Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Иркутский государственный университет» (ФГБОУ ВО «ИГУ»)
Педагогический институт
Кафедра информатики и методики обучения информатике
Направление подготовки: 44.03.04
Профессиональное обучение (по отраслям)
Профиль: Автоматика и компьютерная инженерия
Форма обучения: очная
Научно-исследовательская работа (получение первичных навыков научно-исследовательской работы)
Выполнил: студент 1 курса Орлов Игорь Алексеевич
Руководители: к.ф.-м.н., доцент, доцент кафедры физики Гаврилюк А.В.
к.т.н., доцент кафедры ИиМОИ Новгородцева Т.Ю.
Иркутск, 2023
Оглавление
Введение
1. Физические законы в космосе
1.1 Закон Всемирного тяготения
1.2 Второй закон Ньютона
1.3 Закон сохранения импульса
2. Физические явления в космосе
2.1 Микрогравитация
2.2 Солнечное излучение
2.3 Магнитное поле
3. Исследования физики в космосе
3.1 Космические эксперименты
4. Физика в космической инженерии
4.1 Развитие космических технологий на основе физических принципов
Заключение
Список использованных источников
Введение
Актуальность данной темы состоит в том, что безусловно физика является неотъемлемой частью исследования и освоения космоса, она помогает нам понять фундаментальные законы природы которые действуют во вселенной, и применить их для достижения научных целей в исследовании космоса. Изучение физики в космосе - расширяет наши знания о Вселенной, и имеет важное практическое значение для различных отраслей науки и технологий.
Цель данного реферата: Определить значимость физики в изучении космоса и рассмотреть основные аспекты применения этой науки в исследовании космоса.
Для достижения этой цели, были поставлены следующие задачи:
1. Рассмотреть основные законы и принципы физики, которые применяются в процессе исследования космоса, такие как закон всемирного тяготения, законы Ньютона, закон сохранения импульса и другие.
2. Рассмотреть и описать физические явления происходящие в космосе, такие как микрогравитация, солнечные излучения, магнитные поля.
3. Рассмотреть и описать исследования в космической физике, то есть некоторые космические эксперименты.
4. Рассмотреть и описать применение физических принципов и законов в космической инженерии.
5. Рассмотреть и описать перспективы развития физики в космосе.
6. Сделать вывод о значимости физики в исследовании космоса.
Объект исследования: Космическое пространство.
Предмет исследования: Физические процессы и явления которые происходят в космическом пространстве.
1. Физические законы в космосе
Космос и физика тесно связаны между собой. Без физики мы бы не понимали того, что происходит в космосе, а без космоса у физики не было бы такой мощной внешней мотивации для развития. Космос -- это огромный и сложный объект, который необходимо исследовать и понимать. А для того чтобы это сделать, необходимы знания в области физики, ведь именно физика позволяет нам понимать законы природы, действующие в космосе.
Например, законы Ньютона, описывающие движение тел в космосе, являются фундаментальными для космических исследований. Благодаря физике мы можем понимать, какие движения могут происходить в космосе и каким образом они влияют на планеты, звезды и галактики.
В космосе действуют те же физические законы что и на Земле, но некоторые из них проявляются в несколько другой форме. Рассмотрим некоторые физические законы, применимые в космосе:
1.1 Закон Всемирного тяготения
Закон Всемирного тяготения (1) - закон который описывает притяжение между объектами с массами и определяет их движение. В космосе это закон имеет важную роль, так как он определяет орбиты планет, спутников и других космических тел.
, (1)
где:
,
.
1.2 Второй закон Ньютона
Второй закон Ньютона (2) - закон описывает связь между силой, массой и ускорением объекта. В космосе этот закон применяется для описания движения космических аппаратов и астронавтов.
, (2)
где:
F - равнодействующая всех сил;
m - масса.
1.3 Закон сохранения импульса
Закон сохранения импульса (3) - закон утверждает, что общий импульс системы остается постоянным, если на систему не действуют внешние силы. В космосе данный закон применяется, когда космический аппарат испускает газы или ракетные двигатели для изменения своей скорости или изменения направления. космический физический микрогравитация тяготение
, (3)
где:
.
2. Физические явления в космосе
2.1 Микрогравитация
Микрогравитация - это состояние, при котором ускорение, вызванное гравитацией крайне незначительно, простыми словами микрогравитация это очень слабое притяжение. Например, любое состояние гравитации мы можем почувствовать, когда например, мы подпрыгиваем, и нас тянет вниз. А микрогравитация - это условия, при которых это возвращение происходит намного медленнее, чем в земных условиях.
Микрогравитация, оказывает негативное влияние на человека, например: из-за того что организм не испытывает необходимость поддерживать костную ткань в хорошей форме, длительное пребывание в микрогравитационных условиях приводит к потере костной массы и остеопорозу. Или второй пример: в условиях микрогравитации мышцы человека не испытывают нужного сопротивления, что приводит мышцы атрофии и потере их массы.
2.2 Солнечное излучение
Солнечное излучение -- Солнечное излучение - это энергия, которую Солнце испускает в виде света и тепла. Это электромагнитные волны, которые передаются через пространство и достигают Земли.
Солнечное излучение важно для поддержания жизни на Земле, так как оно является источником света и тепла для растений, животных и в том числе людей. Также оно играет очень важную роль в процессе фотосинтеза, который позволяет растениям преобразовывать солнечную энергию в питательные вещества. Однако слишком большое количество солнечного излучения может оказывать вред для здоровья, поэтому важно принимать необходимые меры для защиты от избыточного воздействия ультрафиолетовых лучей.
Солнечное излучение имеет значительное влияние на космические аппараты и астронавтов, так как оно может привести к радиационным повреждениям электроники и материалам космических аппаратов, солнечные вспышки могут вызвать сбои в электронике, ультрафиолетовое излучение может быть опасно для глаз астронавтов, длительно воздействие этого излучение может повысить риск рака связанного с радиацией. В общем солнечное солнечное излучение имеет ряд угроз как для космических аппаратов, так и для астронавтов, поэтому требует разработки специальных мер безопасности и защиты для того чтобы минимизировать его влияние, где и используются знания в области физики.
2.3 Магнитное поле
Магнитное поле -- это зона вокруг объекта, где можно обнаружить магнитные силы. Это важное явление, которое охватывает всю солнечную систему, оно влияет на движение заряженных частиц, таких как электроны и протоны, которые находятся во влиянии электромагнитных сил.
Магнитным полем Земли управляет ее ядро, состоящее главным образом из железа и никеля. Магнитные поля находятся в постоянном движении, что приводит к колебаниям полярных огней. Наличие этого магнитного поля защищает нас от космического излучения, отклоняя его в стороны.
Магнитные поля есть и на других планетах. Например, Юпитер имеет очень сильное магнитное поле, которое в 20 000 раз сильнее земного. Марс имеет значительно слабое магнитное поле, но на его поверхности можно наблюдать следы магнитных полей прошлого. У Меркурия магнитное поле тоже очень слабое и из-за своего близкого расположения к Солнцу, он подвержен влиянию солнечных ветров и гелиосферных токов. А вот Венера не имеет магнитного поля на поверхности, но на некоторых высотах можно обнаружить слабые магнитные поля. По предположениям учёных эти поля возникают из-за взаимодействия солнечных ветров и атмосферы Венеры.
Магнитное поле имеют и звёзды, Например, Солнце имеет очень сильное магнитное поле, которое находится в движении постоянно. Магнитные поля на Солнце создают солнечные бури и даже влияют на поведение Земли через расстояние в миллионах километров.
Магнитное поле может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на космические аппараты и электронику. Например, магнитное поле способно вызывать электромагнитные помехи в электронике космических аппаратов, что может привести к сбоям в работе электронных систем и даже повреждениям оборудования, а слишком сильное магнитное поле может искажать данные, получаемые от компаса, что приводит к неправильному определению направления. Для снижения этого негативного влияния на космические аппараты и электронику, используются различные методы и технологии, которые позволяют минимизировать воздействие магнитных полей на электронику и оборудование.
3. Исследования физики в космосе
3.1 Космические эксперименты
На борту Международной космической станции (МКС) проводились и продолжают проводиться множество экспериментов в различных областях науки. Рассмотрим физические эксперименты: изучение поведения и свойств материалов в условиях невесомости, исследование электромагнитных явлений, оптики и так далее. Из экспериментов в области астрономии и астрофизики можно выделить следующие: наблюдение космических объектов, исследование галактик, звезд, пульсаров, изучение космического излучения и так далее. И это лишь несколько примеров экспериментов, которые проводились и проводятся на борту МКС из области физики. Каждая экспедиция к станции включает в себя огромное количество научных исследований.
И конечно же космические эксперименты имеют огромное значение для научных исследований, по таким причинам как, новые открытия, развитие технологий (например разработка спутников связи привела к созданию незаменимой в наше время технологии мобильной связи и GPS), прогнозирование и защита (то есть изучение космической среды, позволяет лучше понять и спрогнозировать различные явления, что может быть полезно для защиты астронавтов и спутников от опасных событий).
4. Физика в космической инженерии
Физика играет ключевую роль в космической инженерии, рассмотрим несколько примеров применения физики в данной области:
1. Физические законы, такие как законы Ньютона и законы Кеплера, применяются для расчета траекторий и орбит космических аппаратов. Что позволяет оптимизировать путь полета и достичь нужной орбиты.
2. Физические принципы, такие как законы сохранения энергии и законы термодинамики, используются при разработке ракетных двигателей. Помогают оптимизировать эффективность работы двигателя, и повышают его тягу.
3. Так же физика используется при разработке систем жизнеобеспечения на космических станциях и космических кораблях. К примеру, физические принципы фильтрации и очистки воды, регулирования давления и температуры, и управления атмосферой позволяют обеспечить комфортные условия для всего экипажа.
4. Физика является основой для разработки систем защиты от радиации в космосе. Именно благодаря экспериментам изучающим взаимодействие радиации с различными материалами, разрабатываются методы защиты космических аппаратов и экипажа.
И это лишь некоторые примеры применения физики в космической инженерии. Но уже исходя из этих примеров можно понять, насколько важную роль играет физика во всех аспектах проектирования, разработки и эксплуатации космических систем.
Разработка и испытания космических аппаратов - сложный и многолетний процесс, требующий совместной работы инженеров, ученых и других специалистов, и тут никак не обойтись без физики. Этот процесс имеет важное значение для развития космической индустрии и исследования космоса.
4.1 Развитие космических технологий на основе физических принципов
Развитие космических технологий на основе физических принципов - является основой современной космической индустрии. Физические принципы играют очень важную роль в разработке и улучшении таких космических систем как ракеты, спутники, космические аппараты и многие другие.
Одним из основных физических принципов, используемых в космических технологиях, является закон действия и противодействия. Данный принцип показывает, как ракеты и космические аппараты движутся в космосе, то есть когда ракета выпускает газы из своих двигателей, эти газы создают силу, направленную в противоположную сторону, что позволяет ракете двигаться вперед. Помимо этого, этот принцип используется в маневрировании и изменении траектории полета космических аппаратов.
Еще одним не менее важным физическим принципом в космических технологиях является гравитация. Гравитационное притяжение планет и других небесных тел используется для управления и навигации космических аппаратов. К примеру, при использовании гравитационного маневра можно использовать гравитацию планеты для изменения траектории полета космического аппарата и за счёт этого значительно сэкономить топливо.