Ф.Богданов И.Константин О.Юрьевич Название курса лекций: Наука и техника для любознательных Меня зовут: - презентация

1 Ф.Богданов И.Константин О.Юрьевич Название курса лекций: Наука и техника для любознательных Меня зовут:

2 Что такое наука? - система знаний о закономерностях в природе и обществе Зачем надо заниматься наукой? Приведите пример идущих СЕЙЧАС научных исследований Кого Вы знаете из известных учёных? Как работают учёные? Какая премия в науке считается самой ценной? Каким российским и советским учёным присуждены Нобелевские премии?

3 РОССИЙСКИЕ НОБЕЛЕВСКИЕ ЛАУРЕАТЫ по физиологии и медицине Иван Павлов (1849 –1936) Илья Мечников (1845 –1916) В 1904 году за работу по физиологии пищеварения В 1908 году за труды по иммунитету

4 РОССИЙСКИЕ НОБЕЛЕВСКИЕ ЛАУРЕАТЫ Николай Семёнов (1896 – 1986) по химии В 1956 году за теорию цепных реакций

5 Павел Черенков ( ) Илья Франк ( ) Игорь Тамм (1895 – 1971) РОССИЙСКИЕ НОБЕЛЕВСКИЕ ЛАУРЕАТЫ по физике В 1958 году за открытие и объяснение свечения Черенкова

6 Лев Ландау (1908 – 1968) Николай Басов (1922 – 2001) Александр Прохоров ( ) РОССИЙСКИЕ НОБЕЛЕВСКИЕ ЛАУРЕАТЫ по физике В 1962 за революционные теории в области физики конденсированного состояния, особенно жидкого гелия В 1964 за разработку принципа действия лазера

7 РОССИЙСКИЕ НОБЕЛЕВСКИЕ ЛАУРЕАТЫ по экономике Леонид Канторович ( ) В 1975 г. за работы по теории оптимизации

8 РОССИЙСКИЕ НОБЕЛЕВСКИЕ ЛАУРЕАТЫ по физике Петр Капица (1894 – 1984) Жорес Алферов (род. в 1930) В 1978 г. за фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур В 2000 г. за работы в области оптоэлектроники

9 Виталий ГинзбургАлексей Абрикосов В 2003 году за вклад в развитие теории сверхпроводников и сверхтекучести РОССИЙСКИЕ НОБЕЛЕВСКИЕ ЛАУРЕАТЫ по физике

10 Какая существует связь между лауреатами Нобелевской премии и динамитом?

11 Альфред Нобель ( ) - король динамита, получивший образование в Петербурге В середине 19-го века отец Альфреда Нобеля приехал из Швеции и построил завод по производству мин, и паровых машин для кораблей и токарных станков в Петербурге. Зачем Росии нужны были тогда корабли и боеприпасы? Начиналась Крымская война, которую Россия проиграла из-за того, что не успела быстро пересесть с парусного на паровой военный флот, которым тогда обладали Франция и Англия. Вернувшись в Стокгольм, Альфред решает заняться усовершенствованием черного пороха - порошковой смеси угля, серы и нитрата калия, который тогда был единственным взрывчатым веществом, применявшимся как для стрельбы, так и для любых взрывных работ, независимо от назначения. В то же время было известно, что нитроглицерин является куда более мощной взрывчаткой. Однако применять нитроглицерин было очень неудобно из-за того, что он был очень взрывоопасной летучей жидкостью и взрывался от малейшего толчка или удара. Альфред Нобель решил укротить нитроглицерин и взрывать его с помощью пороха, но … чуть не погиб от взрыва. Детонация нитроглицерина оставалась неуправляемой. Как заставить серу гореть медленно? Как Нобель сделал динамит из нитроглицерина? Нобель пропитал нитроглицерином пористый материал - кизельгур, и нитроглицерин перестал быть опасным. Самопроизвольные взрывы прекратились, и смеси можно было прессованием придавать любую форму. Эта находка Нобеля и получила название динамита (от гречекого слова "динамис" - сила). Где стали применять динамит и разбогател Нобель? Динамит стал применяться и на бакинских промыслах, где Нобель стал "русским Рокфеллером. Он владел 350(!) патентами и всемирной сетью зи 93 заводов по производству динамита.

12 «Все мое оставшееся реализуемое состояние распределяется следующим образом. Весь капитал должен быть внесен моими душеприказчиками на надежное хранение под поручительство и должен образовать фонд; назначение его – ежегодное награждение денежными призами тех лиц, которые в течение предшествующего года сумели принести наибольшую пользу человечеству.... призовой фонд должен делиться на пять равных частей, присуждаемых следующим образом: одна часть – лицу, которое совершит наиболее важное открытие или изобретение в области физики; вторая часть – лицу, которое добьется наиболее важного усовершенствования или совершит открытие в области химии; третья часть – лицу, которое совершит наиболее важное открытие в области физиологии или медицины; четвертая часть – лицу, которое в области литературы создаст выдающееся произведение идеалистической направленности; и наконец, пятая часть – лицу, которое внесет наибольший вклад в дело укрепления содружества наций, в ликвидацию или снижение напряженности противостояния вооруженных сил, а также в организацию или содействие проведению конгрессов миролюбивых сил. Завещание Альфреда Нобеля

13 Теория размерностей и её применение в оценке спортивных достижений. Распространение волн. Эффект Доплера. Сверхзвуковой барьер. Радары на дорогах. Всё о силе трения. Недостатки современного автомобиля. «Гибридный» автомобиль. Эконофизика. «Парадокс заключённых»: последствия для экологии и экономики. Введение в теорию вероятности. Задачи смешные и не очень. Теория сопротивления материалов. Почему кости такие прочные, а горы – не выше 10 км. Введение в аэродинамику полёта. Подъёмная сила крыла и как устроен самолёт Вода и жизнь на Земле. Снежинки, лёд и борьба с гололёдом. Физика стирки. Что такое поверхностное натяжение или как мыло моет Как сделать воду чистой? Современные способы очистки воды. Как мы дышим на земле и под водой. Кессонная болезнь и как можно её избежать Введение в аэродинамику полёта. От чего зависит подъёмная сила крыла и как устроен самолёт Введение в физику атмосферы. Почему и куда дуют ветры и откуда ураганы берут энергию Глобальное потепление и парниковый эффект – вызов человечеству Структура Земли. Тектоника плит коры. Землетрясения и вулканическая активность Введение в космологию. Теория «Большого взрыва». Постоянная Хаббла История и будущее двигателей: паровые двигатели и двигатели внутреннего сгорания Покорение космоса. Различные виды реактивных двигателей Как сокращаются мышцы и движутся роботы. История лампочки и как работают современные осветительные приборы Основные научные открытия прошедшего года Темы следующих лекций в этом учебном году:

14 Как самому сделать WEB-страницу Вода в воздухе: пар, туман и облака. Как избавиться от запотевания стёкол? Почему холод сушит? Пыль космическая и обычная. Откуда она появляется и как от неё избавиться? Как пыль взрывается? Физика и химия о яйце. Осмос и кулинария. Любовь и ненависть в мире материалов. Почему листья лотоса и капусты всегда чистые? Энергия из воздуха. Ветроэлектростанции. Как смотреть сквозь стену? Как рентгеновские лучи помогают обнаружить взрывчатку и наркотики? Можно ли прикурить в космосе или что такое огонь? Что тянет Гольфстрим на север и как быстрее скатиться с горки? Как стирает ультразвук? Темы дополнительных лекций в этом учебном году:

15 О чём бы вы хотели узнать на следующих лекциях?

16 Теория размерностей или как легко выводить и вспоминать физические формулы Что такое физические формулы? Уравнения связывающие различные физические величины Как связывает 2-ой закон Ньютона силу(F), массу тела (m) и его ускорение (a)? Если рядом нет Ньютона и учебника, то нам поможет теория размерностей Что такое размерность физической величины? Примеры? Это название единиц массы, длины, времени, и др. единиц измерения и их комбинации. Примеры: кг, м/сек, кулон и т.д Справа и слева в физических уравнениях стоят размерные величины, и поэтому размерность левой части формулы должна равняться размерности правой части формулы - это и есть теория размерностей например, если размерность левой части м. кг, то и размерность правой части формулы тоже должна быть м. кг

17 Справа и слева в уравнениях стоят размерные величины, и поэтому размерность левой части формулы должна равняться размерности правой части формулы (теория размерностей) Будем обозначать размерность: м-[м]м-[м] c-[c]c-[c] кг-[кг] м2-[м]2м2-[м]2 м/с-[м]. [c] -1 кг. м/с 2 -[кг]. [м]. [c] -2 и т.п. Вернёмся ко 2-му закону Ньютона, и пусть мы действительно ВСЁ забыли, но помним, что: Найдём значения для альфы и беты с помощью теории размерностей!!!

18 Вспоминаем закон Ньютона с помощью теории размерностей Какая размерность левой части? [Н] = [кг]. [м]. [c] -2 Какая размерность правой части? Приравнивая размерности левой и правой части, получаем: откуда следует, что:

19 Задача на дом Попробуйте с помощью теории размерностей вывести формулу для потенциальной энергии (W) тела массой m, поднятого на высоту h: W=mgh, если известно, что энергия имеет размерность [кг]. [м] 2. [c] -2

20 Как с помощью теории размерностей вывести формулу для периода колебания маятника? Очевидно, что период колебаний, T зависит как-то от длины маятника, L, массы, m и ускорения свободного падения, g (ведь в невесомости маятники не колеблются) Пусть период колебаний, T зависит от длины маятника, L, его массы, m и ускорения свободного падения, g в виде степенной функции: Тогда из теории размерностей следует, что: и возникает следующая система уравнений:

21 Мы овладели теорией размерностей! Как нам её применить? Где надо применять достижения какой-либо науки? ФизикаБиологияХимияЭкономика ЭконофизикаБиофизикаБиохимия Исследования на стыках наук Лекции спецкурса будут посвящены тому, как достижения одной науки можно применять в другой отрасли знаний

22 Почему тяжелоатлеты выступают в разных весовых категориях? Почему сила человека зависит от его массы?

23 Рекорды Европы в «жиме» на 1 января 2003 в различных весовых категориях кг Весовая категория до Взятый вес, в кг y=10. x 2/3

24 Максимальная сила (F), развиваемая мышцей, пропорциональна площади её поперечного сечения (S) А Б скелетная мышца поперечное сечение, разрез по А-Б F = 50S Н S Используем теорию размерности, чтобы найти формулу, связывающую массу мышцы (M) и площадь её поперечного сечения (S)

25 Как вычислить площадь поперечного сечения мышцы, если известна её масса? Как вычислить площадь поперечного сечения мышцы, если известен её объём, V ? Используем теорию размерностей Найдём альфу, приравняв размерности левой и правой части: Так как то после подстановки получаем окончательное выражение для зависимости S от M :

26 Максимальная сила (F), развиваемая мышцей, пропорциональна площади её поперечного сечения (S) А Б скелетная мышца поперечное сечение, разрез по А-Б F =50S Н S Так как, то Мы решили задачу биомеханики методом теории размерностей!

27 Зависимость силы спортсмена от его массы (рекорды Европы в «жиме» на 1 января 2003 в различных весовых категориях ) кг Масса спортсмена, M Сила в жиме, F F=10. M 2/3

28 Всегда ли теория размерностей может помочь вывести или вспомнить формулу? К сожалению, не всегда! В механике, например, всего ТРИ независимые единицы измерения: секунда, метр и кг. Поэтому, приравнивая размерности левой и правой части формулы, мы получаем систему из трёх уравнений, которая может помочь получить нам искомую формулу только, если количество неизвестных не больше ТРЁХ. Пусть, например, мы ищем формулу для зависимости периода обращения, T искусственного спутника массой m вокруг Земли с массой M, радиусом орбиты R и гравитационной постоянной G: Если приравнять размерности левой и правой частей, то мы получим ТРИ уравнения (одно для м, одно для кг и одно для сек ), а неизвестных у нас ЧЕТЫРЕ. Значит, найти альфу, бету, гамму и дельту нам не удастся с помощью теории размерностей. Теория размерностей становится бессильной, когда требуется определить зависимость от какого-либо безразмерного параметра (например, найти, как зависит дальность броска от угла к горизонту)

29 Почему почему прыгунов в высоту не взвешивают перед соревнованиями? Высота прыжка пропорциональна кинетической энергии спортсмена в момент его отрыва от земли Как зависит максимальная энергия спортсмена от его массы? Зависит ли высота прыжка от массы спортсмена? Задача на дом

30 Вопросы для повторения: Как зовут преподавателя спецкурса? Кто был Альфред Нобель, и что он изобрёл? Кто был первым Российским лауреатом Нобелевской премии? Что такое теория размерностей, и что она помогает делать? Всегда ли теория размерностей «работает»?