Опишите два три примера применения физических открытий: Помогите!Буду благодарен!1)опишите два-три примера применения физических открытий

Белорусский государственный университет транспорта — БелГУТ (БИИЖТ)

Регистрация на конференцию ИТЭС

Регистрация на конференцию «Актуальные проблемы теории и практики современной науки»

Регистрация на конференцию «Архитектура и строительство: традиции и инновации»

Как поступить в БелГУТ

Как получить место

в общежитии БелГУТа

Как поступить иностранному гражданину

События

Все события

ПнВтСрЧтПтСбВс

1

2

3

4

5

Дата :

2022-11-05

6

Дата :

2022-11-06

7

8

Дата :

2022-11-08

9

10

11

12

Дата :

2022-11-12

13

14

15

16

Дата :

2022-11-16

17

Дата :

2022-11-17

18

19

Дата :

2022-11-19

20

21

Дата :

2022-11-21

22

23

24

Дата :

2022-11-24

25

Дата :

2022-11-25

26

Дата :

2022-11-26

27

28

Дата :

2022-11-28

29

30


Все анонсы

  • Набор в Студенческий совет БелГУТа . ..
  • Кастинг видеоблогеров, теле- и радиоведущих…
  • Республиканская викторина «Я хочу быть таможеннико…
  • Билеты на премьерный спектакль «451° по Фаренгейту…
  • Финал игр спартакиады по мини-футболу…
  • ПРОГРАММА. XII Международная научно-практическая к…
  • Приглашаем в бассейн
  • V Международная научно-практическая конференция ст…
  • Олимпиада по высшей математике для студентов…
  • Навстречу Дню освобождения г. Гомеля от немецко-…

Анонсы

Университет

Абитуриентам

Студентам

Конференции

Приглашения


Набор в Студенческий совет БелГУТа …


Кастинг видеоблогеров, теле- и радиоведущих…


Республиканская викторина «Я хочу быть таможеннико…


Билеты на премьерный спектакль «451° по Фаренгейту…

Новости

Университет

Международные связи

Спорт

Воспитательная работа

Жизнь студентов

Новости подразделений



  • Университет


79 лет освобождения Гомеля. Митинг у Вечного огня…
27 ноября 2022

  • Студенческая жизнь


Молодежь БелГУТа и СамГУПСа — обмен опытом…
25 ноября 2022

  • Студенческая жизнь


Активисты БРСМ БелГУТа на открытом диалоге «Нам мир завешано беречь»…
25 ноября 2022

  • Воспитательная работа


Митинг в Гомельском колледже-филиале БелГУТа…
25 ноября 2022

  • Университет


Круглый стол «Об изменениях Закона Республики Беларусь «О железнодорож…
25 ноября 2022

  • Университет


Митинг на «Аллее героев»
25 ноября 2022


Работа секции № 5 «Безопасность транспортной инфраструктуры». ..
25 ноября 2022

  • Университет


Работа секции № 6 «Надежность и безопасность зданий и сооружений»…
25 ноября 2022

  • Университет


XII Международная научно-практическая конференция «Проблемы безопаснос…
24 ноября 2022


Другие новости

  • Студенты читают свои стихи, посвященные Дню освобождения Гомеля…
  • Открытый диалог в канун празднования 79-й годовщины освобождения город…
  • «Пойти и не вернуться»
  • История страны – это наша история, история каждого из нас…
  • Лауреаты конкурса «Лучшая научная работа 2022»…
  • Студотряды БелГУТа — лучшие студотряды Гомельской области…
  • У памятника братьям Лизюковым
  • Материалы XII Международной научно-практической конференции «Проблемы . ..
  • В музыке не существует границ
  • Телемост двух государств «Поезд памяти»…
  • Встреча ректора БелГУТа с коллективом локомотивного депо Гомель…

КУДА ПОСТУПАТЬ

Все факультеты

БелГУТ на Доске почета

Достижения университета

Предложения

Все предложения

Видеотека

Все видео

Фотогалерея

Все фото

какие физические явления мы наблюдаем прямо за завтраком

Ежедневно мы проводим на кухне 1-2 часа. Кто-то меньше, кто-то больше. При этом мы редко задумываемся о физических явлениях, когда готовим завтрак, обед или ужин. А ведь большей их концентрации в бытовых условиях, чем на кухне, в квартире и быть не может. Поэтому опыты по физике на кухне — хорошая возможность объяснить законы этой науки детям!

Тим Скоренко

1. Диффузия

С этим физическим явлением на кухне мы сталкиваемся постоянно. Его название образовано от латинского diffusio — взаимодействие, рассеивание, распространение. Это процесс взаимного проникновения молекул или атомов двух граничащих веществ. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения тела (объему), и разности концентраций, температур смешиваемых веществ. Если есть разница температуры, то она задает направление распространения (градиент) — от горячего к холодному. В итоге происходит самопроизвольное выравнивание концентраций молекул или атомов.

На кухне это физическое явление можно наблюдать при распространении запахов. Благодаря диффузии газов, сидя в другой комнате, можно понять, что готовится. Как известно, природный газ не имеет запаха, и к нему примешивают добавку, чтобы легче было обнаружить утечку бытового газа. Резкий неприятный запах добавляет одорант, например, этилмеркаптан. Если с первого раза конфорка не загорелась, то мы можем чувствовать специфический запах, который с детства мы знаем, как запах бытового газа.

А если бросить в кипяток крупинки чая или заварной пакетик и не размешивать, то можно увидеть, как распространяется чайный настой в объеме чистой воды. Это диффузия жидкостей. Хорошей иллюстрацией физики на кухне — диффузии в твердом теле — может быть засолка помидоров, огурцов, грибов или капусты. Кристаллы соли в воде распадаются на ионы Na и Cl, которые, хаотически двигаясь, проникают между молекулами веществ в составе овощей или грибов.

2. Смена агрегатного состояния

Мало кто из нас замечал, что в оставленном стакане с водой через несколько дней испаряется такая же часть воды при комнатной температуре, как и при кипячении в течение 1−2 минут. А замораживая продукты или воду для кубиков льда в холодильнике, мы не задумываемся, как это происходит. Между тем, эти самые обыденные и частые кухонные явления легко объясняются физикой. Жидкость обладает промежуточным состоянием между твердыми веществами и газами. При температурах, отличных от кипения или замерзания, силы притяжения между молекулами в жидкости не так сильны или слабы, как в твердых веществах и в газах. Поэтому, например, только получая энергию (от солнечных лучей, молекул воздуха комнатной температуры) молекулы жидкости с открытой поверхности постепенно переходят в газовую фазу, создавая над поверхностью жидкости давление пара. Скорость испарения растет при увеличении площади поверхности жидкости, повышении температуры, уменьшении внешнего давления. Если температуру повышать, то давление пара этой жидкости достигает внешнего давления. Температуру, при которой это происходит, называют температурой кипения. Температура кипения снижается при уменьшении внешнего давления. Поэтому в горной местности вода закипает быстрее.

И наоборот, молекулы воды при понижении температуры теряют кинетическую энергию до уровня сил притяжения между собой. Они уже не двигаются хаотично, что позволяет образоваться кристаллической решетке как у твердых тел. Температура 0 °C, при которой это происходит, называется температурой замерзания воды. При заморозке вода расширяется. Многие могли познакомиться с таким физическим явлением на кухне, когда помещали пластиковую бутылку с напитком в морозилку для быстрого охлаждения и забывали об этом, а после бутылку распирало. При охлаждении до температуры 4 °C сначала наблюдается увеличение плотности воды, при которой достигается ее максимальная плотность и минимальный объем. Затем при температуре от 4 до 0 °C происходит перестройка связей в молекуле воды, и ее структура становится менее плотной. При температуре 0 °C жидкая фаза воды меняется на твердую. После полного замерзания воды и превращения в лед ее объем вырастает на 8,4%, что и приводит к распиранию пластиковой бутылки. Содержание жидкости во многих продуктах мало, поэтому они при заморозке не так заметно увеличиваются в объеме.

3. Абсорбция и адсорбция

Эти два почти неразделимых физических явления, которые получили свое название от латинского sorbeo (поглощать), на кухне наблюдаются, например, при нагревании воды в чайнике или кастрюле. Газ, не действующий химически на жидкость, может, тем не менее, поглощаться ею при соприкосновении с ней. Такое явление называется абсорбцией. При поглощении газов твердыми мелкозернистыми или пористыми телами большая их часть плотно скапливается и удерживается на поверхности пор или зерен и не распределяется по всему объему. В этом случае процесс называют адсорбцией. Эти явления можно наблюдать при кипячении воды — со стенок кастрюли или чайника при нагревании отделяются пузырьки. Воздух, выделяемый из воды, содержит 63% азота и 36% кислорода. А в целом атмосферный воздух содержит 78% азота и 21% кислорода.

Поваренная соль в незакрытой емкости может стать влажной из-за своих гигроскопических свойств — поглощения из воздуха водяного пара. А сода выступает в качестве адсорбента, когда ее ставят в холодильник для удаления запаха.

4. Проявление закона Архимеда

Приготовившись сварить курицу, мы наполняем кастрюлю водой примерно наполовину или на ¾ в зависимости от размера курицы. Погружая тушку в кастрюлю с водой, мы замечаем, что вес курицы в воде заметно уменьшается, а вода поднимается к краям кастрюли.

Это физическое явление объясняется выталкивающей силой или законом Архимеда. В этом случае на тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме погруженной части тела. Эта сила называется силой Архимеда, как и сам физический закон, объясняющий это явление.

5. Поверхностное натяжение

Многие помнят опыты с пленками жидкостей, которые показывали на уроках физики в школе. Небольшую проволочную рамку с одной подвижной стороной опускали в мыльную воду, а затем вытаскивали. Силы поверхностного натяжения в образовавшейся по периметру пленке поднимали нижнюю подвижную часть рамки. Чтобы сохранить ее неподвижной, к ней подвешивали грузик при повторном проведении опыта. Это же физическое явление можно наблюдать и на вашей кухне в дуршлаге — после использования в дырочках дна этой кухонной посуды остается вода. Такое же явление можно наблюдать после мойки вилок — на внутренней поверхности между некоторыми зубьями также есть полоски воды.

Физика жидкостей объясняет это явление так: молекулы жидкости настолько близки друг к другу, что силы притяжения между ними создают поверхностное натяжение в плоскости свободной поверхности. Если сила притяжения молекул воды пленки жидкости слабее силы притяжения к поверхности дуршлага, то водная пленка разрывается. Также силы поверхностного натяжения заметны, когда мы будем сыпать в кастрюлю с водой крупу или горох, бобы, или добавлять круглые крупинки перца. Некоторые зерна останутся на поверхности воды, тогда как большинство под весом остальных опустятся на дно. Если кончиком пальца или ложкой слегка надавить на плавающие крупинки, то они преодолеют силу поверхностного натяжения воды и опустятся на дно.

6. Смачивание и растекание

Вот еще одно знакомое всем физическое явление, которое можно наблюдать на кухне: на плите с жировой пленкой пролитая жидкость может образовать маленькие пятна, а на столе — одну лужицу. Все дело в том, что молекулы жидкости в первом случае сильнее притягиваются друг к другу, чем к поверхности плиты, где есть несмачиваемая водой жировая пленка, а на чистом столе притяжение молекул воды к молекулам поверхности стола выше, чем притяжение молекул воды между собой. В результате лужица растекается.

Это явление также относится к физике жидкостей и связано с поверхностным натяжением. Как известно, мыльный пузырь или капли жидкости имеют шарообразную форму из-за сил поверхностного натяжения. В капле молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильней, чем к молекулам газа, и стремятся внутрь капли жидкости, уменьшая площадь ее поверхности. Но, если есть твердая смачиваемая поверхность, то часть капли при соприкосновении растягивается по ней, потому что молекулы твердого тела притягивают молекулы жидкости, и эта сила превосходит силу притяжения между молекулами жидкости. Степень смачивания и растекание по твердой поверхности будет зависеть от того, какая сила больше — сила притяжения молекул жидкости и молекул твердого тела между собой или сила притяжения молекул внутри жидкости.

Это физическое явление с 1938 года широко стали использовать в промышленности, в производстве бытовых товаров, когда в лаборатории компании DuPont был синтезирован материал Teflon (политетрафлуороэтилен). Его свойства используются не только в изготовлении посуды с антипригарным покрытием, но и в производстве непромокаемых, водоотталкивающих тканей и покрытий для одежды и обуви. Teflon отмечен в «Книге рекордов Гинесса» как самая скользкая субстанция в мире. Он имеет очень низкие поверхностное натяжение и адгезию (прилипание), не смачивается ни водой, ни жирами, ни многими органическими растворителями.

7. Теплопроводность

Одно из самых частых физических явлений на кухне, которое мы можем наблюдать — это нагрев чайника или воды в кастрюле. Теплопроводность — это передача теплоты через движение частиц, когда есть разница (градиент) температуры. Среди видов теплопроводности есть и конвекция. В случае одинаковых веществ, у жидкостей теплопроводность меньше, чем у твердых тел, и больше по сравнению с газами. Теплопроводность газов и металлов возрастает с повышением температуры, а жидкостей — уменьшается. С конвекцией мы сталкиваемся постоянно, помешиваем ли мы ложкой суп или чай, или открываем окно, или включаем вентиляцию для проветривания кухни. Конвекция — от латинского convectiō (перенесение) — вид теплообмена, когда внутренняя энергия газа или жидкости передается струями и потоками. Различают естественную конвекцию и принудительную. В первом случае слои жидкости или воздуха сами перемешиваются при нагревании или остывании. А во втором случае — происходит механическое перемешивание жидкости или газа — ложкой, вентилятором или иным способом.

8. Электромагнитное излучение

У многих людей на кухне есть микроволновка. И она тоже работает на основе физических явлений. Микроволновку иногда называют сверхвысокочастотной печью, или СВЧ-печью. Основной элемент каждой микроволновки — магнетрон, который преобразует электрическую энергию в сверхвысокочастотное электромагнитное излучение частотой до 2,45 гигагерц (ГГц). Излучение разогревает еду, взаимодействуя с ее молекулами. В продуктах есть дипольные молекулы, содержащие на противоположных своих частях положительные электрические и отрицательные заряды. Это молекулы жиров, сахара, но больше всего дипольных молекул в воде, которая содержится почти в любом продукте. СВЧ-поле, постоянно меняя свое направление, заставляет с высокой частотой колебаться молекулы, которые выстраиваются вдоль силовых линий так, что все положительные заряженные части молекул «смотрят», то в одну, то в другую сторону. Возникает молекулярное трение, выделяется энергия, что и нагревает пищу.

9. Индукция

На кухне все чаще можно встретить индукционные плиты, в основе работы которых заложено это физическое явление. Английский физик Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию в 1831 году и с тех пор без нее невозможно представить нашу жизнь. Фарадей обнаружил возникновение электрического тока в замкнутом контуре из-за изменения магнитного потока, проходящего через этот контур. Известен школьный опыт, когда плоский магнит перемещается внутри спиралеобразного контура из проволоки (соленоида), и в ней появляется электрический ток. Есть и обратный процесс — переменный электроток в соленоиде (катушке) создает переменное магнитное поле.

По такому же принципу работает и современная индукционная плита. Под стеклокерамической нагревательной панелью (нейтральна к электромагнитным колебаниям) такой плиты находится индукционная катушка, по которой течет электроток с частотой 20−60 кГц, создавая переменное магнитное поле, наводящее вихревые токи в тонком слое (скин-слое) дна металлической посуды. Из-за электрического сопротивления посуда нагревается. Эти токи не более опасны, чем раскаленная посуда на обычных плитах. Но чтобы это физическое явление запустилось, посуда должна быть стальной или чугунной, обладающей ферромагнитными свойствами (притягивать магнит).

10. Преломление света

Угол падения света равен углу отражения, а распространение естественного света или света от ламп объясняется двойственной, корпускулярно-волновой природой: с одной стороны — это электромагнитные волны, а с другой — частицы-фотоны, которые двигаются с максимально возможной во Вселенной скоростью. На кухне можно наблюдать такое оптическое явление, как преломление света. Например, когда на кухонном столе стоит прозрачная ваза с цветами, то стебли в воде как бы смещаются на границе поверхности воды относительно своего продолжения вне жидкости. Дело в том, что вода, как линза, преломляет лучи света, отраженные от стеблей в вазе.

1.1 Физика: определения и приложения

Цели обученияЧто такое физикаФизика: прошлое и настоящееПрименение физикиПроверьте свое понимание

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

  • Описывать определение, цели и разделы физики
  • Описывать и отличать классическую физику от современной физики, а также описывать важность теории относительности, квантовой механики и релятивистской квантовой механики в современной физике
  • Опишите, как аспекты физики используются в других науках (например, в биологии, химии, геологии и т. д.), а также в повседневных технологиях
Основные термины раздела
атом классическая физика современная физика
физика квантовая механика теория относительности

Что такое физика

Подумайте обо всех технологических устройствах, которые вы используете на регулярной основе. На ум могут прийти компьютеры, беспроводной интернет, смартфоны, планшеты, глобальная система позиционирования (GPS), MP3-плееры и спутниковое радио. Затем подумайте о самых захватывающих современных технологиях, о которых вы слышали в новостях, таких как поезда, парящие над рельсами, 9плащи-невидимки 0041 , преломляющие вокруг себя свет, и микроскопические роботы, которые борются с больными клетками в наших телах. Все эти новаторские достижения основаны на принципах физики.

Физика — это отрасль науки. Слово наука происходит от латинского слова, которое означает обладание знаниями и относится к знаниям о том, как работает физический мир, основанным на объективных данных, полученных посредством наблюдений и экспериментов. Ключевое требование любого научного объяснения природного явления состоит в том, что оно должно быть проверяемым; нужно быть в состоянии разработать и провести экспериментальное исследование, которое либо поддерживает, либо опровергает объяснение. Важно отметить, что некоторые вопросы выходят за рамки науки именно потому, что они касаются явлений, не поддающихся научной проверке. Эта потребность в объективных доказательствах помогает определить исследовательский процесс, которому следуют ученые, который будет описан далее в этой главе.

Физика — это наука, направленная на описание фундаментальных аспектов нашей Вселенной. Это включает в себя то, что в нем находится, какие свойства этих вещей заметны и какие процессы проходят эти вещи или их свойства. Проще говоря, физика пытается описать основные механизмы, которые заставляют нашу Вселенную вести себя так, как она ведет себя. Например, рассмотрим смартфон (рис. 1.2). Физика описывает, как электрический ток взаимодействует с различными цепями внутри устройства. Эти знания помогают инженерам выбирать подходящие материалы и компоновку схемы при создании смартфона. Далее рассмотрим GPS. Физика описывает взаимосвязь между скоростью объекта, расстоянием, которое он преодолевает, и временем, затрачиваемым на преодоление этого расстояния. Когда вы используете устройство GPS в автомобиле, оно использует эти физические отношения для определения времени в пути из одного места в другое.

Рисунок 1.2. Физика описывает способ прохождения электрического заряда по цепям этого устройства. Инженеры используют свои знания физики для создания смартфона с функциями, которые понравятся потребителям, например, с функцией GPS. GPS использует уравнения физики для определения времени движения между двумя точками на карте. (@gletham GIS, Social, Mobile Tech Images)

По мере развития нашей технологии на протяжении столетий физика расширилась на множество областей. Древние люди могли изучать только то, что они могли увидеть невооруженным глазом или иным образом испытать без помощи научного оборудования. Это включало изучение кинематики, то есть изучение движущихся объектов. Например, древние люди часто изучали видимое движение объектов на небе, таких как солнце, луна и звезды. Это видно по строительству доисторических астрономических обсерваторий, таких как Стоунхендж в Англии (показан на рис. 1.3).

 

Рисунок 1.3 Стоунхендж – памятник, расположенный в Англии, построенный между 3000 и 1000 годами до н.э. Он функционирует как древняя астрономическая обсерватория, при этом некоторые камни в памятнике совпадают с положением солнца во время летнего и зимнего солнцестояния. Другие камни соответствуют восходу и заходу луны в определенные дни года. (Ситипик, Викисклад)

Древние люди также изучали статику и динамику, которые сосредотачиваются на том, как объекты начинают двигаться, прекращают движение и меняют скорость и направление в ответ на силы, которые толкают или тянут объекты. Этот ранний интерес к кинематике и динамике позволил людям изобрести простые механизмы, такие как рычаг, шкив, пандус и колесо. Эти простые машины постепенно объединялись и интегрировались для производства более сложных машин, таких как вагоны и краны. Машины позволили людям постепенно выполнять больше работы более эффективно за меньшее время, что позволило им создавать более крупные и сложные здания и сооружения, многие из которых сохранились до наших дней с древних времен.

По мере развития технологий разделы физики еще больше диверсифицировались. К ним относятся такие разделы, как акустика, учение о звуке, и оптика, учение о свете. В 1608 году изобретение телескопа немецким изготовителем очков Гансом Липперши привело к огромному прорыву в астрономии — изучении объектов или явлений в космосе. Через год, в 1609 году, Галилео Галилей начал первые исследования Солнечной системы и Вселенной с помощью телескопа. В эпоху Возрождения Исаак Ньютон использовал наблюдения Галилея, чтобы построить свои три закона движения. Эти законы и сегодня были стандартом для изучения кинематики и динамики.

Другой крупной отраслью физики является термодинамика, которая включает в себя изучение тепловой энергии и переноса тепла. Джеймс Прескотт Джоуль, английский физик, изучал природу тепла и его связь с работой. Работа Джоуля помогла заложить основу для первого из трех законов термодинамики, описывающих, как энергия в нашей Вселенной передается от одного объекта к другому или преобразуется из одной формы в другую. Исследования в области термодинамики были мотивированы необходимостью повышения эффективности двигателей, защиты людей от непогоды и сохранения продуктов питания.

18 и 19 века также ознаменовались большими успехами в изучении электричества и магнетизма. Электричество включает в себя изучение электрических зарядов и их движения. Магнетизм давно был замечен как сила притяжения между намагниченным объектом и металлом, подобным железу, или между противоположными полюсами (северным и южным) двух намагниченных объектов. В 1820 году датский физик Ганс Христиан Эрстед показал, что электрические токи создают магнитные поля. В 1831 году английский изобретатель Майкл Фарадей показал, что перемещение провода через магнитное поле может индуцировать электрический ток. Эти исследования привели к изобретениям электродвигателя и электрогенератора, которые произвели революцию в человеческой жизни, привнеся электричество и магнетизм в наши машины.

Конец 19 -го -го века ознаменовался открытием радиоактивных веществ французскими учеными Марией и Пьером Кюри. Ядерная физика занимается изучением ядер атомов, источников ядерных излучений. В 20 -м -м веке изучение ядерной физики в конечном итоге привело к способности расщеплять ядро ​​атома, процесс, называемый ядерным делением. Этот процесс лежит в основе атомных электростанций и ядерного оружия. Кроме того, в области квантовой механики, включающей в себя механику атомов и молекул, в 20 9 г. были достигнуты большие успехи.0067-й -й век, когда расширилось наше понимание атомов и субатомных частиц (см. ниже).

В начале 20 -го -го века Альберт Эйнштейн произвел революцию в нескольких разделах физики, особенно в теории относительности. Как описано далее в этой главе, теория относительности произвела революцию в нашем понимании движения и Вселенной в целом. Сейчас, в 21 -м -м веке, физики продолжают изучать эти и многие другие разделы физики.

Изучая наиболее важные темы в физике, вы приобретете аналитические способности, которые позволят вам применять физику далеко за пределы того, что можно включить в одну книгу. Эти аналитические способности помогут вам преуспеть в учебе, а также помогут вам критически мыслить в любой карьере, которую вы выберете.

Физика: прошлое и настоящее

Считается, что слово «физика» происходит от греческого слова phusis , означающего «природа». Позднее изучение природы стало называться натурфилософией . С древних времен до эпохи Возрождения натурфилософия охватывала многие области, включая астрономию, биологию, химию, математику и медицину. За последние несколько столетий рост научного знания привел к все большей специализации и разветвлению натурфилософии на отдельные области, при этом физика сохранила самые основные грани. Физика в ее развитии от эпохи Возрождения до конца XIX в.-й -й век, называется классической физикой. Революционные открытия, сделанные в начале 20 века, превратили физику из классической в ​​современную физику.

Классическая физика не является точным описанием Вселенной, но является прекрасным приближением при следующих условиях: (1) материя должна двигаться со скоростью менее примерно 1 процента скорости света, (2) объекты, с которыми мы имеем дело должно быть достаточно большим, чтобы его можно было увидеть невооруженным глазом, и (3) может быть задействована только слабая гравитация, такая как создаваемая Землей. Очень маленькие объекты, такие как атомы и молекулы, не могут быть адекватно объяснены классической физикой. Эти три условия применимы почти ко всему повседневному опыту. В результате большинство аспектов классической физики должны иметь смысл на интуитивном уровне.

Многие законы классической физики были изменены в течение 20 го века, что привело к революционным изменениям в технологии, обществе и нашем видении Вселенной. В результате многие аспекты современной физики, выходящие за рамки нашего повседневного опыта, могут показаться странными или невероятными. Так почему же большая часть этого учебника посвящена классической физике? Есть две основные причины. Во-первых, знание классической физики необходимо для понимания современной физики. Вторая причина заключается в том, что классическая физика по-прежнему дает точное описание Вселенной в широком диапазоне повседневных обстоятельств.

Современная физика включает в себя две революционные теории: теорию относительности и квантовую механику. Эти теории имеют дело с очень быстрыми и очень маленькими соответственно. Теория относительности была разработана Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Изучив, как два наблюдателя, движущиеся относительно друг друга, увидят одни и те же явления, Эйнштейн разработал радикально новые идеи о времени и пространстве. Он пришел к поразительному выводу, что измеренная длина объекта, движущегося с высокой скоростью (более одного процента скорости света), короче, чем длина того же объекта, измеренного в состоянии покоя. Возможно, еще более странной является идея о том, что время для одного и того же процесса различно в зависимости от движения наблюдателя. Время течет медленнее для объекта, движущегося с высокой скоростью. Путешествие к ближайшей звездной системе Альфа Центавра может занять у астронавта 4,5 земных года, если корабль движется со скоростью, близкой к скорости света. Однако, поскольку время замедляется на более высоких скоростях, астронавт за время полета состарится всего на 0,5 года. Идеи Эйнштейна об относительности были приняты после того, как они были подтверждены многочисленными экспериментами.

Гравитация, сила, удерживающая нас на Земле, также может влиять на время и пространство. Например, на поверхности Земли время течет медленнее, чем для объектов, находящихся дальше от поверхности, таких как спутник на орбите. Очень точные часы на спутниках глобального позиционирования должны это учитывать. Они медленно продолжают опережать время на поверхности Земли. Это называется замедлением времени и происходит потому, что гравитация, по сути, замедляет время.

Крупные объекты, такие как Земля, обладают достаточно сильной гравитацией, чтобы искажать пространство. Чтобы визуализировать эту идею, представьте шар для боулинга, помещенный на батут. Шар для боулинга вдавливает или искривляет поверхность батута. Если вы прокатите шарик по батуту, он будет следовать по поверхности батута, катиться в углубление, созданное шаром для боулинга, и ударяться о мяч. Точно так же Земля искривляет пространство вокруг себя в форме воронки. Эти кривые в пространстве из-за Земли вызывают притяжение объектов к Земле (т. Е. Гравитацию).

Из-за того, как гравитация влияет на пространство и время, Эйнштейн заявил, что гравитация влияет на пространственно-временной континуум, как показано на рис. 1.4. Вот почему время на поверхности Земли течет медленнее, чем на орбите. В черных дырах, гравитация которых в сотни раз превышает земную, время течет так медленно, что далекому наблюдателю может показаться, что оно остановилось!

Рис. 1.4 Теория относительности Эйнштейна описывает пространство и время как переплетенную сеть. Большие объекты, такие как планета, искажают пространство, заставляя объекты падать на планету из-за действия гравитации. Большие объекты также искажают время, заставляя время течь медленнее у поверхности Земли по сравнению с областью вне искаженной области пространства-времени.

Подводя итог, теория относительности говорит, что при описании Вселенной важно осознавать, что время, пространство и скорость не являются абсолютными. Вместо этого они могут выглядеть по-разному для разных наблюдателей. Способность Эйнштейна рассуждать относительно относительности еще более удивительна, потому что мы не можем видеть влияние относительности в нашей повседневной жизни.

Квантовая механика — вторая крупная теория современной физики. Квантовая механика имеет дело с очень маленькими, а именно с субатомными частицами, из которых состоят атомы. Атомы (рис. 1.5) — мельчайшие единицы элементов. Однако сами атомы состоят из еще более мелких субатомных частиц, таких как протоны, нейтроны и электроны. Квантовая механика стремится описать свойства и поведение этих и других субатомных частиц. Часто эти частицы ведут себя не так, как ожидалось в классической физике. Одна из причин этого заключается в том, что они достаточно малы, чтобы двигаться с большими скоростями, близкими к скорости света.

Рис. 1.5 С помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) ученые могут увидеть отдельные атомы, из которых состоит этот лист золота. (Erwinrossen)

На коллайдерах частиц (рис. 1. 6), таких как Большой адронный коллайдер на французско-швейцарской границе, физики элементарных частиц могут заставить субатомные частицы двигаться с очень высокой скоростью в сверхпроводящем туннеле длиной 27 километров (17 миль). Затем они могут изучать свойства частиц на высоких скоростях, а также сталкивать их друг с другом, чтобы увидеть, как они обмениваются энергией. Это привело ко многим интригующим открытиям, таким как частица бозона Хиггса, которая придает материи свойство массы, и антиматерия, которая вызывает огромное выделение энергии при контакте с материей.

Рис. 1.6 Коллайдеры частиц, такие как Большой адронный коллайдер в Швейцарии или Фермилаб в США (на фото), имеют длинные туннели, которые позволяют разгонять субатомные частицы почти до скорости света. (Andrius.v )

В настоящее время физики пытаются объединить две теории современной физики, теорию относительности и квантовую механику, в единую всеобъемлющую теорию, называемую релятивистской квантовой механикой. Связь поведения субатомных частиц с гравитацией, временем и пространством позволит нам объяснить, как устроена Вселенная, гораздо более всеобъемлющим образом.

Применение физики

Вам не нужно быть ученым, чтобы использовать физику. Наоборот, знание физики полезно как в повседневных ситуациях, так и в ненаучных профессиях. Например, физика может помочь вам понять, почему нельзя класть металл в микроволновую печь (рис. 1.7), почему черный автомобильный радиатор помогает отводить тепло от автомобильного двигателя и почему белая крыша помогает сохранять прохладу внутри дома. Работу системы зажигания автомобиля, а также передачу электрических сигналов через нашу нервную систему гораздо легче понять, если подумать о них с точки зрения основ физики электричества.

Рисунок 1.7 Почему нельзя класть металл в микроволновку? Микроволны — это высокоэнергетическое излучение, которое увеличивает движение электронов в металле. Эти движущиеся электроны могут создавать электрический ток, вызывая искрение, которое может привести к пожару. (= МаниБлогНьюз)

Физика является основой многих важных научных дисциплин. Например, химия занимается взаимодействием атомов и молекул. Неудивительно, что химия уходит своими корнями в атомную и молекулярную физику. Большинство отраслей техники также относятся к прикладной физике. В архитектуре физика лежит в основе определения структурной устойчивости, акустики, отопления, освещения и охлаждения зданий. Части геологии, изучение неживых частей Земли, в значительной степени зависят от физики; включая радиоактивное датирование, анализ землетрясений и теплоперенос по поверхности Земли. Действительно, некоторые дисциплины, такие как биофизика и геофизика, являются гибридами физики и других дисциплин.

Физика также описывает химические процессы, которые приводят в действие человеческое тело. Физика участвует в медицинской диагностике, такой как рентген, магнитно-резонансная томография (МРТ) и ультразвуковые измерения кровотока (рис. 1.8). Медицинская терапия Физика также имеет множество применений в биологии, изучении жизни. Например, физика описывает, как клетки могут защитить себя, используя свои клеточные стенки и клеточные мембраны (рис. 1.9). Медицина иногда напрямую связана с физикой, например, при использовании рентгеновских лучей для диагностики состояния здоровья. Физика также может объяснить, что мы воспринимаем с помощью органов чувств, например, как уши воспринимают звук или как глаза различают цвет.

Рис. 1.8 Магнитно-резонансная томография (МРТ) использует электромагнитные волны для получения изображения мозга, которое врачи могут использовать для обнаружения пораженных участков. (Рашми Чавла, Дэниел Смит и Пол Э. Марик)

Рисунок 1.9 Физика, химия и биология помогают описать свойства клеточных стенок в растительных клетках, таких как показанные здесь клетки лука. (Умберто Сальвагнин)

Безграничная физика

Физика посадки на комету

12 ноября 2014 года космический аппарат Европейского космического агентства Rosetta (показан на рис. 1.10) первым в истории достиг кометы и вышел на ее орбиту. Вскоре после этого марсоход Розетты Philae приземлился на комету, что стало первым случаем, когда люди посадили космический зонд на комету.

Рис. 1.10 Космический корабль «Розетта» с его большими революционными солнечными панелями доставил посадочный модуль Philae к комете. Затем посадочный модуль отделился и приземлился на поверхность кометы. (Европейское космическое агентство)

Преодолев 6,4 миллиарда километров с момента запуска на Землю, «Розетта» приземлилась на комете 67P/Чурюмова-Герасименко, ширина которой составляет всего 4 километра. Физика была необходима, чтобы успешно проложить курс для достижения такой маленькой, далекой и быстро движущейся цели. Путь Розетты к комете не был прямым. Зонд сначала должен был отправиться на Марс, чтобы гравитация Марса могла ускорить его и отклонить в точном направлении кометы.

Это был не первый случай, когда люди использовали гравитацию для питания наших космических кораблей. «Вояджер-2», космический зонд, запущенный в 1977 году, использовал гравитацию Сатурна для рогатки к Урану и Нептуну (показаны на рис. 1.11), сделав первые когда-либо сделанные снимки этих планет. Сейчас, спустя почти 40 лет после запуска, «Вояджер-2» находится на самом краю нашей Солнечной системы и вот-вот выйдет в межзвездное пространство. Его родственный корабль «Вояджер-1» (показан на рис. 1.11), который также был спущен на воду в 1977 уже есть.

Чтобы послушать звуки межзвездного пространства или увидеть изображения, переданные с «Вояджера-1», или узнать больше о миссии «Вояджер», посетите веб-сайт миссии «Вояджер».

Рис. 1.11 а) «Вояджер-2», запущенный в 1977 г., использовал гравитацию Сатурна, чтобы переброситься к Урану и Нептуну. НАСА б) Изображение «Вояджера-1», первого космического зонда, когда-либо покинувшего нашу солнечную систему и вошедшего в межзвездное пространство. НАСА

Оба «Вояджера» имеют генераторы электроэнергии, основанные на распаде радиоизотопов. Эти генераторы прослужили им почти 40 лет. Rosetta, с другой стороны, питается от солнечной энергии. По сути, «Розетта» стала первым космическим зондом, который вышел за пределы пояса астероидов, полагаясь только на солнечные батареи для выработки электроэнергии.

Находясь в 800 миллионах километров от Солнца, Розетта получает солнечный свет, интенсивность которого всего на 4 процента меньше, чем на Земле. Кроме того, в космосе очень холодно. Поэтому много физики ушло на разработку малоинтенсивных низкотемпературных солнечных элементов Розетты.

В этом смысле проект «Розетта» прекрасно демонстрирует огромный спектр тем, охватываемых физикой: от моделирования движения гигантских планет на огромные расстояния в пределах наших солнечных систем до изучения способов получения электроэнергии из малоинтенсивного света. Физика, безусловно, самая обширная область науки.

Проверка хватки

Какие характеристики Солнечной системы необходимо знать или рассчитать, чтобы отправить зонд на далекую планету, например Юпитер?

  1. эффекты, вызванные светом далеких звезд
  2. эффекты воздуха в Солнечной системе
  3. эффекты гравитации с других планет
  4. последствия космического микроволнового фонового излучения

Таким образом, физика изучает многие из самых основных аспектов науки. Поэтому знание физики необходимо для понимания всех других наук. Это потому, что физика объясняет самые основные принципы работы нашей Вселенной. Однако нет необходимости формально изучать все приложения физики. Знание основных законов физики будет наиболее полезным для вас, чтобы вы могли использовать их для решения некоторых повседневных задач. Таким образом, изучение физики может улучшить ваши навыки решения задач.

Проверьте свое понимание

Упражнение 1

Что из следующего является не существенным признаком научных объяснений?

  1. Они должны быть проверены.
  2. Они строго относятся к физическому миру.
  3. Об их достоверности судят на основе объективных наблюдений.
  4. После того, как они подкреплены наблюдениями, их можно рассматривать как факт.

Правильный ответ (г). В то время как научное объяснение может быть поддержано всеми доступными свидетельствами в определенный момент времени, наука никогда не исключает возможности того, что некоторые будущие наблюдения могут противоречить объяснению, требуя модификации существующего объяснения или совершенно нового объяснения.

Упражнение 2

Какой из следующих вопросов , а не представляет собой вопрос, на который наука может ответить?

  1. Сколько энергии высвобождается в данной цепной ядерной реакции?
  2. Можно ли контролировать цепную ядерную реакцию?
  3. Следует ли использовать неконтролируемые ядерные реакции в военных целях?
  4. Каков период полураспада побочного продукта ядерной реакции?

Правильный ответ (с). Решение о том, следует ли использовать неконтролируемые ядерные реакции в военных целях, требует морального суждения. Наука не выносит моральных суждений о том, как следует использовать научные знания. Ответы на оставшиеся три вопроса могут быть решены строго на основе наблюдений и результатов экспериментов, и, таким образом, 9На 0219 может дать ответ наука.

Упражнение 3

При каких трех условиях классическая физика дает превосходное описание нашей Вселенной?

    1. Материя движется со скоростью менее примерно 1 процента скорости света
    2. Объекты, с которыми приходится иметь дело, должны быть достаточно большими, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом.
    3. Задействованы сильные электромагнитные поля.
    1. Материя движется со скоростью менее 1 процента скорости света.
    2. Объекты, с которыми приходится иметь дело, должны быть достаточно большими, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом.
    3. Задействованы только слабые гравитационные поля.
    1. Материя движется с огромной скоростью, сравнимой со скоростью света.
    2. Объекты, с которыми приходится иметь дело, достаточно велики, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом.
    3. Задействованы сильные гравитационные поля.
    1. Материя движется с огромной скоростью, сравнимой со скоростью света.
    2. Объекты достаточно велики, чтобы их можно было увидеть в самый мощный телескоп.
    3. Задействованы только слабые гравитационные поля.

Упражнение 4

Почему греческое слово «природа» подходит для описания области физики?

  1. Физика — это естественная наука, изучающая жизнь и живые организмы на обитаемых планетах, таких как Земля.
  2. Физика — это естественная наука, изучающая законы и принципы нашей Вселенной.
  3. Физика — это физическая наука, изучающая состав, структуру и изменения материи в нашей Вселенной.
  4. Физика — это социальная наука, изучающая социальное поведение живых существ на обитаемых планетах, таких как Земля.

(b) Физика — это естественная наука, изучающая законы и принципы нашей Вселенной.

Упражнение 5

Какой аспект Вселенной изучает квантовая механика?

  1. объектов галактического уровня
  2. предметов на классическом уровне
  3. объектов на субатомном уровне
  4. объектов всех уровней, от субатомного до

    5. галактического

(c) объекты на субатомном уровне

 

  • Печать
  • Поделиться

Какое значение имеют 3 крупнейших физических открытия десятилетия для будущего науки

Эксперимент ATLAS / ЦЕРН

С научной точки зрения 2010-е годы были чрезвычайно плодотворным десятилетием. Наши знания об экзопланетах — планетах, которые вращаются вокруг звезд за пределами нашей собственной — резко возросли, дав тысячи новых открытий и беспрецедентное понимание того, что там находится. Спутник «Планк» и наши крупномасштабные структурные исследования выявили темную энергию, а улучшенные астрономические данные показали нам загадку о расширяющейся Вселенной. Лазеры стали быстрее и мощнее; квантовое превосходство было достигнуто впервые; мы исследовали Плутон и дальше, а наши самые дальние космические корабли наконец вышли в межпланетное пространство.

Но три достижения в области физики стоят на голову выше остальных и имеют огромное значение для будущего науки. Открытие бозона Хиггса, прямое обнаружение гравитационных волн и первое изображение горизонта событий черной дыры произвели революцию в науке в 2010-х годах и будут продолжать влиять на физику в ближайшие десятилетия.

Э. Сигел / Beyond The Galaxy

1.) Открытие бозона Хиггса . С кварками, заряженными лептонами, нейтрино и их аналогами из антивещества, уже открытыми до 2010-х годов, фермионный сектор Стандартной модели уже был завершен. Мы уже открыли и измерили свойства всех калибровочных бозонов: бозонов W и Z, глюонов и фотона. Остался только бозон Хиггса — последняя из частиц, ожидаемых Стандартной моделью.

Большой адронный коллайдер, самый мощный ускоритель частиц, когда-либо созданный человечеством, был построен с явной целью обнаружения этой частицы. Достигнув невиданных ранее энергий на земных ускорителях и соединив это с большим, чем когда-либо прежде, числом протон-протонных столкновений, ученые смогли, наконец, раскрыть самую неуловимую фундаментальную частицу природы.

The CMS Collaboration, «Наблюдение за дифотонным распадом бозона Хиггса и измерение его свойств», (2014)

Нам удалось не только создать и обнаружить бозон Хиггса, но и измерить ряд его свойств. К ним относятся:

  • его масса, имеющая эквивалентную энергию 125-126 ГэВ,
  • его спин, который равен нулю, что делает его единственной когда-либо наблюдаемой фундаментальной скалярной частицей,
  • и его коэффициенты ветвления, которые показывают нам, как вероятностно, что бозон Хиггса распадается на различные наборы частиц.

Помимо открытия бозона Хиггса, эти детальные измерения этих свойств позволили нам сравнить теорию с экспериментом и задаться вопросом, насколько успешно Стандартная модель предсказала поведение бозона Хиггса. По состоянию на 2019 год и полный набор данных, которые были собраны и проанализированы совместными усилиями CMS и ATLAS, все, что мы видели, на 100% согласуется с тем, что бозон Хиггса обладает точными свойствами, предсказанными теоретически.

Андре Давид, через Твиттер

Это само по себе огромная головоломка. С одной стороны, у нас есть множество загадок о Вселенной, которые не могут объяснить частицы, поля и взаимодействия Стандартной модели. Мы не знаем причину возникновения темной материи, темной энергии, инфляции или бариогенеза, но только то, что Стандартная модель не может объяснить это сама по себе. У нас нет решения множества других загадок, от сильной проблемы CP до масс нейтрино и объяснения того, почему частицы имеют те массы покоя, которые у них есть.

Ученые планируют запустить Большой адронный коллайдер в 2030-х годах, параллельно проводя ряд экспериментов с более низкими энергиями. Но если они не дадут ответа или хотя бы убедительного намека, человечество столкнется с противоречивым вопросом: должны ли мы построить более совершенный коллайдер следующего поколения, чтобы выйти за рамки того, чему нас может научить Большой адронный коллайдер? На карту поставлено будущее физики элементарных частиц и возможность окончательно разгадать эти тайны.

НАСА, ЕКА и А. Фейлд (STScI)

2.) Прямое обнаружение гравитационных волн . Когда Эйнштейн выдвинул общую теорию относительности в 1915 году, было множество следствий, которые не были должным образом проработаны в рамках этой новой парадигмы. Однако после десятилетий теоретической работы стало ясно, что по мере того, как массы перемещаются по Вселенной, кривизна пространства-времени меняется, и массы, движущиеся через пространство-время, кривизна которого меняется со временем, должны излучать новую форму излучения: гравитационные волны.

Хотя косвенные последствия этого излучения уже давно появились в данных о пульсарах, конечной целью всегда было непосредственное обнаружение этой ряби. Когда в 2015 году появилось новое поколение детекторов гравитационных волн, возглавляемое коллаборацией LIGO, родилась совершенно новая область: гравитационно-волновая астрономия. Впервые эта рябь оставляла наблюдаемые, идентифицируемые сигналы в созданных человеком детекторах, напрямую обнаруживая их существование.

Teresita Ramirez/Geoffrey Lovelace/SXS Collaboration/LIGO-Virgo Collaboration

Непосредственно уже наблюдались два типа сигналов: сигналы, соответствующие спирали и слиянию двойных черных дыр, и сигналы, соответствующие слиянию двух нейтронных звезд . Первый, безусловно, является наиболее частым типом сигнала, который видит LIGO, обнаруживая черные дыры в диапазоне масс, который никогда раньше не наблюдался, и рассказывая нам о популяционной статистике этих звездных остатков, в то время как последний также приходит вместе с электромагнитными сигналами. , что позволяет определить происхождение самых тяжелых элементов во Вселенной.

Детекторы, такие как LIGO и Virgo, уже были модернизированы, что увеличило их дальность и чувствительность, и этот текущий запуск может выявить не только новые обнаружения, но и новые классы объектов, которые генерируют гравитационные волны, такие как слияния нейтронных звезд и черных дыр. , черные дыры с более легкими массами, чем когда-либо прежде, или, возможно, даже пульсарные землетрясения, сверхновые звезды или что-то совершенно удивительное.

Space Place NASA

По мере того, как 2010-е годы уступают место 2020-м и далее, детекторы гравитационных волн будут увеличиваться в размерах, чувствительности и масштабах, открывая возможность обнаружения сигналов, о которых мы сегодня можем только мечтать. Объекты, падающие в сверхмассивные черные дыры, находятся на нашем горизонте, как и гравитационные волны, порожденные в последние моменты инфляции: фазы Вселенной, которая предшествовала горячему Большому взрыву и вызвала его.

До недавнего времени человечество даже не было уверено в существовании гравитационных волн. Мы не были уверены, что эти сигналы появятся в наших приборах или что наши теоретические предсказания совпадут с реальностью. Последние четыре года показали нам, что не только Эйнштейн был прав, но и существует целая Вселенная, которую можно исследовать за пределами обнаружения электромагнитных (световых) сигналов. Этот век обещает стать веком астрономии нового типа: гравитационно-волновой астрономии. Как далеко мы пойдем с этим, зависит только от нас.

Event Horizon Telescope Collaboration

3.) Прямое обнаружение горизонта событий черной дыры . Это достижение, самое последнее из трех, датируется только апрелем 2019 года, когда было опубликовано знаменитое «бубликовое» изображение сверхмассивной черной дыры в центре галактики Мессье 87. Требование сотен ученых использовать многие петабайты данных, собранных одновременно с помощью радиотелескопов и массивов радиотелескопов по всему миру, эта картина является лишь верхушкой айсберга.

Конечно, здорово впервые увидеть горизонт событий и подтвердить еще одно предсказание общей теории относительности Эйнштейна. Это невероятное техническое достижение, использующее технику, которая стала технически возможной только с появлением новых массивов, таких как ALMA. Примечательно, что так много обсерваторий по всему миру смогли координировать друг с другом эти наблюдения. Но это не самая большая история.

NRAO

Самый примечательный факт во всем этом заключается в том, что мы исследуем структуры, которые постоянно меняются со временем, вплоть до точности, которую нельзя было вообразить еще несколько лет назад. Разрешение телескопа Event Horizon эквивалентно телескопу с одной тарелкой диаметром 12 000 километров: размер человеческого кулака на Луне показался бы человеку на Земле.

Как и в примере с человеческим кулаком, структуры, которые мы наблюдаем, постоянно меняются, но представляют собой лишь моментальный снимок во времени. Изображения черной дыры от 5/6 апреля выглядят похожими друг на друга, но отличаются от изображений от 10/11 апреля, демонстрируя, что фотоны, которые мы наблюдаем, меняются со временем.

В самом ближайшем будущем мы ожидаем, что сможем выделить сигналы вспышек черных дыр, падающего вещества, изменений в аккреционном потоке и составить карты не только радиоизлучения, но и поляризации этого света. Но в более отдаленном будущем мы можем начать запускать в космос должным образом оборудованные радиотелескопы, синхронизировать их с нашими наземными обсерваториями и расширить базовую линию (и, следовательно, разрешение) Телескопа Горизонта Событий до гораздо большей точности.