Образовательный веб-квест по физике: Применение лазеров
Образовательный веб-квест Маркиной Р.Ф., учителя физики и информатики, высшая квалификационная категория.
Тема: «Применение лазеров»
- в радиоастрономии для определения расстояний до тел Солнечной системы с максимальной точностью (светолокатор);
- обработка металлов (резка, сварка, плавка, сверление);
- в хирургии вместо скальпеля (например, в офтальмологии);
- для получения объемных изображений (голография);
- связь (особенно в космосе);
- запись и хранение информации;
- в химических реакциях;
- для осуществления термоядерных реакций в ядерном реакторе;
- ядерное оружие,
- военное дело.
Общая проблема:
Одним из крупнейших достижений науки и техники XX века, наряду с другими открытиями, является создание генераторов индуцированного электромагнитного излучения – лазеров. В основу их работы положено явление усиления электромагнитных колебаний при помощи вынужденного, индуцированного излучения атомов и молекул, которое было предсказано еще в 1917 г. Альбертом Эйнштейном при изучении им равновесия между энергией атомных систем и их излучением.
В чем же все-таки главная ценность этих приборов?
В том, что излучение лазеров обладает рядом замечательных свойств. В отличие от света, испускаемого обычными источниками, оно когерентно в пространстве и времени, монохроматично, распространяется очень узким пучком и характеризуется чрезвычайно высокой концентрацией энергии, которая еще недавно казалась фантастической. Это дает возможность ученым использовать световой луч лазера в качестве тончайшего инструмента для исследований различных веществ, выяснения особенностей строения атомов и молекул, уточнения природы их взаимодействия, определения биологической структуры живых клеток.
С помощью луча лазера можно передавать сигналы и поддерживать связь как в земных условиях, так и в космосе принципиально на любых расстояниях. Лазерные линии связи позволяют передавать одновременно значительно большее количество информации по сравнению с традиционными линиями связи, даже самыми совершенными. Кроме того при этом практически к нулю сводятся внешние помехи.
Развитие современных технологий, многих отраслей промышленности, науки и техники, медицины сегодня трудно себе представить без применения лазеров и устройств на их основе.
Участники:
астрономы,
врачи,
специалисты по обработке металлов,
специалисты, работающие с объёмными изображениями,
специалисты по космической связи,
специалисты, работающие с информацией,
химики,
специалисты, работающие с термоядерными реакциями,
специалисты по ядерному оружию
военное дело
1. Выступление астрономов: применение лазеров в радиоастрономии для определения расстояний до тел Солнечной системы с максимальной точностью (светолокатор);
http://chem21.info/info/1183415/http://shatura.laser.ru/Articles/general/9606_092.pdfhttp://window.edu.ru/catalog/pdf2txt/946/20946/4159https://referat.ru/referat/primenenie-lazera-24807/32. Обработка металлов (резка, сварка, плавка, сверление)
Металл – это наиболее распространенный материал, используемый в строительстве, машиностроении, механизации, приборостроении и т.д. Металл порезанный на заготовки с минимальным допуском, с геометрически правильной кромкой, дополнительными вырезами в теле заготовки - облегчает и существенно снижает затраты на сборку, сварку, дополнительную механическую обработку.
Преимущества лазерной резки листового металла:
• Высокая точность реза - до 0,1 мм/м;• Высокая скорость реза – до 85 м/мин;• Минимизация отходов листа;• Высокое качество обработки листового металла;• Неограниченные возможности резки по геометрической сложности;• Отсутствие механического воздействия;• Возможность обработки практически любых металлов;• Минимальные затраты по времени резки металла.
http://www.vbeelinez.ru/equipment_teh/613http://www.lazerrezka.ruhttp://www.autowelding.ru/blog/lazery_i_lazernaja_tekhnologija/2011-02-15-55http://www.proprof.ru/stati/careera/vybor-professii/o-professiyah/professii-svyazannye-s-metallomhttp://stanki-katalog.ru/st_49.htmhttp://referatwork.ru/refs/source/ref-17383.html3. Применение лазеров в медицине.
Особенно широкое применение нашли лазерные инструменты в хирургии глаза. В настоящее время успешно проводятся операции по удалению хрусталика путём испарения его очень коротким и мощным импульсом. Другая успешно освоенная операция – приваривание отслоившейся сетчатки.
Лазеры довольно успешно применяются и в лечении таких распространённых сейчас заболеваний глаза как близорукость и дальнозоркость. Одной из причин этих заболеваний является изменение в силу каких-либо причин конфигурации роговицы глаза. С помощью очень точно дозированных облучений роговицы лазерным излучением можно исправить её изъяны, восстановив нормальное зрение.
Трудно переоценить значение применения лазерной терапии при лечении многочисленных онкологических заболеваний, вызванных неконтролируемым делением видоизменённых клеток. Точно фокусируя луч лазера на скоплении раковых клеток, можно полностью уничтожить эти скопления, не повреждая здоровые клетки.
Разнообразные лазерные зонды широко используются при диагностике заболеваний различных внутренних органов, особенно в тех случаях, когда применение других методов невозможно или сильно затруднено.
http://bibliofond.ru/view.aspx?id=41800http://doktorlaser.ru/oborudovanie/primenenie-lazerov-v-medicine.htmlhttp://literaturki.net/elektronika/kvantovaya-elektronika/371--primenenie-lazerov-v-medicinehttp://photonics-biotech.com/http://www.medlaser.ru/applic.htm4. Для получения объемных изображений (голография);
Голография (от греч. holos grapho – полная запись) – особый способ записи информации. В 1948 г. английский физик (венгр по национальности) Денис Габор высказал идею принципиально нового метода получения объемных изображений объектов. Он предложил регистрировать с помощью фотопластинки не только амплитуды и интенсивности, как с помощью обычной фотографии, но и фазы рассеянных объектом волн, воспользовавшись для этого явлением интерференции волн. Это позволяет избавиться от потери информации при фиксировании оптических изображений. Однако, практическое применение этот способ нашел только после изобретения лазеров – источников света высокой степени когерентности (временнόй и пространственной). В 1963 г. были получены первые лазерные голограммы.
Советский ученый Ю.Н. Денисюк в 1962 г. предложил оригинальный способ фиксирования голограмм на толстослойной эмульсии. Этот метод дает цветное изображение, и восстанавливается оно обычным белым светом.
ru.wikipedia.org›
decoder.ru›list/all/topic_48/worklib.ru›dic/голография/revolution.allbest.ru›Физика›00317105_0.htmltechlibrary.ru›b/3b1j1o2d1p1o_2u._…
5. Связь (особенно в космосе);
Электромагнитные волны, с помощью которых радиосигнал передается в космическом пространстве, движутся с гигантской скоростью — скоростью света. На Земле задержки в передаче почти не ощущаются, а вот с космонавтами на орбите приходится говорить уже с задержкой. Ответ с Луны будет идти полторы секунды, с Марса — уже минут шесть. Кроме того, по мере удаления передатчика сигнал стремительно затухает. Как же быть? Проблема тяжелая, но решаемая.
Сегодня самый удаленный космический объект, с которым поддерживается радиоконтакт, — это американская автоматическая межпланетная станция «Вояджер-1», запущенная 5 сентября 1977 года. В августе прошлого года она преодолела рубеж 100 астрономических единиц (15 миллиардов километров) и вплотную подошла к границе Солнечной системы. Радиосигнал с такого расстояния идет около 14 часов. Информация с «Вояджера» на Землю передает жестко скрепленная с корпусом параболическая антенна диаметром 3,65 метра, которая должна быть сориентирована точно на родную планету. Через нее на частотах 2295 МГц и 8418 МГц шлют сигналы два радиопередатчика мощностью по 23 ватта. Для надежности каждый из них дублирован. Большая часть данных транслируется на Землю со скоростью 160 бит/с — это всего раза в три-четыре быстрее, чем скорость набора текста профессиональной машинисткой и в 300 раз медленнее телефонного модема. Для приема сигнала на Земле используется 34-метровые антенны сети дальней космической связи NASA, но в некоторых случаях задействуются самые большие 70-метровые антенны, и тогда скорость удается поднять до 600 и даже 1400 бит/с. По мере удаления станции ее сигнал слабеет, но еще важнее то, что постепенно снижается мощность радиоизотопных генераторов, которые питают передатчики. Ожидается, что станция сможет передавать научные данные еще по крайней мере 10 лет, после чего связь с ней прекратится.
http://galspace.spb.ru/orbita/svaz.htm
http://www.skomplekt.com/articles/laser_con.htm
bibliofond.ru›view.aspx?id=40747http://galspace.spb.ru/orbita/svaz.htmradioland.net.ua›contentid-410-page7.html6. Запись и хранение информации.
Для хранения, накопления и передачи информации используются носители информации различной природы: молекулы ДНК- генетическая информация, бумага, магнитная лента, фото и кинопленки, микросхема памяти, магнитные и лазерные диски и тд.
Особенности накопителей на магнитных носителях: В процессе записи информации на магнитную головку дисковода поступают последовательные электрические импульсы, которые создают в магнитной головке магнитное поле. В результате последовательно намагничиваются или не намагничиваются (логические 1 или 0) элементы поверхности носителя. При считывании намагниченные участки носителя вызывают в магнитной головке импульсы тока (индукция), последовательность которых передается в оперативную память ПК.
Для того чтобы хранить информацию на диске он должен быть отформатирован. Форматирование дисков - процесс создания физической и логической структуры диска.
http://informatika.sch880.ru/p24aa1.
html http://www.bestreferat.ru/referat-86281.html
http://www.myshared.ru/slide/61947/sinludmila.ru›news…nositeli_informacii/2010-11-13…netroom-prepod.ucoz.com›Inf_d…informacii.doc7. В химических реакциях.
Химический лазер - , газовый лазер, в котором активная среда образуется в результате химических реакций. В непрерывном режиме мощность достигает нескольких кВт. Используется в лазерной спектроскопии, в лазерном разделении изотопов и др.
chem21.info›info/3198/oldbooks.matrixboard.ru›index1983-052.htmstu.scask.ru›book_inl.php?id=59twirpx.com›file/1739935/ http://www.worklib.ru/dic8. Применение лазеров для осуществления термоядерных реакций в ядерном реакторе.
http://bibliofond.ru/view.aspx?id=550932
profbeckman.narod.ru›YadFiz.files/L21.pdfhttp://stu.scask.ru/book_inl.php?id=119http://scorcher.ru/art/science/termo/termo.php9. Ядерное оружие
Лазер с ядерной накачкой — это лазерное устройство, возбуждение активной среды которого происходит за счет ядерного излучения (гамма-кванты, ядерные частицы, продукты ядерных реакций). Длина волны излучения такого устройства может быть от дальнего ИК-диапазона до рентгеновского. Одним из таких лазеров является рентгеновский лазер с ядерной накачкой, основная энергия лазерного излучения которого генерируется в рентгеновском диапазоне электромагнитного излучения. Существующие рентгеновские лазеры приводятся в действие различными способами, основными из которых являются ядерный либо термоядерный взрыв, инверсное излучение возбуждённых плазменных сред, излучение возбуждённых твердотельных сред либо синхротронное излучение пучка электронов при пролёте через область переменного магнитного поля (FEL-лазер).http://www.madrace.ru/https://ru.wikipedia.orghttp://gatling.ucoz.ua/publ/18-1-0-428http://army-news.ru/2011/10/yadernoe-oruzhie-tretego-pokoleniya/
10. К настоящему времени сложились основные направления, по которым идет внедрение лазерной техники в военное дело. Этими направлениями являются:
1. Лазерная локация (наземная, бортовая, подводная).
2. Лазерная связь.
3. Лазерные навигационные системы.
4. Лазерное оружие.
5. Лазерные системы ПРО и ПКО.
http://bibliofond.ru/view.aspx?id=26123
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Приведённый выше перечень областей применения лазера является далеко не полным. Сегодня мы здесь рассмотрели некоторые специальные области применения этого инструмента. Одной из таких областей является голография – объёмная фотография. Использование лазера при фотографировании позволяет получить на фотопластинке или фотобумаге закодированное в виде интерференционной картины трёхмерное изображение объекта, которое проявляется (восстанавливается) при освещении фотопластинки лучом лазера той же частоты, что использовалась при съёмке. Голография находит широкое применение в различных отраслях науки, техники, метрологии и т.п.
Высокая энергия лазерного излучения позволяет использовать его при термоядерном синтезе. Как известно, такой синтез протекает только при очень высоких температурах порядка 10000 и более градусов. Получить такую температуру при помощи традиционных средств затруднительно. Лазер, а ещё лучше комбинация нескольких лазеров, позволяет достигнуть подобных температур в течение долей секунды.
Использование лазеров в химии позволило осуществить те реакции, которые было невозможно провести ранее. Лазерное излучение обладает строго определённой длинной волны, а, следовательно, и энергией. Подбирая частоту лазерного луча, можно активизировать только те химические связи, энергия разрыва которых совпадает с энергией излучения лазера. Это позволяет ускорять одни химические реакции и подавлять другие, то есть проводить селективный синтез.
Многообразны области применения лазеров в военном деле. На их основе создаются различные системы распознавания объектов по принципу "свой – чужой", системы самонаведения ракет и бомб. Существуют планы создания космического лазерного оружия.
Постоянное совершенствование конструкции современных лазеров приводит к неуклонному расширению областей их применения. Очевидно в ближайшее время этот процесс будет продолжаться ещё более быстрыми темпами.
Форма отчёта: Конференция «Мы из будущего»
Выступает каждая группа, транслируя свой вопрос в виде презентации.