природе объединяла в себе физика, и уже в то время были сформулированы основные элементы материалистического понимания мира. Мыслители Древней Греции Левкип, Демокрит, Эпикур, Лукреций Кар утверждали, что окружающий мир по своей природе материален, несоздаваемый и неуничтожаемый, существует вечно во времени и безграничный в пространстве. Все тела состоят из первичных, далее неделимых частиц - атомов, которые при всех изменениях не возникают из ничего и не уничтожаются, а лишь взаимодействуют и преобразовываются.

Миколай Коперник в 1543 г. предложил гелиоцентрическую систему мира. Прогресс физических знаний подготовил почву для формирования механической картины мира на основе законов механики Ньютона. Согласно учению Ньютона, весь мир состоит из твердых, непроницаемых частиц - атомов, имеющих массу и инертные свойства.

Физика Ньютона давала достаточно общую и относительно наглядную картину мира. Она стала теоретической основой разных отраслей техники того времени. До второй половины XIX в. механическая картина мира достигла определенной завершенности и казалась неопровержимой.

При изучении электромагнитных явлений (исследование Эрстеда, Ампера, Араго и т. д.) выяснилось, что они не подчиняются механике Ньютона. Выходя из этого Майкл Фарадей, развивая теорию электромагнитного поля, установил взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями.

С развитием электродинамики в физике постепенно утверждается представление о мире как об общей системе, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих между собой с помощью электромагнитного поля. Иначе говоря, начинается создание единственной электромагнитной картины мира, все события в которой подчиняются законам электромагнитных взаимодействий.

Однако дальнейшее развитие физики показало ограниченность электромагнитной картины мира. В этой картине материя рассматривалась как совокупность положительно и отрицательно заряженных частиц, взаимодействующих через поле тяготения и электромагнитное поле. Но со временем выяснилась ограниченность этой картины мира. Она не могла объяснить стойкость атомов, не охватывала тяготения (закон всемирного тяготения нельзя вывести из теории электромагнитного поля), не объясняла химическую связь атомов в молекулах, явления радиоактивности и т. п.

Фундаментальные открытия в физике в начале XX в. привели к замене электромагнитной картины мира качественно новой - квантово-полевой. Она основывается на достижениях квантовой механики, которая объяснила структуру атомов и молекул, физико-химические свойства макроскопических тел, описала много свойств и законов элементарных частиц.

С точки зрения современной физики, существуют две основные формы материи - вещество и поле. Вещество имеет прерывистое (дискретное) строение, а поле - непрерывное.

Современная физическая картина мира - это результат обобщения важнейших достижений всех физических наук. Хотя эта картина мира и отмечается большой всеобщностью, и успешно объясняет многие явления, но в природе существуют явления, которые физика еще объяснить не может. Современная физическая картина мира постоянно развивается и совершенствуется, на смену существующим квантово-полевым представлениям придет новая картина, которая глубже и точнее будет отображать объективный мир физических явлений. Но эта картина мира будет содержать в себе все то, что мы уже знаем о физических явлениях.

Вы уже знаете, что от источника света, например от лампочки или свечи, свет распространяется во все стороны и падает на окружающие предметы, в том числе и нагревая их. Попадая в глаз, свет вызывает зрительное ощущение - мы видим то, что окружает нас. Можно сказать, что при распространении света передается действие от одного тела -источника света - к другому - приемнику.

Вообще одно тело может воздействовать на другое двумя разными способами: или переносить вещество от источника к приемнику, или изменять состояние среды между телами (в данном случае вещество не переносится).

Можно, например, заставить звенеть колокольчик, находящийся на некотором расстоянии, попав в него шариком (рис. 293, а). При этом происходит перенос вещества. Но можно действовать иначе: привязать шнур к сердцевине колокольчика и заставить его звучать, посылая по шнуру волны, которые будут раскачивать его сердцевину (рис. 293, б). В этом случае вещество не будет переноситься. По шнуру будет распространяться волна, изменяя его состояние (форму). Следовательно, действие от одного тела к другому может передаваться волнами.

В соответствии с двумя возможными способами передаваемости действия от источника к приемнику возникли и начали развиваться две совсем разные теории о том, что такое свет и какова его природа. Причем возникли они почти одновременно в XVII в.

Первая теория связана с именем Исаака Ньютона, а вторая - с именем Христиана Гюйгенса.

Ньютон придерживался так называемой корпускулярной теории света, согласно которой свет - это поток частиц, вылетающих от источника, направляясь во все стороны (перенесение вещества).

По волновой теории Гюйгенса, свет - это волны, распространяющиеся в особенной, гипотетической среде - эфире, который заполняет все пространство и проникает внутрь всех тел.

Обе теории длительное время существовали параллельно. Ни одна из них не могла победить. Лишь авторитет Ньютона заставил большинство ученых отдать преимущество корпускулярной теории. Известные на то время из опытов законы распространения света более или менее успешно объяснялись обеими теориями.

На основе корпускулярной теории было трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга. Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться.

Волновая же теория это легко объясняла. Волны, например, на поверхности воды свободно проходят одна сквозь другую и не влияют друг на друга.

Однако волновой теорией трудно объяснить прямолинейное распространение света, которое обусловливает образование за предметами четких теней. Согласно корпускулярной теории, прямолинейное распространение света - это просто следствие закона инерции.

Такое представление о природе света использовали до начала XIX в., до той поры, пока не были открыты явления дифракции (огибание светом препятствий) и интерференции света (усиление или послабление освещенности от накладывания световых пучков). Эти явления свойственны только волновому движению. Объяснить их корпускулярной теорией нельзя. Поэтому казалось, что волновая теория окончательно победила.

Такая уверенность особенно выросла после того, как Джеймс Максвелл во второй половине XIX в. показал, что свет является отдельным случаем электромагнитных волн. Труды Максвелла стали почвой для электромагнитной теории света.

После того как Генрих Герц экспериментально выявил электромагнитные волны, никаких сомнений в том, что при распространении свет ведет себя как волна, не осталось.

Однако в начале XX в. представления о природе света начали коренным образом меняться. Неожиданно выяснилось, что отброшенная корпускулярная теория все же имеет под собой почву.

При излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц.

Было выявлено прерывистое, или, как говорят, квантовое, свойство света. Возникла необычная ситуация: явления интерференции и дифракции, как и раньше, можно было объяснить, считая свет волной, а явления излучения и поглощения - считая свет потоком частиц. Эти два, казалось бы, несовместимые друг с другом представления о природе света в 30-е годы XX в. удалось непротиворечиво объединить в новой выдающейся физической теории - квантовой электродинамике.

Позже выяснилось, что двойственность свойств характерна не только для света, но и для любой другой формы материи.

Влияние физики на общественное развитие и научно-технический прогресс

Научно-технический прогресс характеризуется связью науки с производственными процессами. На базе научных открытий в физике совершенствуются, например, электрофизические, электронные, электрохимические, ультразвуковые технологические процессы и возникают новые отрасли промышленности: на основе достижений ядерной физики - ядерная энергетика и производство радиоактивных изотопов; на основе достижений физики твердого тела - производство полупроводниковых приборов, новых материалов с заданными свойствами.

Большое значение для развития научно-технического прогресса имеет энергетическая база техники. Основным видом энергии является электрическая - самый универсальный вид энергии: она применяется в технологических процессах (термических, световых, электромагнитных), на транспорте, в связи и во всех сферах быта. Каждые 8-9 лет производство электроэнергии на Земле увеличивается в 2 раза. Свыше 80 % электроэнергии производится на ТЭС, ее значение в энергетике еще длительное время будет оставаться определяющим.

С момента введения в действие первой АЭС в Украине прошло более 40 лет. За это время произошли большие изменения: резко возросли мощности ядерных реакторов, повысились технико-экономические показатели АЭС. Для районов, удаленных от ресурсов химического топлива, себестоимость 1 кВт • ч для АЭС меньше, чем для ТЭС. Поэтому, невзирая на несколько высшую стоимость оборудования для АЭС, их общие экономические показатели в этих условиях лучше, чем тепловых электростанций. Почти для всех стран мира, неимеющих достаточных ресурсов химического топлива, программа создания АЭС стала одной из важнейших в развитии энергетики и экономики. Важными заданиями совершенствования ядерных реакторов на тепловых нейтронах и развития АЭС являются увеличение мощностей реакторов до 1,5-2 млн киловатт и турбогенераторов для них, создание высокотемпературного реактора (800-1000 °С и выше), которые имеют большое значение для улучшения использования ядерного топлива и применения ядерной энергии в высокотемпературных технологических процессах.

В развитии энергетики Украины значительную роль играет гидроэнергетика. Преимущество ГЭС заключается в неисчерпаемости гидроэнергоресурсов, очень низкой себестоимости энергии, отсутствии вредного влияния на окружающую среду. Недостатком ГЭС является относительно высокая стоимость их сооружения.

В настоящее время разрабатываются новые методы и способы получения электроэнергии. Достигнут большой прогресс в преобразовании солнечной, ветровой энергии в электрическую, начинают применяться магнитогидродинамические способы генерирования электрического тока. Проводится работа по решению проблемы термоядерного синтеза. Можно надеяться, что будет найдено практическое решение этой проблемы и построены первые промышленные термоядерные реакторы.

Важным направлением современного научно-технического прогресса является радиоэлектроника, ее технические средства и их применение во многих отраслях деятельности человека. Современная радиоэлектроника является развитой технической отраслью науки и техники, связанной с широким комплексом научных методов и технических средств для запоминания, обработки и передачи информации на основе использования электромагнитных явлений. Трудно назвать другую отрасль техники, которая по своему влиянию на жизнь и деятельность человека занимала бы такое важное место.

Осложнения современного промышленного производства, растущие взаимосвязи отдельных предприятий между собой требуют автоматизации многих функций управления. Это можно сделать только с помощью электронных автоматизированных систем управления, материальной основой которых являются компьютерные технологии.

Сегодня компьютеры широко применяются во всех отраслях науки, техники и производства. Они открыли большие возможности в отрасли управления не только производственными процессами для построения автоматизированных систем управления в технологической сфере, но и в отрасли административной. Их применяют в станках с программным управлением, в управлении транспортными средствами, осуществляют контроль за движением в аэропортах и на аэродромах.

Без применения компьютеров невозможно представить ни одно большое исследование. Широкие возможности открылись благодаря этому перед медициной - разработаны методы использования компьютеров для диагностики. Без них невозможно запускать космические корабли и спутники. Для выведения на орбиту космического корабля необходимо за считанные секунды обработать значительный объем информации, что по силам только компьютеру. Все данные о полете корабля, состоянии бортовых систем и самочувствии космонавтов вводятся в бортовые вычислительные устройства, передаются на Землю и возвращаются в приборы корабля из наземных комплексов в виде команд для выполнения. Все эти процессы выполняются с огромной скоростью и высокой точностью.

Задания автоматизации производства требуют создания гибких, точных и надежных систем контроля за управлением разными процессами.

Отрасли использования радиоэлектроники чрезвычайно широки. Это, в частности, нагревание веществ в высокочастотных электромагнитных полях для термической обработки: закаливание, плавление, паяние, сварка и т. п. Это применение ультразвука для интенсификации разных технологических процессов: очистка деталей, ударная ультразвуковая притирка; резка крупногабаритных изделий, пайка, сварка и т. п. Это широкое применение радиоэлектронной аппаратуры и электронной техники для обработки разных материалов.

Очень важными направлениями научно-технического прогресса являются космические исследования, развитие космонавтики. Самым весомым вкладом в развитие космонавтики стало развитие ракетной техники, создание мощных ракетоносителей, способных выводить в космос спутники и космические корабли со сложной аппаратурой и людьми на борту. Огромное значение для прогресса космонавтики имеют успехи электронной вычислительной техники и радиоэлектроники, а также автоматика. Без приборов радиоэлектроники невозможно осуществить многие функции ракет и космических аппаратов: выведение их на орбиту, коррекцию траекторий, сбор, обработку и передачу на Землю информации.

Трудно переоценить роль и значение искусственных спутников Земли в решении многих практических задач. Через искусственные спутники связи и систему наземных станций осуществляются связь и обмен телевизионными программами. Прогноз погоды также невозможен без метеорологической информации, которую получают с помощью системы «Метеор». Спутники-маяки применяются в системах навигации.

Современный технический прогресс в разнообразных отраслях наряду с другими средствами автоматизации все больше определяется степенью использования машин, автоматизирующих процессы умственного труда. Самая большая степень автоматизации наблюдается в энергетической, металлургической, химической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Почти во всех отраслях машиностроения применяются автоматизированные технологические процессы. На транспорте привычное явление -автоматические железнодорожные сортировочные станции. Поезда без машиниста сегодня уже являются реальностью. В авиации уже много лет используют автопилоты. В основном автоматизированы радиолокационные и авианавигационные устройства.

Одним из направлений научно-технического прогресса является получение материалов с заранее определенными свойствами, использование редких элементов. Современный прогресс космонавтики, радиоэлектроники, атомной энергетики, авиации, машиностроения и т. д. во многом связан с достижениями в отрасли производства искусственных материалов: сверхтвердых, жаропрочных, антикоррозийных и т. п.; с использованием редких металлов и их сплавов. Знание зависимости химических и физических свойств вещества от его физической структуры дает возможность ученым предусматривать будущие свойства того или иного материала и целеустремленно синтезировать материалы с загодя заданными механическими, магнитными, оптическими и другими свойствами.

Трудно переоценить значение достижений в производстве полупроводниковых и других материалов для современной радиоэлектроники.

• Заказать решение задач по физике

Физика и экология

Безопасность жизнедеятельности - это система базовых знаний о проблеме обеспечения оптимальных условий существования человека в естественной, социальной и техногенной средах, а также организационных и технических мероприятий и средств на уровне отдельной личности (коллектива, государства), направленных на предотвращение или минимизацию угроз ее жизни и здоровью во всех сферах деятельности.

Система безопасности жизнедеятельности на уровне государства охватывает комплекс мероприятий и средств, которые являются ее составляющими (подсистемами):это охрана окружающей природной среды; здравоохранение населения; безопасность санитарно-эпидемиологическая, пожарная, транспортная и радиационная, биологическая; охрана труда. Деятельность каждой из этих подсистем регулирует соответствующий орган центральной исполнительной власти.

Охрана окружающей природной среды. Назначение этой основной составляющей системы безопасности жизнедеятельности заключается в поддерживании состояния окружающей среды, приемлемого для существования жизни на Земле, сохранении природных ресурсов, ограничении вредных выбросов, содействии гармоничному развитию общества и природы.

В систему безопасности жизнедеятельности человека входят: здравоохранение населения; санитарно-эпидемиологическая безопасность, основная цель которой - обеспечение санитарно-эпидемиологического благополучия населения, уменьшение интенсивности эпидемий инфекционных заболеваний. Контроль за использованием опасных веществ и материалов на производстве, качества и безопасности пищевых продуктов, лекарств осуществляют органы санитарно-эпидемиологического надзора. Входят также пожарная безопасность; транспортная безопасность; биологическая безопасность, назначение которой - охрана окружающей среды, здоровья и жизни людей от опасных грибов, микроорганизмов, вирусов, последствий генетико-инженерной деятельности, генетически модифицированных организмов растений, животных и продуктов. Это также радиационная безопасность, основной целью которой является охрана жизни и здоровья населения, его имущества, окружающей среды от негативного влияния ионизирующего излучения. Радиационная безопасность приобретает особое значение в условиях развития атомной энергетики и промышленности. Актуальность радиационной безопасности в Украине предопределяется также последствиями катастрофы на Чернобыльской АЭС. Это также охрана труда, техника безопасности на производстве. Основная ответственность за безопасность жизнедеятельности людей на производстве положена на работодателя, который должен создать безопасные условия труда для своих работников.

Следовательно, безопасность жизнедеятельности - это наука, призванная обнаруживать возможные причины и пути возникновения опасности, предусматривать достоверность ее возникновения, а также защищать людей от опасности, ликвидировать последствия ее проявлений и т. п. Эта наука идентифицирует опасные и вредные факторы окружающей среды, разрабатывает мероприятия, связанные с созданием благоприятных условий для существования человека.

Безопасность жизнедеятельности человека - это комплексное научное направление, связанное со многими другими направлениями науки - анатомией, физиологией, психологией, экологией, здравоохранением, производственной санитарией и гигиеной, техникой, экономикой, социологией и т. п.

Еще на стадии проектирования любого механизма, машины, устройства первым условием их применения рассматривается безопасность оператора - человека, управляющего ими. Вторым важным условием является удобство управления (использования), обеспечивающего высокий уровень работоспособности оператора в течение длительного времени. Третье условие - безопасность (или минимальная вредность) для окружающей среды.

Главная цель безопасности жизнедеятельности - сформировать у человека сознательное и ответственное отношение к вопросам личной безопасности и безопасности тех, кто его окружает, научить человека распознавать и оценивать потенциальные опасности, определять путь надежной защиты от них, в случае необходимости уметь оказывать помощь себе и другим, а также оперативно ликвидировать последствия проявления опасностей в разнообразных сферах человеческой деятельности.

 

Физические основы бережного природопользования и сохранения энергии

Термин «природопользование» понимают как совокупность влияния человечества на географическую оболочку Земли. То есть имеют в виду совокупность всех форм эксплуатации природно-ресурсного потенциала и мероприятий по его сохранению. Здесь выделяют три аспекта: а) добычу и переработку природных ресурсов и их воссоздание; б) использование и охрану природной среды; в) возобновление экологического равновесия природных систем.

Экологическую ситуацию в Украине можно охарактеризовать как кризисную, она формировалась длительное время из-за пренебрежения объективными законами развития и воссоздания природно-ресурсного комплекса Украины. Происходили структурные деформации народного хозяйства - преимущество предоставлялось развитию сырьево-добывающих, наиболее экологически опасных отраслей промышленности.

В процессе жизни и хозяйственной деятельности увеличивается использование человеком компонентов природы, вследствие чего усиливается «давление» на природную среду. В таких условиях появилось важное задание - обеспечить рациональное использование природы и охрану окружающей среды.

Украина относится к государствам, имеющим большие объемы и высокую интенсивность освоения природных богатств. Значительная концентрация производства и высокая плотность населения негативно влияют на состояние окружающей среды.

Экономике Украины присущ высокий удельный вес ресурсоемких и энергоемких технологий, внедрение и наращивание которых осуществлялось наиболее «дешевым» способом - без строительства соответствующих очистных сооружений. Это было возможно при отсутствии эффективно действующих правовых, административных и экономических механизмов природопользования и без учета требований охраны окружающей среды.

Огромное количество негативных факторов, в частности низкий уровень экологического сознания общества, привели к значительной деградации окружающей среды Украины, чрезмерному загрязнению поверхностных и подземных вод, воздуха и земель, нагромождению в значительных количествах вредных, в том числе высокотоксичных, отходов производства.

Такие процессы длились десятилетиями и привели к резкому ухудшению состояния здоровья людей, уменьшению рождаемости и увеличению смертности. В частности, мы можем сделать важные выводы относительно экологической действительности в нашем государстве, выявить факторы и особенности жизнедеятельности и природопользования. Проблема охраны окружающей среды и рационального природопользования приобретает в Украине первоочередное значение в результате загрязнения территории радионуклидами после аварии на Чернобыльской АЭС.

Чем полнее используются природные ресурсы, тем более рачительно необходимо относиться к их эксплуатации, особенно если идет речь о не-восстанавливаемых энергетических ресурсах. Невзирая на то что количество разведанных месторождений полезных ископаемых увеличивается как в целом, так и в расчете на душу населения, существует угроза их истощения еще до того, как будет осуществлен переход на использование новых источников энергии. Тем более что общество ощущает возрастающий дефицит восстанавливаемых природных ресурсов.

В связи с этим рациональное использование и воссоздание природных ресурсов становится одной из самых актуальных проблем человечества. Наряду с глобальным, проблема охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов имеет ярко выраженный региональный характер и играет особенную роль в интенсификации производства на основе ускорения научно-технического прогресса.

Это требует улучшения разработки вопросов управления, связанных в первую очередь с диалектикой взаимодействия производительных сил и производственных отношений. Относительно природопользования - это означает последовательное развитие научных принципов охраны окружающей среды и рационального использования ресурсов на основе таких принципов, как планомерность, пропорциональность, оптимальность.

Планомерность относительно использования природных ресурсов -экономическая функция государства по управлению и регулированию экологических и экономических отношений и пропорций. Такая функция предусматривает как разработку и выполнение плановой системы взаимоувязанных показателей, так и действенный контроль по их реализации. Перспективное и текущее планирование рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды в конечном итоге вытекает из начерченных темпов роста совокупного общественного продукта, национального дохода и подъема жизненного уровня населения страны.

Пропорциональность означает согласованность в использовании природных ресурсов как по территории, так и по отраслям народного хозяйства, исключение нарушений естественных взаимосвязей в окружающей естественной среде.

Оптимальность в использовании природных ресурсов - это достижение самого лучшего варианта взаимоотношений общества с окружающей средой.

Управление охраной окружающей природной среды, как отмечается в Законе Украины «Об охране окружающей природной среды», заключается в осуществлении в этой отрасли функций наблюдения, исследования, экологической экспертизы, контроля, прогнозирования, программирования, информирования и другой исполнительно-распорядительной деятельности.

Целью управления в отрасли рационального природопользования является реализация законодательства, контроль за соблюдением требований экологической безопасности, обеспечение проведения эффективных и комплексных мероприятий по охране окружающей природной среды, рациональному использованию природных ресурсов.

Определяющим в производственных отношениях, которые складываются между людьми и природой, является их общественный характер. Поэтому функции по управлению рациональным природопользованием и планированию его являются однозначно прерогативой государства. Разные министерства, комиссии, ведомства, комитеты и т. п. в меру своей компетенции осуществляют и поддерживают единую государственную политику в отрасли охраны окружающей природной среды.

Одно из центральных мест в регулировании отношений по поводу охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов отводится научно обоснованному сочетанию территориального и отраслевого управления природоохранной работой. Предприятия, которые привлекают в хозяйственный оборот природные ресурсы, принадлежат, с одной стороны, к той или иной отрасли народного хозяйства, а с другой - являются звеньями территориально-производственных комплексов. Поэтому возникает потребность правильно сочетать интересы многих министерств, ведомств и местных территориальных органов, которые должны дополнять друг друга, образовывая единую систему управления. Например, отводя земли под промышленное, транспортное или жилищное строительство, следует учитывать, что отчуждение земель, особенно пахотных, приводит к сокращению площади сельскохозяйственных угодий, снижает плодородие почвы, уменьшает валовую продукцию сельского хозяйства и т. п.

В системе управления природоохранной деятельностью предприятия можно выделить планирование, эксплуатацию очистных сооружений (включая технологический процесс) и контроль за выбросами в окружающую среду. Проектирование и планирование дают возможность разработать комплекс необходимых мероприятий по охране окружающей среды, их выполнению, среди которых новые усовершенствованные технологические процессы, работы, очистные сооружения, снижающие или исключающие вредное влияние на окружающую среду.

Управленческие функции в отрасли природоохранной деятельности предприятия должны способствовать совершенствованию технологии производства, ремонтно-эксплуатационных работ, безаварийной работы оборудования, выполнения планово-предупредительного и текущего ремонта.

Контроль включает в себя анализ технологии, лабораторный анализ, контрольные посты, определение концентрации вредных выбросов, информирование руководства о состоянии окружающей среды на предприятии, соблюдение законодательства в этой отрасли.
 

Альтернативные источники энергии

поисках альтернативных источников энергии немало внимания в мире уделяется ветроэнергетике. Ветер служил человечеству в течение тысячелетий и служит сейчас, обеспечивая энергию для парусных судов, для помола зерна, перекачивания воды, производства электроэнергии. Например, в Дании ветроэнергетика покрывает около 2 % потребностей страны в электроэнергии. В США на нескольких станциях работает почти 17 тыс. ветро-агрегатов общей мощностью до 1500 МВт. Ветроэнергетические установки (рис. 297) выпускают, кроме США и Дании, в Великобритании, Канаде, Японии.

Для того чтобы строительство ветроэлектростанции было экономически оправданным, необходимо, чтобы среднегодовая скорость ветра в этом регионе была не менее 6 м/с. В нашей стране ветровые электростанции (ВЭС) построены на побережьях Черного и Азовского морей, в степных регионах, а также в Карпатах и горах Крыма.

Следует обратить внимание на то, что при скорости ветра 33 км/ч удлинение крыла пропеллера в 4 раза (от 15 до 60 м) увеличивает производство энергии в 16 раз. А если крыло длиной 30 м, ветер со скоростью

50 км/ч обеспечивает производство электроэнергии в 26 раз больше, чем ветер со скоростью 17 км/ч. Именно поэтому в инженерном деле склоняются в пользу больших ветродвигателей.

Большинство нынешних больших ветродвигателей рассчитано на работу, если скорость ветра 17-58 км/ч. Ветер со скоростью, менее 17 км/ч, дает мало полезной энергии, а при скоростях свыше 58 км/ч возможно повреждение электрогенератора.

Поэтому в ветроэнергетике не следует рассчитывать на перехват штормовых ветров. Даже если такой ветер и обеспечивает получение намного большего количества энергии, он вызывает слишком сильное давление на крылья и может повредить оборудование электростанции. Кроме того, длительность времени, когда дуют штормовые ветра, настолько мала, что их вклад в суммарное производство энергии несущественен, и это делает подобный риск бессмысленным. Чтобы устранить проблему штормовых ветров, крылья ветродвигателей выгибают особенным образом - для уменьшения сопротивления ветра.

Ветрогенераторы обычно устанавливают на высоких башнях, чтобы пропеллеры были открыты более сильным ветрам, которые дуют на большой высоте. И тяжелое оборудование - коробка передач и генератор -должны размещаться на верхушке мачты.

Еще одну проблему использования энергии от ветродвигателя создает природа самого ветра. Скорость ветра варьирует в широких пределах - от легкого дуновения до мощного порыва. В связи с этим изменяется и число оборотов генератора в секунду. Для удобства переменный ток, который вырабатывается при вращении оси генератора, «выпрямляют», то есть преобразовывают в постоянный, идущий в одном направлении. При больших размерах ветродвигателя постоянный ток в преобразователе меняют на стабильный переменный ток, пригодный для подачи в энергетическую систему. Небольшие же ветродвигатели, наподобие тех, которые используют на изолированных фермах или на морских островах, вместо преобразователя подают «выпрямленный» ток в большие аккумуляторные батареи. Такие аккумуляторы необходимы для запаса электроэнергии на периоды, когда ветер становится недостаточно сильным для производства энергии.

Для поддержания жизненных процессов необходимо поглощать и использовать энергию. К сожалению, использование любого вида энергии и производство электроэнергии обычно сопровождаются образованием многих загрязнителей воды и воздуха. Чтобы избежать разрушения окружающей среды, человечество все больше и больше обращает внимание на экологически чистые виды энергии.

Интересно, что всего 200 лет тому назад человечество, кроме энергии самого человека и животных, владело только тремя видами энергии. Среди них было использование энергии Солнца.

По мере того как снабжение топливом становится менее надежным и более дорогим, солнечный источник энергии становится все более и более привлекательным и экономично выгодным. Повышение цен на нефть и газ является главной причиной того, что человечество опять обратило свое внимание на Солнце.

Солнечная энергия - это кинетическая энергия излучения (в основном света), которое образуется в результате реакций в недрах Солнца.

Поскольку его запасы практически неисчерпаемы (астрономы подсчитали, что Солнце будет «гореть» еще 4-5 млрд лет), солнечная энергия относится к возобновляемым энергоресурсам. В естественных экосистемах только часть солнечной энергии поглощается хлорофиллом, который содержится в листьях растений и используется для фотосинтеза, то есть образования органического вещества из углекислого газа и воды. Растения частично используют для своих потребностей только фотосинтетически активную радиацию, которая в целом составляет почти 50 % суммарной энергии солнечного излучения. Таким образом, излучение улавливается и запасается в виде потенциальной энергии органических веществ. За счет их разложения удовлетворяются энергетические потребности всех других компонентов экосистем.

Подсчитано, что приблизительно такой же части солнечной энергии вполне достаточно для обеспечения потребностей транспорта, промышленности и быта не только сейчас, но и в будущем. И даже независимо от того, будем мы ею пользоваться или нет, на энергетическом балансе Земли и состоянии биосферы это никак не отразится. Однако солнечная энергия попадает на всю поверхность Земли, нигде не достигая особенной интенсивности. Поэтому ее следует уловить на сравнительно большой площади, сконцентрировать и преобразовать в такую форму, которую можно использовать для промышленных, бытовых и транспортных потребностей. Кроме того, надо уметь запасать солнечную энергию, чтобы поддерживать энергоснабжение и ночью, и в облачные дни.

Главное - использовать солнечную энергию так, чтобы ее стоимость была минимальна или вообще равнялась нулю. Учитывая совершенствование технологий и подорожание традиционных энергоресурсов, эта энергия приобретает все новые отрасли применения.

Например, солнечные нагревательные системы (солнечные батареи, солнечные коллекторы) очень рентабельны, и есть смысл включать их в проекты новых домов. Тогда появится возможность перебросить часть угля, газа, мазута, потребляемого в бытовых целях, на потребности промышленности, транспорта. А это решит проблему будущего дефицита сырой нефти, необходимой для производства автомобильного горючего и т. п.

Солнечный коллектор (рис. 298) - это система нагревания воды за счет солнечного излучения. Такие системы являются достаточно распространенными.

Они были разработаны около 200 лет тому назад. Солнечные коллекторы разного типа дают возможность получить тепловую энергию, которая в первую очередь используется для нагревания воды, что особенно актуально в летний период года, когда наблюдается максимальная солнечная активность. Кроме того, в отдельных случаях при построении комбинированных котельных установок тепло от солнечных коллекторов частично можно использовать в разных системах отопления.

Морские приливы и тепло Земли. Это более постоянные источники энергии. Уже теперь в некоторых странах работают экологически безопасные, чистые приливные электростанции. Общая мощность волн Мирового океана составляет 90 000 млрд кВт. Во многих странах - США, Японии, Италии, Исландии - используют и энергию горячих природных источников - гейзеров.

Известно, что на глубине 10 км температура достигает 140-150 °С, и эту энергию можно отводить с помощью пара, используя его для отопления.

Геотермальная энергетика развивается достаточно интенсивно в США, на Филиппинах, в Мексике, Исландии, Италии, Японии. Мощная ГеоТЭС - ГеоТЭСХебер (50 МВт) построена в США . В целом запасы геотермальной энергии составляют 200 ГВт. Геотермальные ресурсы распределены неравномерно, и основная их часть сосредоточена в районе Тихого океана.

Биомасса играет доминирующую роль среди других видов альтернативных видов энергии, формируя приблизительно 46 % рынка восстанавливаемых источников энергии. Она может обеспечивать производство тепла, электроэнергии и разных видов газообразного (биогаз), жидкого (биоэтанол, биодизель) и твердого топлива. Технологии переработки биомассы дают возможность также решать проблему утилизации вредных бытовых и промышленных отходов, получать как побочные продукты высококачественные удобрения, строительные и другие полезные материалы. За счет биогаза уже сегодня в странах ЕС получают ежегодно свыше 10 млн МВт * ч электрической и почти 10 млн Гкал тепловой энергии. Лидерами по использованию биогазовых технологий являются такие страны, как Германия, Великобритания, США, Канада, Бразилия, Дания, Китай, Индия и т. п.