Доклад
по теме
Связь физики с другими науками
Содержание
Введение
Физика и астрономия
Физика и техника
Физика и информатика
Физика и другие естественные науки
Человек и физические поля окружающего мира
Естественные источники электромагнитных излучений
Взаимодействие электромагнитных излучений с веществом
Собственные физические поля организма человека
Заключение
Введение
В настоящее время происходит величайшая научно-техническая революция, которая началась более четверти века назад. Она произвела глубокие качественные изменения во многих областях науки и техники. Одна из древнейших наук - астрономия переживает революцию, связанную с выходом человека в космическое пространство. Рождение кибернетики и электронных вычислительных машин революционно изменило облик математики, проложило путь к новой области человеческой деятельности, получившей название информатики. Возникновение молекулярной биологии и генетики вызвало революцию в биологии, а создание так называемой большой химии стало возможным благодаря революции в химической науке. Аналогичные процессы происходят также в геологии, метеорологии, океанологии и многих других современных науках.
Во всем мире наблюдаются глубокие качественные перемены в основных отраслях техники. Революция в энергетике связана с переходом от тепловых электростанций, работающих на органическом топливе, к атомным электростанциям. Создание индустрии искусственных материалов с необычными, но очень важными для практики свойствами произвело революцию в материаловедении. Комплексная механизация и автоматизация ведут нас к революции в промышленности и сельском хозяйстве. Транспорт, строительство, связь становятся принципиально новыми, значительно более производительными и совершенными отраслями современной техники.
Физика и астрономия
В современном естествознании, физика является одной из лидирующих наук. Она оказывает огромное влияние на различные отрасли науки, техники, производства. Рассмотрим на нескольких примерах, как физика влияет на другие области современной науки и техники.
На протяжении тысячелетий астрономы получали только ту информацию о небесных явлениях, которую им приносил свет. Можно сказать, что они изучали эти явления через узенькую щель в обширном спектре электромагнитных излучений. Три десятилетия тому назад благодаря развитию радиофизики возникла радиоастрономия, необычайно расширившая наши представления о Вселенной. Она помогла узнать о существовании многих космических объектов, о которых ранее не было известно. Дополнительным источником астрономических знаний стал участок электромагнитной шкалы, лежащий в диапазоне дециметровых и сантиметровых радиоволн.
Огромный поток научной информации приносят из космоса другие виды электромагнитного излучения, которые не достигают поверхности Земли, поглощаясь в ее атмосфере. С выходом человека в космическое пространство родились новые разделы астрономии: ультрафиолетовая и инфракрасная астрономия, рентгеновская и гамма-астрономия. Необычайно расширилась возможность исследования первичных космических частиц, падающих на границу земной атмосферы: астрономы могут исследовать все виды частиц и излучений, приходящих из космического пространства. Объем научной информации, полученной астрономами за последние десятилетия, намного превысил объем информации, добытой за всю прошлую историю астрономии. Используемые при этом методы исследования и регистрирующая аппаратура заимствуются из арсенала современной физики; древняя астрономия превращается в молодую, бурно развивающуюся астрофизику.
Сейчас создаются основы нейтринной астрономии, которая будет доставлять ученым сведения о процессах, происходящих в недрах космических тел, например в глубинах нашего Солнца. Создание нейтринной астрономии стало возможным только благодаря успехам физики атомных ядер и элементарных частиц.
Физика и техника
Физика стоит также у истоков революционных преобразований во всех областях техники. На основе ее достижений перестраиваются энергетика, связь, транспорт, строительство, промышленное и сельскохозяйственное производство.
Энергетика
Революция в энергетике вызвана возникновением атомной энергетики. Запасы энергии, хранящиеся в атомном топливе, намного превосходят запасы энергии в еще не израсходованном обычном топливе. Уголь, нефть и природный газ в наши дни превратились в уникальное сырье для большой химии. Сжигать их в больших количествах -- значит наносить непоправимый ущерб этой важной области современного производства. Поэтому весьма важно использовать для энергетических целей атомное топливо (уран, торий). Тепловые электростанции оказывают неустранимое опасное воздействие на окружающую среду, выбрасывая углекислый газ. В то же время атомные электростанции при должном уровне контроля могут быть безопасны. Ведь, например, выкинутый в атмосферу из активной зоны Криптон - 85 приводит к его накоплению в атмосфере, что способствует потенциальной опасности изменения электропроводимости воздуха, облучению кожного покрова человека, что в результате приведёт к глобальным последствиям.
Термоядерные электростанции в будущем навсегда избавят человечество от заботы об источниках энергии. Как мы уже знаем, научные основы атомной и термоядерной энергетики целиком опираются на достижения физики атомных ядер.
Создание материалов с заданными свойствами привело к изменениям в строительстве. Техника будущего будет создаваться в значительной степени не из готовых природных материалов, которые уже в наши дни не могут сделать ее достаточно надежной и долговечной, а из синтетических материалов с наперед заданными свойствами. В создании таких материалов наряду с большой химией все возрастающую роль будут играть физические методы воздействия на вещество (электронные, ионные и лазерные пучки; сверхсильные магнитные поля; сверхвысокие давления и температуры; ультразвук и т.п.). В них заложена возможность получения материалов с предельными характеристиками и создания принципиально новых методов обработки вещества, коренным образом изменяющих современную технологию.
Автоматизация производства
Предстоит огромная работа по созданию комплексно-автоматизированных производств, включающих в себя гибкие автоматические линии, промышленные роботы, управляемые микрокомпьютерами, а также разнообразную электронную контрольно-измерительную аппаратуру. Научные основы этой техники органически связаны с радиоэлектроникой, физикой твердого тела, физикой атомного ядра и рядом других разделов современной физики.
Физика и информатика
Физика вносит решающий вклад в создание современной вычислительной техники, представляющей собой материальную основу информатики. Все поколения электронных вычислительных машин (на вакуумных лампах, полупроводниках и интегральных схемах) созданные до наших дней, родилась в современных лабораториях.
Современная физика открывает новые перспективы для дальнейшей миниатюризации, увеличения быстродействия и надежности вычислительных машин. Применение лазеров и развивающейся на их основе голографии таит в себе огромные резервы для совершенствования вычислительной техники.
Физика и другие естественные науки
Тесная связь физика с др. отраслями естествознания привела, по словам С.И. Вавилова, к тому, что физика глубочайшими корнями вросла в астрономию, геологию, химию, биологию и др. естественные науки. Образовался ряд пограничных дисциплин: астрофизика, геофизика, биофизика, физическая химия и др. Физические методы исследования получили решающее значение для всех естественных наук. Электронный микроскоп на несколько порядков повысил возможности различения деталей объектов, позволив наблюдать отдельные молекулы. С помощью рентгеноструктурного анализа изучаются не только кристаллы, но и сложнейшие биологические структуры. Подлинным его триумфом явилось установление структуры молекул ДНК, входящих в состав хромосом клеточных ядер всех живых организмов и являющихся носителями наследств, кода. Революция в биологии, связанная с возникновением молекулярной биологии и генетики, была бы невозможна без физики.
Человек и физические поля окружающего мира
Понятие "физические поля окружающего мира", очевидно, является широким и может включать в себя многие явления в зависимости от целей и контекста рассмотрения. Если употреблять его строго в физическом смысле, то есть как вид материи, то следует иметь в виду прежде всего электрическое, магнитное, электромагнитное, гравитационное поля и поле внутриядерных сил. В экологическом контексте в это понятие могут быть включены потоки ионизирующих частиц, акустические и вибрационные поля, атмосферные изменения и ряд других. Вся биосфера Земли: простейшие, обширные царства растений и животных и человек - находится в окружении единого материального мира, составляющего ее среду обитания. Сфера обитания является неотъемлемым условием развития жизни и одновременно суммой факторов, влияющих на живые организмы и определяющих эволюцию живой природы. Одним из существенных факторов среды обитания являются потоки излучений, действию которых подвергается все живое на нашей планете. Это электромагнитные волны, в безбрежном океане которых находится Земля, межзвездное и межгалактическое пространство, и ионизирующие излучения.
Естественные источники электромагнитных излучений
Самый длинноволновой диапазон составляют радиоволны, затем по мере укорочения длины волны следуют: инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения. Необходимо иметь в виду, что границы диапазонов приняты условно, они перекрываются друг с другом и в природе не имеют четких границ. Физическая природа всех излучений едина: все эти излучения - электромагнитные волны. В зависимости от частоты н, а, следовательно, и энергии фотона hн, существенно меняются свойства распространения и характер взаимодействия электромагнитных волн с биологическими объектами. Основным источником естественного (природного) фона радиоволн на Земле являются атмосферные электрические явления (грозы, шаровые молнии), радиоизлучение Солнца и звезд. Интенсивность фона составляет в среднем примерно 10-7 Вт/м2. Основным естественным источником излучения в ИК, видимом и УФ-диапазонах является Солнце, а в рентгеновском и гамма-диапазонах также межзвездные и галактические объекты и события (образование сверхновых звезд, квазары, пульсары и др.). Фоновая интенсивность в этих диапазонах зависит от многих факторов, в частности от состояния атмосферы и ионосферы, магнитного поля Земли, солнечной активности и др. и может меняться в довольно широких пределах.
Электромагнитные волны, идущие от Солнца, человек ощущает в виде солнечного тепла (МК-диапазон), дневного света (видимый диапазон).
УФ-диапазон солнечного излучения проявляется в виде пигментации кожного покрова (загар). Рентгеновское и гамма-излучения человек непосредственно не ощущает. Плотность потока энергии электромагнитного излучения от Солнца на границе атмосферы составляет 1350 Вт/м2. Эту величину называют солнечной постоянной. Атмосфера поглощает солнечную энергию, поэтому интенсивность излучения у поверхности Земли в средних широтах снижается до 930 Вт/м2. Биосфера Земли, в том числе и человек, развивались в условиях относительного постоянства солнечной радиации, поэтому изменение энергии, падающей на Землю в диапазонах ИК, видимом и УФ, определяемое состоянием атмосферы и ионосферы (например, появление озоновых дыр), может отрицательно влиять на существование жизни.
Взаимодействие электромагнитных излучений с веществом
При прохождении электромагнитной волны через слой вещества толщиной х интенсивность волны I уменьшается вследствие взаимодействия электромагнитного поля с атомами и молекулами вещества. Эффекты взаимодействия могут быть различными в разных веществах и для разных длин волн, однако, общий закон ослабления интенсивности волн будет одинаковым: I = I0*е-mх, где I0 - интенсивность падающего излучения, m - коэффициент ослабления, зависит от природы вещества и длины волны. В общем, виде ослабление определяется поглощением и рассеянием энергии электромагнитной волны веществом.
Радиоволны. К радиодиапазону относятся самые длинные ЭМ волны: от л = 3*103 до 1 м (частота 105 до 3*108 Гц) - длинные, средние Короткие и УКВ-диапазоны, и микроволновой диапазон: л от 1 до 10-3 м (частота 3*108 - 3*1011 Гц). Радиоволны, взаимодействуя с биологическими структурами, могут терять часть энергии переменного электрического поля, превращающейся в теплоту за счет генерации токов проводимости в электролитах (крови, лимфе, цитоплазме клеток) и за счет поляризации диэлектриков тканей организма. Радиоволны от искусственных источников могут иметь большую интенсивность и оказывать отрицательное влияние на жизненно важные процессы. Такими источниками являются радиовещательные и телевизионные станции, радиолокаторы и спутниковые системы связи. Они могут создавать импульсы до 30*109 Вт на частотах около 1010 Гц. Для человека, находящегося в постоянном поле, интенсивность радиоволн 0,1 Вт/м2 считается безопасной. На расстояниях более 0,5 км от радиовещательных станций радиоволны длинного, среднего, короткого и УКВ-диапазонов не вызывают значимых биофизических эффектов. В зонах, где интенсивность радиоволн достигает 100 Вт/м2, пребывание человека запрещено нормами всемирной организации здравоохранения (ВОЗ). Эффекты нагрева биологических тканей радиоволнами используются в медицине при проведении физиотерапевтических процедур с помощью аппаратов УВЧ, СВЧ-терапии, а также индуктотермии. ИК, видимое и УФ-излучение могут вызывать фотобиологические процессы в биоструктурах. ИК и видимые волны активируют термо- и зрительные рецепторы соответственно. Действие ИК-излучения на организм связано, прежде всего, с тепловым эффектом в поверхностных тканях. Для прогрева используют коротковолновую часть этого диапазона. Также следует напомнить, что видимые свет необходим растениям для осуществления фотосинтеза, который является основой существования земной биосферы. УФ-излучение проникает в ткани организма на глубину до 1 мм. Поглощение УФ-излучения связано с фотохимическими реакциями и может привести к появлению эритемы (покраснение и загар). Выделяют три зоны действия УФ на организм: А - антирахитная (400-315 нм) - идет синтез витамина Д; В - эритемная (315-280 нм) - синтез меланина в коже или развитие термического поражения кожи (ожога); С - бактерицидная (280-200 нм) - может вызывать канцерогенез, мутации, оказывает бактерицидный эффект. Последний используется в медицине для дезинфекции помещений. При действии дальнего УФ-излучения e>12 эВ может происходить образование свободных радикалов ароматических и серосодержащих аминокислот и пиримидиновых оснований нуклеиновых кислот, что может привести к разрушению белков и генетического аппарата клетки.