Тема урока: «Физика и техника».

Цели урока: показать роль физики в ускорении научно-технического прогресса; ознакомить учащихся с этапами становления физики.

Ход урока

Объяснение учителя

История развития физики.

        Наука возникла в глубокой древности как попытка осмыслить окружающие явления, взаимосвязь природы и человека. Сначала она не разделялась на отдельные направления, как сейчас, а объединялась в одну общую науку – философию. Астрономия выделилась в отдельную дисциплину раньше физики и является наряду с математикой и механикой одной из древнейших наук. Позже наука о природе так же выделилась в самостоятельную дисциплину. Древнегреческий учёный и философ Аристотель назвал физикой одно из своих сочинений.

        Одна из главных задач физики – объяснить строение окружающего нас мира и происходящие в нём процессы, понять природу наблюдаемых явлений. Другая важная задача – выявить и познать законы, которым подчиняется окружающий мир. Познавая мир, люди используют законы природы. Вся современная техника основана на применении законов, открытых учёными.

        С изобретением в 1780-х гг. парового двигателя началась промышленная революция. Первый паровой двигатель изобрёл английский учёный Томас Ньюкомен в 1712 г. Паровая машина пригодная для использования в прмышленности, впервые создана в 1766 г. русским изобретателем Иваном Ползуновым (1728-1766).Шотландец Джеймс Уатт усовершенствовал конструкцию. Созданный им в 1782 г. двухтактный паровой двигатель приводил в движение машины и механизмы на фабриках.

        Сила пара приводила в движение насосы, поезда, пароходы, прядильные станки и множество других машин. Мощным толчком для развития техники послужило создание английским физиком «гениальным самоучкой» Майклом Фарадеем в 1821 г. первого электродвигателя. Создание  в 1876г. немецким инженером Николаусом Отто четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания открыло эру автомобилестроения, сделало возможным существование и повсеместное использование автомобилей, тепловозов, судов и других технических объектов.

        То, что раньше считалось фантастикой, сейчас становится реальной жизнью, которую мы уже не представляем без аудио- и видеотехники, персонального компьютера, сотового телефона и Интернета. Их возникновение обязано открытиям сделанным в различных областях физики.

        Однако и развитие техники  способствует прогрессу в науке. Создание электронного микроскопа позволило заглянуть внутрь вещества. Создание точных измерительных приборов сделало возможным более точный анализ результатов экспериментов. Огромный прорыв в области изучения космоса был связан именно с появлением новых современных приборов  и технических устройств.

        Таким образом, физика как наука играет огромную роль в развитии цивилизации. Она перевернула самые фундаментальные представления людей – представления о пространстве, времени, устройстве Вселенной, позволив человечеству совершить качественный скачок в своём развитии. Успехи физики позволили сделать ряд фундаментальных открытий в других естественных науках, в частности, в биологии. Развитие физики в наибольшей степени обеспечивало бурный прогресс медицины.

         С успехами физики связаны и надежды учёных на обеспечение человечества неиссякаемыми альтернативными источниками энергии, использование которых позволит решить многие серьёзные экологические проблемы. Современная физика призвана обеспечить понимание самых глубинных основ мироздания, появления и развития нашей Вселенной, будущего человеческой цивилизации.

Что же было у истоков науки физики?

Доклады учащихся.

Доклад 1.

         Самые ранние работы по описанию, упорядочению и объяснению явлений природы относятся к 4 в до н.э.  Наличие обширных практических знаний, технических навыков, высокий общий культурный уровень -  всё это создало в Греции почву для формирования физики как науки. Однако некоторые начатки научных исследований пришли к грекам от народов ещё более древней культуры, в первую очередь из Вавилона и Египта.

        Колесо было изобретено около 5500 лет назад на Ближнем Востоке, это было одним из первых технических достижений.  Из глубокой древности, возможно более чем 3000 до н.э., пришли такие изобретения, как обожжённый кирпич, гончарный круг, колёсный экипаж. Несколько позднее были открыты способы выплавки и обработки металлов, изобретены вёсельные и парусные суда, применены плуг, весы, отвес, уровень, циркуль, клещи. Во втором тысячелетии до н.э. были изобретены кузнечные мехи, рычаги, клин, домкрат, блоки. Все эти приспособления призваны были облегчить жизнь и труд человека, они же способствовали развитию науки, т.к. делали возможным проведение множества физических экспериментов. Первая значительная попытка научной  систематизации знаний связана с трудами Аристотеля (384-322 г.г. до н. э.) , многие его труды сохранились. В них содержатся многочисленные сведения из области музыки, метеорологии, физики, прикладной механики, мысли о распространении звука в воздухе, объясняется явление эха, приводится попытка экспериментального определения веса воздуха и многое другое. Аристотелева физика была основана на наблюдениях и частично на опытах. Попытки систематических  научных исследований конкретных явлений природы связаны с именем другого древнегреческого учёного – Архимеда (287-212 г.г. до н. э.). Он имел навыки к проведению точных научных экспериментов, сконструировал мосты через Нил, дамбы для регулировки разливов Нила. Но наиболее гениальным изобретением этого периода был винт, который  и до сих пор называется винтом Архимеда. Он служил для подъёма воды на высоту до 4 метров и для осушения низменных местностей. Весьма многочисленны (около 40) другие механические изобретения, приписываемые Архимеду, хотя исторические источники, которыми располагают учёные и  содержат порой элементы легенды, однако Архимед был действительно автором целого ряда изобретений.

Доклад 2.

        Активно развивалась физика  и в странах Востока, наибольшее развитие там получили механика и оптика – наука о распространении света. Арабские учёные рассматривали глаз как один из органов чувств нашего организма, описали его строение, выяснили функции зрительного нерва. В своих экспериментах они пользовались специальными увеличительными стёклами (линзами). Им принадлежит и описание первого компаса (1242 г.)

        Многочисленные физические открытия связаны с именем знаменитого французского учёного Роджера Бэкона (1214-1292). Его считают прародителем экспериментального метода, легенды приписывают ему самые разнообразные изобретения: порох, линзы, подзорную трубу, компас, паровую машину, самолёт. До сих пор нельзя назвать ни времени, ни места изобретения линз и очков, открытие было, очевидно, случайным и вполне вероятно допустить, что автором был некто изготовлявший стёкла.

Доклад 3.

        В средние века развитие техники послужило не только предпосылкой изменения социальных условий жизни людей, но и поставило перед наукой новые задачи. В 10 в начали подковывать тягловый скот, что привело к широкому применению в сельском хозяйстве лошадей, к изменению конструкции плуга – он стал колёсным. В 11 в. на Западе широкое распространение получили водяные и ветряные мельницы. Это способствовало мощному скачку в развитии металлургии. Ранее воздух в печах нагнетался мехами, приводимыми в движение руками человека, после появления мельниц возросли мощности и стали достижимы более высокие температуры, при которых можно было выплавлять чугун. В 16 в. высота доменных печей возросла до 6 м. и чугун нашёл самое разнообразное применение – пушки, снаряды, печи, трубы, чугунная посуда, плиты. Оживилось стекольное производство (в 10 в. были изобретены цветные стёкла), ткачество – появились новые сукновальные и ткацкие машины, был изобретён первый печатный станок – первое сохранившееся до нашего времени издание датировано 1445 г., началось применение огнестрельного оружия, изменилось техническое оснащение кораблей, что привело к возможности выхода в открытое море.

Огромный вклад в развитие науки в то далёкое время внёс гениальный инженер, изобретатель, художник Леонардо да Винчи (1452-1519). Историки техники насчитывают сотни его изобретений, рассеянных по его тетрадям в виде чертежей, часто без единого слова пояснений. К  его изобретениям относятся: стальные цепные передачи, применяемые сейчас на велосипедах, двойное соединение, называемое теперь «кардановым», роликовые опоры для уменьшения трения, различные станки, многочисленные ткацкие машины, боевые машины для ведения войны, замысловатые музыкальные инструменты. Наиболее дерзновенной мечтой Леонардо да Винчи был полёт человека, он исследовал и описал полёт птиц с удивительной точностью. В 1490 г. спроектировал первую модель летательного аппарата, позже спроектировал парашют и первую модель геликоптера, движущим элементом которого является спираль.

Доклад 4.

        Эпоха новых географических открытий, тесно связанных с мореплаванием, требовала точных данных о движении Солнца и Луны, которыми наука тогда не располагала. Популярная в то время астрология тоже требовала совершенствования теории планетарной системы. Кроме того, к 16 в. остро стояла проблема календаря, который расходился с астрономическими данными на 10 дней! Уже 15 веков господствовала модель мира Клавдия Птолемея (87-165), согласно которой в центре мира находится неподвижная Земля, а вокруг неё вращаются планеты – Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, а также так называемая «сфера звёзд». Земля при этом считалась неподвижной, она не вращалась не только вокруг какой-нибудь другой планеты, но и вокруг своей оси. Для устранения назревших проблем, можно было внести уточнения в систему Птолемея и получить нужные результаты, но польский астроном Николай Коперник (1473-1543) в 1543 г. решил коренным образом изменить само представление о Вселенной. Модель мира Коперника заключалась в том, что в «центре мира» находилось неподвижное Солнце, а вокруг него по окружностям вращались планеты, в том числе и Земля со своим спутником Луной. С математической точки зрения система Коперника оказалась настолько проще системы Птолемея, что ею сразу же воспользовались в практических целях, в том числе для составления нового календаря. При помощи своего телескопа выдающийся итальянский физик и астроном Галилео  Галилей (1564-1642) сумел подтвердить правоту Коперника, поместившего Солнце в центр Вселенной. Телескоп изобрёл в 1608 г. голландец Ганс Липперсхей, назвав его зрительным стеклом.

Доклад 5.

     Создание физической теории связано с именем выдающегося английского физика Исаака Ньютона (1643-1727). Величайшая заслуга этого учёного заключается в анализе, систематизации, обобщении трудов великих физиков, математиков, астрономов, его предшественников -  Галилео Галилея (1564-1642), Иоганна Кеплера (1571-1630), Рене Декарта (1596-1650), Христиана Гюйгенса (1629-1695). В результате Ньютон открыл ряд законов, изучил свойства световых лучей, значительно усовершенствовал конструкцию существовавших тогда телескопов.

         Большую роль в развитие физики в России внёс замечательный русский физик, поэт, астроном, металлург, географ, историк, просветитель и государственный деятель Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765). Он ввёл в русский язык новые слова: термометр, формула, зажигательное стекло, атмосфера и многие другие. Он является автором первого учебника по физике в России. Немало сил стоило Ломоносову добиться открытия первого в России высшего учебного заведения – университета в Москве, который теперь с гордостью носит его имя.

Доклад 6.

        Важнейшим шагом вперёд в развитии учения об электрических и магнитных явлениях было изобретение первого источника постоянного тока – гальванического элемента. История этого изобретения относится к концу 18 в. и связана с именем итальянского врача Луиджи Гальвани (1737-1798). Как уже говорилось, в 1821 г. был изобретён первый электрический двигатель, все машины современной электропромышленности работают по тому же принципу, что и первый электродвигатель Фарадея. Работы Майкла Фарадея воодушевили молодого шотландского физика Джемса Кларка Максвелла (1831-1879) систематизировать все известные труды по электричеству, в результате чего в 1864 г. была создана электромагнитная теория.

        Новый этап бурного развития физики начался в 20 в. В науке появились новые направления: ядерная физика, физика элементарных частиц, физика твёрдого тела. Выдающиеся достижения физики послужили мощным толчком развития современной цивилизации, открыли новый этап в исследовании космоса, внесли в повседневную жизнь человека множество полезных вещей – от электрического освещения до лекарств.

Приложение

Современная наука и техника.

Доклады.

1.Использование электроэнергии.

        Человечеству для развития требуется всё больше и больше электроэнергии. Электричество вырабатывается на огромных атомных, гидро-  или теплоэлектростанциях. На тепловых электростанциях источником энергии является топливо: уголь, газ, нефть, мазут, горючие сланцы. При сжигании топлива используется кислород из атмосферы, поэтому содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается. Топки электростанций выбрасывают в атмосферу продукты горения, которые крайне вредны для живых организмов (оксиды серы, азотные соединения, оксиды углерода).

         Промышленные отходы загрязняют окружающую среду, способствуют глобальному изменению климата. Запасы нефти и газа, на которые ориентирована теплоэнергетика, ограничены. Это заставляет учёных искать другие экологически чистые  – альтернативные источники энергии. К ним относятся неиссякаемые источники – Солнце, вода и ветер. 

         Задолго до изобретения электричества сила ветра использовалась для помола зерна в ветряных мельницах. Их крылья вращали жернова внутри мельницы. Современные ветряные мельницы (ветряки) используются для привидения в движение турбогенераторов, вырабатывающих электроэнергию. Впервые такое устройство было построено в 1940 г. в Америке.

         Водяные мельницы для перемалывания зерна использовались более 2000 лет. В 1771 г. водяную мельницу приспособили под текстильную фабрику, на которой водяное колесо приводило в действие прядильные машины. Аналогичным образом, вода заставляет вращаться турбины, вырабатывающие электрический ток, на гидроэлектростанциях.

        Можно использовать и энергию Солнца, сейчас солнечными батареями оснащены практически все калькуляторы. Они преобразуют солнечный свет в электроэнергию. Существуют попытки создания солнцемобилей – автомобилей, работающих от солнечных батарей. Космические аппараты также оснащены солнечными батареями.

        Можно также использовать энергию геотермальных источников. Например, в Исландии много геотермальных электростанций. Они вырабатывают электричество, используя энергию гейзеров – горячих подземных источников, которые выбрасывают на поверхность мощные фонтаны воды и пара.

        В качестве ещё одного альтернативного источника учёные используют энергию приливов. Однако получение энергии из всех возобновляемых источников – Солнца, ветра, рек пока обходится дороже, чем от сжигания ископаемого топлива.

        Более половины всех загрязнений атмосферы создаёт транспорт. Так как решающую роль в загрязнении атмосферы в городах играют автомобильные двигатели, встаёт вопрос об их усовершенствовании. Перспективными являются разработки автомобилей с электродвигателем, питающимся от аккумулятора.

        Таким образом, одно из направлений современной технической мысли – это создание здоровой среды обитания. Для этого необходимо разумно использовать все виды энергии, беречь невозобновляемые природные ресурсы, переходить на энергосберегающие, малоотходные и безотходные технологии.

2. Исследование Вселенной.

         Ярким подтверждением связи науки и техники является прорыв в области изучения космоса. Под руководством гениального конструктора Сергея Павловича королёва (1907-1966) в 1956 г. инженеры построили ракету, способную доставить двухтонную боеголовку на расстояние свыше 6000км. Вскоре, 4 октября 1957 г. на орбиту был запущен первый искусственный спутник Земли. Это открыло эру космических исследований.

        12 апреля 1969 г. Юрий Алексеевич Гагарин стал первым космонавтом.

       Большинство космических исследований выполняют беспилотные зонды, управляемые бортовыми компьютерами и снабжённые приборами, собирающими и передающими данные на  Землю.

       Однако учёные не только исследуют космос, они ещё и моделируют некоторые процессы, происходившие когда-то во Вселенной. Большинство специалистов считает, что некогда Вселенная представляла собой крохотную пылинку, содержавшую в себе всю материю, но миллиарды лет назад эта пылинка разлетелась вдребезги. Это могучее потрясение назвали Большим Взрывом. С тех самых пор Вселенная разрастается, а галактики разлетаются в разные стороны. Существовало ли что-нибудь до Большого Взрыва? Неизвестно. Как он произошёл? Для нахождения ответов на эти вопросы учёные построили колоссальное сооружение – Большой адронный коллайдер. Его задача заключается в том, чтобы в миниатюре воссоздать условия, аналогичные Большому взрыву. Он расположен под землёй в районе франко-швейцарской границы, его стоимость 3 миллиарда евро. Коллайдер создавали 8000 учёных из 88 стран в течение десяти лет напряжённого труда.

3. Влияние науки на медицину.

        Медицина зародилась в далёком прошлом. Одним из первых прославился своим искусством древнегреческий врач Гиппократ. Он старался сделать медицину более научной, учил, что главная задача врача – отыскать причину болезни и устранить её. Хирургия существует уже тысячи лет. Археологи иногда обнаруживают черепа с возрастом более десяти тысяч лет с просверленными в них отверстиями. После сверления кость снова заросла, значит пациенты оставались в живых. Такие операции помогали, но не всегда.  

         Современная хирургия располагает множеством методов внутреннего обследования организма. Это стало возможно после изобретения в 1895 г. немецким физиком Вильгельмом Рентгеном нового вида излучений. Мягкие ткани организма для этих лучей прозрачны, они задерживаются только костями. Вскоре при помощи рентгеновских лучей стали осматривать переломы и подозрительные ушибы и шишки.

        Современные компьютерные томографы и ультразвуковые аппараты показывают внутренности в мельчайших деталях. Хирурги полагают, что через полвека у каждого десятого жителя нашей планеты в организме будет хоть один протез. Поначалу протезы делали из дерева и золота. Современные биоинженеры пользуются целым рядом металлов, пластмасс и других материалов, не отторгаемых организмом. Современные медицинские технологии позволяют подключать протезы к нервным окончаниям, в результате чего искусственные протезы воспроизводят движения настоящих органов (рук, ног).

         Всё большее применение в медицине находит лазер.

4. Развитие средств связи.

         В 1876 г. американец Александр Грэхем Белл (1847-1922) создал первый телефонный аппарат. Учёный был врачом, учившим разговаривать глухих людей, он много знал о голосе и звуке. С тех пор конструкция аппарата претерпела многочисленные изменения.

        7 мая 1895 г. русский физик Александр Степанович Попов  на заседании Русского физико-технического общества в Петербурге продемонстрировал действие первого в мире радиоприёмника. День 7 мая стал днём рождения радио. Уже первые применения средств радиосязи помогли спасти жизнь рыбакам, оказавшимся на льдине.

        В 1926 г. шотландский изобретатель Джон Лоджи Бэрд первым продемонстрировал публике телевизионную систему. Его оригинальное устройство было сделано из старой коробки, вязальных спиц, жестяной банки из-под торта и велосипедного фонаря! Вскоре на смену его конструкции пришла электронная система, разработанная ещё в 1923 г. американцем русского происхождения Владимиром Зворыкиным.

        4 октября 1957 г. в нашей стране был запущен первый в мире искусственный спутник Земли. Ныне вокруг Земли кружат сотни спутников. Наземные станции посылают телефонные, телевизионные, радиосигналы к спутникам, которые усиливают их и ретранслируют их на Землю. Самолёты и корабли пользуются глобальной спутниковой системой навигации, позволяющей определять положение объекта с точностью до нескольких метров. Системой спутниковой связи пользуются и журналисты, альпинисты, и исследователи.

        В 1943 г. в США была создана первая электронно-вычислительная машина, её размеры были сопоставимы с размерами комнаты. Современные технологии позволяют быстро развивать электронику. Технология миниатюризации – уменьшения размеров - позволила создать карманные компьютеры. В конце 20 в. учёные совместили компьютеры с системами связи, в результате чего была создана система Интернет для обмена информацией, она существенно изменила жизнь людей, открыла новые возможности, можно сказать, повысила качество жизни людей!

5. Автомобилестроение.

         Как уже говорилось, эра автомобилестроения открылась после изобретения двигателя внутреннего сгорания. Инженерная мысль работала столь стремительно, что практически одновременно в разных странах стали появляться автомобили с бензиновыми двигателями. На первом серийном автомобиле, построенном и испытанном в 1885 г. Карлом Бенцем двигатель был установлен на трёхколёсном экипаже. В 1889 г. немецкие инженеры Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах построили четырёхколёсный автомобиль с четырёхскоростной коробкой передач.

        Производители автомобилей вскоре вступили в конкурентную борьбу за производство более совершенных, самых быстрых и самых недорогих машин. Ездить в автомобилях становится всё проще и безопаснее.

        Современные автомобили оснащены бортовыми компьютерами, которые  управляют работой многих частей машин, сообщают информацию водителю, приборные панели современных автомобилей конструируют так, чтобы они давали как можно больше полезной информации.

        Чудо инженерной мысли в машиностроении представляют собой подушки  безопасности. Пневматическая подушка включается при молниеносной остановке автомобиля при столкновении. В тот же миг воспламеняется крошечный заряд, раздаётся микровзрыв, и подушка  наполняется газом и раздувается за долю секунды - намного быстрее времени реакции человека. Подушка практически исключает опасные травмы головы и лица даже при столкновении на большой скорости. Пневматические подушки разработаны в США, где многие люди не пристёгиваются ремнями безопасности.

6. Исследования морских глубин.

        Теперь, с появлением современного подводного снаряжения учёные могут  погрузиться в глубины моря и собственными глазами увидеть таинственный мир безмолвия. Современные скафандры позволяют погружаться на глубину до 500 метров и располагают запасом воздуха на трое суток.

         Первая подводная фотография была сделана в 1893 г. аппарат, которым она была сделана был громоздким и неуклюжим. Современные аппараты маленькие и удобные в обращении. Исследование морских глубин стало возможным только с появлением специальной водонепроницаемой техники, способной выдержать колоссальное давление.  

         Морское дно исследуют видео- и фотороботы с дистанционным управлением, которые передают изображения учёным прямо на исследовательские корабли.

7. Нанотехнологии.

        Одно из направлений современной технической мысли – «нанотехнологии». В переводе с греческого приставка «нано» обозначает «карлик». Это технологии работы с веществом на уровне отдельных частиц. Разработки в этой области будут способствовать миниатюризации  приборов и технических приспособлений, затронут практически все области промышленности и общества, все сферы жизни человека