Для чего нужна физика? | Решение задач по физике
Главная
Физика – это наука, создавшая современный мир. Благодаря открытию законов физики, наши дома оснащены разнообразной техникой, а быт упрощен коммунальными благами. Поэтому, задавая вопрос касательно актуальности изучения физики, стоит заглянуть в корень этой науки и понять, с чего все начиналось.
Закономерности окружающего мира
Множество природных закономерностей было замечено еще первыми людьми. Тогда эти явления были необъяснимыми и поэтому оставались бесполезными или даже опасными. Постепенно, решая задачи и проводя эксперименты, ученые собирали информацию о том, как устроен мир. Накопленный опыт и дальнейшие открытия привели к тому, что человек подчинил себе множество стихий и сделал свою жизнь безопасной и комфортной.
Даже те, кто не увлекается наукой, пользуются знанием физических законов в быту и обычной жизни.
Практическая польза
Благодаря физике нам известно происхождение почти всех природных явлений. С годами решение задач по физике открыло перед учеными огромные перспективы. Человек научился получать энергию и использовать ее в собственных целях. Физические формулы необходимы для широкомасштабного строительства, развития промышленности и производства.
Говоря о теории, стоит упомянуть, что физика полезна для развития логического мышления. Занимаясь этой наукой, человек совершенствуется во многих сферах, учится правильно рассчитывать силы и использовать весь свой умственный потенциал. В процессе решения физических задач, устанавливается связь между причиной и следствием, находится решение для важных вопросов и проводится анализ текущих условий.
Расширение кругозора
Законы физики лежат в основе астрономии и изучения небесных тел. Знание физики позволило человечеству достичь ощутимых результатов в покорении космического пространства. Благодаря этому спутниковая связь и глобальное прогнозирование стали реальностью для большинства людей.
Физические расчеты лежат в основе изобретения всех видов транспорта, включая летательные аппараты и космические корабли. Связь между людьми также обеспечивается благодаря знанию физики – радио, телевидение и интернет полностью зависят от правильного использования волн и сигналов.
Физика позволила человеку выйти за рамки привычного мира и открыть для себя новые горизонты. С ней жизнь стала богаче, насыщеннее и интереснее. Поэтому, задаваясь вопросом о необходимости физики, стоит помнить о том, что почти весь известный нам мир создан на основе этой удивительной науки.
Почему важно знать физику?
Часто
дети задают своим учителям и родителям вопрос: «А зачем мне учить физику, если
она мне не интересна.
Да и в жизни она вряд ли мне пригодится?»
И действительно, как объяснить подростку, которому физика не интересна, если он не собирается связывать с ней профессию, что ему надо учить все эти формулы, законы и теории? Давайте попробуем ответить на этот вроде бы простой, но в то же время сложный вопрос.
Физика – один из самых красивых предметов, который мы изучаем в школе. Слово «физика» в переводе с греческого означает «природа». То есть
Но
знание физических закономерностей устройства нашего мира так или иначе нужно
знать любому человеку. Это такая же часть общекультурного базиса, как и знание
основных правил русского языка, как ориентация в географии или в истории, как
знакомство с общими принципами биологической эволюции.
Вот раньше люди ездили на тарантасах, запряжённых лошадьми, жали серпами пшеницу и рожь, проводили вечера при свете лучин. А в сказках мечтали о чудесах: ковре-самолёте, топоре-саморубе и многом другом. Стала ли сказка былью? Конечно да. Ведь сегодня люди летают на самолётах. Комбайны убирают урожай в поле (некоторые даже без участия человека!). Электро- и бензопилы в считанные минуты спиливают деревья. А энергосберегающие лампочки освещают наши дома и квартиры.
Мобильная связь расширила возможности общения людей друг с другом. Ракеты выводят на орбиту искусственные спутники Земли. В конце концов человек достиг космоса. Всё это стало возможным благодаря достижениям различных наук, главной из которых является физика.
Только физика поможет нам понять, почему появляется радуга, как работает телефон, как появляется изображение на экране телевизора или монитора.
Только
зная физику, можно проектировать и строить дома, заводы, машины и
электростанции. Чтобы создавать радиоприёмники, автомобили, космические
аппараты, даже просто одежду и продукты питания, надо знать физику.
Например, на уроках биологии часто приходится работать с микроскопом. А его устройство и принцип действия основаны на законах физики. Те же очки, телескопы, фотоаппараты и видеокамеры можно было сделать лишь потому, что физики изучили, как распространяется свет в воздухе и стекле.
А, например, конструирование и изготовление кораблей, самолётов и воздушных шаров основано на знании закономерностей, которым подчиняются жидкости, газы и движущиеся в них тела.
Без знания физики нельзя было бы сделать ни часы, ни телефон, ни пылесос, ни телевизор. И мы были бы лишены многих полезных вещей, которые помогают нам готовить и сохранять пищу, убирать квартиру, слушать музыку и даже общаться с друзьями на расстоянии.
Физика,
являясь фундаментом техники, развивает её. А техника создаёт приборы,
позволяющие физике проникать в неразгаданные тайны природы, открывать новые
явления. Физика помогает нам не просто верить во что-то, но и самим понимать,
как «устроен» окружающий мир.
Например, всех с детства родители и система образования от садика до начальной школы учит: «Не суй пальцы в розетку!», но только изучив физику, понимаешь, что произойдёт, если ты это сделаешь.
«Не перебегай дорогу перед движущимся автомобилем!» Зная физику, ты понимаешь, почему автомобиль не может остановиться мгновенно и что случится, если произойдёт столкновение.
Занимаемся спортом эффективнее
Практически во всех видах спорта (игры с мячом, стрельба, бильярд, зимние виды спорта, водные виды спорта и так далее) знание физики может здорово помочь. Можно долго и упорно практиковаться, а можно подучить теорию и понять, почему мяч (или другой снаряд) движется именно так.
Даже в кёрлинге тоже чистая физика. Можно смотреть, как люди натирают щётками пол перед камнем и думать: «Почему трут там, а не в другом месте?»
Вот
представим, как люди на коньках катаются. У нас так хорошо получается
скользить, потому что при повышении давления лёд плавится.
Создаётся водяная
прослойка, выполняющая роль смазки между лезвием и твёрдой поверхностью, в
результате трение о лёд уменьшается. На подошве у нас получилось бы проехать
куда хуже.
Так и в кёрлинге: игроки жёсткими щётками натирают лёд перед камнем, от трения температура ледяных бугорков повышается, они начинают таять и покрываются мельчайшими капельками воды. Они играют роль смазки между камнем и льдом. В результате, если натирать лёд точно перед камнем, он будет двигаться дольше, а если натирать участок, находящийся чуть в стороне от траектории движения центра камня, он начнёт смещаться, ведь с этой стороны трение будет меньше. Итог – движение камня корректируется в зависимости от работы членов команды. Так что, если занимаешься тем же кёрлингом, ты тоже немного физик.
Открываем для себя новые карьерные возможности
Без
физики врачи, наверное, до сих пор боролись бы со всеми болезнями кровопусканием.
Кстати, этот способ лечения в XIX веке привёл к открытию одного из самых
фундаментальных законов физики – закона сохранения энергии.
Нельзя не вспомнить, что многие абитуриенты, поступающие в вузы, связывают свою будущую карьеру с программированием. И если идти по обычному пути «школа-университет-работа», то для получения высшего образование в этой области необходимо пройти ЕГЭ по физике.
Конечно, не всем программистам знания физики пригодятся потом в работе, но некоторым – очень. Например, тем, кто занимается симуляцией физических процессов в играх: программирует гоночные симуляторы, воздушные, танковые. В этом случае просто необходимо знать физические законы, иначе видеоигры будут скучными, а анимации не будут выглядеть реалистично.
Выходит, физика – необходимый этап в карьере программиста.
И
есть ещё один важный момент. Почти все нынешние подростки через какое-то время
станут родителями, папами и мамами.
И их маленькие детишки будут задавать
миллион вопросов: «почему едет машина?», «а откуда берётся радуга?», «почему
гремит гром?», «почему светит солнце?», «а почему в космосе невесомость?»,
«почему нельзя совать пальцы в розетку?», «почему светит лампочка?», «почему
снежинки все такие разные?», «а почему небо голубое?». И так далее и так далее
Как ответить, не зная физику? Вот и мы не знаем.
Дети задают много вопросов про окружающий мир, и отвечать на них можно, конечно, по-разному. Даже если вы забыли какие-то детали или сложную формулу, но достаточно хорошо поняли суть дела, то даже через 10–20 лет легко сумеете объяснить ребёнку дошкольного или младшего школьного возраста все такие штуки – кратко и с учётом его уровня понимания. Этим и определяется образование: если можешь рассказать что-то пятилетнему ребёнку, значит, ты действительно понимаешь принцип явления, а не прикрываешься умными словами.
Конечно,
у нас всегда есть выбор – или говорим как есть, или
сочиняем небылицы.
Например, ветер дует, потому что деревья качаются, а не
деревья качаются, потому что ветер дует. Молнию видим раньше, чем слышим гром,
потому что уши дальше, а глаза ближе, а не то, что скорость света во много раз
больше скорости звука. Снег тает, потому что его ест туман, а не туман
появляется, потому что снег тает и так далее и тому подобное. Ребёнок же всё
«возьмёт» от нас, ведь мы для него авторитет. Но лучше сразу формировать
нормальную картину мира.
Таким образом, можно без преувеличения сказать, что знания, добытые физиками за века развития науки, присутствуют в любой области человеческой деятельности. Окиньте взглядом то, что вас сейчас окружает – в производстве всех находящихся вокруг вас предметов важнейшую роль сыграли достижения физики.
Знания,
полученные при изучении физики, пригодятся вам в повседневной жизни и
поспособствуют развитию ваших интеллектуальных способностей. Физику нужно
изучать для того, чтобы понимать, как устроен окружающий мир. Понимать хотя бы
в общих чертах.
И тогда человек не будет делать многих глупостей в жизни. А
окружающий нас мир будет для нас безопаснее и интереснее.
Фундаментальные исследования: «Что когда-либо сделала для нас физика?»
Признаюсь, мой язык крепко прижался к щеке, когда я задаю этот вопрос. Мы знаем, что исследования в области физики принесли неизмеримую пользу человечеству. Именно это стремился прославить Альфред Нобель, излагая свое видение Нобелевских премий. Однако в некоторых случаях эти преимущества более очевидны, чем в других.
Рассмотрим скромный синий светодиод, изобретение которого принесло Исаму Акасаки, Хироши Амано и Сюдзи Накамуре Нобелевскую премию по физике 2014 года. Его влияние было огромным. Устройство было последней частью головоломки, необходимой для замены олдскульного освещения — ламп накаливания и люминесцентных ламп — на светодиоды.
Не больше ногтя, светодиоды служат в 100 раз дольше, чем лампы накаливания, и потребляют меньше электроэнергии. Сокращая как выбросы углерода, так и счета за электроэнергию, они хорошо подходят для автономного освещения, работающего от возобновляемых источников энергии; особенно выигрывают общины в отдаленных или бедных районах.
Здесь у исследования была четко определенная цель, его влияние на общество было ожидаемым, и вскоре технология стала доступна для повседневного использования. Однако не все исследования в области физики имеют такие явные или немедленные преимущества. Физики, занимающиеся фундаментальными исследованиями, обычно не стремятся изменить мир. Скорее, цель состоит в том, чтобы лучше понять вселенную.
Двукратный лауреат Марии Кюри не извинялась за свои мотивы. Не для того, чтобы помочь больным раком, несмотря на огласку, наоборот: «Научную работу нельзя рассматривать с точки зрения непосредственной полезности от нее. Это должно быть сделано для себя, для красоты науки, — заявила она в 1921 году. Возможно нет. Но, какими бы романтичными они ни казались, в них есть смысл. Неоднократно было доказано, что фундаментальные исследования — это конвейер, который питает прикладные исследования (и наоборот). Без него не было бы бесчисленных достижений — не только в физике.
Детектор CMS на Большом адронном коллайдере (БАК).
Выгоды от Большого адронного коллайдера перевешивают затраты на миллиарды евро, даже если не учитывать долгосрочные выгоды от открытий. © CERNYears in the Making
Классический пример — технология GPS, используемая для всего: от навигации на авиалайнерах до отслеживания точного местоположения доставки пиццы. В 2017 году рынок устройств оценивался в 38 миллиардов долларов и будет расти. Здесь решающую роль сыграли работа Альберта Эйнштейна по теории относительности более века назад и другие фундаментальные исследования, которые привели к созданию атомных часов.
Говоря более конкретно, передовые технологии, разработанные для фундаментальных исследований — от детекторов и материалов до алгоритмов — могут оказаться полезными за пределами академических кругов. Известным примером является технология Wi-Fi, разработанная австралийскими астрономами. Ежедневно используемая миллиардами людей, она была изобретена в ходе исследований по поиску сверхслабых радиосигналов от мини-черных дыр, хотя, в конце концов, черные дыры так и не были обнаружены.
Покажите мне деньги
Чтобы облегчить принятие решений о финансировании исследований, некоторые пытались определить ценность фундаментальных исследований. Это особенно важно, поскольку исследования становятся все более дорогими. В то время как Кюри изолировали радий в старом сарае, недавно объявленное физиками элементарных частиц видение следующего крупного ускорителя частиц — 100-километрового кольца по сравнению с 27-километровым Большим адронным коллайдером — по прогнозам, будет стоить в общей сложности 24 миллиарда евро. Это делает LIGO, который впервые обнаружил гравитационные волны и стоил более миллиарда долларов, выглядит мелкой рыбешкой.
Однако это не так просто. Как правило, исследования не определяют количественно самый большой вклад фундаментальных исследований: долгосрочное влияние открытий. В частности, это было сочтено слишком сложным; как сделать вы работаете значение относительности?
Таково мнение итальянского физика Стефано Форте и экономистов Массимо Флорио и Эмануэлы Сиртори, которые в 2016 году провели анализ рентабельности Большого адронного коллайдера (БАК).
Долгосрочные выгоды от любых открытий — это «дополнительный бонус». для будущих поколений, подаренных им нынешними налогоплательщиками», — написали они.
Несмотря на то, что их расчеты были консервативны, их выводы были положительными и решительными: вероятность того, что выгоды от БАК превысят его затраты на 2,9 миллиарда евро, составляет 90%. Двумя крупнейшими вкладами были эффекты человеческого капитала — в частности, то, какую пользу карьере молодых исследователей приносит работа в ЦЕРНе, — и технические побочные эффекты. Одним из примеров распространения является ROOT. Бесплатное программное обеспечение для анализа данных, разработанное в ЦЕРН, имеет десятки тысяч пользователей, не связанных с физикой высоких энергий, в основном в сфере финансов.
Значит, с такими преимуществами не должно быть и речи о финансировании фундаментальных физических исследований? Хорошая новость заключается в том, что общественность признает его важность. Например, в исследовании 2014 года 71% американцев согласились с тем, что инвестиции в фундаментальные исследования «обычно окупаются в долгосрочной перспективе».
Трудный выбор
Однако, по крайней мере с политической точки зрения, несколько факторов мутят воду. Во-первых, наука в целом является лишь одной из многих областей, которые должны финансироваться правительствами. Десятилетия, которые требуются для прорывов, подобных теории относительности, для использования в технологиях, преобразующих жизнь, также простираются далеко за пределы избирательного цикла, который часто определяет решения политиков.
Сосредоточение внимания на классических прикладных исследованиях, которые имеют более осязаемые цели и могут быть быстрее коммерциализированы, может быть заманчивым, особенно в трудные времена. Например, после мирового финансового кризиса 2007–2008 годов правительства США и Канады отказались от финансирования фундаментальной науки.
Совсем недавно руководители шести крупных исследовательских организаций, включая немецкое Общество Макса Планка, выразили обеспокоенность по поводу Horizon Europe, следующей крупной программы финансирования ЕС. Они недовольны тем, что, по их мнению, является смещением акцента в сторону прикладных исследований, что включает сравнительно небольшое увеличение финансирования фундаментальной науки. Очевидно, что оба типа исследований важны, но как их сбалансировать?
Заглядывая вперед, мы можем только мечтать о том, как фундаментальные исследования могут изменить или даже спасти наш мир. В проблемах нет недостатка, поскольку население планеты увеличивается, а необходимость действий в связи с изменением климата становится все более актуальной. Принесет ли наше понимание бозона Хиггса скачок вперед? Каким будет следующий GPS? Однако одно можно сказать наверняка: если мы хотим получить плоды фундаментальных исследований, нам нужно продолжать сажать семена. В науке, как и в садоводстве, хорошие вещи приходят к тем, кто ждет.
Полезные курсы не по физике | Физика
Общие полезные курсы UIUC:
CS 446 — Машинное обучение
CS 512 — Интеллектуальный анализ данных
CS 598 — Машинное обучение для обработки сигналов (тематический курс)
CSE Paraelllll — Введение в Программирование
ECE 455 — Оптическая электроника.
ECE 464 — Силовая электроника.
ECE 598 — Вычислительное обучение и вывод (тематический курс).
EOL 585 — Преподавание в колледже.
EPSY 590 IPP — Вопросы профессиональной подготовки.
Математика 418 — Введение в абстрактную алгебру.
Математика 518/519 — Дифференцируемые многообразия 1 и 2.
Математика 542 — Комплексный анализ.
MSE 583 — Динамика сложных жидкостей.
STAT 100 — Введение в статистику.
STAT 425 — Прикладная регрессия и проектирование
STAT 440 — Управление статистическими данными
STAT 448 — Расширенный анализ данных
STAT 542 — Статистическое обучение.
Теория и доказательство популярных алгоритмов машинного обучения с домашним заданием по практической реализации. Имеет полезный проект в конце семестра.
Полезные курсы UIUC для студентов-биофизиков:
MCB 424 — Микробная биохимия
Полезные курсы UIUC для студентов, интересующихся наукой о данных:
INFO 490 — Курсы Useful for Data Science
90UI студенты, которым нужны численные методы:CS 101 – Intro Computing: Engrg & Sci (курс инструментов, научные вычисления, C, Matlab, Unix/Linux)
CS 357 – Численные методы I (теоретические, Python, Mathematica, Matlab, курс крупномасштабного программирования) (теоретический)
CS 173 — Discrete Structures (предварительно для CS 225)
CS 225 — Data Structures (C++, объектно-ориентированное программирование)
Полезные онлайн-курсы:
Udacity: «Основы программирования на Python», «Дизайн» компьютерных программ» Эти бесплатные курсы для самостоятельного обучения очень хорошо структурированы и интересны.