Физика и другие науки. Физика и техника
 Скачать 15.97 Kb.
|
|
1.4 Физика и другие науки. Физическое моделирование. Понятие факта в физике. Модели. Прямые и обратные задачи в физике. Размерности физических величин. Одна из древнейших наук — астрономия переживает революцию, связанную с выходом человека в космическое простран¬ство. Рождение кибернетики и электронных вычислительных машин ре¬волюционно изменило облик математики, проложило путь к новой области человеческой деятельности, получившей название информатики. Возникновение молекулярной биоло¬гии и генетики вызвало революцию в биологии, а создание так называ¬емой большой химии стало воз¬можным благодаря революции в хи-мической науке. Аналогичные про¬цессы происходят также в геоло¬гии, метеорологии, океанологии и многих других современных науках. Физика и техника. Физика стоит также у истоков революционных преобразований во всех областях техники. На основе ее достижений перестраиваются энергетика, связь, транспорт, строительство, промыш¬ленное и сельскохозяйственное производство. Энергетика. Революция в энерге¬тике вызвана возникновением атом¬ной 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 уни¬кальное сырье для большой химии. Сжигать их в больших количест-вах — значит наносить непоправи¬мый ущерб этой важной области современного производства. По¬этому весьма важно использовать для энергетических целей атомное топливо (уран, торий). Тепловые электростанции оказывают неустра¬нимое опасное воздействие на окружающую среду, выбрасывая уг¬лекислый газ. В то же время атом¬ные электростанции при должном уровне контроля могут быть бе¬зопасны. Физика и астрономия. В совре¬менном естествознании, физика яв¬ляется одной из лидирующих наук. Она оказывает огромное влияние на различные отрасли науки, тех¬ники, производства. Рассмотрим на нескольких примерах, как физика влияет на другие области совре¬менной науки и техники. На протяжении тысячелетий аст¬рономы получали только ту инфор¬мацию 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 рас¬ширившая наши представления о Вселенной. Она помогла узнать о существовании многих космических объектов, о которых ранее не было известно. Дополнительным источ¬ником астрономических знаний стал участок электромагнитной шкалы, лежащий в диапазоне дециметро¬вых и сантиметровых радиоволн. Огромный поток научной ин¬формации приносят из космоса дру¬гие виды электромагнитного излу¬чения, которые не достигают по¬верхности Земли, поглощаясь в ее атмосфере. С выходом человека в космическое пространство родились новые разделы астрономии: ультра¬фиолетовая и инфракрасная астрономия, рентгеновская и гамма-астрономия. Необычайно расшири¬лась возможность исследования пер¬вичных космических частиц, пада¬ющих на границу земной атмосфе¬ры: астрономы могут исследовать все виды частиц и излучений, приходя¬щих из космического пространства. Объем научной информации, полу¬ченной астрономами за последние десятилетия, намного превысил объем информации, добытой за всю прошлую историю астрономии. Ис¬пользуемые при этом методы иссле¬дования и регистрирующая аппара¬тура заимствуются из арсенала современной физики; древняя астро¬номия превращается в моло¬дую, бурно развивающуюся астро¬физику. Сейчас создаются основы нейтринной астрономии, которая будет доставлять ученым сведения о про¬цессах, происходящих в недрах кос¬мических тел, например в глубинах нашего Солнца. Создание нейтринной астрономии стало возможным только благодаря успехам физики атомных ядер и элементарных час¬тиц. Физика и биология. Революцию в биологии обычно связывают с воз¬никновением молекулярной биологии и генетики, изучающих жизненные процессы на молекулярном уровне. Основные средства и методы, ис¬пользуемые молекулярной биоло¬гией для обнаружения, выделения и изучения своих объектов (электрон¬ные и протонные микроскопы, рентгеноструктурный анализ, электро¬нография, нейтронный анализ, мече¬ные атомы, ультрацентрифуги и т. п.), заимствованы у физики. Не располагая этими средс1вами, родившимися в физических лабо¬раториях, биологи не сумели бы осуществить прорыв на качественно новый уровень исследования про¬цессов, протекающих в живых ор¬ганизмах. Важную роль современная физи¬ка играет в революционной перест¬ройке химии, геологии, океанологии и ряда других естественных наук. Физическое моделирование — метод экспериментального изучения различных физических явлений, основанный на их физическом подобии. Метод заключается в создании лабораторной физической модели явления в уменьшенных масштабах и проведении экспериментов на этой модели. Выводы и данные, полученные в этих экспериментах, распространяются затем на явление в реальных масштабах. Метод применяется при следующих условиях: 1) Исчерпывающе точного математического описания явления на данном уровне развития науки не существует, или такое описание слишком громоздко и требует для расчётов большого объёма исходных данных, получение которых затруднительно. 2) Воспроизведение исследуемого физического явления в целях эксперимента в реальных масштабах невозможно, нежелательно или слишком затратно (например, цунами). Метод может дать надёжные результаты, лишь в случае соблюдения физического подобия реального явления и модели. Подобие достигается за счёт равенства для модели и реального явления значений критериев подобия — безразмерных чисел, зависящих от физических (в том числе геометрических) параметров, характеризующих явление. Экспериментальные данные, полученные методом физического моделирования распространяются на реальное явление также с учётом критериев подобия. В широком смысле, любой лабораторный физический эксперимент является моделированием, поскольку в эксперименте наблюдается конкретный случай явления в частных условиях, а требуется получить общие закономерности для всего класса подобных явлений в широком диапазоне условий. Искусство экспериментатора заключается в достижении физического подобия между явлением, наблюдаемым в лабораторных условиях и всем классом изучаемых явлений. |