ФІЗИКА В НАУЦІ ТЕХНІЦІ, ВИРОБНИЦТВІ І ПОБУТІ
Розділ І Фізика як природнича наука. Методи наукового пізнання
& 9. ФІЗИКА В НАУЦІ ТЕХНІЦІ, ВИРОБНИЦТВІ І ПОБУТІ
ХХ століття виявилося століттям несподіваних і захоплюючих відкриттів у фізиці. Усі вони знайшли практичне застосування і суттєво змінили життя людського суспільства.
Створення ядерної фізики і оволодіння ядерною енергією.
Узимку відром вугілля можна обігріти квартиру на один вечір. Одне відро урану (якщо звільнити всю ядерну енергію, котра міститься в ньому) може забезпечити півмільйонне місто світлом і теплом
Вихід людства в космос.
За допомогою ракет вдалося подолати земне тяжіння, побудувати космічні станції і на віть побувати на Місяці (мал. 9.1). Перший штучний супутник було запущено в 1957 р. у Радянському Союзі, а радянський космонавт Юрій Гагарін став першою людиною, яка побувала в космосі. Космічним апаратам
Мал 9.1. Людина ступила на поверхню Місяця
Мал 9.2. Космічний апарат “Вояджер”
Космічні апарати
Створення космічних апаратів потребує цілком нових технологій. Із часом нові прилади і матеріали, задіяні спочатку в космонавтиці, починають застосовувати, наприклад, для виготовлення штучних суглобів у медицині або для виробництва гірських лиж чи автомобільних двигунів. Це дає великий прибуток і тому розвинуті країни вкладають у наукові дослідження величезні кошти. Так, програма “Аполлон” – висадка людини на Місяць – обійшлася американцям у 25 млрд. доларів. Але прибуток від високих технологій склав 4 долари на кожен витрачений. Це у 20 разів ефективніше, ніж аналогічні асигнування у промисловість. Очевидним є висновок, на цей раз економічний: вкладати гроші у розвиток нових технологій, освіту та фундаментальні дослідження (ті, що знаходяться в основі всіх інших) вигідно.
Радіо, телебачення, Інтернет
Радіо й телебачення – диво, до якого ми вже звикли і сприймаємо його як належне. Існування радіохвиль передбачив ще у ХІХ ст. англійський фізик Джеймс Клерк Максвелл. Минуло 14 років, перш ніж німецький фізик Генріх Герц відкрив ці хвилі, і ще 8 років, аж поки російський фізик Олександр Попов винайшов радіоприймач. Тут беруть свій початок сучасні радіо і телебачення, мобільний телефонний зв’язок, електронна пошта і “всесвітня павутина” -“www” – Інтернет. Інтернет створено в Європейському центрі ядерних досліджень ЦЕРН у 1995 році (мал. 9.3).
Мал 9.3. Меморіальна табличка, що засвідчує створення Інтернету
Створення сучасних комп’ютерів.
У першій половині ХХ ст. фізики відкрили новий клас матеріалів, названих напівпровідниками. А в 1948 р. на основі цих матеріалів було створенонайважливіший елемент усіх електронних приладів – транзистор. Саме за відкриття транзистора американський фізик Джон Бардін удостоївся найпрестижнішої у світі вчених Нобелівської премії. До відкриття транзистора комп’ютери виготовлялися на основі радіоламп і мали великі розміри, споживаючи дуже багато енергії. Один комп’ютер займав приміщення з великий спортзал. Комп’ютери на основі транзисторів уже вміщалися в кількох шафах і споживали значно менше енергії, і до того ж працювали в тисячі разів швидше.
Проте справжня революція у виготовленні комп’ютерів розпочалася в 1970-ті роки, коли вчені і технологи навчилися вирощувати мільйони транзисторів на невеличких напівпровідникових пластинках, площа яких дорівнює площі нігтя. Сьогодні персональні комп’ютери (мал. 9.4) можна розташувати на столі, а деякі моделі навіть у кишені. Та й виконувати вони можуть мільярди і трильйони операцій за секунду. Наприклад, засоби пам’яті комп’ютерів вже ведуть на Мб (мегабайти) і Тб – терабайти, а в суперкомпьютерах – на петабайти (Пб).
Мал 9.4. Портативний комп’ютер.
Ера технологій – проникнення у мікросвіт
Звертаємо увагу на те, що кожне відкриття у фізиці сприяє багатьом інженерним і технологічним відкриттям (технологія – спосіб виготовлення), які, у свою чергу, дають можливість отримувати нові надзвичайно важливі результати.
Нанотехнології, які мають справу з об’єктами розміром у мільярдні долі метра, дозволяють отримати такі надлегкі матеріали як “аерогелі”, що за густиною мало відрізняються від повітря і надміцні матеріали, де нитка з вуглецевого композиту товщиною 1 мм витримує тягар масою в 10 тонн.
Створення електронних мікроскопів дало змогу побачити спочатку скупчення молекул, а потім – окремі молекули й атоми (мал. 9.5).
Мал 9.5. Електронний мікроскоп
Лазери, або оптичні квантові джерела світла
Лазери – ще одне чудове відкриття сучасної фізики. Світло, яке вони випромінюють, суттєво різниться від світла, що випромінюється Сонцем чи звичайними лампами. У 1964 році Нобелівські премії за відкриття лазера отримали американець Чарлз Таунс та радянські фізики Микола Басов іОлександр Прохоров.
Лазери проникли буквально в усі сфери життя, включаючи медицину, сільське господарство, побутову радіоелектроніку і навіть індустрію розваг. За допомогою лазерного променя роблять складні операції на оці людини (мал. 9.6).
Проте найцікавіші застосування лазерів для демонстрації об’ємного кіно й об’ємного телебачення – ще попереду. Потужні волоконні лінії, що використовуються в магістралях для передачі інформації, в тому числі й для роботи Інтернету, – це також сфера застосування лазерів.
Мал 9.6. Лазерна корекція зору.
Відкриття надпровідності
Надпровідність – це стан провідника, коли він зовсім втрачає електричний опір. Це відкриття, зроблене Нобелівським лауреатом голландцем Камерлінг-Оннесом на початку ХХ ст. поступово готує технічний переворот у галузі електротехніки. Надпровідні кабелі поки що використовують для роботи суперелек – тромагнітів лише у фізичних лабораторіях, але потяги на магнітних підвісках (мал. 9.7), що рухаються зі швидкістю літака, вже випробовуються на кількох експериментальних лініях. У 2003 р. Нобелівські премії в галузі квантової фізики, надпровідності та надтекучості отримали британо-американець Ентоні Леггет та російські вчені Віталій Гінзбург і Олексій Абрикосов.
Мал 9.7. Поїзд на магнітній підвісці.
Нові теорії і нові досягнення Спеціальна і загальна теорія відносності (СТВ та ЗТВ).
На початку ХХ ст. існуючі фізичні теорії вже не здатні були пояснити деякі експериментальні факти. Виникла потреба в нових теоріях – і вони були створені. Це передовсім спеціальна теорія відносності СТВ, створена Альбертом Ейнштейном. Вона встановила існування зв’язку між простором і часом, а також неможливість руху тіл, що мають масу, зі швидкістю світла.
Загальна теорія відносності завершена Ейнштейном у 1917 р. передбачила можливість відхилення світла від прямолінійного поширення в полі тяжіння та існування чорних дір, зв’язала геометричні властивості простору з розподілом мас у ньому, а також дала змогу зробити деякі припущення щодо походження Всесвіту.
Квантова механіка.
Ця галузь фізики була створена зусиллями багатьох фізиків у 1924-27 роках і докорінно вплинула на світогляд людей. Нова теорія дала змогу описати явища, що спостерігаються в мікросвіті атомів (мал. 9.8) і молекул, проникнути в таємниці атомного ядра та елементарних частинок. Іншими словами, вона зуміла сформувати розуміння глибинних властивостей матерії, зокрема пояснити явище надпровідності та надтекучості, особливості газів, рідин і твердих тіл, – як кристалічних, так і аморфних. Вона стала теоретичною основою сучасної мікроелектроніки, лазерної техніки, атомної і ядерної фізики.
Мал. 9.8. Квантова модель атома Гідрогену.
Підведемо підсумки
– Найбільші відкриття у фізиці ХХ століття зроблені в галузі атомної і ядерної фізики.
– Прогрес у створенні фізичних теорій привів до виникнення нових галузей техніки і технології.
– Створення лазерів створило нові можливості застосування світлової енергії.
– Квантова механіка і теорія відносності стали інженерними науками.
Творчі завдання
9.1. Чим антиречовина відрізняється від речовини?
9.2. Як працює система GPS?
9.3. Чим антиречовина відрізняється від речовини?
9.4. Як мобільний телефон з’єднує вас з іншим абонентом?
9.5. Напишіть реферат на тему: “Транспорт на магнітній подушці”.
Вправа 9
1. Який вплив на сучасну енергетику має ядерна фізика?
2. На яких небесних тілах побували космічні апарати?
3. Перелічіть вчених, які внесли свій вклад у створення радіозв’язку
4. Перелічіть пристрої, в яких використовуються транзистори і мікросхеми.
5. Які прилади дають можливість бачити атоми і молекули?
6. Приведіть приклади застосування лазерів.
7. Яка теорія передбачила відхилення світла біля масивних тіл?
8. Які явища пояснює квантова механіка?
9. Укажіть область застосування нанотехнологій.
10. Товщина волосини приблизно 0,1 мм. Якими стануть розміри волосини (в км) і атома Гідрогену (в см), якщо їх збільшити в мільярд разів?
11. Що треба зробити з графітом, щоб він перетворився на алмаз?
12. Наведіть приклади практичної вигоди від розуміння атомно-молекулярної будови речовини.
13. Звідки приймає телепрограми “тарілка”?
14. Назвіть основну деталь комп’ютера, яка керує всією його роботою.
15. Які промені використовують при флюорографії?
16. Який рекорд швидкості потягу на магнітній підвісці?
(1 votes, average: 5.00 out of 5)
Loading...