Фізичний калейдоскоп "Фізика на службі у людини"

ЧЕРНІГІВСЬКИЙ  ПРОФЕСІЙНИЙ  БУДІВЕЛЬНИЙ  ЛІЦЕЙ

До тижня природничо –математичних дисциплін

Інформаційний калейдоскоп

«Фізика на службі у людини»

Підготувала і провела:

Викладач фізики ЧПБЛ

Івашута С.М.

Тема. Фізика на службі у людина.

Мета: показати учням значення фізики в повсякденному житті, у різних професіях; розвивати логічне мислення, вміння знаходити і пояснювати фізичні явищ у запропонованих відео фрагментах; виховувати любов до предмета.

І. Вступна частина

 Викладач: На Землі, відбувається безліч цікавих подій. Ці події навколо нас ми бачимо, чуємо, регулярно переживаємо. У певний момент ваша допитливість змусила б вас задати питання як це відбувається? 

     І відповідь на всі ці запитання одна – «Фізика». Насправді, фізика у житті сучаної людини присутня повсюди. Вона так чи інакше керує нашим повсякденним життям. У сучасному світі значення фізики надзвичайно велике. Не можна точно сказати яка саме частина її впливає на життя людини більше, а яка менше.

      Так що ж вона дала людству? Щоб відповісти на це питання, досить озирнутися навколо. (Повідомлення учнів).

  ІІ. Основна частина

Учень 1. Завдяки відкриттю та вивченню електрики люди користуються штучним освітленням, їх життя полегшують незліченні електричні пристрої. Дослідження фізиками електричних розрядів привело до відкриття радіозвязку. Дослідження в області електромагнетизму призвели до появи телефонів і пізніше мобільних телефонів.

      Учень 2.  Колись вчені були впевнені в тому, що апарати важчі повітря літати не можуть. Це здавалося природним і очевидним. Але брати Монгольфє, винахідники повітряної кулі, а за ними і брати Райт, які створили перший літак, довели необгрунтованість цих тверджень.

       Учень 3. Саме завдяки фізиці людство поставило собі на службу силу пари. Поява парових машин, а разом з ними паровозів і пароплавів, дало потужний поштовх до промислової революції. Завдяки приборканої силі пару люди отримали можливість використовувати на заводах і фабриках механізми, які не тільки полегшують працю, а й в десятки, сотні разів підвищують її продуктивність. Без цієї науки не були б можливі і космічні польоти. Завдяки

відкриттю Ісааком Ньютоном закону всесвітнього тяжіння зявилася можливість розрахувати силу, необхідну для виведення космічного корабля на орбіту Землі. Знання законів небесної механіки дозволяє запущеним із Землі автоматичним міжпланетним станціям успішно досягати інших планет, долаючи мільйони кілометрів і точно виходячи до призначеної мети.

Викладач: Музичні інструменти, акустичні динаміки, ультразвукові діагностичні апарати - всього цього не було б якби в фізиці не відкрили таке явище, як коливання і хвилі.

Можна без перебільшення сказати, що знання, здобуті фізиками за століття розвитку науки, присутні в будь-якій області людської діяльності. Огляньте поглядом те, що вас зараз оточує у виробництві всіх, хто знаходиться навколо вас предметів найважливішу роль зіграли досягнення фізики.

   Давайте наведемо деякі прилади з повсякденного життя, в яких використовуються закони фізики.

1. Будильник

Фізика включається до вашого повсякденного життя відразу після того, як ви прокинетесь вранці. Дзвінок будильника допомагає вам прокидатися вранці відповідно до вашого розкладу. 

Дзвінок – це те, що ви не можете побачити, але можете почути чи відчути. Фізика вивчає походження, поширення та властивості звуку.

В якому розділі вивчаються властивості звуку? («Механічні коливання і хвилі».)

 2. Праска

Одразу після того, як ви прокинетесь вранці і почнете готуватися до школи, вам потрібна випрасувана одежа, і тут у справу вступає фізика. Праска використовує багато правил фізики, щоб працювати. Назвіть розділи фізики, які використовуються в роботі праски. («Основи термодинаміки», «Електричний струм»).

3. Ходьба

Тепер, коли ви добираєтеся до школи, вам, звичайно, доведеться пройти певну відстань. Ви можете легко ходити саме завдяки фізиці. Поки ви гуляєте в парку або по дорозі, ви добре тримаєтесь грунту, не падаючи, через опір між підошвою взуття та поверхнею дороги. Назвіть тему з фізики, за допомогою якої можна пояснити ходьбу людини. («Тертя»). 

4. Кулькова ручка

В школі кулькова ручка – ваша зброя. Якби фізики там не було, ви не змогли б писати кульковою ручкою на папері. Коли ваша ручка рухається по папері, кулька обертається, і сила тяжіння змушує чорнило опускатися на поверхню кулі, з якої вона переноситься на папір, отже ми використовуємо закони гравітації, явище змочування та капілярні явища.

5. Навушники

Коли ви втомлюєтеся від навчання, прослуховування музики стає вам в нагоді. Ви коли-небудь замислювались над тим, як працюють ваші навушники? Ну, це знову через фізику. Поняття магнетизму та звукових хвиль стосується ваших навушники.  Коли ви підключаєте навушники до електричного джерела, магніт у навушниках створює електромагнітне поле, що в кінцевому підсумку призводить до звукових хвиль.

6. Об’єктив камери

Феномен “селфі” охопив людей усіх вікових груп. Ви розважаєте себе, роблячи фотографії. Об’єктив, який використовується в камері, працює використовуючи закони оптики. 

7. Мобільні телефони

Мобільні телефони стали схожими на газ чи кисень у сучасному соціальному житті. Навряд чи когось не торкнувся вплив мобільного телефону. Але чи знаєте ви, як працює мобільний телефон? (В своїй роботі він використовує електромагнітні коривання і хвилі).

  З фізикою пов'язано дуже багато професій в найрізноманітніших сферах діяльності людини. Фахівці зі знанням фізики необхідні в галузі медицини,

механіки та машинобудування, енергетики, металургії, гірничої промисловості, автоматики та електроніки, високих технологій і в багатьох інших областях. Тож давайте роль фізики в різних професіях.

Фізика в професії лікаря

Внесок фізики в медицину численний і різноманітний. В області діагностики це рентген, ядерна медицина, клінічне ПЕТ-сканування, магнітно-резонансна спектроскопія, ультразвукове лікування і т. д. В області лікування — променева терапія, хірургічна техніка і технології, фізичні процедури і багато іншого. Нові технології дозволять краще зрозуміти молекулярні механізми і дозволять лікувати пов’язані з ними хвороби.

Пропоную учня цікаві факти з медицини, пов’язані з фізикою.

Учень 1.  Першим медичним фізиком був Леонардо да Вінчі (п'ять століть назад), який проводив дослідження механіки пересування людського тіла. Найбільш плідно медицина і фізика стали взаємодіяти з кінця XVIII - початку XIX ст., коли було відкрито електрику і електромагнітні хвилі, тобто з настанням ери електрики.

Учень 2.  Кінець XIX - середина ХХ ст. пов'язані з відкриттям рентгенівських променів, радіоактивності, теорій будови атома, електромагнітних випромінювань. Ці відкриття пов'язані з іменами В.К.Рентгена, А.Беккереля, М.Складовської-Кюрі, Д.Томсона, М.Планка, Н.Бора, А.Ейнштейна, Е.Резерфорда і дають початок швидкому розвитку медичної фізики.

Учень 3.  Наприкінці XIX ст. в Парижі відкрилася всесвітня виставка, на якій було представлено Ейфелеву вежу, що вразила всіх своєю висотою та вишуканістю конструкції. Згодом архітектори встановили, що конструкція цієї вежі повторює будову гомілкової кістки, що витримує вагу людського тіла. Саме тому башта ця міцна й довговічна.

Учень 4.  Між іншим, фізику багато в чому створили лікарі, а до досліджень їх часто спонукали питання, які ставила медицина. Лікарі-мислителі давнини першими задумалися над питанням, що є теплота. Вони знали, що здоров'я людини пов'язано з теплотою його тіла. Великий Гален (II століття н.е.) ввів в

ужиток поняття "температура" і "градус", що стали основоположними для фізики та інших дисциплін. Так що лікарі давнини заклали основи науки про тепло і винайшли перші термометри.

Учень 5.  Вільям Гільберт (1544-1603), лейб-медик англійської королеви, вивчав властивості магнітів. Він назвав Землю великим магнітом, довів це експериментально і придумав модель для опису земного магнетизму. Томас Юнг, був практикуючим лікарем, але при цьому зробив великі відкриття в багатьох галузях фізики. Він по праву вважається, разом з Френелем, творцем хвильової оптики. До речі, саме Юнг відкрив один з дефектів зору - дальтонізм (нездатність розрізняти червоний і зелений кольори). За іронією долі це відкриття обессмертило в медицині ім'я не лікаря Юнга, а фізика Дальтона, який виявився першим, у кого виявився цей дефект.

Учень 6.  Юліус Роберт Майєр (1814-1878), який зробив величезний внесок у відкриття закону збереження енергії, служив лікарем на голландському кораблі "Ява". Він лікував матросів кровопусканням, яке вважалося в той час засобом від всіх хвороб. З цього приводу навіть жартували, що лікарі випустили більше людської крові, ніж її було пролито на полях битв за всю історію людства. Майер звернув увагу, що, коли корабель перебуває в тропіках, при кровопускання венозна кров майже така ж світла, як артеріальна (зазвичай венозна кров темніше). Він припустив, що людський організм, подібно парову машину, в тропіках, при високій температурі повітря, споживає менше "палива", а тому і "диму" виділяє менше, ось венозна кров і світлішає. Крім того, задумавшись над словами одного штурмана про те, що під час штормів вода в морі нагрівається, Майер прийшов до висновку, що скрізь має існувати певне співвідношення між роботою і теплотою. Він висловив положення, які лягли по суті в основу закону збереження енергії.

Учень 7.  Видатний німецький вчений Герман Гельмгольц (1821-1894), теж лікар, незалежно від Майера сформулював закон збереження енергії і висловив його в сучасній математичній формі, якої до теперішнього часу користуються всі, хто вивчає і використовує фізику. Крім цього Гельмгольц зробив великі відкриття в області електромагнітних явищ, термодинаміки, оптиці, акустиці, а також в фізіології зору, слуху, нервових і м'язових систем, винайшов ряд важливих приладів. Отримавши медичну освіту і будучи професійним медиком, він намагався застосувати фізику і математику до фізіологічних досліджень. У 50 років професійний лікар став професором фізики, а в 1888 році - директором фізико-математичного інституту в Берліні.

Учень 7. Французький лікар Жан-Луї Пуазейль (1799-1869) експериментально вивчав потужність серця як насоса, качає кров, і досліджував закони руху крові у венах і капілярах. Узагальнивши отримані результати, він вивів формулу, яка опинилася надзвичайно важливою для фізики. За заслуги перед фізикою його ім'ям названа одиниця динамічної в'язкості - пуаз.

Фізика в професії кухаря

Викладач. Існує безліч кухонних установок, заснованих на явищі теплопровідності, наприклад пароварка на кипінні води при різних тисках. А також пристрої з моторами засновані на спільному застосуванні важеля,  гвинта. Таким пристроєм є міксер, м'ясорубка

Фізика в професії спортсмена

Викладач. Кожен із нас знає, яке важливе місце в житті людини займає спорт. А який зв'язок між фізикою і спортом? Сучасній людині, завдяки лише дуже хорошій фізичній підготовці важко досягти високого результату. Саме тому фізика - найкращий друг спорсмена!

Пропоную учня цікаві факти з життя спортсменів, пов’язані з фізикою.

Учень 1.  Аж до кінця XIX століття бігуни стартували з вертикального положення. Але в 1887 році в природний хід історії втрутився молодий спринтер Чарльз Шерілл. Будучи спостережливим студентом Єльського університету, бігун зауважив, що кенгуру перед стрибками і бігом нахиляється до землі, а потім розвиває величезну швидкість. З цими думками Шерілл пішов до тренера. На наступних змаганнях спортсмен став у нову позицію. Глядачі сміялися, але на фініші сміх припинився. Кілька чергових перемог Шерілла викликали чималий інтерес з боку фахівців. Низький старт дозволяє виграти кілька миттєвостей, а на коротких дистанціях кожне з них важливе.

Учень 2.  При швидкісному спуску на санях і гірських лижах костюми і спорядження спортсменів повинні бути обтічними, щоб зменшити зустрічний опір повітря. Це досягається шляхом використання спеціальних тканин і матеріалів, а також "продувкою" спортсменів або їх манекенів в аеродинамічних трубах.

Учень 3.  Поява пластику з різними фрикційними властивостями дозволило в одних випадках створити бігові доріжки, футбольні поля і корти з штучними покриттями, а з іншого вирішити ще більш складне завдання: замінити слизький сніг на гірськолижних трасах і трамплінах. Для цього найбільш доцільно використовувати матеріали, які мають не тільки низький коефіцієнт тертя, але і рифлену поверхню.

Учень 4.  Спортсменам ковзанярського спорту, хокею та фігурного катання необхідно знати закони фізики, пов'язані з характером взаємодії конька з льодом. Результати залежать від трьох чинників: сили тертя, сили тяжіння, і руху поштовхів ноги. Між лезом ковзана і льодом при ковзанні утворюється плівка води. Вона дуже тонка, проте, без неї цього ковзання не було б. Під тиском лід плавиться, утворюючи мастило, що ще зменшує тертя ковзання. За рахунок руху ковзанярі по льоду виникає сила тертя. Так само при ковзанні по гладкій поверхні бере участь сила тертя спокою, що дозволяє відштовхуватися від гладкої поверхні, коли він ставить ковзани на ребро, або різко зупиняється.

Учень 5.  У ряді спортивних дисциплін важливими є умови погоди. Так, в легкій атлетиці проводяться вимірювання швидкості вітру, яка може вплинути на результати бігу та стрибків. У вітрильних регатах, де в умовах затишності змагання взагалі неможливі при стрибках на лижах з трампліну, де бічний вітер може загрожувати життю спортсменів. Контролю підлягає температура снігу і льоду в зимових видах спорту, температура води у водних видах спорту.

Учень 6.  Спортсменів-фігуристів порівнюють з космонавтами. Відомо, що фігуристи під час обертань відчувають перевантаження, які можна порівняти з тими, що випадають на долю космонавтів під час зльоту. А при цьому спортсмен ще повинен тримати рівновагу і контролювати, щоб обертання відбувалося в одній точці (інакше судді покарають позбавленням балів). Природно, фігуристам доводиться не тільки техніку відточувати, але і тренувати вестибулярний апарат. Наприклад, за допомогою спеціальної диск-платформи з електроприводом. Швидкість обертання на подібному тренажері регулюється до 5 оборотів в секунду. При роботі в максимальному режимі виникає відцентрове прискорення з перевантаженням в 9 G (космонавти під час польоту відчувають 5 - 7 G)!

Учень 7.  М'ячі для професійного футболу давно не роблять зі шкіри. Цей матеріал дуже добре вбирає вологу, через що на мокрому полі шкіряний м'яч швидко стає дуже важким. Покришка справжнього сучасного футбольного м'яча зроблена з полівінілхлориду або поліуретану. Розмір м'яча для дорослих команд - 68-70 см, вага - не більше 450 м

Фізика в професії режисера

Викладач. Всі ми любимо дивитися голлівудське кіно. Ми розуміємо, що ці фільми - казки, а в казковому всесвіті чого тільки не буває.

Зазвичай, кінематографісти з Голлівуду слідують законам фізики при створенні чергового фільму. Але коли вони використовують спецефекти, схоже, ми забуваємо, як все це працює в реальності. Каліфорнійський вчений Адам Вайнер вирішив на секунду припустити: а що сталося б з героями, якби вони діяли в нашому, звичайному, світі?

Пропоную оцінити декілька кіносюжетів з боку фізики та дізнатися, чи можливі запропоновані у фільмах трюки здійснити у житті.

•      У блокбастері Роланда Еммеріха "День незалежності" до Землі наближається гігантський інопланетний корабель (його в фіналі успішно підривають герої Уілла Сміта і Джеффа Голдблюма). По ходу нам повідомляють, що його маса дорівнює чверті маси Місяця. Причому він в десять разів ближче до Землі, ніж Місяць. Чи можлива така ситуація?

Фрагмент відео з YouTube (Саме наближення подібного монстра до Землі принесло б їй більше шкоди, ніж будь-які інопланетні бомбардування. В океанах виникли б величезні приливні хвилі. Всі прибережні райони були б негайно залиті водою. Не витримала б і земна кора: почалися б жахливі землетруси. Але

інопланетяни випускають і інші кораблі, поменше. У знаменитій сцені над Нью-Йорком нависає жахливих розмірів "літаюча тарілка", що повністю закриває своєю тінню місто. Якби корабель рухався відповідно до законів Ньютона, тиск повітря розчавило б Нью-Йорк. Бомбардувати інопланетянам було б просто нічого).

•        У незабутньому "Армагеддоні" Брюс Вілліс з командою буровиків відправляється на астероїд "розміром з Техас", який на повній швидкості мчить до Землі. Їхній план простий: просвердлити в астероїді дірочку, закласти туди бомбу потужністю в 100 мегатон і розколоти інопланетного гостя на дві частини. Обидві повинні пролетіти повз нашу планету. Чому це неможливо?

Фрагмент відео з YouTube . (Все б добре, але "розміром з Техас" - значить діаметром десь в 1400 кілометрів. А Вілліс і нафтовики бурять свердловину всього в 400 метрів - за розрахунками Вайнера, це все одно що підірвати бомбу на поверхні. Команда буровиків має бомбою потужністю в 100 мегатонн. Звучить переконливо, але ... Для того щоб розколоти гігантський астероїд на дві частини і дати поштовх, необхідний, щоб ці частини збилися з курсу і пролетіли повз Землю, потрібно ще приблизно 80 мільйонів бомб такої ж потужності!)

•     У знаменитій сцені з старого фільму "Бетмен" супергерой в обнімку з Кім Бесінгер летить вниз з хмарочоса. На щастя, він встигає випустити вгору мотузку з гаком, вчепитися нею за статую і різко загальмувати перед самою землею. Чи можливо це у реальному житті?

Фрагмент відео з YouTube . (В реальності таке різке гальмування в повітрі мало чим відрізняється від удару об землю, принаймні по травматичності. Герої разом важать близько 140 кг, падають зі швидкістю 60 м/сек., а зупинка займає десяту частку секунди ... Загалом, сила, з якою довелося зіткнутися Людині-летючої миші, в 60 разів перевищує силу гравітації. Мотузка напевно б порвалася, а якби не порвалася, висмикнула б у Бетмена руку або як мінімум зламала її. Плюс до цього безліч внутрішніх травм: внутрішні органи, які жорстко не закріплені всередині тіла, продовжать рух). 

•        Пам'ятайте одну з найефектніших сцен в "Місія нездійсненна-2"? Там Том Круз і лиходій у виконанні Дугрей Скотта несуться на мотоциклах назустріч один одному. За секунду до того, як байки стикаються, персонажі неймовірним чином злітають з сидінь, чіпляються один в одного в повітрі, падають на землю і продовжують сутичку. Чи можливо це в реальності?

Фрагмент відео з YouTube . Мотоцикли несуться зі швидкістю приблизно 80 км/год. Том Круз важить близько 80 кг, Дугрей Скотт - 90. Вся сила удару доводиться на верхню половину їх тіл. Ну і яка ж сила тиску в цьому місці? 350 000 ньютонів на квадратний метр! Вивчення автокатастроф показало: 50 відсотків людей, які зазнали таких зіткнень, вмирають на місці. У тих, що вижили - важкі пошкодження внутрішніх органів, від яких часом доводиться лікуватися не один рік.

•        Закони фізики порушують не тільки режисери кінострічок, а й режисери-мультиплікатори. У мультфільмах всі принципи гравітації зводяться нанівець страхом. Тобто сильний переляк змушує персонажа стрибнути нереально високо в повітрі. Прикладом цього є мультфільм "Маша та Ведмідь" – серія "Двоє на одного": Даша (сестра Маші) підстрибує кожен раз, як бачить Ведмедя; свиня підстрибує і занурюється в калюжу при першому знайомстві з Дашею. Не раз буває коли ми дивимося мультфільми, то бачимо сюжет коли наприклад Вовк з мультфільму "Ну постривай" біжить по канату, який закінчується під його ногами  чи грунт, і через деякий час він помічає це і падає. Це неможливо. Бо не маючи твердої поверхні під собою тіло не може рухатись по повітрю. На нього діє як мінімум, сила земного тяжіння. Або Іван з казки про сірого Вовка. сів на ядро з гармати і полетів. Це неможливо. Поперше ядро після виходу з дула буде на стільки гарячим, що  на ньому не всидиш, та й маса ядра разом з Іваном не дозволить далеко відлетіти... 

Фізика в професії слідчого

Викладач. Ось уже протягом кількох століть люди захоплюються талановитим детективом Шерлоком Холмсом, дивуються його здібностям. У нього добре розвинута логіка та мислення, він добре знає математику, хімію, і, звичайно ж фізику. Ось декілька загадок від Шерлока Холмса.

1. Шерлок Холмс увійшов до квартири й почав розмову з господарями. Через хвилину він сказав: “Шановна господине, у Вас на кухні кипить чайник.” Як він це визначив, якщо знаходився в кімнаті, з якої не видно кухні? (Коли чайник кипить, то його кришка побрязкує завдяки утвореній парі).

2. Господарка дому, де був Холмс, підійшла до дверей і впустила кішку до кімнати. Подивившись на кішку Холмс сказав: “Погода на вулиці погана”. Як він це визначив? (У холодну погоду  хутро кішки стає особливо пухким, щоб у проміжках між ворсинками було більше повітря).

3. Щоб швидше остудити каструлю з молоком господарка дому поставила її на лід. Холмс подивився і подумав: “А з фізикою вона не дружить”. Чому в нього виникла така думка? (У цьому випадку лише нижня частина охолоджуватиметься за рахунок теплопровідності)

4. Була зима Шерлок Холмс зайшов до кімнати з вулиці. Крізь замерзлі вікна було видно лише  край дороги. “Господарка квартири неекономна”, - подумав він. Чому Шерлок Холмс зробив такий висновок?  (Вікна квартири замерзли. Значить в простір між рамами проникло з кімнати тепле вологе повітря, дотикаючись до холодного скла, замерзло на ньому. Тобто, вікна не заклеєні).

5. "Давайте звіримо годинник для нашої операції", - сказав Шерлок Холмс Вотсону. "Мої йдуть неточно і часто ламаються", - відповів той. "Заводите їх тільки вранці, і вони завжди будуть йти вірно", - порадив Шерлок Холмс. "Чи не все одно, коли заводити?" - заперечив Уотсон. "О ні, друже, і в цьому треба знати суть", - парирував неквапливо Холмс. Що ж саме треба знати? (Заводити наручний годинник, знявши його з руки ввечері, небажано, так як пружина нагріта, а після заводу і подальшого охолодження вона сильно деформується і може лопнути).

6. Господиня поставила на стіл тарілку з бутербродами - з сиром і ковбасою. Шерлок Холмс подивився на них і подумав: "А ніж господар точить рідко". Чому у нього виникла ця думка? (Якщо ніж тупий, то він чинить менший тиск і на зрізі сиру залишаються "рвані" широкі сліди).

7. "Я глянув на ртутний термометр, він показував -40 градусів" - відповів злочинець слідчому. "Цього не може бути!" - заперечив Шерлок. Чому Шерлок Холмс так вважає? (Ртутний термометр може вимірювати температури до - 39 градусів Цельсія, так як при більш низьких температурах - ртуть стає твердою речовиною).

ІІІ. Заключна частина

Викладач. Можна без перебільшення сказати, що знання, здобуті фізиками за століття розвитку науки, присутні в будь-якій області людської діяльності. Огляньте поглядом те, що вас зараз оточує — у виробництві всіх, хто знаходиться навколо вас предметів найважливішу роль зіграли досягнення фізики. У наш час ця наука активно розвивається, у ній з’явився такий по-справжньому загадковий напрямок, як квантова фізика. Відкриття, зроблені в цій галузі, можуть невпізнанно змінити життя людини.