Учебник Естествознание 11 класс Базовый уровень Алексашина часть 1

Российская академия наук Российская академия образования Издательство «Просвещение» Академический школьный учебник Российская академия наук Российская академия образования Издательство «Просвещение» Академический школьный учебник Естествознание а I ш 11 класс Учебник для общеобразовательных учреждений Базовый уровень В двух частях Часть 1 И.Ю. Алексашина, А.В. Ляпцев, М.А. Шаталов Под редакцией проф. И.Ю. Алексашиной Рекомендовано Министерством образования и науки Российской Федерации Москва «ПРОСВЕЩЕНИЕ» 2008 УДК 373.167.1:57 ББК 20я72 Е66 Учебник получил положительное заключение Российской академии наук (№10106—5215/15 от 31.10.2007) и Российской академии образования (№ 01-480/5/7Д от 24.10.2007) в 2007 году Серия •'Академический школьный учебник» основана в 2005 году Проект «Российская академия наук, Российская академия образования, издательство «Просвещение» — российской школе» Руководители проекта: вице-президент РАН акад. В. В. Козлов. президент РАО екад. Н. Д. Никвндров, генеральный эректор издательства «Просвещение» чл.-корр. РАО А. М. Кондаков Научные редакторы серии: акад.-секретарь РАО, д-р пед. наук А. А. Кузнецов, акад. РАО. д-р пед. наук М. В. Рыжаков. д-р экон. наук С. В. Сидоренко Серия ••Лабиринт» основана в 2004 году Авторы: д-р пед. наук И. Ю. Алексашина, д-р физ.-хим наук А. В. Ляпцев, М. А. Шаталов В создании книги принимала участие И. А. Шерстобитова Естествознание : 11 кл. : учеб, для общеобразоват. учреждений: базо-Е86 вый уровень ; в 2 ч., ч. 1 / И. Ю. Алексашина, А. В. Ляпцев. М. А. Шагалов : пед ред. И. Ю. Алексашиной ; Рос. акад. наук, Рос. акад. образования. изД'ВО «Просвещение». — М * Просвещение, 200Я. — 17S г ил. — (Академический школьный учебник)(Лабиринт). — ISBN 978-5-09-016507-5. УДК 373.167.1:57 ББК 20я72 ISBN 978-5-09-016507-5(1) ISBN 978-5-09-016508-2(общ.) ® Издательство «Просвещение». 2008 ® Художественное оформление. Издательство «Просвещение». 2С08 Все права защищены Дорогие старшеклассники! в этом году вы продолжите изучение естествознания. Напомним вам. как работать с учебником. Первая страчица каждой главы специально оформлена. Здесь изображено то или иное художественное произведение и помещены вопросы, направленные на осмысление этого произведения, а также содержание главы. Основное содержание главы отражает логику естественно-научного познания, а изображение вместе с вопросами к нему демонстрирует иной способ познания мира — художественное познание. Отнеситесь внимательно к этому диалогу культур. Может быть, наш учебник поможет определиться, какой из способов познания вам ближе. Рядом с названием параграфа обозначен тип урока: урок-лек1щя, урок-семинар, урок-практикум, урок-конференция. Урок-лекция содержит теоретический материал. Обратите внимание на структуру такого параграфа. Вы обнаружите несколько обязательных элементов текста (они тоть и во всех остальных типах уроков). Это эпиграф, содержание которого позволяет лучше понять смысл учебной информации. Проблемные вопросы, предложенные вам, определяют логику изложения материала параграфа. Ключевые слова Эти слова специально выделены в отдельную рубрику. При первом появлении в тексте ежи будут выделены жирным шрифтом. Из старого поргфела Эта рубрика ориентирует на те знания, которые вы уже получили в учебных курсах основной школы и которые важны для понимания новой информации. В эту рубрику выделены все выводы в тексте. Заканчивается параграф вопросами и заданиями для самостоятельной работы: О — вопросы на воспроизведение изученного материала; ь- ~ вопросы на размышление; >■ — творческие задания. К уроку-семинару необходимо готовиться самостоятельно, используя указанную литературу. Урок-практикум оформлен как серия заданий, которые выполняются в ходе урока с помощью рубрики ПОДСКАЗКА В ходе урока-конференции слушают и обсуждают сообщения по определенной теме. Для подготовки каждого сообщения в тексте учебника предлагается необходимая литература, а иногда и задание, выполнение которого позволит глубже раскрыть обсуждаемый вопрос. Рюрика «Образ жизни» указывает, какие сведения параграфа можно использовать в повседневной жизни. Рубрики «Мысль и образ» и «Образ и мысль» — это диалог естественно-научного и художественного способов познания мира. Маршруты самообразования — советы по организации самостоятельной образовательной деятельности на уроках разных типов. Предметный указатель поможет оперативно ориентироваться в учебнике при поиске нужной информации. Авторы РАЗВИТИЕ ТЕХНОГЕННОЙ ЦИВИЛИЗАЦИИ ОБРАЗ И МЫСЛЬ Фернан Леже (1881—1955) Механические элементы (1924). Национальный музей современного искусства, Центр Помпиду, Париж Рассмотрите иллюстрацию и попытайтесь обоснованно выразить свое'впечатление (обратите внимание на форму и размер объектов, их цвет, расположение и др.)- Как вы думаете, какие обстоятельства могли побудить деятелей культуры начала XX в. предъявлять публике изображения машин, механизмов, предметов промышленного производства в качестве эстетических объектов? Напомним, что их экспонирование нередко вызывало общественный скандал (именно так случилось с Эйфелевой башней в Париже). Считаете ли вы приемлемым предъявление подобных предметов в качестве произведений искусства? Аргументируйте свой ответ. ПРЕАМБУЛА: Наша цивилизация немыслима без использования техники. Люди по-разному относятся к ней. Кто-то «купается в технике», с удовольствием изучая новые приборы и устройства, Кто-то ее боится и даже ненавидит, обвиняя во всех недостатках, присущих цивилизации. Но большинство из нас, подумав, отказались бы очутиться в мире без техники. Вы, конечно, знаете, что техника и естественные науки тесно связаны между собой, а современные технические достижения основаны на науке. Но всегда ли так было? Ведь многие технические объекты (каменный топор, копье и др.) появились во вре-\ мена, когда науки как отдельного компонента культуры с присущими ей особенностями еще не существовало. Как взаимосвязаны человек и техника, техника и цивилизация, техника и естественные науки? Каковы исторические вехи развития науки и техники? Найти ответы на эти и другие вопросы вам поможет эта глава. РАЗВИТИЕ ТЕХНОГЕННОЙ ЦИВИЛИЗАЦИИ ш. ТЕХНИКА КАК РЕАЛЬНОСТЬ, СОЗДАННАЯ ЧЕЛОВЕКОМ Урок-лекция Надежда на то, что расширение власти над природой непременно имеет прогрессивный характер, обнаруживает свои пределы. В. Гейзенберг Ключевые слова Существует ли взаимосвязь между созданной человеком искусственной средой и техникой? Каковы особенности техники как вида деятельности ^ человека? Какие факторы определя-j ют развитие техники? Естественная и искусственная реальность Техника Факторы развития техники Географические оболочки (География, 6— 9 кл.). Признаки живых органь^змов (Биология, 6—9 кл.). Простые механизмы и физические приборы (Физика, 6—9 кл.). Антиутопия Е. И. Замятина «Мы» иллюстрирует модель искусственной реальности, а роман Д. Дефо «Робинзон Крузо» — модель естественной реальности. Сопоставив модели, ответьте на вопрос: почему человек не может существовать только в естественной или только в искусственной среде? .1- ОСОБЕННОСТИ ТЕХНИКИ. Первоначальное значение термина техника связано с греческим словом techne, обозначавшим и мастерство, и искусство, и умение, и изощренность. Это многообразие смысловых оттенков вызвано тем, что греки не разделяли науку и искусство. Такой комплексный подход применим и к определению ссвременных понятий, связанных с техникой. Любое техническое устройство — результат деятельности человека, как и наука, и искусство. Техника, наука и искусстзо, взаимодействуя друг с другом, являются важными компонентами культуры. В чем состоят особенности технической деятельности человека (деятельности по созданию техники)? Техническая деятельность всегда целенаправленна: она нацелена на изобретение приспособлений, инструментов и т. д. Так, с помощью технических средств люди с древнейших времен добивались больших успехов в охоте, рыбной ловле, ____=_____= обработке природных материалов, строительстве и украшении жилища, изготовлении одежды, предметов быта. Тем самым человек реализовывал и свои эстетические потребности. Следовательно, техническая деятельность человека носит не только целенаправленный, но и осознанный, творческий характер. Это объясняет то влияние, которое ома оказала на становление самого человека способствуя развитию его интеллекта. Благодаря этому человек смог направить свою деятельность на изменение естественной природной среды, ее преобразование. 8 РАЗВИТИЕ ТЕХНОГЕННОЙ ЦИВИЛИЗАЦИИ • ие;ходи1 уриьня ра;^ьи1ии ибщеС1ьа и сущее шующих в нег проблем, требующих безотлагательного решения на основе современ ных достижений науки и техники; • устремляются в будущее, открывая новые горизонты научно-тех нического прогресса человеческого рода. В формировании столь сложной программы деятельности важнун роль играют присущие человеку мышление и членораздельная речь Мышление позволяет проникнуть в тайны при роды, познать основы мироздания и в конеч ном итоге подчинить силы природы нуждам i потребностям людей. Речь обеспечивает пере дачу накопленного опыта в бесконечной {так т это?!) череде поколений. В последние годы на человеческую деятель ность все больше влияют размышления люде! о своем предназначении в этом мире. Еще не давно, считая себя властелином планеты, человек вмешивался в гар монию природных процессов, не задумываясь о целесообразности \ возможных последствиях своих поступков. Сегодня, поняв угрозу сво ему существованию, люди вынуждены заботиться о снижении антропо генной нагрузки на биосферу. В решении этой проблемы особо значи МО осознание человеком ответственности за функционирование соз данной им техники. Ведь но секрет, что сооременные технические сис темы могут действовать и без непосредственного участия человека (са монаводящиеся баллистические ракеты, роботы и т. д.). Все это — сви детельства того, что техника все больше становится особым компонен том искусственной среды, эволюционирующим в соответствии с при сущей ей внутренней (скрытой от человека) логикой развития. Некоторые виды муравьев в тропичес-кой Америке выкапывают большие подземные камеры, куда приносят листья, сорванные с ближайших деревьев. Они заражают эти листья спорами гриба, который разрастается и служит пищей муравьям. В узком смысле техника — это инструментальные средства, используемые человеком 8 преобразовании природы; артефакты, т. е. предметы, созданные человеком 8 процессе специфической деятельности. В широком смысле техника — это компонент культуры, продукт человеческой ци-вилизащ1и, техническое знание, влияющее на развитие общества. ь Как вы оцениваете роль техники в изменении естественной природной среды обитания человека? ► Термин «техника» употребляют в различном смысле. Проанализируйте использование этого термина в следующих выражениях: «рыболовная техника» и «техника рыбной ловли»; «агротехника* и «сельскохозяйственная техника»; «техника вязания кружев» и «техника игры на фортепиано». Приведите свои примеры разного использования и толкования этого термина. 2 ТЕХНИКА И ТЕХНОГЕННАЯ ЦИВИЛИЗАЦИЯ Урок-лекция ...Техники много, а духа нет... 6. Пастернак В чем состоит сущность техники как компонента культуры? Какие науки изучают технику? Что такое техногенная цивилизация? Ключевые Культура Наука Техника Техно-слова генная цивилизация Устройство и принципы работы технических объектов (Физика, 7—9 кл.). Материальная и духовная культура как результат жизнедеятельности человека, влияние человека на географические оболочки (География, 6—9 кл.). Картина Ф. Лехта наполнена техническими образами и выражает одну из негативных сторон современной цивилизации. О каких проблемах во взаимоотношениях техники с человеком, гриродой и обществом можно говорить на основе анализа этого произведения? Фридрих Лехт. Березниковский химкомбинат ' ||Ц 11111 ............................. V: / 7-г " к' ТЕХНИКА К/\К КОМПОНЕНТ Техника как результат созидаю- щей деятельности человека является важнейшим компонентом культуры. В самом широком смысле культура есть оппозиция природе. В этом случае природа и культура соотносятся как естественное и искусственное. Как часть культуры техника несет в себе присущие ей смыслы. Смысл техники как общечеловеческой ценности выражается в ее понимании как объекта, знания и процесса. Как объект технику представляют материальные предметы — приборы, инструменты, машины и т. д., которыми располагает современный человек. Как знание — технические знания, накопленные ^ человечеством за свою многовековую историю. Как процесс — изобретение, проектирование и изготовление материальных предметов, ведущие к увеличению окружающего нас мира вещей, созданию искусственной среды обитания. Термин «культура» имеет латинское происхождение. Ранее им обозначали возделывание почвы, ее ку.тьти-вирование. Уже это подчеркивает одну из важнейших особеннсстей культуры — ее единство с человеком S и его преобразующей деятель-Щ ностью. Культура — явление, прису-§f щее исключительно миру человека. I ; 10 РАЗВИТИЕ ТЕХНОГЕННОЙ ЦИВИЛИЗАЦИИ Суть 1ехники как меры сивершени1ьа еписобоь ден1ельнии1и сьнза на со степенью искусности, мастерства. В этом плане техника — эт1 _________ технология (способ) осуществлени Смыслы техники как компонента культуры позволяют так определить этот феномен: 1) техника — есть средство преобразования окружающей природной среды; 2) техника — это посредник между человеком и природой, задающий тип отношений между ними; 3) техника — средство изменения самого человека, создающее проблему человека в мире техники. деятельности (чтения, приготовлени: пищи, шитья, управления государ ством и т. д.), доведенная до техно логического совершенства. Смысл техники как средства раз вития личнссти также многогранен Он выражается в тех возможностях которые техника дает человеку дл' развития и эеализации своих задат ков, способностей, интересов. ТЕХНИКА в СИСТЕМЕ НАУК Множество смыслов, а значит, и аспекте изучения техники порождает интерес к ней со стороны разных нау»' Эти науки, как и сама техника, являются важным элементом культурь Какие аспекты изучения техники можно выделить? Какие науки занима ются их исследованием? Одним из важнейших аспектов техники, соответствующим ее внут ренней природе, является инструментально технологическш аспект. Его изучением занимаются технические науки, которые интере сует устройство и принципы работы технических объектов. Однако техника не возникает и не существует {пока?) сама по себе Будучи творением человека, она включается во взаимоотношения существующие в системе Человек — Природа — Общество. Поэтом различают естественный, индивидуально-человеческий и социалъны> аспекты техники. Естественный (природный) аспект техники изучает естествознание i его отдельные отрасли (инженерная экология и др.). Эти науки изучаю проблемы взаимоотношений техники и природы. Проблемы взаимоотношений техники и отдельного человека, в кс торых проявляется индивидуально-человеческий аспект техники, изучз ют антропология, физиология, психология, эстетика, эргономика и дpv гие науки. И наконец, взаимоотношения техники с обществом и все мировой цивилизацией, выражающие ее социальный аспект, иccлeдv ют социология, политология, культурология и другие науки. ОБРАЗ ЖИЗНИ Нередко технику считают винозницей несчастий, произошедших в процессе ее эксплуатации. Однако часто в таких ситуациях виноват сам человек. Для того чтобы обезопасить себя и окружающих людей, важно соблюдать следующие правила: обращаться с техникой необходимо в соответствии с рекомендациями, приведенными в руководстве по ее эксплуатации; никогда нельзя использовать технику кс по назначению; лучше воздержаться от применения неисправной или выработавшей свой ресурс техники. § 2. Техника и техногенная цивилизация Особо следует отметить существование проблемы отношений техники с остальным искусственным миром, созданным человеком. В них проявляется культурологический аспект техники, изучаемый культурологией. Культурологическому осмыслению подвержены проблемы соотношения техники и существующих культурных ценностей; оценки техники в контексте человеческих измерений; роли техники в жизни человека, ее влиянии на культуру и др. В поле зрения наук находятся инструментально-технологические, естественные, индивидуально-человеческие, социальные и культурологические характеристики техники. ТЕХНОГЕНЬГАЯ ЦИВИЛИЗАЦИЯ. Говоря о технике, мы затронули не менее интересное понятие — «цивилизация». Часто цивилизацию отождест- Учитывая происхождение слова «цивилизация» (от лат. cwilis ~ гражданский), его нередко применяют лишь к городским сообществам с развитой письменностью. Основными признаками цивилизации считают: общественное разделение труда; возникновение производства и товарно-денежных отношений; создание письменности; появление государства; развитие форм духовных отношений. вляют с культурой или рассматривают их как стадии становления друг друга. Нередко понятие «цивилизация» применяют для отражения определенного уровня технического развития общества. И все же понятие «цивилизация» шире, чем понятие «культура» и тем более чем понятие «техника». Цивилизация включает всю окультуренную природу и средства (орудия) ее преобразования. Она вбирает в себя и самого человека, способного жить в созданной им же культурной среде, а также весь спектр существующих между людьми взаимоотношений. Вместе с тем цивилизация несет в себе и все минусы общественного устройства. Для современной цивилизации одним из таких минусов является ее непрерывно усиливающийся техногенный характер. Для техногенной цивилизации характерен выход на первый план не человека, а техники, ее господство в общей системе ценностей человечества. Такое доминирование техники порождает технократизм мышления с его ориентацией на инструментально-технологические характеристики техники и игнорирование иных ее измерений. Вследствие этого техника превращается не в средство улучшения жизни человека, а в цель его жизни. Современного человека отличает совершенствование существующей и создание новой техники, наступающей на природу. 1> Какие смыслы обобщает понятие «техника»? Раскройте взаимосвязь понятий «техника», «культура», «цивилизация». ► Докажите, что современная цивилизация является техногенной. РАЗВИТте ТЕШОГЕННОЙ ЦИВИЛИЗАЦИИ ТЕХНИКА И ЧЕЛОВЕЧЕСКИЕ ПОТРЕБНОСТИ: НАСУЩНОЕ }щт И ИЗБЫТОЧНОЕ Урок-семинар Автомобиль не роскошь, а средст передви>1сения. И. Ильф, Е. Петр Какую пользу техника приносит человечеству? Не является ли техника в сое ременном мире избыточной роскошью? ЦЕЛЬ СЕМИНАРА Понять место и роль техники в жизни современнс человека. ПЛАН СЕМИНАРА 1. Техника помощник человека в труде. 2. Техника на страже здоровья человека. 3. Техника и бытовой комфорт. 4. Техника — надежный защитник. 5. Техника и человеческие пороки. Необходимые источники информации 1. Енохови ч А. С. Справочник по физике и технике (таблицы): уч< пособие для учащихся / А. С. Енохович. — М.: Просвещение, 1983. 2. Р а ч л и с X. Физика в ванне / X. Рачлис. — М., 1986. 3. Угринович Н. Д. Информатика и информационные технологи»' Н. Д. Угринович. — М.; Лаборатория Базовых Знаний, 2002. 4. Энциклопедический словарь юного техника: для среднего и старше школьного возраста / сост. Б. В. Зубков, С. В. Чумаков. ^ М.: Педаг гика. 1980. 5. Энциклопедический словарь юного физика. — М.: Педагогика-Прв< 1995. Соль всегда пользовалась особым почетом на Руси. Однако труд по ее добыче и транспортировке был не из легких. Как современная техника изме* кила бы труд людей? МЫСЛЬ и ОБРАЗ С момента появления техники идут спо| между ее сторонниками и npoTMBHMxaN Одни утверждают, что без техники не обе тись: она помогает человеку в решении ь сущных проблем, улучшает и облегчает е жизнь. Другие говорят, что техника — это г оправданное излишество, ведущее человек; «технической пресыщенности». ТЕМА ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ 1 Вы знаете, что способность к труду стала одним решающих факторов эволюции человека. Возмож ли труд современного человека без техники? В i § 3. Техника и человеческие потребности: насущное и избыточное гих случаях имело бы смысл отказаться от использования техники? Обсуждая ответы на поставленные вопросы, не забудьте, что учебная деятельность — это тоже труд. ТЕМА ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ 2 Здоровье — важнейшая общечеловеческая ценность. Опишите роль техники в решении медицинских и иных проблем охраны и укрепления здоровья человека. Правомочно ли мнение о том, что техника нарушает природный закон выживания сильнейших? ТЕМА ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ 3 Значительную часть времени человек проводит у себя дома. Дом — место отдыха, досуга, общения с близкими людьми и друзьями, а для кого-то это место ведения индивидуального хозяйства. Нужна ли техника человеку 8 построении своего домашнего очага? В каких бытовых ситуациях техника — плохой помощник человеку? ТЕМА ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ 4 Дома, на работе и улице, в мире в целом каждый человек хочет чувствовать себя в безопасности. В обеспечении этой безопасности задействованы значительные человеческие ресурсы: работники спецслужб, военнослужащие и т. д. Могут ли они гарантировать нам надежную защиту без техники? От использования какой техники человечеству стоило бы отказаться навсегда? ТЕМА ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ 5 Одним из пороков человечества можно считать пристрастие к азартным играм. Что еще вы отнесли бы к порокам, присущим человеку? Способна ли техника провоцировать их проявление и к каким последствиям это может привести? 0 В современном мире все чаще раздаются призывы отказаться от излишеств техногенной цивилизации, остановить дальнейший технический прогресс или хотя бы ограничиться использованием наиболее простых технических устройств, приводимых в действие силой рук человеческих. Несмотря на всю привлекательность подобных идей, ведущих человека назад к природе. они, скорее всего, мало осуществимы. РАЗВИТИЕ ТЕкНОГЕННОЙ ЦИВИЯИЗв(ИИ f Л ЗАРОЖДЕНИЕ И ^РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ Урок-лекция Высоких гениев творенья Не для одной живут поры... Демьян Бедный ыл Ключевые Эволюция техники Технологичес-слова Как зародилась техника? Как развивалась техника в ремесленный период? Когда и как появилась машинная тех* ника? Каковы особенности развития техники на современном этапе технического прогресса? кая революция Эволюция человека и его адаптация к природной и социальной ' П. Никулин. Дождливое воскресенье В центре картины изображены автобусы. ставшие во второй половине XX в. основным видом пассажирского транспорта в России. Чем запечатленная художником модель отличается от современной автобусной техники? Каким вы представляете себе автобус будущего? Среде (Биология. 9 кл.). Паровая турбина (Физика, 8 кл.). ЗАРОЖДЕНИЕ ТЕХНИКИ. Если эволюцию техники представить как длительный путь исторического развития, складывающийся из отдельных этапов, тогда первым из таких этапов можно считать нарождение техники. Процесс зарождения техники носил случайный характер: первые орудия не изобретались преднамеренно, а находились случайно. Это значит, что человек не изготовлял орудия, а использовал попавшие под руку предметы: палки, кости и т. п. Так, сжатый в кисти камень служил продолжением руки, значительно усиливая ее мощь. Постепенно применение случайно найденных предметов стало привычным, прочно укоренившимся занятием. Только тогда древнейшие люди смогли перейти к и> изготовлению (по аналогии или путем подражания). Научившись изготовлять орудия, человек стал и> изобретать, хотя изобретения его также носили случайный характер. Пробуя и ошибаясь, древнейшиР человек находил нужное решение возникшей пере/ ним технической проблемы. Скорее всего. решени( само «открывалось» ему. мысль и ОБРАЗ На этапе зарождения техники ее развитие носило случайный характер, хотя человек и проделал путь от использования подручных средств до стихийного изобретения орудий ^ труда. § 4. Зарождение и развитие техники Рис. 3. Косторезное ремесло fEXHHKA РЕМЕСЛЕННАЯ. На этапе становления ремесленной техники искусственные устройства становятся более многочисленными и разнообразными, а технология их изготовления — достаточно сложной. Уже не каждый человек, как раньше, мог самостоятельно изготовить необходимые для выполнения работы орудия. Таким образом, технический прогресс шел по пути дифференциации техники. Это способствовало обособлению технической деятельности в отдельный род занятий и появлению специально занимающихся им людей — ремесленников. Ремесленники сочетали 8 себе создателя технического проекта (изобретателя) и рабочего, материализующего его проект (рис. 3). От древних цивилизаций и до эпохи Нового времени эволюция техники была сопряжена с развитием ремесел. Ремесленники, пусть и неосознанно, выступали главной движущей силой технического прогресса. В новый портфет^ Характерные черты этапа зарождения техники: 1) изготовлять и применять орудия труда могут почти все взрослые члены общины; 2) человек не осознает себя творцом техники (воспринимает ее как часть природы, а потому отношения человека с природой отличаются гармоничностью); 3) крайне низкие темпы эволюции техники в силу ведущей роли случая в ее развитии. Отличительные черты этапа ремесленной техники: 1) человек продолжает быть «движущей силой» всего технического процесса (орудие труда в руках ремесленника продолжает быть дополнением человека); 2) ремесло основывается на знаниях и навыках, передаваемых из поколения в поколение; 3) по-прежнему низкий, хотя и несколько ускорившийся темп развития техники. МАШИННАЯ ТЕХНИКА. На переходе от эпохи Возрождения к эпохе Нового времени ремесленная техника уступила дорогу технике машинной. Появление машинной техники связано с развитием инженерной деятельности как нового витка в развитии деятельности технической. 16 Характе^)ные черты этапа машинной техники: 1) опора на достижения науки, на теоретическое и прикладное естествознание; 2) замена мускульной силы человека силами природы («двигателем» технического процесса стала сила природы, преобразованная в машину); 3) постепенное отделение деятельности технической, выполняемой инженерами, от деятельности по изготовлению и эксплуатации техники, осуществляемой рабочими. * V, Рис. 4. Паровая машина При этом инженерная деятельность (в отличие от ремесленной) уже t зируется не на традициях, а на науке, прежде всего естествознании. Это значит, что машинная техника исторически не могла появить раньше, чем стало развиваться естествознание. При этом формироЕ ние самого естествознания и основанной на его успехах инженерн деятельности было определено потребностями развивающейся пр мышленности. Постепенно союз науки и техники привел к формированию нового / учнотехнического знания, основанного на понимании двойственн природы технических объектов. С одной стороны, они подчиняют естественным законам природы, а с другой — искусственно созда человеком для удовлетворения своих практических потребностей. ____________________________ Дальнейшая эволюция npoi^ Появление машинной техники привело к выходу производства на качественно новый уровень развития. Свершилась промышленная революция, суть которой заключалась в передаче человеком производственных функций руки станкам и машинам. Важную роль в этом свершении сыграло набирающее силу естествознание. водства и развитие естествознан привели к появлению в кон XVIII в. технических наук. Всл за этим на рубеже XVIII—XIX i Джеймс Уатт (1736—1819) изобр паровую машину (паровой дви1 тель). Это изобретение стало в£ ной вехой в развитии машинн техники и становлении машиннс производства (рис. 4). ИНФОРМАЦИОННАЯ !*:ХНИКА Качественный виток в развитии техн1< произошел во второй половине XX в. В этот период началась корень перестройка всей технологической базы современной цивилизац! В ее основе — появление и развитие информационной техники, ве, щей в перспективе к полной автоматизации производства. Информационная техника дала ключ к решению многих насущь проблем: обработки, хранения и передачи огромных массивов инф< мации; создания новых систем связи (спутниковых, кабельных и др. информационных сетей и т. д. В союзе с информационной техникой i тенсивно развиваются лазерные технологии, робототехника, ядер! энергетика, аэрокосмическая и иные отрасли промышленности. Крс г § 4. Зарождение и развитие техники В современном мире «правит» информационная техника, которой человек все более передает «производственные функции мозга». того, информационная техника открыла новые гopиjЗoнты в развитии человечества (создание искусственного интеллекта и т. п.). Появлению информационной техники способствовало дальнейшее сближение науки и техники, их взаимопроникновение, а также интеллектуализация всех сфер общественной жизни. Назовем важнейшие черты развития техники на современном этапе. 1. Техника все больше становится «продолжением человеческого мозга». 2. Ускорение темпов и расширение возможностей технического прогресса представляются практически безграничными. 3. Нарастающая вовлеченность науки и техники в экономику, их коммерциализация. 4. Глубокая дифференциация инженерной деятельности. 5. Минимизация роли человека во всем технологическом процессе. 6. Обострение проблем взаимодействия техники с природой, человеком и обществом. Как мы выяснили, развитие техники неразрывно связано с эволюцией самого человечества. При этом процесс технического прогресса всегда носил скачкообразный характер. Это значит, что постепенное накопление технических знаний и ______________________________ опыта инженерной деятельности рано или поздно приводило человека к выходу на качественно новый уровень технического развития, т. е. к технологической рева-ящии. h.'. История человечества насчитывает три технологические революции; сельскохозяйственную, промышленную и современную, называемую также научно-технической революцией. В новый ртфель > Какие этапы е эволюции техники можно выделить? Дайте им краткую характеристику. Какую роль в современном мире играют ремесла? Какие народные промыслы вам известны? Какие социальные риски принесло человечеству появление машин? Характерны ли они для современного этапа развития техники? Используя дополнительную литературу, раскройте сущность сельскохозяйственной, промышленной и научно-технической революций. РАЗВИТИЕ ТЕХНОГЕННОЙ ЦИВИЛИЗАЦИИ 5 ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ КАК ИСТОЧНИК РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ Урок-лекция Налево беру и направо, И даже, без чувства вины, Немного у жизни лукавой, И все — у ночной тишины. А. Ахматова Ключевые слова Как исторически менялись взаимоотношения естествознания и техники? Кто первый изобретатель — человек или природа? Какие успехи естествознания и техники ознаменовали эру научно-технической революции? Научно-технический прогресс • Взаимосвязь естествознания и техники • Научно-техническая революция Коэффициент полезного действия {Физика. 7 кл.). Клеточное строе- ние организмов (Биология, 6—9 кл.). История ' естествознания (Естествознание, 5 кл.). i Эта картина была написана по заказу железнодорожной компании. На ней художник изобразил товарный поезд, мчащийся вперед вдоль пастбищ и полей. Что может символизировать подобное «соседство»? Джордж Инесс. Долина Лакванна МЫСЛЬ и ОбРАЗ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС. ВЗАИМОСВЯЗЬ НАУКИ И ТЕХНИКИ. До сих пор мы говорили о техническом прогрессе. Однако он лишь часть единого научно-технического прогресса человечества. Другая его составляющая — это прогресс науки. Ранее мы выяснили, что техника является предметом изучения многих наук. Но все же пальму первенства за вклад, внесенный в развитие техники, следует отдать естествознанию. Однако взаимосвязь естествознания и техники в истории человечества была различной. I § 5. Естествознание как источник развития техники На заре человечества естествознание не МОГЛ9 оказать поддержки технике. Да его, собственно, тогда и не было. Поэтому все проблемы практики техника решала методом проб и ошибок (опытным путем). При этом главной задачей техники было помочь человеку адаптироваться к условиям естественной среды обитания. Постепенно разделение труда и появление новых видов деятельности поставили перед человеком новые задачи в овладении тайнами природы. В итоге строительство городов, храмов, раз- Долгое время наука и техника развивались относительно самостоятельно и как бы независимо друг от друга. В реальности же они всегда сотрудничали в решении насущных проблем практики, взаимно обогащая друг друга. Например, английский физик Роберт Гук конструировал микроскопы, увеличивающие изображение в 140 раз. Он же в 1665 г. первым увидел растительную клетку. Это открытие привела к созданию в XIX в. клеточной теории строения растений и животных немецким ботаником Маттиасом Шлейденом и зоологом Теодором Шванном. Но и наука помогла технике: развитие физики привело к созданию электронного микроскопа, еще больше расширившего возможности человека в познании окружающего мира. витие ремесел и т. п. привели к накоплению обширного свода знаний и навыков. Их закрепление и отражение в специальных терминах способствовали зарождению ряда научных направлений (механики, астрономии и др.). Это значит, что уже в древности единая философская мысль могла разделиться на отдельные науки. Однако процесс этого деления затянулся до конца Средневековья. Начавшееся в эпоху Возрождения бурное развитие промышленного производства нуждалось в теоретическом обосновании лежащих в его основе процессов, в открытии законов, которым эти процессы подчиняются. Это дало новый импульс развитию естествознания. Так, во второй половине XV в. оформляются отдельные естественные и матема-гические науки. Но к сожалению, они не могли еще оказать помощь практике; едва появившись, эти науки отставали в развитии от техники л производства, однако по темпам развития все же опережали их. Постепенно темп развития науки стал сопоставим с темпом развития техники. Но все равно наука еще не была способна ставить перед техникой новые проблемы, указывать путь техническому прогрессу. Наоборот, техника предъявляла науке задачи, требующие скорейшего )ешения. В XIX в. (период быстрого развития капиталистического произ-юдства) естествознание уже было I силах ставить и решать такие займи, которые только лишь наме-ались на пути развития техники и ромышленности. Так, созданная аровая машина изначально отли-алась низким коэффициентом по-езного действия (КПД). Встала адача определить пределы КПД выявить условия для его повы- Среди свершений науки XVI—XVIII вв. важно отметить гелиоцентрическое учение Н. Коперника, закон всемирного тяготения И. Ньютона, кислородную теорию горения А. Л. Лавуазье и др. Изобретение в XVlil в. паровой машины произошло опытным путем, фактически без участия естествознания. И лишь потом потребовалась помощь науки для улучшения ее работы. Самостоятельно справиться с этой задачей техника уже не могла. гаВИТИЕ ТЕХНОГЕННОЙ ЦИВИЛИЗАЦИИ чества и многое другое. шения. Успешность решения этой задачи пр вела естествознание к разработке механ ческой теории тепла и кинетической теор газов, созданию термодинамики и открыт1 закона сохранения и превращения энергии. Во второй половине XIX в. наука cpaei-лась в темпах развития с техникой. Техника производство стали наукоемкими отраслям! Дальнейшие успехи естествознания приЕ ли к тому, что в XX в. наука стала опережу в развитии технику и производство. LU подготовка к научно-технической револющ свершившейся во второй половине XX в. Крупнейшими достижениями естествознания конца XIX в. и перв половины XX в. являются: раскрытие структуры атома; открытие рад^^ активности: создание теории относительности, квантовой механи» кибернетики, генетики, реактивной техники; распространение Электр Рис. 5. Летательные аппараты; Л. да Винчи (а) и И. Этриха (б) ИЗУЧАЯ ПРИРОДУ, СОЗДАЕМ ТЕХНИКУ Сс давать технику человек учился у природы. С нако осознание того, что любой техническ объект подчиняется природным закона пришло к нему не сразу. Наблюдая за животными и растениями, ^ ловек мечтал о том, что сможет проникнут! глубь земли, покорить морские и воздушн просторы, а потом и космос. Этим мечт суждено было сбыться благодаря нaблю^ тельности и пытливости выдающихся yv человечества. Так, Леонардо да Винчи сконструироЕ летательный аппарат, подобный скелету пт приводимый в движение мускульной силой * ловека. Позднее он изменил конструкц крыльев, сделав их похожими на крылья ле чей мыши (рис. 5, а). Растения также внесли свою лепту в р витие авиационной техники. Так, летные ка ства семян лианы зенонии заметил изобре тель Этрих из Богемии. В 1904 г. по их по. бию он построил планер с размахом крыл 6 м и грузоподъемностью 25 кг. Потом Эт не раз улучшал летные качества своего п нера (рис. 5, б). Цветочные часы К. Линнея, ножи для 6v ния твердых пород, подобные зубам вымер! ящеров, компьютеры, имеющие два жест i § 5. Естествознание как источник развития техники диска, как и животные, имеющие парные органы (две почки и т. д.), высотные сооружения, подобные стеблям растений: утолщенные у основания и заостренные вверху (рис. 6), — все это лишь малая толика примеров заимствования человеком у природы технических решений. Во второй половине XX в. в недрах естествознания сформировалась новая наука — бионика. Она родилась на стыке биологии, физики, математики и других наук. Ее достижения существенны для научно-технического прогресса. Задача бионики заключается в изучении биологических объектов с целью использования их свойств в создании искусственных систем. Для этого применяют различные научные методы. Так, с помощью моделирования «воспроизводят» в технической системе какое-либо свойство живого организма. С помощью метода имитации создают искусственные материалы, возводят строительные сооружения и т. д., которые по форме или другим свойствам соответствуют природным аналогам. Метод палеобионики востребован в тех случаях. когда изобретательская задача решается через выявление особенности вымерших растений и животных. Рис. 6. Растения помогают человеку строить Природа — первый и самый главный изобретатель на планете. СЮВРЕМЕННОЕ ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В ЭПОХУ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ Современный этап научно-технического прогресса получил название научно-технической революции. Суть этой революции — в коренном преобразовании промышленно-производственной практики человечества за счет превращения науки в лидирующий фактор развития всех сфер общественной жизни, в том числе и технической. Среди научно-технических достижений современности, связанных с естествознанием, — выход человека в космос; развитие атомной энергетики; получение искусственных материалов с заданными свойствами; создание компьютеров и иной техники и многое другое. > В чем состоит феномен научно-технического прогресса? Как объяснить, что термин «научно-техническая революция» появился после создания атомной бомбы? ► Приведите свои примеры, подтверждающие тезис о том, что природа является первым и самым главным изобретателем на планете. Сегодня естественные науки — реальная производительная сила. Они тесно переплетены с техникой и производством, а их достижения определяют облик современной цивилизации. ОГЕННШ ШвИЛМЗЛЦЬ*И эволюция ТЕХНИЧЕСКОЙ МЫСЛИ : V,- Урок-конференция Оглядись: все, что ты видишь и чего касаешься, когда-то было невидимой мыслью, пока кто-нибудь не выбрал ее для воплощения в реальность. Р Бах Как зародилась и развивалась техника, с помощью которой человек освоил воздух, море и недра земли? Как техника вывела человека в космос? Как развивалась строительная техника? Как с развитием человечества менялась военная техника? Как техника помогала создавать уют? iS555fcsZ!i?221 проследить эволюцию техники, ставшей спутником и верным помощником человека. 1. техника в освоении планеты и космоса. 2. Строительная техника. 3. Военная техника. 4. Техника в доме. СООБЩЕНИЕ 1 Техника в освоении планеты и космоса. 1. Человек покоряет морские просторы и глубины. 2. Эволюция летательных аппаратов. 3. Техника и освоение космоса. Источники информации 1. Доценко В. Д. Морские музеи Санкт-Петербурга: справочник-путеводитель / В. Д. Доценко, В. Ф. Миронов. — СПб.: Судостроение, 2001. 2. Линейные корабли и авианосцы: Свыше 300 боевых кораблей всех стран мира / пер. с англ, и общ. ред. С. Ангелова; коммент. и послесл. В. Гончарова. - М.: ACT. 2000. 3. Самолеты Второй мировой: Свыше 300 боевых самолетов всех стран мира / пер. с англ, и общ. ред. С. Ангелова; коммент. и послесл. В. Гончарова. — М.: ACT, 2000. 4. Ту р ь я н В. А. В мире летательных аппаратов / В. А. Турьян. — М.: Иэд-во ДОСААФ. 1964. 5. Виргинский В. С. Очерки истории науки и техники XVI—XIX веков •• В. С. Виргинский. — М.: Просвещение, 1984. 6. Энциклопед/1ческий словарь юного астронома / сост. Н. П. Ерпылев. — М.: Педагогика, 1986. Густав Шварц. Парад в Гатчине Парад каких технических идей отражает данная картина? МЫСЛЬ и ОБРАЗ СООБЩЕНИЕ 2 § 6. Эволюция технической мысли Строительная техника. Источники информации 1. Строительная техника. — М.: Росмэн, 2001. 2. Замки. Дворцы / отв. ред. Т. Евсеева. — М.: Аванта+, 2002. 3. Бурмистрова/!. Л. Я познаю мир. Архитектура: дет. энцикл. / Л. Л. Бурмистрова. — М.: Астрель; ACT, 2003. 4. Гармаш И. И. Тайны бионики / И. А. Гармаш. — Киев: Рад. шк., 1985. СООБЩЕНИЕ 3 Военная техника. Источники информации 1. Всемирная история артиллерии / сост. Л. Н. Смирнова, Е. В. Доброва, К. А. Ляхова, ГА. Гальперина. — М.: Вече, 2002. 2. Петухов С. И. История создания и развития вооружения и военной техники ПВО сухопутных войск России. В 2 ч. / С. И. Петухов, И. В. Шестов; под ред. С. А. Головина. — М.; Вооружение. Политика. Конверсия, 1997. 3. П роч ко И. С. История развития артиллерии: С древнейших времен и до конца XXI века / И. С. Прочко. — СПб.: Полигон, 1994. 4. Танки и самоходные установки / пер. с англ, и общ. ред. С. Ангелова: ком-мент. и послесл. В. Гончарова. — М.: ACT, 2003. СООБЩЕНИЕ 4 Техника в доме. Источники информации 1. Гордиенко М. П. От повозки до автомобиля / М. П. Гордиенко, Л. В. Смирнов. — Алма-Ата: Казахстан, 1997. 2. Дом и все, что в нем: энциклопедический справочник. — М., 2004. 3. Энциклопедический словарь юного техника; для учащихся среднего и старшего школьного возраста / сост. Б. В. Зубков, С. В. Чумаков. — М.: Педагогика, 1980. Мир, который создает человек, не должен входить в противоречив с тем миром, в котором он живет Леонардо да Винч^ Как в литературе представлены взаимоотношения человека и техники? Какие технические достижения человечества прославлены в литературных произведениях? Какая техника, по мнению писателей, несет в себе угрозу человечеству? Выяснить, какие проблемы взаимоотношений человека v техники затрагивают писатели в своих произведениях. ^ • осмыслить предлагаемые пути их решения. 1. Человек и техника в мире литературы — гармоничное целое или борьба несовместимого? 2. Техника и прогресс человечества. 3. Техника — угроза физическому и нравственному здоровью человека. 4. Человек-машина: возможно ли такое? ТЕМА ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ 1 Литература — неиссякаемый источник мудрости человечества. Как в ней предстает мир, в котором соседствуют человек и техника? Можно ли назвать их взаимоотношения гармоничными, или они полны внутренних, порой неразрешимых противоречий? Дополнительные источники информации 1. Л. Н. Толстой. «Люцерн», «Власть тьмы». 2. А. и Б. Стругацкие. «Трудно быть богом». 3. М. А. Булгаков. «Роковые яйца». ТЕМА ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ 2 Мы не раз говорили о позитивной роли техники в становлении и прогрессе человечества. Какие литературные источники служат тому подтверждением? Какие направления развития технической мысли предугадали писатели-фантасты? Как они оценивают роль техники в жизни человека? Доаолнигсльныв источники информации 1. Ж. Верн. «Капитан Немо». 2. А. Толстой. «Гиперболоид инженера Гарина», «Аэлита*. 3. А. Р. Беляев. «Человек-амфибия». L L § 7. Человек и техника в мировой литературе ТЕМА ДЛЯ ■ ■ ОБСУЖДЕНИЯ 3 Не менее очевидна и разрушительная мощь техники. Нередко она наносит непоправимый урон физическому и нравственному здоровью людей. В каких произведениях отечественных и зарубежных писателей можно найти этому псдтверждение? 25 дополнительные источники ^чформации 1. В. Катаев. «Время, вперед!». 2. А. Платонов. «В прекрасном и яростном мире». 3. В. Распутин. «Прощание с Матерой». 4. 6. В. Маяковский. «Клоп». 5. А. И. Куприн. «Молох». 6. Дж. Г. Байрон «В защиту луддитов». 7. Р. Рождественский. «Винтики». В. Т. Драйзер. «Американская трагедия». ТЕМА ДЛЯ СУЖДЕНИЯ 4 Г юлнительные ■•сгочтти информации Человек-машина: возможно ли такое? Как отвечают на этот вопрос писатели? Выскажите свою точку зрения. 1. Е. С. Велтистов. «Приключения Электроника». 2. А. Р. Беляев. «Человек амфибия». 3. Ю. Олеша. «Зависть». 4. Ю. Замятин. «Мы». 5. А. Азимов. «Я — робот». 'УДВЕДЕНИЕ ИТОГОВ Опыт человечества, заключенный в мировой литературе, убеждает нас в «двуликости» техники. Она может принести людям очевидную пользу, а может обернуться против создавшего ее человека. Однако то, чем станет для человека техника, зависит от его нравственного выбора и поведения. РАЗВИТИЕ ТЕХНОГЕННОЙ ЦИВИЛИЗАЦИИ урок-лекция ж ТЕХНИКА - ИСТОЧНИК ТРЕВОГ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА Еще никто Не управлял планетой... С. Есенин "Шючевые слова Что такое технофобия? Чем определялся страх человека перед техникой на разных этапах его исторического развития? Каковы современные проявления проблемы взаимоотношений человека и техники? Технофобия и техники Взаимоотношения человека Человек и его здоровье (Биология, 8 кл.}^ Поведение человека в окружающей сре’ де и меры (География, по его защите от техногенных явлении 8-9 »сл.). I Над полями, лесами, болотами, Над извивами северных рек Ты проносишься плавными взлетами, Небожитель — герой — человек. И смотря на тебя недоверчиво, Я качаю слегка головой: Выше, выше спирали очерчивай, Но припомни — подумай — постой. * В. Ходасевич. Авиатору . Стихотворение Владислава Ходасевича полно тревоги за судьбу человечества. Какими * причинами она обусловлена? МЫСЛЬ и ОБРАЗ ПОНЯТИЕ О ТЕХНОФОБИИ. Ничто из творений рук человеческих h€i вызывает к себе столь противоречивого отношения, как техника. i Казалось бы, техника стала средством, с помощью которого челот век приспособил окружающий мир к своим потребностям, а иногда и прихотям. Техника помогла сбыться и давним надеждам человека, связанным с облегчением тягот земной жизни. т В итоге непрерывный технический прогресс со времен промышт ленной революции убедил человека в его господстве над природой^ Люди стали мнить себя полноправными хозяевами планеты. Укрепля лась их вера в культурный прогресс с noi мощью науки и техники. j Сегодня этой убежденности брошен вь? зов. Расг/т нападки на технику. Все боль< ше людей смотрит на нее как на виновниг цу бед человечества. Как никогда раньше; в обществе нарастает технофобия. к Чем же вызвано обострение технофог бии? Прежде всего возросшей HenpeACK3h Технофобия (от греч. techne — мастерство и phobos — страх). Технофобию трактуют как страх перед техникой. Суть этого страха в понимании техники как основной причины отчуждения человека от природы и самого себя, что приведет его и всю цивилизацию к неминуемой гибели. 1 г § 8. Техника — источник тревог человечества зуемостью последствий для природы и человека использования постоянно развивающейся техники. Все труднее обеспечить надежность современной техники, сложность которой превосходит контролирующие возможности человека. Более того, Технофобия выражает негативное отношение человека к порожденной им технике. Страх перед нею связан с неуверенностью в надежности техники и невозможностью полного контроля над ней со стороны человека. масштабы развития техники привели к формированию особого технического мира, законы которого человеку не только неподвластны, но даже неизвестны. ТЕХНОФОБИЯ В ИСТОРИИ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА. Негативное отношение к технике зародилось вместе с самой техникой. Ведь ее всегда можно было использовать и во благо, и во зло. Поэтому на всем протяжении технического прогресса люди и восхищались техникой, и боялись ее, усматривая в ней нечто зловещее и демоническое. Неприятие техники можно найти уже в древнегреческих мифах. Однако не правильно было бы утверждать, что в них дается лишь негативная оценка техники. Скорее, мифы отражают двойственное отношение к ней. В Средневековье технофобия приобретает религиозный характер: она находит себе сторонника в лице церкви, объявившей технику сатанинским творением. Талантливые изобретатели, строители и другие видные деятели этой эпохи подвергались гонениям, обвинялись в сговоре с дьяволом. С эпохи Возрождения технофобия постепенно приобретает социально-экономический характер, связанный с нарастанием технического прогресса. Появление машин привело не только к повышению производительности труда, но и к появлению проблем досуга и безработицы. Обострение этих социальных недугов произошло в эпоху Нового времени. Свершившаяся тогда промышленная революция «выбросила» на улицу огромную армию безработных. Техника стала конкурентом человека на рынке труда. В современную эпоху технофобия лишь усилилась. Некоторые считают ничем не контролируемое развитие техники главным фактором подавления человеческой индивидуальности, фактором, несущим угрозу жизни в планетарных масштабах. Реальность угрозы своему су- ществованию человечество осознало после атомной бомбардировки японских городов Хиросимы и Нага- • саки (6 и 9 августа 1945 г). Именно • после этих печальных событий . люди заговорили о научно-технической революции, а некоторые прямо * заявили о кризисе современной тех- * ногенной цивилизации. Технофобия, как и породившая ее техника, неизменный спутник человечества. Однако причины и формы ее проявления е разные времена были неодинаковы. Социально-экономический контур технофобии, порожденный конкуренцией человека и техники на рынке труда, характерен и для современной эпохи. 28 РАЗй^Ж ТВ1НОГЕННОЙ ЦИВИЛИЗЩИИ Проблема «мозг и машина» ставит и дру* гие вопросы перед человечеством. Например, вопрос о возможности всспроизве-дения машиной присущей человеческому мозгу логики конструирования образов мира. Дело в том, что мозг человека способен проследить динамику познаваемого объекта, воспринять его противоречивость, а при ее выражении синтезировать противоположные или разнонаправленные позиции («и да и нет», «и то и другое»). Современные же машины, как правило, воспринимают объект лишь в статике и характеризуют его односторонне («или да, или нет», «либо то, либо это»). Рис. 7. В снежном плену ЧЕЛОВЕК. '^:^НИКА ° СОВРЕМЕННОМ :^''ИРь Взаимоотношени! человека и техники в современную эпоху приобрели новый смысл Их многозвучье сводимо к двум основным проблемам: искусственногс интеллекта и образа жизни человека в техногенном мире. Проблема искусственного интеллекта ставит перед человечеством ряд вопросов. Прежде всего это вопрос о природе такого интеллекта и его тождественности интеллекту естественному. По сути, в нем заключена проблема сохранения индивидуальности и уникальности человека. Риск потери индивидуальности и личностной неповторимости усилился с появлением возможности вмешательства с помощьк техники в наследственную сферу человека Одновременное с этим развитие медицинской техники увеличило продолжительность жизни, поставив развивающиеся страны перед угрозой демографического взрыва. Долгие годы влияние техники на обраг жизни человека определялось его освобождением от тягот земной жизни, обретением' кажущейся людям независимости от природы. Однако, «освободившись от пут природных», человек попал в сети непредвиденны) побочных эффектов от становления технической среды (истощение природных ресурсов, обострение экологических проблем, техногенные катастрофы и т. п.). За роскошь и комфорт техногенного мира человек уже сегодня расплачивается шумовыми стрессами, процветанием игрома-НИИ, алкоголизма, наркомании и др., разобщенностью людей, их духовной деградацией Глобальная компьютеризация привела к потере навыков живого общения, замены егс общением виртуальным. Все это лишь малы( перечень недугов современной цивилизации ведущих к дегуманизации человека, его оторванности от природы и ещ большей беспомощности перед ней (рис. 7). ОБРАЗ ЖИЗНИ Нередко человек остается один на один с разбушевавшейся стихией. Попав в такую ситуацию, люди часто прини- мают решение «пересидеть» непогоду в своей машине: и тепло (от работа- ющего двигателя), и автомобиль под охраной. Однако, к сожалению, это час- то заканчиваэтся трагически. ( Никогда не пытайтесь переждать снежную бурю в закрытом транспортном средстве. В условиях ограниченности доступа свежего воздуха это может привести к отравлению выхлопными газами. ^ г § 8. Техника — источник тревог человечества Очевидно, что этой реальности уже не избежать. Ведь даже тогда, когда загнанный в перенасыщенный технический мир человек все же вырывается на природу, он часто оказывается не в состоянии слушать и слышать ее голоса (шум травы, пение птиц, шорохи леса и т. п.). Зато человек, гуляющий по лесу с наушниками и мобильным телефоном, сегодня никого не удивит! 29 Техника не только формирует облик современного мира, устанавливает и диктует нормы жизни, требования к экономике и политике, но и в значительной мере оказывает влияние на способ восприятия и понимание человеком этого мира. > Что такое технофобия? Каковы предпосылки ее возникновения? Почему изделия, изготовленные руками человека, ценятся выше изделий, произведенных с помощью техники? ► Есть ли будущее у техногенной цивилизации? Выскажите свое мнение и аргументируйте его. ,v-. l' 30 РАЗВИТИЕ ТЕХНОГЕННОЙ ЦИВИЛИЗАЦИИ Л "А 4:>\! НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ТВОРЧЕСТВО: ПРОБЛЕМА ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТИ -р' j f P h 'l"! tL.">; Урок-семинар Ни жить, ни петь почти не стоит; В непрочной грубости живем. Портной тачает, плотник строит: Швы расползутся, рухнет дом... В. Ходасевич: I Всегда ли достижения науки и техники являются благом для человечест-1 ва? Несет ли человек профессиональную ответственность за сделанные им* открытия или изобретения? i ЦЕЛЬ СЕМИНАРА Понять, является ли научно-техническое творчество эти чески нейтральным и несет ли человек, вовлеченный < него, профессиональную ответственность за результата своей деятельности и последствия их внедрения в жизнц 1. Научно-технические достижения на благо и во зло. 2. Профессиональная ответственность в науке и техник® Необходимые источники информации 1. Аль-Ал и Н. М. Философия техники: очерки истории и теории: учей пособие / Н. М. Аль-Али. — СПб., 2004. 2. А н т к е е в В. А. Технологические аспекты охраны окружающей среды ; В. А. Анткеев, И. 3. Копп, Ф. В. Скалкин. — Л.: Гидрометеоиздат, 1982. 3. Го р е л о в А. А. Концепции современного естествознания в вопросах » ответах / А. А. Горелов. — М.: Изд-во Эксмо, 2005. — (Полный курс 31 3 дня). 4. Кедров Б. М. О великих переворотах в науке / Б. М. Кедров. — М. Педагогика, 1986. — (Б-чка детской энциклопедии «Ученые школьнику») 5. Н и к и т и н Д. Л. Научно-технический прогресс, природа и человек Д. Л. Никитин. — М.: Наука, 1977. Человек всегда стремился оценить роль техники в жизни общества В последние годы этот вопрос стал особенно злободневным и даж судьбоносным и находится в поле профессионального зрения людей вовлеченных в процесс научно-технического творчества. Это связано ( тем, что именно на современном этапе научно-технического прогреса со всей очевидностью проявилась разрушительная мощь техники I г § 9. Научно-техническое творчество: проблема профессиональной ответственности Одновременно с этим обострилась и проблема ответственности людей, изобретающих технику, за судьбу каждого человека в отдельности и цивилизации в целом. ТЕМА ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ 1 Справедливо ли мнение о том, что любое научно-техническое достижение может принести и пользу, и вред человеку? Существуют ли изобретения, несущие только зло человечеству? Выскажите свое мнение. Приведите примеры использования людьми достижений науки и техники в созидательных и разрушительных целях. ТЕМА ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ 2 Признавая, что достижения науки и техники могут быть весьма небезопасны для человека и окружающего мира в целом, мы неизбежно сталкиваемся с проблемой ответственности. Что такое ответственность? Что такое профессиональная ответственность? Какую роль профессиональная ответственность играет в нашей жизни? Должен ли человек нести профессиональную ответственность за плоды научно-технического прогресса, или же она должна быть возложена на сами технические объекты или научные открытия? 31 л fr.. г -• 1.^1 v1 . ПОДВЕДЕНИЕ ГОГОВ Техника или научное открытие сами по себе не ___ являются ни добром, ни злом. Они становятся тем или другим лишь в руках человеческих. Одновременно с этим ни научное открытие, ни технические объекты не могут быть субъектом правовых, нравственных или иных отношений. Это значит, что лишь человек, являясь субъектом научно-технического творчества, несет полную профессиональную ответственность за все негативные последствия научно-технического прогресса. I.. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАУКИ И ТЕХНИКИ ОБРАЗ И МЫСЛЬ Рене Магритт (1698—1967) Карт-бланш (1965). Национальная галерея искусства, Вашингтон л > ■( Рассмотрите иллюстрацию. Попробуйте описать сюжет произведения и соотнести его с той задачей, которую, по-вашему ^мнению, поставил перед собой художник (обратите внимание на название картины; «карт-бланш» в переводе с французского означает «чистый лист»). Сравните ваши выводы со словами самого Р. Магритта: «я при помощи живописи делаю мысли видимыми». Принято считать, что естественные науки фиксируют объективную реальность. А какую реальность фиксирует искусство? Есть ли различия в том, как на один и тот же объект «смотрит» современный научный прибор и глаз художника? Обоснуйте свою точку зрения, используя иллюстрацию. Несомненна связь научных открытий с техническим прогрессом. Как вы считаете, способствует ли искусство появлению новых изобретений в эпоху техногенной цивилизации? Приведите примеры, которые помогли бы вам убедить одноклассников в правоте высказанного мнения. ПРЕАМБУЛА* Как вы уже знаете, тесное взаимодействие естествознания и техники началось в XVIII в. с изобретения паровых машин. Период XVIII—XIX 88. — это период классического развития науки и взаимопоступательного развития науки и техники. Именно в это время были заложены основы классической механики, термодинамики, электродинамики. Получила развитие оптика, а в конце XIX в. стало ясно, что оптика и электродинамика тесно связаны. Развитие этих разделов науки привело к совершенствованию известных ранее механизмов и устройств и появлению новых технических изобретений. В этой главе мы расскажем о технике, хнованной на положениях классической науки, развитой в VII— XIX вв. \ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАУКИ И ТЕХНИКИ Урок-лекция от ЗАКОНОВ МЕХАНИКИ к МЕХАНИЧЕСКИМ УСТРОЙСТВАМ г. г Дайте мне точку опоры, и я передвину Землю. Архимел Ключевые Рычаг • Редукгтор • Устойчивое равновесие слова простые механизмы. Коэффициент полезу него действия. Работа. Мощность. Закон сохранения механической энергии. Условия равновесия тел (Физика, 7—9 кл.; Естествознание, 10 кл.. § 37). | Статуя Зевса Одним из чудес света является статуя Зевса. В облике Зевса сочетаются властность и милосердие, мудрость и доброта. В классической механике есть что-то, напоминающее Зевса. Можете ли вы объяснить, что именно? ЗОЛОТОЕ ПРАВИЛО МЕХАНИКИ. РЕДУКТОРЫ. Механические устройства появились еще до окончательногс формирования науки механики. Достаточно вспомнив такие древние механизмы, как повозки, ветряные и водяные мельницы, да и сами жилища человека являются механическими конструкциями. С действиями некоторых механизмов, в частности рычагов и блоков, вь, познакомились в курсе физики. Вспомните работу эти); механизмов. Многие из них сконструированы для того,| чтобы усилить воздействие человека. Однако вс| сколько раз мы выигрываем в силе, во столько раз проигрываем в расстоянии. ( Это утверждение называют золотым правилом< механики, что обусловлено его универсальностью< Этому правилу подчиняются любые механизмы, сос-^ тавленные из рычагов, блоков, тросов, шкивов, шес-h терен и т. д. Универсальность этого правила обуслоа-с лена одним из фундаментальных законов природы -с законом сохранения энергии. с Действительно, пусть имеется некоторое устройств: l (рис. 8). Пусть на входе устройства (точка А) wt действуем на него с силой При перемещении точк>к А на величину Ддгд мы совершаем над устройством работу ДД,„ * (вспомните, как вычисляется рзУ бота). На выходе (точка В) устройство совершает рабс-^ ту над внешними телами, действуя на них с силой i*,' к i § 10. От законов механики к механическим устройствам Эта работа равна Энергия самого устройства при этом изменяется на 35 величину АЕ = АЛ„^ - АЛ, = F. АХх - Ах. Устройство Рис. 8. Золотое правило механики - Р^АХц. Если энергия устройства не изменяется. то работа на входе устройства равна работе на выходе устроРства, и мы получаем соотношение, соответствующее золотому правилу механики: Ах^ = » FbAxq. Таким образом, золотое правило механики является следствием закона сохранения энергии. Если энергия устройства изменяется, то работа на выходе устройства может быть как больше, так и меньше работы на входе. При уменьшении энергии устройства оно совершает работу над внешними телами, и работа на выходе становится больше работы на входе. В этом случае механическое устройство является двигателем. Для работы двигателя необходим, как всегда, некоторый источник энергии. Если энергия устройства увеличивается, то работа на выходе оказывается меньше, чем работа на входе. Устройство само потребляет энергию. Иногда эта энергия может запасаться в виде механической энергии. Например, можно поднимать некоторый груз (накапливать потенциальную энергию) или раскручивать некоторый маховик (накапливать кинетическую энергию). За счет накопленной энергии устройство впоследствии может совершить работу. В этом случае действие устройства аналогично аккумулятору. Во всех реальных механизмах часть механической энергии переходит в тепло из-за наличия трения между подвижными элементами. Из этого следует, что в реальных устройствах, не являющихся двигателями. мы всегда проигрываем в оаботе. Золотое правило механики, таким образом, точно выполняется только в идеализированных системах. Зачем же нужны такие устройства, которые не дают выигрыша в работе, а лишь передают энергию от одной точки к другой? Первый ответ следует из действия ры'-ага — мы можем получить выигрыш в силе. В некоторых случаях необходимо замедлить скорость на выходе. Так, в механических часах необходимо замедлить осорость движения стрелок по сравнению со скоростью движения маятника. Устройства, замедляющие или ускоряющие вращения валов, называют редукторами. Редукторы могут состоять из шестерен, как в часах, а также из цепей, ремней, шкивов и т. д. Предназначение этих устройств легче всего понять на основе редуктора велосипеда, состоящего из звездочек и цепи (рис. 9). Рис. 9. Редуктор велосипеда в L 36 ваАИМОДЕИСТВИЕ НА-^т п техники в зависимости от передаточного соотношения один оборот педалей может соответствовать разному числу оборотов колеса. При движении в гору выгодно, чтобы колесо крутилось медленнее, при этом сила нажима человека на педали будет наименьшей. Напротив, при двихе-НИИ под гору выгоднее, чтобы колесо крутилось быстрее, при этом за один оборот педалей велосипед проедет большее расстояние. И ПОЛЬЗА -'ИЛЬ. - В любом редукторе действует сипа трения, ухудшающая его работу. Но всегда ли сила трения играет отрицательную роль? Будет ли движение автомобиля более эффективным. если «вредная» сила трения исчезнет? Увы, при отсутствии силы трения мы получили бы обратный результат: автомобиль, подобно санкам, мог бы только катиться под гору. Именно сила трения, а не мифи'-еская «сила тяги» движет автомобиль. Конечно же, автомобиль перемещается вследствие работы двигателя. Но при отсутствии силы трения между колесами и дорогой двигатель может только заставить крутиться колеса без движения автомобиля. Именно это происхо£,ит при плохом сцеплении колес с дорогой. Сила трения в этом случав играет важную положительную роль, и усилия многих изобретателен инженеров направлены на то, чтобы увеличить силу трения между колесами и дорогой. ^ Поскольку именно сила трения определяет ускорение автомобиля, то максимум силы трения достигается при максимальном (по модупю| ускорении автомобиля. Большое ускорение может достигаться при разком увеличении скорости автомобиля. Возможно, вы наблюдали, как лихие водители трогаются с места: в начальный момент шины проскальзывают по дороге. Однако движение с ускорением происходит и в других случаях, а именно, когда автомобиль тормозит или совершает поворот. В этих случаях также возможна пробуксовка колес с последующими проблемами в управлении. oiPA3 ттт Если вы имеете права и водите автомобиль или мотоцикл соблюдайте рекомендации по вождению, которые вам дава ли при обучении. Наиболее экономичное и безопасное вождение происходит при отсутствии больших ускорений при движении. При таком вождении следу' ет избегать резкого набора скорости и резкого торможения, а также снижать скорость на поворотах. Поскольку ускорение на повороте равно иуг, где г — радиус поворота, то, чем круче поворот (меньше г), тем меньше должна быть скорость. J Сила трения играет важную роль при механическом движении. В некоторых случаях эта роль отрицательна и силу трения следует уменьшать, в других случаях ее нужно увеличивать. '■ ■А1ИПОСТИ Одно{ из важных прикладных задач механики является исследование устсй чивости различных конструкций Любая неподвижная конструкци! находится в положении механичес - кого равновесия. Из законов меха i г § 10. От законов механики к механическим устройствам ники следует, что система находится в положении равновесия, если сумма всех сил и сумма всех моментов сил, действующих на каждый из элементов конструкции, равны нулю. Однако положение равновесия может быть разных видов. Устойчивым равновесием называют такое равновесие, когда при любом малом отклонении от него система возвращается в прежнее положение. Когда речь идет о различных сооружениях, в большинстве случаев инженеров интересует именно устойчивое равновесие. Все здания, мосты, вышки должны находиться в положении устойчивого равновесия. Построенные сооружения должны быть устойчивы по отношению к воздействию, множества внешних факторов: влиянию ветра и колебаниям почвы (это особенно важно для сейсмически опасных районов), действию осадков, суточных и сезонных колебаний температур. С учетом всех этих факторов задача создания устойчивых конструкций становится совсем не простой, о чем, в частности, можно судить по просчетам, приводящим к обрушению зданий даже в XXI в. 0 Проблемы механической устойчивости оказываются связанными с проблемами экономической целесообразности. Пусть, например, необходимо натянуть канат {или провод) между двумя точками А и В (рис. 10). Из опыта вы знаете, что канат будет провисать, а применяя законы механики, найдете, что сила натяжения в точках подвеса и масса каната связаны соотношениями 27'sina « mg. Натягивая канат, мы уменьшаем угол а. а следовательно, увеличиваем силу натяжения. Экономически выгоднее уменьшить расход материала, т. е. натянуть канат. Но сила натяжения имеет некоторое предельное значение, которое необходимо учесть при проектировании устройства. Аналогичную задачу приходится решать при проектировании линий электропередачи. Экономически целесообразно ставить опоры реже, но тогда масса провода между опорами будет больше, угол а придется увеличивать, провод будет больше провисать, а значит, опоры придется делать выше. ‘mg Рис. 10. Натянутый канат При проектировании различных сооружений обязательно решается задача на механическую устойчивость. Конструкции должны находиться в состоянии устойчивого положения равновесия при изменении множества факторов, действующих в процессе эксплуатации. Приведите примеры устройств типа редуктора. ^ При прохождении поворота водителю рекомендуется двигаться без изменения скорости, т. е. не тормозить и не разгоняться. Попробуйте обосновать эту рекомендацию, опираясь на законы физики. 38 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАУ1«И И ТЕХНИКИ ТВОРЧЕСТВО ИЗОБРЕТАТЕЛЯ Урок-конференция Глаз, как владыка чувств, исполняет свой долг, поставляя препятствие тем смутным и обманчивым рассуждениям -назову их научными, — которые пр« великом шуме и хлопанье ладош происходят на диспутах. Леонардо да Винчи Как необходимость создания военной техники стимулирует творчество изобретателей и ученых? В чем сходство и различие творчества изобре-' тателя и творчества художника? Всегда ли востребовано творчество изобретателя?____________________________________________________J Ознакомиться с творчество» изобретателей на конкретных примерах. Понять особенности творческого процесса, связанного с созданием новых механизмов и приборов. 1 1. Изобретения Архимеда, связанные с военныьп-действиями. 2. Творческая деятельность Леонардо да Винчи. 3. Жизнь и творчество русских изобретателей XVIII в. СООБЩЕНИЕ 1 Будда с третьим глазом Один глаз Будды можно соотнести с научным восприятием мира. Этот глаз необходим всем изобретателям. Второй глаз — с восприятием мира через искусство. Он также нужен многим изобретателям и ученым. А зачем нужен изобретателям третий? мысль и ОБРАЗ i Военный заказ на изобретения: от Архимеда до наши] дней. 1 Человечество с древних времен использовалс мастерство ремесленников и талант изобретателей для создания оружия. История сохранила далеко не все имена изобретателей. Наиболе! известны изобретения, связанные с именем древнегреческого ученого Архимеда. Невозможно дать однозначную моральнук оценку изобретательской деятельности, направленной на создание все более грозных видо! оружия, как невозможно дать однозначную оценк; историческим событиям. Однако несомненно, чтс как в древние времена, так и в настоящее врем! I §11. Творчество изобретателя разработанные при производстве оружия технологии способствуют развитию техникиг используемой для мирных целей. ЮОВЩЕНИЕ 2 Леонардо да Винчи — ученый или художник? Леонардо да Винчи был великим деятелем эпохи Возрождения. Наиболее известен как гениальный художник, кроме того, он был талантливым архитектором, скульптором, инженером, анатомом, физиком, математиком, музыкантом. Картины Леонардо входят в золотой фонд мирового искусства и яв> ЛАЮТСЯ ценнейшими экспонатами самых известных музеев мира. Менее известна научная и изобретательская деятельность Леонардо. Многие его изобретения, такие, как парашют, вертолет, опередили свое время. Еще менее известны высказывания Леонардо да Винчи, касающиеся его научного мировоззрения и критикующие алхимию, астрологию, магию. ООБЩЕНИЕ 3 Русские изобретатели XVIII в. Общепризнанно, что наука в рамках той методологии, которая существует в настоящее время, зародилась в Западной Европе. Лишь в XVIII в. благодаря усилиям Петра I наука и техника пришли в Россию. Оказалось, что земля Русская богата талантами, которые вполне могли соперничать с европейцами. К сожалению, в связи с менее развитой промышленностью в России изобретательская деятельность была практически не востребована, и многие изобретения талантливых инженеров, сделанные даже раньше, чем в Европе, оказались забытыми. Источники информации 1. Детская энциклопедия. 2. Кириллин В. А. Страницы истории науки и техники / В. А. Кириллин. — М.: Наука, 1994. 3. Азерников В. Физика. Великие открытия / В. Азерников. — М.: ОЛМА-ПРЕСС, 2000. Деятельность ученых и изобретателей такой же творческий процесс, как и деятельность представителей искусства и литературы. История сохранила для нас имена гениев одинаково талантливых в обеих сферах. Деятельность ученых и изобретателей служила на протяжении истории как мирным, так и военным целям. Наиболее эффективной эта деятельность является тогда, когда она востребована обществом. 39 © ■s 12 ГИДРОДИНАМИКА И АЭРОДИНАМИКА. ПЛАВАЮЩИЕ И ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ АППАРАТЫ *{ и J Ч Урок-лекция Отчего люди не летают! А. Н. Островский^ Ключевые слова Какие законы физики объясняют способность механизмов, созданных человеком, плавать и летать? Какие силы возникают при обтекании тел потоком жидкости или газа? Сила Архимеда Подъемная сила Эффект Магнуса Давление. Атмосферное давление. \ Закон Паскаля. Закон Архимеда. Условие плавания тел {Физика, 7 — 9 кл.; Есте- ^ ствознание. 10 кл., § 37). i. и За годы своего существования человек создал! множество различных плавательных и летательных1< аппаратов. При помощи таких аппаратов человек ле-л тает дальше, выше и быстрее любой птицы. Все по-и добные аппараты можно разделить на два классам Первые могут плавать и летать без движения, зависая на определенной глубине в воде, на определен-! НОИ высоте в воздухе или находясь на поверхности 1C • - л. л :?■ Падение Икара. Роспись дома Марка Луция Фронта Рухнул в море Икар, чрезмерно приблизившись к солнцу, так что растаял воск, скреплявший перья крыльев. Человек с древних времен меч* тал летать. Почему его мечта осуществилась лишь в XX в.? МЫСЛЬ воды. Вторые, для того чтобы плавать или летать должны обязательно находиться в движении. К пер-*^ вому типу относятся большинство плавающих судов, воздушные шары и дирижабли. А вот большинство)^ используемых человеком летательных аппаратов самолеты, вертолеты — должно находиться в движе^'^ НИИ или иметь движущиеся относительно возду«1/ элементы. Примером плавания, невозможного движения, является спортсмен на водных лыжах. Чт|?т касается природных плавающих и летающих обьекД^" тов, то большинство из них могут находиться на пла^ ву или в толще воды без движения, но летают толь^Р ко двигаясь. )с Оказывается, что полет и плавание в этих дауНС случаях основаны на различных физических законам в первом случае на законах гидростатики и аэроста’и тики, во втором — на законах гидродинамики зг аэродинамики. м г §12. Гидродинамика и аэродинамика. Плйвяющие и летательные аппараты. -■^влНИЕ И ПОЛЕТ БЕЗ ДВИЖЕНИЯ Силой, удерживающей неподвижнгые плавающие и летательные аппараты, является сила Архимеда. В поле тяжести давление в жидкости увеличивается с глубиной. Следовательно, чем больше погружено тело, тем сильнее давит на него жидкость. Различие давлений на верхнюю и нижнюю части тела приводит к появлению силы Архимеда. Она всегда направлена вертикально вверх и равна по величине: Гд = (>gV. В этой формуле р — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения, а V — объем погруженной части жидкости (рис. 11). Условие плавания тела заключается в том, что сила Архимеда компенсирует силу тяжести mg. Для однородного тела (тела, состоящего из одного материала) т » - рфИф, где Vq ~ объем тела. Из условия плавания сле- Ро ^ у " к о дует соотношение Если тело плавает, то Р V < Vq, и, следовательно, ро < р, т. е. однородное тело плавает в том случае, если его плотность меньше плотности жидкости. Первые, построенные человеком плавающие средства — плоты были практически однородными и плавали потому, что их плотность была меньше плотности воды. Большинство современных судов строят из материалов с плотностью, большей, чем у воды, и тем не менее они плавают. Каково же условие плавания неоднородного тела, которым являются фактически все совремемные суда? Чтобы разобраться, мысленно полностью погрузим тело в жидкость. Плавающее тело будет стремиться всплыть, т. е. > mg. Из этого • fftg Рис. 11. Силы, действующие на плавающее тело т р>-=р. ср , где через р^р обозначена сред- неоднородные тела плавают, если их средняя плотность меньше плотности жидкости. соотношения следует, что няя плотность тела. Даже построенное из стали судно имеет воздушные пустоты (трюм), поэтому его средняя плотность оказывается меньше плотности воды. Если судно получает пробоину, то в _____ ______________ эти пустоты затекает вода. Средняя плотность судна постепенно увеличивается, и оно может затонуть. По этой же причине подводной лодке _________________ для погружения необходимо взять балласт, т. е. заполнить часть ее объема водой. В результате этого средняя плотность лодки становится больше плотности воды. Для всплытия этот балласт вытесняют сжатым воздухом, и средняя плотность лодки становится меньше плотности воды. Все эти рассуждения можно повторить для летательных аппаратов типа воздушных шаров и дирижаблей. Чтобы такой аппарат мог летать, его большой объем (оболочку шара или дирижабля) необходимо заполнить газом с плотностью, меньшей, чем у окружающего воздуха. Такими газами являются водород и гелий. L Л-. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАУКИ И ТЕХНИКИ Рис. 12. Воздушный шар с газовой горелкой В современных воздухоплавательных шарах t качестве легкого газа используют нагретый При одинаковом давлении плотность нагретого во:'* духа меньше плотности холодного воздуха. Естес^ венно, нагретый воздух в результате процесса тег-лопередачи охлаждается, поэтому его необходилс периодически подогревать. Для этого нижню! часть оболочки оставляют открытой, а под отверс тием помещают газовую горелку (рис. 12). Исполк зование современных легких негорючих материалр для оболочки делает такой полет пожаробезопас; НЫМ. ! ОБРАЗ ЖИЗНИ На всех судах необходимо иметь индивидуальные спа _ ^ --- сательные средства (круги, жилеты и т. д.). даже если s рыбачите с лодки на достаточно большом водоеме вдали от берега. Однако на* дувные резиновые или пластиковые круги и жилеты использовать в качеств^ спасательных средств не рекомендуется. При нарушении герметичности 3fvd средств, всегда возможной в аварийной ситуации, их средняя плотность умень^ шается (воздух выходит) и они не могут выполнять спасательные функции. Надежными спасательными средствами являются круги и жилеты из однородногг материала, плотность меньше плотности воды (пенопласт). '' ДИНАМИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ. Какие же силы поддерживают, например самолет в полете? Единственная сила, способная противостоять си^ тяжести, — сила давления воздуха. Однако, поскольку средняя пло; ность самолета больше, чем плотность воздуха, архимедовой силы не, достаточно для поддержания самолета в полете. Чтобы объяснить во^ никновение дополнительной силы, законов гидростатики и аэростати1^ оказывается недостаточно. „ Если жидкость или газ движется относительно некоторой поверх, ности, то это движение и возникающие дополнительные силы описе ваются законами гидродинамики. Согласно этим законам давление г^, за или жидкости на поверхность, вдоль которой они движуто^ уменьшается на величину, называемую динамическим давленц ем; = pv'^/2, где р — плотность газа или жидкости, о — скорое^ газа или жидкости относительно поверхности тела. Чем больше сю рость, тем меньше сила давления газа или жидкости на тело. 'j Проявления влияния динамического давления весьма pa3HOo6pa3t^ Например, на движущийся и одновременно вращающийся мяч действ^^ ет дополнительная сила, изменяющая траекторию мяча по сравнена с траекторией невращающегося мяча. Это позволяет в таких игре» видах спорта, как большой теннис, настольный теннис, футбол, исподу зовать удары, приводящие к «необычной» траектории полета (кручен»-^ и резаные удары). Возникновение дополнительной силы, действующей на вращаюш^ еся тело, называют эффектом Магнуса и объясняют его на осно^ г: §12. Гидродинамика и аэродинамика. Плавающие и летательные аппараты. динамического давления. На рисунке 13 изображен мяч', движущийся относительно воздуха (мы рассматриваем систему отсчета, в которой мяч неподвижен, а воздух движется со скоростью у). Кроме того, мяч вращается, как указано стрелками. Поскольку частицы мяча при движении увлекают частицы воздуха, то скорость воздуха вблизи поверхности мяча отличается от скорости потока воаоуха. как это показано на рисунке. В результате давление под мячом меньше давления над мячом (рис. 13, а), вследствие чего возникает дополнительная сила, направленная вниз. При противоположной скорости вращения (рис. 13, б) дополнительная сила направлена вверх. Аналогичные силы, действуя на фыло самолета, поддерживают его в воздухе. Естественно, крыло в отличие от мяча не вращается. Однако форма крыла и его положение от-носитольно потока воздуха выбирают^ ся таким образом, что частицы воздуха под крылом тормозятся больше, чем частицы воздуха над крылом (рис. 14). Вследствие этого давление (под крылом становится больше давления над крылом, что и приводит к образованию подъемной силы. 'I Аналогичные силы действуют на *1 лопасти воздушных винтов самоле-уое и вертолетов, на гребные винты '■судов, на паруса, когда они распола-■’гаются под углом к ветру. При движении тел относительно газа или жидкости давление газа или шдкости на тело уменьшается на ^величину динамического давления. ГДинамическое давление является [причиной возникновения силы, пер-1кулярной потоку газа или жидкости, в частности подъемной силы, гвующей н8 крыло самолета. X V ч и,>и ч ^ ^ у а Рис.13. Схема, иллюстрирующая возникновение эффекта Магнуса Рис. 14. Сила, действующая на крыло самолета На рисунке изображены также линии тока воздуха, т. е. траектории движения частиц воздуха. Густота линий тока связана со скоростью частиц: чем гуще линии, тем больше скорость. Над крылом самолета линии расположены ближе друг к другу (густота линий больше), чем под крылом, а значит, скорость частиц воздуха также больше. 44 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАУКИ И ТЕХНИКИ А Рис. 15. Дирижабль Рис. 16. Полет мяча после крученого углового удара На рисунке 15 изображен дирижабль. Баллон дирижабля заполнен легкиг газом. Для горизонтального передвижения дирижабля используется воздушный 8-1НТ. Объясните, вследствие каких сил движется дирижабль. 4e»,f с точки зрения действующих сил отличается полет дирижабля от полете^-самолета? Д Когда подводная лодка ложится на илистое дно, то иногда даже при сбро‘|: се балласта она не может всплыть («присасывается ко дну»). Объясните:! этот факт. Куда исчезает сила Архимеда? .€ Опытный футболист может, подавая угловой удар, так закрутить мяч, чт^е он, описав дугу, попадает в ворота (рис. 16). Объясните, в каком направу лении следует создать вращение мяча. Изменится ли направление кручв-^ ния, если мяч подавать из другого угла? 3 б 1е т- lb Cl и н е. г 13 ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ, РЕАКТИВНОЕ ДВИЖЕНИЕ, КОСМИЧЕСКИЕ ПОЛЕТЫ УроК’Лекция А за нею каракатица — Так и пятится, Так и катится. К. И. Чуковский Ключевые слова Химический реактивный двигатель Плазменный реактивный двигатель в чем суть реактивного движения? Каковы особенности реактивного движения? На каких законах основано реактивное движение? Где используется реактивное движение? Третий закон Ньютона. Импульс. Закон сохранения импульса. Реактивное движение (Физика, 7—9 кл.; Естествознание, 10 кл., § 3"^). !ИПЫ ОБЕННОСТИ t^EAKTHBHaiX ::ИИГА>'-Как уже говорилось (см. § 39, 10 кл.), перемещение такого животного, как каракатица, основано на принципе реактивного движения. Однако большинство животных при передвижении прекрасно обходятся без реактивного движения. В большей части средств передвижения, построенных человеком, также не используются принципы реактивного движения. И только хри выходе человека в космос реактивный двигатель оказался единственно возможным (в настоящее время) для целенаправленного перемещения в безвоздушном I пространстве. Идея использования реактивного движения в космосе была впервые выдвинута Константином Эдуардовичем Циолковским задолго до реального выхода человека за пределы воздушного пространства. Как вы знаете, причиной движения тел являются взаимодействия между ними. На тело, находящееся вблизи Земли, всегда действует сила притяжения к Земле (сила тяжести). Однако под действием только этой силы тело может двигаться лишь по определенным траекториям — эллипсам, параболам, гиперболам (см. § 57, 10 кл.). В час1н0С1и, 1ело, мс1ходящеесн вблизи поверхности Земли, может двигаться прямолинейно вниз или по параболической траектории. Чтобы осу-аствлять движение, живые организмы и созданные )веком устройства, помимо гравитационного взаимо- Жан Эффель. Встреча первого года космической эры Наша ракета-носитель никак не может выбросить свою третью ступень. МЫСЛЬ и ОБРАЗ к 46 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАУКИ И ТЕХНИКИ действия с Землей, должны взаимодействовать с какими-то други телами. Передвигающиеся по поверхности Земли организмы и механизм осуществляют движения, взаимодействуя с поверхностью 3ew (вспомните роль силы трения при движении автомобиля). Организма механизмы, движущиеся в воде, взаимодействуют с водой. Накопи летающие организмы и механизмы взаимодействуют с воздухом. Ес| же тело оказывается за пределами земной атмосферы, то перечисле| ные движения оказываются невозможными, поскольку на тело действ ет лишь сила тяжести. При реактивном движении тело массой М взаимодействует с Щ гим телом массой т, отталкивая его от себя. В результате зако< сохранения импульса тело массой М приобретает дополнительн1( импульс в направлении, противоположном движению тела массой il Если до столкновения скорость тел была равна нулю (можно Bcei;j выбрать такую систему отсчета), то, как следует из закона сохранена т импульса, тело массой М приобретет скорость V = где у — с м Рабочий отсек Бак горючего 3-й ступени Бак горючего 2-й ступени Бак горючего 1 - й ступени Сопло Головной обтекатель Бак окислителя 3-й ступени Бак окислителя 2-й ступени Рис. 17. Схема двигателя рость, с которой отброшено тело массой т. Реактивный двигател' действующий на космический корабль с некоторой силой, должен прерывно отбрасывать вещество. Как видно из приведенной формул реактивная сила будет тем больше, чем с большей скоростью отбр8 сывается вещество и чем больше веще ва в единицу времени отбрасывается, закона сохранения импульса можно ггс чить следующее выражение для реа» ной силы: F = Qvy где через Q обознг на масса вещества, которое отбрасываб ся двигателем в единицу времени. Первые реактивные двигатели были if] роховыми и использовались в качест метательных военных снарядов. В резу]( тате сжигания пороха образовывая» быстро расширяющиеся газы, кото( выбрасывались из ракеты в определен» направлении. Подобные пороховые щ] тивные двигатели используются в воен» технике и в настоящее время. В др\ реактивных двигателях, которые приме!] ют на самолетах, в качестве горюч используют жидкости (в простей! случае — керосин). Такие двигатели зывают жидкостными реактивными гателями. Все перечисленные двигатели испс зуют в качестве одного из компонен^| химической реакции воздух, находя! в атмосфере. Принципиальное отл» Бак окислителя 1-й ступени Насосы Камера сгорания космического реактивного ■ г § 13. Законы сохранения, реактивное движение, космические полеты Мы рассматриваем только принцип работы реактивного двигателя и не вникаем в его конструктивные особенности. Конструкции современных реактивных двигателей являются вершиной инженерной мысли и основаны на ев' мых современных технологиях. Тем, кто интересуется деталями, можно рекомендовать книгу: Уманский С.П. Космические полеты / С. П. Уманский. — М.: Просвещение, 1996. космического реактивного двигателя состоит в том, что для химической реакции должно использоваться только вещество, находящееся в баках самого двигателя. Поэтому конструкция двигателя включает два бака: один с горючим веществом (например, с водородом). а другой с окислителем (например, с кислородом) (рис. 17). Выше речь шла о реактивных двигателях, работающих на основе химических реакций, ~ химических реактивных двигателях. Помимо таких мощных двигателей, для маневрирования в космическом пространстве используются маломощные плазменные реактивные двигатели. В этих двигателях отбрасываемое вещество получает скорость не в результате химической реакции, а в результате разгона заряженных частиц электромагнитным полем. Подобные двигатели являются более экономичными и легко управляемыми. Достоинством реактивного двигателя является то, что это единственный двигатель, способный эффективно работать в космосе. К недостаткам реактивного двигателя следует отнести его низкую экономичность по сравнению с другими двигателями. Рвв1сгивный двигатель, несмотря на его низкую эффективность, является в настоящее время единственным двигателем, позволяющим осуществить целенаправленное перемещение в космическом пространстве. Проведите простейший опыт: надуйте воздушный шарик и, не завязывая его, отпустите. Проследите за движением шарика и объясните это движение. Приведите свои примеры реактивного движения. ^ 6 известном произведении о капитане Врунгеле сказано, что он использовал для ускорения своей яхты «выстрелы» пробками из бутылок с шампанским, т. е. своеобразный реактивный двигатель. Взяв за основу выражение для реактивной силы и оценив на глазок массу пробки и скорость ее вылета из бутылки, рассчитайте, сколько «выстрелов» в секунду нужно сделать, чтобы развить силу хотя бы в 1000 Н (то же, что поднять предмет массой 100 кг). SQI Проделав предыдущий опыт, вы убедились, что шарик является плохим реактивным двигателем, он не летит по прямой. Пиротехнические игрушки, основанные на реактивном движении, шже являются не очень хорошими двигателями и часто летят не туда, куда хотелось бы. Будьте осторожнее с подобной «техникой», выполняйте инструкции, которые обязательно должны быть на упаковке, и используйте только сертифицированный товар. 48 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАУКИ И ТЕХНИКИ КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Урок-семинар Земля — колыбель человечества, но ч не можем вечно жить в колыбели... | К. Э. Циолковсп Какова польза от космических исследований? Каковы основные этапы кос мических исследований? Как космические исследования связаны с разви тием оборонных технологий? Как влияют условия космического полета н организм человека? Каковы в настоящее время перспективы космически исследований и, в частности, возможности космических путешествий участием человека? ЦЕЛЬСЕМИНАРА Понять целесообразность и возможности космичесм исследований. Обсудить основные этапы развития ко мических исследований, достижения в настоящее вре и перспективы таких исследований. ПЛАН СЕМИНАРА 1. Значение космических исследований для человечестЕ 2. Космические исследования в военных и мирных целЕ 3. Влияние условий космического полета на органиЕ человека. 4. Перспективы космических исследований, в том чис' полетов с участием человека. ‘ Необходимые источники информации 1. Детская энциклопедия. 2. У м а н с ки й С. П. Космические орбиты / С. П. Уманский. — М.: Про^ вещение, 1996. 3. Штернфельд А. А. Парадоксы космонавтики / А. А. Штернфельд. М.: Наука. 4. Засов А. В. Астрономия: учеб, для 11 кл. / А. В. Засов, Э. В. Конок вич. — М.: Просвещение, 1996. ТЕМА ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ 1 Космические исследования — очень дорогое уд вольствие. Существует мнение, что у человечес1 достаточно проблем на Земле и космические иссд дования следует сократить, а может быть, и прекратить, по крайней w ре в настоящее время. Насколько справедливо это суждение с мораг ной и прагматичной точки зрения? Что даот космические исследован простому человеку? Что дают космические исследования для развш науки и технологии? Можете ли вы привести примеры непосредств^ ного использования результатов космических исследований? Существует мнение, что запуски ракет имеют отрицательные эксм гические последствия. Что вы знаете об этом? §14. Космические исследования “НАМ ДЛЯ I ОБСУЖДЕНИЯ 2 Каковы основные этапы развития космических исследований? Что стимулировало космические W исследования? Несмотря на то что идеи создания |осмических аппаратов были высказаны достаточно давно, активная разработка таких летательных аппаратов началась лишь в связи с поисками эффективных носителей мощного оружия. Что вы знаете об этом? В конце XX в. были высказаны идеи звездных войн. Кинематогра-фисты сняли множество фильмов об этом. Что вы знаете о реальном использовании космического пространства в военных целях? К настоящему времени человечество освоило земные окрестности и научилось проводить исследования, связанные с достаточно длительным пребыва-человека в условиях космического полета. Путь человечества в «осмос был не легок. Что вы знаете о влиянии невесомости и других фвсторов космического полета на организм человека? Как всегда, при воследованиях, связанных с влиянием вредных факторов на организм человека, мы использовали братьев наших меньших. Какие животные были первыми космонавтами? Каковы возможности человеческого ерганиэма в космических условиях? © 5МЛ ДЛЯ iOБCУЖДEHИЯ 4 До сих пор человек побывал лишь на одном космическом теле вне Земли — на Луне. Однако космические аппараты уже опускались на такие планеты, как Венера и Марс, а также пролетали достаточно близко по космическим масштабам от других планет. Каковы перспективы космических ||ггешествий с участием человека? В чем принципиальные сложности отправки человека на другие планеты? Что полезного может получить тювечество от космических путешествий? Насколько реальны меж-яездные перелеты? Космические исследования позволяют нам расширить наши знания о Вселенной и, следовательно, .вносят огромный вклад в развитие культуры. Они также являются 1чески полезными, так как большинство людей на планете не-)едственно используют в своей жизни результаты космических тедований. Исследование влияния внеземных условий на организм человека расширило наши познания о возможностях человеческого организма и его адаптации к необычным условиям. Изучение перспектив космических исследований показывает, что ухе в ближайшие десятилетия станут реальными космические путе-^рвствия человека на другие планеты. № 50 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАУКИ И ТЕХНИКИ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Урок-лекция Мартын. Что такое perpetuum mobile? Бертольд. Perpetuum mobile, то есть еечнс движение. Если найду вечное движение. i то я не вижу границ творчеству человеческому А. С. Пyшк^ Ключевые слова Д Вечный двигатель • Циклический тепловв Что такое двигатель? Почему невозможен вечный двигатель? Что такое тепловой двигатель? Что такое термодинамический цикл? двигатель • Изохорный процесс • Изобар ный процесс • Термодинамический цикл Из старого портфеля Закон сохранения энергии в тепловых про цессах. Преобразование энергии в тепло вых машинах (Физика, 7—9 кл.; Естествознание, 10 кл? § 60). .4 4 Попытки создания вечного двигате : ля ведутся начиная с 1114 г. и д I настоящего времени. Можно л» < назвать процесс создания вечной t двигателя вечным? Почему? J i/J / 31Л Мориц Эшер. Иллюзия вечного движения МЫСЛЬ и ОБР£: ДВИГАТЕЛЬ НЕ МОЖЕТ БЫТЬ ВЕЧНЫМ Как уже говорилось в § 11, п двигателем можно понимать любое устройство, способное соверш? механическую работу. Естественными двигателями являются любк живые организмы. Но человек задолго до появления науки научил использовать средства, заменяющие ему физические усилия. С древних времен человек стал применять энергию ветра д| движения судов. Позднее появились ветряные и водяные мельнц (упоминание о первых водяных мельницах относится к началу наин: г §15. Принципы работы тепловых двигателей Эры). Механизм подобных устройств совершенствовался, в них использовались такие простейшие механизмы, как рычаги, шкивы, цепи. В Средневековье появляются уже достаточно совершенные водяные двигатели, использу< ощиеся для различных нужд, например, как подъемные устройства (рис. 18). Усложнение механизмов привело к идее построения вечного двигателя (по-латыни perpetuum mobile). Под таким двигателем понимали некоторое хитроумное устройство, которое без каких-либо внешних воздействий могло бы двигаться и совершать полезную механическую работу CKoJib угодно долго. Идея вечного двигателя была очень популярна в XVIi—XVIII вв. Следует сказать, что законы механики (законы Ньютона) не запрещали создание такого двигателя. Действительно, если есть процессы, в которых механическое движение исчезает (казалось бы, бесследно), то почему бы ни существовать обратным процессам, в которых механическое движение возникает из ничего? Кроме того, в природе человек наблюдал движения, кажущиеся вечными (движение Солнца, ветра и волн). Развитие термодинамики и строгие опыты Джоуля показали, что механическое движение никогда не исче-ает бесследно. Исчезновение механического движения приводит к тому, что движение частиц вещества становится более интенсивным. Энергия механического движения переходит в энергию хаотического движения частиц. Соответственно и родиться из ничего механическая энергия не может. Впоследствии закон сохранения энергии был распространен на другие виды энергии. (Фундаментальное значение этого закона мы уже обсуждали в § 39, 10 кл.) Например, в самых первых Рис. 18. Подъемник с водяным колесом двигателях механическая энергия ветра и воды преобразовывалась в механическую энергию вращающегося колеса. Позднее юявились тепловые двигатели (см. ниже). Развитие науки об «шричестве привело к появле- Закон сохранения энергии, основанный на опытных фактах, запрещает существование вечного двигателя. Любой двигатель является устройством, способным совершать упорядоченную макроскопическую работу на основе преобразования энергии из одного вида в другой. т электродвигателей, преобразующих энергию электрического поля в механическую энергию. Наконец, в XX в. человек научился преобразовывать внутреннюю энергию атомных ядер в механическую энергию. {■У' ■■■1ЧЕСКИИ Т^пЛОВОЙДВИГАТЕЛ!:. Идея использования тепла для совершения механических действий также пришла из глубокой древности. Одно из первых дошедших до нас изобретений принадлежит Герону Александрийскому, жившему приблизительно 120 лет до н. э. Соответствующее устройство, которое он назвал эолипилом, приведено на рисунке 19. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАУКИ И ТЕХНИКИ Принцип действия устройства понятен из рисунк В шаре, из которого выходят две Г-образные трубю находится вода. При нагревании вода закипает, и d разующийся пар. выходя из трубок, вращает сосу; Каждая трубка при этом работает как реактивный дв/ гатель. Эолипил Герона являлся игрушкой и не выполм действительно полезной работы. Подобные игруш» например плавающий на реактивной паровой тяге к< раблик, несложно сделать самому (описание смотр например, в книге: Перельман Я. А. Занимател ная физика / Я. А. Перельман. — М.: Наука, 1982. • Кн. 2). Реальный двигатель, работающий на осное реактивной тяги, является неэффективным. В пос/к дующих устройствах, в которых тепловая энергия прг образовывалась в механическую, горячий водяной пг толкал поршень в цилиндре, что было более эффа тивным. Изобретение паровой машины связано с ш нами многих изобретателей, в числе которых и ру ский механик Иван Иванович Ползунов. Конструкция паровой машин! основные принципы работы которой дошли до наших дней, была со дана Джеймсом Уаттом. Поскольку движение поршня при расширении газа ограничено разм рами цилиндра, то при сколь-либо продолжительной работе двигате/ поршень должен периодически возвращаться в исходное состояни Таким образом, любой тепловой двигатель должен работать по ции i Подобные двигатели называют циклическими тепловыми двигателям Конструкция любого реального теплового двигателя достаточно сло> | на. Поэтому, чтобы понять принцип работы тепловых машин, рассмо | рим вымышленный упрощенный двигатель (идею близкого по принцт, действия двигателя выдвин| | Brt- Ограничители хода поршня Груз в верхнем и нижнем положении Верхнее положение поршня Нижнее положение поршня Рис. 20. Простейший вымышленный тепловой двигатель Дени Папен в конце XVII в.). ( Наш двигатель состоит i цилиндра с поршнем, которь < может перемещаться вдоль щ | линдра в определенном диапаз; ( не (рис. 20). В объеме цилиндр; ограниченном поршнем, нам i дится газ. Поднимаясь ввер | цилиндр может поднять неко1 рое тело, т. е. совершить пол& ^ ную механическую работу г Пусть вначале цилиндр в с г сутствие груза находится в ни ^ нем положении. Подвесим груз; i начнем нагревать газ в цилиндр, г подсоединив к цилиндру нагрев; с тель. Первоначально газ расш j. I §15. Принципы работы тепловых двигателей холодное J тело / А Р Р Р , 2, 3 2 ^ 2 3 2 3 1 4 1 4 1 4 Т 4 V V V процесс 1 - 2 процесс 2-3 процесс 3-4 процесс 4 -1 изохора изобара изохора изобара const J р = const V = const р = const Р - возрастает возрастает р - убывает К- убывает а б в Г Рис. 21. Последовательные фазы цикла рятъся не будет, поскольку давления снизу недостаточно для подъема 1Юршня. Процесс нагревания или охлаждения газа при постоянном объеме называется изохорным. Все передаваемое тепло идет на шгревание газа, при этом его давление возрастает. Этот процесс и ^тветствующий ему график изображен на рисунке 21, а. Когда давление под поршнем возрастет достаточно для того, чтобы * давления уравновесила вес поршня и груза, поршень начнет под-иматься (рис. 21, б). Поскольку вес поршня и груза не изменяется, сила давления, а значит, и само давление остаются постоянными. При этом температура и объем газа увеличиваются. Процесс нагревания т охлаждения газа при постоянном давлении называется изобарным. Его график изображен на рисунке 21, б. После достижения верхней точки наш двигатель совершит полезную работу. Поднятый груз можно отсоединить. Однако, если мы хотим [[^должить работу по циклу, необходимо вернуть поршень в нижнее ' положение. Для этого газ необходимо охладить, для чего следует убрать нагреватель и привести в тепловой контакт с цилиндром некоторое холодное тело. После того как мы убрали груз, сила давления газа будет больше веса поршня. Поэтому первоначально процесс ^маждения газа пойдет без изменения объема (рис. 21, в). Это тоже iбoxopный процесс, но с уменьшением давления. 54 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАУКИ И ТЕХНИКИ нагреватель (температура Т„) Когда давление газа упадет настолько, чт сила давления будет уравновешивать вес nopit ня, дальнейшее охлаждение газа будет а провождаться уменьшением его объема, т. Г поршень начнет двигаться вниз (рис. 21, г). Т? же как и процесс 2—3, процесс 4—1 будет пр( исходить при постоянном давлении, т. е. буд изобарным. I После достижения поршнем нижней точи охлаждение газа можно прекратить и начать н( вый цикл. Заметим, что соответствующий npi цесс на диаграмме p-V (см. рис. 21, а-; изобразился в виде замкнутой направление линии (в данном случае в виде прямоугол! ника). Такой термодинамический процесс назь вается термодинамическим циклом. | Таким образом, для мысленного конструир! вания теплового двигателя нам потребоваж сосуд с газом (газ называют рабочим телом нагреватель и холодное тело. Оказывается, т эти принципиальные элементы можно найти в любом тепловом двип теле (рис. 22). \ Природа нагревателя, охлаждающего тела и рабочего тела д; принципа работы теплового двигателя не важна. Термодинамически циклы, соответствующие тепловым двигателям, могут иметь вид рз" нообразных замкнутых кривух. В любой конструкции принцип работ холодное тело (температура Тх < Т„) Рис. 22. Принципиальная схема теплового двигателя двигателя остается неизменным. Принцип работы любого циклического теплового двигателя заключается в том, что взятое от горячего тела тепло при выполнении циклического процесса рабочим телом идет на совершение механической работы. При этом часть этого тепла отдается некоторому холодному телу. В новый ПОрТф4^ После XVIII в. было открыто много новых законов природы, в saetj ности новые фундаментальные взаимодействия. Возможно ли в н8 стоящее время с учетом этих открытий построение вечного двигате ля? Если нет, то почему? Щ Какова роль нагревателя и охлаждающего тела в тепловом двига теле? Щ Приведите примеры тепловых двигателей, использующихся в насто' ящее время. При объяснении принципа работы циклического теплового двигател:-мы пренебрегли многими факторами, т. е. идеализировали процесс | Перечислите эти факторы. 1 г - Ж5ЖХГ - - oreweti'JB," 16 55 -л? ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ И КПД ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ч Ш-. ■'1. "dC-^ V !*, ■ ■ ■ *■ ■ V.‘ Урок-лекция От этой картины очень большая польза — она дырку в обоях закрывает. Э. Успенский Чем ограничен КПД теплового двигателя? Что такое идеальный тепловой двигатель? Какова теплоемкость идеального газа? Как вычислить КПД термодинамического цикла? Ключевые слова КПД теплового двигателя • Вечный двигатель второго рода • Идеальный тепловой двигатель Удельная теплота сгорания. Удельная теплоемкость. Преобразования энергии в тепловых машинах. КПД тепловой машины (Физика, 7—9 кл.; Естествознание, 10 кл., § 60). ‘■^ЬЕКТИВНОСТЬ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ И КПД. Усовершенствование тепловой машины Дж. Уаттом привело к внедрению этих машин в |роизводство. К концу XVIII в. в Англии работали уже сотни тепловых дангателей на шахтах, рудниках, металлургических заводах и фабриках. Естественно, встал вопрос о том, чтобы строить более эффективные дригатели. С точки зрения экономики двигатель тем эффективнее, чем больше полезных действий он производит и чем меньше топлива потребляет. Однако топливо обладает различной теплотворной способностью (различной теплотой сгорания). Поэтому на физическом уровне целесообразно определять эффективность не по массе топлива, а по анергии, которую оно дает. Мерой эффективности двигателя является юэффициент полезного действия (КПД) двигателя. По определе-нйо, кпд есть отношение работы, произведенной двигателем, к тепловой энергии (теплу), полученной за время выполнения этой работы. Обозначают КПД обычно греческой буквой х\ (эта). Если взять за основу обозначения, приведенные на рисунке 22, то шо получить выражение, определяющее КПД: ц — A/Q„. С другой стороны, из закона сохранения энергии следует, что все полученное от шгревателя тепло идет на совершение механической работы и на час-пнную передачу тепла охлаждающему телу, что выражается соотноше-tW6MQ„= Л -н Q^. Комбинируя эти два равенства, можно получить еще q ино выражение для КПД, которое окажется нам полезным: ri = l— 56 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАУКИ И ТЕХНИКИ КПД является безразмерной физической величиной, т. е. его мо» но выражать просто числом. Однако часто КПД выражают в процента Значение КПД в процентах есть просто ЮОт^. В каких пределах может находиться КПД теплового двигателя? Уж из закона сохранения энергии следует, что г| < 1 (КПД меньше 1009й( Заметим, что вечный двигатель имел бы бесконечный КПД. Но наскол' ко близко можно подойти к 100%? I кпд ИДЕАЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙ МАШИНЫ- Последний вопрос можи переформулировать таким образом: если мы построим идеальную тег ловую машину, можем ли мы достичь г) = 1? Основываясь на формул для КПД, несложно понять, что его значение достигает единиць' когда = о, т. е. тепловой двигатель не отдает тепла охлаждающем' телу. Для «сконструированного» нами в предыдущем параграфе двил теля такое невозможно. Однако нельзя ли изобрести какой-либо др»' гой двигатель с т| = 1? | Закон сохранения энергии или первое начало термодинамики не эг прешдет иметь КПД, равный единице. Но если бы удалось изобреп^ такой двигатель, он был бы практически вечным. Действительно, моГ но было бы, налример, взять тепловую энергию у океана, слегка ег охладив, и перевести ее в работу. В конечном итоге большая Mac'j этой работы через посредство сил трения опять перейдет в тепл которое передастся океану. Подобный гипотетический двигатель 6ь назван вечным двигателем второго рода (вечный двигатель, о коте ром говорилось в предыдущем параграфе, в связи с этим называк вечным двигателем первого рода). Однако в науке термодинамике есть не только первое начало, но второе начало (см. Естествознание, 10 кл., § 60). Именно оно запрй щает существовать вечному двигателю второго рода. Чтобы это показать, будем считать, что изображенная на рисунке § 15 система из нагревателя, рабочего тела и холодного тела являе’ ся замкнутой. Вычислим изменение энтропии этой системы за одг цикл произвольного теплового двигателя. Для этого воспользуем( двумя свойствами энтропии. Первое свойство — аддитивность э ропии (энтропия системы есть сумма энтропий подсистем). Второ свойство — энтропия есть функция состояния, т. е. полностью опред ляется состоянием системы. Пусть за цикл работы двигателя от к гревателя к рабочему телу передается тепло а от рабочего тела холодному телу — тепло Тогда энтропия нагревателя изменип на величину AS^ = ~AQ« / (знак минус соответствует уменьшен» энтропии). Соответственно энтропия холодного тела увеличится на в личину ASjp “ AQ^ / г,. Что касается энтропии рабочего тела, то она к изменилась, поскольку рабочее тело после завершения цикла окаа лось в том же состоянии. В результате суммарное изменение энтр^ ПИИ всей системы равно АЗ -• AQ, / AQ^ / Т^. Предположение о существовании вечного двигателя второго рм эквивалентно AQ_= 0 и, следовательно, AS < 0. Но это просто прот» i §16. Законы термодинамики и кпд тепловых двигателей / Из старого портфепя воречит второму началу термодинамики — энтропия замкнутой системы не может уменьшаться. Какими же свойствами должен _________________________________ обладать идеальный тепловой двига- ' тель? Из неравенства Д5 > О и полученного выражения для AS сле- AQ т дует: —2->—. А из этого неравенства получается неравенство для КПД: 57 Второе начало термодинамики запрещает существование вечного двигателя второго рода. Следовательно, КПД любой тепловой машины не может превышать т значение Очевидно, что идеальной тепловой машиной может считаться двигатель с КПД равным По> "Г- с максимально возможным КПД. Какими же идеальными свойствами должен обладать этот двигатель? Равенству в выражении (1) соответствует яулевое изменение энтропии за цикл работы двигателя. Но нулевое изменение энтропии может быть только у равновес-н»1хобратимых процессов (см. Естествознание, 10 кл., § 60). Можно ли более конкретно представить идеальный ювой двигатель? Такой двигатель придумал в 1824 г. 1Л0Д0Й французский инженер Сади Карно. Это цикл, гоящий из двух изотерм и двух адиабат (рис. 23). Изотермой называют кривую соответствующую процессу. происходящему при неизменной температуре. Адиабатой называют кривую, соответствующую процессу, проис-|щему без передачи тепла от данной системы к другим телам. Идеализированные изотермический и адиабатический процессы могут быть проведены обратимым образом, поскольку при их 1едении в тепловом контакте не находятся тела с различными тем-1турами. г-\ \ •3 1- 2, 3-4- изотермы 2- 3,4-1 - адиабаты Рис. 23. Цикл Карно гальный тепловой двигатель — это такой двигатель, в котором все процессы могут быть проведены обратимым образом и так, что в каждый момент его состояние ^ялось бы равновесным. КПД любого теплового двигателя не может превосходить КПД идеального теплового двигателя при данных температурах нагревателя и |Ккаждающего тела. В новый ортфель Чем отличается вечный двигатель первого рода от вечного двигателя второго рода? Обратимы ли процессы, происходящие в циклическом тепловом двигателе? ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАУКИ И ТЕХНИКИ ИССЛЕДОВАНИЕ КПД РАЗЛИЧНЫХ ЦИКЛОВ Урок-практикум 1 Истина и полезность суть... совершенно одни» те же вещи. Сама же практика должна ценитьаП больше как залог истины, а не из-за жизненны' благ. Ф. Бэко' Как КПД различных циклов зависит от параметров циклов? Во сколько раз отличается КПД простейших циклов от КПД идеальной тепловой машины? ftrtvOi Ш Преобразования энергии в тепловы машинах. КПД тепловой машик|Г! (Физика, 7—9 кл.; Естествознание, 10 кл.. § 60)J ЦЕЛЬ РАБОТЫ При помощи мультимедийной модели исследовать КПД чету] рех простейших циклов в зависимости от параметров циклов. Сравнить KIT этих циклов с КПД идеальной тепловой машины. Оборудование. Персональный компьютер, мультимедийный дис («Открытая физика»). ПЛАН РАБОТЫ Используя мультимедийный диск, последовательно выпо1 ните задания по изучению КПД предлагаемых циклов. В предыдущих параграфах мы рассмотрели два цикла: прямоуголи i ный цикл и цикл Карно (цикл идеального теплового двигателя). Был показано, что из второго начала термодинамики следует положение! максимальном значении КПД идеального теплового двигателя пр заданных значениях температур нагревателя и охлаждающего тела. ПО; лезно убедиться в справедливости этого положения на опыте. Одна* натурный опыт требует достаточно сложного оборудования. Поэтом мы ограничимся численным экспериментом, поставленным на компь* тере, для чего используем готовый программный продукт. 1. Изучите каждый из приведенных в программе циклов. ПерерГ суйте их в тетрадь. Наблюдайте анимацию (движение точки участкам цикла). Обозначьте у себя на рисунке угловые точб’ цикла: 1, 2, ..., начиная с той точки, откуда начинается движ ние. Наблюдая анимацию, обратите внимание, как изменяютс на каждом из участков цикла величины: AQ — тепло, получй ное газом; А — работа, совершенная газом; AU — изменени энергии газа. г г 3. I 4. §17. Исследование КПД различных циклов Изучите каждый из предложенных циклов и определите связь 2. между давлением и объемом газа на каждом из участков цикла. Ответ оформите в виде четырех таблиц: Цикл 1 Участок цикла Название (если имеется) изобара Связь между давлением и объемом р = const Варьируя для каждого из циклов параметры (максимальный и минимальный объемы и максимальное и минимальное давление), наблюдайте, как изменяется КПД цикла. Сформулируйте общий вывод, следующий из данного мультимедийного эксперимента. Два следующих задания выполните только для первого цикла (прямоугольный цикл) для двух значений параметров, при которых КПД достигает максимального и минимального значения. Определите точки на цикле, где температура газа достигает минимального и максимального значения. ПОДСКАЗКА Температура газа пропорциональна произведению pV. Максимальная и минимальная температуры достигаются там, где это произведение максимально и минимально соответственно. Считая, что максимальная температура — температура нагре-5. вателя, а минимальная температура — температура холодильника, вычислите по этим данным КПД идеального теплового двигателя, соответствующего данным температурам, и сравните его с КПД прямоугольного цикла. Результат оформите в виде таблицы; кпд Значение КПД (РЮ, тех КПД прямоугольного цикла идеального двигателя >1мальныи ксимальный 1 1 йпыотерный эксперимент показывает, что КПД приведенных циклов возрастает с йличением площади, заключенной внутри графика цикла на диаграмме pV. Экспе-римент подтверждает общее теоретическое положение о максимальном значении КПД цикла идеального теплового двигателя. ВЗДШОДЙСТВЙё' нДЗгКИ и ТЕХШКИ, 18 ж ПРИНЦИПЫ УСТРОЙСТВА ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Урок-лекция Разумный человек приспосабливается к Mi'pv неразумный пытается приспособить мир к ceU Поэтому прогресс зависит от неразумных. | Б. Ш Ключевые слова А На какие типы подразделяют реальные тепловые двигатели? Каковы основные узлы тепловых двигателей и какие функции они выполняют? По каким критериям оцениваются тепловые двигатели? Рабочий ход Холостой ход Шатун Коле» чатый вал Маховик Запальная свеча Система зажигания Дизельный двигатель Преобразования энергии в тепловых ма шинах. КПД тепловой машины (Физика 7—9 кл.; Естествознание, 10 кл., § 60). Пыльный и шумный Вавилон не радо вал царицу Семирамиду, выросшую ь гористой и зеленой Мидии. Чтобы утешить жену, вавилонский царь Навухо доносор II приказал возвести висячи сады. Чудом казались журчание вод|Г тень и прохлада среди деревьев, npw везенных из далекой Мидии. Что объединяет сады Семирамиды тепловые двигатели и высказывами Бернарда Шоу, приведенное в эпигра фе? Висячие сады Семирамиды в Вавилсм (реконструкция) мысль и ОБРА. ТИПЫ ДВИГАТЕЛЕЙ И ' ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ Во всех тепловых двИ1 телях происходит преобразование тепловой энергии, связанной с да жением микрочастиц, составляющих вещество, в механическую эне? ГИЮ. Устройства тепловых двигателей непрерывно совершенствуюта поэтому мы не будем изучать какие-либо конкретные двигатели. Одн! ко принципиальные узлы устройств практически остаются неизменш ми, именно их мы и рассмотрим в данном параграфе. Все тепловые двигатели можно разделить на два класса — турби* ные и поршневые. §18. Принципы устройства тепловых двигателей В турбинных двигателях тепловая энергия вначале преобразуется в кинетическую, энергию газовой с руи, для чего используются сопла, через которые расширяется горячий газ. Этот горячий газ может образовываться в результате кипения воды — паровые турбины или в результате сгорания топлива — газовые турбины. Поток газа, имеющий большую скорость, направляется на лопасти турбины и, отдавая им знергию, раскручивает вал турбины. Вал турбины может непосредственно приводить в движение какие-либо механизмы, например колеса транспорта, винт самолета, или при помощи генератора вырабатывать электрическую энергию, что и происходит на теплоэлектростанциях. Значительно сложнее устроены поршневые двигатели, с которых начался технический прогресс в теплоэнергетике. Основу таких двигателей составляют цилиндр и поршень. Горячий газ, расширяясь в цилиндре, толкает поршень, подобно тому как это изображено на рисунке 21. Однако нагревать и охлаждать газ через стенки цилиндра, как это изображено на рисунке, не эффективно. Вместо этого используют один из двух способов. В первом случае газ нагревается в отдельном устройстве, после чего подается в цилиндр. Такой способ реализован в паровом двигателе, где при сжигании в топке топлива в паровом котле в результате кипения образуется водяной пар с высоким давлением, который через систему труб подается в цилиндр. Во втором случае топливо в виде смеси газов или пузырьков жид-юсти, смешанных с воздух:ом (горючая смесь), вводится внутрь цилиндра, где и происходит процесс сгорания. Образовавшийся в результате сгорания горячий газ, расширяясь, приводит в движение поршень. Такие двигатели называют двигателями внутреннего сгорания. Газ совершает работу на одном из участков циклического процесса |см. рис. 21, б). Чтобы в результате работы двигателя вращался какой-«бо вал (а это чаще всего требуется от двигателя), используют механизм. состоящий из шатуна и коленчатого вала. Эти элементы изображены на рисунке 24. Действие шатуна и коленчатого вала подобно Д9ЙСТВИЮ ног велосипедиста и педалей. Естественно, что для замыкания цикла необходим обратный ход поршня. Ход поршня, при котором газ не совершает работы, называет холостым ходом. Во время холостого хода поршень движется в силу запасенной за рабочий ход механической энергии. Механическая энергия запасается в виде кинетической энергии вращения массивного колеса — маховика, связанного с валом двигателя. При работе такого двигателя имеют место пульсации: во время рабочего хода вращение маховика ускоряется, во время холостого хода замедляется. Нтобы уменьшить эти пульсации, в состав двигателя вводят несколько 1ИЛИНДРОВ с одним коленчатым валом. Холостой ход одного или нескольких цилиндров приходится на рабочий ход одного или нескольких (!ругих цилиндров, в паровом двигателе два цилиндра объединяют в один, вводя пар поочередно то в левую, то в правую рабочие области дапиндра (рис. 24, б). 0 62 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАУКИ И ТЕХНИКИ Рабочая область Поршень Маховик Левая рабочая область Правая рабочая область Коленчатый / вал Поршень Маховик Шатун Коленчатый вал Рис. 24. Основные узлы поршневых двигателей: а — с одной рабочей областью: б — с двумя рабочими областями п м Ввод и вывод пара в паровом двигателе, а также ввод горюче; смеси и вывод отработанных газов в двигателях внутреннего сгоранн ;« осуществляются при помощи управляющей системы, включающей' себя клапаны и другие элементы. В двигателях внутреннего сгорания горючая смесь перед восплам нением сжимается, что происходит во время обратного хода nopuff (рис. 24, а — движение поршня вверх). Это обеспечивает более Э(1 фективную работу двигателя. После сжатия горючая смесь вocплa^« няется, и начинается рабочий ход поршня. По способу воспламенещ( двигатели внутреннего сгорания делят на два типа. В двигателях, вюк чающих в себя систему зажигания, воспламенение горючей сме: происходит под воздействием искры, возникающей вследствие эле» рического разряда в запальной свече. В таких двигателях исполь7. ется топливо из легких фракций нефти (бензин) или природный газ, степень сжатия поршнем невелика (6—8 раз). В двигателях другого и па — дизельных двигателях (или просто дизелях) используется ropt чее из более тяжелых фракций нефти (дизельное топливо), а стела сжатия существенно выше (15—20 раз). Вследствие такого сжатия пр исходит сильный нагрев топливной смеси, и она самовоспламеняетр ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ДВИГАТЕЛЕЙ РАЗЛИЧНЫХ ТИП(^ _ Зачем нужно столько типов двигателей, почему бы ни остановиться»*^ одном самом лучшем? Оказывается, что универсального наилучше^ двигателя нет, каждый тип обладает определенными достоинствами недостатками в зависимости от критериев, по которым мы произвол» оценку. Каковы же эти критерии? ri г §18. Принципы устройства тепловых двигателей 1. Экономичность — получение наибольшей полезной работы при наименьшем J Лоренц показал, что эти процессы связаны сс-лой, действующей на электрические заряд движущиеся в магнитном поле. Об этой сил которая называется силой Лоренца, мы уже it верили при изучении электромагнитного па» (см. Естествознание, 10 кл., § 19). г 20. Принципы работы электрогенераторов и электродвигателей Каковы основные характеристики силы Лоренца? Направление этой силы перпендикулярно магнитном линиям и вектору скорости частицы. Эта сила возрастает с увеличением магнитного поля, кроме того, она пропорциональна заряду частицы, скорости частицы и синусу угла между вектором скорости и линией магнитного поля. Действие силы Лоренца объясняет рабо-7 двигателя и генератора. Пусть проводник, 110 которому течет ток, находится в магнитам поле. Ток возникает вследствие движе-жя зарядов (в металлическом проводнике ^ алектронов). На движущиеся заряды будет действовать сила Лоренца, а суммарная 01ла, действующая на проводник с током, будет слагаться из сил, действующих на все движущиеся заряды. Проводник начнет двигаться, что и приведет к вращению элект-|;-родвигателя. Если же проводник двигать в магнитном поле, то на заряды, находящиеся внутри проводника, тоже будет действовать сила Лоренца. В металлическом проводнике по-вожительные заряды, носителями которых иляются атомные ядра, не могут свободно |юремещаться по проводнику. Отрицательно заряженные электроны будут двигаться, пока не достигнут границ проводника. В результате на одном конце проводника накопятся положительные заряды, а на другом — [Ирицательные (рис. 26). Проводник становится подобным гальва-анческому элементу, т. е. между его конца-т возникает разность потенциалов, подоб-fC тому, как это происходит в химических ■сточниках тока. Г:ТАЛЛИЧЕСКАЯ РАМКА И КОЛЛЕКТОР -ССпОйНЬ/Е УЗЛЫ БОЛЬШИНСТВА ЭЛЕКТ-ЮДВИГАТЕЛЕЙ И ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОВ. и в тепловых двигателях, в большинстве родвигателей энергия преобразуется в ическое вращение некоторого вала. Для Аяучения вращательного движения служит _Юаллическая рамка, закрепленная так, что м может вращаться вокруг оси, перпендику-шрном линиям магнитного поля (рис. 27). Рис. 25. Определение силы Лоренца Приведем более строгое определение силы Лоренца. Магнитное поле характеризуется вектором магнитной индукции В. Величина силы Лоренца равна F = qvBsina, где а — угол между векторами ТГ и В. Вектор силы перпендикулярен плоскости, в которой лежат вектор скорости частицы i> и вектор в\ Чтобы определить направление силы, нужно использовать правило буравчика. Ручку буравчика нужно крутить от вектора t> к вектору В, тогда поступательное движение буравчика укажет направление силы. На рисунке 25 векторы F и лежат в плоскости книжной страницы. Тогда, используя правило буравчика. определим, что на рисунке 25, а вектор силы Лоренца направлен от страницы на нас, а на рисунке 25, б — от нас на страницу. Все сказанное справедливо для положительного заряда. Для отрицательного заряда направление силы Лоренца нужно изменить на противоположное. л I, UI Рис. 26. Возникновение напряжения на концах проводника, движущегося в магнитном поле 68 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАУКИ И ТЕХНИКИ Рис. 27. Рамка, способная вращаться в магнитном поле I» Рис. 28. Ток во вращающейся замкнутой рамке Рис. 29. Устройство коллектора для генератора переменного тока Если рамку начать вращать (нап| мер, руками), то на каждой из CTOf рамки возникает напряжение. Несж но понять, что стороны 2 и 4 движу в одном направлении, и поэтому воз1 кающие вследствие их движения н; ряжения будут компенсироваться. \ оборот, стороны / и 3 всегда движу в противоположных направлениях, i этому возникающие вследствие их д| жения напряжения будут усиливс друг друга. В результате в рак возникнет электрический ток. Поско. ку через половину периода вращек скорости сторон 7 и 3 изменяются противоположные, направление тс также изменяется на противоположи! В результате по рамке будет течь i ременный ток, имеющий вид синусе ды (рис. 28). Полученное устройство похоже генератор переменного тока, но тол1 ток здесь бесполезный, поскольку те* внутри рамки. Чтобы использовать * для нужд потребителя, рамку разреза и в разрез вставляют устройство, наг ваемое коллектором. Если мы хот получить переменный ток, то в качеа коллектора следует взять два коль (рис. 29). Кольца вращаются вместе с рамке а скользящие по ним неподвижные к( такты — щётки передают ток от рам потребителю. Мы получили простейш генератор переменного тока. В силу выявленной Ленцем o6pai мости, если мы не будем вращать ра ку, а подадим на нее переменный те она сама начнет вращаться. Получае ся двигатель переменного тока, прав не самый эс1х|)ективный. ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОВ И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ. Ес вы загляните внутрь какого-нибудь реального электродвигателя и электрогенератора, вы не найдете рамки из проводника. Коллектор, { ли таковой будет присутствовать, окажется не похожим ни на колы ни на полукольца. И все же принцип работы любого электродвигате и электрогенератора такой, как описан выше. В дополнение к кoллf 20. Принципы работы электрогенераторов и электродвигателей горным двигателям были изобретены двигатели, не содержащие кол- яестора. Электродвигатели являются самыми распространенными двигателями как в промышленности, так и в быту. Фактически во всех стационарных установках использование электродвигателей оказывается более выгодным, чем использование тепловых двигателей. Связано это с гем, что при помощи различных электротехнических устройств гораздо )добнее управлять работой электродвигателей, чем работой тепловых Яригателей. Бесколлекторные двигатели более надежны, однако имеют худший показатель по такому параметру, как мощность на единицу веса. Поэтому в бытовых электроприборах {различное оборудование на кухне, бытовые электроинструменты, электробритвы) используют коллекторные двигатели. Бесколлекторные двигатели в быту используют там, где необходимо точно контролировать скорость вращения (стиральные машины, электроприводы дисководов в компьютерах и магнитофонах). j Электродвигатели используются и на транспорте. В частности, в Шловозах, где основным является дизельный двигатель, который [вращает электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию, которая ! затем передается на электродвигатель, непосредственно связанный с юлесами. Да и в обычном автомобиле, помимо основного бензинового ^яаигателя, используется несколько электродвигателей, самый мощный из которых — Стартер — служит для того, чтобы раскрутить бензиновый двигатель при запуске. Естественно, у электродвигателей есть и недостатки по сравнению пепловыми двигателями. Электроэнергию неудобно хранить. При той хе самой запасенной энергии вес электрического аккумулятора значи-гельно больше веса бака с бензином. Кроме того, электродвигатели к^игрывают двигателям внутреннего сгорания по мощности на единицу веса. ^ментальной силой, позволяющей преобразовывать механическую работу в зпвкгроэнергию и электроэнергию в механическую работу, является сила Лоренца. Электродвигатели получили Широкое распространение как в промышленности, так и в быту. Приведите примеры использования электродвигателей в промышленности. На КПД электродвигателей не распространяется ограничение, обусловленное вторым началом термодинамики. Единственное ограничение, следующее из закона сохранения энергии, — КПД должен быть меньше единицы. У хороших электродвигателей КПД близок к единице, но, конечно, не достигает этого идеального значения. Приведите факторы, ограничивающие КПД электродвигателей. Щетки электродвигателей делаются из графита. Почему их нельзя делать, например, из стали? , ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАУКИ И ТЕХНИКИ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ 21 Урок-пра ктикум ■ Как работа коллекторного двигателя зависит от величины нагрузки? Как напряжение, даваемое генератором переменного тока, зависит от параметров генератора? Приезжайте ко мне, дорогой соседушко, ей*6с Откроем что-нибудь вместе, литературой з? мемся, и вы меня поганенького вычислени' различным поучите. А. П. Чех ' Действие магнитного поля на проводник| током. Электродвигатель. Эле1строма1 ная индукция. Опыты Фарадея. Электрогенератор (Фи^ ка, 7—9 кл.; Естествознание, 10 кл., § 18). ЦЕЛЬ РАБОТЫ На натурной модели электродвигателя исследовать кача венные особенности работы коллекторного электродвигателя. При пома мультимедийной программы исследовать качественные особенности моде генератора переменного тока. Оборудование. Персональный компьютер, мультимедийный ди! («Открытая физика»), натурная модель электродвигателя, питающая от батарейки, источник питания, нить, набор грузов. ПЛАН РАБОТЫ Последовательно выполняя задания, исследовать рабш электродвигателя в зависимости от нагрузки. Пользуясь мультимедийной пр граммой, исследовать напряжение на выходе генератора в зависимости ( размеров рамки и частоты вращения. | В предыдущем параграфе вы изучили принципы работы электр. двигателей и электрогенераторов. Очевидно, что их работа зависит о от параметров этих устройств, так и от нагрузки, к которой они па соединены. Некоторые качественные особенности работы электродв^’ гателей и электрогенераторов мы предлагаем вам исследовать в ха данной работы. Изучите модель электродвигателя. Найдите узлы, описанные предыдущем параграфе (конструктивно они отличаются otts что были изображены на рисунке 29). ! 2. Подключите электродвигатель к источнику питания. Сжи« пальцами вал двигателя, наблюдайте, как изменяется скорое вращения вала в зависимости от нагрузки (силы, сдавливав щей вал). Сформулируйте вывод. $21. Исследование работы электрогенератора и электродвигателя Запустите мультимедийную программу, в которой исследуется 3. работа генератора переменного тока. Меняя параметры рамки, убедитесь, что напряжение на выходе генератора зависит только от площади, а не от формы рамки. в При фиксированной частоте вращения (/) исследуйте зависи- 4. мость напряжения генератора (е) от площади рамки (S) при нескольких значениях площади. Аналогично, при фиксированной площади рамки исследуйте зависимость напряжения от частоты вращения при нескольких значениях частот. Результаты занесите в таблицы (число столбцов определяется числом измерений): е S £ S Используя таблицы, постройте соответствующие зависимости 5. на графиках и сделайте вывод о характере зависимостей. Попробуйте эти зависимости описать одной математической формулой. Частота вращения коллекторного электродвигателя постоянного тока уменьшается с увеличением нагрузки. Напряжение на выходе генератора переменного тока прямо пропорционально площади рамки и частоте вращения генератора. Реальные электродвигатели, даже используемые в бытовых приборах, совсем не безобидные. Не пытайтесь остановить вал какого-нибудь реального двигателя руками или каким-либо другим Способом. Во-первых, вы можете пораниться. Во-вторых, большинство ре-сальных двигателей рассчитано на определенную нагрузку и при ее превышении двигатель может выйти из строя. новый портфель ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАУКИ И ТЕХНИКИ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ в СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНИКЕ W Урок-лекция Ш Каков принцип работы химических источников тока? Каковы основные составляющие источника питания? Какими параметрами характеризуются источники питания? В каких приборах используются химические источники питания? Пьеро ди Козимо. Легенда о Прометее Почему вопрос об источниках питания волновал людей с давних пор? Полностью ли он решен в настоящее время? О да, о да, прекрасно знал, что делаю, И, людям помогая, сам на пытку шел. Слова Прометея из трагедии Эсхила 0‘Прометей прикованный» МЫСЛЬ и ОБРАЗ Потом я стал думать об электричестве, как а получается и из чего... Я встал... снял с пол батарею и разломал ее. В батарее оказала какая-то жидкость, в которой мокла черн8 палка, завернутая в тряпочку. Я понял, ‘п электричество получается из этой жидкости.' Н. Hod __________________________________________! Ключевые Внутреннее сопротивление источив ка питания • Емкость аккумулятора слова Из старого портфеля Постоянный электрический TOt Источники постоянного тока. Сила тока. Напряжение. Электрическое сопротив-^ ление. Носители электрических зарядов в металлах, полупроводниках, электролитах и газах. Закон Ома для участка электрической цеп Последовательное и параллельное соединение проводников. Работа и мощность электрич^ кого тока (Физика, 7—9 кл.). Прочитав эпиграф, вспомните строен|Е гальванического элемента. Жидкость клейстер из муки на растворе нашатыре черная палка — угольный стержень. А зг электричество получается не из жидкости, из совокупности всех элементов, к которы относится еще цинковый сосуд, где находя^^ ся перечисленные элементы. В то время, когда Николай Носов пт свою книгу, такой гальванический элемент к пользовался в бытовых приборах, фонарях некоторых игрушках. Сейчас круг приборов,: которых используются гальванические ист«-ники питания, значительно расширился. 3 мобильные телефоны, пульты управлен! электронные часы, калькуляторы, плее и т. д. Разнообразие приборов требует р; образия источников питания. В обычном № газине вы можете найти десятки различ! элементов питания. И в большинстве из w нет «черной палки, завернутой в тряпочку». § 22. Источники питания в современной технике твердый электрод электро л 1ТГ + + + + + Рис. 30. Варианты распределения зарядов на границе между электролитом и электродом ЧЕГО ПОЛУЧАЕТСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО? Во всех гальванических источниках питания имеется по крайней мере два твердых электрода и раствор электролита. Твердые электроды могут быть иеталлическими или угольными. Часто один из них сделан в виде цилиндра, в который налит электролит и помещает-сй другой электрод. Электролит — водный раствор различных солей, кислот т щелочей, который наряду с нейтральными молекулами содержит положительные и отрицательные ионы. Если поместить твердый электрод в злектролит. начинается химическая реакция. Она сводится к тому, что одни |юны переходят из электролита на электрод, осаждаясь на нем, а дру-!г»*еионы, отделяясь от электрода, переходят в электролит. Возможен тюке процесс, когда на поверхности электрода образуются молекулы газа, уходящие затем из электролита. Поскольку переходящие ионы несут на себе электрический заряд, на поверхности электрода образуется тонкий слой зарядов одного знака, а в тонком слое электролита йлизи электрода скапливаются заряды другого знака (рис. 30). Образование слоев зарядов приводит к тому, что между электролитом и электродом возникает напряжение (разность потенциалов). Это зрепйтствует дальнейшему обмену ионов между электродом и электролитом, и химическая реакция прекращается. В системе из электролита и двух электродов между каждым электродом и электролитом появляется свое напряжение. Напряжение между электродами складывается из этих двух напряжений (рис. 31) и существует на источнике питания, когда он ни к чему не подсоединен. Ь другое название, оставшееся нам из втории развития физики, — электро-РРужущая сила. Заметим, что сложение напряжений PjH ^2'Происходит с учетом знаков, ж что, например, при абсолютно оди-laxoBux электродах из одного напряже-вычитается точно такое же и в ре-*ультате получается ноль. Если же «ектроды разные, то всегда получает-»некоторое, отличное от нуля напря-»№ие. Конкретное значение U зависит г химического состава электролита и ^продов и не превышает нескольких ипьт. Если замкнуть электроды на некото-:м проводник, потечет электрический твердый электрод / + + + + + б электролит первый электрод второй цч-х: электрод и. + г/j Рис. 31. Напряжение между электродами J 74 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАУКИ И ТЕХНИКИ Рис. 32. Схема подключения нагрузки к источнику питания ток, а между электродами и электролитом опять начнется химичес реакция. Естественно, ресурсы химической реакции ограничены, и рез какое-то время она прекращается, т. е. источник питания разря; ется. В некоторых случаях химические реакции в совокупности ока: ваются обратимыми. Это означает, что, пропустив через данную сис му при помощи другого внешнего источника питания ток в обрати направлении, можно привести систему в исходное состояние, т. опять получить полноценный источник питания. Подобные устройст как вы знаете, называют аккумуляторами. ПАРАМЕТРЫ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ. Чем же различаются источн! питания? Во-первых, напряжением. В маленьких источниках питан используемых в быту, оно обычно имеет значение около 1,5 В и то. ко в литиевых элементах достигает 3 В. В автомобильных аккумуля рах оно колеблется в зависимости от степени заряда оке значения 2 В. Электролит ведет себя как некоторый проводник, o6i дающий сопротивлением. Это сопротивление складывает последовательно с сопротивлением нагрузки (того, что г тается от источника питания), что можно изобразить в с де схемы (рис. 32). На этой схеме через Я обозначено сопротивление i-грузки, а через г сопротивление самого источника питаш которое называется внутренним сопротивлением. Вспо ните, как рассчитывается сила тока при последовательк подключении сопротивлений к источнику питания. Сдея и расчеты, вы получите: I . Из этой формулы следу! Я + г что при одном и том же значении напряжения источника питания,! различных внутренних сопротивлениях, два источника питания да! различные токи. В автомобильном аккумуляторе внутреннее сопротш ление мало, и он может давать ток в сотни ампер. Батарейки в чаи имеют большое внутреннее сопротивление и могут давать ток в соп доли ампера. Именно поэтому ничего страшного не происходит прий ротком замыкании обычной батарейки. С автомобильным аккумуля ром такое делать ни в коем случае нельзя. Чем еще различаются элементы питания? Конечно, размеракг) формой. Напряжение источника питания, как уже говорилось, эш от его химического состава и, таким образом, не зависит от его меров. Почему бы ни делать малые размеры? Очевидно, что, чем м ше размеры, тем меньше продуктов для химической реакции соде[ элемент питания, т¥м^ меньше времени будет работать источник и тания. Время работы зависит также и от тока, который обеспечив^^ источник питания. Приближенно эта зависимость обратно nponopi нальная, т. е. время ( пропорционально ^/I. Это означает, что вели на It равна константе и именно она характеризует продолжительно; разряда данного элемента питания. Для аккумуляторов такая велит называется емкостью аккумулятора (не путать с емкостью кондеи I § 22. Источники литания в современной технике Большинство конструкторов приходят к мнению, что традиционные гальванические элементы питания практически исчерпали себя 8 плане повышения эффективности. К сожалению. их параметров явно не хватает для работы в течение нескольких часов таких приборов, как ноутбуки или видеокамеры. В настоящее время ученые возлагают надежды на так называемые тепловые источники питания, в которых источником энергии является восполняемое вещество, в частности метанол. тора) и измеряется в ампер-часах |А'Ч). Так, например, автомобильный ак-1[умулятор имеет емкость около 50 А • ч, а аккумуляторы, используемые в мобильных телефонах, — порядка 1 А • ч. Есть еще один немаловажный пара-нетр. Мы говорили, что в источнике пи-|Тания не происходят химические реакции, когда по нему не течет ток. Это не-jTOHHoe утверждение. В отсутствие тока (происходят другие, более медленные реакции. В результате их протекания источник питания теряет свои рабочие ^свойства через какое-то время. Обычно гарантийный срок хранения источника питания составляет от полугола до по-яутора лет. 6 основе действия гальванических источников электропитания лежат химические реакции между раствором электролита и находящимися в нем электродами. Ос-^новными параметрами, по которым различаются источники питания, являются ^ипрйжение, внутреннее сопротивление и емкость. г _____________________________________________________________ Некоторые химические источники питания содержат веще-ства, небезопасные для здоровья. Например, автомобильный аккумулятор содержит в качестве электролита раствор серной кислоты. Не следует самостоятельно разбирать источники питания и пытаться заряжать источники питания, не подлежащие перезарядке. Химические реакции, которые при этом будут происходить, могут оказаться непредсказуемыми. ■I?' I Приведите примеры использования мощных аккумуляторов. Даже в инструкциях к малым аккумуляторам часто указывают требования правильной утилизации после использования. Для больших аккумуляторов типа автомобильных существуют жесткие регламентации по утилизации. Чем это обусловлено? Если у вас {ваших родителей или знакомых) есть мобильный телефон, выясните, сколько времени (в среднем) он может работать без подзарядки. Оцените средний потребляемый телефоном ток, исходя из того, что емкость аккумулятора имеет порядок величины 1 А • ч. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАУКИ И ТЕХНИКИ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ И ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Урок-лекция За морем телушка — полушка, да рубль перевс Русская послов^ Ключевые слова Какие способы передачи энергии на расстояние существуют? Чем обу-,1! словлены потери энергии при передаче? Чем выгоден способ передачи электроэнергии? Как уменьшить потери при передаче электроэнергии? Первичная и вторичная обмотка трансфо! матора Электромагнитная индукция. Опыты Ф» радея. Переменный ток. Трансформат^ Передача электрической энергии на расстояние (Физи’ ка, 7—9 кл.). "i •техничн ■I ПОТЕРИ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ ЭНЕРГИИ НА РАССТОЯНИЕ Научно-кий прогресс, связанный с использованием двигателей, потребовал» шения не только задач производства энергии, но и задачи пере, энергии на расстояние. В простейшем случае можно просто перев» ти топливо, необходимое для работы двигателя, каким-либо трансл! том. Этот способ, применяемый до сих пор, нельзя назвать эконо ным, большая энергия затрачивается на работу самого трансп Другой способ — передача жидкого или газообразного топлива пот^ бопроводу. Этот способ используется для передачи энергии в bi тепловой энергии нагретого пара или жидкости от ТЭЦ или котель к нашим жилищам, что гораздо дешевле, чем перевозка топлива тра^ портом. Следует также вспомнить, что на первых фабриках, где ис зовалась паровая машина, применялся еще один способ пере механической энергии: большая паровая машина в этом случае cbasi валась с отдельными станками при помощи системы валов, шкиво! ремней. Самым удобным способом является передача электрической ж ГИИ по проводам. Эффективность этого способа связана с тем. электрическая энергия является наиболее универсальной энерш используемой для самых разнообразных целей: освещения, отоллв питания двигателей, электротехнических, радиотехнических и эле ных устройств. Естественно, ничего не достается даром, и во всех способах пв5( дачи энергии ее стоимость возрастает с увеличением расстояния, которое она передается. На больших расстояниях стоимость энед доходящей до потребителя, определяется в основном ценой дост (см. эпиграф). ■Л I § 23. Преобразование и передача электроэнергии При передаче электроэнергии неизбежны ее потери, связанные с нагревом подводящих проводов. При простейшем способе передачи, когда источник электрознер-ти (электрогенератор) связан проводами с потребителем, процесс передачи можно изобразить схемой (рис. 33). Через Л„ обозначено сопротивление нагрузки, т, е. эквивалентное сопротивление всех используемых 1потре6ителем приборов, через R,, — сопротивление подводящих проводов. Вспомните, что при последовательном соединении [сопротивлений через сопротивления проходит один и тот хе ток, а* электрическая энергия, переходящая в тепло, ^wpeдeляeтcя законом Джоуля — Ленца. Если каждый 'прибор потребителя считать эквивалентным сопротивлением, то по-[требляемую мощность также можно вычислить при помощи закона Джоуля — Ленца. Обозначая полезную потребляемую мощность (мощность на нагрузке) через а паразитную мощность, идущую на нагревание проводов, через W„, получим для них выражения: W„ = ® Из этих формул видно, что отношение мощностей равно отношению сопротивлений. Чтобы уменьшить потери, сопротивление подводящих проводов стараются сделать как можно меньше. С этой целью провода изготавли-йют достаточно толстыми и из хорошо проводящего материала — в рсновном из меди или ее сплавов. Для проводов, которые подводят злектроэнергию к приборам в вашей квартире, этого вполне достаточ-ю. чтобы потери были малы. Если длина провода составляет несколь-в десятков километров, то потери возрастают в десятки тысяч раз. Но ■югда передавать электроэнергию нужно не на десятки, а на сотни и 1ЫСЯЧИ километров. V:^:C0OPMATOP КАК УСТРОЙСТВО. СБЕРЕГАЮЩЕЕ ЭЛЕКТРОЭНЕР-гИО Из приведенных выше формул следует, что уменьшить потери знергии. которую нужно передать, можно, если уменьшить ток, теку-т а проводах, по сравнению с током, который течет в приборах по-ителя. Сделать это позволяет трансформатор. Принцип действия трансформатора основан на важном свойстве ромагнитного поля — взаимопреобразовании электрического по-в магнитное и обратно. В частности, при изменении в некоторой об-всти пространства магнитного поля в этой же области пространства икает электрическое поле. Именно это явление обнаружил Фарадей, вбзникновет?ие“ тока в кат7шкё^”71роШЩШ“п ке постоянного магнита (вспомните явление электромагнитной ин-[j/щии). В опыте Фарадея магнитное поле в области катушки меняется дствие движения магнита. В трансформаторе роль движущегося вгнита играет первичная обмотка трансформатора (рис. 34). Первич-♦й обмоткой называется обмотка, на которую подается исходное нап-|юение от какого-либо источника переменного тока. Вторичная обмот-ц-обмотка, которая служит источником питания для потребителя. л 11 1 I R И Рис. 33. Непосредственная передача электроэнергии от источника к потребителю 78 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАУКИ И ТЕХНИКИ Рис. 34. Схема трансформатора (Обычно первичную обмотку обозначают инд сом 1, а вторичную — индексом 2.) При протекании в первичной обмотке nei менного тока в области катушки (в основн внутри катушки) изменяется магнитное по Это изменяющееся поле приводит к появлен в области катушки переменного электричес го ПОЛЯ, которое вызывает ток во вторич!-обмотке. Естественно, что работа трансформатс возможна только при переменном токе, в ча ности при синусоидальном токе, вырабатыш мом генератором переменного тока (см. § 2 При синусоидальном токе, протекающем в п( вичной обмотке, во вторичной обмотке также возникает синусоида ный ток. Отношение амплитуд напряжений в первичной и вторичн обмотках трансформатора равно отношению чисел витков в соот» ствующих катушках: 'UJV2 “ Из этой формулы видно, что w ряжение во вторичной обмотке может быть как больше, так и мены напряжения в первичной обмотке. В первом случае трансформат называют повышающим, во втором — понижающим. Несложно понять, что сам трансформатор не вырабатывает ж гию, более того, при работе трансформатора теряется некоторая эне ГИЯ. Рассмотрим идеальный трансформатор, в котором нет поте энергии. Вторичная обмотка может рассматриваться как источи тока, имеющий мощность W.^ • ^/2-^2» h ” вторичной с мотке. Первичная обмотка может рассматриваться как потребите мощности Wj « UJi, где — ток в первичной обмотке. В отсутств потерь эти мощности равны, откуда следует: /|//2 = ^^2/^1 “ Таким образом, если трансформатор повышает напряжение, то он1 столько же раз уменьшает значение тока. Вернемся теперь к формулам, определяющим потери мощности проводах. Мощность пропорциональна квадрату протекающего то* Следовательно, если сделать напряжение в проводящих проводах bii сячу раз больше напряжения, поступающего к потребителю, то поте^ Повышающий трансформатор 1 Понижающий трансформатор 2 Рис. 35. Схема передачи электроэнергии с минимизацией потерь 1 у § 23. Преобразование и передача электроэнергии можно уменьшить в миллион раз. Реально напряжения различаются 3 несколько тысяч раз. Заметим, что делать генераторы, вырабатывающие электричество с очень высоким напряжением, невыгодно. так как возникают проблемы с изоляцией проводов. Поэтому пе-?ед подачей напряжения в прово-оэ его также следует изменить 1^'величить). В результате схему {гередачи-энергии можно изобразить так, как это сделано на рисунке 35. (При U2»U-i, и.2»и2\л I соответствен но 1<>«1 79 I’ ^ 2^'^^ Я потери электроэнергии на нагрев проводов значительно уменьшается.) Ученые и инженеры постоянно работают над проблемой сбережения энергии при ее передаче. Существуют различные проекты, находящиеся в стадии разработки. Один из них — использование сверхпроводящих материалов для проводов. В настоящее время сверхпроводники (проводники с нулевым сопротивлением) работают лишь при очень низких температурах (десятки кельвинов). Однако принципиальных физических ограничений на сверхпроводимость при более высоких температурах не существует, что оставляет определенную надежду. Другая возможность — передавать на расстояние не электричество, а водород, полученный при разложении воды электрическим током. Потребитель в этом случае получает электроэнергию из водорода в специальных топливных элементах, имеющих высокий КПД. Проблема сбережения электроэнергии (и энергии вообще) касается любого потребителя, в том числе и вас. Отноше-le, выражаемое словами «Я за нее плачу...», в век возрастания глобальных проблем является неразумным. Возможно, вам еще раз придется заплатить — ухудшением экологической обстановки вследствие перегрузки производством энергии, а вашим потомкам придется заплатить ограничениями, вызываемыми сокращением энергоресурсов. f Передача энергии на расстояние в виде электроэнергии является в настоящее время наиболее удобным и дешевым способом. Использование трансформаторов и увеличение напряжения в проводах линий электропередачи позволяют существенно снизить потери энергии при передаче. Р > Почему для передачи электроэнергии используют переменный, а не постоянный ток? Вы наверняка видели трансформаторы, используемые в. бытовых приборах. Трансформаторы, используемые на подстанциях линий электропередачи, имеют по сравнению с бытовыми трансформаторами гигантские размеры и вес в десятки тонн. Чем это объясняется? Если выгодно передавать по проводам ток высокого напряжения, то почему бы ни использовать высокое напряжение в приборах потребителя, не понижая его? 80 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАУКИ И ТЕХНИКИ ' ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЯ Урок-конференция Мне не раз приходило в голову, что раб на гидротехническом строительстве — та война. На войне зевать не приходится, и че тебя опрокинут, и здесь нужно непрер но работать — на тебя наступает вода. А. Е. Боч1 Каковы основные узлы и принцип работы современной теплоэлектр<^ рали (ТЭЦ)? Каковы основные узлы и принцип работы гидроэлектр ции {ГЭС)? Какое влияние на экологическую обстановку может оказ строительство ТЭЦ и ГЭС? ЦЕЛЬ КОНФЕРЕНЦИИ О сколько нам открытий чудных Готовят просвещенья дух, И опыт, сын ошибок трудных, И гений, парадоксов друг, И случай, бог изобретатель... А. С. Пушкин Ознакомиться с работой наиболее распространенных типов электростанций, как п ловые электростанции и гидроэлектростанции. Понять, | кое влияние на экологическую обстановку может оказыв сооружение таких типов эле1аростанций. , ПЛАН КОНФЕРЕНЦИИ Стихотворение посвящено прокладке электрического кабеля. Это событие вызвало всеобщее одобрение. Но о каких «ошибках трудных» и «парадоксах» предупреждает поэт? Актуальны ли слова об «ошибках» и «парадоксах» в настоящее время? 1. Устройство и работа современной ТЭЦ. 2. Устройство и работа современной ГЭС. 3. Электростанции и экология. СООБЩЕНИЕ 1 Фабрика электричества и тепла мысль и ОБРАЗ Теплоэлектроцентраль является одним из наи1 распространенных производителей электроэне] Основным механизмом ТЭЦ является паровая на, приводящая в движение генератор электро: ГИИ. Этим же паром нагревается горячая вода, п< пающая в наши дома. СООБЩЕНИЕ 2 Как работает ГЭС. Гидроэлектростанции являются наиболее мощными производите ми электроэнергии. В отличие от ТЭЦ гидроэлектростанции рабои на восполняемых энергоресурсах. Может показаться, что злея энергия ГЭС «дается даром». Однако ГЭС являются очень дороп гидротехническими сооружениями. I ООБЩЕНИВ 3 § 24. Электроэнергетика и экология Электростанции и экология. © Современному обществу необходим большой объем электроэнергии. Производство такого объема электроэнергии неизбежно связано с преобразованием окружающей нас природы. Минимизировать отрицательные последствия — одна из задач, возникающих при проектирова-ши электростанций. Но прежде всего необходимо осознавать, в чем состоит отрицательное воздействие на природу мощных установок по [яроизводству электричества. Сжигание большого количества топлива может, в частности, вызывать такие явления, как кислотные дожди, химическое загрязнение мдр. Казалось бы, гидроэлектростанции, в которых ничего не сгорает, не должны оказывать отрицательного воздействия на природу. Однако оительство равнинных ГЭС всегда связано с затоплением огромных иторий. Многие из экологических последствий такого затопления, изведенного в середине XX в., начинают сказываться только сейчас. 1кгочники ^формации 1. Детская энциклопедия. 2. К и р и л л и н В. А. Страницы истории науки и техники / В. А. Кириллин. — М.: Наука, 1994. З.Водопьянов Л. А. Экологические последствия НПТ / Л. А. Водопь-шв — Минск: Наука и техника. 1980. 4 Второв Р. П. Рассказы о биосфере / Р. П. Второв. Н. Н. Дроздов. — М.: |^бещекие, 1986. 5. Нетрадиционные источники энергии. — М.: Знание. 1982. бАнткеев В. А. Технологические аспекты охраны окружающей среды / 6 А Анткеев. И. 3. Копп, Ф. В. Скалкин. — Л.: Гидрометеоиздат, 1982. ’.Никитин Д. Л. Научно-технический прогресс, природа и человек / Л. Никитин. — М.: Наука 1977. 1Стырикович М. А. Энергетика. Проблемы и перспективы / М.А. Сты-р«0бич. Э. Э. Шпильрайн. — М.: Энергия. 1981. 1. Физика и научно-технический прогресс / под ред. В. Г Разумовского, ^ U Глазунова, В. А. Фабриканта. — М.; Просвещение, 1988. I К. Энергетика и охрана окружающей среды / под ред. Н. Г. Залогина ;>др.). — М.: Энергия. 1979. Современные электростанции являются сложными инженерными сооружениями. Они необходимы для существования современного общества, однако их строительство ||шно вестись таким образом, чтобы минимизировать ущерб, наносимый природе. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАУКИ И ТЕХНИКИ РАДИОВОЛНЫ И ОСОБЕННОСТИ ИХ РА СПРОСТРАНЕНИЯ Урок-лекция Когда я рассказываю о полях, проносящихся сквс пространство, в моей голове катастрофически пе| путываются символы, нужные для описания объект* и сами объекты. Я не в состоянии дать картину, хс бы приблизительно похожую на настоящие волны. Р. ФейнАг Ключевые слова Из старого портфеля ...Сквозь каждое сердце, сквозь каждые сети Пробьется мое своеволье. Меня — видишь кудри беспутные эти? — Земною не сделаешь солью. Дробясь о гранитные ваши колена, Я с каждой волной — воскресаю! Да здравствует пена — веселая пена — Высокая пена морская! М. Цветаева В стихотворении М.Цветаевой есть слово «волна» и есть что-то еще. напоминающее волну. Как вы думаете, что и чем? МЫСЛЬ и ОБРАЗ Радиопередатчик • Радиоприемник Антенна • Станции ретрансляции Колебательный контур. Элект(3 магнитные колебания. Электро» нитные волны. Принципы радиосвязи и дения {Физика, 7—9 кл.; Естествоздг 10 кл.. § 56. 57). ИЗЛУЧЕНИЕ И РЕГИСТРАЦИЯ РАДИОВОЛ Радиоволны представляют собой частнь случай электромагнитных волн. К ним о носят волны с длиной волны от дод миллиметра до десятков километров. В с личие, например, от волн видимого диап зона, радиоволны не воспринимаются « посредственно органами чувств человев хотя сильные радиоволны оказывают еб действие на организм живых существ. Эти волны также отличает то, что ск чала были зарегистрированы искусе ные волны и лишь много позднее 6i обнаружены радиоволны естестве природы. Открытие способа получения регистрации радиоволн принадлежит мецкому ученому Генриху Герцу (1886 Герц не придал значения сделанному открытию. Он заявил, что не видит д' него практического применения. Сгту всего сто лет уже невозможно было пр ставить нашу цивилизацию не испольЗ' щей радиоволны. Как образуются радиоволны? Оказы ется, любые электромагнитные волны Антенна Генератор Приемное переменного устройство тока § 25. Радиоволны и особенности их распространения никают при движении заряженных частиц с ускорением. Для того чтобы эти волны обладали определенной длиной волны и определенной час-}то70й, заряженные частицы [должны совершать колебания jC этой же частотой. Именно такое движение электронов происходит в антенне, к которой подсоединен генератор аеременного тока. Схематично это устройство, называемое радиопередатчиком, юображено на рисунке 36. Длина радиоволн, излучаемых антенной, зависит от параметров переменного тока. Конструкции радиопередатчиков могут быть весьма разнообразными, как и нструкции антенн. Для антенн важна одна деталь — ^эмеры антенны должны быть сравнимыми с длиной волны или больше ее. Электромагнитная волна вредставляет собой совокуп-^»сть электрического и маг-ого полей, распростра-ощихся в пространстве, ектрическое поле действует на все заряженные части-ны, находящиеся в области, гае присутствует волна. Если цы способны совершать Антенна Рис. 36. Схема радиопередатчика Рис. 37. Схема приемника Мь: уже упоминали, что существуют радиоволны естественного происхождения. В частности, такие радиоволны приходят к нам из космоса- Что там заставляет колебаться заряженные частицы? Оказывается, многие небесные тела обладают магнитным полем, подобным магнитному полю Земли. Если вблизи такого тела имеется ионизированный газ, то на движущиеся заряженные частицы действует сила Лоренца (см. § 20). Поскольку сила Лоренца всегда направлена перпендикулярно скорости движения, то она не разгоняет частицы, а лишь заставляет их менять направление. в результате чего они совершают периодическое круговое движение. В результате такого движения и происходит генерация радиоволн. Зодное движение (например, электроны в металле), электрическое |аде приводит к периодическим колебаниям частиц, т. е. к возникно-пию переменного тока. Эти колебания, в частности, возникают в ан-енне приемника и затем регистрируются приемным устройством Ц)ис. 37). Антенна приемника может быть и меньше длины волны, но, чем пьше антенна, тем слабее может быть сигнал, который нужно заре-грировать. КОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОСИГНАЛОВ Радиоволны шчных диапазонов различаются особенностями распространения лизи поверхности Земли. Общим свойством волн является способ- 84 взаимодействие науки и техники ность огибать препятствия с размерами меньше длины волны — яв/ ние дифракции. В силу этого явления волны длинноволнового и сре неволнового диапазонов способны огибать большие строения, горы даже заходить за горизонт, огибая земную поверхность. Более коре кие волны могут распространяться только по прямой, не заходя за г ризонт. Однако волны коротковолнового диапазона (десятки метре отражаются от ионосферы — слоя атмосферы, расположенного на в| соте 100—500 км и содержащего заряженные частицы — электроны ионы. Для волн длиннее 10 м ионосфера подобна зеркалу. После с ражения от ионосферы радиоволны могут отражаться от поверхнос’ морской воды, также содержащей ионы. В силу многократного отрая ния связь на коротких волнах может осуществляться на очень болыш расстояния, вплоть до противоположной точки Земли. Однако эта от неустойчива, она сильно зависит от состояния атмосферы и conHenfic активности, вызывающей магнитные бури. Это. кстати, объясняет плохое качество радиопередач на коротких волнах. Для волн метрового и дециметрового диапазонов ионосфера пр« рачна. Связь на этих волнах осуществляется только на расстояние п|й мой видимости. По этой причине передающие телевизионные анте«^ размещают на высоких телебашнях, а для осуществления телевещам< на большие расстояния необходимо строить станции ретрансля!. принимающие и затем передающие сигнал. В настоящее время именно ны длиной меньше метра испо№ * ^ зуют для дальней радиосвязи, а помощь приходят искусственн1( спутники Земли. Их выводят на m стационарную орбиту, период щения по которой совпадает с гщ-ОДОМ обращения Земли вокруг с1 (около 24 ч). В результате спутн поворачивается вместе с ЗемлеМ таким образом, зависает над ог деленной точкой Земли, распар женной на экваторе. Радиус геос ционарной орбиты около 40 000 Такой спутник принимает сигкаъ] Земли и ретранслирует его обраи Спутниковое телевидение стало вполне обычным, в любом гор вы можете увидеть «тарелки» -I тенны для приема спутникового o’| нала. Однако, помимо телеви^ ных, через спутники передается w са других сигналов; сигналы VlHif] нета. осуществляется связь с су ми, находящимися в морях и с^| нах. Эта связь более надежная, v I ■ ■ untit^s УКВ Mffll Рис. 38. Особенности распространения радиоволн вблизи поверхности Земли I § 25. Радиоволны и особенности их распространения связь на коротких волнах. Особенности распространения радиоволн показаны на рисунке 38. Все радиоволны делят на несколько диапазонов в зависимости от m длины. Названия диапазонов, свойства распространения радиоволн н характерные области их использования приведены в таблице. Диапазоны радиоволн Диапазон волн Длина волн Свойства распространения Использование Длинные 700-3000 м Огибают поверхность Земли и препятствия (горы, строения) Радиовещание (Средние 200—600 м Радиовещание, радиосвязь Короткие 10—100 м Прямолинейное распространение, отражаются от ионосферы Ультракороткие 1 ' 1 — 10 м (метровые) Прямолинейное распространение, проходят через ионосферу Радиовещание, телевещание, радиосвязь, радиолокация 1—10 дм (дециметровые) 1 — 10 см (сантиметровые) 1—10 мм (миллиметровые) 'Генерация радиоволн происходит в результате движения с ускорением заряженных частиц. Волна данной частоты генерируется при колебательном движении заряженных частиц с этой частотой. При воздействии радиоволны на свободные :88ряженные частицы возникает переменный ток той же частоты, что и частота вол-чы. Этот ток может регистрироваться приемным устройством. Радиоволны разных •/(Сазонов по-разному распространяются вблизи поверхности Земли. г Какая частота соответствует наиболее коротким и наиболее длинным радиоволнам? Волны каких диапазонов, приходящие к нам из космоса, мы можем принимать наземными приемниками? Выскажите гипотезу, чем может определяться граница длин радиоволн, отражаемых ионосферой. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАУКИ И ТЕХНИКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАДИОВОЛН Урок-лекция Вот, радио есть, а счастья « И. Ильф, Е. Пвтр1 Как14м образом можно осуществить передачу информации при помощи радиоволн? На чем основана передача информации при помощи искусственных спутников Земли? Каковы принципы радиолокации? Какие возможности предоставляет радиолокация? Ключевые Радиосвязь • Радиолокация • Моду-слова ляция волны Электромагнитные волны. Прин^ ращиосвязи и телевидения (ФйУ 7—9 кл.; Естествознание, 10 кл.. § 56, 57). ' Ш i Несмотря на то что радиоволны не воспринимаются органами ч они широко используются на практике. При помощи радиоволн П; водится радиосвязь на далекие, в том числе и межпланетные рас ния, радиовещание и телевещание. Радиоволны используют для опре» ления положения различных объектов и их скоростей, т. е. для раднс локации. Радиолокационные приборы стали неотъемлемой частью об: рудования судов и самолетов, а также различных служб, осуществляв щих навигацию. Немаловажно, что при помощи радиоволн мы получав информацию об объектах во Вселенной, в частности о самых далей объектах, лежащих на границе наблюдаемой части Вселенной. Усовершенствованные конструкции радиопередатчиков и ради: приемников были разработаны итальянцем Маркони, который в 1921 сумел осуществить регулярную связь между Европой и Америкой. ПРИНЦИПЫ МОДУЛЯЦИИ волн Основная задача радиоволн — neff дача некоторой информации на расстояние. Монохроматическая рад»)( волна определенной длины представляет собой синусоидальное ш' бание электромагнитного поля и не переносит какой-либо информ< Чтобы такая волна переносила информацию, ее нужно каким-то об» зом изменять или, говоря научным языком, модулировать (от лат. яГ dulatio — мерность, размерность). Простейшая модуляция радио! использовалась в первых радиотелв!] фах, для чего применялась азбука bfo] зе. При помощи ключа радиопередат ки включались на более или мен длительное время. Длинные промеж)т соответствовали знаку «тире», а koj кие — знаку «точка». Каждой букве агфУ вита сопоставлялся определенный W\n/VWV\r"W/\r Рис. 39. Передача информации радиоволной, модулированной сигналами азбуки Морзе § 26. Использование радиоволн точек и тире, которые шли с некоторым промежутком' На рисунке 39 приведен график колебаний волны, передающей сигнал «тире-точка-точка-тире». (Заметим, что в реальном сигнале на одну точку или тире укладывается значительно большее число колебаний.) Естественно, что голос или музы-су передавать таким сигналом было (иевозможно, поэтому позже стали I применять'другую модуляцию. Как вы знаете, звук представляет собой [волну давления. Например, чистому 'звуку — ноте «ля» первой октавы — |оответствует волна, давление которой изменяется по синусоидальному Закону с частотой 440 Гц. При помо-прибора микрофона (от греч. гсго.ч — малый, phone — звук) 1е6ания давления можно преобра-вать в электрический сигнал, дставляющий собой изменение пряжения с той же частотой. Эти юлебания можно наложить на коле-!.бзние радиоволны (рис. 40). Злект-мческие сигналы, соответствующие [|ечн, музыке, а также изображению, реют более сложный вид, однако модуляции остается неизмен-]юй: огибающая амплитуды радио-юлны повторяет форму информа-'ионного сигнала. I Позднее были разработаны другие кзнообразные способы модуляции, щ которых изменяется не только ааштуда волны (см. рис. 39, 40), но Йчастота, что позволило передавать, шример, сложный телевизионный шал, несущий информацию об ражении. Большинство из вас на-ка настраивали радиоприемники и телевизоры на какую-либо прог- 0 в ^ЛлЛЛ/^ЩMЛл/V\/^/У^^ Рис. 40. Радиоволна, модулированная волной звуковой частоты: а — график радиоволны; б — график электрического сигнала, соответствующего звуку; в — график модулированной радиоволны 8 настоящее время имеет место тенденция возврата к первоначальным «точкам» и «тире». Дело в том, что любая звуковая и видеоинформация может быть закодирована в виде последовательности чисел. Именно такая кодировка осуществляется в современных компьютерах. Например, изображение на экране компьютера состоит из множества точек, каждая из которых светится каким-либо цветом. Каждый цвет кодируется определенным числом, и. таким образом, все изображение может быть представлено в виде последовательности чисел, соответствующих точкам на экране. В компьютере все числа хранятся и обрабатываются в двоичной системе единиц, т. е. используются две цифры 0 и 1. Очевидно, эти цифры аналогичны «точкам» и «тире» азбуки Морзе. Сигналы, закодированные в цифровом формате, обладают многими преимуществами — они менее подвержены искажениям при радиопередаче и легко обрабатываются современными электронными устройствами. Именно поэтому современные мобильные телефоны, а также передача изображений при помощи спутников используют цифровой формат. использовали мобильную теле-Кнную связь. Наш эфир переполнен самыми разнообразными радиосиг-^ми. и их количество непрерывно увеличивается. Не тесно ли им там? бстьли вообще какие-то ограничения на количество одновременно рабо-Нощих радио- и телепередатчиков? ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАУКИ И ТЕХНИКИ При помощи радиоволн можно передавать различную информацию (звук, изображение, компьютерную информацию), для этого необходимо осуществить модуляцию волн. Модулированная волна занимает определенную полосу частот. Чтобы волны различных передатчиков не интерферировали, полосы, занимаемые этими передатчиками. не должны перекрываться. м Оказывается, ограничения число одновременно работают передатчиков существуют. Деле том, что, когда электромагнитн волна несет какую-либо инфс мацию, она модулирована опр деленным сигналом. Такой мо; лированной волне уже нельзя с поставить строго определенн) частоту или длину. Например, е ли волна а на рисунке 40 име частоту ш, лежащую в диапазоне радиоволн, а сигнал б имеет часто О, лежащую в диапазоне звуковых волн (от 20 Гц до 20 кГц), то мод лированная волна в на самом деле представляет собой три радиова ны с частотами (о - 12, со и о) + 12. Чем больше информации содерж волна, тем больший диапазон частот она занимает. При передаче зш ка достаточно диапазона примерно в 16 кГц, телевизионный сигнал нимает уже диапазон примерно в 8 МГц, т. е. в 500 раз больше. Име^ но поэтому передача телевизионного сигнала возможна лишь в диапз зоне ультракоротких (метровых и дециметровых) волн. Если полосы сигналов двух передатчиков перекрываются, то вон ны этих передатчиков интерферируют. Интерференция приводит к всо никновению помех при приеме волн. Чтобы передаваемые сигналы» влияли друг на друга, т. е. чтобы передаваемая информация не иш жалась, полосы, занимаемые радиостанциями, не должны перекрывать ся. Это накладывает ограничение на количество радиопередаюЫ устройств, работающих в каждом диапазоне. ПРИНЦИПЫ РАДИОЛОКАЦИИ Другой важной областью применвн(| радиоволн является радиолокация, основанная на способности рад№ волн отражаться от различных объектов. Радиолокация позвол определить местоположение объекта и его скорость. Для радиол ции используются волны дециметрового и сантиметрового диапазон' Причина такого выбора очень проста: более длинные волны в явления дифракции огибают объекты (самолеты, суда, машины), п|» тически не отражаясь от них. Чтобы определить местоположение, необходимо определить № правление на объект и расстояние до него. Задача определения рэ> стояния решается просто. Радиоволны распространяются со скоро' ________________________________________________света, поэтому волна доходит Радиолокация дает возможность устано- объекта и возвращается назади вить расстояние до объекта, направление время, равное удвоенному ра, на объект и скорость объекта. Благодаря стоянию до объекта, деленн! способности радиоволн свободно прохо- скорость света. Переда дить через облака и туман методы радио- устройство посылает в стори любых объекта радиоимпульс, а при ное устройство, использую ту же антенну, принимает icni 1ТЬ( локации могут применяться погодных условиях. при § 26. Использование радиоволн V ч вращающаяся Передатчик Индикатор расстояния Индикатор направления Рис. 41. Принцип радиолокации 1ульс. Время между передачей и приемом радиоимпульса автома-чески пересчитывается в расстояние. Для определения направления на объект используются узконаправ-чные антенны. Такие антенны формируют волну в виде узкого пучка I». что объект попадает в этот пучок только при определенном располо-1ИИ антенны (действие подобно лучу фонарика). В процессе радиоло-т антенна «поворачивается» так, что пучок волны сканирует большую зсть пространства. Слово «поворачивается» взято в кавычки потому, I® 8 современных антеннах никакого механического поворота не прочит, направленность антенны изменяется электронным способом, чцип радиолокации проиллюстрирован на рисунке 41. С> Какова длина радиоволн, используемых для связи? О Как «заставить» радиоволну переносить информацию? £> Чем ограничено число радиостанций в эфире? Полагая, что частота передачи должна в 10 раз превосходить ширину частот, занимаемую сигналом, вычислите минимальную длину волны для передачи телевизионного сигнала. Ь Как при помощи радиолокации можно определить скорость объекта? ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАУКИ И ТЕХНИКИ 1^' •-Г ш ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ МОБИЛЬНОЙ ТЕЛЕФОННОЙ СВЯЗИ Урок-практикум Если бы Эдисон вел такие разговоры, не виде бы миру ни граммофона, ни телефона. И. Ильф, Е. Петр Как работает мобильная телефонная связь? Какие элементы входят в состав мобильного телефонного аппарата и каково их функциональное предназначение? Каковы перспективы развития мобильной телефонной связи? Храм Артемиды (реконструкция) Храм Артемиды построен наподобие пчелиных сот. Чем мобильная (сотовая) связь напоминает храм Артемиды? МЫСЛЬ и ОБРАЗ Электромагнитные волны. Принце радиосвязи и телевидения (Фиэъ 7—9 кл.; Естествознание, 10 кл., § 56, 57). ЦЕЛЬ РАБОТЫ Разобраться в принципах мобия ной телефонной связи. Нарисовать функциональ^ схему. Разобраться в устройстве мобильного тек фонного аппарата. ПЛАН РАБОТЫ Последовательно выполняя ния, изучить принципы работы мобильной связи основные функциональные элементы. Мобильная телефонная связь появилась носительно недавно — в конце XX в. Значитея но старше ее обычная телефонная связь по водам (конец XIX в.) и радиосвязь (начало XX&i Сформулируйте преимущество моби) 1. ной телефонной связи по сравнению] обычной телефонной связью и рс связью. ПОДСКАЗКА Обычная радиосвязь при помощи радиостанций обе чивает связь между двумя абонентами или неболы! группой абонентов. Прямая связь на больших расстов ях возможна лишь на длинных, средних и коротких нах (см. § 26). Прямая связь в диапазоне ультракороп волн возможна только на расстоянии прямой видии 2. Предложите диапазон длин волн, на которых может ocyi вляться мобильная телефонная связь. § 27. Принципы работы мобильной телефонной связи ПОДСКАЗКА При заданной мощности передатчика мощность излучаемой волны пропорциональна четвертой степени частоты или обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Например, если есть два передатчика одинаковой мощности и первый работает на длине волны 100 м, а второй — на длине волны 10 см, то мощность волны второго передатчика в (100/0,1)*= 1 000 000 000 000 раз больше. © ^3, Изобразите схему мобильной телефонной связи. Система мобильной телефонной связи включает в себя ПОДСКАЗКА абонентов, обменивающихся информацией через телефонную станцию при помощи радиоволн. .4. Попробуйте перечислить элементы, которые должна включать телефонная станция. ПОДСКАЗКА Необходимо принимать и передавать сигнал (электромагнитные волны) в достаточно большом регионе. Ультракороткие волны распространяются на расстояния прямой видимости. ь Какие устройства должен содержать телефонный аппарат для мобильной связи? ПОДСКАЗКА При передаче вашего сигнала телефонный аппарат должен принимать от вас информацию, преобразовывать эту информацию в радиоволны и посылать эти волны на телефонную станцию. При приеме аппарат должен принимать волну от станции, преобразовывать ее в информацию. которую вы способны воспринять. ^ое устройство, входящее в функциональную схему мобильной связи, предает собой сложный прибор, работа которого основана на последних дости-№ях науки и технологии. В новый портфель 1. при использовании мобильного телефона происходит постоянное излучение радиоволн в непосредственной бли-С7И от головного мозга. В настоящее время ученые не пришли к единому ■|нению о степени влияния такого излучения на организм. Однако не следу-вести чрезмерно длительных разговоров по мобильному телефону! ^Сигналы мобильных телефонов могут создавать помехи для различных )нных устройств, например навигационных приборов. Некоторые авиа-1ании запрещают использование мобильных телефонов при полете или деленное время полета (взлет, посадка). Если такие запреты сущест-соблюдайте их: это в ваших интересах! •, ) ? ь U1 И TE^tHWfai 1 ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА И ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ Урок-лекция Затем, не жалея ни труда, ни средств, я достиг тег что изготовил инструмент, настолько совершенный. < при взгляде через него предметы казались почти в п сячу раз крупнее и более чем в тридцать раз блш чем видимые естественным образом. Г. Галля Как рассматриваются световые явления с точки зрения геометрической оптики? Что такое объективы? В каких приборах они используются? Как достигается визуальное увеличение? Какие приборы позволяют достигнуть визуального увеличения? Ключевые слова Геометрическая оптика • фокуевз расстояние линзы • Объектив] ПЗС-матрица • Проектор • Аккомодация Окул!{ Элементы геометрической опгги« Линза. Фокусное расстояние л» зы. Глаз как оптическая система. Оптическ* приборы (Физика, 7—9 кл.; Естествознани 10 кл., § 16). [ Архимед: «Эврика!». Иллюстрация к базельско-I му изданию Архимед уничтожил римский флот, направив на погрёб с порохом сфокусированный солнечный луч. Как ему это удалось? ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА И СВОИС\ ЛИНЗ. Свет, так же как и радиоволны, ляется электромагнитной волной. Одн длина волны видимого излучения сос ляет несколько десятых долей мик(: ра. Поэтому такие волновые явления, интерференция и дифракция, в обы>^ условиях практически не проявляют^] Это привело к тому, что волновая npi» да света долгое время не была извес^ и даже Ньютон предполагал, что сг представляет собой поток частиц. лось, что эти частицы сдвигаютс!? одного предмета до другого по пряу линии, а потоки этих частиц обра?|| лучи, которые можно наблюдать, пр01 тив свет через маленькое отверст^ Такой взгляд на свет характерен для и метрической оптики в отличие от во.^] вой оптики, где свет рассматривается] волна. Геометрическая оптика позве обосновать законы отражения и прелс ния света на границе между различи прозрачными веществами. В резул» § 28. Геометрическая оптика и оптические приборы объяснены свойства линз. С их изобретения и началось практическое использование достижений оптики. Объект представляется как совокупность светящихся точек, и его изображение строится по точкам. Расстояние от источника до линзы d шзано с расстоянием от изображения до линзы d' соотношением 1/d + \/d' = 1//, где / — фокусное расстояние, т. е. расстояние от ^са линзы до самой линзы. Изображение объекта может быть как ■еньшенным, так и увеличенным. Коэффициент увеличения (уменьше-ря) несложно получить, исходя из свойств подобия треугольников: I" d'/d. Из двух последних формул можно вывести следующее свой-jo: изображение получается уменьшенным, если d > 2/ (в этом ш / < d' < 2/}. Из обратимости хода лучей следует, что изобра-8ние будет увеличенным, если f < d < 2f (в этом случае d' > 2f). метим, что если нужно значительно увеличить изображение, то объ-помещают на расстоянии от линзы чуть дальше фокуса, а изображение будет отстоять на большом расстоянии от линзы. Напротив, ес-Л1 нужно значительно уменьшить изображение, то объект помещают на ильшом расстоянии от линзы, а его изображение будет находиться ^ дальше, чем фокус от линзы. I ‘'^ЬЕКТИВЫ В РАЗЛИЧНЫХ ПРИБОРАХ Описанное свойство линз ис-^ьэуется в различных приборах, где собирающие линзы применяют аючестве объективов. Строго говоря, любой качественный объектив оит из системы линз, однако его действие такое же, как у одной ирающей линзы. Приборы, увеличивающие изображение, называют проекторами, кторы используют, например, в кинотеатрах, где изображение на нке с размерами в несколько сантиметров увеличивается до меров экрана в несколько метров. Другой тип проекторов — муль-едийные проекторы. В них сигнал, поступающий с компьютера, омагнитофона, устройства записи изображения на видеодисках, мирует малое изображение, которое через объектив проектирует-она большой экран. Значительно чаще возникает необходимость уменьшить, а не увели-изображение. Именно для этого служат объективы в фотоаппара-и видеокамерах. Изображение размером в несколько метров, на-ер изображение человека, уменьшается до размеров в несколько зктиметров или в несколько миллиметров. Приемником, куда проеци-1ТСЯ изображение, является фотопленка или специальная матрица из роводниковых датчиков (ПЗС>матрица), преобразующая видео-)6ражение в электрический сигнал. Уменьшение изображения используют при производстве микросхем, йленяемых в электронных устройствах, в частности в компьютерах, вменты микросхем — полупроводниковые приборы, соединительные вода и другие имеют размеры в несколько микрометров, а их число кремниевой пластинке с размерами порядка сантиметра достигает хольких миллионов. Естественно, нарисовать столько элементов (ОГО масштаба без уменьшения при помощи объектива невозможно. 94 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАУКИ И ТЕХНИКИ Мышца Сетчатка нерв Рис. 42. Оптическая схема глаза Объективы, уменьшающие изображение, i пользуются в телескопах. На пленке или ПЗС-м рице о размерами в несколько сантиметров щаются» такие объекты, как галактики, имеюа размеры в миллионы световых лет. В качестве объективов в телескопах исполы ют вогнутые зеркала. Свойства вогнутого зеркз во многом подобны свойствам собирающей лин$ только изображение создается не за зеркалом, перед ним. Это как бы отрс1жение изображен полученного линзой. Наш глаз также содержит в своем сош объектив — хрусталик, уменьшающий видим1 нами объекты до размеров сетчатки глаза т. е.; нескольких миллиметров (рис. 42). Чтобы изображение было резким, специал ные мышцы изменяют фокусное расстояние хрусталика, увеличивая в при приближении объекта и уменьшая при удалении. Способность к менять фокусное расстояние называют аккомодацией. Нормально глаз способен фокусировать изображение для объектов, находящим далее 12 см от глаза. Если мышцы не способны уменьшить фокуснв расстояние хрусталика до требуемой величины, человек не видит бЦ кие предметы, т, е, страдает дальнозоркостью- Исправить положен^ можно, поместив перед глазом собирающую линзу (очки), действией торой эквивалентно уменьшению фокусного расстояния хрусталий Исправление противоположного дефекта зрения — близорукости щ исходит при помощи рассеивающей линзы. j ПРИБОРЫ, ДАЮЩИЕ ВИЗУАЛЬНОЕ УВЕЛИЧЕНИЕ. При помощи гпй мы можем оценить только угловые размеры объекта (Естествозна 10 кл., § 16). Например, булавочной головкой мы можем зак| изображение Луны, т. е. угловые размеры Луны и булавочной гол можно сделать одинаковыми. Добиться визуального увеличения М01 либо приблизив объект к глазу, либо каким-то способом увеличив i на том же расстоянии от глаза (рис. 43). а а' а а > а б Рис. 43. Визуальное увеличение изображения объекта (а > «): а — при приближм обьеоа к глазу: б — при увеличении объекта 1^ § 28. Геометрическая оптика и оптические приборы Стараясь рассмотреть какой-то мелкий объект, мы приближаем его I глазу. Однако при очень сильном приближении наш хрусталик не ^авляется с работой, фокусное расстояние не может уменьшиться так, чтобы мы могли рассмотреть объект, например, с расстояния 5 см. править положение можно так же. как и при дальнозоркости, помес-ц\в перед глазом собирающую линзу. Использующаяся с этой целью нза называется лупой. Расстояние, с которого нормальному глазу [обно рассматривать мелкий объект, называется расстоянием наилучшего зрения. Обычно это расстояние принимается равным 25 см. бели лупа позволяет рассмотреть объект, например, с расстояния 5 см, то достигается визуальное увеличение в 25/5 = 5 раз. А как получить визуальное увеличение Луны? При помощи объекти-»нужно создать уменьшенное, но приближенное к глазу изображение ;1уны, а затем рассмотреть это изображение в лупу, которая в данном lae называется окуляр. Именно так работает труба Кеплера (Естест-нание. 10 кл., § 16). Визуальное увеличение, например клетки растения или животного, учается другим образом: объектив создает увеличенное изображе-«е объекта, близкое к глазу, которое рассматривается в окуляр. Имен-вотак работает микроскоп. 95 [Линзы и системы линз используются во многих приборах. Объективы приборов золяют получить как увеличенное, так и уменьшенное изображение объекта, сальное увеличение достигается при помощи увеличения углового размера зкта. Для этого используется лупа или окуляр в системе с объективом. В новый портфель На каком свойстве лучей основано действие линз? В микроскопе и трубе Кеплера изображение оказывается перевернутым. Какая из линз — объектив или окуляр — переворачивает изображение? Исходя из метода построения изображения в собирающей линзе, объясните, почему при изменении расстояния между объектом и глазом должно изменяться фокусное расстояние хрусталика. ■ 1 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАУКИ И ТЕХНИКИ ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ очков Урок-практикум Мартышка к старости слаба глазами стат А у людей она слыхала, Что это зло еще не так большой руки; Лишь стоит завести Очки. И. А. Крыт Что происходит при аккомодации глаза? В чем различие работы нормального, близорукого и дальнозоркого глаза? Как действие линзы исправляет дефект зрения? Очки Один китайский император повелел всем своим подданным носить очки, так как считал, что нельзя «прямыми» глазами смотреть на царственную особу. Действительно ли взгляд через очки «не прямой»? Линза. Фокусное расстояние линзь. Глаз как оптическая система. Опт? ческие приборы (Физика, 7—9 кл.). Нарушения зре-ния (Биология, 8 кл.). Щ ЦЕЛЬ РАБОТЫ При помощи мультимедийной гщ граммы исследовать работу хрусталика глаза i$l нормальном, близоруком и дальнозорком зре^^н; Исследовать, каким образом при помощи линзы правляется дефект зрения. Оборудование. Персональный компьютер мультимедийный диск («Открытая физика»). ПЛАН РАБОТЫ Последовательно выполняя заи» ния, исследовать возможности аккомодации нс( мального, близорукого и дальнозоркого глаза. Исс.^ довать аккомодацию близорукого и дальнозорка глаза при наличии линзы перед глазом. Подоб;ж линзу для соответствующего глаза. МЫСЛЬ и ОБРАЗ Вы уже знаете, что такие дефекты зрения, й, близорукость и дальнозоркость, связаны с теш что мышцы глаза не могут придать хрусталику cfj тимальную кривизну. При близорукости хруст остается слишком выпуклым, его кривизна чре-1 мерна и соответственно фокусное расстояние слишком мало. Обрагта явление имеет место при дальнозоркости. Оптическая сила линзы измеряется в диоптриях и определяется « величина, обратная фокусному расстоянию: D = 1// (1 дптр = 1/1 kJ Оптическая сила рассеивающей линзы имеет отрицательное значш Оптическая сила хрусталика всегда положительна. Однако для бл«] рукого глаза оптическая сила хрусталика слишком велика, а для дд1 нозоркого слишком мала. Действие очков основано на свойстве линз, в соответствии с рым оптические силы двух близко стоящих линз складываются (c^l том знака). § 29. Принцип действия очков Исследуйтэ работу нормального глаза без линзы. Вам предлага- 1. ется три варианта аккомодации: нормальная — для расстояния наилучшего зрения, дальняя — для бесконечно большого расстояния и автоматическая, при которой глаз подстраивает хрусталик под заданное расстояние. Изменяя расстояние до объекта, наблюдайте моменты, когда глаз сфокусирован. 1де в этом случае фокусируется изображение внутри глаза? Чему в данной программе соответствует расстояние наилучшего зрения? 97 Исследуйте действие лупы. Определите для нормального глаза , нормальну1о аккомодацию. Установите перед глазом собирающую линзу с максимально возможной оптической силой. Найдите расстояние, при котором глаз оказывается сфокусированным. Используя материал § 28, определите, во сколько раз увеличивает данная лупа. Повторите задание 1 для близорукого и дальнозоркого глаза. ■ (де фокусируются лучи, когда глаз не сфокусирован? Подберите очки для близорукого и дальнозоркого глаза. Для 4. этого установите автоматическую аккомодацию глаза. Подберите линзу так, чтобы глаз был сфокусирован при изменении расстояния от расстояния наилучшего зрения (25 см) до бесконечного расстояния. В каких пределах лежат оптические силы линз, при которых очки для «глаз», приведенных в программе, могут успешно выполнять свои функции? .5. Попробуйте добиться оптимального результата для близорукого и дальнозоркого глаза, когда при выбранной линзе глаз окажется сфокусированным на расстояниях от бесконечного до минимально возможного. |jlyvH от далеких объектов после прохождения через хрусталик близорукого глаза фо-руются перед сетчаткой, и изображение становится нерезким. Для исправления 1Х0ДИМЫ очки с рассеивающими линзами. Лучи от близких объектов после прения через хрусталик дальнозоркого глаза фокусируются за сетчаткой, и изоб-:ение становится нерезким. Для исправления необходимы очки с собирающими 1зами. Целью данной работы было знакомство с действием очков, а не обучение подбору очков. Если у вас или ваших зна-1ЫХ имеются проблемы со зрением, не пытайтесь самостоятельно подоб-очки: это не простая задача. Обращайтесь к специалистам, не будьте эжи на мартышку из басни Крылова. ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В МИРЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ОБРАЗ И МЫСЛЬ Павел Филонов (1883—1941) Формула весны (1922—1923). Государственный Русский музей, Санкт-Петербург Внимательно рассмотрите произведение и постарайтесь понять, о чем оно. Попробуйте дать картине свое название, исходя из тех ощущений, которые возникли у вас при ее рассматривании. Поясните свое мнение, опираясь на само произведение. Обменяйтесь впечатлениями с одноклассниками, сравните их. В чем они совпадают, а чем различаются? Задумайтесь над названием, которое дал картине художник, — «Формула весны». Как вы считаете, отличается ли «формула весны» ученого от «формулы весны» художника? Чем именно? На какие элементы они могли бы «разло-1 жить» весну? Павла Филонова часто называли «очевидец незримого». Прокомментируйте эту оценку творчества мастера. Сравните ее с высказыванием о живописи R Магритта (вопросы к иллюстрации, глава 2). Помогают ли эти цитаты понять миссию искусства в жизни человека и общества, его роль в познании окружающего мира? На рубеже XIX—XX вв. произошла «революция в естествозна-\шл». Она привела к изменению взглядов на пространство, время |к материю. Ученые открыли законы, «управляющие» движением в якромире. Это дало толчок к развитию новых технологий, свя-|8анных с химией, привело к появлению ядерной энергетики и по-1РОВОДНИКОВОЙ техники. Естественные науки в это время стали шать лидирующие позиции по отношению к технике. Во второй половине XX в. появились новые технологии основные на генной инженерии, а также информационные техноло-|TiM, Их развитие, а соответственно и развитие порождающих их гественных наук активно продолжается и в XXI в. В настоящее гмя человечество, и ученые в частности, не до конца осознает 1елы такого развития и их последствия. В этой главе вы по-юмитесь с основными достижениями этих технологий и попро-ете осмыслить перспективы их развития. ЦСТЕСТВ03Н<ЧИИЁ в МИРЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ * — ■■ ■■biiiaff—МП iL 'f I 30 ПРИБОРЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА Урок-лекция ...у, не колеблясь, утверждаю, что оптический анапм дает возможность различать мельчайшие количеств этих веществ с такою же точностью, как и любой в известных способов. В. Герт Ключевые слова Как, используя интерференцию света, разложить световое излучение в спектр? Что такое поляризащ1я волны? Какие приборы делают световую волну поляризованной? Дифракционная решетка • Естественм поляризованный свет • Линейно поляри» ванный свет • Поляризатор • Полное внутреннее от» жение • Оптический световод • Оптическое волокно Отражений и преломление света. Све^ электромагнитная волна (Физика, 7—9 t Радуга Возможно, английский ученый Вильгелы Гершель, произнесший в 1934 г. приведенные« эпиграфе слова, был одним из первых, ml осознал практическую полезность изобретени го Йозефом Фраунгофером метода аналй спектров. Развитие спектроскопии в XX г доказало это утверждение: спектральный ан ЛИЗ стал наиболее точным по отношению к iiffj гим методам, а в некоторых случаях, как. <• пример, при исследовании состава косми ких тел, единственно возможным. Однако этот метод, и другие практические приложе волновой теории света развились лишь вШ несмотря на то что основные элементы это теории были сформулированы в начале ХКт В европейских народных верованиях радуга ассоциировалась с вестью о богат-I стве. «Тде упирается радуга — горшок с 5 золотом». Как вы думаете, почему с ра-дугой связаны такие ассоциации? ....... мысль и ОБРАЗ ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА И ДИФРАКЦИОНЬ РЕШЕТКА. Интерференция света принципиз»^ но не отличается от интерференции волн. Однако наблюдение интерференции та затруднено тем, что обычные источники CKjj та не позволяют получать волны в достатс степени монохроматические (упрощенно гс«3 ря, волны, которым соответствуют достат § 30. приборы, использующие волновые свойства света Рис. 44. Схема опыта Юнга мнные синусоиды). Впервые эту проблему решил Юнг, поставив опыт, I котором две волны создаются из одной (рис. 44). Свет падает на экран, в котором имеется узкая щель А. Если ши-01на щели сравнима с длиной волны, то в силу явления дифракции вы-щий из щели А свет уже не образует узкий пучок, а является вол-юй (подобной кругам на воде). Эта волна падает на второй экран, в ром имеются две щели В \л С. Каждая из этих щелей дает свою ну, причем эти две волны оказываются настолько близкими по 1м свойствам, что могут интерферировать. Результатом интерференции является появление светлых и темных тков на экране. Например, в точку R на экране волны приходят в юй фазе и усиливают друг друга. Напротив, в точке S волны взаи-юдавлйют друг друга. Чтобы фаза волн была одинакова, необходи-, чтобы разность расстояний Гв —■ была кратна целому числу длин jm. Для ослабления волн они должны приходить в какую-либо точку, ример в точку S, в противофазе, для этого разность Sg ~ «с должна 1ть кратна полуцелому числу длин волн. Если сопоставить интерференционной картине график интенсивнос-/, то он будет иметь вид синусоиды, изображенной в правой части нка. Положение максимумов и минимумов синусоиды будет зави-1ть от длины волны, падающей на щель А. Это означает, что красный ■ будет давать максимумы в одних точках, а синий — в других, ли же на экран падает свет, содержащий волны с разными длинами, имер солнечный свет, то на экране появляются участки разных тов подобно тому, как это имеет место при прохождении светом 113МЫ. Таким образом, в результате интерференции света от двух ей можно получить разложение волны в спектр. 101 102 ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В МИРЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Эффективность дифракционной решетки как спектрального прибора определяется плотностью щелей и их общим количеством. Современные решетки работают на отражении света. Свет отражается от стеклянной пластинки, а в местах, от которых свет не должен отражаться, алмазным резцом нарезаются полоски. Современные решетки содержат несколько тысяч штрихов на 1 мм, а общее число штрихов превышает 100 000. Более эффективно, как показал Й. Фрау гофер, использовать для разложения света спектр не одну щель, а много щелей равн отстоящих друг от друга. В этом случае во на каждого цвета дает при прохождении чер1 щели интерференционную картину в виде у. ких полос с темными промежутками ме;« ними. Устройство, состоящее из многих pai ноотстоящих щелей, нанесенных на некотору поверхность, стали называть дифракционно решеткой. В настоящее время именно ott используется для разложения волны в спею] ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА Свет представляет собой волну, в которой из меняется электромагнитное поле. Это поле может быть представлен как совокупность электрического и магнитного полей. Свойства элект ромагнитной волны таковы, что вектор электрического поля Ж всегд; перпендикулярен вектору индукции магнитного поля Ж и, кроме того оба вектора перпендикулярны скорости распространения волны. В т( же время в разных точках пространства и в разные моменты времен» векторы Ж Vi Ж, оставаясь перпендикулярными друг другу и вектос} скорости, могут изменять направления. В волне от обычного источн!?' ка света (солнечный свет, лампы накаливания) направления векторе* изменяются хаотическим образом. Такой свет называют естественно поляризованным. При помощи специальных приборов, называемн поляризаторами, из такого естественно поляризованного света Moit но выделить волну, в которой направления векторов Ж v\ Ж будут оставаться неизменными. Вид подобной монохроматической волны приведен на рисунке 45. Такую волну называют линейно поляризованной Линейно поляризованный свет дают также лазерные источники. § 30. приборы, использующие волновые свойства света 1 - 11 ; . 1 -> ?й ■VegOt» л; а _б Рис.‘ 46. Поляризатор Обычно поляризаторы представляют собой пластины, сделанные из прозрачного материала, например турмалина. Если на такую пластину направить пучок естественного света, то через нее будет пропущена кишь та часть падающего света, в которой вектор Ж ориентирован параллельно оси кристалла. В результате прохождения через пластину свет из естественного превращается в линейно поляризованный (рис. 46, а). Если же на пластину направить линейно поляризованный свет, то интенсивность света на выходе из пластины будет зависеть от направления оси пластины и направления вектора Ж падающей волны. В частности, если вектор Ж перпендикулярен оси, то свет не пройдет через пластину (рис. 46, б). О практическом применении поляризаторов мы расскажем в следующих параграфах. Явление интерференции света используют в дифракционных решетках, разлагающих световое излучение в спектр. При помощи поляризаторов можно создать ли-‘нейнополяризованную световую волну. Явление полного внутреннего отражения находит применение в оптических световодах при передаче информации. I В схеме опыта (см. рис. 44) максимумы для различных длин волн не совпадают. Но один из максимумов для всех длин волн расположен в одной точке. Что это за максимум? Как при помощи двух поляризаторов создать устройство, через которое свет не будет проходить? Почему при конструировании световода важно, чтобы свет полностью отражался от внешней трубки? ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В МИРЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОЯВЛЕНИЕ ВОЛНОВЫХ СВОЙСТВ СВЕТА Урок-практикум ' 3,^ ■ ■у: V- Перочинный ножичек в руках хиру|; далеко лучше иного преострого ланце Козьма Пруп Из старого портфеля ч». и I'. _■ Как зависит расстояние между интерференционными максимумами после прохождения света через дифракционную решетку от длины волны света и периода решетки? Чем различаются оптические дорожки дисков CD и DVD? Отражение и преломление Свет — электромагнитная в (Физика, 7—9 кл.)- ЦЕЛЬ РАБОТЫ При помощи мультимедийж программы и лазерного источника исследова проявление волновых свойств света, котор^ нашли применение в современных приборах. Оборудование. Персональный компьютер, мультимедийный ди( («Открытая физика»), лазерный источник (лазерная указка), диски с о тической записью (CD и DVD). ПЛАН РАБОТЫ Последовательно выполняя задания, исследовать при n«t щи мультимедийной программы и лазерного источника: 1. Интерференцию света и действие дифракционной решетки. 2. Работу поляризаторов света. Мы не видим, что свет — это волна, и все же при рассмотрении этой картины кажется, что свет волнообразно движется. Как, по-вашему, автор достигает этого? Наблюдали ли вы не что подобное в реальности? 1. Проведите мультимедийный опыт с дифракционной pei У вас есть возможность изменять волну падающего света J.I период решетки d (расстояние между серединами со< штрихов). Сделайте вывод (качественный, а не колич< i § 31. Проявление волновых свойств света ный), как зависит расстояние между интерференционными максимумами на экране от этих параметров. Сравните ваш вывод с тем, что дает формула, приведенная в углу экрана {индекс т в этой формуле нумерует интерференционные максимумы). i 2. Диск Диски с оптической записью (CD и DVD) представляют собой дифракционные решетки, работающие на отражения, только штрихи решетки у них свернуты в кольца. Именно поэтому вы видите цвет отраженного от них света. Проделайте простой опыт с такими дисками и лазерной указкой. Положите CD-диск на стол оптическими дорожками кверху. Перпендикулярно диску установите экран (подойдет обычный белый лист формата А4). Направьте луч лазерной указки на диск и наблюдайте светящиеся пятна на экране — результат падения на экран отраженной от диска волны. Хороший результат получится, если указку держать в нескольких сантиметрах от диска, а луч направить примерно под углом 45® к плоскости диска (рис. 47). На экране вы увидите по меньшей мере три световых пятна (на большом экране и при затемнении можно увидеть больше пятен). Объясните опыт. Проведите тот же опыт с диском DVD. На основании результатов опыта с решеткой (предыдущее задание) сделайте вывод, чем различаются диски. Падающий луч Рис. 47. Схема опыта с оптическим диском и лазерной указкой 1ьтимедийный опыт с дифракционной решеткой показывает, что расстояние интерференционными максимумами прямо пропорционально длине волны и братно пропорционально периоду решетки. Опыты с оптическими дисками позво-1*мт сделать вывод о том, что оптические дорожки в DVD располагаются более DTH0, чем в CD. В новый портфель опнитвльные 'ОЧНМГИ ■ормацви 1. МЯКИШ0В Г. Я. Физика: учеб, для 11 кл. / Г Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев. — М.: Просвещение, 2004. 2. Детская энциклопедия. I ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В МИРЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СТЕРЕОИЗОБРАЖЕНИЕ И ГОЛОГРАФИЯ Урок-лекция Наши глаза познавать не умеют природу предмете А потому не навязывай им заблуждений рассудка. Лукрец» Ключевые слова Бинокулярное зрение * Стереоэффект • лография • Голограмма Из старого портфеля Глаз как оптическая система. Опт приборы. Свет — электромагнитная (Физика, 7—9 кл.; Естествознание, 10 кл., § 56,| Естествознание, 11 кл., § 28). ПРИНЦИП СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ВОСПРИЯТИЯ. С древних времв человек научился создавать искусственное изображение. Первые кар тины были плоскими; все предметы лежали в одной плоскости, т й изображение было таким, как если бы все предметы находились от на: на одинаковом расстоянии. Постепенно художественное мастерсти росло, и художники научились воспроизводить перспективу. На пейза жах мы уже видим близкие к нам предметы и объекты, расположена далеко. Позднее появилась фотография, затем кино и телевидение, которые прекрасно воспроизводят перспективу. И все же изображение на всех таких картинах и фотографи» плоское. О том, что один предмет находится ближе другого, мы мож« судить, сопоставляя известные нам размеры предметов или прослежИ’ вая взглядом расстояние от одного предмета до другого. В кинематографии часто используют эту особенность восприятия изображена создания оптических эффектов. Почему же искусственное изображение отличается от естественнй-го? Чтобы понять это, достаточно посмотреть на мир одним глазом Именно зрение двумя глазами обеспечивает объемность изображен# и позволяет судить о том, какой предмет находится ближе, а каксг дальше. Объемное зрение называют бинокулярным зрением. Проведите простой опыт. Закройте глаза и попросите вашего оде классника расположить на расстоянии вытянутой от вас руки указатанг ные пальцы правой и левой руки близко один к другому, и так, чтс& один из них был на несколько сантиметров ближе к вам, чем друга) Откройте один глаз и попытайтесь определить, какой из пальца ближе. Сделать это практически невозможно, с вероятностью 50% а> ошибетесь. Но как только вы откроете второй глаз, задача станг легковыполнимой. левый глаз § 32. Стереоизображение и голография Эффект стереоскопического восприятия объяс-[ияется очень просто. Изображения, воспринимаемые правым и левым глазом, различаются (рис. 48). Для левого глаза объект А практически сливается с объектом В, а правый глаз видит оба эти |обьекта. )ЗДАНИЕ СТЕРЕОЭФФЕКТА Стереоэффектом |юзывают эффект, связанный с объемным воспри-[ятием изображения. Как можно создать стереоэф-1фект? Простейший способ — два раза сфотогра-|фировать объект: с позиции левого глаза и с пози-|{1ии правого глаза. Затем нужно сделать так, чтобы изображение, предназначенное для левого глаза, не попадало в правый глаз и наоборот. Более южной является вторая задача, и она решается жолькими способами. Первый способ заключается в том, что каждый |таэ через свой окуляр наблюдает свое изображе-[ние. Такой способ используют при просмотре сте-^лайдов. Этот же способ можно применить при зосмотре изображения, формируемого компьютером (естественно, )мпьютер должен сформировать два изображения). Недостатком по-збного метода является необходимость смотреть на изображение че-|реэ некоторый прибор, по внешнему виду напоминающий бинокль. Второй способ используют при просмотре стереооткрыток. В этом пучае изображение строится из чередующихся полосок, каждая из зторых соответствует изображению левого или правого глаза. Над |иждой парой полосок помещается призма из мрачного материала {рис. 49). Лучи, отраженные от полосок, соответствующих )ражению для правого глаза, после преломле-|Ш1Я в призме идут в направлении правого глаза. |Таким способом формируется изображение для равого глаза. Аналогично формируется изображе-|ние для левого глаза. Если полоски достаточно ше, глаза не замечают дискретности изобра-гния. Недостатком данного метода является эбходимость четкой ориентации объекта, фор-фующего изображение, относительно глаз. Третий способ основан на свойствах поляризо-4Н0Г0 света. В этом методе изображения совме-шся на одном экране, однако каждое из изоб-(6НИЙ светится светом своей поляризации. По-йризации левого и правого изображений взаимно )пендикулярны (рис. 50). Просмотр изображений происходит через спе-1ьные очки, стекла которых являются анализа- 0 правый глаз Рис. 48. Стереоскопическое восприятие глаз Рис. 49. Просмотр стереооткрыток П 108 ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В МИРЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ поляризация изображения для левого глаза поляризация изображения для правого глаза анализатор для левого глаза анализатор для правого глаза Рис. 50. Просмотр изображения в поляризованном свете торами (поляроидами), nponycKai щими свет только с определенж плоскостью поляризации. Оси пол ризации стекол очков подбирают т КИМ образом, что через стекло пр ходят только лучи, соответствующ! изображению для данного глаз Поскольку плоскости поляризащ взаимно перпендикулярны, анализ торы полностью блокируют луч соответствующие изображению д; другого глаза. В результате каждь глаз видит только свое изображу ние. Этот метод используют в совр( менных стереокинотеатрах, в насг( ящее время он является наиболе удобным для зрителей. Просмот изображения через очки, когоры похожи на обычные очки, не связа с каким-либо дискомфортом для зрителя. Этот метод может быт использован и при просмотре изображения на мониторе. Достаточ» на экране монитора выделить элементы для левого и правого глаа (число элементов экрана придется, естественно, удвоить) и покрыт элементы поляризаторами, пропускаютдими лучи с определенной плос костью поляризации. Просмотр стереоизображения, как и в стереоки но, должен происходить через очки с анализаторами. ГОЛОГРАФИЯ Развитие технологий, связанных с волновой опгикй! позволило разработать еще более совершенный способ создания ctis реоскопического изображения. Если свет — это волна, то почему бт не «сфотографировать» волну, приходящую к нашей голове, а затв как-то восстановить ее? Тогда левый глаз будет автоматически воспр* нимать ту часть волны, которая попадала в левый глаз, и то же самй будет происходить с правым глазом. Чем отличается волна, идущая и трехмерного объекта, от волны, идущей от двухмерного изображен^ если на сетчатке одного глаза обе волны дают одно и то же изоб}» женив? \ Еще при развитии волновой оптики в работах Христиана Гюйгенса^ Огюстена Френеля был сформулирован принцип (принцип Гюйгенса | Френеля). В соответствии с ним волна, приходящая от какого-либо объекта, может быть представлена как интерференция вторичных вт от любой точки пространства. При такой интерференции необхолим учитывать фазу каждой вторичной волны, испускаемой каждой точйР пространства. Двухмерное изображение (картина, фотография и т д1 может дать информацию лишь об амплитуде волны, испускаемой ках-дой точкой. Таким образом, возникла задача «сфотографировать*« только амплитуду волны в разных точках, но и соответствующие фазы I § 32. Стереоизображение и голография Фаза волны не пр(Оявляется в том случае, если свет рассматривать с позиций геометрической оптики. Она становится существенной, когда происходит интерференция волн. Поэтому задача «фотографирования» фазы волны была решена на основе использования явления интерференции. Метод получения объемного изображения на основе интерференции волн называют голографией, а носитель объемного изображения {фотографическая пластинка) — голограммой 1рис. 51). Волна от лазерного источника падает на полупрозрачное зеркало В. Часть волны отражается и попадает ка фотопластинку С. Эта часть волны называется опорной волной. Вторая часть волны проходит сквозь зеркало и падает на фотографируемый объект А. Отраженная от объекта волна (информационная) также падает на фотопластинку С. В области фотопластинки происходит интерференция опорной и информационной волн. В результате этой интерференции какие-то области фотопластин-W освещаются более ярко, а какие-то менее. Эта интерференционная картина фиксируется фотопластинкой как обычная фотография. Изображение на фотопластинке обрабатывается обычными фотографическими методами. Вели после этого осветить фотопластинку достаточно ярким светом, то мы увидим трехмерное изображение сфотографированного объекта. Изображение воссоздается не в области фотоплас-тунш. а за ней, там, где находился сфотографированный объект. Изображение получается настолько реальным, что позволяет даже заглянуть 5а некоторые предметы, которые были сфотографированы. Развитие графин стало возможным только после создания мощных лазерных очников, способных давать достаточно хорошую волну. В настоящее [|ремя процесс создания голограмм очень трудоемкий и дорогой, ако развитие технологий, возможно, сделает голограммы таким же енным явлением, как фотографии. в п Рис. 51. Схема создания голограммы h- Г • !- г- ::приятие объемного (стереоскопического) изображения основано на бинокулярном 5НИИ. Чтобы получить искусственное стереоизображение, необходимо предоставить ^принимать каждому глазу свое, предварительно сформированное изображение, храфия представляет собой способ создания объемного изображения на основе ^ гния интерференции волн. Стереоэффект практически пропадает при рассмотрении удаленных объектов в бинокль. Чтобы воссоздать стереоэффект, в этом случае используют стереотрубы — бинокли, в которых объективы находятся друг от друга на расстоянии примерно метра. Зачем это делается? D> Фотография получила распространение в начале XX в., когда принцип Гюйгенса—Френеля был уже известен. Голография же возникла лишь во второй половине XX в. Дайте объяснения этим фактам. i ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В МИРЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ИСКУССТВЕННЫЙ ЦВЕТ Урок-лекция Тут мы подходим к самой сущности импрессиони ма. Живописец должен писать только семью 1фа1 ками спектра и изгнать с палитры все остальное. К. Мокт к Ключевь/^ слова Каким образом глаз воспринимает цвет? На чем основана трехцветная теория зрения? Как современные приборы создают заданный цвет? Трехцветная теория зрения цвета • Дополнительные цвета Основни 1 1\ Глаз как оптическая система. Свет электромагнитная волна. Дисперсия {Физика, 7—9 кл.). Органы чувств, их роль в жизни человека. Нарушения зрения и слуха, их профилактика (Биология, 8 кл.; Естествознание, 10 кл., § 20). ЦВЕТОВЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЗРЕНИЯ Название параграфа может пок& заться вам странным. Художники с давних времен научились создавап цвет искусственным путем, смешивая краски на мольберте. Инопц этот цвет близок к тому, что мы наблюдаем в природе. Иногда красы выглядят непривычно, как, например, «синяя зелень» на полотна художника Сезанна. Если под искусственным цветом понимать имени! эту непохожесть на натуральный цвет, то современная полиграф» добилась выдающихся успехов. Принципиально можно создать цвет неотличимый от естественного. Будет ли он естественным? Для ответа на этот вопрос необходимо исследовать спектры. Cneft ры желтого излучения атомов натрия и желтого излучения Солнца различаются (Естествознание, Ю кл., § 20). И все-таки в обоих случаяхщ спектрограмме есть участки желтого цвета. Может показаться стран ным, но если снять спектр желтого излучения с монитора компьютер то в той области спектра, где должен быть желтый цвет, будет слабя свечение, а участки красного и зеленого цветов будут светиться яркг Но и без спектрографа можно убедиться, что глаза нас обманы» ют, для этого достаточно посмотреть на желтый участок экрана ш* тора через лупу. Вы увидите красные, зеленые и черные точки, ноч желтые участки. Почему же возникает иллюзия желтого цвета? Сетчатка нашего глаза содержит три типа рецепторов. Каждый» них в основном реагирует на свой цвет — синий, красный или за» ный. На рисунке 52 приведены кривые спектральной чувствителы для трех типов рецепторов. На рисунке видно, что области спектральной чувствительн рецепторов перекрываются. На желтый цвет (*^0,58 мкм) одноврем но реагируют красный и зеленый рецепторы. Также peueniq I § 33. Искусственный цвет 3 Ж Рис. 52. Кривые спектральной чувствительности рецепторов глаза. Стрелками помечены области зеленого, желтого и красного цветов отреагируют, если на сетчатку попадут красный (^0,65 мкм) и зеленый (^0,54 мкм) цвета в правильной пропорции. Аналогично смешивая синий и зеле-шй цвета, можно создать голу-;бой цвет. ^РШЕННЫЕ СПОСОБЫ СОЗ-|ИНИЯ ИСКУССТВЕННОГО ЦВЕ-Й. На избирательной чувствительности рецепторов глаза основана трехцветная теория зрения. В соответствии с этой теорией любой воспринимаемый человеком цвет можно создать, кусственно смешивая синий, зеленый и красный цвета в определенных пропорциях. Эти три цвета были названы основными цветами. Обычно эти цвета означают буквами RGB (от первых букв английских слов red, green, Ыие). Смешанные в одинаковых пропорциях два каких-либо основных цвета дают дополнительные цвета. Смешивая красный и зеленый цвета, ud получим желтый (обозначение Y — yellow), смешивая зеленый и тт цвета, получим голубой (обозначение С — cyan) и, наконец, смешав синий и красный, получим пурпурный или сиреневый цвет (обоз-ение М — magenta), отсутствующий в спектре. Цвету, отсутствую-;\цему в спектре, не может быть сопоставлена какая-либо монохрома-1еская волна. Дополнительными вышеуказанные цвета называют потому, что при смешивании их с соответствующими основными (Y-i B, C^R, M-i-G) цветами получается белый цвет. На самом деле в качест-99 основных цветов можно было бы выбрать эти три дополнительных цвета и, смешивая их, получить любой цвет. Следует отметить некоторое различие изображений, возникающих «экране телевизора (электронно-лучевого монитора компьютера) и на те бумаги. Цвет изображения возникает в результате того, что ато-или молекулы вещества излучают или поглощают свет определен-[Лй длины волны, соответствующей энергетическому расстоянию меж-й’уровнями атома или молекулы (АЕ - Лу). Красный цвет на экране итора образуется потому, что молекулы при возбуждении их ктронным лучом излучают волну, частота которой соответствует ному цвету. Если покрыть подобным веществом лист белой бумаги, D вещество при попадании на бумагу солнечного света будет погло-1ть волну той же частоты, т. е. красный цвет будет задерживаться еством красителя. Все остальные волны будут проходить через ,ество, отразившись от листа бумаги. В соответствии с трехцветной в. t К 12 ECTHCTBQ3HA«1E В МИРЕ СОНШ«Н1*0( ТЕХЯОЛОГИЙ Смешивание цветов на мольберте художника с последующим нанесением их на холст эквивалентно последовательному наложению изображений при полиграфической печати. Каждый участок холста поглощает падающий на него свет (например, солнечный свет). В результате, чем больше цветов смешивается на мольберте или чем больше мазков различного цвета наносится на один и тот же участок холста, тем более тусклым, «не сочным»» становится цвет. Именно такими и выглядят картины старых мастеров живописи. Положение попытались исправить, и, на взгляд многих, вполне успешно, художники-импрессионисты. Они наносили на холст мелкие мазки чистых, несмешанных цветов. При близком рассмотрении подобное изображение выглядит неестественным. Однако при удалении от холста попадающие на сетчатку глаза цвета смешиваются. подобно тому как смешиваются цвета от различных точек экрана монитора или телевизора. В результате цветовая гамма выглядит сочной и яркой. теорией зрения мы получим t лый цвет минус красный цвет, т. голубой цвет. Поэтому в качест основных цветов при печати иэс ражений на бумаге используют цвета С, М и Y, т. е. при печа на бумагу последовательно нан сятся изображения в соответстн ющем цвете. Фактически кажд| из красителей поглощает соотае ственно цвет R, G или В. Слож ние цветов С + М + Y в разли ной пропорции и дает все во можные цвета, которые мы вид^ на изображении на листе бумаг Например, красный цвет получ ется при сложении цветов М + ’ Следует также отметить, что еа на экране монитора сложена трех основных цветов приводит белому цвету, то одновременнс наложение красителей С, М и приводит к тому, что слой крас» не пропускает соответственно лучи R, G и В, т. е. не пропускает ник кого цвета. Это означает, что сложение трех цветов R -г G ^ В дае черный цвет. Реально при использовании красителей цвет получаете серый, поскольку линии поглощения красителя являются достаточно у-кими и пропускают часть света. Поэтому в цветных принтерах, помин красителей С, М, Y, используется также краситель черного цвета. Во всех современных устройствах, создающих цветовое изображб ние, используется принцип смешивания трех цветов. Однако смешим ние происходит различными способами. Первый способ применяепт при цветной печати, когда на бумагу последовательно наносятся ия бражения в трех цветах, Аналогичный способ используется в фотоф1 фии при создании цветных слайдов. i Второй способ заключается в создании изображения из Mejuaii элементов трех основных цветов. Этот способ используется в эл» ронно-лучевых и жидкокристаллических мониторах компьютеров. Таш же образом создается цветное изображение в цветных дисппвй мобильных телефонов и плазменных панелях. Третий способ применяется при проецировании цветного изо^ жения на белый экран при помощи проектора. При этом на также проецируется три одноцветных изображения. Однако изображен не вычитаются, как это происходит на листе бумаги, а складывай подобно сложению изображений от различных цветных участков тора. I § 33. Искусственный цвет восприятие глаза осуществляется при помощи рецепторов трех типов, рующих на красный, синий и зеленый цвета. Искусственное создание цвета И»В1ЫМИ устройствами основано на возможности получить любой воспринима-глазом цвет путем смешивания трех основных или трех дополнительных В новый портфель При смешивании цветов относительный вклад какого-либо основного цвета дает оттенок цвета. Однако цвет характеризуется также яркостью и насыщенностью. Исследуйте, как эти параметры влияют на относительный вклад основных счетов. Для этого откройте компьютерную программу Word. В режиме рисования используйте одоу из трех кнопок: цвет заливки, цвет линий, цвет шрифта. Далее, переходя в подменю, выберите другие цвета линий, спектр. Установка крестика изменяет оттенок цвета и насыщенность. Движком справа можно менять яркость. Подумайте, чем можно объяснить дефект зрения, связанный с неправильным восприятием цвета. В процессе изготовления цветного фотографического снимка на фотопленке появляется негативное цветное изображение. Подобное изображение можно получить, используя компьютерные графические программы. Например, в русифицированной программе Photoshop соответствующий эффект дает меню: Изображение, Настройка, Перевернуть. Что, по-вашему мнению, представляет собой негативное цветное изображение? СТЕСТВОЗНАНИЕ В МИРЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИБОРЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ КОРПУСКУЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА Урок-лекция Они часто исполняли камерную музыку • Планк играл на фортепиано. Эйнштейн • на скрипке: оба. совершенно поглощенж музыкой и счастливые. М. В01 Ключевые слова Какое явление лежит в основе работы фотоэлемента? Что такое внутренний фотоэффект? Какие приборы работают на основе внутреннего фотоэффекта? Что такое вынужденное излучение? Каковы принципы работы квантовых усилителей света и оптических квантовых генераторов? Вакуумный фотоэлемент • Внутренш фотоэффект • Фотосопротивление • Со нечные фотопреобразователи • Фоточувствительт приборы с зарядовой связью • Спонтанное излучение Вынужденное излучение • Лазер • Инверсная заселе ность • Накачка Свет — электромагнитная волна { 7—9 кл.; Естествознание, 10 кл., §: 22. 23). Бог двуликий Янус В чем заключается «двули-кость» света? V мысль и ОБРАЗ ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВНЕШНЕГО И ВШ РЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА Известное вам явление фог( эффекта называют также внешним фотоэффектом, п( скольку выбитые светом электроны начинают двигаты вне металла. Сила тока, создаваемая выбитыми из mi талла электронами, прямо пропорциональна интенш ности падающего излучения. На основе этого был сош прибор — вакуумный фотоэлемент. Он преобразу( оптический сигнал (изменяющийся во времени свет) электрический сигнал (изменяющийся во времени ток Фотоэлементы используют в качестве датчиков в самь разнообразных устройствах. Примером могут служит турникеты в метро: при прохождении через турникет па сажир последовательно перекрывает лучи света, которь засвечивают фотоэлементы. С появлением звукового кино фотоэлементы ста^ работать в киноустановках. На специальной звуковой дс рожке на краю киноленты записывался звук. Визуальн запись видна как полоска прозрачности. Проходящн через звуковую дорожку свет изменяет во времени свою интенш ность, фотоэлемент преобразует этот сигнал в электрический, которы через усилитель поступает на громкоговоритель (рис. 53). а 1 Рис. 53. Схема воспроизведения звука с кинопленки § 34. Приборы, использующие корпускулярные свойства света Развитие телевидения привело к необходимости создания передающих телевизионных трубок. Длительное время такие трубки, основанные на явлении внешнего фотоэффекта, являлись единственными приборами, преобразующими изображение в ;Электрический сигнал. Еще более практичным оказался внутренний фотоэффект, обнаруженный в полупроводниках. При внутреннем фотоэффекте электрон, поглотивший квант света, не вылетает из полупроводника, а лишь переходит 3 состояние с большей энергией, подобно тому как это происходит в атоме. Однако если в исходном состоянии с меньшей энергией электрон был прочно связан со своим ядром, то в возбужденном состоянии он оказывается более свободным и может, двигаясь по кристаллу, fiacTBoeatb в создании электрического тока. Это проявляется в умень-иении сопротивления полупроводника при освещении его светом. Соответствующие приборы, называемые фотосопротивлениями, успешно работают в качестве датчиков, так же как и фотоэлементы, однако леют существенно меньшие габариты. Еще более интересные открытия были сделаны, когда стали иссле-вать явления, происходящие на границах между различными полу-водниками, полупроводниками и металлами, полупроводниками и 1электриками. Были сконструированы приборы, вырабатывающие ктрический ток под воздействием света, — солнечные фотопре-«бразователи. Они успешно работают в солнечных батареях косми-€ких станций. В других приборах под воздействием света в течение оторого времени накапливается электрический заряд, который за-\т считывается и преобразуется в электрический сигнал. Их назвали фоточувствительные приборы с зарядовой связью. Совокупность их приборов на одном кристалле (до одного миллиона элементов) азует ПЗС-матрицу (см. § 28). Каждый элемент отвечает за преоб-ование света, поступающего в область его расположения, в эленп--ский сигнал. Отличительной чертой таких приборов является их звычайная компактность (размер матриц несколько сантиметров) «малое потребление энергии. Именно ПЗС-матрицы работают в на-щее время в цифровых фотоаппаратах, видеокамерах (в том числе «в мобильных телефонах), сканерах. 'У. ■fc 3 н ■’vTi ч 1ТОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ СВЕТА И ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРА-Понятия «усилитель» и «генератор» пришли в оптику из радио-ники. Усилитель — устройство, усиливающее поступающий на него вктрический сигнал. Усилители работают во всех электронных и ра-}технических устройствах. Генератор в радиотехнике и электро- 16 агествознАниЕ в мире современных технологий Внешний и внутренний фотоэффекты являются основой действия приборов, преобразующих световой сигнал в электрический. Эти приборы используют во многих современных устройствах, в частности в устройствах. преобразующих видеоизображение в электрический сигнал. В новый портфель нике — устройство, производящее п риодический электрический сигнал заданными свойствами. Оптическ! квантовые усилители и генерато|: аналогичны радиотехническим, / усиливают и генерируют светов( сигнал, т. е. электромагнитную вол1 в видимом диапазоне спектра. Бош известный термин для оптическ квантовых генераторов — лазер. Чи бы понять принцип работы лазера, необходимо разобраться, что таи вынужденное излучение. Как вы знаете, процесс излучения света с точ! зрения современной теории обусловлен переходом электрона в атоь или молекуле с более высокого на более низкий энергетический ур< вень и испусканием кванта света. При поглощении света происход» обратный переход и поглощение кванта света. Если атом находится» высоком уровне энергии, он может самопроизвольно, без внешне» воздействия (спонтанно), перейти на низкий уровень. Излучение ква» та света при таком процессе называют спонтанным излучением. Однако переход на более низкий уровень может произойти и по влиянием внешнего электромагнитного поля, т. е. при взаимодействи атома с «налетевшим» на него квантом света. В результате такого пре цесса исходный квант сохраняется, но в дополнение к нему излучае» ся точно такой же квант света. Такое излучение и называют вынужден ным излучением. Процесс вынужденного излучения, как и процес поглощения света, имеет резонансный характер, т. е. происходит, ш да частота вынуждающего кванта связана с разностью энергий в это ме соотношением Лу Д£. Процессы излучения и поглощения можно охарактеризовать тавк энергией, которая излучается или поглощается в единицу времен! (поглощаемой и излучаемой мощностью). От чего зависит эта величина? Во-первых, она пропорциональна энергии кванта hv. Во-вторых, ( точки зрения квантовой теории она пропорциональна вероятности тс-го, что атом находится в соответствующем состоянии, т. е. на определенном энергетическом уровне. Если атомов много (например, газ},# такая вероятность пропорциональна числу атомов л, находящихся! состоянии с данной энергией. Величина п характеризует зада» энергетический уровень и называется населенностью данного yi: энергии. Таким образом, излучаемая и поглощаемая мощность пропорциональна населенности уровня. | Кроме того, поглощаемая мощность, как и мощность вынужденш излучения, пропорциональна интенсивности света, падающего на am Очень часто при рассмотрении процессов излучения и поглощеня достаточно ограничиться квантами лишь одной частоты, а значит, pз^ смотреть всего два уровня энергии в атоме. Сопоставим нижнему ур» ню индекс 1, а верхнему ~ индекс 2. Представим вышесказанное г виде таблицы. ! § 34. Приборы, использующие корпускулярные свойства света ' Мощность спонтанного J излучения Пропорциональна П2 ‘ Мощность вынужденного излучения Пропорциональна интенсивности падающе-го света ' Мощность поглощения к ^ 1 Пропорциональна nj От чего зависят величины л, и Ла? «Одинокий» атом (ни с чем не взаимодействующий) в результате процессов спонтанного излучения в конце концов переходит на самый низший уровень. Перевести его в состояние с большей энергией (возбудить) можно несколькими способами: 1. Столкнуть с другими атомами (нагрев газа и возрастание кинетической энергии движения атомов, например в лампах накаливания). 2. Ударить электроном (в газе создается электрический разряд, например в газоразрядных лампах). 3. Осветить (поглощение света, например, в газоразрядных лампах). Если имеют место только столкновения (тепловое воздействие, см. п. 1) и вещество находится в состоянии термодинамического равновесия, то в этом случае всегда Л| > п.^ (нормальная населенность). I Способы 2 и 3 могут нарушать термодинамическое равновесие и создавать инверсную населенность, при которой л^ < П2- При освещении вещества, например газа, светом, резонансным с I переходом между уровнями 1 и 2, процессы поглощения и вынужденного излучения начинают конкурировать друг с другом. Если газ находится в состоянии термодинамического равновесия, I доминировать будут процессы поглощения, при этом свет ослабевает. Если же газ находится в состоянии инверсной населенности уровней, то доминировать будут процессы вынужденного излучения, свет будет |усиливаться. Квантовые усилители света — это приборы, в которых тем или иным способом реализуется инверсная населенность. Процесс I создания инверсной населенности называют накачкой. Как же работает квантовые генераторы? Нужно вспомнить о спонтанном излучении, (юторое всегда существует при инверсной населенности. Именно спонтанное излучение является «зародышем», из которого при дальнейшем Iусилении света возникает мощное лазерное излучение. Вынужденное излучение — излучение атома под воздействием падающего на него кванта света. Квантовые оптические усилители света — приборы, работающие на основе вынужденного излучения и создания инверсной населенности атомов. Приведите примеры использования фотоэлементов (кроме тех, о которых вы узнали в данном параграфе). Чем процесс вынужденного излучения света отличается от процесса спонтанного излучения? ► Существуют химические способы создания инверсной населенности. Предложите гипотезу, описывающую, как это происходит. ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В МИРЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 35 ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛАЗЕРА Урок-практикум — Ничего не понимаю! — сказ1 Шура, допилив до конца и разним гирю на две яблочные половины. ‘ Это не золото! — Пилите, пилите, — пролвпбТ8 Паниковский. И. Ильф, Е. Петре Как связаны разность заселенностей уровней и коэффициент усиления в оптическом квантовом усилителе? Как эти величины зависят от эффективности накачки? Из старого портфеля Свет — электромагнитная (Физика, 7—9 кл.; Естествознание 10 кл., § 20. 22, 23). ЦЕЛЬ РАБОТЫ При помощи мультимедийной программы исследовать между заселенностями уровней, коэффициентом усиления и эффективж накачки в оптическом квантовом усилителе. Оборудование. Персональный компьютер, мультимедийный дие («Открытая физика»). ПЛАН РАБОТЫ Последовательно выполняя задания, получить данные» компьютерного эксперимента по изучению двухуровневой модели лазера занести в таблицы и произвести их обработку, сделать вывод. Дополнительные источники информации 1. Мякишев Г. Я. Физика: учеб, для 11 кл. / Г. Я. Mi-| кишев, Б. Б. Буховцев. — М.: Просвещение. 2004. 2. Детская энциклопедия. Научный эксперимент — это часто рутинная, нудная работа. Иинсг* да приходится много «пилить», чтобы убедиться, что «это не золот Мы предлагаем вам поставить компьютерный эксперимент, что&) подтвердить некоторые положения, о которых говорилось в пред# щем параграфе. Компьютерная двухуровневая модель позволяет наблю/^ 1. процессы поглощения, спонтанного излучения, вынужденни|1 излучения и усиления света. Проведите эти наблюдения. 0б(»; тите внимание на статистический характер процессов. Ош те наблюдения. F § 35. Принцип работы лазера 2. Параметр Р, названный в модели усиления света уровнем накачки» определяет эффективность накачки. Его значения — некоторые относительные числа. Чем больше Р, тем эффективнее накачка. Проведите эксперименты для трех значений Р: 10, 90 и 100. (Если у вас есть возможность и желание, можно увеличить число экспериментов, выбрав другие значения Р.) Установите заданное значение Р и запустите процесс. Приостанавливайте процесс при значениях равных 10, 20, 30. .... 100. Каждый раз считывайте значения п^, ng, занося результаты в таблицу. Л'. К) 20 30 Р -40 50 : 60 Л’ втс П t ... — Дл * = N. П.2 вх 70 , 80 90 100 : Примечание. Ничего страшного, если вам не удастся приостановить программу при значениях приведенных в таблице. Если, например, вместо значения 40 вы получите при остановке значение 42, его и занесите в таблицу. 3. Это задание и последующие задания удобно выполнять, используя программу MS Excel. Для каждой таблицы заполните клетки для значений Ап и k. Вычислите среднеарифметические значения Ап \л к для каждой таблицы. Сделайте вывод, при каком значении Р происходит усиление света, а при каком — поглощение. ,4. Постройте график зависимости к^^{Ап^^ для значений, полученных в результате обработки таблиц. Скорее всего вы получите ломаную линию. Теория дает прямолинейную зависимость. Предложите гипотезу, объясняющую несовпадение теории и эксперимента. ПОДСКАЗКА Вспомните о погрешностях и о статистическом характере законов микромира. |коэффициент усиления квантового усилителя света увеличивается с увеличением |разности заселенностей основного и возбужденного уровней, которые, в свою оче-;редь, определяются эффективностью накачки. В новый портфель А ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В МИРЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛАЗЕРОВ i: I Урок-лекция Какие основные свойства лазерного излучения отличают его от излучения других источников света? На какие типы подразделяют лазеры? Какие применения находят лазеры? Луч описал петлю в воздухе и упал на носов| часть нашего пакетбота. Послышалось ужаса) щее шипение, вспыхнуло зеленоватое плаг разрезаемой стали. А. Н. Толсп Ключевые слова Оптический резонатор • Оптичес кая накачка • Химические лазеры Полупроводниковые лазеры Свет — электромагнитная в6^ (Физика. 7-*9 кл.; Естествознаь 10 кл., § 20, 22. 23). Прочитайте роман А. Н. Толстого «Гиперболоид инженера Гарина». Сегодня уже созданы мощные лазеры, а вот оружия. подобного гиперболоиду Гарина, нет. Как вы думаете, почему? МЫСЛЬ и ОБРАЗ свойства лазерного излучения Как вы знаеп при создании инверсной населенности уровней энер ГИИ в атоме возможно усиление света при прохождв НИИ его через среду. Спонтанное излучение, Bcer;i{ присутствующее при возбуждении атомов, способа) привести к генерации света. Однако создание инве]К ной населенности среды — условие необходимое, | недостаточное для лазерной генерации. Наблюдения за компьютерной моделью, кото| описывает процесс усиления света, позволяют сд вывод о том, что усиление будет тем больше, чем длиннее раб пространство, в котором создается инверсная населенность. Так большой длине рабочего пространства число процессов вынужден излучения, происходящих с одним вошедшим фотоном, увеличиваете) в геометрической прогрессии, и интенсивность выходящего света лавинообразно нарастает. Процесс описывается экспоненциальные законом (Естествознание, 10 кл., § 2). | Однако делать протяженную рабочую среду неудобно. Вмест:-этого ее помещают в оптический резонатор, представляющий со&й систему из двух плоских параллельных зеркал (рис. 54). Отражаясь от зеркал, фотоны многократно пробегают рабоч^ч область, чем достигается большой коэффициент усиления. Чтс& обеспечить выход излучения, одно из зеркал делают полупрозрачник Заметим, что если рабочее вещество представляет собой кристалла достаточно просто сделать противоположные грани параллельныгл! к покрыть их тонким слоем металла. § 36. Свойства лазерного излучения и использование лазеров Зеркало Полупрозрачное зеркало Рабочая среда с инверсной населенностью Г-'-' /'< Выход лазерного излучения Рис. 54. Оптический резонатор Помимо того, что резонатор дает тот же эффект, что и удлинение рабочей области, он еще отсеивает «ненужные» фотоны. Ограниченная волна всегда имеет дискретный набор частот. Это означает, что эффективно в резонаторе будут усиливаться лишь волны определенных частот, на которые настроен резонатор. Каковы же свойства лазерного излучения, которые существенно отличают его от излучения других источников света? Прежде всего это высокая монохроматичность, т. е. при разложении этого излучения в спектр получается очень узкая линия. Это свойство лазерного излучения оказалось очень важным для научных исследований, и прежде всего для исследования спектров различных веществ. Еще одно свойство — возможность получить узкий (порядка нескольких миллиметров) малорасходящийся луч. С предыдущим свойством тесно связано еще одно — возможность ^кусировки лазерного излучения в пятно очень малых размеров. По лому показателю лазерное излучение существенно превосходит излупив всех других источников света. Дело в том, что сфокусировать взображение обычного источника, имеющего конечные размеры, то же самое, что получить его уменьшенное изображение. При значительном 1«еньшении коэффициент уменьшения пропорционален величине //d, (зе / — фокусное расстояние линзы; d — расстояние от линзы до ис-нника света. Реально этот коэффициент невозможно сделать очень алым, при большом удалении источника очень малая часть излучения будет проходить через линзу. Лазер же дает практически параллель-шйлуч, который при помощи линзы можно сфокусировать в очень уз-се пятно. Размеры этого пятна ограничены лишь общими свойствами н и не могут быть меньше длины волны излучения. Для оптического излучения размеры пятна могут достигать долей микрометра. 1 Из последнего свойства вытекает еще одно важное свойство. Дело JTOM, что, уменьшая размеры пятна, мы увеличиваем интенсивность ения. Поскольку через меньшее сечение проходит то же самое ение, то его интенсивность возрастает. Увеличение интенсивности порционально отношению площадей сечений или квадрату отноше-я размеров пятен. I. 122 ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В МИРР СОВРЕМЕННЫХ ТВ(НОЛОГИЙ Основные свойства лазерного излучения: высокая монохроматичность, возможность получения узкого мало-расходящегося луча света, возможность фокусировки лазерного излучения в пятно размером меньше микрометра, возможность получения излучения очень высокой интенсивности и короткой длительности. <&} накачка Рис. 55. Оптическая накачка Наконец, еще одно свойство, с дичающее лазерное излучение теплового излучения. Лампа накал вания начинает светить после тог как она нагреется, и прекращает св чение после остывания. Для обычн1 ламп накаливания эта величина о ставляет доли секунды и практичео незаметна для глаза. Однако получк световой импульс длительность! например, в одну миллионную секу ды при помощи лампы накаливания просто невозможно. Лазер не ipi бует время для нагрева, и в настоящее время научились получз! импульсы длительностью порядка 10 с (одна миллиардная от однс миллионной!). При помощи подобных коротких импульсов удается да* «рассмотреть» процесс протекания быстрых химических реакций. ТИПЫ ЛАЗЕРОВ. Несмотря на то что все лазеры образованы дву» главными составляющими — активной средой, в которой создаете инверсная населенность, и резонатором, конструкции лазеров очен разнообразны. По типу активной среды лазеры подразделяют на гаэо вые, жидкостные и твердотельные. Создание инверсной населенносп может быть осуществлено разнообразными методами, В газовых щ зерах накачка может производиться вследствие электрического раар^ да. В результате разряда создается плазма, в которой при столкноач; НИИ атомов, ионов и электронов происходит инверсная населенноей уровней. Другой способ накачки — химические реакции, в результате кой; рых некоторые продукты реакций (атомы и молекулы) оказываются! возбужденном состоянии. Такие лазеры называкг химическими. J При оптической накачке мощный источник света переводит атомы в высоковозбужденные coerce-ния, из которых они в результате последовательна переходов с уровня на уровень (каскадные пере» ды) попадают на нужный уровень (рис. 55). Широко распространены полупроводников» лазеры (например, лазерная указка). В них инвео: ная населенность возникает при переходе электрм из полупроводника одного типа в полупрово^ни другого типа. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ. Благодаря своим исклюем тельным свойствам по сравнению с другими исш никами света лазеры находят широчайшее приме»] ние. Узкий нерасходящийся лазерный луч примени ся при строительстве туннелей, когда необхо^ као^ные переходы I § 36. Свойства лазерного излучения и использование лазеров •прочертить» прямую линию на значительное расстояние. Другое применение — лазерные прицелы. При использовании хорошо отлаженного оружия с лазерным прицелом пуля попадает точно в пятно, образуемое лазером на мишени. Возможность точной фокусировки лазерного луча используется при записи информации на оптические диски. Модулированный лазерный луч при попадании на диск со специальным покрытием оставляет на нем ямки размером меньше микрометра. Для нелазерных источников света такая фокусировка, а значит, и запись на оптические диски в принципе невозможна. Возможность получения интенсивного излучения при фокусировке в 'точно заданном месте используется в медицине, в частности в микро-I хирургии глаза. Лазер как тончайший скальпель, проникающий в нуж-jHoe место, может вырезать мельчайшие участки ткани. В других уст-|оойствах подобные, но более мощные лазеры могут резать различные Iматериалы, проделывать в них тончайшие отверстия и т. д. Все большее применение лазеры _____________________________ [находят в искусстве. При их помощи [создаются живописные феерические и быстроизменяющиеся картины на сцене. Живописные полотна можно «рисовать» даже в пространстве, например на облаке дыма. Не прекращаются работы по использованию лазеров в вооружении. Хотя первая крупномасштабная программа использования лазеров в космических войсках (программа СОИ — «стратегическая оборонная инициатива», разрабатывавшаяся США) не была осуществлена, идея «звездных войн» вовсе не похоронена. Благодаря необычным свойствам излучения лазеры находят разнообразное применение в промышленности, медицине, искусстве, военном деле. ^ Почему развитие микрохирургии глаза стало возможным только с появлением лазерных источников света? ? Почему в голографии необходимо использование лазерных источников излучения? ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В МИРЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ВРЕД И ПОЛЬЗА ОТ ЯДЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Урок-лекция ...Техника — только средство, сама по себе о не хороша и не дурна. Все зависит от того, ч из нее сделает человек, чему она кие условия он ее ставит. К. Яспер ''А Почему опасна радиация? Какое практическое применение находят радиоактивные изотопы? Почему ядерные реакции при одинаковой массе исходных веществ дают го> раздо большую энергию, чем химические реакции? Что необходимо для создания самоподдерживающих-ся ядерных реакций? Ключевые меченые атомы • Радиоактивный анализ слова Критическая масса Состав атомного ядра. Энергия свт атомных ядер. Ядерные реакции. Исто^ ники энергии Солнца и звезд. Ядерная энергетика.! Влияние радиоактивных излучений на живые органиэ-, мы {Физика, 7—9 кл.). Общее представление о стрсе* НИИ атомов: ядро {протоны и нейтроны) и электроны. Изотопы {Химия, 8 кл.; Естествознание, 10 кл., §2.2? 26. 28, 65, 75). __________ .J Миф о Фаэтоне. С античного барельефа Как вы считаете, научилось ли человечество управлять такими «конями», как ядерные технологии? МЫСЛЬ и ОБРАЗ Отношение к ядерным техноло№ ям в обществе далеко неоднозначн& Существует мнение, согласно которому ученые в XX в. «выпустили джинщ из бутылки» и рано или поздно о уничтожит человечество, ддернзе оружие — самое страшное оружие;' которое когда-либо было в руш человека. Местность с радиоаш ным заражением, оставшимся пссч испытаний ядерного оружия и тех1-> логических катастроф, подобных Че:-нобыльской, — тоже результат *:• пользования ядерных технологий. К оказывается, что попытки отказатй от ядерных технологий даже в маси-табах регионов тоже приводят к тачальным последствиям. РАДИОАКТИВНОСТЬ И ИЗО: Как вы знаете, явление радиоае! тивности заключается в испусхан*] § 37. Вред и польза от ядерных технологий радиоактивными ядрами а-частиц (ядер гелия jHe). р-частиц (электронов) и у-лучей, или у-квантов (жесткого электромагнитного излучения). Эти излучения сопровождают различные ядерные реакции. Еще первооткрыватель радиоактивности Пьер Кюри обратил внимание на влияние радиоактивных излучений на организм и даже целенаправленно испытал его на себе. Поражающее действие радиоактивного излучения связано с ионизирующим воздействием соответствующих частиц. Химические реакции, протекающие с ионизированными молекулами, входящими в состав организма, отличаются от реакций, обычно происходящих в организме, что приводит к возникновению различных заболеваний. Как и все процессы, происходящие в микромире, воздействие на молекулы компонентов радиоактивного излучения имеет вероятностный характер. Это означает, что возможность ионизации пропорциональна дозе облучения, которая, в свою очередь, пропорциональна интенсивности потока излучения и длительности облучения. Слабые потоки радиоактивного излучения, составляющие естественный радиоактивный фон, практически не приносят вреда организму. Сильные потоки могут привести к гибели организма в течение нескольких часов. Особая опасность радиоактивного излучения связана с тем, что человек не может почувствовать радиацию, что и пркивело к гибели многих ученых и юнструкторов, разрабатывавших ядерные технологии. Способностью к самопроизвольному радиоактивному распаду обладают ядра большинства изотопов. Однако радиоактивные ядра легких изотопов в природе мало распространены, и только тяжелые ядра, подобные ядру урана, при всех изотопических составах являются радиоактивными. Именно эта редкая распространенность радиоактивных изотопов [нашла практическое применение в различных обяэ^'тях науки и техни-№. Искусственным путем научились создавать так называемые меченые атомы — атомы, содержащие ядра радиоактивных изотопов (или отличающиеся изотопной массой). Эти атомы участвуют во всех химических и многих физических процессах как обычные атомы, но могут бьть легко обнаружены по радиоактивному излучению. Меченые атомы позволяют исследовать явления диффузии, физико-химические процессы в живых организмах (при малых концентрациях изотопы не оказывают вредного воздействия на организм). При помощи таких исследований было, например, установлено, что выделяемый при фотосинтезе кислород поступает в растения не с углекислым газом, а с водой. Другой важный пример — применение метода радиоактивного знализа в археологии. В растениях всегда имеется ^-радиоактивный топ углерода 'gC с периодом полураспада Т = 5700 лет. Он поступает в растения из атмосферы, где образуется из азота в результате 1СТВИЯ нейтронов, возникающих, в свою очередь, при взаимодей-ии космических лучей с молекулами газов, входящих в состав ,уха. Таким образом, растения и поедающие их животные содержат ого определенный процент радиоактивного изотопа углерода. После ли организма поступление этого изотопа в остатки прекращаются 126 Е^^СТВОЗНАНИЕ В МИРЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И его процентное содержание в соответствии с законом радиоактив!-го распада уменьшается: N = Nq2~^^. Определяя это процентное соде жание в органических остатках, можно узнать их возраст, если лежит в пределах от 1000 до 100 000 лет. ЭНЕРГИЯ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ. Из всевозможных ядерных реакций пре тическое применение нашли реакции, идущие с выделением тепла. В среднем ядерные реакции при той же массе исходных вещее дают энергии больше, чем химические реакции, в 10**—10® раз. Как э можно объяснить? Дело 8 том, что энергия химических реакций имеет тот же поряд величины, что и энергия электрона в атоме. Эта энергия сравнима энергией кулоновского взаимодействия электрона с ядром, которая oi ратно пропорциональна расстоянию мехд ядром и электроном, т. е. пропорционал^ 1/Яа, где Яа — размер атома. Энергия яде( ных реакций — это энергия сильных взаим( действий в атомном ядре. Поскольку в яд: сильные взаимодействия компенсируют куж новское отталкивание протонов, то энерги сильного взаимодействия имеет тот же nopf док, что и энергия кулоновского отталкиаани протонов в ядре, т. е. пропорциональна l/Rp. где — размер атом ного ядра. Вспомните теперь, что размер атома превосходит раэме| атомного ядра в 10^—10® раз. Существенное уменьшение массы ядерного топлива по сравнении с массой химического топлива оказывается очень важным, например при конструировании подводных лодок. Подводные лодки, двигатеш которых работают на ядерном горючем, могут месяцами без дозапра^ ки двигаться и обеспечивать жизнедеятельность экипажа. При распаде ядра урана выделяется энергия 200 МэВ. При синтезе одного ядра гелия из четырех протонов выделяется энергия около 24 МэВ. Эта энергия более чем в 100 000 раз превосходит энергию, получаемую при сжигании равной массы бензина. УСЛОВИЯ CAM0n0m£P>f Как предполагается добывать термоядерное горючее? ^ Юпитер, как и Солнце, в основном состоит из водорода. Почему в недрах Юпитера не протекают реакции термоядерного синтеза? Объем гидросферы приблизительно равен 1 млрд км^. Чему равна масса дейтерия в гидросфере? Л ‘ у .4 , ♦ 1--F fi. ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В МИРЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ИНФОРМАЦИЯ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ Урок-лекция Почему 8 современных устройствах информация преобразуется в элект' рические сигналы? Что такое аналоговые и цифровые сигналы? Как преобразуется информация? Наступив на острый камешек, мы мгнове узнаем об этом: что-то нам о том говорит, кая-то информация поднимается вверх по нс Р. Фейш Ключевые слова Аналоговый сигнал • Цифровой сигна Датчики • Усилители • Аналого-цифро! преобразователи • Цифроаналоговые npeo6pa30Barej Из старого портфеля Закон Ома для участка электрическг цепи {Физика, 7—9 кл.). Информаци информационные объекты различных видов. Инфр] мационные процессы: хранение, передача и обрабо^ ка информации. Дискретная форма представлвм} информации. Сигнал, кодирование и декодировани! искажение информации при передаче (Информатин 6—9 кл.; Естествознание, 11 кл., § 25, 26). .'1 . I . ■> Наш век иногда называют веком информационных технологий. ГЬ информационными технологиями понимают в широком смысле все, ч связано с обработкой, передачей, хранением, воспроизводством н формации. Конечно же, все эти процессы исполь>зо8ались человеком древнейших времен. Человек, как и любое существо, воспринимав информацию и воспроизводит ее, а также хранит в своей памяти. Еи в древности человек научился искусственно сохранять информаци} например, в виде наскальных рисунков, а также ее кодировать, Ч1 подтверждают древние письмена. Изобретение книгопечатания можь считать началом использования устройств для воспроизводства инфо| мации. Однако лишь во второй половине XX в. появились информаф онные технологии. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ - УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ПЕРЕНОСЧИК ИНФ(Ц МАЦИИ Процессы, связанные с информацией, могут иметь самую рва личную природу. Тем не менее в настоящее время все они обрабаты ваются на общей основе. Для обработки информации используш электрические сигналы, которые являются посредником между ройствами, воспринимающими информацию, устройствами, воспро»» водящими информацию, и устройствами, сохраняющими информаций Универсальная роль электрических сигналов обусловлена удобством m обработки. Что же называют электрическим сигналом? диффузор § 42. Информация и электрические сигналы Проще всего объяснить это на примере угольного микрофона — устройства, которое до недавнего времени входило во все телефонные аппараты (рис. 58). Устройство представляет собой коробочку с угольным порошком, закрытую гибкой мембраной, к которой прикреплен диффузор. Диффузор воспринимает изменение давления (т. е. звуковую волну). Чем больше давление, тем с большей силой диффузор давит на мембрану, которая, прогибаясь, сжимает угольный порошок. Чем больше сжимается угольный порошок, тем меньше его сопротивление. Если на диффузор падает звуковая волна, то при подключении к угольной коробочке проводов и источника тока по цепи пойдет ток. Зависимость тока от времени повторяет зависимость давления звуковой волны от времени. Этот ток и является электрическим сигналом, несущим информацию о звуковой волне. Электрическим сигналом является также падение напряжения на сопротивлении (см. рис. 58), которое пропорционально току, а значит, также повторяет форму давления в звуковой волне. Такой электрический сигнал, который аналогичен изменению во времени некоторой физической величины (давление, температура, скорость и т. д.), называют аналоговым сигналом. Устройство, преобразующее изменение некоторой физической величины в электрический сигнал, называют да-пиком. Описанный микрофон является простейшим датчиком давления воздуха. Датчики преобразуют самую разнообразную информацию в электрические сигналы. Существуют датчики температуры, датчики, регистрирующие элементарные частицы, датчики влажности. Примером датчика, преобразующего световой сигнал в электрический, служат фотоэлементы и многочисленные устройства, в состав которых входят фотоэлементы — электронно-лучевые трубки, ПЗС-матрицы и др. ■мембрана угольный порошок Рис. 58. Устройство угольного микрофона г» тОБРАЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ Как и зачем преобра-ется электрический сигнал? Очень часто необходимо усилить сигнал, не искажая его, например в акустической системе концертного зала. Микрофоны преобразуют звук голоса и музыкальных инструментов в 1ектрический сигнал. Далее этот сигнал усиливается, затем громкоговорители осуществляют обратное преобразование электрического гнала в звук. Устройство, усиливающее электрический сигнал, называют усилителем. Электрические сигналы можно складывать. Примером является сло-*ение сигналов, идущих от различных музыкальных инструментов в цертном зале. В некоторых случаях возникает необходимость преобразовать 1гнал, искажая его определенным образом. Так, например, получают вые искусственные тембры музыкальных инструментов. Иногда необ-,имо уметь перемножать два сигнала. Именно так возникает моду-рованный сигнал (см. рис. 40). 142 ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В МИРЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Рис. 59. Кодирование синусоидального аналогового сигнала Преобразование аналоговых сигн лов осуществляется при радиоа щании и телевещании. Например, современном телевизионном сигнш определенным образом смешиваюн три сигнала: звуковой, яркостной цветовой, которыми модулируете радиоволна. ЦИФРОВЫЕ СИГНАЛЫ В последн£ время аналоговые сигналы все чан заменяют на цифровые, в частное! планируется в ближайшие десятиж тия перейти на цифровое телевид^ ние. Что такое цифровой сигнал? Ра( смотрим это на следующем примера Пусть аналоговый сигнал представляет собой синусоиду. Рассмсл рим участок такой синусоиды, равный одному периоду (рис. 59). Нанесем на этот сигнал сетку, разделив сигнал по величине на интервалов (вертикальная ось) и по времени на 10 интервалов (гори зонтальная ось). Далее формируем 10 чисел, каждое из которых рав но целому числу от величины сигнала в начале соответствующего ин тервала времени. В данном случае это совокупность следующих чисел 4, б, 7. 7, б, 4, 1, О, о, 1. Это и есть цифровой сигнал, соответству ющий исходному аналоговому. Приборы, осуществляющие преобразо вание аналогового сигнала в цифровой, называют аналого-цифровы* ми преобразователями. Обычно эти преобразователи формирую) цифровой сигнал в двоичном коде, так что 10 приведенным вышециф* рам соответствуют следующие двоичные числа: 100, 110, 111, 111,11G, 100, 001, ООО, 000, 001. Аналого-цифровой преобразователь — это электронный прибор, и, естественно, цифровой сигнал выдается не в виде нулей или един№^ а в виде электрического сигнала, в котором закодированы нули и ницы. Например, нулю может соответствовать короткий импульс, аеди? нице — длинный импульс (точка и тире в азбуке Морзе). При передаче такого сигнала потребуются еще и специальные импульсы — синхро-импульсы, отделяющие одно двоичное число от другого. Естественно, существуют устройства, осуществляющие обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый, — цифроаналого* вые преобразователи. В результате восстановления сигнала, соответствующего 10 вышеприведенным числам, мы получим сигнал, изобре-женный на рисунке 60. Конечно же, этот сигнал искажен по сравнению с исходным аналоговым. Однако если сетку, накладываемую на исходный сигнал, сделатв мельче, то искажения станут менее заметными. Недостаток, связанный с искажениями при преобразовании аналогового сигнала в цифровой и обратно, компенсируется огромным выигрышем, связанным с возможностью преобразования цифровьв г §' 42. Информация и электрические сигналы 8 7 6 5 4 3 2 1 О О 1 сигналов. Цифровые сигналы поступают на компьютер, и их преобразование определяется заложенной в компьютере программой. Конечно же, имеются в виду не отдельные компьютеры, а компьютеры, встроенные в тот или иной прибор. Фактически такие компьютеры есть в большинстве современных устройств — телевизорах, радиоприемниках, видеомагнитофонах, автомобилях, стиральных машинах и т. д. Удобство преобразования цифрового сигнала' связано с легкостью изменения программы, осуществляющей такое преобразование. Кроме того, цифровой сигнал удобнее хранить. Например, закачивая мелодию звонка в мобильный телефон, пользователь записывает в его память последовательность двоичных чисел, которую далее цифроаналоговый преобразователь переводит в звук. Огромные возможности благодаря цифровой технологии открываются в искусстве. Например, составляя различные программы, можно получать самые разнообразные звуковые тембры, не существующие в природных инструментах, создавать искусственную окраску голоса. При съемках фильмов с помощью цифровой технологии можно достигать самых разнообразных видеоэффектов, ограниченных лишь фантазией , художника. 8 10 Рис. 60. Сигнал, восстановленный из цифрового кода, полученного при кодировании синусоидального сигнала {см. рис. 59) В современных приборах информация о самых различных физических величинах преобразуется в электрические сигналы (токи и напряжения в зависимости от времени). Аналоговые сигналы полностью повторяют изменение некоторой физической величины от времени. Цифровые сигналы — последовательность электрических импульсов, содержащих зако/^рованную в виде двоичных чисел информацию. Цифровые сигналы дают возможность преобразовать информацию с помощью компьютера. В современной медицине существует множество приборов, позволяющих непрерывно осуществлять контроль за состоянием больного. Какая информация при этом преобразуется в эле1арические сигналы? Проводимость воды увеличивается при увеличении концентрации растворенных в ней солей. Предложите, исходя из этого свойства, конструкцию датчика концентрации солей, который мог бы осуществлять контроль качества сточных вод некоторого предприятия. До недавнего времени существовала только аналоговая фотография, основанная на засвечивании фоточувствительных материалов И последующей их химической обработке. В настоящее время все большее развитие получает цифровая фотография. В чем состоит ее сущность и чем она отличается от обычной фотографии? П ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В МИРЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ :.S-- • ^ ПРИБОРЫ, ПРЕОБРАЗУЮЩИЕ SSS, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ Урок-лекция ил Если сегодня в ваших компьютерах основная оп* рация «ноль — единичка» происходит за счет ш реключения прибора и в этом переключении учас еуют тысячи электронов, то в новом тысячелету это будет происходить за счет единичных акто) что приведет к колоссальному увеличению поте» циальных возможностей компьютерных технологи! Ж. и. Алферо Ключевые слова Чем отличаются электронно-вакуумные и полупроводниковые приборы от других элементов электронных схем? Каков принцип действия электронно-вакуумных приборов? Каков принцип действия полупроводниковых приборов? Электроника • Линейные и нелинейны элементы схем • Пассивные и активны! элементы схем • Диод • Катод • Анод • Управляющие электроды • Сетка • Полупроводниковый прибор Транзистор • Интегральная микросхема Проводники, диэлектрики и полупроводники. Носители электрических зарядов в металлах, полупроводниках, электролитах и газах. Полупроводниковые приборы (Физика. 7—9 кл.; Естествознание. 10 кл.. § 2. 25, 26, 28, 65, 75). I Каков принцип действия устройств, преобразующих электричеосие сигналы? Современное название прикладной науки, изучающей так.ие процессы, — электроника. Предшественниками электроники были радиотехника и электротехника. Развитие электроники и соответствующих технологий было обусловлено использованием полупроводниковых материалов. До их прихода в радиотехнику аналогичную роль выполняли электронно-вакуумные приборы — радиолампы. Помимо радиоламп и полупроводниковых приборов, электрические схемы различных устройств могут содержать такие элементы, как сопротивления, конденсаторы, индукторы, трансформаторы. Эти элементы, а также различные конструкции из этих элементов, так же как радиолампы и полупроводниковые приборы, преобразуют электрические сигналы. Почему же их не хватает для работы различных устройств? Что нового дают радиолампы и полупроводники? Все возможные устройства, не включающие радиолампы и полупроводниковые приборы, обладают двумя важными свойствами, ограничивающими их возможности при преобразовании сигналов. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОННО'ВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ ЛюбОК, электронно-вакуумный прибор представляет собой герметичный бая- § 43. Приборы, преобразующие электрические сигналы лон, из которого откачан воздух и в который помещены металлические электроды с выводами за пределы баллона. Форма и количество электродов могут быть различны в зависимости от исполняемых функций, но два электрода присутствуют всегда. Простейшую лампу с двумя электродами называют диодом. Один из электродов — катод подогревается при помощи электрического тока. В результате теплового движения часть электронов вылетает из катода, образуя вблизи него электронное облако. Электрические силы, связывающие вылетевшие электроны с «покинутыми» ядрами, не дают электронному облаку далеко удалиться от катода (рис. 61). Если на второй электрод — анод — подать положительное относительно катода напряжение, то электроны начнут притягиваться к аноду и пойдет электрический ток. При смене полярности напряжения ток прекратится, поскольку анод не сможет поставлять электроны для создания тока. Диод, таким образом, обладает односторонней проводимостью, что и обеспечивает его нелинейные свойства. Если в промежутке между катодом и анодом поместить другие электроды, то потоком электронов можно управлять, подавая на эти электроды то или иное напряжение. Соответствующие электроды называют управляющими электродами. Некоторые из электродов делают в виде сетки, охватывающей катод, они так и называются — электродами-сетками (рис. 62). Управляя потоком электронов, электроды-сетки позволяют усиливать электрический сигнал. Другие электроды могут формировать из потока электронов узкий электронный луч и, отклоняя его, посылать на экран кинескопа телевизора или монитор компьютера. Попадая на экран, электроны возбуждают атомы, которые затем излучают свет. Именно так создается изображение в электронно-лучевом кинескопе (рис. 63). 145 Рис. 61. Диод . Вертикально отклоняющие Рис. 62. Электроды-сетки I 146 ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В МИРЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД и ТРАНЗИСТОР. Действие полупрово, никовых приборов основано на явлениях, происходящих на границ» между веществами с различной проводимостью (различными металл; ми, полупроводниками и диэлектриками). Понять работу полупроводн! кового диода можно, рассмотрев контакт двух различных проводнике (или полупроводников), при контакте веществ тепловое движение стр( мится забрасывать электроны в «чужой» проводник через контакт. П( скольку проводники различны, то оторвать электроны от ядер в одно проводнике легче, чем в другом. Допустим, от ядер проводника (рис. 64. а) электроны оторвать легче, чем от ядер проводника 2. Tot да в результате тепловых процессов в проводнике 2 вблизи границ) появляется облако избыточных электронов. Облако не может далек улететь от границы, так же как в вакуумной лампе электронное облак не может далеко удалиться от катода. Приложим теперь электрическое поле, как показано на рисунке 64, t Поле будет действовать на электроны облака с некоторой силой (н; рисунке она направлена вверх), и пойдет электрический ток. Чтобь заставить электроны двигаться в обратном направлении (рис. 64, б) необходимо создать дополнительную силу, способную «загнать» элект роны облака обратно в проводник 1. Это означает, что такой же п( величине ток пойдет при большем напряжении, т. е. проводимости дп{ разных направлений токов разные. Таким образом, данный прибор будет работать подобно вакуумному диоду. Наилучший эффект имеет место при контакте полупроводников дву> типов: п- и д-типа. В полупроводниках л-типа ток переносится электронами (от лат. negative — отрицательный). В полупроводниках р-типа то> переносится положительными квазичастицами — дырками (от лат. positive — положительный). На самом деле в обоих случаях ток переносится в результате движения электронов. Понять смысл введения различных носителей заряда можно, воспользовавшись аналогией и сопоставив полупроводнику л-типа падающие капли дождя, а полупроводнику а i I Рис. 64. Полупроводниковый диод: а — напряжение отсутствует: б — напряжение приложено в прямом направлении; в — напряжение приложено в обратном направлении I сток канал затвор § 43. Приборы, преобразующие электрические сигналы р-типа поднимающиеся в воде пузырьки воздуха. В обоих случаях масса переносится в основном частичками воды сверху вниз, однако во втором случае мы наблюдаем движение пузырьков (дырок) в противоположном направлении. Полупроводниковый прибор, способный усиливать сигнал подобно вакуумной лампе с управляющими электродами, называют транзистором. Транзисторы бывают различных типов и конструкций. Понять работу транзистора проще всего на основе так называемого полевого транзистора. В полупроводнике (например, р-типа) создается проводящий канал из полупроводника противоположного типа (рис. 65). Этот канал соединяет два металлических электрода: исток — аналог катода и сток — аналог анода. На третий управляющий электрод — затвор подается напряжение, которое может изменять ток через канал, подобно тому как это делает сетка в электронно-вакуумной лампе. Особенно эффективной работа полупроводниковых приборов стала после того, как на одной пластине полупроводника научились создавать множество диодов, транзисторов, сопротивлений и конденсаторов. Такой прибор эквивалентен целой электронной схеме из различных элементов и называется интегральной микросхемой. Современные интегральные микросхемы, например процессоры компьютеров, содержат несколько 147 Рис. 65. Транзистор миллионов (!) транзисторов на одной кремниевой пластине. Электронные схемы могут содержать линейные и пассивные элементы (сопротивления, конденсаторы, трансформаторы) и элементы нелинейные и активные, усиливающие электрический сигнал (электронно-вакуумные лампы и полупроводниковые приборы). В электронно-вакуумных приборах ток переносится электронами от катода к аноду, а его сила регулируется управляющими электродами. Действие полупроводниковых приборов обусловлено явлениями, происходящими на границе полупроводников различных типов. > Для чего нужны электронно-вакуумные приборы и полупроводниковые приборы? > Чем отличается преобразование электрических сигналов линейными и нелинейными элементами схемы? Электронно-вакуумные приборы потребляют от источников питания большую мощность. Почему? Почему создание персональных компьютеров, подобных существую-1Щ1М ныне, было невозможно на основе использования радиоламп? ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В МИРЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 44 БАЗОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КОМПЬЮТЕРА Урок-лекция Папенька поднял крышку на табакерм и что же увидел Миша? И колокольч!' ки. и молоточки, и валик, и колеса... В. Ф. Одоевш Какие функциональные элементы входят в состав компьютера? Из каких элементов состоят узлы компьютера? Как работают логические элементы? Ключевые слова Микросхема-память • Микросхема-процессор • Ячейка памяти • Логическое устройство • Логический элемент ♦ Генератор тактовых импульсов Из старого портфеля Последовательное и параллельное соединения проводников {Физика, 9 кл.). Основные элементы компьютера и их функции. Соединение блоков и устройств компьютера {Информатика, 6—9 кл.). I Возможно, вам приходилось «приподнимать крышку» современной табакерки — системного блока персонального компьютера. Поскольку устройство это электрическое, а не механическое, единственным вращающимся колесиком, которое вы видели, мог быть вентилятор, охлаждающий процессор. Остальные неподвижные элементы компьютера выглядят для непосвященного человека не менее таинственно, чем элементы древней табакерки. Основные узлы компьютера и их функциональное предназначение вы изучали на уроках информатики. А вот как работают узлы компьютера с точки зрения преобразования электрических сигналов? Чю является элементарными составляющими — «атомами» компьютера? ВГЛУБЬ КОМПЬЮТЕРА. Попробуем продвинуться вглубь компьютера: подобно тому, как мы продвигались вглубь вещества. Во многом т: будем повторять то, что вы уже знаете. Современный компьютер можно представить как совокупность эле-; ментов, каждый из которых выполняет свою функцию. К устройствам ввода информации относят клавиатуру, мышь, сканер. К устройствам вывода информации — монитор, принтер. Таксе устройство, как модем, позволяет обмениваться информацией с другими компьютерами, т. е. является одновременно устройством л ввода, и вывода информации. Внешние устройства хранения информации — устройства, позволяющие считывать и записывать информацию на магнитные и оптические диски, а также на так называемые съемные диски, или флэш-память. По сути, флэш-память — это подключаемые к компьютеру микросхемы для записи и считывания информацж. § 44. Базовые элементы компьютера Сам компьютер — это устройство для обработки информации, которое представляет собой множество различных элементов, расположенных на одной или нескольких печатных платах. Основные элементы, находящиеся на платах, — интегральные микросхемы, или просто микросхемы. Два основных типа микросхем — микросхема-память и микросхема-процессор. Микросхема-память состоит из множества ячеек памяти (их число в современных микросхемах может достигать нескольких миллиардов) и логического устройства. Первая функция микросхемы — при определенных сигналах на входе микросхемы записать в одну из ячеек памяти сигнал, соответствующий 1 или 0. Адрес ячейки памяти и сам сигнал устанавливается на входе в микросхему. Вторая функция — считать информацию, хранящуюся в некоторой ячейке памяти. Логическое устройство, состоящее из логических элементов, по заданным входным сигналам находит нужную ячейку памяти. Микросхема-процессор является более сложным устройством. Она состоит из нескольких логических устройств и нескольких регистров памяти. В зависимости от входных сигналов процессор изменяет состояния внутренних регистров памяти и сигналы на выходных шинах, передаваемые на другие устройства. В состав процессора также входят ячейки памяти и логические элементы. Управляет работой всех устройств генератор тактовых импульсов. Частота тактовых импульсов (число импульсов в секунду) определяет быстродействие компьютера. Состояние каждой ячейки памяти и сигнал на каждой шине изменяются только с приходом нового тактового импульса. Продвигаясь вглубь компьютера, мы обнаружили следующие элементы: генератор тактовой частоты, ячейку памяти, логический элемент. Некоторые из этих элементов составные. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА ПАМЯТИ. Ячейка памяти — элемент, на выходе которого всегда поддерживается один из сигналов 0 или 1. Каждому из этих сигналов соответствует напряжение, значение которого лежит в некоторых пределах. Например, сигналу о может соответствовать напряжение от О до 0.2 В, а сигналу 1 — напряжение от 2,5 до 4,5 В. Конкретные параметры определяются типом микросхем. Ячейки памяти могут иметь различную конструкцию, но в любом случае они содержат емкости, накапливающие заряд, который и задает напряжение при запоминании сигнала, и транзисторы. . 'Сл ИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ. Образно говоря, мы достигли уровня компьютерных «атомов» — логических элементов. Именно они являются основой всех устройств компьютера, в том числе устройств, осуществляющих арифметические операции. Выделяют три основных элемента, из которых можно сконструировать множество других. Действие этих элементов можно понять, воспользовавшись следующей таблицей: 150 ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В МИРЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Обозначение X НЕ } X, X. или и Логическое действие На выходе (У) сигнал, отличный от сигнала на входе (X). На выходе сигнал 1, если хотя бы на одном из входов (X, или Х2) сигнал 1. При X, — Х2 * О значение У = 0. Операция — сложение. Па выходе сигнал 1, если на обоих входах (Х( и Х2) сигналы 1. Если хотя бы на одном лз входов сигнал 0, то на выходе также 0. Операция — у.множение. Как обычно, слева в обозначениях •— входы элементов (символы А Хр Х2), а справа — выход (символ У). Каждый из сигналов може принимать значения 0 и 1. Как видно из таблицы, логические элементы могут использоватьс как элементарные арифметические операции. Именно свойство сложе ния применяют в арифметических устройствах. На самом деле только два из трех приведенных элементов незави СИМЫ (любой третий можно представить как комбинацию двух других) На практике используют две комбинации: Как устроены эти элементы? В самых первых компьютерах устанавливали электронно-вакуумные лампы. Вспомните, что современные персональные компьютеры содержат миллиарды элементов, и представьте^ какой объем занимал бы такой компьютер, состоящий из ламп. В со* временных микросхемах используют транзистор (см. § 43). который можно рассмотреть как некоторое управляемое сопротивление (рис. 66). Если в качестве управляющего сигнала подать положительное напряжение, транзистор начинает проводить ток («открывается»), т. е. его сопротивление уменьшается. При отсутствии напряжения транзистор не проводит ток, т. е. обладает большим сопротивлением. В идеале «запертый» транзистор обладает бесконечно большим сопротивлением, а «открытый» — нулевым. Вспомните теперь, чему равно сопротивление двух проводников, соединенных последовательно, и двух проводников, соединенных па-' раллельно. Несложно понять, как на основе свойств транзисторов скан-' струированы элементы И-НЕ и ИЛИ-НЕ (рис. 67). При параллельном соединении проводников их сопротивление равно нулю при условии, что хотя бы один из них (ИЛИ) имеет нулевое I d § 44. Базовые элементы компьютера управляющий сигнал ■ — ? ^пит. R R Рис. 66. Управляемое сопротивление, эквивалентное транзистору I 1 Ху U I 1 6 Рис. 67. Конструкция элементов: Q — ИЛИ-НЕ; б — И-НЕ сопротивление. Это означает, что если один из сигналов или Xg (рис. 67, а) отличен от нуля, то сопротивление спаренных транзисторов равно нулю, и, следовательно, напряжение в точке Y равно нулю. При последовательном соединении проводников их сопротивление равно нулю, когда они оба (И) имеют нулевое сопротивление. Это означает, что только в случае, когда оба сигнала Xj и Х.^ отличны от нуля, сопротивление спаренных транзисторов равно нулю, и, следовательно, напряжение в точке Y равно нулю. Ячейки памяти компьютеров состоят из логических элементов. В свою очередь логические элементы состоят из транзисторов. Два параллельно включенных транзистора реализуют элемент ИЛИ-НЕ. Два последовательно соединенных транзистора реализуют элемент И-НЕ. 151 > приведите примеры других устройств, помимо компьютеров, в которых используют логические элементы. Типичная электронно-вакуумная лампа, еще недавно входившая в состав любого радиоприемника и телевизора, потребляла мощность порядка 1 Вт. Представьте, что из таких ламп собран компьютер, на котором вы работаете. Оцените, какую бы он потреблял мощность, и сравните ее с мощностью атомной электростанции (см. § 39). ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В МИРЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИИ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ и ПЕРСПЕКТИВЫ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ УроК‘Конференция Что нам говорит научно-техническое прогнозирование? Через пять-шесть лет компьютер будет как мобильный телефон: сунул в карман и пошел... А еще через десять лет эту штуку можно будет встроить в организм, подобно протезу, и она будет следить за его жизнедеятельностью. И. В. БестужеВ‘Лт •Л***., Когда возникли первые счетные приспособления и каковы основные этапы развития вычислительной техники? Как используются компьютеры в настоящее время и что они смогут в будущем? Какова современная техника, используемая в компьютерах? Каковы перспективы их развития? Ознакомиться с возникновением и развитием счетных устройств. Понять современные возможности информационных технологий к перспективы их развития как в плане техники, так и в плане распространения технологий в новые области. ПЛАН КОНФЕРЕНЦИИ 1. Основные этапы развития вычислительной техники. 2. Современное использование компьютеров и перспективы их развития. СООБЩЕНИЕ 1 От абака до PENTIUM. Из истории вы знаете, что первое известное счетное приспособление — абак (счеты) — использовалось еще древними греками и римлянами. Долгое время усовершенствованный абак был единственным инструментом, помогавшим в расчетах. Лишь в XVH в. появились первые механические калькуляторы, а затем такой инструмент, как логарифмическая линейка. Использование электрических калькуляторов началось только в середине XX в. Первые электрические вычислительные машины имели в качестве базовых элементов электромеханические реле, что обуславливало их крайне низкую надежность. Всего за 15 лет (1944—1958) был пройден колоссальный путь от электромеханических реле до интегральных микросхем. которые, начиная с 1970-х гг, монопольно расселились по I § 45. История развития и перспективы информационных технологий компьютерам, вытеснив всех остальных конкурентов. Одновременно с этим компьютер превратился из электронно-вычислительной машины в высокоинтеллектуального помощника человека, выполняющего самые разнообразные функции. 153 СООБЩЕНИЕ 2 Информационные технологии сегодня и в перспективе. Сегодня информационные технологии являются самыми совершенными и быстроразвивающимися. Ни одно производство или учреждение — от гигантских заводов до мелких торговых точек — не обходится без компьютеров, поскольку даже в современном, обязательном для использования кассовом аппарате находится компьютер. Сами того не осознавая, мы постоянно используем компьютеры в быту. Что можно ожидать от дальнейшего развития компьютерной техники? Компьютеры станут еще более удобными и возьмут на себя еще больше рутинных, но интеллектуальных функций. Возможно, произойдет сращивание компьютеров с организмом человека (см. эпиграф). Все большее применение будут находить автономные роботы. Вероятно, человечество столкнется с новыми проблемами, о которых уже давно пишут фантасты и футурологи. Источники 1 Детская энциклопедия. информации 2. Юркова Т. А. Путеводитель по компьютеру для школьника / Т. А. Юркова. Д. М. Ушаков. — М.: Олма-Пресс; СПб., Издательский дом «Нева», 2002. 3. Буа Д. Физические границы возможного в микроэлектронике // Физика за рубежом. — М.: Мир, 1991. [4. Кондратьев С. А. Физика и компьютер / А. С. Кондратьев, В. В. Лаптев. — Л.: Изд-во ЛГУ. 1989. Интернет-ресурсы V httD://hiqhtech.ru {2. htto://www.hiqhtechs.ru — сайты т/п «Новости высоких технологий'* 3. https://www.m0mbrana.ru — электронный научно-популярный журнал «Мембрана** 4. https://www.hardvislon.ru — тематический портал о компьютерах <Ь. https://www.cnews.ru — издание о высоких технологиях 6. https://www.osp.ru — сайт компьютерного журнала «Мир ПК» ". htto.7/www.compress. ru — сайт компьютерного журнала «Компьютер-пресс» 3. https://Qazeta.ru/techzQne — новейшие технические достижения https://www.sotovik.ru — сайт Информационно-аналитического агентства «Сотовик» 1} ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В МИРЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ЧЕЛОВЕК - КОМПЬЮТЕР: ОБМЕН ИНФОРМАЦИЕЙ Урок-лекция я каждый жест, каждый взгляд твой в душе берегу Твой голос в сердце моем звучит, звеня. Л. Дербене Ключевые слова Электродинамические микрофоны • Элект родинамические громкоговорители • Элект родинамические телефоны • Электронный луч • Люмино фор • Жидкокристаллическая ячейка • Струйный принтер Лазерный принтер —------------------------------------^ Органы чувств, их роль в жизни челове* ка (Биология, 8—9 кл.). Электромагнитная индукция (Физика, 9 кл.). Основные элементы компьютера и их функции (Информатика, 6—9 кл.). j Человек воспринимает информацию при помощи органов чувств Сохранение такой информации — процесс, до конца не изученный Компьютер воспринимает информацию в виде электрических сигнало! и хранит ее в памяти в виде битовых сигналов (нулей и единиц). Kai же работают устройства ввода и вывода информации? устройства ввода информации Приборы, преобразующие информацию для компьютера, способны перерабатывать далеко не всю воспринимаемую человеком информацию. Например, непосредственная, не выраженная в виде слов информация о вкусе и запахе пока недоступна приборам. В основном компьютер воспринимает информацик о положении какого-либо тела в пространстве (кнопки, клавиши джойстики, компьютерные мыши), зрительную информацию (сканеры, видеокамеры), звуковую информацию (микрофоны). Существуют таюке датчики, преобразующие в электрические сигналы информацию о температуре, концентрации какого-либо вещества (например, дыма), датчики электромагнитного излучения невидимого диапазона (рентгеновское и у-излучения). Действие кнопок и клавиш принципиально не отличается от простейших устройств (электрические контакты), которые вы изучали в курсе физики. Джойстики, дающие информацию о непрерывном изменении положения манипулятора (например, руля), работают на основе изменения электрического сопротивления (реостата), механически связанного с манипулятором. При изменении сопротивления меняется протекающий по нему ток, а далее аналоговый сигнал преобразуется в цифровой. § 46. Человек — компьютер: обмен информацией С действием прибора, преобразующего звук в электрический сигнал, вы уже знакомы (см. § 42). Заметим, что в настоящее время чаще всего используют электродинамические микрофоны, действие которых основано на явлении электромагнитной индукции, т. е. на силе Лоренца. В этом устройстве связанная с диффузором катушка движется в магнитном поле, вследствие чего в ней возникает электрический ток. Основными элементами в современных сканерах и видеокамерах являются фоточувствительные приборы с зарядовой связью (см. § 34). Эти приборы, каждый из элементов которых реагирует на интенсивность падающего на него света, образуют ПЗС-яинейки или ПЗС-мат-рицы. Первые из них обычно применяют в сканерах, В таких приборах оригинал, с которого производится сканирование, перемещается относительно ПЗС-линейки так, что изображение формируется построчно. В видеокамерах чаще используют ПЗС-матрицы. Это обеспечивает более высокую чувствительность и, следовательно, меньшее время экспозиции (время, в течение которого снимается изображение). В подавляющем большинстве компьютеров для ввода информации используют манипулятор — мышь. Мышь реагирует на передвижение по какой-либо поверхности и нажатие кнопок. В более распространенной сейчас оптической мыши используется миниатюрная видеокамера, которая формирует сигнал изображения поверхности, подсвеченной лазером. При перемещении мыши изображение изменяется, а специальная программа определяет скорость этого изменения и соответственно скорость движения мыши. ''^РОЙСГВА г‘!ВОДА .'ЧфОРМЛЦЙИ Выводимая для человека информация обычно является звуковой или визуальной. Приборы для вывода звуковой информации — электродинамические громкоговорители, или электродинамические телефоны (наушники), устроены так же, как и электродинамические микрофоны. Эти устройства являются взаимообратимыми. Изображение формируется при помо-ии мониторов, проекторов и принтеров. Е настоящее время наиболее используемые мониторы — электронно-лучевые трубки и жидкокристаллические мониторы. Жадкокристаллические дисплеи использу- отся также во всех мобильных телефонах, карманных компьютерах, ча-ах, различных электронных игрушках. Их преимущество заключается в йлом потреблении электроэнергии. Проекторы служат для формиро-вния изображения на большом экране. Во всех случаях изображение армируется матричным способом, т. е. при помощи отдельных эле-I6HT0B — пикселей. В электронно-лучевой трубке (см. рис. 63) изображение формиру-(гся при помощи узкого пучка электронов — электронного луча. Под оздействием отклоняющей системы луч последовательно пробегает по В настоящее время существуют проекты вывода информации, основанной на осязании и обонянии. В первом случае устройства могут формировать текст, читаемый слепыми. во втором — воспроизводить запахи для сопровождения фильмов. Рис. 68. Схема работы жидкокристаллической ячейки ЙНапряжение ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В МИРЕ СОБРЕМЕНЕЫХ ТЕХНОЛОГИЙ точкам — пикселям — на экран электронно-лучевой трубки. Экра покрыт люминофором — вещес! вом, светящимся под воздействи ем электронного луча. Изменя интенсивность электронного луч (число летящих электронов), мож но изменять яркость свечения со ответствующего пикселя. В жидкокристаллическом мо ниторе каждый пиксель формиру ется при помощи жидкокристал лической ячейки. Такая ячейк< пропускает свет в обычном сос тоянии и не пропускает свет. есл1 к ней приложено определенней напряжение. Принцип работы ячейки можне понять на основе схемы, изображенной на рисунке 68. Свет от некоторого источника проходит черк верхний поляризационный фильтр, в результате чего образуется линейно-поляризованный свет (см. § 30). Далее свет проходит между двумя слоями фильтрующих покрытий, пространство между которыми заполнено жидким кристаллом. Жидкий кристалл — это жидкость из молекул удлиненной формы. Взаимодействуя между собой, молекулы выстраиваются параллельно, так, что образуется упорядоченная структура, по некоторым свойствам напоминающая кристалл. Фильтрующее покрытие представляет собой слой, в котором «нарезаны» микроканавки. Вдоль них и выстраиваются молекулы жидкого кристалла, примыкающие к этому покрытию. Направления микроканавок в двух фильтрующих покрытиях взаимно перпендикулярны. В результате молекулы жидкого кристалла выстраиваются таким образом, что образуется спиралевидная структура: молекулы в каждом слое несколько повернуты относительно соседнего слоя. Проходящий через спиралевидную структуру свет поворачивает плоскость поляризации на 90®. Второй нижний поляризационный фильтр пропускает свет именно такой («повернутой») поляризации. Если же к ячейке приложить напряжение, то молекулы выстраиваются вдоль на-^ правления распространения света (см. рис. 68, справа). В результате проходящий через ячейку свет не изменяет поляризацию и задержива-' ется вторым, нижним поляризационным фильтром. Изменение яркости света, проходящего через жидкокристаллическую ячейку, осуществляется посредством того, что ячейка периодичесж^ открывается и закрывается. Чем больше времени в течение пер^кзда ячейка открыта, тем ярче светится пиксель. Период подбирается на столько малым, что глаз не замечает мерцания. Жидкокристаллические ячейки используют также в некоторых тип» проекторов. Более совершенными являются проекторы, в которм микрозеркало (размеры на рисунке сильно увеличены) § 46. Человек — компьютер: обмен информацией матрица, формирующая изображение, строится не из жидкокристаллических ячеек, а из микрозеркал, закрепленных на полупроводниковых элементах. При подаче напряжения на элемент зеркало может поворачиваться так, что направляемый на него луч после отражения изменяет свое направление (рис. 69). Если луч после отражения попадает через объектив на экран, соответствующий пиксель на экране ярко светится, в противном случае пиксель темный. Современные принтеры также являются матричными, т. е. изображен ие формируется на бумаге в результате нанесения точек — пикселей. В уже устаревших игольчатых принтерах каждая точка образовывалась в результате удара иголки по красящей ленте, расположенной перед листом бумаги. В струйных принтерах точки образуются в результате разбрызгивания на бумагу капелек красящего вещества. Самое сложное устройство у лазерного принтера. Скрытое изображение при помощи сканирующего (изменяющего направление) лазерного луча формируется на специальном барабане. Лазерный луч вследствие фотоэффекта выбивает из вещества на поверхности барабана электроны. Точки, куда попадает лазерный луч, оказываются положительно заряженными. Красящий порошок (тонер) также заряжается, но отрицательным зарядом. Частицы тонера прилипают к заряженным местам на барабане, и таким образом на нем формируется изображение из красящего порошка. Далее вращающийся барабан прокатывается по листу бумаги, оставляя на нем отпечаток. 157 гасящая ловушка dKpai объектив источник света Рис. 69. Схема работы ячейки, образованной микрозеркалом ► Перечислите физические явления, лежащие в основе действия приборов, о которых шла речь в данном параграфе. Почему в лазерном принтере должен находиться именно лазер, а не другой источник света, например лампа накаливания? ► Множительный аппарат (ксерокс) копирует изображение с оригинала на бумагу. На основе знаний приборов ввода и вывода информации предложите принцип работы множительного аппарата. ► Если у вас имеется оптическая мышь, проделайте простой опыт. Попробуйте управлять курсором, передвигая мышь по зеркалу. Объясните СВОЮ неудачу. ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ- В МИРЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИ?^ В МИРЕ УДИВИТЕЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ Урок-лекция Если я тебя придумала. Стань таким, как я хочу Я. Po>KnecT8eHCK4i Может ли природа удовлетворить все нужды человечества? Какую роль в благосостоянии человека играют синтетические вещества и материалы? Какими необычными свойствами обладают искусственно созданные вещества? Чем вызвана необходимость создания веществ с новыми свойствами? Ключевые слова Односторонняя проводимость cDeppoNiar* нетики - Ферриты ^ Сверхпроводники -Жидкие кристаллы Экологически безопасные вещества Представления о полимерах (Химия,. 9 кл.). Взаимодействие частиц вещества. Модели строения газов, жидкостей и твердых тел. Проводники, диэлектрики и полупроводники (ФизикаТ 7-9 кл.). гел. j ВОЗРАСТАЮЩИЕ ПОТРЕБНОСП: ЧЕЛОВЕЧЕСТВУ- Человек - часть природы, природа дает ему все необходимое для жизни: кислород для дыхания, воду для утоления жажды, почву, богатую питательными веществами, для земледелия. Природа — источник физического здоровья и эстетического наслаждения человека. Однако по мере роста материального благосостояния общества, нарастания научно-технического прогресса природе становится все труднее удовлетворять запросы человечества. Тем более что оно все больше нуждается в материалах, обладающих набором особых, часто противоречивых свойств. Например, мы хотим, чтобы наша одежда была прочной, но не жесткой, защищала от холода и не вызывала neperpe-j ва, была водонепроницаемой, легкой и не мялась. Материал для так«1 одежды должен быть твердым и эластичным, легким и прочным, обладать теплоизолирующими свойствами и одновременно иметь высокую теплопроводность, водостойкость, а еще лучше быть водоотталкиваю щим. Человеку нужны вещества и с другими свойствами; звуко-и электроизоляторы, окрашенные и прозрачные, жаростойкие и т. д. Не менее важно и то, чтобы подобные материалы обрабатывались, легко и с минимальными потерями. щ Человек издавна научился получать вещества, не существующие или редко встречающиеся в природе. Так были изобретены порох, кирпич и фарфор, бумага и ткань. Однако, если подобные изобретения бьь ли во многом обусловлены случайными открытиями ремесленников, то развитие техники поставило перед естественными науками задачу це^ ленаправленного поиска веществ, обладающих вполне определенны!» и необходимыми свойствами. В свою очередь, совершенствование J § 47. В мире удивительных веществ и материалов техники дало возможность создавать искл1очительные, не существующие в природе условия для производства новых веществ. Так, например, изобретение тепловых двигателей потребовало более качественного топлива, чем сырая нефть, что во многом определило получение бензина в результате перегонки нефти. Развитие электротехники обусловило потребность в хорошо проводящих ток и дешевых металлах. В свою очередь, становление электроэнергетики дало возможность получать эти металлы электрохимическим путем. НЕОБЫЧНЫЕ СВОЙСТВА ИЗВЕСТНЫХ BEU(ECTf: И НОВЫЕ ВЕЩЕСТВА С УНИКАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ, ярким примером, иллюстрирующим проблему получения веществ с заданными свойствами, служат полупроводники. К их числу относятся такие вещества, как германий и кремний. Казалось бы, свойство полупроводников проводить ток лучше изоляторов, но хуже проводников не являлось уникальным и не могло быть востребованным. Однако уникальным оказалось свойство контактов полупроводников с металлами — односторонняя проводимость, т. е. способность проводить ток лишь в одном направлении. Это свойство использовалось еще в первых детекторных приемниках. Дальнейшее развитие радиотехники привело к целенаправленному поиску получения полупроводников, контакты между которыми обладают улучшенными свойствами односторонней проводимости. Для этого пришлось создать технологию получения кристаллов полупроводников высокой чистоты (содержащих малые доли процентов примесей), а затем научиться различными способами вводить нужные примеси в эти кристаллы, получая полупроводники л- и р-типа. Так появились полупроводниковые диоды, транзисторы и, наконец, интегральные микросхемы. Однако на этом история поиска новых полупроводников не закончилась. Оказалось, что полупроводники могут успешно использоваться в приемниках светового излучения, в устройствах, преобразующих солнечное излучение в электроэнергию (солнечные батареи), в устройствах, с большим КПД излучающих свет. В каждом типе устройств были нужны вещества со своими специфическими свойствами, что стимулировало синтез соответствующих веществ. Современные, используемые в самых различных устройствах полупроводники по свойствам существенно отличаются от тех, что были известны в «дополупроводниковую» эру. Развитие техники привело к созданию веществ с совершенно необычными свойствами. Известные вам магниты относятся к классу веществ, которые называют ферромагнетиками. Эти вещества усиливают магнитное поле, создаваемое токами, или сами создают такое поле. Как вы знаете, магниты изготавливают из сплавов железа, поэтому они являются проводниками. Однако развитие радиотехники привело к необходимости иметь непроводящие ферромагнетики для работы в высокочастотных трансформаторах. И такие вещества — ферриты — были созданы. Еще одним примером проводников являются сверхпроводники — вещества с нулевым электрическим сопротивлением. Сверхпроводимость была открыта еще в 1911 г. Однако свойство это проявлялось А 60 ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В МИРЕ COBPEMEHHbW ТВ€НОЛОГИЙ лишь при сверхнизких температурах (порядка 10 К, или -260 ®С). Э затрудняло практическое использование сверхпроводников. В течен! длительного времени ученые вели поиск сверхпроводников, способн! проявлять свои свойства при более высоких температурах. Успех пр шел лишь в 1987 г, когда были синтезированы сверхпроводники, не т ряющие своих свойств до температур порядка -170 "^С. Эти темпер; туры получать уже гораздо легче, что привело к созданию и практиче< кому использованию новых приборов. Но и это не предел: учень целенаправленно ищут возможность создания сверхпроводников, раб( тающих при более высоких темпера турах, вплоть до комнатной. Создавая новые вещества и мат< риалы, человек не забывает иска1 области применения и тем соедине ниям, которые своими необычным свойствами долгие годы не дают пс коя его пытливому уму. Яркий том пример — жидкие кристаллы. Особенность этих веществ состс ИТ в том, что в определенном темпе ратурном интервале выше точк плавления они сочетают одновремен но свойства жидкостей (текучесть способность к образованию капель) и кристаллических тел (анизотро ПИЮ, т. е. зависимость физических свойств кристалла от направления: Жидкие кристаллы, открытые более 100 лет на- j зад австрийским ботаником Ф. Рейнитцером, | наблюдавшим две точки плавления сложного а эфира холестерина (холестерилбензоата), долгое S время не находили практического применения. И лишь 8 середине 60-х г. XX в. на них обратили внимание в связи с бурным развитием микроэлектроники. Этой отрасли промышленности потребовались вещества, способные отображать и передавать информацию, потребляя при этом минимум энергии. ЮВЫи ЗАДАНп1>, г Новые времена ставят новые задачи Человек научился получать пластмассы с самыми разными свойствами Однако в последние годы выяснилось, что такое, всегда считавшее^ полезным свойство пластмасс, как способность противостоять разлкч ным химическим веществам, становится вредным. Пластмассовы! мусор — бутылки, упаковки, пакеты — плохо разлагается под воздействи ем природных факторов и загрязняет окружающую среду. А значт требуются пластмассы, которые «живут» заданное время, после чег( разлагаются. Поиск способа получения таких веществ уже ведется. Этот пример является лишь частным случаем того, что в настояшй время требуются экологически безопасные вещества, т. е. вещества, в малой степени загрязняющие окружающую среду. Еще одним примером является отказ от использования фреонов, долгое время при* менявшихся в холодильных установках. Когда выяснилось, что эти казавшиеся безобидными вещества, возможно, уничтожают озоновый слой нашей планеты, многие страны поставили задачу найти новые экологически безопасные хладагенты и успешно решили эту задачу. Получение веществ и материалов с заданными свойствами — важнейшая задача современной науки. Развитие техники, как и развитие общества, дает все больше заданий для поиска новых веществ с уникальными свойствами. § 47. В мире удивительных веществ и материалов ОБРАЗ ЖИЗНИ I Мусор — это всегда плохо. Однако если в городе любой мусор лежит, пока его не уберет дворник, то в лесу мусор мусору рознь. Конечно же, кожура банана или апельсина неэстетично смотрится на зеленой траве, однако за несколько недель природа ее «переработает»». Брошенная же пластиковая бутылка, упаковка или пакет будут «радовать» всех, кто придет на это место и через несколько лет. ► Приведите примеры веществ, которые были получены путем целенаправленного научного поиска и о которых не говорилось в данном параграфе. ► Приведите примеры веществ, не являющихся экологически чистыми. ► Что вы могли бы предложить ученым в качестве задачи для целенаправленного поиска веществ с заданными свойствами? т ОТ ПОЛИМЕРОВ ПРИРОДНЫХ к ПОЛИМЕРАМ СИНТЕТИЧЕСКИМ Урок-лекция Нефть не топливо. топить можно и ассигнациями. Д. И. Менделеев Что такое - ... I».' ^ полимеры и каково их строение? Какие полимеры были созданы природой? Какие искусственные полимеры создал человек и каковы их свойства? Где применяют искусственные полимеры? Ключевые Полимеры • Мономеры • Сиитети-слова ческий каучук • Изопреновый каучук • Полиэтилен • Тефлон • Полистирол • Поливинилхлорид • Фенопласты • Текстолит • Волокнит • Стеклопласт • Карбонит Представления о полимерах (полиэтилен, полисахариды, белки) (Химия, 9 кл.). Проникнув в тайну природных полимеров, например белков и целлюлозы. ученые не только смогли получить их искусственным путем, но и научились моделировать и производить полимеры и материалы, не имеющие аналогов в природе и обладающие уникальными свойствами. ЕСТЕСХВОЗНАНИе 8 МИРЕ С08РЕМВ1НЫХ ТЕХНОЛОГИЙ i Рис. 70. Целлюлоза Все полимеры (от греч. поли — много и .w^poc -часть) состоят из гигантских молекул (макромоле кул), образованных соединениями десятков и даж сотен тысяч атомов в длинные цепочки. Полимер! образуются из низкомолекулярных веществ -мономеров (от греч. моно — один). Это значит, чт молекулы полимеров состоят из многократно по вторяющихся элементарных звеньев, химическ «сшитых» между собой. Так, молекула целлюлоз! (СбН,о05>„ включает до 10 000 элементарных звеньеЕ каждое из которых представляет собой остаток моле кулы глюкозы CgHijOg (рис. 70). Глюкоза, такил образом, мономер целлюлозы. Мономерами белко! являются аминокислоты (рис. 71). Сегодня трудно представить нашу жизнь без синтетических полиме ров. Все они рождаются в лабораториях ученых и производятся на за водах из природного сырья, например из нефти. И когда человечестве окончательно «укротит» атомную энергию, вероятно, тогда нефть и дру гие горючие полезные ископаемые целиком поступят в распоряжение ученых, которые смогут преобразовывать их в уникальные материалы. Современная наука и промышленность, перерабатывая природное сырье — нефть, уголь, газ, сланцы, дают человеку полимеры и материалы, свойства которых уникальны и которые как нельзя лучше отвечают потребностям общества. Примером торжества науки может служить синтетический каучук. Природный каучук стал известен в Европе еще в XV в. благодаря участникам второго путешествия X. Колумба в Америку <1493— 1496). Они обнаружили, что индейцы изготовляют обувь, мячи и небьющуюся посуду из «слез дерева» — млечного сока тропического растения гевеи (на их языке «кау» — это дерево, а «учу» — течь, плакать). 6 Европе каучук сперва не нашел никакого применения. Лишь в 1823 г. шотландец Ч. Макинтош (1766—1843) предложил пропитывать ткани смесью из каучука и органического растворителя. Так был получен первый непромокаемый материал, а затем организовано его производство и пошив плащей. Однако у этих изделий были два существенных недостатка: в жару они размягчались, а в холод трескались. Каучук обладает рядом ценных для человека качеств. Он устойчив к износу, воде- и газонепроницаем, хороший изолятор. Однако при повышенной температуре он становится мягким и липким, а на холоде — твердым и хрупким, что делает изделия из него недолговечными. Известен лишь один вид природного каучука -изопреновый. Он состоит из 4000 -1 о 000 остатков молекул изопрена С^Н^. Ученые смогли справиться с негативными свойствами каучука. Они научились превращать его в резину, которая отличается более высокой эластичностью, плотностью и не столь зависима от температурных колебаний. К сожалению, флора нашей страны лишена каучуконосов, а потому потребност;! народного хозяйства еще в прошлом веке поставили перед наукой проблем)' М § 48. От полимеров природных к полимерам синтетическим Рис. 71. Полимерная молекула белка (аминокислоты обозначены кружками с надписью) получения синтетического каучука. В 1909 г. русский ученый Сергей Васильевич Лебедев из бутадиена-1,3 получил полимер, сходный с натуральным каучуком. Тем не менее наладить промышленное производство синтетического каучука ему удалось лишь в 1932 г. Вы наверняка встречали вывески с надписью «Вулканизация шин». Вулканизация — это и есть процесс превращения каучука в резину. Его суть заключается в нагревании каучука с серой до температуры 130—140 ®С. В итоге атомы серы «сшивают» отдельные молекулы каучука друг с другом, что и приводит к улучшению его механических и других свойств. Знаменательно то, что это был первый в мире каучук, полученный промышленным путем. Сегодня известны бутадиеновый, бутадиен-стирольный, бутадиен-нитрильный и другие виды синтетических каучуков, свойства которых заметно отличаются от свойств их природного прототипа. Например, полиуретановый каучук настолько износоустойчив, что изготовленные из него шины, вероятно, смогут пережить автомобиль. В целом синтетические каучуки более устойчивы к старению и истиранию, действию высоких температур и химических реагентов, но более твердые. Это усложняет их переработку. Поэтому для получения высокоэластичных и особо мягких резин используют только природный каучук или его смеси с и Полиэтилен — это полимер, мономером которого является этилен С2Н4, Он механически прочен и химически стоек, эластичен, значительно легче воды, в тонком слое бесцветный и пропускает ультрафиолетовые лучи, прозрачный, на ощупь несколько жирный. При нагревании полиэтилен изменяет свою форму, сохраняя ее после охлаждения. На этом основании его относят к термопластичным полимерам. синтетическими каучуками. Широко применяют полимеры, которые в отличие от синтетического каучука не имеют природных прототипов. Например, всем известны полиэтиленовые пакеты, изготовленные из полиэтилена. Благодаря этому полимеру мы располагаем дренажными и водопроводными трубами, не поддающимися коррозии; посудой, легкой, не-бьющейся и удобной в обращении; пленкой, вместо стекла покрывающей парники и теплицы; различными предметами бытового назначения. 64 ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В МИРЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Производные полиэтилена зачастую силы отличаются от него своими свойствами, напр1 мер тефлон. По своим механическим, физ1 ческим и химическим свойствам тефлон пр> восходит не только полиэтилен, но и MHort другие полимеры. Он устойчив к действию лн бых растворителей, имеет необычайно высоку температуру размягчения (327 ^С) и рекордну для полимеров температуру разложения (425 "^С), не горит. На него ^ действуют концентрированные щелочи и кислоты. Благодаря этим uei ным качествам тефлон применяют при изготовлении аппаратуры д; химически агрессивных сред, электроизоляционных материалов, гто/ шипников, не требующих смазки. Тефлон (политетрафторэтилен) — продукт полимеризации (реакции синтеза полимера) тетрафторэтилена. Последний образован путем замещения всех четырех атомов водорода в молекуле этилена на атомы фтора (C2F4). ОБРАЗ ЖИЗНИ Пленкой из тефлона покрывают металлическую посуду и гладящую поверхность утюгов. В сковороде с таким покрытием никогда не пригорит еда. а к утюгу не прилипнет ткань. Однако тефлон неустойчив к механическим повреждениям. Так, повредить тефлоновое покрытие можно ножом или даже металлической ложкой, которой вы перемешиваете пищу. Используйте для этой цели деревянные лопаточки. Возможности синтетических полимеров неисчерпаемы. ПoлиcтиpoJ идет на изготовление корпусов авторучек, коробок для кассет и лазер ных дисков, детских игрушек, сувениров и других предметов, не тре бующих особо высокой прочности материала. Поливинилхлорид — н< производство искусственной кожи, плащей, клеенки, труб и т. д. Различные виды фенопластов (пластмассы, получаемые из фенол формальдегидного полимера путем добавления к нему различных наполнителей — тканей, бумаги, стеклянного волокна, красителей и т. д.; идут на изготовление шарикоподшипников и шестерен для маши1-(текстолит), ступеней эскалаторов (волокнит), автоцистерн и кузовОЕ автомобилей (стеклопласт), телефонных аппаратов (карболит). Наука в XXI в. — могущественная сила. Она дает человеку ключ к производству необычных по своим свойствам веществ и материалов, а также ищет скрытые резервы известных человечеству соединений. 1> Какие вещества называют полимерами? В чем их отличие от других со* ■ единений? || р Приведите примеры известных вам синтетических полимеров. В чем их преимущества перед природными соединениями? ► Дайте оценку современному этапу развития человечества с точки зрения его потребностей в синтетических материалах и соединениях с уникальны-^ ми свойствами. 49 СИНТЕТИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРЫ - ОСНОВА ПЛАСТМАСС Урок-практикум Сегодня удается спасать людей, у которых обожжено 90% поверхности тела, с помощью искусственной кожи. Искусственная кожа — многослойные полимерные пленки. Н. А. Плата Что такое пластмассы и где они применяются? Каковы характерные признаки пластмасс? Можно ли, зная свойства пластмасс, отличить их друг от друга? Представления о полимерах (полиэтилен, пластмассы, полисахариды. белки) (Химия, 9 кл.). ЦЕЛЬ РАБОТЫ Познакомиться с многообразием пластмасс и сферами их применения. Научиться распознавать пластмассы на основе присущих им характерных свойств. Оборудование. Коллекция «Пластмассы», набор подписанных образцов пластмасс для исследования, неизвестный (пронумерованный) образец пластмассы для определения, пробирки, тигельные щипцы, спиртовка, спички. ПЛАН РАБОТЫ Последовательно выполняя задания, ознакомиться с пластмассами и исследовать их свойства. Вы познакомились с синтетическими полимерами, являющимися основой пластмасс. Пластмассы — это разновидность конструкционных материалов (материалов, предназначенных для производства готовых изделий или сооружений). Их получают, добавляя к исходным полимерам различные наполнители. Для гомогенных (однородных) пластмасс наполнителями могут быть стабилизаторы, красители и другие ингредиенты; для гетерогенных (неоднородных) пластмасс — отходы тканей, бумага, стекловолокно и другие компоненты. По отношению исходных полимеров к нагреванию пластмассы делят на термопласты и реактопласты. г Многообразие пластмасс. 1. Используя коллекцию «Пластмассы», познакомьтесь с многообразием этих синтетических материалов и сферами их применения. Результаты работы оформите в тетради в виде схемы. i ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В МИРЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Внешние признаки и свойства пластмасс. Вы получили подписанные образцы пластмасс на основ полиэтилена, поливинилхлорида и полистирола. Внимательн рассмотрите их. Сопоставьте с образцами, имеющимися в ко; лекции, и сделайте вывод о характерных внешних признака изучаемых пластмасс. Используя таблицу-подсказку, выясните отношение исслед\ емых пластмасс к нагреванию и характеру их горения, а такж к действию растворителя. Сделайте вывод о принадлежности изученных пластмасс термопластам или реактопластам. ПОДСКАЗКА Внешние признаки и свойства некоторых пластмасс Свойства Физические (внешние) признаки Полиэтилен Сходен с парафином. Относительно мягкий, эластичный. В тонком слое прозрачен. Цвет различный Пластмассы Поливинилхлорид Относительно мягкий. Цвет различный Полистирол Твердый, хрупкий. Почти прозрачен или непрозрачен. Цвет различный Отношение к нагреванию Размягчается, вытягивается в нити Термопласты Размягчается Размягчается, вытягивается в нити Горение Горит синим некоптящим пламенем, плавясь и образуя капли. Ощущается специфический запах Горит небольшим коптящим пламенем, образуя черный хрупкий шарик. Ощущается острый запах. Вне пламени гаснет Горит коптящим пламенем Отношение к действию растворителя (ацетона) Не растворяется Набухает I 3, § 49. Синтетические полимеры — основа пластмасс Распознавание пластмасс. Определите, какой вид пластмасс выдан вам в качестве пронумерованного образца. Для этого проделайте опыты, аналогичные опытам, сделанным при выполнении задания 2. Результаты работы оформите в виде таблицы. Номер образца Внешний вид Отношение к нагреванию Характер горения I Оттюшение к действию растворителя Вывод Используя характерные признаки и свойства, можно установить тип пластмассы и возможность ее применения для тех или иных целей. ОБРАЗ ЖИЗНИ Пластмассы, конечно же, не столь агрессивны, как, например. щелочи или кислоты, но и не совсем безобидны. При горении некоторых видов пластмасс выделяется ядовитый газ. Не утилизируйте пластмассы путем сжигания {например, полиэтилен от теплиц на садовом участке). Литература для дополнительного чтения 1. Детская энциклопедия. 2. Корзинов Н. Битва за резину // Популярная механика. — 2008. — № 2. 3. БердоносовС. С., Менделеева Е. А. Химия: учеб, для 9 кл. / С. С. Бердоносов, Е. А. Менделеева: под ред. С. С. Бердоносова. — М.: Просвещение, 2006. 4. Габриелян О. С. Химия. Органическая химия: учеб, для 10 кл. / О. С. Габриелян, И. Г. Остроумов, А. А. Карцева. — 4-е изд. — М.: Просвещение. 2007. ш г f I-- ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В МИРЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 50 БИОТЕХНОЛОГИЯ И ПРОГРЕСС ЧЕЛОВЕЧЕСТВА Урок-лекция Словами мы познаем суть вещей. Царь Соломон Что такое биотехнология? Какие этапы в развитии биотехнологии можно выделить? Какую роль биотехнология сыграла в развитии цивилизации? Ключевые слова Биотехнология • Гетерозис • Рекомбинантные (ДНК, растения, животные) Генная инженерия • Клеточная инженерия • Клонирование Из старого портфеля Генетика — наука о закономерностях наследственности и изменчивости. Наследственная и немаследстеенная изменчивость. Применение знаний о наследственности и изменчивости, искусственном отборе при выведении новых пород и сортов. Приемы выращивания и размножения растений и домашних животных, ухода за ними (Биология, 9 кл.; Естествознание, 10 кл., § 31). % I Слово «биотехнология» греческого происхождения. В нем можно выделить две части — «биос» и «техне». Первая часть «биос» означает «жизнь» (биология, биоценоз и др.). Вторая часть «техие» происходит от греческого «текс», что означает «вить», «прясть», «делать руками»» {текстиль, текст, архитектура и. наконец, технология). Что же дает сочетание слов «биос»» и «техне»? Живую технологию! В последние годы термин «биотехнология» у всех на слуху. Что он обозначает? Человек уже давно стал вмешиваться в естественный ход природных процессов. Постепенно он научился использовать их для удовлетворения все возрастающих потребностей населения в продуктах питания и природных материалах. В этом одна из задач современной биотехнологии. Биотехнология — это сознательное производство необходимых человеку продуктов питания и материалов с помощью биологических объектов (живых существ) и процессов. БИОТЕХНОЛОГИЯ - ОСНОВА ЦИВИЛИЗАЦИИ. Долгие годы человек жил плодами собирательства и охоты. Им на смену пришли земледелие и животноводство “ яркие примеры первобытной биотехнологии. В процессе возделывания растений и разведения домашних животных человек производил часто бессознательный, но все же отбор тех особей, которые казались ему более полезными. Среди растений отбирались те, которые давали больший урожай, более крупные и сочные плоды. Уже с древнейших времен человек использовал в своих целях микроорганизмы, даже не подозревая об их существовании. С их помощью § 50. Биотехнология и прогресс человечества он овладел технологией квашения молока и овощей, а потом, научившись делать муку и печь лепешки, квашения теста. Следующий шаг — приготовление пива и вина, а потом вымачивание кож и мочение льна. Возникнув в ряде мест земного шара, биотехнология быстро распространилась почти по всем континентам. Она стала импульсом развития цивилизации. Земледелие и животноводство сделали труд человека настолько производительным, что один человек мог прокормить нескольких. В итоге часть людей получила возможность посвятить себя другим занятиям. Началось прогрессивное развитие общества. ^ИОТЕХНОЛО!'Hyi ВЧЬ-Г" СЕГОДНЯ. ЗАВТРА к концу XIX в. были созданы весьма продуктивные сорта растений и породы животных, выработаны правила их скрещивания и отбора, основанные на многовековом опыте. Одновременно с этим неуклонно росла потребность в наращивании производительного потенциала биотехнологии. Новый стимул к дальнейшему развитию биотехнология получила в начале XX в. благодаря возникновению генетики. Однако прошло около 40—50 лет, прежде чем ее успехи привели биотехнологию к новым достижениям, в первую очередь благодаря использованию гетерозиса при создании новых сортов растений и пород животных. Гетерозис — это явление, при котором первое поколение от скрещивания родительских особей превосходит их по ряду параметров, например по продуктивности. С использованием эффекта гетерозиса были выведены новые сорта кукурузы, риса, пшеницы и других культурных растений, которые дали невиданные ранее урожаи. И хотя в странах с высокоразвитым сельским хозяйством внедрение новых сортов не изменило экономической ситуации, зато использование их в развивающихся странах произвело настоящую зеленую революцию. Успехи в животноводстве были связаны не только с выведением новых пород животных, но и с созданием для них сбалансированной кормовой базы. В этом еще одно достижение биотехнологии, научившейся обогащать растительные корма недостающими аминокислотами, белками, витаминами и другими добавками. Правда, в этом ей помогла микробиологическая промышленность, ставшая важнейшим звеном биотехнологии. Сегодня человек использует целую армию микроорганизмов. С их помощью он получает аминокислоты, витамины, антибиотики, органические кислоты, ферменты. Все они находят широкое применение в различных отраслях экономики. Известен опыт применения микроорганизмов для решения проблем энергетики. Так, с помощью специальной культуры бактерий можно получить биогаз (смесь метана СН4 (65%) и углекислого газа COg). Производство такого газа выгодно там, где много растительных отходов и навоза. В прошлом веке в Индии было создано более миллиона установок для получения биогаза. В них перерабатывался навоз лишь от 5% ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В МИРЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ коров. Опыт ЭТОЙ страны показывает, что 3—5 коров могут обеспечить потребности в биогазе семьи, состоящей из такого же числа людей. Особо следует отметить использование микроорганизмов для решения экологических проблем: они помогают очищать природу от многих отходов органического происхождения. К сожалению, микроорганизмы не могут справиться с синтетическими полимерами. Создание таких штаммов — задача будущего. На новый виток развития биотехнология вышла в начале 70-х гг. прошлого столетия в связи с созданием генной инженерии. Если раньше человек лишь производил отбор растений, животных или микроорганизмов с уже возникшими и полезными для него генетическими изменениями, то с помощью нового метода он смог сознательно создавать рекомбинантные ДНК {искусственные ДНК с определенным набором генов, а потому и с определенными свойствами). В итоге человек овладел технологией клонирования генов и выращивания необычных растений и животных, в геном которых интегрированы чужеродные гены. Растение, в геном которого методами генной инженерии перенесены гены (их называют трансгенами) из других организмов, называют трансгенным или генетически модифицированным. Основными преимуществами такой технологии по сравнению с традиционной селекцией являются: • возможность переноса всего одного гена, что практически не затрагивает исходный генотип; • возможность придания признаков, которые нельзя перенести путем скрещивания с близкородственными видами; • значительное ускорение процесса получения новых генотипов. Признаки, которые возможно придать растениям с помощью генной инженерии, весьма разнообразны и в основном ограничены только наличием соответствующих генов. Очень условно их можно разделить на три группы. К первой относятся растения, которые устойчивы к различным факторам окружающей среды — гербицидам, болезням, вредителям, засухе, засолению. Например, ген устойчивости к антибиотику канамицину (для многих растений это сильнейший яд). Для второй группы растений характерны; модификация вкуса и аромата плодов, увеличение продолжительности их хранения, изменение окраски цветков, бессемянность, улучшение питательной ценности растений. Так. из полученных в лаборатории клеток ученые вырастили морковь, синтезирующую в 20 раз больше метионина, в 30 раз -триптофана, в 5 раз — лизина. Все это важнейшие аминокислоты. В третью группу входят растения-«биофабрики», способные синтезировать вакцины, ферменты, биополимеры и другие полезные вещества. Например, канадская биотехническая компания сообщила о готовности начать производство человеческого инсулина из генетически модифицированного растения сафлора. Известны и рекомбинантные (трансгенные) животные. Первыми среди них стали мыши, а потом кролики, свиньи, овцы. § 50. Биотехнология и прогресс человечества Трансгенные животные широко используются как для решения большого числа теоретических задач, так и в практических целях для биомедицины и сельского хозяйства. Еще большие возможности открыла перед человечеством новая отрасль биотехнологии — клеточная инженерия. Она позволяет клонировать ткани, органы и даже целый организм, располагая лишь одной клеткой. Клонирование — метод получения нескольких идентичных организмов путем бесполого (в том числе вегетативного) размножения. Однако сейчас термин «клонирование» обычно используется в более узком смысле и означает копирование клеток, генов, антител и даже многоклеточных организмов в лабораторных условиях. Нетрудно представить возможности такой индустрии. Прежде всего это клонирование растений и животных, с помощью которого можно не только решать продовольственную проблему, но и восстанавливать исчезающие или уже исчезнувшие виды. На этом пути немало успехов. Так, американскими учеными в 1997 г. из клеток вымени мертвой особи была клонирована овечка Долли. В 1998 г. исследователи США и Франции клонировали телят голштинской породы из клеток плода. Был клонирован и ягненок Полли, несущий в каждой клеточке своего организма ген человеческого белка. Научились клонировать и человека. Сторонники этой технологии говорят о перспективах спасения человечества от болезней и недугов. Однако само по себе клонирование несет серьезный риск для здоровья. Ученые столкнулись с множеством случаев гибели клонированных животных, а также растущим числом случаев ухудшения их здоровья {сердечные и легочные заболевания, нарушение функционирования иммунной системы). Клонирование угрожает и без того уменьшающемуся биологическому разнообразию, поскольку восприимчивость к болезням всегда выше среди монокультур. Лишь генетическое разнообразие ведет к высокой жизнеспособности популяции. Все эти факты не единственный аргумент в руках противников клонирования. 171 Современная биотехнология — широкая отрасль научно-практической деятельности человека. В ее основе — методы и успехи селекции, молекулярной биологии, микробиологии, генетики. Однако некоторые из ее достижений неоднозначны и ставят перед человечеством ряд этических проблем. > Что такое биотехнология? > Какую роль биотехнология сыграла в зарождении и развитии человеческой цивилизации? > Какую роль в развитии биотехнологии сыграли микроорганизмы? > Что такое генная инженерия и каковы ее возможности в решении насущных проблем современности? В чем сущность метода клеточной инженерии? Какие вопросы он ставит перед человечеством? Выскажите свое отношение к нему. 172 ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В МИРЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ КЛОНИРОВАНИЕ: ЗА ИЛИ ПРОТИВ? Урок-семинар Величие человека — в его способности мыслить... Постараемся же мыслить достойно! Б. Паскаль Как влияет современная биотехнология на жизнь человека и общества в целом? Не приведет ли вмешательство в естественный ход природных процессов не только к краху человеческой цивилизации, но и к гибели всей планеты? Понять перспективы технологии клонирования и оценить риски для общества и природы, связанные с ее развитием. ПЛАН СЕМИНАРА -v. • 1. Могущество современной биотехнологии. 2. Генная и клеточная инженерия — благо или зло? а Необходимые источники информации 1. Детская энциклопедия. 2. В акул а В. Биотехнология: что это такое? / В. Вакула. — М.: Мол. гвардия, 1989. 3. С к л а д н е в Д. А. Что может биотехнология? / Д. А. Складнее. — М.: Знание, 1990. — (Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Знак вопроса*: № 12). На прошлом уроке мы кратко рассмотрели путь развития биотехнологии от зарождения и до наших дней, выяснили ее вклад в становление современного общества. ТЕМА ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ 1 Что сегодня биотехнология дает человеку? Подберите примеры, иллюстрирующие могущество современной биотехнологии и ее вклад в решение продовольственной проблемы, проблем лечения и профилактики наследственных заболеваний, трансплантации органов и др. Дополнительные источники информации 1. Нейфах А. А. Клеточные и генетические основы биотехнологии / А. А. Нейфах. — М.: Знание, 1987. -(Новое в Жизни, науке, технике. Сер. «Биология»; №3). 2. Богданов А. А. Власть над геном: кн. для внекл. чтения учащихся 9—10 кл. ср. шк. / А. А. Богданов, Б. М. Медников. — М.: Просвещение, 1989. — (Мир знаний). А § 51. Клонирование: за или против? ТЕМА ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ 2 У каждой медали две стороны. Какова оборотная сторона биотехнологии, основанной на методах генной и клеточной инженерии? Вспомните художественные фильмы «Чужой-4» (США), «Глубокое синее море» (США), «Клон» (Бразилия). С какими этическими проблемами столкнулись их герои? К каким последствиям привели действия, противоречащие принятым в обществе нормам? Как вы думаете, почему Всемирная организация здравоохранения. Совет Европы, антифашисты и другие официальные и общественные организации выступают против клонирования? Обсудите эти вопросы. Выскажите свое мнение по сути проблемы. ПОДВЕДЕНИЕ ИТОГОВ Ученые все глубже проникают в сокровенные тайны природы. С помощью науки человек активно изменяет окружающий его мир. Однако любое научное достижение — будь то использование энергии атома или клонирование человека — само по себе этически нейтрально. Лишь человек своими помыслами и действиями превращает его в безусловное благо или абсолютное зло для всей природы и даже Вселенной! i ОГЛАВЛЕНИЕ r*TJ т Глава 1. Развитие техногенной цивилизации § 1. Техника как реальность, созданная человеком .................... б § 2. Техника и техногенная цивилизация............................... 9 § 3. Техника и человеческие потребности: насущное и избыточное ..... 12 § 4. Зарождение и развитие техники.................................. 14 § 5. Естествознание как источник развития техники .................. 18 § 6. Эволюция технической мысли .................................... 22 § 7. человек и техника в мировой литературе......................... 24 § 8. Техника — источник тревог человечества......................... 26 § 9. Научно-техническое творчество: проблема профессиональной ответственности ........................................................ 30 Глава 2. Взаимодействие науки и техники § 10. От законов механики к механическим устройствам........... 34 §11. Творчество изобретателя ...................................... 38 § 12. Гидродинамика и аэродинамика. Плавающие и летательные аппараты 40 § 13. Законы сохранения, реактивное движение, космические полеты ... 45 § 14. Космические исследования................................. 48 § 15. Принципы работы тепловых двигателей .......................... 50 § 16. Законы термодинамики и КПД тепловых двигателей ............... 55 § 17. Исследование КПД различных циклов........................ 58 §18. Принципы устройства тепловых двигателей.................... 60 § 19. Теплоэнергетика сегодня ................................... 64 § 20. Принципы работы электрогенераторов и электродвигателей .... 66 §21. Исследование работы электрогенератора и электродвигателя.... 70 § 22. Источники питания в современной технике.................... 72 § 23. Преобразование и передача электроэнергии................... 76 § 24. Электроэнергетика и экология............................... 80 § 25. Радиоволны и особенности их распространения ............... 82 § 26. Использование радиоволн.................................... 86 § 27. Принципы работы мобильной телефонной связи ................ 90 § 28. Геометрическая оптика и оптические приборы ................ 92 § 29. Принцип действия очков....................................... 96 Глава 3. Естествознание в мире современных технологий § 30. Приборы, использующие волновые свойства света.............. 100 § 31. Проявление волновых свойств света.......................... 104 § 32. Стереоизображение и голография ............................ 106 § 33. Искусственный цвет ......................................... 110 § 34. Приборы, использующие корпускулярные свойства света........ 114 § 35. Принцип работы лазера...................................... 118 § 36. Свойства лазерного излучения и использование лазеров ...... 120 Оглавление § 37. Вред и польза от ядерных технологий ....................... 124 § 38. Ядерное оружие и проблема его нераспространения............ 128 § 39. Принцип действия атомных реакторов ........................ 130 § 40. Атомная энергетика и экологического проблемы............... 134 § 41. проблема управляемого термоядерного синтеза и энергетика будущего ............................................................ 136 § 42. Информация и электрические сигналы......................... 140 § 43. Приборы, преобразующие электрические сигналы............... 144 § 44. Базовые элементы компьютера................................ 148 § 45. История развития и перспективы информационных технологий.... 152 § 46. Человек — компьютер: обмен информацией..................... 154 § 47. В мире удивительных веществ и материалов................... 158 § 48. От полимеров природных к полимерам синтетическим .......... 161 § 49. Синтетические полимеры — основа пластмасс.................. 165 § 50. Биотехнология и прогресс человечества...................... 168 §51. Клонирование: за или против? ............................... 172 175^ Учебное издание Серия «Академический школьный учебник» Серия «Лабиринт» Алексашина Ирина Юрьевна Ляпцев Александр Викторович Шаталов Максим Анатольевич Естествознание 11 класс Учебник для общеобразовательных учреждений Базовый уровень В двух частях Часть 1 Зав. редакцией £ К. Липкина Редактор 3. Г. Гапонюк Оператор Н. А. Сагарвва Художники Э. Ленчевская, Н. А. Парцевская Художественный редактор £. А. Михайлова Компьютерная верстка и техническое редактирование О. Ю. Мызниковой Компьютерная обработка рисунков М. Е. Аксеновой Корректоры Н. В. Бурдина. Л. С. Вайтман, О. Н. Леонова, И. Н. Панкова Налоговая льгота — Общероссийский классификатор продукции ОК 005*93—953000. Иэд. лиц. Серия ИД N® 05024 от 12.09.01. Подписано в печать 18.03.08. Формат 84x108'Ag. Бумага офсетная. Гарнитура PragmatfcaC. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 12,21. Тираж 15 000 экз. Заказ № 19479 ц-си». Открытое акционерное общество -Издательство -Просвещение». 127521, Москва, 3*й проезд Марьиной рощи, 41. Открытое акционерное общество «Смоленский полиграфический комбинат». 214020. г. Смоленск, ул. Смольянинова, 1. Российская академия наук Российская академия образования Издательство «Просвещение» Академический школьный учебник базовый УРОВЕНЬ I а ISBN 978-5-09-016507-S Дорога к знаниям -дорога через «Лабиринт» Интегрированный курс естествознания формирует основы естественно-научной культуры и миропонимания. Раскрывает роль естеавенных наук в развитии цивилизации, обеспечивает взаимодействие «человек - техника» и знание человека о самом себе. В новый учебно-методический комплект по естествознанию под редакцией И. Ю. Алексашиной входят: Естествознание 10. Учебник Естествознание 10. Методика преподавания. Книга для учителя Естествознание 11. Часть 1. Уюбник Естествознание 11. Часть 2. Учебник Естествознание 11. Методика преподавания. Книга для учителя ПРОСВЕЩЕНИЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО