Элективный курс по физике "В мире современной техники"
методическая разработка по физике (9 класс) по теме

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН

Муниципальное образовательное учреждение «Средняя (полная) общеобразовательная школа №9 с углубленным изучением отдельных предметов»

В мире современной техники

Программа

курса по выбору для учащихся 9-х классов

Составитель: учитель физики

высшей квалификационной категории

Окулина Н.И.

г. Елабуга, 2009 г.

Пояснительная записка

Курс рассчитан на 9 часов.

Спецкурс ознакомит учащихся с разработкой и внедрением в жизнь таких новшеств техники, как конверторы, волоконно-оптическая связь, суперкомпьютеры, люстры Чижевского, биочипы, межконтинентальные ракеты, MP3-плееры, нанотехнологии и др.

Материалы программы курса позволяют не только видеть основные закономерности природных явлений, но показать учащимся внедрение этих явлений в чудеса современной техники, показать роль человеческого факторы в научно-техническом прогрессе.

Цели курса:

- создание ориентационной и мотивационной основы для осознанного выбора естественнонаучного профиля обучения;

- создание установок для самостоятельной работы в целях познания изобретений техники;

- создание условий для формирования развития у учащихся интеллектуальных умений в плане познания;

- показать величину человеческой мысли при познании природы и умения перенести законы природы в достижения в области техники;

- развитие умения работать в группах, отстаивать свою точку зрения, вести дискуссию.

В процессе обучения учащийся приобретает следующие конкретные умения:

- наблюдать и видеть аналогии в природе и технике;

- анализировать, классифицировать природные явления и их аналоги в изобретении человечества, делать соответствующие выводы;

- обсуждать результаты человеческой деятельности в области техники;

- соотносить достижения техники с теми или иными темами школьного курса;

-предлагать собственные способы решения поднятой проблемы.

Перечисленные умения формируются на основе следующих знаний:

- простейших технических изобретений древности;

- индуктивного и дедуктивного подходов познания природы;

- роли достижений в области техники;

- роли соотношения теории и эксперимента при создании новых технологий;

- задач техники с целью преобразования природы и мира человека в соответствии с целями, поставленными людьми на основе их нужд и пожеланий.

Программа курса построена таким образом, что изучение всех последующих тем обеспечивается предыдущими, а между частными и общими знаниями прослеживаются связи.

Материал курса охватывает технические новшества в промышленности, медицине, космонавтике, в вооружениях, в бытовой технике.

Используются такие наиболее эффективные методы обучения, как практические работы по изготовлению световодов, знакомство с телескопом и экскурсия в школьный кабинет здоровья для ознакомления с принципами действия люстры Чижевского и др.

Курс «В мире современной техники» дает возможность взглянуть на технический прогресс с экологической точки зрения, с позиций ограничения опасных технологий, ограничения стремления к знаниям в некоторых сферах.

О сформированности конкретных умений можно судить по готовности учащихся  к ведению диалога, самостоятельной подготовке соответствующей информации по данной тематике.

Критерием оценки ожидаемых результатов может служить подготовка и оформление докладов, отчётов по выполненным лабораторным работам.

Учебно-тематический план

Тема 1. Что такое техника и её роль в промышленности.

Урок 1. Введение.

Цель урока: показать учащимся отличие техники и технологии, ознакомить с задачами техники.

Ход урока

Объяснение учителя.

Если заглянуть в «Энциклопедический словарь юного техника», то определение техники таково:

«Техника – это совокупность устройств и приёмов, применяемых человеком в производственной и непроизводственной деятельности для облегчения и ускорения трудовых процессов; техника – это машины, станки, приборы, инструменты и др.; это здания и сооружения, дороги и каналы, средства общественного транспорта; это и коммунальное оборудование, холодильники, кухонные и стиральные машины, пылесосы; это средства транспорта и связи личного пользования».

Технология – это совокупность наиболее эффективных приёмов, методов, способов использования оборудования и других технических средств для обработки сырья, материалов и изделий и получения полуфабрикатов и готовой продукции.

В настоящее время главной движущей силой развития является технология изготовления. Конструкцию устройства можно подсмотреть или украсть, и мы знаем множество примеров изготовления в разных странах одинаковых технических изделий. С технологией такой фокус не проходит, так как для осуществления технических решений необходим определённый технический уровень развития все промышленности.

Пример: современный реактивный двигатель с изменяемым углом тяги.

Как выглядит сопло такого двигателя, знают тысячи людей, как его сделать – десятки, а могут сделать – лишь единицы. Технология изготовления какого-либо изделия предполагает разработку ряда операций и отдельных технологических процессов.

Пример: Вам надо испечь пироги, и у вас есть всё: мука, молоко, масло, соль, начинка. Но вы не знаете последовательность действий – что надо делать вначале, что потом. Или наоборот: последовательность операций        вам известна, но неизвестно, как сделать тесто, при какой температуре готовить пироги и, вообще, жарить их или печь, а может варить? А каково будет тем, кто будет есть ваши пироги?

То же самое и с техническими объектами: самолётами, телевизорами, автомобилями и т.д. Необходимо знать огромное число технологических процессов.

Вот чем техника отличается от технологии.

Уже древние могли делать простейшие технические приспособления. Вот говорят, человекообразная обезьяна встала на две ноги, взяла в руки палку, начала общаться с соплеменниками и превратилась в человека. Ничего подобного. Ни в кого эта обезьяна не превратилась и до сих пор бродит по влажным субтропическим лесам. А в человека превратилась та обезьяна, которая научилась изготовлять орудия труда – палку, каменное рубило, копье, жернова, соху, плуг, топор и другие. Вот это умение делать, и не просто делать, а целенаправленно изготовлять инструменты выделило человека из царства природы.

И чем больше человек уходил от своих корней, тем больше он был вынужден трудиться над изменением природы, что вызвало ещё большее размежевание природы и человека. Изменение природы стало смыслом его деятельности. Но человек слишком слаб, чтобы самостоятельно изменить природу и придумал себе трёх помощников – инструменты, машины и технологию.

Таким образом, техника – необходимая часть человеческого существования. Однако, если человек делающий, тогда он крайне опасен. Важно, чтобы он был и человек разумный. И дело не только в развитии военной техники. Один из основателей крупнейшей компании Силиконовой долины Билл Джой выступил с резкой критикой безостановочного развития техники и технологий. Впервые о сдерживании прогресса заговорил ведущий специалист по высоким технологиям.

«Мы влетаем в новый век без плана, без контроля, без тормозов. Момент, когда мы уже не сможем контролировать ситуацию, приближается», - пишет Билл Джой. По его мнению есть 3 направления, в которых человечество ожидает наиболее опасные катаклизмы:

1 направление – интеллектуальные роботы

2 направление – генная инженерия

3 направление – нанотехнологии

Могут быть эволюционизированны роботы, которые достигнут человеческого уровня интеллекта и будут бороться с человеком за ресурсы;

-  это новые болезни, созданные генной инженерией для выборочного поражения отдельной группы людей;

- самовоспроизводящиеся наномеханизмы, способные привести к массовым разрушениям.

И, хотя, развитие программного обеспечения приносит пользу человечеству, но необходим контроль за его развитием.

Остаётся надеяться, что разум победит.

Урок 2. Конвертеры. Волоконно-оптические линии связи. Лабораторная работа «Как изготовить световод?»

Цель урока: показать учащимся роль техники в промышленности и практическую значимость данного материала.

Ход урока

Объяснение учителя.

На данном занятии мы поговорим о вкладе науки в промышленность: конверторах и волоконно-оптических линиях связи.

Конверторы.

В 1855 году англичанин Генри Бессемер провёл простейший опыт: расплавил в тигле кусок доменного чугуна и продул его воздухом. Хрупкий чугун превратился в ковкую сталь. Всё объяснялось очень просто: кислород воздуха выжигал углерод из расплава, который удалялся в атмосферу.

Таким образом, был создан конвертер – агрегат, превращающий расплавленный чугун в сталь без дополнительного нагрева. Этот процесс очень быстрый, дешёвый и простой.

Конверторы с течением времени совершенствовались. В настоящее время в мире применяется и разрабатывается много различных методов продувки чугуна не только кислородом, но и инертными газами (аргон, азот). Здесь все процессы механизированы и автоматизированы; всё чаще управление конверторами поручается компьютерам.

Волоконно-оптические линии связи.

При всех достоинствах традиционных видов связи каждому из них присущ и целый ряд недостатков, которые становятся всё более чувствительными по мере нарастания объёмов передаваемой информации. Несмотря на новейшие технологии, позволяющие значительно уплотнить передаваемую по кабелю информацию, магистральные телефонные линии всё равно оказываются перегруженными. То же можно сказать о радио и телевидение, где из-за большого количества телеканалов и радиостанций возникает «теснота в эфире».

Эра современной оптической связи началась в 1960 году после создания первого лазера. Возникли надежды на преодоление проблем «эфирной тесноты». Вместо санти- и миллиметровых волн стали использоваться микронные волны видимого света.

Так обстояло до 1966 года, пока 2 японских учёных не предложили использовать длинные стеклянные волокна. (Объяснить суть: превращение звуковой энергии в световую).

Совершенствование осуществилось после создания двухслойных световодов. Световодная жила была заключена в прозрачную оболочку.

Подобные световоды можно покрывать полимерной оболочкой и превращать их в световедущий кабель. (Стеклянный стержень → стеклянная трубка → конструкций нагревается).

Кроме того необходим был передатчик. Он стал возможным благодаря трудам Жореса Алфёрова, за что он получил Нобелевскую премию (лазерные диски памяти и волоконно-оптические линии связи).

В 1998 году – пропускная способность – 600 000 одновременных телефонных разговоров против 36 у первой проводной линии.

В 2000 году введена в эксплуатацию волоконно-оптическая линия связи «Москва – Санкт-Петербург – Стокгольм», давшая России ещё один доступ в Интернет.

Введена терабитная скорость передачи информации.

«Оптоволокно – в каждый дом» - становится явью. Число пользователей волоконно-оптических средств связи в системе Интернет превысило уже 1 млрд. человек.

******

Здесь вставь лабораторную работу «Как изготовить световод»

******

Домашнее задание: собрать вырезки, рисунки – техника в промышленности.

Тема 2. Техника в медицине.

Урок 3. Лазер-хирург, биочип, томографы.

Цель урока: показать учащимся роль физики в медицине на современном этапе.

Ход урока

Объяснение учителя.

1.Формирование новых знаний, умений, навыков: /30 мин./

На прошлых уроках в ходе изучения курса  «В мире современной техники» мы познакомились с применением физических знаний в промышленности, на транспорте, в строительстве и астрономических наблюдениях. Задача сегодняшнего урока – изучить роль техники в медицине. Из всего многообразия применяемых ныне приборов в медицине, мы остановимся на 3-х из них: лазерное оборудование, современные биочипы, томограф. В г. Казани есть специальная кафедра микроэлектроники в медицине на базе Казанского Государственного Энергетического Университета.

-сообщение ученицы о применении лазерной техники в медицине (см. приложение)

-сообщение ученика о биочипах (см. приложение)

- сообщение ученика о томографах (см. приложение)

2.Закрепление:/15 мин./

-рефлексия (чему научились на занятии, что нового для себя получили, что понравилось и не понравилось на занятии?)

Приложение к занятию «Физика в медицине»

Лазер-хирург

Пожалуй, сегодня чаще всего лазер используется для операций на глазах. Всем известны успехи  знаменитой клиники Святослава Федорова. Но восстановлением зрения, к счастью, его применение не ограничивается.

Ежегодно более 150 000 жителей России  нуждаются в операциях по поводу ишемической болезни сердца, то есть недостаточного кровоснабжения ткани сердечной мышцы.

Такие люди рано или поздно становятся пациентами хирурга. Для того, чтобы решить, что делать с больным, проводится тщательное диагностическое исследование- коронарография. По ее результатам врач делает выводы. Если поражен один сосуд, его можно расширить катетером, подобная операция называется ангиопластика. У других больных поражение множественное, тогда им предписывают операцию аортокоронарного шунтирования. Такую успешно сделали первому президенту России Б.Н.Ельцину. Однако иногда такие коронарные сосуды настолько забиты атеросклеротическими бляшками, что аортокоронарное шунтирование невыполнимо. Таких пациентов может спасти операция с помощью лазера. Ее суть состоит в создании новых сосудов в мышце сердца.

Эта уникальная операция разработана россиянами в клинике А.Н.Бакулева.

Ее осуществил академик Лео Бокерия и его коллеги.

Идея наших ученых состоит в том, чтобы пробить лазерным лучом через всю толщу сердца от 45 до 70 микроскопически узких сквозных отверстий в разных направлениях и получить сеть канальцев. Позже канальца в процессе нормальной физиологической эволюции начинают между собой сообщаться. В результате они создают новую кровеносную систему сердца. Только так можно помочь больному. Ведь старые сосуды восстановить нереально- они «намертво» закупорены бляшками, оттого кровь не поступает к некоторым участкам сердца. Через них-то и пробиваются канальца. Операция проходит без подключения системы искусственного кровообращения. Это ведет к снижению травматизма во время операций и сокращает их по времени.

Биочипы

Биочип трудно заметить невооруженным глазом. Это едва заметный матовый квадратик на блестящей черной пластинке, размер которой не больше обычной почтовой марки. Этот кроха способен перевернуть всю медицину. Ведь биочип способен заменить целую лабораторию с ученым штатом, сотнями приборов. Принцип действия такого чипа основан на молекулярной биологии. Каково его устройство и принцип действия?

Сначала на пластинку наносится гель, на 99% состоящий из воды. Через специальное «сито» его облучают ультрафиолетовыми лучами. Лучи превращают гель в полимер. Получаются ячейки размером в несколько микрон. На биочипе таких ячеек от шестисот до нескольких тысяч.

Автомат под контролем компьютера наносит на ячейки различные растворы. В каждом содержатся молекулы различных биологических объектов: фрагменты ДНК, бактерии, вирусы. Так получают биочип.

Для анализа на него надо нанести каплю «подопытной» крови или плазмы. Затем к каждой их молекуле присоединяют «фонарик» флуоресцентного(светящегося) вещества. За процессом наблюдают в специальный микроскоп, созданный в Санкт- Петербурге. Молекулы, завидев «родственников» на биочипе, соединяются с ними. В результате, где больше «фонариков», там и ячейка светится ярче. Так удается определить бактерии или дефектные гены. В принципе же можно распознать любое молекулярное вещество. При желании портрет биочипа можно увеличить и отпечатать на фотобумаге. Затем чип можно высушить и хранить вечно.

Биочип обнаруживает споры сибирской язвы за полчаса, традиционный метод – полсуток. Биочип обнаружения бацилл туберкулеза выявляет его через 2-3 дня, а пока больных долгие месяцы лечат вслепую, часто совсем не тем, что необходимо.

Доступны биочипу ранние стадии онкологических заболеваний, предрасположенности к болезням сердца и сосудов, вредные примеси в воде и воздухе. Если  бы были  средства на промышленное производство, если бы те, кому положено, оценили новейшую, дешевую и во многих случаях специальную технологию.

Но ученые верят, что пройдет еще 5-10 лет, и мы сможем купить анализатор-приставку к компьютеру и набор биочипов в аптеке. Узнаем о своем здоровье почти все. Дешевыми анализаторами оснастят все поликлиники, травмопункты, отделения милиции, что составит огромную экономию ресурсов.

Томографы

Среди появившихся в последние годы методов диагностики особенно информативны, по мнению учёных-медиков, так называемые интраскопические методы: рентген-компьютерная томография, ядерно-магниторезонансная (ЯМР) томография и ЯМР-спектроскопия, а также позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ).

Когда подозрительный участок или орган освещается лазерным импульсом, спектральный отклик – своего рода оптическая подпись – раковой ткани заметно отличается от отклика нормальной ткани. Наиболее известным сегодня примером трёхмерной визуализации может служить компьютерная томография.

Обычные методы, даже при очень хорошей рентгеновской трубке и сверхчувствительной фотоплёнке, дают нечёткое и сильно «зашумленное» изображение, к тому же только двумерное, так что правильно его интерпретировать – отдельная наука.

Принцип действия томографа основа на двух тривиальных фактах: во-первых, человеческое тело состоит главным образом из воды, причём её молекулы образуют химические связи с белками и другими структурами, разными в разных тканях; во-вторых, молекула воды есть диполь. В организме эти диполи ориентированы, разумеется, как попало и к тому же вращаются. Но если ненадолго поместить человека в магнитное поле (довольно сильное, но не настолько, чтобы представлять опасность для здоровья), все молекулы воды поворачиваются «лицом» в направлении его силовых линий. Затем подают особую радиочастоту – она придает диполям дополнительную энергию и отклоняет их от заданной магнитным полем ориентации на тот или иной угол. Собственно, в том и всё дело, что углы разные: их величина зависит от внутренней структуры органа или ткани, а также – что особенно важно – от наличия патологий.

В отличие от традиционных рентгеновских методов томография представляет собой объёмную реконструкцию внутренних органов на основе числовых данных, являющихся характеристиками физических свойств тканей. На ЯМР-томографе можно получить, например, трёхмерное изображение плода. Врач может рассматривать мельчайшие детали, как угодно преобразовывать изображение, его можно также легко сжимать, архивировать, передавать по каналам связи для участия в телеконсилиумах и т.д.

В отличие от рентгеновского обследования ЯМР-метод абсолютно безвреден и гарантирует намного лучший контраст между разными типами тканей, что позволяет легко различать здоровые и пораженные участки. ЯМР-томография особенно успешно применяется при диагностике патологий центральной нервной системы и костно-мышечного аппарата, а также для распознавания опухолей на фоне здоровых тканей.

Для диагноза легочных заболеваний немецкие медики ежегодно делают двадцать один миллион рентгеновских снимков. Однако эти снимки недостаточно контрастны, а рентгеновское излучение вредно для организма. Иное дело – ЯМР-томография.

При многих заболеваниях, протекающих с нарушением дыхания, таких, например, как астма или эмфизема, ЯМР-томограф даёт недостаточно чёткое изображение – из-за незначительной плотности лёгочной ткани. А столь важные для диагностики лёгкого вещества, как кислород и азот, вовсе не регистрирует.

Поэтому исследователи пытаются улучшить снимки лёгкого тем, что вынуждают пациентов вдыхать безопасные газы в качестве контрастного вещества. Особенно перспективны поляризованные инертные газы. Испытания показали, что насыщение лёгкого ими позволяет получить отчётливое изображение. Лучшее в сравнении с водородом намагничивание поляризованных инертных газов облегчает работу томографа. Таким образом, медики могут не только диагностировать на ранней стадии астму, муковисцидоз и другие лёгочные заболевания, но и дополнительно проверить эффективность лечения.

Другой пример – использование ядерно-магниторезонансного томографа для диагностики инфаркта вместо сердечного катетера.

Обследование сердца с помощью ЭКГ, ультразвука и облучения радиоактивными изотопами не всегда приводит к удовлетворительным результатам. В таких случаях часто показана диагностика с помощью сердечного катетера, который вводят в сердце через кровеносные сосуды. Это серьёзная нагрузка для организма обследуемого, и многие пациенты предпочитают традиционной методике новую, самую современную: безвредными для человека магнитными полями сердце «просвечивает» ядерно-магниторезонансный томограф. Предшествующие модели ЯМР-томографов из-за слишком длительных периодов измерений давали недостаточно чёткие изображения (сердце непрестанно бьётся, и снимок «с большой выдержкой» получается смазанным). Новейшие устройства, улучшенное аппаратное и программное обеспечение позволяют делать достаточно чёткие снимки сердца в промежутках между его ударами.

ЯМР-томография избавляет инфарктных пациентов от излишних нагрузок. С помощью этого метода можно предсказать, обещает ли вообще успех расширение сосудов или операция на анастомозе.

Очень важно, что новая техника может оградить от опасных вмешательств многих юных пациентов. Сильные магнитные поля, воздействию которых подвергаются обследуемые, практически безвредны – по крайней мере, так считает современная наука. Альтернативные методы, к примеру, компьютерная и позитронно-эмисионная томография, работают, напротив, с небезопасными для организма субстанциями – рентгеновскими лучами и радиоактивными изотопами.

Урок 4. Экскурсия в кабинет здоровья. Люстра Чижевского. Лабораторная работа «Измерение артериального кровяного давления»

Цель урока: 1. Развитие практических навыков в умении пользоваться  простейшими медицинскими приборами.

        2. Работа по профориентации.

        3. Приобретение опыта самостоятельного измерения кровяного давления.

Приборы и материалы: тонометры (8 штук), люстра Чижевского, описание

лабораторной работы «Измерение артериального кровяного давления».

Ход урока

Раздача учащимся сфигноманометров /тономентров/ и рассказать о его устройстве.

Выполнение учащимися лабораторной работы « Измерение артериального кровяного давления»:

- чтение текста лабораторной работы, знакомство с целями и задачами лабораторной работы

- выполнение лабораторной работы

- рефлексия (чему научились на занятии, что нового для себя получили, что понравилось и не понравилось на занятии?)

Лабораторная работа

«Измерение артериального кровяного давления»

Задание: ознакомьтесь с устройством сфигмоманометра и произведите измерения верхнего и нижнего артериального давления у вашего товарища, выполняющего роль «пациента».

Порядок выполнения работы

1. Для проведения измерений давления пациент должен сесть на стол, завернув рукав рубашки или платья на левой руке до плеча и положить руку на стол. Вы должны предварительно повернуть регулятор нагнетателя против часовой стрелки до упора и, нажимая ладонью на манжету, выпустить из неё весь воздух.
2. Закройте выпускной клапан, плотно оберните манжету левой руки пациента выше локтя и закрепите её положение застёжками.
3. вставьте наконечники фонендоскопа в уши и проверьте его работоспособность лёгким постукиванием по головке фонендоскопа.
4. После проверки вставьте головку фонендоскопа под край манжеты с внутренней стороны локтевого сустава напротив артерии. Поверните регулятор нагнетателя по часовой стрелке до упора.
5. Сжимая и опуская баллон нагнетателя, наблюдайте за показанием манометра. Когда стрелка прибора приблизиться к 150, прекратите нагнетание воздуха и небольшим поворотом регулятора против часовой стрелки откройте воздуху выход из манжеты. Открыть выход нужно настолько, чтобы давление в манжете снижалось примерно на 2-5 мм.рт.ст. в секунду. Непрерывно наблюдая показания манометра, заметьте значение давления, при котором начинают прослушиваться тоны сердца. Это значение соответствует верхнему артериальному давлению.
6. При дальнейшем снижении давления в манжете нужно заметить показания манометра в тот момент, когда тоны сердца перестают прослушиваться. Это значение соответствует нижнему артериальному давлению.
7. После завершения измерений поверните регулятор нагнетателя против часовой стрелки до упора, снимите манжету с руки и выпустите из неё воздух.
8. Если первая попытка оказалось неудачной, то сделайте повторное измерение, но не ранее чем через 5 минут.

Рассказ учителя о люстре Чижевского.

Люстра Чижевского

Александр Леонидович Чижевский – великий русский биофизик, основоположник гелиобиологии изобретатель, бесспорно, знаменитой теперь электроэффлювиальной люстры.

Сам Чижевский, когда речь заходила о приоритете, вспоминал замок Дуино в Адриатике. На одном из его бастионов с незапамятных времен было закреплено копье. Там всегда на часах стоял солдат и следил за погодой. Если на острие копья появлялось огненное свечение или проскакивали искры, часовой звонил в колокол, предупреждая окрестных жителей и рыбаков о надвигающейся непогоде.

Но важно другое: растительность вокруг этого копья была несравненно богаче, чем в некотором отдалении. И знала об этом вся округа!

В 1748 году французский аббат Ноллет выращивал рассаду в металлических горшках и регулярно подносил их к заряженным частям электрической машинки. И у него увеличивалась энергия прорастания семян.

В 1780 году другой французский аббат Бертолон, большой знаток физики и медицины, ставил необычные опыты в своем саду и огороде. Он поливал растения из леек, соединенных проводом с электростатической машиной, и добился поразительных результатов. Овощи росли быстрее, гиацинты давали больше листьев и стеблей, а фрукты созревали скорее и были на редкость вкусны.

Известно, что президент США Бенджамин Франклин придумал громоотвод. Он же первый предложил использовать атмосферное электричество в лечебных целях. В его честь такое лечение назвали франклинизацией. А медицинскую электростатическую машинку с паукообразным электродом, который как люстру, подвешивали над головой пациента, стали звать франклином.

Однако Франклин, как и его предшественники, не поняли самого главного. Лечит отнюдь не всякое электричество, а только отрицательно заряженное. Положительные заряды, наоборот, крайне вредны и даже опасны для здоровья и жизни.

Впервые это установил русский биофизик Александр Чижевский в 1920-е годы. Чижевский ставил такой эксперимент. Помещал мышей в герметическую камеру и пропускал туда воздух сквозь плотный фильтрующий слой ваты. Через 5-10 дней животные становились вялыми, как при авитаминозе. Постепенно болезненное состояние переходило в коматозное, мыши наотрез отказывались  от пищи, наконец, агонизировали и гибли. Это явление Чижевский назвал аэроионным голоданием.

«Итак, химический состав воздуха после фильтрации через вату оставался тем же, что и до фильтрации, это бесспорно,- пояснял изумленным коллегам суть явления Александр Леонидович.- Воздух стал даже чище, ибо пыль и микроорганизмы осели на вате. И тем не менее он стал «мертвым». Пропуская воздух через вату, мы лишаем его некоторых свойств, абсолютно необходимых для жизнедеятельности организма. Какие же это свойства? При фильтрации кислород воздуха теряет свое великое « нечто»- свои физические свойства, которые необходимы для поддержания жизни. Проходя слой ваты, воздух оставляет на ней все свои электрические заряды, в том числе отрицательные аэроионы – «витамины воздуха».

Чтобы доказать это, Чижевский ставил другой опыт. В такую же камеру вводилась игла, на которую подавалось высокое напряжение .На острие  иглы образовывались отрицательные аэроионы. Теперь подопытные животные чувствовали себя прекрасно. Благодаря «витаминам воздуха» их жизнестойкость становилась даже выше, чем у животных на воле.

Чижевский был отнюдь не кабинетный ученый, не «голый» экспериментатор, а человек, ориентированный на практику. Он не только раскрыл механизм целебного воздействия отрицательно заряженных частиц воздуха – аэроионов- на все живое, но и создал на этом принципе универсальный прибор для лечения электричеством множества болезней. Соратники ученого назвали этот прибор люстрой Чижевского. Она стала одним из самых ярких достижений ХХ века. Международная общественность присвоила ему ни много ни мало почетное звание «Леонардо да Винчи ХХ века».

Исследования, проведенные в институте Н.В. Склифосовского, в НИИ высшей нервной деятельности, в НИИ медицины труда, Институте педиатрии и других научных центров, подтвердили, что ионы, получаемые на принципах Чижевского, обладают мощной целебной силой. Прав бы Александр Леонидович, утверждая, что одним и тем же прибором можно лечить разнообразные заболевания. Причины практически всех заболеваний – катастрофическая потеря электронов в клетках и тканях организма. Чтобы защититься от этого, нужно иметь запас электронов на мембранах клеток. Именно их и производит  люстра Чижевского, а значит, действие ее универсально.

Целебные аэроионы, проникая в легкие человека, заряжают кровь, делают клетки и ткани организма более стойкими, то есть увеличивают иммунитет.

Как показала практика, в ожоговых центрах благодаря аэроионам выживают больные с обширнейшими ожогами кожи.

В Институте педиатрии Российской академии медицинских наук отмечено быстрое увеличение самочувствия детей, страдающих  респираторной и кожной аллергией, выявлено положительное воздействие ионизированного воздуха на новорожденных.

Способ применения люстры Чижевского прост. Хорошо проветрив помещение, надо включить люстру и на 10-15 минут выйти в другую комнату. За это время происходит ионизация и оседание пыли, воздух помещения очищается. Первое пребывание под люстрой рекомендуется ограничить 30 минутами. Затем увеличивать дозировку до 30 минут в день и довести ее до 3-4 часов в сутки. Необходимо при этом избегать сквозняков, т.к. они уносят легкие аэроионы.

Домашнее задание: подобрать высказывания, афоризмы, отражающие роль техники в жизни человека.

Тема 3. Техника в сооружениях и вооружениях

Урок 5. Туннель под Ла-Маншем, башня К.Н. Тауэр в Торонто, система противоракетной обороны, атомные подводные лодки.

Цель урока: показать учащимся роль физики в создании архитектурных сооружений и применение её законов в вооружениях.

Ход урока

Объяснение учителя.

Туннель под Ла-Маншем

Более двух веков назад родился первый, наивный по современным меркам, проект установления сухопутной связи между континентом и Британскими островами. В 1750 году Амьенский университет объявил конкурс на лучший проект соединения Франции с Англией.

Однако все проекты того времени были неосуществимыми, так как не было такой техники, которая бы могла их воплотить в жизнь. Настоящие работы начались лишь в апреле 1986 года, когда специально созданная мощная англо-французская компания «Евротуннель» и её партнер «Трансманш Линк» - консорциум французских и английских строительных фирм – серьёзно взялись за дело.

Состоялся конкурс проектов. В проекте Путтена две приливные электростанции в виде дамб частично перегораживают пролив с обеих сторон, оставляя шестикилометровый фарватер. Поезда и автомобили движутся по дамбе, затем спускаются в тоннели и пересекают фарватер.

«Евромост» предложил соорудить в 70 метрах над водой глухую трубу, подвешенную к фермам на понтонах.

Проект «Евродорога» самый сложный: транспортные средства по девятикилометровому подвесному мосту достигает искусственного острова, по винтообразному скату съезжают в туннель длинной девятнадцать километров. Затем они попадают на второй искусственный остров и по следующему мосту прибывают на побережье. Посреди пролива – третий рукотворный остров.

В итоге был выбран вариант «Франция – Ла-Манш»: три туннеля – два транспортных и между ними служебный.

15 декабря 1987 года на английской стороне началась прокладка туннеля. С французской стороны бурение началось лишь 28 февраля 1988 года. Так как прежде у Сангата, в нескольких километрах от Кале, пришлось соорудить огромную цилиндрическую шахту диаметром 55 и глубиной 66 метров. Дело в том, что у берегов Франции слой голубого мела – довольно лёгкой для проходки и в тоже время водонепроницаемой породы, в которой и запроектирована траектория туннеля, - уходит резко в глубь. Чтобы добраться до него и начать бурение, и понадобилась «яма» в Сангате. Из этой шахты три французские бурильные машины пошли на северо-запад, к Дувру, а другие две – в сторону деревушки Кокель, будущему французскому вокзалу. одна из этих двух машин проделывала галерею обслуживания, другая, диаметром побольше, дойдя до того места, где железнодорожные пути должны выходить на поверхность и идти к вокзалу, повернула назад и прокопала второй транспортный туннель до «ямы».

Общая длина всех трёх подземных труб в итоге составила более 150 километров, длина одного пути – 52,5 километра, из которых примерно 38 километров проходит под морем. Было вынуто 6,5 миллионов кубометров породы, размельчённой вращающимися головками.

Чтобы машины и вместе с ними люди не заблудились в синем мелу, операторы корректировали маршрут с помощью компьютеров и видеомониторов. Лазерный луч, воспринимаемый светочувствительным прибором машины, подсказывали водителю направление. Перед проходкой спутниковые обсерватории помогли рассчитать траекторию…

Что же представляет собой это архитектурно-техническое чудо, называемое «проектом века», в строительстве которого участвовало 15 000 рабочих?

Самое главное – это три параллельно идущих туннеля: два крайних  - диаметром 7,6 метра – железнодорожные, средний – 4,8 метра в поперечнике – служебный. Расстояние между транспортными туннелями – 30 метров. глубина залегания под морским дном – 40 метров. Общая протяженность трассы – 49,4 километров, из них под водой – 38. К примеру, ближайший родственник Ла-Маншского подземного пути – туннель Сейкан, соединяющий японские острова Хонсю и Хоккайдо, длиннее: его протяжённость 54 километра, но лишь около 24 из них проходят под водой.

Через каждые 375 метров расположен поперечные коммуникации служебного и противопожарного назначения. Каждые 320 метров – воздуховоды для выравнивания давления, ведь мчащийся поезд оставляет за собой разреженный воздух.

Помимо рейсовых пассажирских и грузовых составов компании «Евростар», под проливом курсируют специальные поезда «Евротуннеля» - «Шаттл». Они предназначены для перевозки автотранспорта. Сквозные вагоны «Шаттла» - самые широкие в мире. Длина каждого состава 8800 метров: 12 двухъярусных вагонов – для легковых автомобилей, 12 одноярусных – для автобусов и грузовиков, плюс локомотив и два вагона со специальными скатами – погрузочный (задний) и разгрузочный (передний). Автомашины в порядке очерёдности (по габариту) заезжают в хвостовой и через весь поезд продвигаются – до его заполнения. Процедура продолжается около восьми минут.

Чтобы предотвратить чрезмерное разогревание воздуха мчащимися поездами, по водопроводной сети общей протяжённостью 540 километров, состоящей из стальных труб диаметром около полуметра, постоянно циркулирует 84 тонны холодной воды. Сеть питается от двух заводов-рефрижераторов – один на французском берегу, другой на английском.

Ну и, конечно, за повседневной жизнью Ла-Маншского туннеля надзирают компьютеры, объединённые в три системы информационного контроля и связи…

Башня К.Н. Тауэр в Торонто

Многие века самым высоким сооружением в мире была пирамида Хеопса, первоначальная высота которой равнялась 146,59 метра. Это культовое сооружение примечательно как раз тем, что при строительстве пирамид египтяне не пользовались никакими приспособлениями и механизмами. На строительстве пирамиды Хеопса работало, по всей вероятности, сто тысяч человек, но всего лишь три месяца в году, в период разлива Нила. Постоянно на строительстве трудилось всего лишь около четырех тысяч человек.

Для строительства пирамиды Хеопса понадобилось два миллиона триста тысяч каменных блоков массой в 2,5 тонны каждый! Фундамент пирамиды Хеопса имел форму квадрата со сторонам 232,5 на 232,5 метра, угол наклона граней – 51 градус 52 минуты. Склоны пирамиды сориентированы по частям света, точность расчёта вызывает удивление. Ошибка составляет лишь несколько минут!

Долгое время высота пирамиды Хеопса была не покоренной. Однако, в июне 1886 года инженер Гюстав Эйфель представил чертежи своёй башни. Строительные работы велись в течение двух с небольшим лет — с 28 января 1887 г. по 31 марта 1889 г. Всю работу выполнили 300 рабочих. Рекордным срокам возведения способствовали чертежи чрезвычайно высокого качества с указанием точных размеров более 12 000 металлических деталей, для сборки которых использовали 2,5 млн заклёпок.

Высота вместе с новой антенной составляет 324 метра (2000 год). На протяжении более 40 лет Эйфелева башня была высочайшим сооружением в мире, почти в 2 раза выше самых высоких зданий мира того времени — пирамиды Хеопса (146,59 м), Кёльнского (156 м) и Ульмского собора (161 м), — пока в 1930 году её не превзошел Крайслер Билдинг в Нью-Йорке.

Спустя сорок лет пальма первенства перешла к Останкинской телебашне в Москве высотой 537 метров. Но в 1975 году рекорд побила башня К.Н. Тауэр. Но в 1975 году рекорд побила башня К.Н. Тауэр.

Самая высокая постройка мира с 1975 года по 2007 год, Канадиен Нэшенл Тауэр, или, сокращённо, К.Н. Тауэр, вместе со шпилем антенны достигает 553,33 метра. Строили её сорок месяцев – с 12 февраля 1973 года по 2 апреля 1975 года. Идея заключалась в том, чтобы башня могла принимать и передавать сигналы, а при этом многочисленные небоскребы Торонто не создавали ей помех. Башня, кроме своего практического назначения, стала ещё и местом развлечений, достопримечательностью для туристов, а главное - символом Торонто.

Группа экспертов ещё до начала работы отправилась в дальнее путешествие, чтобы изучить различные башни. Опираясь на опыт предшественников, надо было добиться того, чтобы торонтская башня стала не только самой высокой, но и самой привлекательной для посетителей. И архитекторам и инженерам это удалось.

Они сконструировали стройную башню с круглой капсулой Скайпод на высоте 351 метр. Последняя оборудована внутри и снаружи смотровыми галереями, кроме того, здесь есть ночной клуб и ресторан. Ресторан, рассчитанный на 416 мест, вращается на высоте 347,5 метра. Для очень смелых на высоте 447 метров – ещё одна видовая площадка, самая высокая в мире, которую называют Спэйс Дэк. Поднявшимся на площадке замечают, что башня слегка покачивается. Посетителям непременно объясняют, что так должно быть и бывает со всеми высокими зданиями мира: при турбулентном движении воздуха было бы значительно опаснее, если бы башня стояла неподвижно.

Об истории строительства подробно рассказывается на фотовыставке в Скайпод. Оно обошлось в 44 миллиона долларов. Самое высокое сооружение в мире должно быть отвечать жестким требованиям к безопасности. К работе привлекли множество архитекторов, башня – результат многолетнего коллективного труда. На первом этапе было рассмотрено множество предложений, пока, наконец, не утвердили окончательный вариант.

Всего на этом грандиозном строительстве работали 1537 рабочих. Они выкопали котлован пятнадцатиметровой глубины, для чего им пришлось поднять наверх 63 тысячи тонн земли и сланцеватой глины. На строительство башни было израсходовано 40 522 кубических метра бетона, 129 кубических метров предварительно напряженного железобетона и 5080 тонн стали. Общий вес сооружения составляет 132 080 тонн.

К.Н. Тауэр – внушительная и элегантная конструкция. Четыре пассажирских лифта башни поднимаются вверх со скоростью шесть метров в секунду. Они могут за час перевезти в одном направлении 1200 человек. Поездка до капсулы Скайпод длится почти минуту и чем-то напоминает взлет самолёта. Строители, опасаясь, что скорость, высота и теснота при неблагоприятном стечении обстоятельств могут вызвать у людей панику, обратились за советом к психологу. Так что кабины, форма и вид которых создают ощущение безопасности – результат консультации с ними. При очень сильном ветре скорость движения кабин может уменьшаться. В каждом лифте имеется одна стеклянная стена, через которую открывается изумительный вид, вместе с тем она помогает пассажирам в кабине преодолеть неприятное ощущение замкнутого пространства.

Со смотровых галерей капсулы Скайпод в хорошую погоду открываются дальние виды. Башня, как уже говорилось, была задумана и как телевышка, и как достопримечательность специально для туристов. В среднем ее посещается 1,7 миллиона человек в год.

К.Н. Тауэр видно за много миль. Она стоит на берегу озера Онтарио, доехать до неё можно на метро, на автобусе. И ещё один интересный факт: молнии ударяют в верхушку башни более 78 раз в год.

21 июля 2007 года К.Н. Тауэр сложил свои полномочия лидера среди самых высоких строений мира. Отныне Бурдж Дубай (Дубайская башня) – самое высокое строение, высота которого составляет 818 метров и располагается она в крупнейшем городе Объединённых Арабских Эмиратов – Дубае.

Система противоракетной обороны

Сложности при создании первой в мире системы ПРО были более чем значительны. Известные традиционные методы радиолокации не позволяли с требуемой сверхвысокой точностью определять все три координаты цели (дальность, азимут, угол места). Радиолокатор достаточно точно мог только измерить дальность до цели. Малые размеры боеголовки МБР (межконтинентальная баллистическая ракета) делали её труднонаблюдаемой для радиолокатора на требуемых дальностях обнаружения. Поэтому для любой гипотетической противоракетной системы требовались огромные, мощные и поэтому чрезвычайно дорогие радиолокационные станции.

Наконец, весь процесс стрельбы чрезвычайно скоротечен, баланс располагаемого времени крайне мал, а потому к противоракете предъявлялись неимоверно высокие требования по скорости полёта и манёвренности. Требуемая большая дальность действия системы ПРО по малоразмерной цели  должна достигаться за счёт большой мощности излучения радиолокатора, выбора оптимальной рабочей длины волны, высокой чувствительности приёмных устройств и достаточно больших размеров антенных устройств. Радиолокатор ПРО действительно будет крупногабаритным и энергоёмким, но государственная важность противоракетной обороны оправдывает большие экономические и ресурсные затраты.

Необходимая высокая точность определения координат баллистической цели может быть достигнута отказом от традиционной для радиолокации метода определения координат цели по двум измеренным углам и дальности. Нужно перейти к методу триангуляции цели по трём дальностям, измеренным тремя радиолокаторами, разнесёнными на местности. Трудности триангуляции сверхскоростной цели в реальном масштабе времени можно преодолеть с помощью высокопроизводительных ЭВМ, имеющих соответствующее программно-алгоритмическое обеспечение.

Радиолокаторы и ЭВМ должны быть соединены между собой с помощью широкополосных линий связи.

Распознавание радиолокаторами ПРО боевых блоков БР (отделившихся от корпуса ракеты) и самих корпусов БР, продолжающих лететь как бы параллельно с боевым блоком (проблема селекции целей), предлагалось осуществлять по различию в мощность отражаемых ими радиосигналов. Поражение прочной боеголовки БР можно обеспечить, используя для этого кинетическую энергию соударения высокоскоростной цели с осколками - поражающими элементами боевой части противоракеты.

В середине 1970-х годов в военном и конструкторском мире сложились две принципиально различающиеся точки зрения. Сторонники первой считали, что надо отказаться от кинетического принципа поражения боеголовок БР при соударении с поражающими элементами (осколками) неядерной боевой части противоракеты. Они предлагали оснащать их ядерными боевыми зарядами. Такой подход как бы снимал с повестки дня сложную проблему селекции реальных боевых блоков и ложных целей. К тому же прецедент установки ядерных зарядов на зенитных ракетах для борьбы с авиацией противника уже существовал.

Сторонники второй точки зрения предусматривали сохранение принципа кинетического поражения боевых блоков баллистических ракет, поскольку ядерные взрывы противоракет могли бы привести к разрушению обороняемого города.

В марте 1983 года президент США Р. Рейган выдвинул программу «стратегической оборонной инициативы» - «СОИ». Основной упор в программе СОИ был сделан на создание новых видов оружия, использующих в качестве поражающего фактора электромагнитное излучение различных диапазонов спектра: от радиоволн до гамма-излучения. Основным преимуществом такого оружия является практически мгновенное достижение цели, так как электромагнитное излучение распространяется со скоростью света. Это позволяет наносить удар неожиданно и быстро с большого расстояния. Кроме того, исчезает необходимость в расчёте траектории движения цели для упреждения её движения. Появляется принципиальная возможность уничтожить взлетающие МБР на активном (разгонном) участке их траектории в течение первых пяти минут после старта. Именно поэтому лазерным оружием предполагалось оснастить первый эшелон системы ПРО.

Разрушающее воздействие оптического лазерного излучения основано, прежде всего, на тепловом нагреве ракет (прожигание топливных баков, электроники и систем управления) и действии ударной («шоковой») волны, которая возникает при попадании на поверхность ракеты импульсного лазерного излучения. В последнем случае ударная волна выводит из строя электронику и системы наведения ракеты, а также может повлечь детонацию взрывчатого вещества в боеголовке. Применение пассивных мер защиты (зеркальных и поглощающих покрытий, экранов и т.д.) значительно снижает поражающее воздействие излучения низких энергий, однако они становятся бесполезными при дальнейшем повышении мощности лазерного излучения.

Идея использовать мощный луч света в качестве оружия восходит ещё к Архимеду, но реальную почву эта идея обрела лишь в 1961 году с появлением первых лазеров. В 1967 году был разработан первый газодинамический лазер, который продемонстрировал возможности использования лазеров как оружия. Основными его элементами являются: камера сгорания, в которой образуется горячий газ; система сверхзвуковых сопел, после прохождения которых газ, быстро расширяясь, охлаждается и переходит в состояние с инверсной населённостью энергетических уровней; оптическая полость, где и происходит генерация лазерного излучения. В этой полости перпендикулярно потоку газа расположены два плоских зеркала, образующих оптический резонатор. Для пропускания излучения из полости диаметр одного из зеркал чуть меньше, чем у другого.

Сложную задачу представляет фокусировка лазерного луча на цель. Предпочтительными являются оптические и ультрафиолетовые лазеры. Наиболее перспективными среди них считают эксимерные лазеры на молекулах фтористого аргона и фтористого криптона.

Самым крупным недостатком газовых лазеров всех типов является большое выделение тепла в их рабочем объёме. Это ограничивает повышение мощности на единицу массы таких лазеров. Перспективным в этом отношении считается лазер на свободных электронах, в котором усиление излучения происходит за счёт его взаимодействия с пучком электронов, движущимся в периодическом магнитном поле.

Радиус действия лазерной установки зависит от состояния атмосферы. На высоте 11 тысяч километров влияние атмосферы фактически сведено к нулю. Расчётные данные дальности действия установки – от 300 километров. Новый комплекс лазерного оружия получил название «Эй-Би-Эл» - первые буквы от «аэробазирующегося лазера».

Наземные испытания показали, что этот лазер с первой попытки сбивает ракеты российского «Града». Лазер сжёг вторую ступень американской баллистической ракеты, установленной на стартовом поле. В 1998 году была предпринята попытка уничтожить космическую цель – американский спутник связи. Попытку признали успешной, однако во время залпа пострадала лазерная установка. Параллельно создаются тактические лазерные системы «Би-Ди-Эл» морского базирования.

В 1997 году в США была принята программа 3+3. Цифра обозначают два этапа создания мощного противоракетного щита последнего поколения. Первый этап, когда Америка должна была определиться и разработать современные средства защиты от ядерного нападения, похоже, завершена. В оставшееся время должны быть созданы и развернуты высоконадёжные системы управления и поражения ракет вероятного противника. В эту программу наряду с традиционными противоракетами входят лазерные «Боинги».

Атомные подводные лодки

«Наутилус» - название первой в мире атомной подводной лодки сегодня известно всем военно-морским специалистам. Строительство силовой установки для неё («Марк-2») атомная промышленность США начала в 1954 году и завершила к концу декабря. С 17 января 1955 года «Наутилус» в течение шести дней проходил в море сложные, продолжительные испытания на больших скоростях, во время которых погружался свыше пятидесяти раз. За 84 часа лодка преодолела в подводном положении расстояние около 13 тысяч миль, превысив в десять раз рекорд дальности плавания в подводном положении и показав рекордную среднюю скорость в 16 узлов.

Решение о разработке атомной подводной лодки в СССР было принято в сентябре 1952 года. Закладка опытной торпедной АПЛ (проекта 627) состоялась в Северодвинске 15 сентября 1955 года. В это время в Вашингтоне уже готовилась программа создания атомных подводных лодок с баллистическими ракетами (ПЛАБР). Строилась советская субмарина – «Ленинский комсомол» - также дольше американской, она вступила в строй лишь в 1958 году. В Северодвинске в 1958-1964 годах, кроме опытной АПЛ, было построено и передано флоту 12 серийных многоцелевых АПЛ проекта 627 А («Кит» по классификации НАТО).

Как свидетельствуют специалисты, первые советские атомные лодки, имея вдвое более мощную ядерную энергетическую установку и лучшие скоростные качества, чем у американских АПЛ, значительно уступали им в скрытности. Советские конструкторы, в отличие от американских, решили первые АПЛ строить с двумя энергетическими установками. Они имели два реактора и являлись двухвальными, так как их предполагалось использовать на Севере. Так или иначе, а гонка подводных ядерных вооружений перешла в практическую плоскость.

К середине 1965 года в составе ВМС США было около тридцати ПЛАБР типа «Джордж Вашингтон», «Итен Ален» и «Лафайет», на вооружении которых находились ракеты «Поларис» трёх модификаций.

В начале 1980-х СССР и США вступили в новый этап ядерного подводного противостояния, на верфи супердержав были заложены подводные атомоходы третьего поколения. Впервые морские стратегические системы с сопоставимыми характеристиками Москва и Вашингтон ввели почти одновременно. В 1981 году в состав советского ВМФ вошёл головной подводный ракетоносец проекта 941 «Акула», известный сейчас под названием «Тайфун», а в состав военно-морских сил США – суперсубмарины «Огайо». Всего в 1981-1989 годах в Северодвинске было построено шесть подлодок проекта 941.

Что же представляет российский ракетный подводный крейсер стратегического назначения «Тайфун»?

Его длина – 175 метров, ширина – 25 метров, а высота вместе с рубкой без выдвижных устройств – 26 метров. Полное водоизмещение «Тайфуна» составляет 33 800 тонн. Это самый крупный подводный корабль мира. рекорд, видимо, навсегда останется за «Тайфуном».

Примерно таких же размером американская субмарина «Огайо», в противовес которой строился «Тайфун». Но между ними и большие отличия. «Огайо» - однокорпусная. Внутри же стальной оболочки «Тайфуна» два особо прочных титановых корпуса диаметром по десять метров. Безусловно, и это повлияло на водоизмещение. Энергией корабль обеспечивают два водо-водных ядерных реактора мощностью 190 МВт. Экипаж (их два) – около 170 человек.

Ракетоносец типа «Тайфун» способен нанести ядерный удар, в двадцать тысяч раз превышающий по мощности атомную бомбу, сброшенную на Хиросиму. Его ракеты и боеголовки могут стереть с лица земли двести городов.

«Тайфун» - самый малошумный, по сравнению со своими российскими предшественниками корабль и не уступает по этому важному показателю субмаринам США.

Какие требования будут предъявляться к подводным лодкам в ближайшем будущем?

В современных условиях только малошумные подводные лодки способны скрытно перемещаться в заданные районы и только их гидроакустические средства позволяют обнаружить противника на больших расстояниях и тем самым дают возможность своевременно применять оружие или уклоняться от столкновения.

Для повышения величины малошумной скорости предпочтительнее применение однокорпусного исполнения основной части длины подводной лодки. При этом необходимо находить разумный компромисс для обеспечения максимально возможных требований по непотопляемости, что определит целесообразность запаса плавучести объёмом порядка 15 процентов. напомню, что подводные лодки России в среднем имеют запас плавучести около 25 процентов, а США – около 10 процентов).

Подводные лодки, как правило, будут одновальными с целью значительного уменьшения шумности на больших скоростях и повышения экономичности. Это будет несколько снижать живучесть подводной лодки, что имеет особое значение для безопасного плавания в арктических условиях подо льдом. Поэтому потребуются надёжные резервные средства движения, типа откидных или выдвижных движительных колонок, или иные конструктивные решения, не нарушающие плавность обводов корпуса.

По совокупности многих качеств при проектировании главных движителей более широкое применение найдут водометные принципы.

…Дополнительно должны быть исследованы все «за» и «против» в традиционно принятых конструкциях и формах ограждения рубки… целесообразнее вообще не иметь ограждения рубки, но это будет возможно только при создании принципиально новых конструкций радиосвязных и радиолокационных антенных, а также перископных систем (оптико-волоконные всплывающие оконечные устройства) и телескопических шахт подачи воздуха для работы двигателя под водой. По-видимому, это можно будет реализовать за счёт некоторого плавного приполнения надстройки и, например, выдвижного (из прочной шахты) ходового мостика для вахты в надводном положении. Реализация изложенных принципов будет возможна в не очень близком будущем.

Облик баллистических ракет стратегического назначения и их количество на атомных лодках во многом диктуется международными соглашениями по ограничению этого вида оружия. Тенденция к резкому снижению массо-габаритных характеристик ракет однозначна и будет определяться разумным сочетанием количества и мощности разделяющихся боеголовок, а также, как правило, исключением ряда сверхвиртуозных задач, возлагаемых ранее на эти ракеты.

    Прогресс в развитии радиоэлектронного вооружения в основном может быть достигнут за счёт совершенствования электроники (сверхминиатюризация) и методов обработки сигналов. Широкое применение найдет оптиковолоконная техника.

Управление вооружением и техническими средствами ПЛ будет развиваться в направлении создания интегрированной (обеспечивающей все нужды подводной лодки) системы с единой информационной шиной и с распределёнными (но имеющими возможность объединять свои усилия) средствами информации и обработки на основе стандартных кодовых языков. В средствах внешнего целеуказания высшую приоритетность, вероятно, получать разнопрофильные сдублированные космические системы.

Кроме улучшения конструкции корпуса подводных лодок важным направлением является разработка новых высокопрочных сталей и других конструкционных материалов; применение неметаллических конструкционных материалов, обладающие малой плотностью, сравнительно высокой механической прочностью, антикоррозийной стойкостью, немагнитностью и т.п. Изготовление прочных корпусов подводных лодок из материалов, основанных на стеклопластике, возможно уже в настоящее время.

Развитие гидроакустических средств будет происходит по нескольким направлениям. Прежде всего, это увеличение их дальности действия. Кроме того, автоматизируются процессы обработки гидроакустической информации, станет автоматическим сопровождение обнаруженной цели, использование гидроакустических средств для управления оружием.

Навигационная аппаратура подводных лодок совершенствуется, предполагается использовать искусственные спутники Земли, а также применять в инерциальных системах счисления пути высокоточные криогенные структуры, работающие при близких к абсолютному нулю температурах.

Несмотря на широкое внедрение ракет, торпеда сохраняет своё значение как эффективное средство поражения морских целей.

Перспективным направлением является разработка ракето-торпед, которые первую и последную часть пути проходят под водой, как обычные торпеды, а среднюю, основную часть – по воздуху, как крылатые ракеты. Этот метод одновременно является и наиболее перспективным путём увеличения дальности действия торпед.

Тема 4. Микро- и наноэлектроника

 Урок 6. Современные физические технологии: микроэлектронная и наноэлектронная. Большой адронный коллайдер.

Цель урока: рассказать учащимся о современных технологиях в физике: микро- и наноэлектронике.

Ход урока

Объяснение учителя.

Многие жители земли не знают, что такое микроэлектронная, наноэлектронная и лазерная технологии. Кто-то слышал эти слова, но они не представляют их истинного значения. Большинство людей, пользуясь телевизором, музыкальным центром, DVD-плеером, компьютером не интересуются их устройством и принципом работы. Эти обыденные устройства не могли бы существовать без микросхем, сделанных по микроэлектронной технологии. Современное развитие микроэлектроники фактически является нанотехнологией, поскольку достигнутые размеры компонентов вполне укладываются в указанные размеры. Нанометр – одна миллиардная метра. десять атомов водорода составляют один нанометр. Булавочная иголка имеет размер в миллион нанометров. Наноэлектроника находится на данный момент в начале своего развития.

Микроэлектронная технология

В 1965 году соучредитель фирмы Intel Гордон Мур предсказал, что плотность транзисторов в интегральных схемах будет удваиваться каждый год. Позднее его прогноз, названный законом Мура, был скорректирован на 18 месяцев. В течение трёх последних десятилетий закон Мура выполнялся с замечательной точностью. Не только плотность транзисторов, но и производительность микропроцессоров удваивается каждые полтора года. Полупроводниковые технологии отживают своё – сейчас очевидно, что частоту в 304- ГГц они не перешагнут никогда. Бешеная гонка за тактовой частотой заставит нас научиться считать на атомах и молекулах – это и станет концом эволюции нашей цивилизации. Современная физика жёстко и однозначно говорит, что путешествовать к звёздам или перемещаться в пространстве с помощью телепортации мы никогда не сможем, если в доступной нам части реальности мы и в самом деле уже открыли абсолютно всё. Но у нас есть повод оставаться оптимистами: ведь ни один закон и постулат не запрещают появление принципиального нового знания!

Наноэлектронная технология

Любой из известных нам предметов – всего лишь скопление атомов в пространстве. И будет ли это алмаз или горстка пепла, булыжник или чип компьютера, труха или спелый плод, определяется только способом их упорядочивания. Расположение атомов друг относительно друга порождает такие понятия, как дешёвое и драгоценное, обычное и уникальное, здоровое и больное. Наше умение упорядочивать атомы лежит в основе любой технологии. В процессе развития цивилизации люди учились управлять всё меньшими и меньшими группами атомов. Мы прошли долгий путь от каменных наконечников для стрел до процессоров, умещающихся в игольном ушке. Но наши технологии все ещё грубы, и пока мы вынуждены оперировать большими, плохо управляемыми группами атомов. По этой причине наши компьютеры глупы, машины непрерывно ломаются, молекулы в наших клетках неизбежно приходят в беспорядок, уносящий сначала здоровье, а затем и жизнь. Настоящий же прорыв в эволюции науки произойдёт только тогда, когда мы научимся управлять отдельными атомами.

Технологии, которые работают на уровне отдельных атомов и молекул, называются нанотехнологиями (нанометр – это 10-9 м, одна миллиардная метра). Отцом этого перспективнейшего направления считается Ричард Фейнман, прочитавший в 1959 году историческую лекцию: «Там внизу, ещё много места». В ней он сказал: «Насколько я вижу, принципы физики не запрещают манипулировать отдельными атомами… Пока мы вынуждены пользоваться молекулярными структурами, которые предлагает нам природа. Но в принципе физик мог бы синтезировать любое вещество по заданной химической формуле». Технический уровень того времени, когда были произнесены эти пророческие слова, заставлял воспринимать их как очередную футуристическую сказку. Но в 1981 году учёные Г. Бининг и Г. Рорер из швейцарского отделения IBM создали туннельный микроскоп, впервые позволивший взглянуть на обособленные молекулы и атомы. Однако исследователей ждал ещё один приятный сюрприз: оказалось, что из детище способно не только «увидеть», но и «подцепить» отдельный атом и перенести его на другое место. За прошедшие с тех пор 20 лет нанотехнологии стали производственной реальностью, и уже сейчас мы можем создавать необходимые нам объекты, «монтируя» их на атомном уровне.

Когда говорят о нанотехнологиях, подразумевается несколько достаточно разрозненных по целям и планируемому времени реализации научных направлений. Одно из них, работающее над качественным переходом традиционной полупроводниковой электроники с микро- на наноуровень, хорошо освещено в периодической литературе. Успехи этих работ значительны уже сегодня, но, ввиду неразрешимости ряда проблем, связанных с размерными эффектами, неизбежно возникающими при достижении транзисторами величины 30-40 нм, очевидна необходимость поиска альтернативной технологии. Одним из вариантов является молекулярная электроника, или молетроника.

В 1974 году ведущие учёные фирмы IBM А. Авирам и М. Ратнер представили вещество, молекула которого обладала теми же свойствами, что и обычный диод. Пропуская ток в одном направлении, введением дополнительного, управляющего фрагмента она могла быть усовершенствована до своеобразного молекулярного транзистора. Соединив две такие молекулы, можно получить абсолютный аналог полупроводникового триггера - основного элемента современных процессоров. «Переключать» же данное устройство, имитируя состояния бита – 0 и 1, возможно с помощью света или электрического поля. Следуя описанной идее, химики синтезировали великое множество кандидатов на роль транзистора будущего.

Один из самых больших шагов в нанотехнологии был сделан в 1981 году, когда появился сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Принцип его работы напоминает процесс чтения незрячим человеком. Тонкий щуп с диаметром острия в несколько атомов сканирует над поверхностью, и при наличии достаточно малого расстояния между щупом и поверхностью электрон «туннелирует». Вероятность этого обратно пропорциональна величине зазора, а значит, величина микротока будет зависеть от величины зазора. В итоге сканирование даёт картину рельефа поверхности (с помощью ЭВМ). Авторы изобретения получили Нобелевскую премию.

Большой адронный коллайдер

Решение строить коллайдер ЦЕРН принял осенью 1994 года, спустя год после решения американского конгресса прекратить строительство протонного суперколлайдера проектной мощностью в 40 ТэВ. БАК построен на глубине 100 м на территории Франции и Швейцарии, недалеко от Женевы, в уже имевшемся туннеле, где раньше размещался менее мощный ускоритель – электронно-позитронный коллайдер.

Главным координатором всех работ является знаменитый ЦЕРН, а всего в работу на БАКе вовлечены десятки тысяч специалистов из множества стран мира. Строительство и эксплуатация самой сложной в истории человечества экспериментальной установки финансируется всеми европейскими странами, участвующими в работе ЦЕРНа. Значительное участие в финансировании проекта принимают также США и Япония.

Наша страна, не являясь членом ЦЕРНа, тоже активно участвует в его деятельности. В начале 90-х гг., когда принималось решение о строительстве БАКа, ситуация с финансированием науки в России была провальной. Но, несмотря на крайне малый финансовый вклад, наши специалисты были всё же включены в состав основных исследовательских групп.

Как именно происходит ускорение протонов в коллайдере? Сначала протоны должны ускоряться в так называемом линейном ускорителе с помощью электрического поля – до энергии 50 МэВ. Затем наступит очередь синхротронных ускорителей – их в БАКе три. Первый увеличит энергию до 1,4 ГэВ, второй – до 26 ГэВ, а третий – до 450 ГэВ. И только после этого пучки протонов поступят в главное кольцо БАКа. Именно там их разгонят в противоположных направлениях до энергии 7 ТэВ (полная энергия будет соответственно в два раза больше). Чтобы высокоэнергетичные протоны двигались по круговой траектории, необходимо сильное магнитное поле, чтобы требует использования мощных электромагнитов. Именно на этом, завершающем, этапе используются электромагниты с обмотками из сверхпроводников, охлаждаемых жидким гелием. Заметим, что энергопотребление коллайдера столько велико, что зимой его работу, видимо, придётся приостанавливать, поскольку подобных нагрузок может не выдержать энергетика Франции и Швейцарии – стран, на территории которых расположен БАК.

Зачем вообще нужно сталкивать протоны, движущиеся навстречу друг другу с полной энергией, достигающей (в системе центра масс) 14 ТэВ? Дело в том, что работает закон сохранения импульса. Когда протон налетает на неподвижную мишень, очень большая часть его энергии преобразуется в кинетическую энергию образовавшихся частиц, и только малая часть идёт на образование этих частиц. Протоны же движутся в противоположных направлениях, так что их суммарный импульс невелик. Следовательно, небольшими будут и импульс, и кинетическая энергия образовавшихся в результате столкновения частиц, следовательно, в этом случае в кинетическую энергию перейдёт меньшая часть энергии протонов, большая же часть будет потрачена на рождение этих самых частиц.

Исключительно важной компонентой БАК являются детекторы элементарных частиц (многие их детали, кстати, изготовлены в России). В идеале детекторы должны регистрировать все частицы, рождающиеся в результате соударений протонов, а потому их расположили в громадном цилиндрическом слое, окружающем область столкновения. Наиболее близко к «оси» расположены так называемые кремниевые микроскопы, их задача – регистрировать частицы с крайне малым временем жизни. Вслед за ними размещены детекторы иных типов, например, черенковские счётчики. На внешней поверхности детекторов размещены калориметры двух видов, позволяющие определять полную энергию частицы. Один, электромагнитный, предназначен для измерения энергии электронов, позитронов и фотонов. Второй, адронный, должен изменять энергию протонов, нейтронов, пионов и иных тяжёлых частиц.

Размеры детекторов впечатляют. Самый большой, массой 7000 т, имеет длину 46 м и диаметр 25 м. Следующий по габаритам «всего» 21 м длиной и 16 м в диаметре, но масса его почти в два раза больше.

Зачем вообще нужен БАК? Ответу на этот вопрос посвящена отдельная страница «коллайдерного» раздела сайта «Элементы». Среди аргументов «за» коллайдер, больше всего импонирует рассуждение о роли математики. Действительно, «всё головокружительное разнообразие явлений, происходящих в нашем мире, описывается лишь очень небольшим числом математических моделей». Именно язык математики связывает друг с другом разные области физики, и именно поэтому изучение устройства протона может открыть нам, к примеру, «новые возможности материалов с экзотическими свойствами». Что же касается тем диагностических возможностей, которыми обеспечила медицину физика элементарных частиц и на которые весьма часто ссылаются как на основной аргумент в пользу этого раздела физики, то эта польза может быть названа лишь побочной.

Какие задачи физики рассчитывают решить на БАКе? Наиболее часто упоминается поиск бозона Хиггса. Механизм Хиггса постулирует существование скалярного поля, пронизывающего всё пространство и в чём-то напоминающего эфир, столь любимый физиками XIX века. Все частицы за исключением фотонов и гравитонов приобретают массы просто потому, что это поле сопротивляется их движению. Согласно этой модели то, что мы считаем массой, - просто проявление трения частиц о хиггсовское поле. Его кванты должны показывать себя в виде сильно нестабильной частицы, хиггсовского бозона. Расчёты теоретиков показывают, что масса хиггсовского бозона не превышает 0,5 ТэВ и, следовательно, энергии сталкивающихся на БАКе протонов хватит для его появления на свет с избытком. Разумеется, в случае успеха зарегистрирован будет не сам бозон Хиггса, но «всего лишь» образующиеся в результате его распада мюоны.

Весьма популярна среди журналистов тема безопасности коллайдера. Знаменитый российский фантаст Борис Стругацкий прокомментировал этот так: «Давным-давно, ещё в прошлом веке, мы перестали ждать от науки благотворных чудес – панацею, эликсир молодости, радикальное средство от облысения. Теперь в наших ожиданиях преобладают чудеса жестокие: бомба, рукотворная чума, чёрные дыры, в которые мы все провалимся». Самый главный аргумент против катастрофического сценария развития событий предоставлен самой природой. Действительно, те значения энергии, которые планируется достичь на БАКе, характерны для некоторых столкновений частиц космических лучей с атомами земной атмосферы. За всё время существования планеты Земля таких столкновений было в сто тысяч раз больше, чем число столкновений за весь планируемый период работы БАКа. Если бы катастрофический сценарий реализовался, то современной цивилизации не существовало бы. А вместе с ней и самого БАКа, и нас, эти сценарии обсуждающих…

Ещё одна связанная с БАКом «страшилка» - это чёрные дыры, которые якобы могут рождаться в ходе экспериментов. На БАКе действительно могут рождаться микроскопические чёрные дыры, однако время жизни таких объектов будет чрезвычайно мало, после чего они будут распадаться на обычные частицы. Такие процессы возможны, но не обязательны, они всего лишь вытекают из некоторых гипотез физиков-теоретиков, согласно которым при достижении энергии порядка 1 ТэВ интенсивность гравитационного взаимодействия (являющегося, напомним, самым слабым из известных фундаментальных взаимодействий) резко возрастает… Но, даже если эта гипотеза окажется верной и микроскопические чёрные дыры действительно будут рождаться, они не успеют ничего поглотить в силу своего крайне малого времени жизни.

Домашнее задание: знать основные положения темы.

Тема 5. Космическая техника

 Урок 7. Автоматическая межпланетная станция «Вояджер», космический корабль многоразового использования «Шаттл», навигационная система GPS, телескоп «Хаббл». Лабораторная работа «Знакомство с телескопом».

Цель урока: рассказать учащимся о вкладе физики в развитие космической техники.

Ход урока

Объяснение учителя.

Автоматическая межпланетная станция «Вояджер»

В конце 1960-х годов американское Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) решило провести эксперимент «Большой тур», идея которого состояла в следующем.

Обычно космический аппарат может достичь одной планеты. Но иногда, раз в несколько десятилетий, планеты Солнечной системы как бы выстраиваются друг за другом, и траекторию полёта удаётся провести сразу мимо нескольких. Подобная ситуация должна была сложиться в конце 1970-х – начала 1980-х годов, и американцы задались целью осмотреть за один полёт все планеты, начиная с Марса. Для этого они решили использовать так называемый гравитационный манёвр, когда космический аппарат догоняет планету и та «подтягивает» его, ускоряя и поворачивая. Но на «Большой тур» не хватило средств, пришлось ограничиться планетами-гигантами.

В августе-сентябре 1977 года стартовали две автоматические межпланетные станции «Вояджер» массой 798 килограммов каждая. Устроены они одинаково.

Наиболее заметная часть «Вояджеров» - чашка остронаправленной антенный диаметром 3,66 метра, с помощью которой обеспечивается связь с Землёй. На тыльной стороне антенны находится герметичный отсек для служебных приборов, имеющий форму десятигранной призмы. В нём размещены радиосистемы, аппаратура управления с бортовой электронно-вычислительной машиной, рулевые двигатели, преобразователи электропитания; на трёх гранях отсека смонтированы радиаторы системы терморегулирования.

Электроэнергией станцию снабжают три радиоизотопных генератора, смонтированные на одной из трёх штанг. Мощность генераторов в начале полёта достигала 431 Вт.

Научные приборы находятся на двух других штангах. На одной из них установлено четыре магнитометра, на другой, на поворотной платформе, - две телекамеры с теле- и широкоугольным объективами, спектрометры ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов, детекторы космического излучения, заряженных частиц и многое другое.

«Вояджер-1» стартовал 5 сентября 1977 года. «Вояджер-2» был запущен раньше – 20 августа 1974 года.

Успешно встретившись с Сатурном, станции выполнили «программу-минимум» проекта «Вояджер». Первый аппарат после пролёта Сатурна «взвился» над плоскостью эклиптики, и ему больше не суждено было встретить на своём пути планет. Зато «Вояджер-2» полем тяготения Сатурна был отклонён на траекторию, позволяющую достичь Урана и Нептуна.

В декабре 1985 года возникли трудности с навигацией, заставившие заново вычислить массу надвигавшегося на станцию Урана, чтобы расчётная траектория стана вновь совпадать с реальной.

30 декабря станция обнаружила неизвестный ранее спутник Урана, находящийся между орбитой Миранды и внешней границей колец. До момента максимального сближения с Ураном было открыто 10 новых спутников. Их диаметры составляли 40-80 километров, за исключением первого, 160-километрового спутника.

Пройдя Уран, станция благополучно «вырулила» на траекторию полёта к Нептуну, и теперь мало кто сомневался в предстоящем успехе.

В течение 1987 года на «Вояджере» в очередной раз было заменено программное обеспечение бортовых компьютеров с расчётом на еще более пониженную освещённость и продлённое время экспозиции при фотографировании. Специальные меры были предприняты для повышения стабильности поворотной платформы с научными приборами. Решено было ещё замедлить движение платформы для предотвращения смазывания изображений.

Диаметр главных антенн станции дальней космической связи НАСА был увеличен с 64 до 70 метров. В свою очередь, в единый комплекс со станциями слежения НАСА были объединены антенны Национального научного фонда США, австралийские и японские радиотелескопы.

С января 1989 года, находясь на расстоянии 310 миллионов километров от цели, «Вояджер-2» начал съёмку Нептуна.

Данные «Вояджера» позволили уточнить диаметр известного спутника Нептуна – Нереиды. Её диаметр составил 340 километров.

В ходе встречи с Нептуном «Вояджер-2» работал почти на пределе своих возможностей. Всего было выполнено около 80 различных маневров, в том числе 9 плавных разворотов платформы с научными приборами. продолжительность экспозиции при съёмках достигала десяти минут, при этом всякий раз удавалось избежать смазывания изображения.

После пролёта семейства Нептуна станция «нырнула» под плоскость эклиптики и под углом пятьдесят градусов стада удаляться из Солнечной системы в направлении звезды Росс 248, которой он, видимо, достигнет в 42 000 году. Планетная часть миссии «Вояджеров» закончилась, и их системы получения изображений после заключительной серии фотографирования были выключены. Тем не менее ресурсы электросистем обеих «Вояджеров» позволят в течение довольно длительного времени передавать научную информацию о состоянии теперь уже межзвездной среды.

За это время на Земле принято более ста тысяч изображений и другой информации о всех планетах-гигантах и их окружении.

Научная информация, полученная «Вояджерами», была доступна не только учёным всего мира, но и всей международной общественности. Снимки планет, сделанные станциями, обошли обложки массовых журналов, познакомив человечество с самыми отдалёнными уголками Солнечной системы.

Космический корабль многоразового использования «Шаттл»

Пока космические запуски были редкими, вопрос о стоимости ракет-носителей особого внимания к себе не привлекал. Но по мере освоения космоса он стал приобретать все большее значение. Стоимость ракеты-носителя в общей стоимости запуска космического аппарата бывает разная. Возник вопрос о снижении стоимости космических запусков за счёт повторного запуска ракет-носителей.

Существует много проектов таких систем. Один из них – космический самолёт. Это крылатая машина, которая, подобно воздушному лайнеру, взлетала бы с космодрома и, доставив полезный груз на орбиту (спутник или космический корабль), возвращалась бы на Землю.

Разработка системы «Спейс Шаттл» («космический челнок») началась в США в 1972 году. Космический летательный аппарат «Шаттл» представляет собой связку из пилотируемой орбитальной станции, двух твердотопливных ракетных ускорителей и большого топливного бака, расположенного между этими ускорителями.

Твердотопливные ускорители работают только на начальном участке траектории. На высоте 70-90 километров ускорители отделяются, спускаются на парашютах на воду, в океан, и буксируются к берегу, с тем чтобы после восстановительного ремонта и зарядки топливом использовать их вновь.

Самый сложный элемент комплекса – орбитальная ступень. Она напоминает ракетный самолёт с треугольным крылом. Помимо двигателей, в ней размещены кабина экипажа и грузовой отсек.

Максимальный полезный груз, доставляемый «Шаттлом» на орбиту, - от 14,5 до 29,5 тонн, а его стартовая масса – 2 000 тонн, то есть полезная нагрузка составляет всего 0,8-1,5 процента от полной массы заправленного корабля. Согласно экономическим расчётам он оправдывает себя примерно при 40 полётах в год на один образец. Получается, что в год только один «самолёт», чтобы оправдать свою постройку, должен выводить на орбиту порядка тысячи тонн разных грузов. С другой стороны, имеет место тенденция к снижению веса космических аппаратов, увеличению продолжительности их активной жизни на орбите и вообще к снижению количества запускаемых аппаратов за счёт решения каждым из них комплекса задач.

Сегодня стоимость одного килограмма груза, выводимого в космос «Шаттлом» составляет 25 000 долларов, а «Протоном» - 5 000 долларов.

Катастрофа «Челленджера» 28 января 1986 года внесла коррективы в дальнейшее развитие космических программ США. «Челленджер» ушёл в свой последний полёт, парализовав всю американскую космическую программу.

Ко времени возобновления полётов «Шаттлов» в СССР уже был готов корабль многоразового использования, во многом превзошедший американский. 15 ноября 1988 года новая ракета-носитель «Энергия» вывела на околоземную орбиту многоразовый корабль «Буран». Он, совершив два витка вокруг Земли, ведомый чудо-автоматами, красиво приземлился на бетонную посадочную полосу Байконура, будто рейсовый лайнер «Аэрофлота».

Ракета-носитель «Энергия» - базовая ракета целой системы ракет-носителей, образуемых сочетанием разного количества унифицированных модульных ступеней и способных выводить в космос аппараты массой от 10 до сотен тонн!

«Буран» имеет большое внешнее сходство с американским «Шаттлом». Корабль построен по схеме самолёта типа «бесхвостка» с треугольным крылом переменной стреловидности, имеет аэродинамические органы управления, работающие при посадке после возвращения в плотные слои атмосферы, - руль направления и элевоны. Он был способен совершать управляемый спуск в атмосфере с боковым манёвром до 2000 километров.

Длина «Бурана» - 36,4 метра, размах крыла – около 24 метра, высота корабля на шасси – более 16 метров.

«Буран» явился ответом американской военной космической программе. Потому после потепления отношений с США судьба корабля была предрешена.

Навигационная система GPS

С помощью приёмника GPS определяется не только местоположение движущегося объекта, но и скорость его движения, пройденное расстояние, рассчитываются расстояние и направление до намеченного пункта, время прибытия и отклонения от заданного курса.

Сегодня уже очевидно: в первом десятилетии нового тысячелетия спутниковые системы навигации станут основными средствами местоопределения для наземных, воздушных и морских объектов. Ведь при современной технологии приёмники GPS имеют малые размеры, надежны и дёшевы, так что они становятся всё более доступными для рядового покупателя.

Сначала появилась Система космической радионавигации НАВСТАР (NAVSTAR).

Спутниковая навигационная система вместо геодезических знаков и радиомаяков использует спутники, излучающие специальные сигналы. Текущее местоположение спутников на орбите хорошо известно. Спутники постоянно передают информацию о своём местоположении. Расстояние до них определяется путём измерения промежутка времени, который требуется радиосигналу, чтобы дойти от спутника до радиоприёмника, и умножением его на скорость распространения электромагнитной волны. В результате синхронизации часов спутников, в которых используются атомные эталонные генераторы частоты, и приёмников обеспечивается точное измерение расстояний до спутников.

Для определения расстояний спутники и приёмники генерируют сложные двоичные кодовые последовательности, называемые псевдослучайным кодом. Определение времени распространения сигнала осуществляется путём сравнения запаздывания псевдослучайного кода спутника по отношению к такому же коду приёмника. Каждый спутник имеет определённые, свои собственные два псевдослучайных кода. Чтобы различить дальномерные коды и информационные сообщения разных спутников, в приёмнике производится вызов соответствующих кодов. Псевдослучайные дальномерные коды и информационные сообщения спутников пускают передачу сообщений со спутников одновременно, на одной частоте, без взаимных помех. Мощность излучения спутников и взаимовлияние сигналов от спутников незначительно.

GPS состоит из 3 сегментов: космического, сегмента контроля и пользовательского сегмента.

Космический сегмент состоит из 24-х спутников, которые находятся на 6 орбитах (по четыре на каждой) на высоте примерно 20 350 километров. В настоящее время в работе находятся 28 спутников. «Лишние» спутники используются для страховки и замены выходящих из строя сателлитов.

Основной потребитель информации системы GPS – Министерство обороны США. Приёмники системы GPS введены на всех боевых и транспортных самолётах и кораблях, а также в системы наведения высокоточных крылатых ракет и в системы наведения новых управляемых авиабомб США.

Подобная система есть и в России: в ответ на создание американцами НАВСТАР, в СССР была создана собственная глобальная навигационная спутниковая система – ГЛОНАСС.

Спутники ГЛОНАСС находятся на высоте примерно 19 100 километров. В отличие от спутников НАВСТАР спутники ГЛОНАСС размещены на трёх орбитах, соответственно по 8 спутников на каждой. Период обращения спутников – 11 часов 15 минут.

Так же как и GPS, ГЛОНАСС используется как военными, так и гражданскими пользователями. С каждым годом группировка спутников уменьшается. Причина банальна и, можно сказать, стандартна для большинства отечественных разработок: у государства нет денег, а законодательная база, регулирующая использование систем спутниковой навигации в России, не позволяет системе развиваться за счёт гражданских потребителей.

В отличие от российской системы, GPS постоянно развивалась в сторону открытости для гражданских потребителей.

Сегодня уже непросто даже перечислить все области применения этой навигационной системы: GPS-приёмники встраивают в автомобили, сотовые телефоны и даже в наручные часы. Туристы используют карманные приёмники для прокладывания маршрутов и чёткого их прохождения. Охотники и рыболовы отмечают координаты заветных охотничьих и рыбных местечек, а автотуристы обмениваются маршрутами с указанием автозаправок.

Приёмники GPS находят применение при решении самых разнообразных задач: геологи в реальном времени следят за малозаметным перемещением участков земной коры, спасатели определяют места катастроф, зоологи делают ошейники с портативными индикаторами и радиопередатчиками для изучения миграции животных, военные строят самонаводящиеся ракеты и бомбы, а экспедиция Национального географического общества США в прошлом году с сантиметровой точностью измерила высоту Эвереста.

При помощи системы можно, например, определить сверхточное время, необходимое, скажем, в научных экспериментах, измерить развиваемую при ходьбе или беге скорость, преодолеваемое расстояние. GPS показывает максимальную и среднюю скорость движения на автомобиле и с его помощью, в частности, можно проверить правильность показаний спидометра и одометра.

Телескоп «Хаббл»

В 1610 году Галилей создал телескоп с увеличением 32 раза. астрономические исследования учёного принесли ему большую славу. Под впечатлением успехов Галилея Иоганн Кеплер вновь вернулся в 1610 году к прикладной оптике. Он предложил принципиально новую оптическую схему зрительной трубы. До этого в ней использовалась лишь одна комбинация линз – последовательное соединение рассеивающей (вогнутой) в качестве объектива и собирающей (выпуклой) в качестве окуляра.

В 1668 году Иссак Ньютон впервые построил инструмент совершенно нового типа – телескоп-рефлектор (зеркальный), лишённый хроматической аберрации, свойственной линзовый устройствам (рефракторам). Объективом в нём служило вогнутое металлическое зеркало. От качества изготовления последнего и зависело совершенство изображения.

Через двадцать один год после Ньютона английский астроном и оптик Вильям Гершель отшлифовал зеркало диаметром 122 сантиметра. В то время это был величайший в мире рефлектор.

В истории телескопостроения рефракторы долго «боролись» с рефлекторами, пока, наконец, не победили последние. Самый большой из них, с шестиметровым главным зеркалом из стеклокристаллического материала – ситалла, был установлен в Специальной астрофизической обсерватории Российской АН на горе Семиродники возле станции Зеленчукской, на Северном Кавказе. Обработка семидесятитонного зеркала продолжалась до лета 1974-го, а регулярные наблюдения начались в феврале 1976 года – в общей сложности после шестнадцати лет подготовительных работ. Грандиозное 42-метровое сооружение в сборе весит 950 тонн. Этот телескоп «видит» небесные объекты до 26-й звёздной величины, находящиеся на границе  наблюдаемой Вселенной.

24 апреля 1990 года с запуском космического телескопа «Хаббл» начался поистине золотой век астрономии.

На телескопе установлено несколько научных приборов. Широкоугольная камера предназначена для фотографирования поверхностей планет и их спутников. Камера для слабосветящихся объектов усиливает в сто тысяч раз попадающий на неё свет. Спектрограф для этого слабого света анализирует излучение и может выявить химический состав и температуру того, что его испустило. Так называемый спектрограф Годдарда определяет, как движется объект, испустивший свет.

Телескоп «Хаббл» позволил наблюдать уже более восьми тысяч небесных объектов. Для сравнения – примерно столько же звёзд видно с Земли невооружённым глазом. В его памяти хранятся «адреса» пятнадцати миллионов звёзд, которые он может исследовать. Два с половиной триллиона байтов информации, набранной телескопом, хранится на 375 оптических дисках. Учёным около сорока стран он позволил опубликовать более тысячи научных работ.

Благодаря «Хабблу» были сделаны открытия, вошедшие в историю астрономии и даже в институтские учебники. Удалось выяснить, к примеру, что чёрные дыры действительно существуют и обычно расположены в центрах галактик. Или то, что первичная стадия зарождения планет одинакова для всех звёзд, а тёмное пятно на Нептуне не стоит на месте: оно исчезает в одной полусфере и появляется в другой. Другой вывод – у спутника Юпитера, Европы, есть тонкая кислородная атмосфера. Ещё открытие – пояс из сотен миллионов комет окружает Солнечную систему.

Телескоп помог найти новые спутники за внешним кольцом Сатурна, сделать первую карту поверхности астероида, пролетающего неподалеку от Земли, позволил обнаружить в межгалактическом пространстве гелий, оставшийся со времени Большого взрыва. «Хаббл» дал возможность заглянуть в самые удалённые уголки космоса, изменить наши воззрения на самые ранние стадии возникновения Вселенной.

Предела развитию телескопостроения в обозримом будущем не видно. Судя по всему, ещё очень далеко то время, когда астрономам удастся «выкачивать» из доходящего до нас излучения звёзд и галактик всю содержащуюся в нём информацию.

Лабораторная работа «Знакомство с телескопом»

**** НЕ ЗАБУДЬ ***

Домашнее задание: подготовить доклады на конференцию «Современная бытовая техника»

Тема 6. Урок-конференция «Современная бытовая техника».

Цель урока: рассказать учащимся о вкладе физики в развитие современной бытовой техники.

Ход урока

Учащиеся должны подготовить доклады на следующие темы: домашние роботы, современные часы, современные телевизоры, сотовая связь, карманный компьютер, мобильный Интернет.

Домашние роботы

Сегодня создаются роботы, способные выполнять многие функции, свойственные человеку. Прежде всего, речь идёт об автоматах, запрограммированных на выполнение ряда механических операций, требующих, однако, некоторых интеллектуальных усилий. Так, в Таиланде разработали модель первого в мире робота-охранника. Управление машиной осуществляется с помощью пароля через Интернет. Устройство оборудовано видеокамерами слежения и сенсорными датчиками, способными реагировать на движущиеся предметы и перепады температуры. Кроме того, робот снабжён огнестрельным оружием, которое может применить в случае необходимости. Разумеется, все действия металлического охранника зависят от команд оператора.

Ещё недавно об использовании бытовых, домашних роботов можно было прочитать только на страницах фантастических романов. Но время идёт, технологии развиваются, и всё, что ещё вчера казалось несбыточной мечтой, сегодня становится реальностью. Некоторые из домашних роботов могут выполнять различные функции, другие же предназначены для какой-то конкретной работы.

Многофункциональный домашний робот К100 разработан в центральной исследовательской лаборатории японской фирмы NEC. Его оснастили средствами для распознавания визуальных изображений, голоса и возможностями общения через Интернет. Подобный робот способен узнавать отдельные лица, воспринимать голосовые команды и перемещаться по дому, обходя такие препятствия, как столы и стулья.

По утверждению представителей фирмы, робот этой модели способен узнавать различных членов семьи и даже спрашивать, чем он может помочь. За счёт встроенных средств для доступа в Интернет К100 сообщает о получении электронной почты.

Стереоскопическая видеообработка поступающих на камеры сигналов позволяет К100 перемещаться по комнатам со скоростью 60 сантиметров в секунду, избегая столкновения с различными препятствиями, которые встречаются на его пути.

Слышит К100 тремя направленными микрофонами, позволяющими определить направление звука или голоса. Например, если позвать робота, то он повернётся к зовущему лицом. Микрофоны также служат для распознавания речи в объёме тех слов, которые хранятся в памяти робота. Помимо микрофонов робот оснащён шестью сверхчувствительными датчиками, которые позволяют ему немедленно остановиться при обнаружении какого-либо близкостоящего предмета или при приближении человека.

Робот способен произносить ваше имя, отвечать на задаваемые ему вопросы, сообщать о получении электронной почты и даже читать электронные сообщения и танцевать под музыку.

Чувствами, конечно, робот не обладает. Тем не менее К100 способен распознавать как прикосновения к датчикам, расположенным в его голове, так и их типа: поглаживание, шлепок и прочее, на что он реагирует соответствующим образом.

Робот может реагировать на изменения температуры, освещённости, смены времени суток и ёмкости заряда собственной батареи, поскольку встроенные сенсоры помогают роботу измерять температуру и яркость света.

Фирма «Электролюкс» разработала робот-пылесос. В США он выпускается под маркой Eureka. Этот компактный робот, диаметр которого равен сорока сантиметрам, выполняет только одну операцию, зато делает это очень тщательно.

Этому способствует мощный процессор, встроенное программное обеспечение и система датчиков. Робот работает так. В первую очередь робот изучает периметр комнаты, «запоминает» все объекты, которые могут встретиться на пути. Следующее его действие – сбор пыли. Робот обходит периметр комнаты, а затем пересекает её в случайном порядке. По мере работы пылесос обходит мебель, электрические шнуры, а также забирается в углы, недоступные обычному пылесосу.

Круглая форма пылесоса позволяет ему никогда не теряться в углах, под диванами и в других труднодоступных местах. К тому же его мягкие края не портят мебель.

Робот-пылесос может работать целый час без подзарядки. После чего его надо поместить на специальную подставку, где он заряжается в течение приблизительно двух часов. На сегодняшний день данная модель является полностью автономной. Однако «Электролюкс» не собирается останавливаться на достигнутом. В фирме уже рассматривается возможность создания более совершенной версии робота-пылесоса с управление через компьютер по радиоканалу.

Шведская фирма «Ниэуагпа» создала робот-газонокосильщик Solar Mower, питающийся солнечной энергией. Он имеет встроенные поликристаллические ячейки, получающие энергию и заряжающие ею встроенный аккумулятор. Робот способен следить за газоном в течение всего сезона, поддерживая заданный уровень травы.

Для того чтобы электронный газонокосильщик не «увлекался», периметр газона отмечается специальным кабелем, на наличие которого реагируют датчики робота. Стрижка газона выполняется горизонтальными перемещениями вдоль заданного периметра с учётом клумб и деревьев. Роботом можно управлять и по радиоканалу со специального пульта.

Процесс повышения интеллектуального уровня некогда всегда покорных игрушек начался давно. Но по-настоящему мир интеллектуальных игрушек раскололся надвое после появления электромеханической собачки «Айбо».

AIBO – аббревиатура от Artificial Intelligence Robot (робот с искусственным интеллектом), которая также созвучна японскому слову «спутник, дружок».

Кого представляет собой это чудо техники, определить сложно - западная пресса однозначно называет японское изобретение собакой, а представители производителя – фирмы «Сони» попытались убедить, что это «скорее лев, чем собака».

По большому счёту, AIBO – это развитие идеологии «тамагочи», только «в натуральную величину». Щенок «понимает» отношение хозяина и постепенно превращается до взрослого пса (не физически, а эмоционально). В лапы «Айбо» встроены датчики, а специальная камера и инфракрасные сенсоры позволяют щенку соблюдать дистанцию и не натыкаться на стены. «Айбо» «понимает», когда его ласково гладят по голове, а когда дают шлепка. Своё расположение электронный пёс выказывает вилянием хвоста и зелёным блеском светодиодных глаз. В нужный момент он может забавно почесаться, вылавливая «электронных блох».

Помимо Айбо создан целый ряд других электронных питомцев. например, электронный котёнок Тата задуман японской корпорацией «Мацушита Электрик» не просто как игрушка, но и как терапевтическое средство для пожилых людей.

Бытовые роботы для развлечений и прототипы бытовых роботов-помощников, то и дело демонстрируемые широкой аудитории – это жалкие отголоски тех решений, которые создаются в военных лабораториях. Летающие мини-роботы размером с муху, управляемые подводные роботы-рыбы, электронные летающие птицы разведчики – всё это уже далеко не фантастика. Именно в области создания роботов военного назначения сосредотачиваются мощные научные ресурсы страны, не отрицающие возможности техногенных войн в будущем.

Современные часы

Время быстротечно. Чтобы уловить его ритм, человек придумал часы. Солнечные, лунные и звёздные часы – механизм их подсказан самой природой, - на Востоке знали уже в глубокой древности. В V веке до нашей эры с ними познакомились греки, а два столетия спустя – римляне. Но пользоваться природными часами можно было лишь в ясную погоду. Тогда на помощь пришли водяные, огненные и песочные часы.

На рубеже XII-XIII веков появились часы механические. Имя изобретателя неизвестно, но придуманная им конструкция механизма в основных деталях сохранилась до нашего времени – достойный памятник неизвестному гению.

Изобретателем современных механических часов по праву считается нидерландский учёный Х. Гюйгенс, который в 1657 году применил маятник в качестве регулятора хода часов.

В лучших механических часах в наши дни неточность хода очень мала: не более 0,0001 секунды за сутки. Но изобретатели продолжали добиваться большей точности часов. На смену механическим часам пришли электронные. Взамен колебаний маятника или баланса стали использоваться, например, упругие колебания кристалла кварца. Если к противоположным поверхностям кварцевой пластинки подвести переменный электрический ток, кристалл начнёт совершать колебания, причём частота колебаний кварца отличается постоянством. Это позволило создать очень точные кварцевые электронные часы, в которых радиотехнический генератор вырабатывает ток высокой частоты, а кварцевый кристалл играет роль маятника, поддерживая строгое постоянство колебаний тока. Функции «шестерён» выполняют различные электронные схемы. Проходя через них, ток преобразуется и подводится к электродвигателю, которые и вращает стрелки часов. Стабильность частоты колебаний обеспечивает равномерность движения стрелок и погрешность не более 1 мкс.

Тем не менее даже кварцевые часы имеют существенные недостатки. Главные из них – зависимость колебаний кварца от температуры окружающей среды и изменение частоты колебаний с течением времени.

Представителем направления, которое можно назвать хай-тек, является японская фирма «Касио», которой удалось создать в наручных часах записную книжку и даже инфракрасный пульт дистанционного управления, но и это уже стало достоянием истории. Последний же писк моды – наручный проигрыватель музыкальных файлов формата mp3. Он впервые интегрирован в модель Casio WMP-1V. В роли интегрированного носителя выступает флэш-карточка. Плеер вмещает 33 минуты цифровой музыки наилучшего качества. На передней панели музыкальных часов расположено 6 клавиш управления плеером. Ёмкости литиевого аккумулятора хватает на 4 часа воспроизведения. Столько же времени занимает и его полная зарядка. Для загрузки новых файлов часы подключаются к персональному компьютеру. Скорость загрузки данных – 70 секунд на четырёхминутный mp3-файл. В комплект поставки входят программное обеспечение для синхронизации с ПК, зарядное устройство, стереонаушники и блок питания. Музыкальные часы компактными не назовёшь, они выполнены в «спортивном» стиле. Но весят не много – всего 70 граммов.

Другие интеллектуальные часы той же фирмы содержат встроенный органайзер, записи которого синхронизируются с настольными или карманными компьютерами. Часы оборудованы специальным 4-разрядным процессором, имеют 24 Кбайт памяти, информативный дисплей с графическим, разрешение которого 48 на 10 пикселов, и цифровым с 12 символами поля. Органайзер часов можно назвать достаточно ёмким. В частности, ежедневник рассчитан на 340 записей, контакты – до 100 записей, дела – до 340 записей и, наконец, блокнот может сохранять до 8100 символов. Синхронизация часов с компьютерами производится по инфракрасному интерфейсу на дистанцию до 20 сантиметров. Часы достаточно компактны – всего 5х3,7х1,3 сантиметров.

Но и это не последнее чудо. «Касио» удалось встроить в часы наручную цифровую камеру. Крохотная CMOS-матрица обеспечивает разрешение 28 800 пикселов. Реальные размеры снимка – 20х20 миллиметров, 120х120 точек. Конечно, такой снимок для домашнего альбома не подойдет. Однако задача такой камеры – быть всегда под рукой и сфотографировать не для выставки, а для дела. Возможностей малютки вполне хватит для того, чтобы, например, сфотографировать телефонный номер с настенного объявления. Передача данных ведётся по инфракрасному интерфейсу. Кстати, любой снимок можно сразу подписать – 24 знакоместа для этого вполне достаточно, а потом отправить не только на компьютер, но и на другие часы Casio Wrist Camera. Вес наручных часов-фотоаппарата – 32 грамма. Пользоваться ими предельно просто: дисплей часов переводится в режим цифрового видоискателя и остаётся лишь нажать на большую кнопку затвора.

В борьбе за точность учёные создали молекулярные часы, в которых используют способность определённых молекул поглощать и излучать электромагнитные колебания строго определённой частоты. Ещё более точными «хранителями времени» оказались атомы некоторых элементов, например цезия. Неточность хода атомных цезиевых часов составляет 1 секунду за 10 000 лет. Но и этот показатель удалось превзойти с помощью квантовый часов, в которых используются электромагнитные колебания водородного квантового генератора. Неточность таких часов – 1 секунда за 100 000 лет!

Существуют и так называемые радиоактивные часы. С их помощью учёные измеряют очень большие промежутки времени – тысячи, сотни тысяч и даже миллионы лет. Например, возраст археологической находки или какой-нибудь породы. Принцип измерения основа на законе радиоактивного распада ядер химических элементов. Различные элементы распадаются с разной скоростью. Например, период полураспада (количество атомов уменьшается вдвое) урана-238 равен 4,5 миллиарда лет, урана-235 – 700 миллионам лет, а углерода-14 – «всего» 5500 лет. Сравнивая соотношение тех или иных элементов в изучаемом образце со скоростями их распада, учёные могут определить возраст исследуемого объекта в интервале от сотен до миллиардов лет.

Современные телевизоры

Самым главным техническим достижением XX столетия, имеющим бытовое значение, французы назвали телевизор. В 1,5 раза меньше голосов собрал компьютер, в 2 раза меньше – мобильный телефон.

Современное телевидение, как это часто бывает, родилось из неглавного направления исследований, также, однако, представленного десятками имён. В 1907 году петербургский профессор физики (электроники тогда ещё не было) Технологического института Борис Львович Розинг попытался запатентовать электронно-лучевую трубку в качестве приёмника. Сначала изображение в электронно-лучевой трубке сканировалось, а затем передавалось принимающей трубке. В 1911 году Розинг усовершенствовал систему синхронизации передатчика и приёмника и демонстрировал свой прибор публично, за что получил Золотую медаль Российского технического общества. Однако до бытового телевизора было ещё далеко, предстояло решить множество технических проблем. Розинг «покушался» на них и даже пытался в 1925 году в СССР кое-что патентовать, но всех трудностей не преодолел. Это удалось его ученику Владимиру Козьмичу Зворыкину.

Современные телевизоры прямо-таки перенасыщены электроникой, особенно дорогие модели с большим экраном. На них некоторые фирмы применяют цифровые системы цветового шумоподавления. «Панасоник» первым оснастил свой телевизор процессором, модулирующим скорость электронного луча для получения чётких контуров вокруг частей изображения. Другие разработчики также стремятся насытить аппарат множеством полезных функций. Поэтому в современном телевизоре чего только нет: и таймер включения, и таймер «сна», благодаря которым телевизор будит владельца звуками любимой передачи, а вечером тот может удобно устроиться на диване, не боясь заснуть – телевизор сам выключится по истечении заданного времени. Для особо рассеянных есть модели с устройством, которое выключит приёмник, если видеосигнал отсутствует более 15 минут. Телетекст, управление с помощью меню на экране, память настройки изображения, электронная блокировка доступа (защита от детей) – далеко не полный перечень функций современных моделей.

Наличие в дорогих моделях двух независимых тюнеров обеспечивает функцию «картинка в картинке». Можно контролировать происходящее на другом канале, не отрываясь от просмотра основного, включив в углу маленький экранчик.

Есть интересные новинки, не относящиеся к качеству изображения или набору функций телевизора. Фирма «Панасоник» наносит на экран антистатическое покрытие, препятствующее оседанию пыли. А «Самсунг» выпустил уникальный «биотелевизор». Специальное керамическое покрытие, нанесённое с обратной стороны экрана, пропускает длинноволновую часть инфракрасного излучения, которое, по утверждению специалистов, благотворно воздействует на организм человека.

Естественно, при высоком качестве «картинки» звук должен быть тоже на высоте. Его чистоте и мощности в акустических системах в сегодняшних телевизорах могут позавидовать иные музыкальные центры. Конструкторы стремятся как можно более эффективно использовать внутреннее пространство аппарата. Так, в некоторых моделях «Панасоник» с системой динамики расположены позади кинескопа, всё верхнее пространство за ним используется как резонатор. В передаче звука участвуют элементы корпуса, а сам он выходит через узкую полоску над экраном.

Другие фирмы размещают громкоговорители в специальных объёмных кожухах, а дефлекторы направляют звук к узким вертикальным решёткам справа и слева от экрана. Или в задней части кожухов акустической системы предусматривают отверстия, улучшающие воспроизведение низких частот и увеличивающие эффект «объёмного звучания».

Электронные системы обработки звука позволяют изменять характер звучания. Можно подстраивать звук под особенности передачи («речь», «музыка», «театр») или легко смоделировать объем помещения («стадион», «зал», «диско»). «Панасоник» пошёл ещё дальше. В диффузор низкочастотного громкоговорителя были добавлены хитиновые пластинки, полученные с помощью биотехнологии. По утверждению разработчиков, они повышают чистоту звука.

Предваряя всеобщий переход на стандарт телевидения высокой чёткости, некоторые компании начали выпускать аппараты с форматом экрана 16:9, при том что обычные модели имеют стандартный формат 4:3, а также модели стандартного формата, но с возможностью переключения в 16:9. Развёртка с частотой 100 Гц вместо привычных 50 Гц позволяет устранить мерцание изображения и приблизить его вплотную к устойчивости слайда.

Первые образцы появились в конце 1990 года. Широкий экран – это, несомненно, значительный шаг вперёд хотя бы по той причине, что он более соответствует кинематографическим стандартам, чем нынешний экран с соотношением сторон 4:3. Но преимущества эти пока слабо проявляются, не будучи поддержаны телевещанием, а вот стоимость широкоэкранных телевизоров ощутимо выше, чем обычных.

Проблема, с которой приходится сталкиваться обладателям широкоэкранного телевизора, связана с несоответствием форматов изображения и экрана. При попытке воспроизвести «картинку» формата 4:3 на телевизоре 16:9 (или наоборот), неизбежно происходит потеря полезной площади экрана, что проявляется в виде двух чёрных полос.

Против широкого экрана есть весьма веские доводы. Во-первых, широкоэкранные телевизоры дорого стоят. Это неоспоримый факт, особенно если посчитать стоимость единицы площади получаемого изображения.

Во-вторых, у программного обеспечения (и в виде ТВ-передач, и в виде записей на кассетах и дисках) для широкоэкранных телевизоров довольно туманное будущее.

Другое направление – проекционный телевизор. На Берлинской Международной выставке бытовой электроники 1996 года фирма «Нокиа» показала подобную установку. «Нокиа» - первая компания бытовой электроники, поддержавшая технологию «Digital Micromirror Device», разработанную «Texas Instruments». Главное в ней – микросхема размерами 1,5х1 сантиметр, на которой размещено полмиллиона зеркал. Транзисторные переключатели управляют их отражающей способностью. Когда на транзисторный блок подаётся телевизионный сигнал, а поверхность схемы освещается ярким светом, через линзы на экран проецируется телевизионное изображение. Вращающиеся цветные фильтры придают ему окраску.

“Texas Instruments” первоначально разрабатывала это устройство для того, чтобы проецировать изображение через всю комнату на настенный экран. В Великобритании “Rank Brimar” стал выпускать такие зеркальные проекторы, предназначенные для промышленных целей. «Нокиа» поместила тоже самое устройство в телевизор с обратной проекцией. Это позволило при глубине корпуса всего 40 сантиметров получить плоское изображение размером 1,3 метра. С 1997 года проекционные телевизоры появились в широкой продаже.

И, наконец, о главном. То о чём давно говорили фантасты, должно свершиться. В каждый дом войдёт объёмное телевидение. На той же Берлинской Международной выставке бытовой электроники японская фирма «Саньо» собрала целую толпу вокруг своего телевизора трёхмерного изображения, которое можно увидеть без специальных очков. Но эффект наблюдался только из одного положения и только с определённого расстояния от экрана. А все остальные могли «любоваться» лишь расплывчатой двоящейся картинкой.

Сотовая связь

Оказывается, на вопрос, сколько лет телефону, ответить не так-то просто. Судите сами: принцип трансформирования вибрации мембраны от звуковых волн в электрический сигнал, который подлежит в дальнейшем передаче по проводам на расстояние, открыл французский исследователь Шарль Бурсоль в 1854 году. Позже немецкий естествоиспытатель Иоганн Рейс научился передавать по проводам музыкальные звуки. Но передавать речь все не получалось. Наконец, в 1876 году удача улыбнулась американскому изобретателю Александру Беллу, который догадался, что для передачи речи нужен постоянный ток, и разработал примитивный (но работающий) телефонный аппарат.

В начале 1990-х годов появились беспроводные телефоны с кнопочным набором. Постепенно домашние и офисные аппараты, работающие в диапазоне 50 МГц с радиусом действия в несколько десятков метров, были вытеснены 900-мегагерцовыми аппаратами.

По сути, предками сотовой подвижной связи были радиотелефонные удлинители и различные автономные сети радиосвязи. Кстати, широко известная ещё в советские времена радиально-зоновая сеть спецсвязи «Алтай», которой пользовалась тогдашняя государственная элита, обеспечивала подвижность в пределах сот внушительного размера. Поскольку абонентов у этой сети было немного, вопрос об экономии радиочастотного ресурса тогда не стоял. Аналогичные системы связи имелись и в других странах, но это была лишь прелюдия к будущей сотовой связи. Внедрение настоящих сотовых сетей началось лишь после того, как была решена проблема экономии спектра радиочастот и найдены способы определения текущего местоположения подвижных абонентов. Это было необходимо для оптимального направления к ним вызовов и обеспечения непрерывности связи при перемещении абонента из одной соты в другую.

Рождение сотовой связи относят к 1971 году. Именно тогда компания “Bell System” представила в Федеральную комиссию СЩА по связи (FCC) описание архитектуру радиотелефонной связи, которая впоследствии и стала называться сотовой. Но путь от идеи до реального проекта занял довольно долгий срок – коммерческие сотовые сети заработали лишь через десять лет.

Первые системы сотовой связи были аналоговыми и обладали одним серьёзным недостатком – несовместимостью систем различных производителей. Это существенно ограничивало возможности перемещения абонентов между странами и даже городами, в которых были развёрнуты разнотипные системы.

Столь привычные современному пользователю аналоговые сотовые сети начали создаваться в начале 1980-х годов во многих странах Европы на базе унифицированного оборудования стандарта MMT-450 и в США – на базе стандарта AMPS. Именно им в ту пору суждено было принять на себя основную часть подвижных абонентов во всём мире.

В результате европейской инициативы в 1982 году возникла группа экспертов подвижной связи GSM (Group Special Mobile) из 17 европейских администраций связи, которая приступила к разработке нового цифрового стандарта сотовой связи. Многолетние усилия GSM увенчались успехом, и сегодня мы имеем ещё одну широко распространённую расшифровку аббревиатуры GSM: Global System for Mobile Communications (глобальная система подвижной связи).

В стандарте GSM применяется так называемая спектрально-эффективная гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом. Для защиты от ошибок в радиоканалах системы GSM используется сверточное и блочное кодирование с перемежением.

Сверточное кодирование борется с одиночными ошибками, перемежение позволяет преобразовывать групповые ошибки в одиночные, а блочное кодирование освобождает от оставшихся нескорректированных ошибок. Повышение эффективности кодирования и перемежения при малой скорости перемещения абонентских терминалов достигается медленным переключением рабочих частот в процессе сеанса связи со скоростью 217 скачков в секунду.

Для высокой степени безопасности передачи сообщений осуществляется их дополнительное шифрование по алгоритму с открытым ключом.

Функциональный состав системы вполне традиционный – она состоит из центра коммутации, центра управления и обслуживания, базовых станций и абонентских терминалов.

Центр коммутации обслуживает группу ячеек (сот), в каждой из которых находится базовая станция (отдельные группы базовых станций управляются специализированным контроллером), обеспечивая все виды соединений, в которых нуждается абонентская подвижная станция, а также «эстафетную передачу» при движении абонента (из соты в соту) и переключение радиоканалов при появлении помех или неисправностей. Центр коммутации непрерывно отслеживает местонахождение подвижных станций, сохраняя эту информацию в специальных защищённых базах данных. Это позволяет осуществлять обслуживание (роуминг) пользователей других сетей данного стандарта (принадлежащих другим операторам).

Разработчики позаботились о том, чтобы система GSM обладала собственным внутренним механизмом определения местоположения абонентов и маршрутизации вызовов, не зависящим от конкретной телефонной сети, к которой подключена, и соответственно могла бы достаточно просто сделать тоже самое в любой части каждой страны. Всё это облегчает организацию автоматического роуминга, что ныне широко используется во всем мире.

Для исключения несанкционированного доступа в сеть GSM производится аутентификация абонента. При этом каждый получает на время пользования сетью стандартный модуль подлинности абонента, который содержит ключ и алгоритм аутоинтефикации. Вставив свою карту в терминал, абонент превращает последний в свой индивидуальный аппарат. Чтобы обеспечить дополнительную защиту своего терминала, абонент может установить такой режим работы, при котором необходимо дополнительно набрать на клавиатуре pin-код.

Ещё один важный узел сети GSM, отвечающий за её надёжность, - это центр эксплуатации и технического обслуживания (ОМС). Он обеспечивает контроль и управление всеми компонентами сети, а также контролирует качество её работы. В зависимости от характера неисправности ОМС позволяет устранить её автоматически или с помощью экстренного вмешательства технического персонала.

Сеть GSM имеет центр управления, предназначенный для эксплуатации и технического обслуживания всей сети, которая может содержать несколько региональных ОМС.

Система предоставляет своим абонентам широкий спектр услуг: передачу вызова, оповещение о тарифных расходах, включение в закрытую группу пользователей. Применение в сети различного оборудования позволяет, кроме осуществления голосовой связи, передавать данные, короткие сообщения, сигналы экстренных служб, в том числе аварийной информации, сигналов охраны квартир, бедствия.

Карманный компьютер

Наиболее перспективным направлением компьютерной промышленности последних лет считается рынок компактных компьютеров, умещающихся в кармане пиджака и при этом не уступающих по мощности и удобству своему напольному собрату.

Сейчас всё более популярным становится симбиоз компьютера и мобильного телефона, называемый «мобильным офисом», который неизбежно станет нашим постоянным спутником жизни.

В его состав может входить много компонентов, но самые главные – ноутбук или карманный компьютер, мобильный телефон с инфракрасным портом и переносной принтер. Вкупе они весят меньше килограмма и позволяют получить доступ к Интернету и электронной почте, редактировать и печатать документы, а также отсылать факсы и фотографии.

Сердце мобильного офиса – карманный компьютер Windows CE, Psion, Palm. Размер его памяти принципиально не важен – большая часть наиболее часто используемых приложений (почта, текстовый редактор) будет работать и в минимальной конфигурации. В компьютер входят последовательный и инфракрасный порты, в ряде моделей – встроенный факс-модем. Вес карманного компьютера очень мал – от 100 до 500 граммов.

Компьютеры Psion могут работать на одних и тех же батареях много дней подряд, и это их самое большое и немаловажное для мобильного офиса достоинство. Palm и Psion не понимают форматов документов Microsoft Office – придётся дополнительно покупать пакет программ.

Модели на Windows CE (их выпускают фирмы Casio, Hewlett Packard, Compaq) наиболее приближены к настольному компьютеру, обладают привычным интерфейсом Windows и понимают форматы документов Office как «родные». Они обладают цветным дисплеем, за что приходится расплачиваться уменьшенным временем работы от батарей (7-10 часов) и высокой ценой.

Фирма “Palm” выпускает карманные компьютеры наименьшего размера, правда, это достигается ценой отказа от пускай маленькой, но клавиатуры. Но после некоторой тренировки писания стилусом (пластиковой палочкой) текст можно вводить даже быстрее, чем с клавиатуры. Для Palm выпускаются дополнительные модули-насадки (например, превращающий Palm в mp3-плеер).

Другой вариант мобильного компьютера – «носимый компьютер» - Werable PC. Чтобы компьютер под управлением Windows 9x/2000 был всегда под рукой, его можно носить на себе, а не в сумке. В нем даже спать можно. Грубо говоря, персональный компьютер делится на функциональные блоки и распределяется по всему телу. К примеру, на рукав прикрепляется сенсорный дисплей диагональю 3-6 дюймов или устройство ввода, а  ЖК-дисплей помещается в «виртуальные» очки. Информацию о внешнем мире можно получать через цифровую видеокамеру, но это уже крайность. Существенно похудевший «системный блок» можно повесить, как рюкзак, на спину или на пояс, к примеру.

На Werable PC предустановленны: ОС Windows Via Voice, программа голосового управления IBM Via Voice и софт для оформления электронной интерактивной библиотеки изображений Link Assist. Питание – от литий-ионной батареи, которая закрепляется на поясе. Системный блок можно носить и на поясе, и на спине. Компьютер Mobil Assistant весит 795 грамм. Werable PC рассчитан на активную работу в температурном диапазоне от 5 до 35 градусов при относительной влажности 30-90 процентов.

Компьютер IBM Werable PC весит меньше 300 грамм. Он поддерживает голосовое управление через программу распознавания голоса IBM Via Voice Speech. На борту расположены жесткий диск 340 Мбайт, 65 Мбайт оперативной памяти ЕОО и процессор с тактовой частотой 233 МГц. На «глазном» дисплее можно даже видео смотреть – мощности вполне хватит.

Вполне вероятно, что через несколько лет системные администраторы, операторы машинных залов и даже ревизоры в приличных компаниях будут щеголять в «ПК-одежде».

Мобильный Интернет

С момента зарождения глобальной компьютерной сети Интернет прошло более сорока лет. Идея возникла в конце 1950-х годов, когда в США была поставлена задача создать сеть телекоммуникации. И в 1968 году был составлен план развития сети электронно-связанных компьютеров АРПАНЕТ (прообраз Интернета) для оповещения о возможной ядерной атаке, а спустя год вступил в действие первый компьютер, предоставляющий клиентам услуги по телекоммуникации. Через три года сеть охватила уже 34 компьютера, размещённых в разных концах страны, а к 1983 году через АРПАНЕТ были соединены более 400 больших компьютеров. Вскоре АРПАНЕТ разделилась на две сети: несекретную военно-промышленную и научно-исследовательскую. Вместе они назывались АРПАИНТЕРНЕТ и включали несколько тысяч серверов.

В начале 1990-х годов Интернет превратился в самую разветвлённую и мощную планетарную компьютерную сеть (её называют информационной супермагистралью) и стал основным каналом международного общения, универсальным средством передачи научной и учебной информации. Тысячи компьютеров образуют локальные сети, они соединяются в региональные, а те, в свою очередь, составляют сегменты глобальной сети, к которой можно подключить каждый компьютер.

С помощью Интернета сегодня широко реализуются услуги электронной почты, обеспечивается доступ к массивам цифровой информации, расположенной в самых дальних точках планеты, к научным документам, в том числе картам, аэро- и космическим снимкам, к электронным каталогам, учебникам и библиотекам. Хотя Интернет – это средство безбумажной передачи информации, о нём написаны уже сотни статей, монографий и учебников на многих языках мира.

Доступ в Интернет с помощью мобильных устройств обещает стать в новом тысячелетии одним из магистральных направлений. Количество мобильных телефонов уже превысило число стационарных.

В 2001 году начался настоящий бум Web-планшетов. Типичный Web-планшет представляет собой плоский, лёгкий (до 2 килограммов) компьютер на базе процессора с пониженным энергопотреблением и интегрированными видео-, аудио- и сетевой подсистемами. Ввод данных у Web-планшетов осуществляется обычно при помощи виртуальной клавиатуры: программки, в которой пользователь выбирает нарисованные на экране буквы. Однако возможен и перьевой ввод, когда буквы пишутся на экране указкой, а потом обрабатываются программой распознавания символов. Обычно разработчики оставляют и возможность подключения традиционной физической клавиатуры.

Современные Web-планшеты имеют беспроводной радиоинтерфейс. Принцип использования прост. На Web-планшете имеется радиоинтерфейс, по которому он общается с базовой станцией, как у домашнего беспроводного телефона. А уж эта станция подключена к телефонной линии. В этом случае с планшетом можно напросто перемещаться на разумные расстояния от нескольких десяткой до нескольких сотен метров, оставаясь при этом «на линии».

Рассмотрим основные протоколы, которые используют планшеты в своей работе.

В июне 1997 года появился на свет протокол WAP (Wireless Application Protocol – протокол беспроводного доступа). Это средство получения доступа к ресурсам Интернета посредством только мобильного телефона, не прибегая к помощи компьютера или модема. По сути это технический стандарт, описывающий способ, с помощью которого информация из Интернета передаётся на дисплей мобильного телефона. Однако в последнее время эта технология начала постепенно отмирать. На смену ей пришли стандарты GRPS и EDGE.

GPRS (General Packet Radio Service – пакетная радиосвязь общего пользования) – надстройка над технологией мобильной связи GSM, осуществляющая пакетную передачу данных.

При использовании GPRS информация собирается в пакеты и передаётся через неиспользуемые в данным момент голосовые каналы, такая технология предполагает более эффективное использование ресурсов сети GSM. При этом приоритет передачи – голосовой трафик или передача данных - выбирается оператором связи. Федеральная тройка в России использует безусловный приоритет голосового трафика перед данными, поэтому скорость передачи зависит не только от возможностей оборудования, но и от загрузки сети. Максимальная теоретическая скорость передачи данных, которая может быть достигнута, составляет 171,2 кбит/с.

EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) – цифровая технология для мобильной связи, которая функционирует как надстройка над GPRS-сетями. EDGE использует более эффективные алгоритмы передачи информации, по сравнению с GPRS (в среднем в 3 раза). EDGE обеспечивает передачу данных со скоростью до 474 кбит в секунду в режиме пакетной коммутации.

С точки зрения пользователя EDGE позволяет пользоваться достаточно быстрым Интернет доступом даже в местах, где прокладка фиксированной линии связи невозможна или нецелесообразна по экономическим причинам.

Перспективной является технология мобильной связи 3 поколения или 3G (third generation). Это набор услуг, которые объединяют как высокоскоростной мобильный доступ с услугами сети Интернет, так и технологию радиосвязи, которая создаёт канал передачи данных.

Сети третьего поколения 3G работают на частотах дециметрового диапазона около 2 ГГц, передавая данные со скоростью 2 Мбит/с. Они позволяют организовывать видеотелефонную связь, смотреть на мобильном телефоне фильмы и телепрограммы.

В 2002 году в России запущена первая сеть третьего поколения в Санкт-Петербурге. В течение 2008 года в коммерческую эксплуатацию была запущена 3G сеть более, чем в 25 городах России, включая: Казань, Сочи, Уфа, Нижний Новгород, Волгоград, Набережные Челны, Красноярск и другие.

Литература для учащихся

1. Энциклопедический словарь юного физика М, Просвещение, 1996
2. Энциклопедический словарь юного техника М, Просвещение, 1998
3. Беседы по физике, Блудов, М; Просвещение, 1978

Литература для учителя

1. 100 великих чудес техники, Мусский, М; Вече, 2001
2. Занимательная физика, Я.И. Перельман, том 1-2, М; Наука, 1997
3. Элементарный учебник физики, под. ред. Г.С. Ландсберга, том 1, АОЗТ «Шрайк», М; 1995
4. Газета «Физика» (приложения к «1 сентября»)
5. Журнал «Физика в школе», 1989, №3,7
6. Демонстрационный эксперимент для учащихся с углубленным изучением физики, М; Просвещение, 1996.