Сочинение – рассуждение по физике «Как доказать или опровергнуть легенду?»

Сочинение – рассуждение по физике

«Как доказать или опровергнуть легенду?»

Старый Оскол 2011 г

Как доказать или опровергнуть легенду?

        Счастливая случайность выпадает

лишь на долю подготовленных умов.

                                             Луи Пастера.

В нашей школе проводился физический вечер «Истории открытий», на котором рассказывали об известном древнегреческом учёном Архимеде, о его жизни и связанных с ним легендах. Мне очень понравилась легенда о сгоревшем римском флоте и стало интересно, могло ли быть это на самом деле или это только миф. Если найти событиям, описанным в легенде, научное объяснение, то получается, что Архимед первый создал лучевое оружие. Эта легенда настолько интересна, что споры о ней ведутся на протяжении всех веков до наших дней.                                                                                                                    

Чтобы установить, как можно доказать или опровергнуть легенду, мне понадобилось:

Найти  разные версии этой легенды, известные на данный момент.

Провести, по возможности, экспериментальную проверку легенды.

Узнать, проводились ли эксперименты раньше, по исследованию        данного вопроса и каковы их результаты.

Дать научное объяснение событий, происходящих в  легенде.

Сделать выводы, на основе моих исследований.

Лучевое оружие. Мазеры и лазеры.

1. Одна из легенд об Архимеде.

1.1 Осада Сиракуз.

Инженерный гений Архимеда с особой силой проявился во время осады Сиракуз римлянами в 212 году до н. э. в ходе второй Пунической войны. А ведь в это время ему было уже 75 лет! Построенные Архимедом мощные метательные машины забрасывали римские войска тяжёлыми камнями. Думая, что они будут в безопасности у самых стен города, римляне кинулись туда, но в это время лёгкие метательные машины близкого действия забросали их градом ядер. Мощные краны захватывали железными крюками корабли, приподнимали их кверху, а затем бросали вниз, так что корабли переворачивались и тонули.

Римляне вынуждены были отказаться от мысли взять город штурмом и перешли к осаде. Знаменитый историк древности Полибий писал: «Такова чудесная сила одного человека, одного дарования, умело направленного на какое-либо дело… римляне могли бы быстро овладеть городом, если бы кто-либо изъял из среды сиракузян одного старца». Но даже во время осады Архимед не давал покоя римлянам. По легенде, во время осады римский флот был сожжён защитниками города, которые при помощи зеркал и отполированных до блеска щитов сфокусировали на них солнечные лучи по приказу Архимеда.

1.2 Что мы узнали из легенды.

Что нам известно из самой легенды? Мы смело можем утверждать, что корабли находились примерно в 150 метрах от городской стены, т.к. на меньшем расстоянии разбить зеркала или внести суматоху в ряды воинов-защитников могли пращевики или лучники, находящиеся на Римских кораблях. На большем же расстоянии потери при передаче энергии были - бы столь велики, что ее могло бы не хватить на то, что бы зажечь дерево, из которого был сделан римский флот. Итак, существуют два варианта легенды.

1.3 Разные взгляды на одно событие.

Первый вариант утверждает, что Архимед велел всем своим войнам начистить до зеркального блеска их плоские щиты, а после этого встать на стены города. Далее воины должны были направить все солнечные зайчики, получившиеся путем отражения солнечных лучей, в одну точку. С помощью большого количества, созданной таким образом солнечной энергии, Римский флот был подожжён.

Второй  вариант: согласно описанию хрониста Ионнеса Цеце (конец XII в.), ссылавшегося на греческого историка Диодора Сицилийского (I в. до н.э.), «когда Марцелл убрал корабли на расстояние, превышающее полет стрелы, старец соорудил особое шестиугольное зеркало; на расстоянии, пропорциональном размеру зеркала, он расположил похожие четырехугольные зеркала, которые можно было перемещать с помощью специальных рычагов и шарниров. Зеркало он обратил к полуденному Солнцу и, когда пучки лучей отразились в нем, огромное пламя вспыхнуло на кораблях и с расстояния полета стрелы превратило их в пепел».

Легенда о сожжении Архимедом вражеского флота с помощью конструкции из зеркал на протяжении длительного времени воспринималась как фантазия, и неоднократно подвергалась ожесточенной критике. Эта легенда удивительна, поэтому жаркие споры вокруг нее не утихают до сих пор и заставляют ученых вновь и вновь обращаться к экспериментам для ее проверки.

2. Мой эксперимент.

Разные версии о легенде и разные способы проверить легенду. Я решила проверить второй вариант легенды. Для своего эксперимента мне нужен кораблик, зеркало и линза.

Летним днём я вышла на улицу. Кораблик плавал в тазе с водой, а я на возвышенность поставила зеркало и направила его так, чтобы солнечный зайчик попадал на кораблик. От обычного зеркала кораблик долго не загорался. Тогда я взяла лупу и держала её так, чтобы солнечный зайчик, проходя через лупу, фокусировался на кораблике. Через 12 минут кораблик загорелся. Этот опыт я провёла три раза.

3. В поиске истины.

Не только я проверяла легенду о сгоревшем римском флоте. Многим учёным было интересно проверить воспламенения предметов на больших расстояниях с помощью зеркала.

3.1 Опыты Жоржа Луи Бюффона.

В 1747 г. Жорж Луи Бюффон опубликовал мемуары «Изобретение зеркал для воспламенения предметов на больших расстояниях».Выбрав в качестве основы стеклянные зеркала, Бюффон решил воспользоваться для концентрации света группой плоских зеркал. Он соединил 168 отдельных отражательных зеркал и сфокусировал их в одну зону. 23 марта 1747 г. в полдень он зажег березовую доску с расстояния 20 м с помощью 40 зеркал, а час спустя – с 40 м с помощью 98 зеркал. В полдень 10 апреля он достиг большего результата: зажег сосновую доску с расстояния 50 м с помощью 150 зеркал. Проводя свои эксперименты весной, Бюффон был уверен, что летом такой эффект можно получить на расстоянии более 100 м.. «Для установки зеркала и совмещения всех отражений в одной точке требовалось около получаса, после чего им можно было пользоваться в любой момент, стоит лишь сдвинуть занавеску. Описанные мною опыты были проведены публично в Саду короля (Парижском ботаническом саду, директором которого Бюффон был с 1739 г.) на горизонтальной площадке». Зеркало, которое построил Бюффон, действительно могло быть в эпоху Архимеда реальным боевым оружием.

3.2 Мнение Российских учёных.

Опыты Бюффона вызвали большой интерес, в том числе в России. В 1741 г. М.В. Ломоносовым была составлена диссертация «Рассуждения о катоптрико-диоптрическом зажигательном инструменте». Инструмент Ломоносова состоял из ряда зеркал, которые направляли солнечные лучи на линзы, сводящие их в одну точку. Ломоносов так формулировал цель работы: «Вознамерившись ввести в область химии приборы физиков, а также истины, ими открытые, чтобы до известной степени облегчить трудности, встречающиеся в этой науке я счел за благо, по мере сил моих, уничтожить каким-либо способом упомянутые трудности и попытаться увеличить зажигательную силу этих приборов, которые прославлены столькими работниками, двинувшими вперед естествознание и которые, я не сомневаюсь, придут на помощь в химических работах, требующих сильного огня…».

3.3 Исследования Иоанниса Сакаса.

Иоаннис Сакас приступая к самостоятельным исследованиям с зажигательными зеркалами, был уверен, что воспроизводит их впервые. Он полагал, что Архимед в качестве зеркал использовал большие плоские щиты воинов, изготовленные из меди и отполированные до блеска. Сакас оценил, что для воспламенения корабля на расстоянии 30-40 м потребуется 50 зеркал, а при расстоянии 100 м (дальность полета стрелы) – 200 зеркал. Он также отдавал дань эффекту внезапности, поскольку римляне во время осады Сиракуз не могли заметить никакой предварительной подготовки со стороны осаждаемых. Для экспериментов Сакаса было изготовлено 200 зеркал высотой 1.7 м и шириной 0.7 м. Их основой было стекло, покрытое медной фольгой. Окончательный эксперимент проводился 3 ноября 1973 г. в заливе Кепал в порту Скараманга на территории морской базы вблизи Афин. Было привлечено 70 матросов, каждый из которых направлял свое зеркало на цель, расположенную на расстоянии 55 м. Целью служила деревянная лодка длиной 2,3 м, покрытая смолой. Лодка задымилась через несколько секунд после наведения на нее зеркал, а через три минуты воспламенилась. Так, спустя 2186 лет была убедительно подтверждена достоверность легенды о зажигательных зеркалах Архимеда.

4. Зеркало.

Лучи света, отражаясь от зеркала, изменяют своё направление. Это свойство зеркал используют в перископах, на всех видах транспорта для обзора дороги.

Вогнутое зеркало обладает свойством собирать параллельные лучи в одной точке. Оно используется для концентрации световой энергии в малой области пространства. Именно это свойство мог использовать Архимед при защите Сиракуз от римлян.

5. Результаты и выводы.

Работая над данной проблемой, я:

Нашла разные версии данной легенды.

Провела эксперимент.

Узнала о том, что эксперименты, по вопросу о данной легенде, проводились и ранее и продолжаются сей день. Сравнила их результаты.

В результате проведённого исследования, я пришла к выводу, что для того, чтобы доказать или опровергнуть легенду необходимо провести серию экспериментов, проанализировать результаты и дать им научное объяснение. Учитывая всё выше сказанное, я лично придерживаюсь мнения, что данное событие действительно имело место при защите Сиракуз от римлян, много тысячелетий назад. Архимед первый на нашей планете изобрёл «лучевое оружие».

Лучевое оружие. Мазеры и лазеры.

  В 1953 г. профессор Чарльз Таунс из Университета Калифорнии в Беркли сумел вместе с коллегами получить первый пучок когерентного излучения, а именно микроволн. Устройство назвали мазером (maser — по первым буквам слов фразы «microwave amplification through stimulated emission of radiation», т.е. «усиление микроволн через стимуляцию излучения».) Позже, в 1964 г., Таунс вместе с русскими физиками Николаем Басовым и Александром Прохоровым получил Нобелевскую премию. Вскоре результаты ученых были распространены и на видимый свет. Так родился лазер.

   Основой лазера служит особая среда, которая собственно и будет передавать лазерный луч; это может быть специальный газ, кристалл или диод. Затем нужно закачать в эту среду энергию извне — при помощи электричества, радиоволн, света или химической реакции. Неожиданный приток энергии возбуждает атомы среды, заставляя электроны поглощать энергию и перепрыгивать на более высокоэнергетичные внешние электронные оболочки. В таком возбужденном, накачанном состоянии среда становится нестабильной. Если после этого направить сквозь нее луч света, то фотоны луча, сталкиваясь с атомами, вызовут внезапное сваливание электронов на более низкие орбиты и высвобождение при этом дополнительных фотонов. Эти фотоны, в свою очередь, заставят еще большее число электронов испустить фотоны — и вскоре начнется цепная реакция «схлопывания» атомов до невозбужденного состояния с практически одновременным высвобождением громадного количества фотонов — триллионов и триллионов их — все в тот же луч. Принципиальная особенность этого процесса состоит в том, что в некоторых веществах при лавинообразном высвобождении все фотоны вибрируют в унисон, т.е. когерентны. (Представьте себе выстроенные в ряд костяшки домино). В самом низкоэнергетическом состоянии каждая костяшка лежит плашмя на столе. В высокоэнергетическом, накачанном состоянии костяшки стоят вертикально, подобно накачанным атомам среды. Толкнув одну костяшку, вы можете вызвать внезапное одновременное высвобождение всей этой энергии, точно так же, как это происходит при рождении лазерного луча. В лазере способны работать лишь некоторые материалы; это означает, что только в особых веществах при столкновении фотона с возбужденным атомом излучается фотон, когерентный первому. Это свойство вещества приводит к тому, что все фотоны в рождающемся потоке вибрируют в унисон, создавая тонкий лазерный луч. (Вопреки распространенной легенде лазерный луч не вечно остается таким же тонким, как в самом начале). К примеру, лазерный луч, выпущенный в Луну, будет по дороге постепенно расширяться и даст на поверхности Луны пятно размером в несколько километров.

   Простой газовый лазер представляет собой трубку со смесью гелия и неона. Когда через трубку пропускают электричество, атомы поглощают энергию и возбуждаются. Затем, если происходит внезапное высвобождение всей запасенной газом энергии, рождается луч когерентного света. Этот луч усиливается при помощи двух зеркал, установленных в обоих концах трубки, так что луч отражается от них по очереди и мечется по трубке из стороны в сторону. Одно из зеркал совершенно непрозрачно, но другое пропускает небольшую долю падающего на него света, выпуская, таким образом, луч наружу.

   Сегодня лазеры можно найти повсюду — и в кассовом аппарате продуктового магазинчика, и в оптико-волоконном кабеле, который обеспечивает вам доступ в Интернет, и в лазерном принтере или CD-плеере, и в современном компьютере. Лазеры используются в хирургии глаза, при удалении татуировок, и даже в косметических салонах. В 2004 г. в мире продано лазеров больше чем на 5,4 млрд долл.

   Новые лазеры сейчас открывают едва ли не каждый день; как правило, речь идет об обнаружении нового вещества, способного работать в лазере, или изобретении нового метода закачки энергии в рабочее тело. Вопрос в том, годятся ли эти технологии для создания лучевых ружей или световых мечей? Можно ли построить лазер, достаточно большой для обеспечения энергией Звезды смерти? На сегодняшний день существует ошеломляющее разнообразие лазеров, которые можно классифицировать по материалу рабочего тела и способу закачки энергии (это может быть электричество, мощный световой луч, даже химический взрыв).

Перечислим несколько типов лазеров.

 Газовые лазеры. Эта категория включает и чрезвычайно распространенные гелий-неоновые лазеры, дающие очень знакомый красный луч. Накачивают их при помощи радиоволн или электричества. Гелий-неоновые лазеры обладают небольшой мощностью. А вот газовые лазеры на углекислом газе можно использовать при подрывных работах, для резки и плавки металлов в тяжелой промышленности; они способны давать чрезвычайно мощный и совершенно невидимый луч.

 Химические лазеры. Эти мощные лазеры заряжаются от химической реакции — к примеру, горения этилена и трифторида азота. Такие лазеры достаточно мощны, чтобы найти применение в военной области. В США химический принцип накачки применяется в воздушных и наземных боевых лазерах, способных давать луч мощностью в миллионы ватт и предназначенных для сбивания в полете ракет малой дальности.

 Эксимерные лазеры. Эти лазеры получают энергию также от химической реакции, в которой обычно задействованы инертный газ (т.е. аргон, криптон или ксенон) и какой-нибудь фторид или хлорид. Они дают ультрафиолетовый свет и могут использоваться в электронной промышленности для вытравливания крохотных транзисторов на полупроводниковых чипах, а также в хирургии глаза для проведения тончайших операций по технологии Lasik.

Твердотельные лазеры. Первый в мире работающий лазер был изготовлен из кристалла рубина (сапфир с примесью хрома, придающей кристаллу розовую окраску). Многие кристаллы при легировании их иттрием, гольмием, тулием и другими химическими элементами способны создавать лазерный луч. Твердотельные лазеры могут давать высокоэнергетические ультракороткие вспышки. Полупроводниковые лазеры. Диоды, которые мы так широко используем во всевозможных электронных устройствах, могут давать мощные лазерные лучи, которые используются в промышленности для резки и сварки. Эти же полупроводниковые лазеры работают и в кассовых аппаратах, считывая штрихкоды с выбранных вами товаров. Лазеры на красителях. В этих лазерах в качестве рабочего тела используются органические красители, Они исключительно полезны в получении ультракоротких импульсов света, которые часто имеют длительность порядка одной триллионной доли секунды.

Список используемых источников.

Оптика. Википедия. Свободная энциклопедия [Электронный ресурс].– Режимдоступа:http://ru.wikipedia.org/wiki/

Что такое свет. Потому.ру [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://potomy.ru/world/482.html

Томилин М. Машины и механизмы. Научно-популярный журнал [Электронный ресурс] –  Режим доступа: http://www.mmxxi.ru/item/113/

Легенда о том, как Архимед потопил римский флот. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ics.neretin.ru/reports/arch.html

МС ИСТ ЛИМИТЕД. .Древо познания. Универсальный иллюстрированный справочник для всей семьи. Наука и техника. Часть 20. Научно – познавательная коллекция «МАРШАЛ КАВЕНДИШ».