Презентация к уроку «физические явления»

Физич еские явления

7 класс

Автор — учитель физики ГОУ РК «РЦО»

Кузнецова Елена Леонидовна

СОДЕРЖАНИЕ:

• Механические явления
• Тепловые явления
• Световые явление
• Электрические явления
• Магнитные явления
• Звуковые явления
• Атомные явления

Механические явления — это явления, происходящие с физическими телами при их движении относительно друг друга .

Луна обращается вокруг Земли

Автомобиль едет

Капля падает

Тепловые явления — это явления, связанные с нагреванием или охлаждением физических тел.

Дрова горят

Снег тает

Вода кипит

Световые явления — это явления, связанные с отражением, преломлением и распространением света.

Радуга

Северное сияние

Фонарь освещает

Электрические явления – это явления, которые возникают при появлении, существовании, движении и взаимодействии электрических зарядов.

Молния

Электризация волос

Работа компьютера

Магнитные явления – это явления, связанные с появлением у физических тел магнитных свойств.

Притяжение магнитов к холодильнику

Ориентирование по компасу

Действие домофона

Звуковые явления – это явления, связанные с колебанием воздуха от колеблющихся тел.

Музыка

Эхо

Шум города

Атомные явления – это явления изменения атомных ядер при их взаимодействии.

Эксплуатация атомной подводной лодки

Взрыв атомной бомбы

Работа реактора на АЭС

ЗАПОЛНИТЕ ТАБЛИЦУ,

расположив явления в

нужной строке

ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

ПРИМЕРЫ

механические

ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

световые

звуковые

тепловые

магнитные

электрические

протекание

электрического тока

в спирали плитки

прыгает кролик

переключение сигналов

звучит барабанная

сияние пламени

дробь

светофора

костра

остывание кофе

звенит будильник

летит птица

притяжение магнитов

Тест

1. Что из перечисленного относится к механическим явлениям?

а) полет шмеля; б) горение свечи; в) шум моря; г) мираж.

2. Что из перечисленного относится к тепловым явлениям?

а) бросок камня; б) нагрев воды; в) работа радио; г) свечение светлячка.

3. Что из перечисленного относится к электрическим явлениям?

а) падение метеорита; б) водопад; в) свечение лампочки; г) работа СВЧ-печи.

4.Что из перечисленного относится к звуковым явлениям?

а) работа электроплиты; б) гроза; в) шорох листьев; г) снегопад.

5. Перечислите пять световых явлений, о которых не упоминалось на уроке.

Использованные интернет — ресурсы:

http://900igr.net/datas/fizika/Voprosy-po-fizike/0038-038-Voprosy-po-fizike.jpg

http://sportstill.ru/post/imgs/5623b4bb0acd9. jpg

https :// im0-tub-ru.yandex.net/i?id=3889a3c51f2fa1112a6dc92de6fc6909&n=33&h=215&w=292

http:// www.nextohm.com/blog-ru/blog/wp-content/uploads/2014/02/ca2d1391884559_ezotera-751.jpg

http:// static4.depositphotos.com/1001686/338/i/950/depositphotos_3383856-Green-leaf-with-water-drops-and-splash.jpg

http:// img-0.photosight.ru/fe8/3348637_large.jpg

https:// vodabriz.ru/upload/medialibrary/4d1/4d15aa5b58dcf9c81c0bf44d674360b6.jpg

http:// www.chaikovskie.ru/files/o/12834/1_7f2a717ba5b345ee095af50408980016.jpg

http:// volshebnoeslovo.ru/uploads/old/1369674949_488858.jpg

http:// mywishlist.ru/pic/i/wish/orig/008/528/434.jpeg

https:// im0-tub-ru.yandex.net/i?id=3c29eaa84865fc07832e571cdb58604f&n=33&h=215&w=287

http:// imagestun.com/wp-content/uploads/2014/01/Volcano_Eruption_03. jpg

http:// www.prguitarman.com/photos/2009/PR/Random/roflcl/ohlord/1246003136064.jpg

http:// st03.kakprosto.ru/tumb/680/images/article/2011/2/15/1_5255032b0d9c65255032b0da21.jpg

http:// fb.ru/misc/i/gallery/12502/296492.jpg

http:// i.vsekommentarii.com/pic/2013/09/18/polemika.com.ua/big-98-590-727786_3.jpg

http:// www.graycell.ru/picture/big/domofon2.jpg

http:// mediacratia.ru/img120x90/MED1221697864.GIF

http:// stuffpoint.com/club-music/image/424707-club-music-wallpapers-music-party-dj-minimal.jpg

https:// www.miloserdie.ru/pic/13-08-2013-3-1.jpg?x41640

http:// www.topnews.ru/upload/news/2015/08/6ac9037f/6ac9037f_s.jpg

http://neftegaz.ru/images/% D0%B0%D1%8D%D1%81.jpg

http:// magspace.ru/uploads/usr_obj/2011/13415966.jpg

Модель урока физики «Методы научного познания в физике».

8-й класс

Цель: знакомство со средствами описания
природы, формирование у школьников
представления о методах научного познания,
усвоение логики научного познания.

План урока

Этапы урока	Время (мин.)	Приемы и методы
1. Организационный момент	1
2. Мотивация	3	Сообщение учителя. Рассказ, беседа. Постановка проблемы.
3. Актуализация	7	Выполнение задания для самостоятельной работы, фронтальная беседа: выделение явления.
4. Изучение явление	15	Работа в группах: описание явления. Работа с текстом учебной статьи.
5. Закрепление	15	Решение задачи. Выполнение эксперимента: применение явления.
6.Подведение итогов урока. Домашнее задание.	4	Фронтальная беседа. Записи в тетради. Домашнее задание: описать тепловое явление согласно логике научного познания

2. Мотивация

В основе естественных наук утверждение о
существовании природы, материального мира. Мы
можем привести немало примеров познаваемости
физических объектов и явлений, опираясь на
изученный материал. Природа развивается, формы
её усложняются. Меняются и методы исследования.

Физика раньше других наук вышла на уровень
теорию. Здесь язык описания настолько строг, что
позволяет получить максимально точное,
количественное знание. Математика как язык
именно в физике нашла наиболее последовательное
применение при описании явлений природы. Именно
такое знание “создает” материальные основы
нашей цивилизации. Без развития таких знаний
человечеству сейчас не выжить

Наука – это не только знания, но и деятельность.
Деятельность – это методы, приемы. Физики имеют
дело, как с объектами природы, так и с
идеализированными объектами духовного мира
человека – моделями. Всё физическое знание можно
разделить на теорию, которая описывает все
физические явления и технические устройства.
Получение физического знания – процесс
длительный. Он имеет свои этапы, которые
соответствуют циклу научного творчества.

Познание любого явления начинается с выделения
фактов в результате наблюдений и размышлений.
Далее выдвигается гипотеза (предположение) о
природе, причине явления. Эта гипотеза позволяет
предсказать другие факты, которые ранее не были
известны (следствия). Справедливость гипотезы
проверяется экспериментом. Если предсказание
экспериментально подтверждается, то модель
(гипотеза) правильно отражает изучаемое свойство
явления. Если же эксперимент не подтверждает
гипотезу, то она не верна. Надо выдвигать новые
гипотезы вновь и вновь. (Учитель обращает
внимание учащихся на таблицу 1 на доске.) Таким
образом, при изучении явления можно использовать
логическую схему.

Таблица 1

Логика научного познания

Истина – это то,

что выдерживает проверку опытом.

Альберт Эйнштейн. (1879-1955)

Перед классом ставится учебная проблема:
как исследовать механические явления согласно
логике научного познания?

3. Актуализация

Учащиеся получают задание на карточках и лист
опроса (см. Приложение). Рекомендуется провести
анализ выполненного задания 1 (пунктов а-д).

Подведение учащихся к формулировке
определения механического явления.

Задание 1. Прочитайте предложенный список
физических объектов и явлений: звёзды мерцают,
катиться шар, снежный ком тает, облака движутся,
летит голубь, горит лампа, гроза, маятник часов
колеблется, автомобиль тормозит, северное
сияние.

Выполните следующие задания:

1. Выделите из перечисленных явлений только
   механические явления. Выпишите их в первый
   столбик таблицы 2.
2. Попробуйте определить в каждом механическом
   явлении физический объект. Выпишите их во второй
   столбик таблицы.
3. Выделите физические объекты из других
   физических явлений. Выпишите их во второй
   столбик таблицы.
4. Придумайте механическое явление, происходящее
   с этим объектом. Выпишите в первый столбик.
5. Выделите из списка другие физические явления и
   выпишите их в третий столбик таблицы.
6. Дайте определение механических явлений.

Механическими явлениями называются физические
явления, при которых тела совершают …; или …
механические явления – это … явления …
взаимодействия тел друг с другом; или … явления
– это…

4. Изучение явления

Прочитайте внимательно текст. Заполните
таблицы 2-4 (см. Приложение).

Задание 2. Выделите средства механических
явлений.

Как вы убедились, механические явления
происходят с разными физическими объектами, они
по-разному проявляются. Конкретных примеров
механических явлений бесконечное множество, и
даже простое их перечисление невозможно. Для
научного описания механических явлений учёные
выделяют в них общие черты (свойства),
характеризуют их физическими величинами, и затем
с их помощью описывают любое механическое
явление. К средствам описания физических явлений
относятся, кроме того, модели, законы, принципы. Физические
модели – это идеальные научные представления
физических объектов и явлений. Запомните, что во
всех физических законах речь идёт не о
конкретных физических телах, а об их упрощённых
представлениях – моделях.

А) Приведите примеры явлений, в которых тела
можно описать моделями “материальная точка” и
“твёрдое тело”. (Материальная точка и твёрдое
тело являются двумя важнейшими моделями при
изучении механических явлений.)

Материальная точка – это модель тела,
размеры которого не важны для описания
происходящих с ним механических явлений, а
потому могут не учитываться.

Твёрдое тело – это модель тела, размеры
которого важны для описания происходящих с ним
механических явлений. Изучать физическое тело
гораздо сложнее, чем материальную точку.

Примеры механических движений, для которых
тело можно моделировать материальной точкой,
твердым телом.

Б) Назовите математические средства описания
механических явлений и запишите их условные
обозначения.

Примеры: скорость — , сила —
, потенциальная энергия – Е_р.

В) Запишите формулы, связывающие названные
физические величины.

Примеры: Ucp = ,
S = U•t, Ep = mgh.

Г) Изобразите физическую модель явления: а)
учебник лежит на столе, б) прямолинейное
равномерное движение автомобиля.

5. Закрепление

Задание 3

А. Почитайте внимательно текст задачи.

Дядя Фёдор катался на лыжах. Участок длиной 120 м
он прошёл за 2 минуты, а второй – длиной 27 м – он
прошёл за 1,5 минут. Найдите среднюю скорость
движения дяди Фёдора на всём пути.

Самостоятельно попробуйте определить: а)
физическое явление, б) объект, в) модель объекта,
г) рисунок явления, д) средства описания
(физическое величины, законы).

Б. Экспериментальное изучение.

С помощью учебного оборудования, находящегося
у вас на столе, предложите вариантов
демонстрации механических явлений.

Оборудование: карандаш, ручка, линейка, учебник,
динамометр, набор грузов, деревянные бруски,
деревянная дощечка.

Сделайте пояснительный рисунок в таблице.

6. Подведение итогов

Современное научное познание опирается на
эксперимент и теорию. Под экспериментом мы будем
понимать некую практическую деятельность:
целенаправленные наблюдения, эксперимент,
измерения. Сейчас уже очевидно, что эксперимент
прочно связан с теорией. Все так называемые
теоретические методы познания в физике, несмотря
на свою самостоятельность, несомненно, являются
частью экспериментирования. Разве при
проведении опытов нет выдвижения гипотез,
моделирования? Можно говорить об условности
деления методов в современной физике . К тому
материалу мы будем периодически возвращаться по
мере изучения курса физики средней школы.

Работа с таблицей (см. табл. 1). (Таблица
выдаётся каждому ученику и остаётся в тетради). Проводится
фронтальная беседа. Примерные вопросы: Какие
методы научного познания в физике выделяют
учёные? Что обозначает стрелка? Для чего нужна
модель? Почему теоретические методы познания
разделены на группы? Какие из методов научного
познания вы применили на уроке?

Домашнее задание. На уроке исследовали
механическое явление, используя схему (см. табл.
1). А все ли физические явления можно исследовать
таким образом? Мы начинаем изучение темы “
Тепловые явления”. Попробуйте дома описать
согласно логике научного познания тепловое
явление “нагревание воды”.

Приложение

Механические и тепловые явления | Природоведение. Реферат, доклад, сообщение, краткое содержание, конспект, сочинение, ГДЗ, тест, книга

Механические явления (рис. 33) происходят с телами в процессе их движения. Движением на­зывают перемещение тел относительно друг дру­га. Перемещаются стрелки и маятник часов, течёт вода в реке, летит самолёт, с горы спускается лыж­ник, Земля вращается вокруг Солнца — всё это примеры механических явлений. При этом каждое тело перемещается по-разному: одно — быстрее, другое — медленнее, одно на большое расстояние, другое — на короткое. Да и продолжительность движения каждого тела разная.

Механические явления — явления, связанные с движением тел. К движению применяют такие ха­рактеристики, как скорость, путь, время.

Одной из характеристик механических явлений является скорость движения тела. Чтобы вычис­лить скорость движения тела, надо пройденный телом путь разделить на время, в течение которого оно двигалось. Подобные задачи вы неоднократно решали на уроках математики в начальной школе.

Неподвижных тел не бывает. Даже здания, горы, камни перемещаются вместе с Землёй вокруг Солн­ца и участвуют в суточном вращении Земли.

Тепловыми явлениями называют явления, кото­рые сопровождаются нагреванием либо охлажде­нием тел. Таяние или образование льда, испарение воды, нагревание чайника — примеры тепловых яв­лений (рис. 34). При нагревании температура тела повышается, а при охлаждении — понижается. Материал с сайта //iEssay.ru

Тепло всегда передаётся от более нагретого тела к менее нагретому. Например, если в холодную чашку налить горячий чай, то она нагреется.

Воздух — надёжная защита Земли от чрезмер­ного нагревания Солнцем. Благодаря воздуху на Земле не бывает больших различий между днев­ной и ночной температурой. Чего не скажешь о Луне, у которой нет «воздушного одеяла». По­этому днём на Луне температура может быть +130 °С, а ночью -160 °С.

На этой странице материал по темам:

• реферат по теме теловые явления

Физические явления механические примеры таблица.

Тепловые явления. Термодинамический способ объяснения

Жизнь человека тесно связана с теп-ловыми явлениями
. Он встречается с их проявлениями так же часто, как и с меха-ническими. Это — нагревание
или охлажде-ние
тел, зависимость их свойств от темпе-ратуры
, изменение агрегатных состояний
ве-щества и т. п. Поэтому с давних времен человечество старалось познать «тайну» теп-ловых явлений
, объяснить их природу, ис-пользовать их в повседневной жизни. Сог-ласно древнегреческому мифу, Прометей был прикован к скале и обречен на вечные страдания за то, что похитил огонь с Олим-па и передал его людям.

Тепловые явления и процессы

связаны с передачей и превра-щением энергии, обусловливаю-щими изменение температуры тел или переход вещества из одного агрегатного состояния в другое.

Сложилось так, что природа тепловых явлений
объясняется в физике двумя спо-собами, взаимно дополняющими друг дру-га. Один из способов — так называемый термодинамический подход,
который основывается на обобще-нии многовекового опыта наблюдений за протеканием тепловых явлений и процес-сов, и на формулировании общих прин-ципов их протекания. Термодинамический подход рассматривает теплоту с позиций макроскопических свойств вещества
— дав-ления, температуры, объема, плотности и т. п. Он есть описательным способом изу-чения тепловых явлений, поскольку не прибегает к выяснению сути теплового движения. Другой способ — молекулярно-кинетическая теория вещества.

Термодинамика

— это теория теплоты, которая объясняет природу тепловых явлений, не учитывая при этом молекуляр-ного строения вещества.
Материал с сайта

В истории физики развитие представле-ний о природе теплоты происходило в по-стоянном противостоянии приверженцев тер-модинамического
и молекулярно-кинетического подходов
к объяснению тепловых яв-лений
. Первые аргументировали преимущест-ва термодинамики относительной простотой описания тепловых явлений и процессов, особенно в расчетах технических устройств, выполняющих механическую работу за счет теплоты.

Законы термодинамики

проще, чем молекулярно-кинетическая теория объясняют тепловые явления и процессы
, однако требуют экс-периментального определения отдельных величин (например, теплоемкости)

На этой странице материал по темам:

• Для чего нужна термодинамика в жизни обычных людей примеры явлений

• Механика кратко

• Тепловые явления тепловое движение объяснения с примерами

• Тепловые явления в древнегреческих мифах

• Физика тепловые явления в повседневной жизни

Вопросы по этому материалу:

Испокон веков человечество пыталось логично объяснить различные электрические явления, примеры которых они наблюдали в природе. Так, в древности молнии считались верным признаком гнева богов, средневековые мореплаватели блаженно трепетали перед огнями святого Эльма, а наши современники чрезвычайно боятся встречи с шаровыми молниями.

Всё это — электрические явления. В природе всё, даже мы с вами, несёт в себе Если объекты с большими зарядами разной полярности сближаются, то возникает физическое взаимодействие, видимым результатом которого становится окрашенный, как правило, в жёлтый или фиолетовый цвет поток холодной плазмы между ними. Её течение прекращается, как только заряды в обоих телах уравновешиваются.

Самые распространённые электрические явления в природе — молнии. Ежесекундно в поверхность Земли их ударяет несколько сотен. Молнии выбирают своей целью, как правило, отдельностоящие высокие объекты, поскольку, согласно физическим законам, для передачи сильного заряда требуется кратчайшее расстояние между грозовым облаком и поверхностью Земли. Чтобы обезопасить здания от попадания в них молний, их хозяева устанавливают на крышах громоотводы, которые представляют собой высокие металлические конструкции с заземлением, что при попадании молний позволяет отводить весь разряд в почву.

Ещё одно электрическое явление, природа которого очень долгое время оставалась неясной. Имели с ним дело в основном моряки. Проявляли огни себя следующим образом: при попадании корабля в грозу вершины его мачт начинали полыхать ярким пламенем. Объяснение явлению оказалось очень простым — основополагающую роль играло высокое напряжение электромагнитного поля, что всякий раз наблюдается перед началом грозы. Но не только моряки могут иметь дело с огнями. Пилоты крупных авиалайнеров также сталкивались с этим явлением, когда пролетали сквозь облака пепла, подброшенного в небо извержениями вулканов. Огни возникают от трения частиц пепла об обшивку.

И молнии, и огни святого Эльма — это электрические явления, которые видели многие, а вот с столкнуться удавалось далеко не каждому. Их природа так и не изучена до конца. Обычно очевидцы описывают шаровую молнию как яркое светящееся образование шарообразной формы, хаотично перемещающееся в пространстве. Три года назад была выдвинута теория, которая поставила под сомнение реальность их существования. Если ранее считалось, что разнообразные шаровые молнии — это электрические явления, то теория предположила, что они являются не чем иным, как галлюцинациями.

Есть ещё одно явление, имеющее электромагнитную природу — северное сияние. Оно возникает вследствие воздействия солнечного ветра на верхние Северное сияние похоже на всполохи самых разных цветов и фиксируется, как правило, в довольно высоких широтах. Есть, конечно, и исключения — если достаточно высока, то сияние могут видеть в небе и жители умеренных широт.

Электрические явления являются довольно интересным объектом исследования для физиков по всей планете, так как большинство из них требует подробного обоснования и серьёзного изучения.

Давайте рассмотрим, какие тепловые явления можно наблюдать субботним утром прохладного сентября.

Итак, рано проснувшись и приняв душ, мы сушим волосы потоком сухого горячего воздуха, создаваемого электрическим феном (испарение
).

Затем для комфорта включаем электрический камин, который дает дополнительное тепло (излучение) в том месте комнаты, где установлено наше любимое кресло. Конвекция происходит в комнате, когда включено отопление. Горячий воздух от батареи или камина поднимается, а холодный опускается.

Мы садимся в это кресло, укрывшись пушистым одеялом (закон теплопроводности
) и пьем горячий шоколад из кружки, материал которой плохо проводит тепло (опять закон теплопроводности
). А для нагревания воды мы использовали чайник.

Посмотрев по сторонам, мы делаем следующие выводы – дом построен по законам тепловых явлений, начиная с выбора материалов и заканчивая грамотным установлением систем теплоснабжения и вентиляции. Представьте только, если бы форточки находились внизу – да их удобно было бы открывать, но вот проветрить помещение было бы очень сложно. Материалы для стен домов используют пористые, чтобы воздух предохранял дом от перепадов температур.

А заглянув в кухню – мы увидим множество примеров тепловых явлений.

Практически во всех технологических процессах приготовления пищи можно наблюдать, как происходит теплопередача от одного продукта к другому, от плиты или печи к кастрюле или другой емкости.

В процессе нагревания будут принимать участие все три вида теплопередачи: от огня к сосуду – излучение, сквозь стенки сосуда к воде – теплопроводность, а сама вода прогревается путём конвекции.

Теплопроводность:
Применение веществ с малой теплопроводностью: если возникает необходимость предохранить тело от охлаждения или нагревания, то применяют вещества с малой теплопроводностью. Так, для кастрюль, сковородок ручки изготовляют из пластмассы или другого сплава, обладающего малой теплопроводностью. У толстых, массивных чугунных сковородок дно прогревается более равномерно, чем у сделанных из тонкой стали. Те участки дна стальной посуды, которые располагаются непосредственно над огнём, прогреваются особенно сильно, и на них пища часто пригорает. Именно поэтому хозяйки выбирают сковородки с толстым дном, как правило, чугунные. Из походной алюминиевой кружки очень сложно пить горячий чай, а вот современный фаянс прекрасно справляется с этой задачей. Вы также знаете, что если в горячий чай опустить холодную ложку, через некоторое время она нагреется. При этом чай отдаст часть своего тепла не только ложке, но и окружающему воздуху

Конвекция:
Пищу готовят на плитах. Тёплый воздух от плит, от приготовленных блюд поднимается вверх, а холодный опускается вниз. При работе вентилятора наблюдается и вынужденная конвекция.

Излучение. Излучают энергию все тела: и сильно и слабо нагретые. Тела с тёмной поверхностью лучше поглощают и излучают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность. Так, в светлом чайнике горячая вода дольше сохраняет высокую температуру, чем в тёмном. Эти знания помогают экономить на электричестве при выборе посуды.

Вода на кухне присутствует во всех трёх состояниях: в газообразном – когда вода кипит, в жидком – когда в ней варят продукты, в твёрдом – в виде кубиков льда для напитков.

Плавление:
Настоящий шоколад тает во рту – температура плавления какао масла близка к температуре плавления человеческого тела.

Испарение:
Свойство уксуса – испаряясь, уничтожать резкие, неприятные запахи, — удобно использовать на кухне. Если налить на сковороду немного уксуса и поставить её на слабый огонь, то чад, запах жира, рыбы, чеснока скоро улетучится. Чтобы избавиться от неприятного запаха при варке капусты, нужно накрыть кастрюлю тряпкой, смоченной уксусом, а сверху — крышкой. В хлебнице, в столе, в подвесном шкафчике таким же образом можно избавиться от неприятного запаха залежалого хлеба.

Кипение:
на кипении основано приготовление пищи в пароварках и мультиварках.

Подойдя к окну – мы также можем наблюдать очень много тепловых явлений.

Например, летом идёт дождь а зимой снег. Образуется роса на листьях. Появляется туман.

Физические явления

«Физика. Физические явления»

ФИЗИКА

— наука о природе

Физическое тело – любой предмет

Физическое явление – изменение, происходящее в природе.

Физические явления

• Механические
• Электрические
• Магнитные
• Световые
• Тепловые
• Звуковые (аккустические)

Механические явления

Движение трамвая

Движение дирижабля

Движение планет

Применение рычага

Электрические явления

Молния

Нагревания

чайника

Газовый разряд

электросварки

Компьютер

Магнитные явления

Возникновение тока

при действии пост.

магнита на катушку

Взаимодействие магнитов

Поезд на магнитной

подушке

Оптические явления

Солнечное

затмение

Горение свечи

Радуга

Дисперсия

света

Акустические явления

Звуковая волна

Сверхзвуковой самолет

Резонанс звука

Тепловые явления

Работа двигателя

Консервирование

Извержение вулкана

Задача физики – поиск взаимосвязей между явлениями.

Физические термины —

специальные слова, которыми пользуются в физике для краткости, определенности и удобства.

• Физическое тело
• Вещество
• Материя
• Физические явления
• Физическая величина
• Физический прибор

• Физическое тело — это каждый окружающий нас предмет.
• Вещество — это всё то, из чего состоят физические тела.
• Материя — это всё то, что существует во Вселенной независимо от нашего сознания (небесные тела, растения, животные и др. )
• Физические явления – это изменения, происходящие с физическими телами.
• Физические величины — это измеряемые свойства тел или явлений.
• Физические приборы – это специальные устройства, которые предназначены для измерения физических величин и проведения опытов.

3 Возникающие явления в системах от нескольких тел к многим | Управление квантовыми системами: оценка атомной, молекулярной и оптической физики в США

сложных атомов и молекул имеют решающее значение для дальнейших разработок в этих областях.

Находка: Благодаря недавним теоретическим и экспериментальным открытиям, ультрахолодные молекулы теперь представляют собой очень многообещающую исследовательскую платформу, способную заниматься различными явлениями, связанными с множеством тел, и исследованиями фундаментальных реактивных процессов, при этом определенные молекулы представляют собой жизнеспособные цели для науки о точных измерениях.

Находка: Системы захваченных ионов, нейтральные атомы, системы с дальнодействующими взаимодействиями (например, на основе молекул и ридберговских атомов) и ионно-нейтральные гибридные системы являются ведущими кандидатами для обработки квантовой информации и моделирования, а также для изучения химической динамики. процессы.

Рекомендация: Сообщество ученых, занимающихся атомной, молекулярной и оптической наукой, должно активно преследовать, а федеральные агентства должны поддерживать разработку усиленного контроля над холодными атомами и молекулами, что является фундаментальной работой для будущих достижений в квантовой обработке информации, прецизионных измерениях и т. Д. и физика многих тел.

Находка: Квантовые газы атомов и молекул делают возможным контролируемое исследование равновесной и неравновесной физики многих тел, а также создание и управление запутанными состояниями, применимыми к квантовой обработке информации и квантовой метрологии, а также дальнейшее развитие нашего понимания глубоких вопросов, таких как как природа термализации, локализации многих тел и стабильной квантовой материи вдали от равновесия.

Рекомендация: Федеральным финансовым агентствам следует инициировать новые программы для поддержки междисциплинарных исследований как сильно коррелированных фаз равновесия, так и неравновесных систем многих тел и новых приложений.

Вывод: Квантовые симуляторы на основе AMO способны в краткосрочной перспективе продемонстрировать подлинное квантовое преимущество перед классическими вычислительными устройствами, не требуя владения сложными квантовыми вентилями, необходимыми для универсального цифрового квантового компьютера. Эти системы могут предоставить уникальное понимание сложных моделей из физики конденсированных сред и высоких энергий, а также привести к разработке и тестированию полезных квантовых алгоритмов.

Рекомендация: Федеральным финансовым агентствам следует инициировать новые программы, включающие разработку, проектирование и развертывание самых передовых платформ программируемых квантовых симуляторов, и сделать эти системы доступными для более широкого сообщества ученых и инженеров.

Ученые открыли новый физический парадокс

Исследователи открыли новое физическое явление — баллистический резонанс. Предоставлено: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого.

Ученые из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) открыли и теоретически объяснили новый физический эффект: амплитуда механических колебаний может расти без внешнего воздействия.Научная группа предложила свое объяснение того, как устранить парадокс Ферми-Паста-Улам-Цинго.

Ученые СПбПУ объяснили это на простом примере: чтобы раскачать качели, нужно их постоянно толкать. Принято считать, что колебательный резонанс невозможен без постоянного внешнего воздействия.

Однако научная группа Высшей школы теоретической механики Института прикладной математики и механики СПбПУ открыла новое физическое явление «баллистический резонанс», когда механические колебания могут быть возбуждены только за счет внутренних тепловых ресурсов системы.

Экспериментальная работа исследователей со всего мира продемонстрировала, что тепло распространяется с аномально высокими скоростями на нано- и микроуровнях в сверхчистых кристаллических материалах. Это явление называется баллистической теплопроводностью.

Научная группа под руководством члена-корреспондента РАН Антона Кривцова вывела уравнения, описывающие это явление, и добилась значительного прогресса в общем понимании тепловых процессов на микроуровне.В исследовании, опубликованном в журнале Physical Review E , исследователи рассмотрели поведение системы при начальном периодическом распределении температуры в кристаллическом материале.

Обнаруженное явление описывает, что процесс теплового уравновешивания приводит к механическим колебаниям, амплитуда которых растет со временем. Эффект называется баллистическим резонансом.

«Последние несколько лет наша научная группа изучает механизмы распространения тепла на микро- и наноуровнях.Мы обнаружили, что на этих уровнях тепло распространяется не так, как мы ожидали: например, тепло может переходить от холодного к горячему. Такое поведение наносистем приводит к новым физическим эффектам, таким как баллистический резонанс », — сказал доцент Высшей школы теоретической механики СПбПУ Виталий Кузькин.

По его словам, в будущем исследователи планируют проанализировать, как это можно использовать в таких перспективных материалах, как, например, графен.

Эти открытия также дают возможность разрешить парадокс Ферми-Паста-Улам-Цингоу.В 1953 году научная группа под руководством Энрико Ферми провела компьютерный эксперимент, ставший впоследствии известным. Ученые рассмотрели простейшую модель колебаний цепочки частиц, связанных пружинами. Они предполагали, что механическое движение постепенно затухнет, превратившись в хаотические тепловые колебания. И все же результат оказался неожиданным: колебания в цепочке сначала почти затухли, но затем возобновились и достигли почти исходного уровня. Система пришла в исходное состояние, и цикл повторился.Причины возникновения механических колебаний от тепловых колебаний в рассматриваемой системе десятилетиями являются предметом научных исследований и споров.

Амплитуда механических колебаний, вызванных баллистическим резонансом, не увеличивается бесконечно, а достигает своего максимума; после этого он начинает постепенно уменьшаться до нуля. В конце концов, механические колебания полностью затухают, и температура во всем кристалле уравновешивается. Этот процесс называется термализацией. Для физиков этот эксперимент жизненно важен, потому что цепочка частиц, связанных пружинами, является хорошей моделью кристаллического материала.

Ученые Высшей школы теоретической механики показали, что переход механической энергии в тепловую необратим, если рассматривать процесс при конечной температуре.

«Обычно не учитывается, что в реальных материалах наряду с механическим существует тепловое движение, а энергия теплового движения на несколько порядков выше.Мы воссоздали эти условия в компьютерном эксперименте и показали, что именно тепловое движение гасит механическую волну и препятствует возобновлению колебаний », — пояснил Антон Кривцов, директор Высшей школы теоретической механики СПбПУ, член-корреспондент РАН.

По мнению экспертов, теоретический подход, предложенный учеными СПбПУ, демонстрирует новый подход к пониманию тепла и температуры. Это может иметь фундаментальное значение для разработки наноэлектронных устройств в будущем.

Ученые предлагают новый подход к эффективному моделированию наноматериалов

Дополнительная информация:
Виталий А. Кузькин и др., Баллистический резонанс и термализация в цепочке Ферми-Паста-Улам-Цингоу при конечной температуре, Physical Review E (2020).DOI: 10.1103 / PhysRevE.101.042209

Предоставлено
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Ссылка :
Ученые открыли новый физический парадокс (13 июля 2020 г. )
получено 20 мая 2021 г.
с https: // физ.org / news / 2020-07-science-physical-paradox.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Программное обеспечение

FEA, готовое для моделирования многих физических явлений.

Программное обеспечение Femlab FEA состоит из универсального средства мультифизического моделирования и дополнительных специализированных модулей для приложений электромагнитной, строительной механики и химической инженерии. Хотя физика в задачах может быть сложной, программа проста в использовании.

Вкратце, построение модели FEA для проблемы происходит следующим образом: пользователи определяют управляющую физику (электрические поля, жидкости, структуры), строят геометрию, назначают свойства материала, связывают модель, решают и результаты постобработки для интерпретации. Разработчик объединил эти шаги в хорошо продуманную систему меню и панелей инструментов, которая позволяет пользователям сосредоточиться на текущей проблеме, а не на особенностях программного обеспечения.По умолчанию выбираются многие параметры, например, какой решатель использовать для конкретных приложений, и их нужно настраивать только в необычных ситуациях.

Чтобы пользователи могли начать работу, обширная библиотека предоставляет хорошо документированные примеры для каждого приложения, которые иллюстрируют ключевые функции программного обеспечения. Во многих случаях эти модели можно адаптировать к геометрии пользователя, чтобы быстро приступить к работе.

Документация для каждого примера содержит предысторию модели, обсуждение лежащих в основе физики и пошаговые инструкции по построению модели и анализу решения.Если результаты требуют дополнительных возможностей анализа, Femlab можно настроить для работы с Matlab (версии 6.5 и новее). Однако для Femlab не требуется Matlab.

Лучший способ описать функции программного обеспечения — это проработать инженерную проблему, например, перепроектировать датчик. Наша компания производит датчик асфальта, который измеряет глубину до 4 дюймов. Мы хотели применить этот датчик для измерения грунта на глубине 12 дюймов. глубина, но необходимо ограничить его диаметр. (В предыдущей статье MACHINE DESIGN от 15 апреля обсуждались модификации того же датчика с использованием Femlab для уменьшения глубины измерения до 0.86 дюймов). Основными параметрами конструкции были форма и конфигурация чувствительных пластин и связанных с ними заземляющих плоскостей. Поскольку для этой конфигурации не существует решения для электрического поля в закрытой форме, мы прибегли к моделированию с помощью Femlab.

Программное обеспечение позволяет пользователям моделировать в 1D, 2D и 3D, но поскольку концепция датчика почвы является симметричной, мы использовали 2D осесимметричный режим для приложений электростатики. Двумерные модели минимизируют время вычислений и требования к памяти, при этом обеспечивая отличное понимание результирующих шаблонов полей.Например, компоненты датчика и твердые тела представлены простыми прямоугольными областями. После построения модели программное обеспечение преобразует твердые объекты в подобласти и границы, которым пользователи назначают свойства материалов и граничные условия. Поскольку датчик почвы состоит из областей с различными электромагнитными свойствами, такими как проводимость и диэлектрическая проницаемость, они помещены в отдельные подобласти. Чтобы облегчить постобработку, пользователи могут дополнительно разделить однородные поддомены в важных местах.В модели датчика почва подразделяется на горизонтальные срезы для оценки представляющих интерес значений на заданной глубине.

Граничные условия задаются путем задания внешнего напряжения и токов. Границы геометрии должны существовать там, где будут применяться граничные условия. Значения граничных условий указываются в диалоговом окне или определяются извне в меню «Параметры / Константы» и символически указываются в параметрах границы. Программное обеспечение помогает, назначая разумные значения по умолчанию для каждой границы, такие как непрерывность поля для внутренних диэлектрических границ между доменами.

Чтобы построить адаптивную сетку, пользователям достаточно выбрать «Инициализировать сетку». Если автоматический процесс не дает приемлемой сетки, доступны несколько уровней полуавтоматического и ручного управления для управления всеми аспектами создания сетки.

На этапе решения выполняется поиск непрерывного решения для всей модели. На процессоре P4 с тактовой частотой 2 ГГц, оперативной памяти 1 Гбайт и под управлением XP определение модели сенсора заняло 8 секунд. Время решения зависит от физики, модели и сложности сетки. (Та же модель была решена за 44 секунды с использованием предыдущей версии Femlab.)

Затем программа представляет график решения по умолчанию. В данном случае это был поверхностный график потенциала в плоскости обзора. Программа также накладывает график вектора электрического поля в виде стрелки. Значения, определяющие глубину, включают емкость в каждой подобласти измерения и контурные линии результирующего вектора смещения. Для измерения глубины программа рассчитывает емкость в каждой подобласти, измеренной датчиком. Общая формула для емкости:

, где В, = потенциал в домене и Вт, _e = плотность энергии.Интеграл вычисляется с помощью функции интеграции поста / поддомена. Мы произвольно определяем глубину измерения как ту глубину, на которой интегральная емкость равна 99,5% от ее окончательного значения. Но функция интеграции субдоменов вычисляет только общую энергию, поэтому ее значение было экспортировано в Matlab. В командной строке Matlab емкость рассчитывается с использованием приведенного выше уравнения.

Одна из идей увеличения глубины измерения без увеличения диаметра датчика — удалить заземляющий слой на датчике тока, используемом для асфальта.Мы думали, что силовые линии от передающего элемента, которые отводятся к плоскости земли, затем пройдут в почву. Но решение Femlab для модифицированной модели датчика проиллюстрировало обратное: поверхность земли позволила проникнуть на

глубже, что противоположно ожидаемому. Результаты показали, что силовые линии, протекающие от передатчика к земле, проникают глубже, чем те, которые проходят от передатчика к приемнику. Этот неожиданный результат направил дизайн в другом направлении. Перемещение и расстояние между заземляющим слоем увеличили глубину проникновения.Конечным результатом стало увеличение глубины измерения на 100% при увеличении диаметра сенсора всего на 10%. Лабораторные испытания прототипа согласились с результатами моделирования.

В процессе проектирования возникла проблема с граничным условием на внутреннем электроде, которое позволило группе технической поддержки программного обеспечения продемонстрировать свой быстрый ответ. Электрод имеет плавающий потенциал, который зависит от внешних цепей и свойств измеряемого материала. Таким образом, этот потенциал нельзя было определить до решения.В документации и библиотеке образцов Femlab не было возможности применять плавающие потенциалы. Однако электронное письмо с описанием проблемы и звонок региональному техническому представителю привели к своевременному решению и объяснению. Запись о проблеме и решении была позже размещена на веб-сайте разработчика, чтобы другие могли извлечь пользу из этого опыта.

Программное обеспечение представляет собой интуитивно понятный, простой в использовании инструмент, позволяющий детально изучить работу сложных устройств. Потенциальных пользователей не должна отговаривать цена: 6 995 долларов за Femlab плюс 2995 долларов за каждый специализированный модуль.Мы оцениваем, что программное обеспечение окупилось на первом проекте. Femlab поступает из Comsol Inc., 8 New England Executive Park, Suite 310, Burlington, MA 01803 (781) 273-3322, www. comsol.com — Рональд В. Гамаш

Рональд Гамаш — директор по исследованиям и разработкам. с TransTech System Inc., Скенектади, Нью-Йорк 12304, www.transtechsys.com. Компания производит датчики, измеряющие свойства материалов с помощью электромагнитных средств. Материалы включают асфальт и почву, продукты питания, такие как табак, и биологические ткани in vivo.

Что такого особенного в наномасштабе?

Наночастицы не новы ни в природе, ни в науке. Однако недавние скачки в таких областях, как микроскопия, дали ученым новые инструменты для понимания и использования явлений, которые происходят естественным образом, когда материя организована на наномасштабе. По сути, эти явления основаны на «квантовых эффектах» и других простых физических эффектах, таких как увеличенная площадь поверхности (подробнее об этом ниже). Кроме того, тот факт, что большинство биологических процессов происходит в наномасштабе, дает ученым модели и шаблоны для представления и построения новых процессов, которые могут улучшить их работу в медицине, визуализации, вычислениях, печати, химическом катализе, синтезе материалов и многих других областях. .Нанотехнологии не просто работают над все меньшими размерами; скорее, работа в наномасштабе позволяет ученым использовать уникальные физические, химические, механические и оптические свойства материалов, которые естественным образом встречаются в этом масштабе.

Масштаб, в котором квантовые эффекты доминируют над свойствами материалов

Когда размеры частиц твердого вещества в видимом масштабе сравниваются с тем, что можно увидеть в обычный оптический микроскоп, разница в свойствах частиц незначительна.Но когда частицы создаются с размерами примерно 1–100 нанометров (где частицы можно «увидеть» только с помощью мощных специализированных микроскопов), свойства материалов значительно изменяются по сравнению с более крупными масштабами. Это шкала размеров, в которой так называемые квантовые эффекты управляют поведением и свойствами частиц. В этом диапазоне масштабов свойства материалов зависят от размера. Таким образом, когда размер частиц сделан наноразмерным, такие свойства, как температура плавления, флуоресценция, электрическая проводимость, магнитная проницаемость и химическая реакционная способность, изменяются в зависимости от размера частицы.

Наноразмерное золото демонстрирует уникальные свойства, которые проявляются в наномасштабе. Частицы золота нанометрового размера не имеют привычного нам желтого цвета; наноразмерное золото может казаться красным или пурпурным. На наноуровне движение электронов золота ограничено. Поскольку это движение ограничено, наночастицы золота по-разному реагируют на свет по сравнению с более крупными частицами золота. Их размер и оптические свойства могут быть использованы на практике: наноразмерные частицы золота выборочно накапливаются в опухолях, где они могут обеспечить как точное отображение, так и целевое лазерное уничтожение опухоли, избегая повреждения здоровых клеток.

Захватывающий и мощный результат квантовых эффектов наномасштаба — это концепция «настраиваемости» свойств. То есть, изменяя размер частицы, ученый может буквально точно настроить интересующее свойство материала (например, изменение цвета флуоресценции; в свою очередь, цвет флуоресценции частицы может использоваться для идентификации частицы и различных материалов. могут быть «помечены» флуоресцентными маркерами для различных целей). Другой мощный квантовый эффект наномасштаба известен как «туннелирование». Это явление позволяет использовать сканирующий туннельный микроскоп и флэш-память для вычислений.

Масштаб, в котором происходит большая часть биологии

На протяжении тысячелетий природа совершенствовала искусство биологии в наномасштабе. Многие из внутренних механизмов клетки естественным образом происходят в наномасштабе. Например, гемоглобин, белок, переносящий кислород через тело, имеет диаметр 5,5 нанометра. Нить ДНК, один из строительных блоков человеческой жизни, имеет диаметр всего около 2 нанометров.

Опираясь на естественный наноразмер биологии, многие исследователи-медики работают над разработкой инструментов, методов лечения и методов лечения, которые являются более точными и индивидуализированными, чем традиционные, и которые могут применяться на более ранней стадии заболевания и уменьшать количество неблагоприятных побочных эффектов. -эффекты.Одним из медицинских примеров нанотехнологии является анализ биологического штрих-кода, относительно недорогой метод обнаружения биомаркеров, специфичных для заболевания, в крови, даже когда их очень мало в образце. Основной процесс, который прикрепляет частицы «узнавания» и «усилители» ДНК к наночастицам золота, был первоначально продемонстрирован в Северо-Западном университете для биомаркера рака простаты после простатэктомии. Анализ биологических штрих-кодов оказался значительно более чувствительным, чем обычные тесты для тех же целевых биомаркеров, и его можно адаптировать для обнаружения практически любой молекулярной мишени. ^и

Растущее понимание наноразмерных биомолекулярных структур влияет не только на медицину, но и на другие области. Некоторые ученые ищут способы использовать наноразмерные биологические принципы молекулярной самосборки, самоорганизации и квантовой механики для создания новых вычислительных платформ. Другие исследователи обнаружили, что при фотосинтезе энергия, которую растения получают от солнечного света, почти мгновенно передается в «реакционные центры» растений посредством квантово-механических процессов с почти 100% -ной эффективностью (небольшое количество энергии теряется в виде тепла).Они исследуют фотосинтез как модель наносистем «зеленой энергии» для недорогого производства и хранения экологически чистой солнечной энергии. ^II

Масштаб, в котором поверхности и интерфейсы играют большую роль в свойствах и взаимодействиях материалов

Наноразмерные материалы имеют гораздо большую площадь поверхности, чем аналогичные массы крупномасштабных материалов. По мере увеличения площади поверхности, приходящейся на массу материала, большее количество материала может контактировать с окружающими материалами, что влияет на реакционную способность.

Простой мысленный эксперимент показывает, почему наночастицы имеют феноменально большую площадь поверхности. Твердый куб из материала со стороной 1 см имеет площадь поверхности 6 квадратных сантиметров, что примерно равно одной стороне половинки жевательной резинки. Но если бы этот объем в 1 кубический сантиметр был заполнен кубиками со стороной 1 мм, это были бы кубики размером 1000 миллиметров (10 x 10 x 10), каждый из которых имеет площадь поверхности 6 квадратных миллиметров, в сумме площадь поверхности 60 квадратных сантиметров — примерно такая же, как одна сторона двух третей карточки для заметок размером 3 x 5 дюймов.Когда 1 кубический сантиметр заполнен кубиками микрометрового размера — их триллион (10 ¹² ), каждый с площадью поверхности 6 квадратных микрометров, — общая площадь поверхности составляет 6 квадратных метров, или примерно площадь поверхности основной санузел в среднем доме. И когда этот единственный кубический сантиметр объема заполнен кубиками размером 1 нанометр — 10 ²¹ из них, каждый с площадью 6 квадратных нанометров, — их общая площадь поверхности достигает 6000 квадратных метров. Другими словами, один кубический сантиметр кубических наночастиц имеет общую площадь на треть больше, чем футбольное поле!

Одним из преимуществ большей площади поверхности и улучшенной реакционной способности наноструктурированных материалов является то, что они помогли создать лучшие катализаторы.В результате катализ с помощью инженерных наноструктурированных материалов уже оказывает влияние примерно на одну треть огромных американских и мировых рынков катализаторов, что сказывается на доходах в миллиарды долларов в нефтяной и химической промышленности. ⁱⁱⁱ Обычным примером катализа является каталитический нейтрализатор в автомобиле, который снижает токсичность выхлопных газов двигателя. Наноинженерные батареи, топливные элементы и катализаторы могут потенциально использовать повышенную реактивность в наномасштабе для создания более чистых, безопасных и более доступных способов производства и хранения энергии.

Большая площадь поверхности также делает наноструктурированные мембраны и материалы идеальными кандидатами для очистки и опреснения воды, а также для других целей. Это также помогает поддерживать «функционализацию» поверхностей наноразмерных материалов (добавление частиц для определенных целей) для различных применений, от доставки лекарств до изоляции одежды.

_____________________________

i Например, см. C.S. Thaxton, R. Elhanian, A.D. Thomas, S.I. Stoeva, J.S. Ли, Н.Д. Смит, А.J. Schaeffer, H. Klocker, W. Horninger, G. Bartsch и C.A. Миркин. Анализ биострих-кода на основе наночастиц дает новое определение «неопределяемому» ПСА и биохимическому рецидиву после радикальной простатэктомии. Proc. Nat. Акад. Sci. США. 106 (44): 18437–18442, 2009 г., DOI: 10.1073 / pnas.0904719106.
ii Для получения более подробной информации см. Http://newscenter.lbl.gov/feature-stories/2010/05/10/untangling-quantum-entanglement/ и связанные ссылки.
iii По состоянию на 2003 год в США выручка от каталитических технологий составила более 1 триллиона долларов.Экономики и около трети материального ВВП (ME Davis and D. Tilley, Future Directions in Catalysis Research, Structures that Function on the Nanoscale, NSF Workshop, Caltech, 19-20 июня 2003 г .; http: // www. che.caltech.edu/nsfcatworkshop/#Reports).

Голландский институт эмерджентных явлений

Что такое наука эмерджентности?

Вселенная состоит из микроскопических строительных блоков, и мир, который мы видим вокруг нас, является результатом комбинации миллионов миллиардов миллиардов этих блоков.Когда мы гуляем по улицам наших городов, мы не видим эти микроскопические элементы вселенной, а вместо этого, плавно проезжая мимо нас, проезжают автомобили и автобусы.

Если бы мы носили с собой наши микроскопы и ускорители элементарных частиц, мы могли бы увидеть какую-то часть этого микроскопического мира, но обычно мы не носим ничего, кроме очков Ray-Ban. Мир, который мы видим собственными глазами, управляется законами, исходящими из микроскопического мира, но законы, управляющие этим микроскопическим миром, совершенно другие.Говорят, что мир, в котором мы живем, возник из мира, доступного только микроскопам. Все плавные переживания ветра, музыки, звука или прикосновения являются результатом этих возникающих законов.

Есть много примеров возникновения вокруг нас и в физике, математике и химии. К ним относятся появление законов Ньютона из квантовой механики, появление уравнения теплопроводности для коллективного движения молекул, появление термодинамических фазовых переходов из микроскопических статистических систем, появление сил Ван-дер-Ваальса за счет крупнозернистого взаимодействия соседних молекул, появление новых фаз материи, таких как нетрадиционная сверхпроводимость, появление нового спонтанного поведения, такого как самосборка в полимерах, критичность и самоорганизация в активной материи, а также появление гравитации из теорий голографического поля, таких как контекст AdS / CFT-соответствия и теории струн.

Возникающие явления в разных областях часто удивительно похожи, что приводит к теориям с похожими структурами в очень разных масштабах. Хорошо известным примером является появление фазовых переходов и критического поведения в модели Изинга, которая применима к намагничиванию в ферромагнетике, а также к коллоидным частицам, состоящим из миллиардов атомов.

Tb — описание нижнего уровня

Tt — описание более высокого уровня

Между микроскопическим миром, где находятся фундаментальные строительные блоки материи, и макроскопическим миром, который мы видим вокруг нас, существует очень большое количество других миров (или масштабов), которые также возникают из этого тот же микроскопический мир.Это, например, электронный масштаб, атомный масштаб, молекулярный масштаб или мезоскопический масштаб. Ко всем этим шкалам можно подходить в разных дисциплинах. Исследование эмерджентных явлений основано на процессе перевода с более низкого уровня описания (мир / шкала) на более высокий уровень описания или наоборот, то есть понимание возникающих явлений или возникающих теорий требует создания словаря между теорией и возникающими в ней явлениями.

или между двумя теориями, одна из которых вытекает из другой.

Появление, однако, является довольно универсальным понятием, выходящим за рамки физики, математики и химии, охватывая многие другие дисциплины, такие как социальные науки, информация / информатика, а также гуманитарные науки. Системы, которые определяются или существование которых определяется набором взаимодействующих компонентов в некотором масштабе, в принципе могут демонстрировать эмерджентное поведение в большем масштабе. Примеры включают пробки (компонентами которых являются отдельные транспортные средства), возникающее коллективное поведение в сетях, таких как сети связи, или возникновение самих сетей связи, коллективное поведение стай птиц и косяков рыб или поведение крупной толпы, коллективное поведение ( рационального / иррационального) в социальных сетях, таких как распространение дезинформации, появление сознания из сложных сетей отдельных нейронов или поведение финансовых рынков как самоорганизующихся сетей агентов.

Взаимное обогащение одинаково новых концепций в различных дисциплинах, несомненно, продвинет науку вперед в 21 веке. В общем, эмерджентность устанавливает связь между теориями или между эффективными описаниями на разных уровнях реальности. Когда встречаются два описания, для правильного понимания возникающих явлений требуется их опыт. Вот почему DIEP — это широкий междисциплинарный исследовательский центр, охватывающий несколько фундаментальных наук.

квантовая механика — фундаментально случайные физические явления

Когда люди говорят о «фундаментальной» или «внутренней» случайности в контексте квантовой механики, технический смысл этого — теорема Белла, которая говорит нам, что не существует локальных теорий скрытых переменных, объясняющих результаты квантовой механики.

Теория «локальной скрытой переменной» — это, по сути, классическая идея того, как устроен мир — все имеет список четко определенных свойств, таких как положение или импульс, и для каждого из них в каждый момент времени существует «истинное» точное значение. , и законы физики в принципе определяют точное значение в каждый другой момент времени из значений в один момент.«Случайность» в этом классическом мире — случайность, возникающая из-за неполного знания, несовершенных измерительных устройств и т. Д. Когда вы подбрасываете классическую монету точно таким же образом, это всегда будет давать один и тот же результат. «Случайность» возникает просто потому, что люди чрезвычайно плохи в уровне согласованности, необходимом для того, чтобы снова перевернуть ее «таким же образом». Вера в то, что для каждого свойства всегда существует определенная ценность, также называется реализмом .

Теорема Белла утверждает, что квантовая механика несовместима с теориями локальных скрытых переменных.Никакая такая теория никогда не может предсказать результаты, которые мы действительно наблюдаем. (Поиск и закрытие «лазеек» в наших экспериментах, которые могут позволить утверждать, что мы на самом деле не наблюдаем нарушений неравенств Белла, исключающих теории локальных скрытых переменных, — это довольно активная ниша, в которую я не буду входить здесь. )

Итак, «фундаментальная случайность» действительно должна означать «отсутствие скрытых переменных» — до того, как вы измерили импульс частицы, у нее не было определенного импульса .Квантовое состояние — это не список чисел с определенными значениями свойств, которые мы можем измерить, это просто список вероятностей. Сказать, что это «фундаментально» — значит сказать, что невозможно объяснить эти вероятности как просто возникающие из-за нашего незнания некоторых лежащих в основе определенных переменных, то есть это содержание теоремы Белла. Утверждается, что неопределенности и вероятности квантовой механики на самом деле являются характеристиками мира , а не особенностями нашей неспособности его понять.

Для полноты позвольте мне упомянуть, что теорема Белла дает вам способ сохранить веру в скрытые переменные — вместо того, чтобы отказываться от реализма, вы можете отказаться от локальности, грубо говоря, представление о том, что вещи не могут мгновенно влиять на состояние других вещей, отделенных от них. в космосе. Это то, чем занимается бомовская механика, но это далеко не доминирующая точка зрения среди физиков. Хотя существует множество различных квантовых интерпретаций, которые, по сути, являются онтологическими структурами, пытающимися объяснить, как думать о мире, который не является классическим и механистическим, большинство из них выбирают локальность и отказываются от реализма — вот почему вы часто слышите это » квантовая механика утверждает, что мир в основе своей случайен ».

Искусственный интеллект, который может запустить симуляцию в соответствии с законами физики

ИЗОБРАЖЕНИЕ: Диаграмма, показывающая, как можно использовать разработанную технологию.
посмотреть еще

Кредит: Такаши Мацубара

Исследовательской группе под руководством доцента ЯГУТИ Такахару (Высшая школа системной информатики) и доцента МАЦУБАРА Такаши (Высшая школа инженерных наук, Университет Осаки) удалось разработать технологию для моделирования явлений, подробный механизм или формула которых не имеет объяснения. Они сделали это, используя искусственный интеллект (ИИ) для создания модели, которая соответствует законам физики, на основе данных наблюдений.

Есть надежда, что это развитие позволит предсказать явления, которые до сих пор было трудно моделировать, поскольку их детальные механизмы, лежащие в основе, были неизвестны. Также ожидается увеличение скорости самих симуляций.

Эти исследовательские достижения были представлены 7 декабря на Тридцать четвертой конференции по системам обработки нейронной информации (NeurIPS 2020), престижной встрече по темам, связанным с технологиями искусственного интеллекта.9454 статьи были размещены на NeurIPS 2020, и из 1900, которые были отобраны, эта исследовательская работа попала в верхние 1,1% и была одной из 105, отобранных для устного выступления на конференции.

Основные моменты

• Возможность применения искусственного интеллекта для предсказания физических явлений может привести к чрезвычайно точному и высокоскоростному моделированию.
• Методы прогнозирования до настоящего времени были склонны давать завышенные или недооцененные результаты, потому что сложность оцифровки явлений означает, что законы физики (например, закон сохранения энергии) не соблюдаются.
• Эта исследовательская группа разработала технологию на основе искусственного интеллекта, которая может запускать моделирование при сохранении законов физики. Они использовали цифровой анализ, чтобы воспроизвести физику, которую компьютер может распознать в цифровом мире.
• Ожидается, что эта технология позволит моделировать явления, подробный механизм или формула которых не ясен (например, волновое движение, механика разрушения (например, рост трещин) и рост кристаллических структур), при условии достаточного количества наблюдений. данные.

Предпосылки исследований

Обычно можно выполнять предсказания физических явлений с помощью моделирования с использованием суперкомпьютеров, и в этих моделированиях используются уравнения, основанные на законах физики. Несмотря на то, что эти уравнения очень универсальны, это не всегда означает, что они способны идеально воспроизводить различные характеристики отдельных явлений. Например, многие люди изучают физику движения маятника в средней школе.Однако, если вы действительно создадите маятник и попытаетесь его повернуть, небольшой производственный дефект в маятнике может привести к тому, что он не будет двигаться в соответствии с теорией, и это приведет к ошибке в прогнозе моделирования. Следовательно, исследования по применению данных наблюдений за явлениями к моделированию с помощью искусственного интеллекта в последние годы продвигаются вперед. Если это будет реализовано в полной мере, появится возможность разрабатывать индивидуальные моделирование реальных явлений, что должно повысить точность прогнозов моделирования.

Однако трудно ввести законы физики, которые управляют явлениями реального мира, в технологию прогнозирования с использованием современного ИИ, потому что компьютеры являются цифровыми. Трудно точно воспроизвести физические законы, такие как закон сохранения энергии. Следовательно, в долгосрочных прогнозах может происходить неестественное увеличение или уменьшение энергии. Это может привести к переоценке или недооценке таких явлений, как скорость объекта или высота волны, а также к неопределенности в отношении надежности прогноза.

Результаты исследований

Эта исследовательская группа разработала новую технологию на основе искусственного интеллекта, которую можно использовать для предсказания различных явлений, строго соблюдая физические законы, такие как закон сохранения энергии.

Этот недавно разработанный подход был основан на понятии «если бы мир был цифровым». На основе этого образа мышления были введены физические законы, которые должны быть сохранены в таком цифровом мире. Сосредоточившись на том факте, что физические законы записываются в терминах математического анализа, таких как «дифференциация» и «интеграция», исследователи переписали их, используя цифровое исчисление.

Чтобы сделать это технически, исследователи разработали новую цифровую версию обратного распространения ошибки (* 1), которая используется в машинном обучении с использованием автоматического дифференцирования. Этот новый подход позволяет сохранить физические законы, такие как закон сохранения энергии, в цифровом мире. Кроме того, это позволяет правильно реализовать закон сохранения энергии с помощью технологии на основе искусственного интеллекта даже в симуляциях. Использование этой новой методологии сделает возможными высоконадежные прогнозы и предотвратит возникновение неестественных повышений и понижений энергии, которые наблюдаются в обычных моделях.

В методике, разработанной в этом исследовании, ИИ изучает функцию энергии на основе данных наблюдений за физическими явлениями, а затем генерирует уравнения движения в цифровом мире. Эти уравнения движения могут использоваться программой моделирования как есть, и ожидается, что применение таких уравнений приведет к новым научным открытиям (рис. 1). Кроме того, нет необходимости переписывать эти уравнения движения для компьютерного моделирования, чтобы можно было воспроизвести физические законы, такие как закон сохранения энергии.

Чтобы ввести физические законы в цифровой мир, также использовались геометрические подходы, такие как симплектическая геометрия (* 2) и риманова геометрия (* 3). Это позволяет применять эту технику для предсказания более широкого круга явлений. Например, явление объединения двух капель в одну можно объяснить с точки зрения потери энергии, которая происходит, когда они становятся единой каплей. Этот вид явления хорошо описывается с помощью римановой геометрии. Фактически, явления как сохранения энергии, так и явления рассеяния энергии могут быть показаны в аналогичном уравнении с геометрической точки зрения, что может позволить создать единую систему, способную справиться с обоими типами явлений.Путем включения этого способа мышления модель, разработанная в ходе этого исследования, была расширена для учета явлений рассеяния энергии, что позволило точно оценить уменьшение энергии.

Примеры таких явлений включают структурную организацию материалов, рост кристаллов и механику расширения трещин, и есть надежда, что дальнейшее развитие технологии искусственного интеллекта позволит предсказать подобные явления.

Более того, исследовательская группа также успешно увеличила эффективность обучения ИИ, и эксперименты показали, что это в 10 раз быстрее, чем существующие методы.

Дальнейшие исследования

Подход, разработанный в ходе этого исследования, предполагает, что при прогнозировании физических явлений можно было бы создавать индивидуальные модели, имитирующие подробные аспекты этих явлений, которые трудно координировать людям. Это позволило бы повысить точность моделирования, а также сделать возможным более эффективные прогнозы, что привело бы к сокращению времени вычислений для различных физических симуляций.

Кроме того, использование ИИ для извлечения физических законов из данных наблюдений позволит прогнозировать явления, которые ранее было трудно моделировать из-за того, что их детальные механизмы были неизвестны.

Прогнозы, сделанные ИИ, часто называют «черными ящиками», и они подвержены проблемам с надежностью. Однако подход, разработанный в ходе этого исследования, является очень надежным, поскольку он может точно воспроизводить явления при соблюдении физических законов, таких как закон преобразования энергии, а это означает, что вероятность завышения и занижения прогнозов маловероятна.

Этот метод также может вызвать обратное распространение, которое обычно используется в обучении ИИ. Таким образом, это может улучшить скорость различных типов машинного обучения за пределами технологии, описанной в данном исследовании.

###

Глоссарий

1. Обратное распространение (BP): Обратное распространение — это алгоритм, используемый в машинном обучении. Он используется для расчета, как лучше всего исправить неправильные ответы, данные ИИ в период обучения (на основе расчетов дифференциации).

2. Симплектическая геометрия: Геометрия, лежащая в основе механических теорий, таких как законы Ньютона. Считается, что он может описывать физические законы, такие как механика, без координат, поскольку законы существуют независимо от конкретных координат.Следовательно, можно описывать и анализировать уравнения движения, используя симплектическую геометрию.

3. Риманова геометрия:
Риманова геометрия используется для изучения искривленных поверхностей. Это позволяет познакомить с понятиями длины и угла самые разные предметы. Используя этот геометрический подход, можно смоделировать такие явления, как рассеяние энергии, в виде точки, движущейся вниз по склону.

Благодарности

Это исследование получило финансирование от следующих организаций:

• Программа финансирования CREST (Основные исследования эволюционной науки и технологий) Японского агентства по науке и технологиям (JST) для командных исследований.Область исследований: «Создание платформы использования информации путем интеграции математических и информационных наук и развития в обществе» (научный руководитель: UEDA Наонори).
  Название исследовательского проекта: «Моделирование и моделирование систем с сохранением структуры на основе геометрической дискретной механики» (номер гранта JPMJCR1914) (директор по исследованиям: Ягути Такахару).
• Программа финансирования индивидуальных исследований JST PRESTO
  Область исследований: «Совместная математика для решения проблем реального мира» (научный руководитель: КОКУБУ Хироши)
  Название исследовательского проекта: «Комплексное исследование информационной геометрии и дискретной механики и ее приложений для анализа сетей в социальных науках» (номер гранта JPMJPR16EC) (директор по исследованиям: Ягути Такахару)
• JSPS KAKENHI Grant
  Исследовательский проект: «Неопределенность в глубоком обучении для понимания механизма данных и обнаружения аномалий» (главный исследователь: Мацубара Такаши) (номер гранта 19K20344).
• JSPS KAKENHI Grant
  Исследовательский проект: методы извлечения закона сохранения энергии для моделей дифференциальных уравнений черного ящика и их применение к сетевому анализу (номер гранта 20K11693) (главный исследователь: Ягути Такахару)

Информация о журнале
Титул:
«Моделирование физики дискретного времени на основе глубинной энергии»

Авторов:
Matsubara Takashi ^? , Исихара Ай ² , Ягути Такахару ^?

1.