Физика в промышленности и в сельском хозяйстве
Содержание.
1. Содержание.
2. Введение.
3. Астрономия-наука, создавшая физику.
4. Физика в промышленности и в сельском хозяйстве:
а) Изобретение колеса.
б) Архимед и его изобретения.
в) Паровая машина.
г) Изобретение электричества.
д) Электрический двигатель и ДВС.
10. Физика в медицине
а) Рентгеновские лучи.
б) Ультразвукое исследование.
14. Заключение.
15. Литература.
-1-
Введение.
Фи́зика (от др.-греч. φύσις «
Современная физика оказала влияние почти на все стороны общественной жизни. Она является основой всех естественных наук, а союз естественных и технических наук коренным образом изменил условия нашей жизни на земле, что привело как к положительным, так и отрицательным последствиям. Сегодня вряд ли можно найти отрасль промышленности, не использующей достижения современной атомной физики, и нет нужды говорить об огромном влиянии на политику.
Однако современной физики сказывается не только в области промышленного производства. Оно затрагивает всю культуру в целом и образ мышления в частности и выражается в пересмотре наших взглядов на Вселенную и нашего отношения к ней.
-2-
Астрономия-наука, создавшая физику.
Астрономия — наука о Вселенной, изучающая расположение, движение, строение, происхождение и развитие небесных тел и образованных ими систем.
Астрономия является одной из древнейших наук. Первые цивилизации вавилонян, греков, китайцев, индийцев и майя уже в своё время проводили методические наблюдения ночного небосвода. После изобретения телескопа, развитие астрономии, как современной науки, было значительно ускорено. Исторически, астрономия включала в себя астрометрию, навигацию по звёздам, наблюдательную астрономию, создание календарей, и даже астрологию. Профессиональная астрономия в наши дни часто рассматривается как синоним астрофизики.
В XX веке астрономия разделилась на две главные ветви: наблюдательную и теоретическую. Наблюдательная астрономия сфокусирована на получении данных из наблюдений небесных тел, которые затем анализируются с помощью основных законов физики. Теоретическая астрономия ориентирована на разработку компьютерных, математических или аналитических моделей для описания астрономических объектов и явлений. Эти две ветви дополняют друг друга: теоретическая астрономия ищет объяснения результатам наблюдений, а наблюдательная астрономия используется для подтверждения теоретических выводов и гипотез.
Основными задачами астрономии являются:
- Изучение видимых, а затем и действительных положений и движений небесных тел в пространстве, определение их размеров и формы.
- Изучение строения небесных тел, исследование химического состава и физических свойств (плотности, температуры и т.п.) вещества в них.
- Решение проблем происхождения и развития отдельных небесных тел и образуемых ими систем.
- Изучение наиболее общих свойств Вселенной, построение теории наблюдаемой части Вселенной — Метагалактики.
Физика как наука
Предметом изучения физики являются основные закономерности природных явлений.
Итальянский ученый Галилей
первым поставил физические эксперименты
и предложил теоретическое
-3-
Физика в промышленности и в сельском хозяйстве.
Изобретение колеса.
Одним из самых важных, но простых изобретений, сделанных человеком,- это обыкновенное колесо. Любопытно, что изобрели колесо вовсе не для того, чтобы быстрее передвигаться. Пока древние люди вели кочевой образ жизни, они весь свой нехитрый скарб носили с собой. А вот когда они осели на одном месте, тогда им понадобилось колесо. Оседлый человек стал засевать поля, разводить скот, строить большие поселения, а потом и города, началась торговля камнем, лесом, зерном. При этом людям приходилось перемещать огромные тяжести на большие расстояния. И идея колеса не могла не родиться. Колесо имеет большую роль в жизни человека, а в частности и с физической точки зрения.
Архимед и его изобретения.
Архимед (287 до н. э. — 212 до н. э.) — древнегреческий математик, физик, механик и инженер из Сиракуз. Сделал множество открытий в геометрии. Заложил основы механики, гидростатики, автор ряда важных изобретений.
Архимед родился в Сиракузах, греческой колонии на острове Сицилия. Отцом Архимеда был математик и астроном Фидий, состоявший, как утверждает Плутарх, в близком родстве с Гиероном, тираном Сиракуз. Отец привил сыну с детства любовь к математике, механике и астрономии. Для обучения Архимед отправился в Александрию Египетскую — научный и культурный центр того времени.
Архимед открыл и изобрёл очень многое. Когда он прибыл в Сиракузы после учёбы, то им уже были разработаны методы определения кривых, а также площадей и объёмов геометрических фигур. Он впервые вычислил число "пи"- отношение длины окружности с диаметром.
Архимед первым ввёл в механику понятие центра тяжести и доказал, что в любом теле есть одна-единсвнная точка опоры, на которой можно сосредоточить его вес. "Дайте мне точку опоры, и я сдвину землю!"- вот крылатая фраза Архимеда. Она сопровождает легеду о том, как одним движением руки был спущен на воду громадный корабль. На самом же деле Архимед использовал оригинальную систему блоков.
Конечно, рычаги использовались задолго до Архимеда, но только он смог точно рассчитать математически выигрыш в силе и обосновать принцип многоступенчатой передачи.
Архимед был крупнейшим конструктором своего времени. Он внедрил в практику "улитку"- своё изобретение для полива посевов. Другое изобретение учёного-подъёмный винт Архимеда. Он незаменим при откачке воды из под земли.
По преданию Архимед просил родствеников поставить на его могилу цилиндр со включённым в него шаром и обозначить соотношение их объёмов. Он считал это открытие основным своим достижением.
-4-
Паровая машина.
Паровая машина — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию нагретого пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.
Для привода паровой машины необходим паровой котёл. Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передаётся другим механическим частям. Одно из преимуществ двигателей внешнего сгорания в том, что из-за отделения котла от паровой машины можно использовать практически любой вид топлива — от дров до урана.
- Стационарные машины
Стационарные паровые машины могут быть разделены на два типа по режиму использования:
Машины с переменным режимом, к которым относятся машины металлопрокатных станов, паровые лебёдки и подобные устройства, которые должны часто останавливаться и менять направление вращения.
Силовые машины, которые редко останавливаются и не должны менять направление вращения. Они включают энергетические двигатели на электростанциях, а также промышленные двигатели, использовавшиеся на заводах, фабриках и на кабельных железных дорогах до широкого распространения электрической тяги. Двигатели малой мощности используются на судовых моделях и в специальных устройствах.
Паровая лебёдка в сущности является стационарным двигателем, но установлена на опорной раме, чтобы её можно было перемещать. Она может быть закреплена тросом за якорь и передвинута собственной тягой на новое место.
- Транспортные машины
Паровые машины использовались для привода различных типов транспортных средств, среди них:
Пароход
Сухопутные транспортные средства:
Паровой автомобиль
Паровоз
Локомобиль
Паровой трактор
Паровой экскаватор, и даже
Паровой самолёт.
В России первый действующий паровоз был построен Е. А. и М. Е. Черепановыми на Нижне-Тагильском заводе в 1834 году для перевозки руды. Он развивал скорость 13 вёрст в час и перевозил более 200 пудов (3,2 тонны) груза. Длина первой железной дороги составляла 850 м.
-5-
Изобретение электричества.
Электричество — совокупность явлений, обусловленных существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов. Термин введён английским естествоиспытателем Уильямом Гилбертом в его сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле» (1600 год), в котором объясняется действие магнитного компаса и описываются некоторые опыты с наэлектризованными телами. Он установил, что свойством наэлектризовываться обладают и другие вещества
Одним из первых электричество привлекло внимание греческого философа Фалеса в VII веке до н.э., который обнаружил, что потёртый о шерсть янтарь приобретает свойства притягивать легкие предметы. Однако долгое время знание об электричестве не шло дальше этого представления. В 1600 году появился сам термин электричество ("янтарность"), а в 1650 году магдебургский бургомистр Отто фон Герике создал электростатическую машину в виде насаженного на металлический стержень серного шара, которая позволила наблюдать не только эффект притягивания, но и эффект отталкивания. В 1729 году англичанин Стивен Грей провел опыты по передаче электричества на расстояние, обнаружив, что не все материалы одинаково передают электричество. В 1733 году француз Шарль Дюфе установил существование двух типов электричества стеклянного и смоляного, которые выявлялись при трении стекла о шелк и смолы о шерсть. В 1745 г. голландец Питер ван Мушенбрук создает первый электрический конденсатор — Лейденская банка.
Первую теорию электричества создает американец Б. Франклин, который рассматривает электричество как "нематериальную жидкость", флюид («Опыты и наблюдения над электричеством», 1747 год). Он также вводит понятие положительного и отрицательного заряда, изобретает громоотвод и с его помощью доказывает электрическую природу молний. Изучение электричества переходит в плоскость точной науки после открытия в 1785 году Закона Кулона.
Далее, в 1791 году, итальянец Гальвани публикует «Трактат о силах электричества при мышечном движении», в котором описывает наличие электрического тока в мышцах животных. Другой итальянец Вольта в 1800 г. изобретает первый источник постоянного тока — гальванический элемент, представляющий собой столб из цинковых и серебряных кружочков, разделенных смоченной в подсоленной воде бумагой. В 1802 г. Василий Петров обнаружил вольтову дугу.
Майкл Фарадей — основоположник учения об электромагнитном поле
В 1820 год датский физик
Эрстед на опыте обнаружил
Опираясь на исследования Эрстеда и Ампера, Фарадей открывает явление электромагнитной индукции в 1831 году и создает на его основе первый в мире генератор электроэнергии, вдвигая в катушку намагниченный сердечник и фиксируя
-6-
возникновение тока в витках
катушки. Фарадей открывает
В 1880 году Пьер Кюри открывает пьезоэлектричество. В том же году Д. А. Лачинов показал условия передачи электроэнергии на большие расстояния. Герц экспериментально регистрирует электромагнитные волны (1888 год).
В 1897 году Джозеф Томсон открывает материальный носитель электричества — электрон, место которого в структуре атома указал впоследствии Эрнест Резерфорд.
В XX веке была создана теория Квантовой электродинамики. В 1967 год был сделан очередной шаг на пути изучения электричества. С. Вайнберг, А. Салам и Ш. Глэшоу создали объединенную теорию электрослабых взаимодействий.
-7-
Электрический двигатель и ДВС
Электрический двигатель
— это электрическая машина (электромеханический
преобразователь), в которой электрическая
энергия преобразуется в
В основу работы любой электрической
машины положен принцип
Статор — неподвижная часть электродвигателя, чаще всего — внешняя. В зависимости от типа двигателя, может создавать неподвижное магнитное поле и состоять из постоянных магнитов и/или электромагнитов, либо генерировать вращающееся магнитное поле (и состоять из обмоток, питаемых переменным током).
Ротор — подвижная часть электродвигателя, чаще всего располагаемая внутри статора.
Ротор может состоять из:
постоянных магнитов;
обмоток на сердечнике (подключаемых через щёточно-коллекторный узел);
короткозамкнутой обмотки ("беличье колесо" или "беличья клетка"), в которой токи возникают под действием вращающегося магнитного поля статора).
принцип действия 3х фазного асинхронного электродвигателя. - При включении в сеть в статоре возникает круговое, вращающееся, магнитное поле, которое пронизывает короткозамкнутую обмотку ротора, и наводит в ней ток индукции, отсюда, следуя закону ампера (На проводник с током помещенный в магнитное поле действует эдс), ротор приходит во вращение. Частота вращения ротора зависит от частоты питающего напряжения и от числа пар магнитных полюсов. Разность между частотой вращения магнитного поля статора и частотой вращения ротора характеризуется скольжением. Двигатель называется ассинхронным, т.к. частота вращения магнитного поля статора не совпадает с частотой вращения ротора. Синхронный двигатель имеет отличие в конструкции ротора. Ротор выполняется либо постоянным магнитом, либо электромагнитом. либо имеет в себе часть бельичей клетки (для запуска) и постоянные или электромагниты. В синхронном двигателе частота вращения магнитного поля статора и частота вращения ротора совпадают. Для запуска используют вспомогательные ассинхронные электродвигатели, либо ротор с к.з обмоткой.
Данный двигатель используется практически везде. Некоторые двигатели автомобилей, всевозможные станки, вентиляторы и т.д — это всё электродвигатели.
Двигатель внутреннего сгорания (сокращённо ДВС) — это тип двигателя, тепловой машины, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу.
Несмотря на то, что ДВС относятся к относительно несовершенному типу тепловых машин (громоздкость, сильный шум, токсичные выбросы и необходимость системы их отвода, относительно небольшой ресурс, необходимость охлаждения и смазки,
-8-
высокая сложность в проектировании, изготовлении и обслуживании, сложная система зажигания, большое количество изнашиваемых частей, высокое потребление горючего и т.д.), благодаря своей автономности (используемое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы), ДВС очень широко распространены, — например, на транспорте.
-9-
Физика в медицине.
Рентгеновские лучи.
Рентгеновское излучение — электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10 2 до 103 A (от 10 12 до 10 7 м).
Рентгеновские лучи возникают
при сильном ускорении
В процессе ускорения-торможения лишь около 1% кинетической энергии электрона идёт на рентгеновское излучение, 99% энергии превращается в тепло.
При помощи рентгеновских лучей можно «просветить» человеческое тело, в результате чего можно получить изображение костей, а в современных приборах и внутренних органов (см. также рентген). При этом используется тот факт, что у содержащегося преимущественно в костях элемента кальция (Z=20) атомный номер гораздо больше, чем атомные номера элементов, из которых состоят мягкие ткани, а именно водорода (Z=1), углерода (Z=6), азота (Z=7), кислорода (Z=8). Кроме обычных приборов, которые дают двумерную проекцию исследуемого объекта, существуют компьютерные томографы, которые позволяют получать объёмное изображение внутренних органов.
Выявление дефектов в изделиях (рельсах, сварочных швах и т. д.) с помощью рентгеновского излучения называется рентгеновской дефектоскопией.
В материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии рентгеновские лучи используются для выяснения структуры веществ на атомном уровне при помощи дифракционного рассеяния рентгеновского излучения (рентгеноструктурный анализ). Известным примером является определение структуры ДНК.
Кроме того, при помощи рентгеновских лучей может быть определён химический
состав вещества. В электронно-лучевом микрозонде (либо же в электронном
микроскопе) анализируемое вещество облучается электронами, при этом атомы
-10-
ионизируются и излучают характеристическое рентгеновское излучение. Вместо электронов может использоваться рентгеновское излучение. Этот аналитический метод называется рентгенофлуоресцентным анализом.
В аэропортах активно применяются рентгенотелевизионные интроскопы, позволяющие просматривать содержимое ручной клади и багажа в целях визуального обнаружения на экране монитора предметов, представляющих опасность.
Рентгенотерапия — раздел лучевой терапии, охватывающий теорию и практику лечебного применения рентгеновских лучей, генерируемых при напряжении на рентгеновской трубке 20—60 кв и кожно-фокусном расстоянии 3—7 см (короткодистанционная рентгенотерапия) или при напряжении 180—400 кв и кожно-фокусном расстоянии 30—150 см (дистанционная рентгенотерапия).
Рентгенотерапию проводят преимущественно при поверхностно расположенных опухолях и при некоторых других заболеваниях, в том числе заболеваниях кожи (ультрамягкие рентгеновские лучи Букки).
-11-
Ультразвукое исследование.
Физическая основа УЗИ — пьезоэлектрический эффект. При деформации монокристаллов некоторых химических соединений (кварц, титанат бария) под воздействием ультразвуковых волн, на поверхности этих кристаллов возникают противоположные по знаку электрические заряды — прямой пьезоэлектрический эффект. При подаче на них переменного электрического заряда, в кристаллах возникают механические колебания с излучением ультразвуковых волн. Таким образом, один и тот же пьезоэлемент может быть попеременно то приёмником, то источником ультразвуковых волн. Эта часть в ультразвуковых аппаратах называется акустическим преобразователем, трансдюсером или датчиком.
Ультразвук распространяется в средах в виде чередующихся зон сжатия и расширения вещества. Звуковые волны, в том числе и ультразвуковые, характеризуются периодом колебания — временем, за которое молекула (частица) совершает одно полное колебание; частотой — числом колебаний в единицу времени; длиной — расстоянием между точками одной фазы и скоростью распространения, которая зависит главным образом от упругости и плотности среды. Длина волны обратно пропорциональна её частоте. Чем меньше длина волн, тем выше разрешающая способность ультразвукового аппарата. В системах медицинской ультразвуковой диагностики обычно используют частоты от 2 до 10 МГц. Разрешающая способность современных ультразвуковых аппаратов достигает 1-3 мм.
Любая среда, в том числе и ткани организма, препятствует распространению ультразвука, то есть обладает различным акустическим сопротивлением, величина которого зависит от их плотности и скорости ультразвука. Чем выше эти параметры, тем больше акустическое сопротивление. Такая общая характеристика любой эластической среды обозначается термином «импеданс».
Достигнув границы двух сред с различным акустическим сопротивлением, пучок ультразвуковых волн претерпевает существенные изменения: одна его часть продолжает распространяться в новой среде, в той или иной степени поглощаясь ею, другая — отражается. Коэффициент отражения зависит от разности величин акустического сопротивления граничащих друг с другом тканей: чем это различие больше, тем больше отражение и, естественно, больше амплитуда зарегистрированного сигнала, а значит, тем светлее и ярче он будет выглядеть на экране аппарата. Полным отражателем является граница между тканями и воздухом.[2]
В простейшем варианте реализации
метод позволяет оценить
Ультразвуковые колебания
при распространении
-12-
при ультразвуковом сканировании пациента необходимо смазывание поверхности кожи водным желе, которое выполняет роль переходной среды. Отражение зависит от угла падения луча (наибольшее при перпендикулярном направлении) и частоты ультразвуковых колебаний (при более высокой частоте большая часть отражается).
Для исследования органов брюшной полости и забрюшинного пространства, а также полости малого таза используется частота 2,5 — 3,5 МГц, для исследования щитовидной железы используется частота 7,5 МГц.
Особый интерес в диагностике вызывает использование эффекта Допплера. Суть эффекта заключается в изменении частоты звука вследствие относительного движения источника и приемника звука. Когда звук отражается от движущегося объекта, частота отраженного сигнала изменяется (происходит сдвиг частоты).
При наложении первичных и отраженных сигналов возникают биения, которые прослушиваются с помощью наушников или громкоговорителя.
Применение:
- Терапевтическое применение ультразвука в медицине
- Эхоэнцефалография
- Офтальмология
- Ультразвуковое исследование играет важную роль в постановке диагноза заболеваний внутренних органов.
-13-
Заключение.
Физика — это наука используемая везде, хотим мы этого или нет. Всё что находится вокруг нас, всё это подчиняется законам физики. Физика используется во всех отраслях. Медицина, сельское хозяйство, промышленность — это далеко не всё, где физика играет огромную роль. Телефонная связь, компьютер, интернет, лазеры, космонавтика — это всё то что не смогло бы существовать без физики. На данный момент сложно представить нашу жизнь без физики, благодаря ей появляются новые технологии, которые не дают останавливаться техническому прогрессу. Я думаю, именно поэтому физика очень важна в жизни человека.

- Физика в профессии «программист в компьютерных системах
- Физика в строительстве
- Физика в строительстве и архитектуре
- Физика в фигурном катании
- «Физика және математика» кафедрасының студенттердің өзіндік жұмыстарын (СӨЖ) ұйымдастыру ерекшеліктері
- Физика и ее связь с другими науками
- Физика и музыка
- Фидерлі – антенналы құрылғылардың негіздері
- Фидий - древнегреческий скульптор и архитектор, один из величайших художников периода высокой классики
- Физ.воспитание у студентов с отклонениями в здоровье
- Физеогномика
- Физика XX века и медицина
- Физика воды. Значение воды для жизни на Земле
- Физика в природе