Лабораторный опыт

Учитель: Нагреем полученную смесь серы и железа (слайд № 15). Возьмём смесь серы и железа и нагреем её в пробирке.

— Что наблюдаете?

Ученик: Смесь начала темнеть, затем раскалилась до красна.

Учитель: Извлечём из пробирки то, что образовалось после реакции, и изучим его свойства (цвет, отношение к воде и магниту). Для этого измельчим полученное вещество и подействуем на него магнитом.

— Что наблюдаете?

Ученик: Порошок не притягивается магнитом.

Учитель: Опустим полученное вещество в воду.

— Что наблюдаете?

Ученик: Вещество тонет, на серу и железо не разделяется.

Учитель: Что произошло при нагревании смеси серы и железа?

Ученик: При нагревании смеси серы и железа образовалось новое вещество, которое по своим свойствам отличается от свойств исходных веществ (слайд № 16).

Учитель: Химические явления называются химическими реакциями.

4. Признаки химических реакций

Учитель: О том, что произошла химическая реакция можно судить по признакам. Посмотрите видеофрагмент с демонстрацией опыта (слайд №17).

— Какие признаки химических реакций вы наблюдали при демонстрации опытов?

Ученик: Мы наблюдали такие признаки химических реакций, как изменение окраски, выпадение осадка, выделение газа, выделение энергии.

5. Условия возникновения и течения химических реакций

Учитель: Чтобы началась химическая реакция, необходимы определённые условия.

Сообщение учащегося (слайд № 19)

6. Значение физических явлений и химических реакций

Учитель: Изучите текст параграфа §3 “Значение физических явлений и химических реакций”, заполните таблицу:

Значение физических явлений и химических реакций

Название явлений	Значение в жизни человека
1. Физические 1) Плавление стекла 2)… и т.д.	Стеклянной массе можно придать любую форму.
2. Химические 1) Скисание молока 2) … и т.д.	Приготовление продуктов на его основе: простокваша, сметана, творог.

IV. Закрепление

Фронтальный опрос (слайд № 21)

1. Какие явления называются физическими?
2. Какие явления называются химическими?
3. Назовите признаки химических реакций.
4. Какие условия необходимы для возникновения химических реакций?

Тест “Физические и химические явления.


Химические явления”

1, 2. Определить физические и химические явления (слайды № 22, 23)

3. Явления, при которых изменяется форма и агрегатное состояние вещества, называются … (слайд № 24)

А – химическое

Б – физическое

В – биологическое

4. Явления, при которых происходит превращение одних веществ в другие, называются … (слайд № 25)

А – физические

Б – химические

В – биологические

5. К физическим явлениям относятся: (слайд № 26)

А – плавление стекла

Б – горение древесины

В – испарение воды

Г – скисание молока

Д – растворение соли в воде

Е – протухание яиц

6. К химическим явлениям относятся: (слайд № 27)

А – ржавление железа

Б – образование тумана

В – гниение фруктов

Г – плавление воска

Д – горение керосина

Е – испарение воды

7. Укажите признак химической реакции при действии кислоты на соду: (слайд № 28)

А – образование осадка

Б – изменение цвета

В – выделение газа

8. Укажите признак химической реакции при ржавлении железа: (слайд № 29)

А – выделение газа

Б – образование осадка

В – изменение цвета

9. Укажите признак химической реакции при горении древесины: (слайд № 30)

А – изменение цвета

Б – выпадение осадка

В – выделение тепла

V. Подведение итогов урока, выставление оценок

VI. Домашнее задание

Литература

1. Аликберова Л.Ю. Занимательная химия: Книга для учащихся, учителей, родителей. – М.: Аcт-Пресс, 1999.
2. Рудзитес Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия. 8 класс.: Учебник для общеобразовательных учебных – М.: Просвящение, 2007.
3. Хрипкова А.Г. и другие. Естествознание: учебник для 7 класса общеобразовательных учреждений. – М.: Просвещение, 2005.
4. http://chemistry.r2.ru/
5. http://www.chem.msu.su/rus/elibrary/
6. CD диск “Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия 2009”. – ООО “Кирилл и Мефодий, 2009.
7. CD-диск “Химия общая и неорганическая”: Углубленный курс по общей и неорганической химии. – Лаборатория систем мультимедиа, МарГТУ, 2001.

Примеры физического явления в физике. Химические явления внутри и вокруг нас

Динамические изменения встроены в саму природу. Все меняется так или иначе каждый момент. Если вы внимательно осмотритесь, вы найдете сотни примеров физических и химических явлений, которые являются вполне себе естественными преобразованиями.

Изменения — единственная константа во Вселенной

Как ни странно, изменение является единственной константой в нашей Вселенной. Чтобы понять физические и химические явления (примеры в природе встречаются на каждом шагу), принято классифицировать их по типам, в зависимости от характера конечного результата, вызванного ими. Различают физические, химические и смешанные изменения, которые содержат в себе и первые, и вторые.

Физические и химические явления: примеры и значение

Что такое физическое явление? Любые изменения, происходящие в веществе без изменения его химического состава, являются физическими. Они характеризуется изменениями физических атрибутов и материального состояния (твердое, жидкое или газообразное), плотности, температуры, объема, которые происходят без изменения его фундаментальной химической структуры. Не происходит создание новых химических продуктов или изменения общей массы. Кроме того, этот тип изменений обычно является временным и в некоторых случаях полностью обратимым.

Когда вы смешиваете химикаты в лаборатории, можно легко увидеть реакцию, но в мире вокруг вас происходит множество химических реакций каждый день. Химическая реакция изменяет молекулы, в то время как физическое изменение только перестраивает их. Например, если мы возьмем газ хлора и металлический натрий и объединим их, мы получим столовую соль. Полученное вещество сильно отличается от любого из его составных частей. Это химическая реакция. Если затем растворить эту соль в воде, мы просто смешиваем молекулы соли с молекулами воды. В этих частицах нет изменений, это физическое преобразование.

Примеры физических изменений

Все состоит из атомов. При соединении атомов образуются разные молекулы. Различные свойства, которые наследуют объекты, являются следствием различных молекулярных или атомных структур. Основные свойства объекта зависят от их молекулярного расположения. Физические изменения происходят без изменения молекулярной или атомной структуры объектов. Они просто преобразуют состояние объекта, не изменяя его природы. Плавление, конденсация, изменение объема и испарения являются примерами физических явлений.

Дополнительные примеры физических изменений: металл, расширяющийся при нагревании, передача звука через воздух, замерзание воды зимой в лед, медь втягивается в провода, формирование глины на разных объектах, мороженое плавится до жидкости, нагревание металла и преобразование его в другую форму, сублимация йода при нагревании, падение любого объекта под действием силы тяжести, чернила поглощаются мелом, намагничивание железных гвоздей, снеговик, тающий на солнце, светящиеся лампы накаливания, магнитная левитация объекта.

Как различать физические и химические изменения?

Множество примеров химических явлений и физических можно встретить в жизни. Часто трудно определить разницу между ними, особенно когда оба могут происходить одновременно. Чтобы определить физические изменения, задайте следующие вопросы:

• Является ли состояние состояния объекта изменением (газообразным, твердым и жидким)?
• Является ли изменение чисто ограниченным физическим параметром или характеристикой, такой как плотность, форма, температура или объем?
• Является ли химическая природа объекта изменением?
• Возникают ли химические реакции, приводящие к созданию новых продуктов?

Если ответ на один из первых двух вопросов да, и ответы на последующие вопросы отсутствуют, это, скорее всего, это физическое явление. И наоборот, если ответ на любой из двух последних вопросов положительный, в то время как первые два отрицательные, это, безусловно, химическое явление. Трюк состоит в том, чтобы просто четко наблюдать и анализировать то, что вы видите.

Примеры химических реакций в повседневной жизни

Химия происходит в окружающем вас мире, а не только в лаборатории. Материя взаимодействует для образования новых продуктов посредством процесса, называемого химической реакцией или химическим изменением. Каждый раз, когда вы готовите или убираете, это химия в действии. Ваше тело живет и растет благодаря химическим реакциям. Есть реакции, когда вы принимаете лекарства, зажигаете спичку и вздыхаете. Вот 10 химических реакций в повседневной жизни. Это всего лишь небольшая выборка из тех примеров физических и химических явлений в жизни, которые вы видите и испытываете много раз каждый день:

1. Фотосинтез. Хлорофилл в листьях растений превращает углекислый газ и воду в глюкозу и кислород. Это одна из самых распространенных ежедневных химических реакций, а также одна из самых важных, поскольку именно так растения производят пищу для себя и животных и превращают углекислый газ в кислород.
2. Аэробное клеточное дыхание является реакцией с кислородом в человеческих клетках. Аэробное клеточное дыхание является противоположным процессом фотосинтеза. Разница заключается в том, что молекулы энергии объединяются с кислородом, которым мы дышим, чтобы высвободить энергию, необходимую нашим клеткам, а также углекислый газ и воду. Энергия, используемая клетками, представляет собой химическую энергию в виде АТФ.
3. Анаэробное дыхание. Анаэробное дыхание производит вино и другие ферментированные продукты. Ваши мышечные клетки выполняют анаэробное дыхание, когда вы исчерпываете подаваемый кислород, например, при интенсивном или продолжительном упражнении. Анаэробное дыхание дрожжами и бактериями используется для ферментации для производства этанола, углекислого газа и других химических веществ, которые производят сыр, вино, пиво, йогурт, хлеб и многие другие распространенные продукты.
4. Сгорание — это тип химической реакции. Это химическая реакция в повседневной жизни. Каждый раз, когда вы зажигаете спичку или свечу, разжигаете костер, вы видите реакцию горения. Сжигание объединяет энергетические молекулы с кислородом для получения двуокиси углерода и воды.
5. Ржавчина — общая химическая реакция. Со временем железо развивает красное, шелушащееся покрытие, называемое ржавчиной. Это пример реакции окисления. Другие повседневные примеры включают формирование вердигров на меди и потускнение серебра.
6. Смешивание химических веществ вызывает химические реакции. Пекарский порошок и пищевая сода выполняют аналогичные функции при выпечке, но они по-разному реагируют на другие ингредиенты, поэтому вы не всегда можете заменить их на другой. Если вы комбинируете уксус и пищевую соду для химического «вулкана» или молока с порошком для выпечки в рецепте, вы испытываете реакцию двойного смещения или метатезиса (плюс некоторые другие). Ингредиенты рекомбинируют для получения газообразного диоксида углерода и воды. Углекислый газ образует пузырьки и помогает «выращиванию» хлебобулочных изделий. Эти реакции кажутся простыми на практике, но часто состоят из нескольких этапов.
7. Батареи являются примерами электрохимии. Батареи используют электрохимические или окислительно-восстановительные реакции для превращения химической энергии в электрическую.
8. Пищеварение. Тысячи химических реакций происходят во время пищеварения. Как только вы положите пищу в рот, фермент в вашей слюне, называемый амилазой, начинает разрушать сахара и другие углеводы в более простые формы, которые ваше тело может поглощать. Соляная кислота в вашем желудке реагирует с пищей, чтобы ее разрушить, а ферменты расщепляют белки и жиры, чтобы они могли всасываться в кровь через стенки кишечника.
9. Кислотно-базовые реакции. Всякий раз, когда вы смешиваете кислоту (например, уксус, лимонный сок, серную кислоту, соляную кислоту) со щелочью (например, пищевой содой, мылом, аммиаком, ацетоном), вы выполняете кислотно-щелочную реакцию. Эти процессы нейтрализуют друг друга, получая соль и воду. Хлорид натрия не является единственной солью, которая может быть образована. Например, здесь приведено химическое уравнение для реакции кислотно-щелочной реакции, в которой образуется хлорид калия, обычный заменитель столовой соли: HCl + KOH → KCl + H 2 O.
10. Мыло и моющие средства. Их очищают путем химических реакций. Мыло эмульгирует грязь, что означает, что масляные пятна связываются с мылом, чтобы их можно было снять водой. Моющие средства снижают поверхностное натяжение воды, поэтому они могут взаимодействовать с маслами, изолировать их и смывать.
11. Химические реакции при приготовлении пищи. Кулинария — один большой практический эксперимент по химии. Приготовление использует тепло, чтобы вызвать химические изменения в пище. Например, когда вы сильно кипятите яйцо, сероводород, полученный нагреванием яичного белка, может реагировать с железом из яичного желтка, образуя серо-зеленое кольцо вокруг желтка. Когда вы готовите мясо или выпечку, реакция Майяра между аминокислотами и сахарами дает коричневый цвет и желательный вкус.

Другие примеры химических и физических явлений

Физические свойства описывают характеристики, которые не изменяют вещество. Например, вы можете изменить цвет бумаги, но это еще бумага. Вы можете кипятить воду, но когда вы собираете и конденсируете пар, это все еще вода. Вы можете определить массу листа бумаги, и это все еще бумага.

Химическими свойствами являются те, которые показывают, как вещество реагирует или не реагирует с другими веществами. Когда металлический натрий помещают в воду, он реагирует бурно, образуя гидроксид натрия и водород. Достаточное тепло выделяется тем, что водород вырывается в пламя, реагируя с кислородом в воздухе. С другой стороны, когда вы кладете кусок медного металла в воду, реакция не возникает. Таким образом, химическое свойство натрия заключается в том, что он реагирует с водой, а химическое свойство меди заключается в том, что это не так.

Какие еще можно привести примеры химических явлений и физических? Химические реакции всегда происходят между электронами в валентных оболочках атомов элементов в периодической таблице. Физические явления на низких энергетических уровнях просто включают механические взаимодействия — случайные столкновения атомов без химических реакций, таких как атомы или молекулы газа. Когда энергии столкновений очень велики, целостность ядра атомов нарушается, что приводит к делению или слиянию вовлеченных видов. Спонтанный радиоактивный распад обычно считается физическим явлением.

Всё, что нас окружает: и живая, и неживая природа, находится в постоянном движении и непрерывно изменяется: движутся планеты и звёзды, идут дожди, растут деревья. И человек, как известно из биологии, постоянно проходит какие-либо стадии развития. Перемалывание зёрен в муку, падение камня, кипение воды, молния, свечение лампочки, растворение сахара в чае, движение транспортных средств, молнии, радуги – это примеры физических явлений.

И с веществами (железо, вода, воздух, соль и др.) происходят разнообразные изменения, или явления. Вещество может быть кристаллизировано, расплавлено, измельчено, растворено и вновь выделено из раствора. При этом его состав останется тем же.

Так, сахарный песок можно измельчить в порошок настолько мелкий, что от малейшего дуновения он будет подниматься в воздух, как пыль. Сахарные пылинки можно разглядеть лишь под микроскопом. Сахар можно разделить ещё на более мелкие части, растворив его в воде. Если же выпарить из раствора сахара воду, молекулы сахара снова соединяться друг с другом в кристаллы. Но и растворении в воде, и при измельчении сахар остаётся сахаром.

В природе вода образует реки и моря, облака и ледники. При испарении вода переходит в пар. Водяной пар – это вода в газообразном состоянии. При воздействии низких температур (ниже 0˚С) вода переходит в твёрдое состояние – превращается в лёд. Мельчайшая частичка воды – это молекула воды. Молекула воды является и мельчайшей частичкой пара или льда. Вода, лёд и пар не разные вещества, а одно и то же вещество (вода) в разных агрегатных состояниях.

Подобно воде, и другие вещества можно переводить из одного агрегатного состояния в другое.

Характеризуя то или другое вещество как газ, жидкость или твёрдое вещество, имеют в виду состояние вещества в обычных условиях. Любой металл можно не только расплавить (перевести в жидкое состояние), но и превратить в газ. Но для этого необходимы очень высокие температуры. Во внешней оболочке Солнца металлы находятся в газообразном состоянии, потому что температура там составляет 6000˚С. А, например, углекислый газ путём охлаждения можно превратить в «сухой лёд».

Явления, при которых не происходит превращений одних веществ в другие, относят к физическим явлениям. Физические явления могут привести к изменению, например, агрегатного состояния или температуры, но состав веществ останется тем же.

Все физические явления можно разделить на несколько групп.

Механические явления – это явления, которые происходят с физическими телами при их движении относительно друг друга (обращение Земли вокруг Солнца, движение автомобилей, полёт парашютиста).

Электрические явления – это явления, которые возникают при появлении, существовании, движении и взаимодействии электрических зарядов (электрический ток, телеграфирование, молния при грозе).

Магнитные явления – это явления, связанные с возникновением у физических тел магнитных свойств (притяжение магнитом железных предметов, поворот стрелки компаса на север).

Оптические явления – это явления, которые происходят при распространении, преломлении и отражении света (радуга, миражи, отражение света от зеркала, появление тени).

Тепловые явления – это явления, которые происходят при нагревании и охлаждении физических тел (таяние снега, кипение воды, туман, замерзание воды).

Атомные явления – это явления, которые возникают при изменении внутреннего строения вещества физических тел (свечение Солнца и звезд, атомный взрыв).

сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

0 V_V


Физические явления окружают нас все время. В каком-то смысле, всё, что мы видим — это физические явления. Но, строго говоря, их делят на несколько видов:

· механические
· звуковые
· тепловые
· оптические
· электрические
· магнитные

Пример механических явлений — это взаимодействия каких-то тел, например мяча и пола, когда мяч отскакивает при ударе. Вращение Земли — тоже механическое явление.

Звуковые явления — это распространение звука в какой-то среде, например в воздухе или в воде. К примеру, эхо, звук пролетающего самолета.

Оптические явления — всё, что связано со светом. Преломление света в призме, отражения света в воде или зеркале.

Тепловые явления связаны с тем, что различные тела меняют свою температуру и физическое / агрегатное состояние: лёд плавится и превращается в воду, вода испаряется и превращается в пар.

Электрические явления связаны с возникновением электрических зарядов. Например, когда электризуется одежда или другие ткани. Или во время грозы появляется молния.

Магнитные явления связаны с электрическими, но касаются взаимодействия магнитных полей. Например, работа компаса, северное сияние, притяжение двух магнитов друг к другу.

0 buzz
25.06.2018 оставил(а) комментарий:

Явления, при которых не происходит превращений одних веществ в другие, относят к физическим явлениям. Физические явления могут привести к изменению, например, агрегатного состояния или температуры, но состав веществ останется тем же.

Все физические явления можно разделить на несколько групп.

Механические явления – это явления, которые происходят с физическими телами при их движении относительно друг друга (обращение Земли вокруг Солнца, движение автомобилей, полёт парашютиста).

Электрические явления – это явления, которые возникают при появлении, существовании, движении и взаимодействии электрических зарядов (электрический ток, телеграфирование, молния при грозе).

Магнитные явления – это явления, связанные с возникновением у физических тел магнитных свойств (притяжение магнитом железных предметов, поворот стрелки компаса на север).

Оптические явления – это явления, которые происходят при распространении, преломлении и отражении света (радуга, миражи, отражение света от зеркала, появление тени).

Тепловые явления – это явления, которые происходят при нагревании и охлаждении физических тел (таяние снега, кипение воды, туман, замерзание воды).

Атомные явления – это явления, которые возникают при изменении внутреннего строения вещества физических тел (свечение Солнца и звезд, атомный взрыв).

0 Oleg74
25.06.2018 оставил(а) комментарий:

Природные явления — это изменения в природе. Сложные природные явления рассматривают как совокупность физических явлений — таких, которые можно описать с помощью соответствующих физических законов. Физические явления бывают тепловые, световые, механические, звуковые, электромагнитные и др.

Механические физические явления
Полет ракеты, падение камня, вращение Земли вокруг Солнца.

Световые физические явления
Вспышка молнии, свечение электрической лампочки, свет от костра, солнечные и лунные затмения, радуга.

Тепловые физические явления
Замерзание воды, таяние снега, нагрев пищи, сгорания топлива в цилиндре двигателя, лесной пожар.

Звуковые физические явления
Колокол, пение, раскаты грома.

Электромагнитные физические явления
Разряд молнии, электризация волос, притяжение магнитов.

Например, грозы можно рассматривать как совокупность молнии (электромагнитное явление), раскатов грома (звуковое явление), движения облаков и падения капель дождя (механические явления), пожара, что может возникнуть в результате попадания молнии в дерево (тепловое явление).
Изучая физические явления, ученые, в частности, устанавливают их взаимосвязь (разряд молнии — это электромагнитное явление, которое обязательно сопровождается в канале молнии значительным повышением температуры — тепловое явление). Исследование этих явлений в их взаимосвязи позволило не только лучше понять природное явление — грозу, но и найти путь для практического применения электрического разряда — электросварки металлических деталей.

Цели урока.

Образовательная: опираясь на знания учащихся из курса природоведения и компьютерную презентацию, конкретизировать знания учащихся о физических и химических явлениях, на примерах выявить их отличия; опираясь на жизненный опыт учащихся, познакомить их с признаками химических реакций и условиями их возникновения и течения.

Развивающая: способствовать развитию творческого мышления учащихся, умений устанавливать причинно-следственные связи, зависимость течения химических реакций от внешних условий, развивать общеучебные и практические навыки при наблюдении и выполнении химического эксперимента.

Воспитательные: формировать научное мировоззрение учащихся, интерес к предмету.

Тип урока: изучение новой темы.

Методы: словесно-наглядный, практический, частично-поисковый, работа с учебником.

Формы организации познавательной деятельности: фронтальная, групповая, индивидуальная.

Учащиеся должны:

знать: определение физических и химических явлений, признаки и условия течения химических реакций, значение физических и химических явлений в жизни человека.

уметь: отличать физические и химические явления, применять знания о физических и химических явлениях на практике.

Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор, презентация .

На столе учителя.

1. Смесь порошков железа и серы, пробирка, спиртовка, штатив.

На столах учащихся.

1. Штатив, колба с водой закрытая пробкой с газоотводной трубкой, химический стакан, стеклянная пластинка, спиртовка.
2. Железные опилки, порошок серы, фильтровальная бумага, магнит, цилиндр с водой.

Ход урока

I. Организационный этап

Приветствие учащихся учителем.

Проверка готовности учащихся и их рабочих мест к уроку.

II. Сообщение темы и целей урока

На уроках природоведения вы получили первоначальные знания о явлениях, происходящих в природе. Сегодня на уроке вы расширите свой знания о физических и химических явлениях, научитесь отличать их друг от друга, познакомитесь с признаками и условиями течения химических реакций и их значением в жизни человека (слайд №1) .

III. Изучение новой темы

План изучения новой темы:

1. Явления, происходящие в природе. Классификация явлений.

2. Физические явления.

• Лабораторный опыт “Испарение воды и конденсация пара”.

3. Химические явления.

• Лабораторный опыт “Изучение свойств железа и серы”.
• Демонстрационный опыт “Нагревание смеси железа и серы. Изучение свойств полученного вещества”.

4. Признаки химических реакций. Демонстрация видеофрагмента.

5. Условия возникновения и течения химических реакций (сообщение учащегося).

6. Значение физических явлений и химических реакций.

1. Явления, происходящие в природе. Классификация явлений

Учитель: Ребята, что нас окружает? (слайд № 2)

Ученик: Природа. Неживая и живая.

Учитель: В природе постоянно происходят изменения. Приведите примеры.

День сменяется ночью (слайд № 3)

Идёт дождь или снег, испаряется вода (слайд № 4)

Зеленеет трава, течёт ручей (слайд № 5)

Дует ветер, горит костёр (слайд № 6)

Человек готовит пищу. (слайд № 7)

Учитель: Как можно назвать эти изменения?

Ученик: Все изменения, происходящие в природе, называются явлениями природы.

Учитель: Как классифицируют все природные явления?

Ученик: Природные явления могут быть биологическими, физическими и химическими (слайд № 8). Познакомимся с физическими и химическими явлениями.

2. Физические явления

Учитель: Какие явления называются физическими?

Ученик: Явления, при которых не происходит превращения одних веществ в другие, называются физическими. Например: плавление воска, испарение воды, таяние льда (слайд № 9).

Лабораторный опыт


“Испарение воды и конденсация пара”

Учитель: Проведём опыт “Испарение воды и конденсация пара”. Соберите прибор как показано на слайде (слайд № 10) , проверьте его герметичность. Соблюдая технику безопасности при работе со спиртовкой и стеклянной посудой, зажгите спиртовку и нагревайте колбу с водой.

Что вы наблюдаете?

Ученик: При закипании жидкая вода переходит в газообразное состояние (водяной пар). При попадании на стеклянную пластину водяной пар конденсируется в капельки воды.

Учитель: В чём же сущность физических явлений?

Ученик: При физических явлениях изменяется агрегатное состояние и форма вещества (слайд № 11).

3. Химические явления

Учитель: Совсем другое дело химические явления. Горение костра, скисание молока, ржавление железных и стальных изделий (слайд № 12).

Что происходит при химических явлениях?

Ученик: При химических явлениях одни вещества превращаются в другие.

Лабораторный опыт


“Изучение свойств серы и железа”

Учитель: Проведём опыт “Изучение свойств серы и железа” по плану (слайд № 13). Определите цвет веществ.

5. Определите отношение веществ к воде и магниту.
6. Смешайте вещества.
7. Разделите полученную смесь серы и железа известными вам способами (действие магнитом и водой) (слайд № 14).

Учитель: Изменяются ли свойства веществ в смеси?

Ученик: Нет. Вещества, входящие в состав смеси, сохраняют свои индивидуальные свойства.

Демонстрационный опыт “Нагревание смеси железа и серы.


Изучение свойств полученного вещества”

Учитель: Нагреем полученную смесь серы и железа (слайд № 15). Возьмём смесь серы и железа и нагреем её в пробирке.

Что наблюдаете?

Ученик: Смесь начала темнеть, затем раскалилась до красна.

Учитель: Извлечём из пробирки то, что образовалось после реакции, и изучим его свойства (цвет, отношение к воде и магниту). Для этого измельчим полученное вещество и подействуем на него магнитом.

Что наблюдаете?

Ученик: Порошок не притягивается магнитом.

Учитель: Опустим полученное вещество в воду.

Что наблюдаете?

Ученик: Вещество тонет, на серу и железо не разделяется.

Учитель: Что произошло при нагревании смеси серы и железа?

Ученик: При нагревании смеси серы и железа образовалось новое вещество, которое по своим свойствам отличается от свойств исходных веществ (слайд № 16).

Учитель: Химические явления называются химическими реакциями.

4. Признаки химических реакций

Учитель: О том, что произошла химическая реакция можно судить по признакам. Посмотрите видеофрагмент с демонстрацией опыта (слайд №17).

Какие признаки химических реакций вы наблюдали при демонстрации опытов?

Ученик: Мы наблюдали такие признаки химических реакций, как изменение окраски, выпадение осадка, выделение газа, выделение энергии.

Учитель: На следующем слайде (слайд № 18) показаны все признаки, которые можно наблюдать во время химических реакций.

Учитель: Чтобы началась химическая реакция, необходимы определённые условия.

Условия возникновения и течения химических реакций

Сообщение учащегося (слайд № 19)

Самое главное условие возникновения химических реакций – соприкосновение веществ. Например, ржавчина образуется на поверхности железного изделия, если оно соприкасается с влажным воздухом. Другое условие – измельчение веществ. Что лучше разгорится – полено или тонкие лучинки? Многие реакции идут в растворе, поэтому исходные вещества необходимо растворить. Третье условие – нагревание вещества до определённой температуры. Например, медь не взаимодействует с кислородом при обычных условиях. Чтобы произошла реакция, медь нужно нагреть. Также нагревают до определённой температуры уголь и древесину, чтобы они начали гореть. Иногда высокая температура нужна на протяжении всей реакции – иначе реакция прекратится. Например, кислород в лаборатории получают при разложении перманганата калия при постоянном нагревании последнего (слайд № 20) . В этом случае температура – условие течения химической реакции. Другие условия течения химических реакций – действие давления, наличие катализаторов – веществ, которые ускоряют химическую реакцию. Изменяя условия течения, можно ускорить или прекратить химическую реакцию.

6. Значение физических явлений и химических реакций

Учитель: Изучите текст параграфа §3 “Значение физических явлений и химических реакций”, заполните таблицу:

Значение физических явлений и химических реакций

IV. Закрепление

Фронтальный опрос (слайд № 21)

8. Какие явления называются физическими?
9. Какие явления называются химическими?
10. Назовите признаки химических реакций.
11. Какие условия необходимы для возникновения химических реакций?

Тест “Физические и химические явления.


Химические явления”

1, 2. Определить физические и химические явления (слайды № 22, 23)

3. Явления, при которых изменяется форма и агрегатное состояние вещества, называются … (слайд № 24)

А – химическое

Б – физическое

В – биологическое

4. Явления, при которых происходит превращение одних веществ в другие, называются … (слайд № 25)

А – физические

Б – химические

В – биологические

5. К физическим явлениям относятся: (слайд № 26)

А – плавление стекла

Б – горение древесины

В – испарение воды

Г – скисание молока

Д – растворение соли в воде

Е – протухание яиц

6. К химическим явлениям относятся: (слайд № 27)

А – ржавление железа

Б – образование тумана

В – гниение фруктов

Г – плавление воска

Д – горение керосина

Е – испарение воды

7. Укажите признак химической реакции при действии кислоты на соду: (слайд № 28)

А – образование осадка

Б – изменение цвета

В – выделение газа

8. Укажите признак химической реакции при ржавлении железа: (слайд № 29)

А – выделение газа

Б – образование осадка

В – изменение цвета

9. Укажите признак химической реакции при горении древесины: (слайд № 30)

А – изменение цвета

Б – выпадение осадка

В – выделение тепла

V. Подведение итогов урока, выставление оценок

VI. Домашнее задание

Литература

1. Аликберова Л.Ю. Занимательная химия: Книга для учащихся, учителей, родителей. – М.: Аcт-Пресс, 1999.
2. Рудзитес Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия. 8 класс.: Учебник для общеобразовательных учебных – М.: Просвящение, 2007.
3. Хрипкова А.Г. и другие. Естествознание: учебник для 7 класса общеобразовательных учреждений. – М.: Просвещение, 2005.
4. http://chemistry.r2.ru/
5. http://www.chem.msu.su/rus/elibrary/
6. CD диск “Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия 2009”. – ООО “Кирилл и Мефодий, 2009.
7. CD-диск “Химия общая и неорганическая”: Углубленный курс по общей и неорганической химии. – Лаборатория систем мультимедиа, МарГТУ, 2001.

Физические и химические явления в химии

Содержание:

Физические и химические явления:

Сравните картинки. В результате какого явления гвозди ржавеют, черешня сгнивает, а вода превращается из жидкого состояния в твёрдое или газообразное состояния. Чем отличаются эти явления друг от друга? Как это можно объяснить? Какие признаки имеют химические реакции?

Каждому из нас в повседневной жизни доводилось наблюдать, как нагретая вода, превратившись в пар, «исчезает» (переходит в состояние невидимого газа), и как этот пар при соприкосновении с холодной поверхностью предмета вновь превращается в капельки воды. Точно так же все видели превращение воды в лед в выставленной наружу в холодный морозный день посуде и обратный переход его в жидкое состояние при внесении в помещение. Образуется ли новое вещество при этих превращениях?

Возьмите две миски небольшой ёмкости. В одной из мисок смешайте небольшое количество соли с водой, а в другой — сахара с водой и поставьте на слабый огонь. Что вы наблюдаете? Запишите свои мысли в тетради.

Из курса физики нам известно, что все происходящие в природе изменения называются явлением. Например, выпадение дождя, восход солнца, удар грома, землетрясение, таяние ледников и др. (рис.1).

Все происходящие в природе явления делятся на 2 группы (схема 1)

Схема 1

Во время физических явлений изменяются лишь агрегатное состояние, форма, размеры, объём, давление, температура и скорочть движения вещества (рис.2). Например, замерзание воды, таяние льда, кипение воды и др.

1. Нагрейте медную проволку. 2. В отстоявшуюся известковую воду с помощью трубочки вдуньте воздух или же добавьте немного раствора соды. 3. Подожгите кусочек серы размером с горошину. Что вы наблюдаете в каждом случае?

Во время химических явлений из исходного вещества образуются новые вещества. Например, такие химические явления, как горение, брожение, гниение, электролиз, разложение на составные части, ржавление (коррозия) и др. называют химическими реакциями.

Химические реакции имеют несколько признаков. Эти признаки показывают протекание химических реакций (рис. 3).
 

Химические явления всегда сопровождаются физическими явлениями. Например, при горении природного газа, наряду с образованием углекислого газа и воды (химическое явление), также выделяются свет и теплота (физическое явление).

Значение физических и химических явлений

Из курса «Познание мира» вам известно, какое значение имеют физические явления, происходящие вокруг нас. Так, например, испарение воды, конденсация водяных паров и выпадение дождя составляют круговорот воды в природе. В промышленном производстве, придавая металлам, пластмассам и другим материалам определенную форму (штамповка, прокатка), получают разнообразные предметы.

Химические реакции имеют огромное значение. Ими пользуются для получения различных металлов (железа, алюминия, меди, цинка, свинца, олова и др.), а также пластмасс, минеральных удобрений, лекарственных препаратов и т.д. Выделяемая при сгорании топлива энергия используется в быту и в промышленности.

Условия начала и хода химических реакций бывают разными. Для протекания ряда реакций (например, реакций горения) достаточно соприкосновения (трения) частиц веществ и подогревания до определенной температуры. Доведение реакции до конца обеспечивается за счет выделяемой тепловой энергии.

Некоторые же реакции (например, разложение воды на кислород и водород) требуют подачи дополнительной энергии до конца.

В природе физические и химические явления (реакции) протекают непрерывно, постоянно, обеспечивая этим циркуляцию веществ, климатические изменения, условия жизни для живых организмов.

Химические уравнения. Знаки сохранения массы веществ

Смочите в пробирке около 2-х г хлорида натрия небольшим количеством воды. Влив в пробирку до четверти её объёма концентрированной серной кислоты, закройте её горлышко пробкой, через которую проходит газоотводная трубка. При этом кислота должна быть концентрированной, а соль — в виде кристаллов. Пробирку с содержащимися в ней солью и серной кислотой слегка подогрейте. Что вы наблюдаете? Происходят ли изменения в массах веществ в результате реакции? Запишите уравнение реакции.

Происходящие в природе химические превращения в письменном виде выражают посредством химических уравнений. Условная запись химической реакции посредством формул, знаков и коэффициентов называется химическим уравнением.

Химическое уравнение составляется на основе нижеприведённых правил:

•     Записываются химические формулы веществ, вступающих в реакцию.
•     Если число вступающих в реакцию веществ два и больше, между ними ставится знак « + ».
•     Затем ставится знак
•     После знака стрелки записываются химические формулы полученных веществ.
•     При получении двух и более продуктов между ними ставится знак

Например, составим уравнение реакции горения водорода в кислороде:

Здесь количество атомов в правой и левой частях неодинаковое. Такую запись называют схемой реакции. Для того, чтобы превратить данную схему в уравнение, следует уравнять число атомов в левой и правой частях уравнения.

Уравнивание количества атомов элементов в правой и левой частях уравнения называют коэффицированием уравнения. Определим число атомов элементов, входящих в состав веществ в реакции образования воды.

Если обратим внимание на реакцию, то увидим, что количество атомов водорода в обеих частях одинаковое. А количество атомов кислорода в правой части на единицу меньше количества атомов кислорода в левой части. Вследствие этого, вначале уравним число атомов кислорода. Для этого число атомов в правой части реакции умножается на 2, и на основе этого определяется коэффициент веществ на левой стороне.

В результате количество атомов водорода и кислорода в левой и правой частях уравнивается и получается уравнение химической реакции. 2 молекулы водорода, вступая в реакцию с 1 молекулой кислорода, образуют 2 молекулы воды.

Впервые в 1748-ом году знаменитым русским учёным М.В.Ломоносовым, и независимо от него, в 1789-ом году французским учёным А.Лавуазье был открыт закон о том, что во время химических реакций сумма масс, вступающих в реакцию веществ, равна сумме масс, полученных в результате реакции веществ.

Закон сохранения массы веществ выражается следующим образом: Сумма масс веществ, вступивших в химическую реакцию, равна сумме масс веществ, полученных в результате реакции.

В колбу насыпают небольшое количество серы, после этого её закупоривают пробкой и взвешивают на весах (1). Затем колбу вместе с серой осторожно нагревают (2). На основе появления в колбе дыма, состоящего из частиц оксида серы (IV), можно определить протекание химической реакции.
При повторном взвешивании обнаруживается, что в результате реакции масса вещества осталась неизменной (3).

Типы химических реакций

Поместите в керамический тигель немного бихромата аммония и поставьте на большую асбестовую плитку. Нагрев стеклянную палочку, прикоснитесь ею к веществу.

Что вы видите? Изложите свои соображения относительно происходящего процесса и запишите уравнение реакции. Почему эту реакцию называют «химическим вулканом»?
 

Химические реакции классифицируются по различным признакам. По количеству веществ, вступивших в реакцию и полученных в результате реакции, химические реакции подразделяются на 4 типа (схема 1):

Реакции соединения

Реакции, при которых из двух и более простых или сложных веществ получают одно сложное вещество, называют реакциями соединения.

Для протекания химических реакций иногда требуется нагревание. В таком случае в уравнениях реакций над стрелкой ставится
знак t.


 

Реакции разложения

Реакции, при которых из одного сложного вещества получают два и более простых или сложных веществ, называют реакциями разложения.

Если во время реакции выделяется газ, в таком случае, рядом с её химической формулой проставляется стрелка, направленная вверх




Реакции замещения

Если в реакциях, протекающих между простым и сложным веществом, атомы одного из элементов сложного вещества замещаются атомами простого вещества, то такие реакции называются реакциями замещения.

Опустите в раствор сульфата меди (II) голубого цвета очищенный железный гвоздь или железную пластинку. Что вы наблюдаете?
 

Если во время реакции выпадает осадок, в таком случае, рядом с химической формулой полученного вещества проставляется стрелка, направленная вниз

Реакции обмена

Если в реакциях, протекающих между двумя сложными веществами, составные части сложных веществ, меняясь местами, образуют новые сложные вещества, то такие реакции называются реакциями обмена.

Тепловой эффект химических реакций

Наблюдаете ли вы за тем, какие изменения происходят в вашем организме во время занятий спортом, приготовления уроков и приёма пищи? Как в это время изменяется ваша энергия?

В жизни мы постоянно принимаем пищу, а также занимаемся определённой деятельностью (умственной и физической). Вначале мы, приняв пищу, увеличиваем свою энергию, а занимаясь различной деятельностью, тратим ту энергию, которую получили благодаря приёму пищи (т.е. наша энергия уменьшается), и в результате мы чувствуем себя усталыми и утомлёнными. Как и человек, каждое химическое вещество обладает определённым запасом энергии. Химические реакции веществ сопровождаются выделением или поглощением теплоты.

Количество выделяемой или поглощаемой в ходе химической реакции теплоты называется тепловым эффектом.

Тепловой эффект обозначается буквой Q, а единица его измерения — кДж. В зависимости от выделения или поглощения теплоты химические реакции делятся на 2 группы (схема 1)

Химические реакции, протекающие с выделением теплоты, называются экзотермическими реакциями. В уравнениях экзотермических реакций выделяемая теплота (Q) указывается в правой стороне реакции знаком «+» (Q>0).

Все реакции горения — экзотермические. Реакция между азотом и кислородом — эндотермическая. (Это не реакция горения).

Химические реакции, протекающие с поглощением теплоты, называются эндотермическими реакциями. В уравнениях эндотермических реакций поглощённая теплота указывается в правой стороне реакции знаком «— ». То есть Q

Большинство реакций разложения и некоторые реакции соединения — эндотермические. Реакция разложения монооксида азота — экзотермическая.

Уравнения химических реакций, в которых указаны агрегатное состояние и тепловой эффект вступающих в реакцию и полученных веществ, называются термохимическими уравнениями. В термохимических уравнениях вместо стрелки  проставляется знак .

Количество тепла, выделяемого или поглощаемого во время образования 1 моля сложного вещества из простых веществ, называется теплотой образования. Теплота образования обозначается в виде и измеряется в кДж/моль. Для вычисления теплоты образования полученного продукта в термохимическом уравнении, следует тепловой эффект реакции поделить на коэффициент продукта. Например:

Процесс отрыва электрона от того или иного атома является эндотермическим, а присоединение к атому электрона — экзотермическим процессом. Например:

Горение. Рациональное сжигание топлива

Обратите внимание на картинки. Что вы наблюдаете, разжигая костёр?



Реакции, протекающие с выделением теплоты и света при взаимодействии веществ с кислородом, называются реакциями горения или просто горением.

Реакции горения — это процесс окисления, протекающий с большой скоростью.

Теплота, выделяемая во время полного сгорания 1 моля того или иного вещества, называется теплотой горения (измеряется в к Дж/моль). При вычислении теплоты горения тепловой эффект реакции делится на коэффициент сгорающего вещества.

Для горения веществ нужны два условия:

• а)    нагревание вещества до температуры возгорания — каждое вещество имеет свою температуру возгорания. Например, белый  фосфор воспламеняется при 40, сера и древесина — при 270, древесный уголь при 350 и т. д.
• б)    соприкосновение кислорода с частицами вещества — реакции горения веществ в чистом кислороде протекают во много раз  быстрее реакций горения в воздухе. Это объясняется тем, что кислород составляет лишь 1/5 часть воздуха.

Для получения тепловой энергии используют различные виды топлива в природе. По своему агрегатному состоянию топливо подразделяется на 3 вида  (схема 1)

Газообразное топливо имеет ряд преимуществ по сравнению с твердым и жидким топливом: его добыча и транспортировка экономически более выгодны; упрощается регулирование процесса горения; достигается более полное сжигание топлива; устраняется загрязнение окружающей среды. Качество топлива определяется его теплотворной способностью, т.е. количеством теплоты (в кДж), выделяемой при сжигании 1 кг топлива.

А теплотворная способность топлива определяется количеством углерода в составе топлива.

Как следует поступить, если произойдёт пожар?

Для предотвращения процесса горения следует: 1) охладить температуру горящего материала с доведением её до более низкой, чем при его воспламенении, температуры; 2) предотвратить соприкосновение кислорода (или воздуха) с горящим материалом.

При погашении огня водой горящий материал одновременно и остывает и в то же время образующийся от нагрева воды пар в достаточной степени устраняет соприкосновение материала с кислородом (с воздухом). Кроме воды, соприкосновение воздуха с горящим материалом предотвращается при помощи песка, грунта, огнетушителей и некоторых взрывчатых веществ. Если огонь охватил малую площадь, то горящую часть вещества следует накрыть одеялом, паласом, плотной тканью и т. д., не пропускающими воздух (рис. 1). Если загорелась ваша одежда, следует незамедлительно принять меры, указанные выше.

Вычисления по химическим уравнениям

Вычисления по химическим уравнениям производятся в следующей последовательности:

1.  Вначале следует составить уравнение соответствующей реакции и проставить коэффициенты;
2. Указанные в условии задачи данные (х) (вместе с единицей измерения) записать над соответствующей формулой вещества;
3. Отметить количество веществ (v, N, m, V) под химическими формулами, учитывая соответствующие единицы измерения и их               коэффициенты;
4. Составив пропорцию, производить вычисления.




I. Вычисление массы и количества полученного вещества (или вступающего в реакцию другого вещества) при указании в условии задачи массы одного из вступающих в реакцию веществ (или наоборот).

Задача 1. Вычислите массу (в граммах) и количество вещества (моль) углекислого газа, полученного при полном сгорании 24 г угля:

Решение:

б) Находим количество вещества по формуле

II.     Вычисление количества и массы полученного вещества (или вступающего в реакцию другого вещества) при указании в условии задачи количества одного из вступающих в реакцию веществ (или наоборот).

Задача 2. Какое количество (моль) и сколько граммов кислорода необходимо для вступления в реакцию с 8 молями водорода?

Решение:

III.    Правила решения задач по закону сохранения массы веществ в химических реакциях. Определение относительной атомной массы неизвестного химического элемента.

Задача 3. Определите относительную атомную массу металла, если 4,6 г одновалентного металла, вступая в реакцию с водородом, образует 4,8 г гидрида этого металла.

Решение: 4,8—4,6=0,2 г вступает в реакцию.

IV.    Правило вычисления теплового эффекта по теплоте образования.

Тепловой эффект химической реакции равен разнице между суммой теплоты образования продуктов реакции и суммой теплоты образования исходных веществ.

Задача 4. Вычислите тепловой эффект реакции

Решение:

V.    Закон Гесса и решение задач по данному закону.

Тепловой эффект реакции зависит не от путей протекания и количества этапов реакции, а только от природы и физического состояния вступающих в реакцию и получаемых в результате реакции веществ. Т.е. тепловой эффект общей реакции равен сумме тепловых эффектов её этапов.

Задача 5. I этап:  

Общая реакция Вычислите Решение:

VI.    Вычисление выхода продукта

Здесь  называется — эта, а  — тета.

Вестник НАТО — Квантовые технологии в сфере обороны и безопасности

С учетом того, что могут означать квантовые технологии для обороны и безопасности, НАТО считает квантовые технологии одними из важнейших новых и прорывных технологий. В данной статье рассматриваются некоторые поражающие воображение будущие прикладные квантовые технологии и их значение для обороны и безопасности.

Тот, кто не испытывает шок от первого знакомства с квантовой теорией, ничего в ней не понял.

Нильс Бор

Если вы думаете, что разбираетесь в квантовой механике, вы в ней не разбираетесь.

Ричард Фейнман

Вселенная не только более странная, чем мы думаем, она еще страннее, чем мы можем себе представить.

Вернер Гейзенберг

Три цитаты трех знаменитых специалистов по квантовой физике. Наверное, можно смело предположить, что по всеобщему мнению, пытаться разобраться в квантовой механике вряд ли относится к числу любимой среднестатистической гимнастики для ума воскресным утром. Однако квантовая механика не просто ошеломляет и заставляет серьезно задуматься. На самом деле, даже если нам трудно полностью понять ее, нас уже окружают технологии, построенные на нашем понимании квантовой механики.

Транзисторы и полупроводники в наших компьютерах и инфраструктуре связи – примеры «первого поколения» квантовых технологий. Но лучшее еще впереди. Благодаря более глубокому пониманию квантовых явлений, таких как «суперпозиция» и «запутанность» (объяснено ниже), теперь происходит «вторая квантовая революция», способствующая развитию новых и революционных квантовых технологий.

Поскольку с квантовыми технологиями появятся новые большие возможности как в гражданской, так и в военной сфере, в последние годы промышленность и государственный сектор проявляют к ним значительный интерес. Крупные технологические компании, такие как IBM, Google и Microsoft расходуют сотни миллионов долларов на НИОКР в сфере квантовых вычислений в погоне за «квантовым превосходством». Аналогичным образом, правительства признают преобразующий потенциал и геополитическую ценность прикладных квантовых технологий, и США, Европейский союз и Китай создали свои собственные научно-исследовательские программы больше чем на миллиард долларов.

Не вдаваясь в подробное разъяснение квантовой механики, стоит рассказать о ряде основных принципов, чтобы помочь понять потенциальное применение квантовых технологий.

В квантовых технологиях физические явления используются в атомном и субатомном масштабе. Фундаментальное положение квантовой механики состоит в том, что на уровне атомов мир становится «вероятностным» в отличие от «детерминистского».

Данная концепция вероятности была предметом знаменитого на весь мир спора Альберта Эйнштейна с Нильсом Бором на Пятой Сольвейской конференции по физике, состоявшейся в октябре 1927 года в Брюсселе. Для обсуждения новой квантовой теории на этой конференции собрались 29 самых знаменитых физиков того времени (17 из них станут впоследствии лауреатами Нобелевской премии).

Фотография сделана в парке им. Леопольда в Брюсселе во время Пятой Сольвейской конференции по физике в 1927 году, и ее часто называют «самой умной фотографией всех времен». Снимок предоставлен Бенжамином Купри, Сольвейский международный институт физики.

В так называемом «споре века» на Сольвейской конференции 1927 года Нильс Бор защищал новую теорию квантовой механики, сформулированную Вернером Гейзенбергом, тогда как Альберт Эйнштейн попытался отстоять детерминистскую парадигму причины и следствия. По ставшему знаменитым высказыванию Альберта Эйнштейна, «Бог не играет в кости», на что Нильс Бор парировал: «Эйнштейн, не указывайте Богу, что ему делать».

Сегодня научное сообщество согласно с тем, что Нильс Бор выиграл этот научный диспут. Это означает, что наш мир не живет по написанному сценарию, построенному на причине и следствии, и что на самом деле все меняется. Иными словами, можно обладать всеми знаниями вселенной и при этом не знать, что произойдет дальше.

Благодаря этой новой вероятностной парадигме удалось более глубоко понять ряд важнейших свойств квантовых частиц, которые лежат в основе квантовых технологий, в частности, «суперпозиция» (наложение) и «запутанность» (переплетение). Более глубокое понимание этих фундаментальных квантовых принципов и подхлестнуло развитие квантовых технологий следующего поколения: квантовая сенсорика, квантовая связь и квантовые вычисления.

Больше всего шума по поводу квантовых технологий вызвали квантовые вычисления, однако есть еще целый мир квантовой сенсорики и квантовых коммуникаций, в такой же степени завораживающий и многообещающий.

Работа квантовых сенсорных устройств основана на ультра-холодных атомах или фотонах, которыми аккуратно манипулируют с помощью суперпозиции или переплетения в определенных «квантовых состояниях». Квантовые состояния чрезвычайно восприимчивы к колебаниям, и поэтому квантовые сенсоры способны измерять малейшие различия в любых характеристиках, например, температуре, ускорении, притяжении или времени.

Квантовая сенсорика может преобразовать наши технологии измерения и обнаружения. С ее помощью можно не только производить более точные и чувствительные измерения, но и открыть новые возможности измерить то, что раньше никогда не удавалось измерить. Если перечислить лишь некоторые, с помощью квантовых датчиков мы могли бы выяснить, что именно находится у нас под ногами, составив подземные карты; создать системы раннего предупреждения об извержениях вулканов; сделать так, чтобы автономные системы могли «заглядывать» за угол; создать переносные сканеры для мониторинга деятельности головного мозга человека (источник: Scientific American).

Может показаться, что квантовые технологии – далекое будущее, однако первые квантовые датчики уже есть на рынке (например, атомные часы и гравиметры). Можно предположить, что в ближайшие пять-семь лет практическое применение квантовой сенсорики станет более широким, в частности, такое применение, как квантовые устройства определения местоположения, навигации и синхронизации (PNT) и квантовые радиолокационные технологии.

Потенциал квантовой связи – обещание обеспечить «сверхзащищенную» передачу данных, возможно, совсем не поддающуюся взлому. В настоящий момент наш обмен данными ведется с помощью электросигналов – 1 и 0, – потоки которых идут по оптоволоконным кабелям. Хакер, которому удается проникнуть в эти кабели, может прочитать и скопировать эти данные, проходящие по кабелю. А при квантовой связи передаваемая информация зашифрована в квантовой частице, где единицы и нули накладываются друг на друга, образуя «квантовый бит» (кубит). Поскольку квантовое состояние чрезвычайно восприимчиво к внешним помехам, если хакер попытается перехватить передаваемую информацию, квантовый бит «сворачивается» либо в единицу, либо в ноль, уничтожая таким образом квантовую информацию и оставляя подозрительный след.

Первое практическое применение квантовой связи получило название «квантового распределения ключа» (КРК), при котором квантовые частицы используются для обмена криптографическими ключами. При КРК данные передаются по традиционной инфраструктуре связи с использованием обычных битов, а криптографические ключи, необходимые для расшифровки данных, передаются отдельно с использованием квантовых частиц. Уже ведется большая экспериментальная работа в области КРК с применением как наземных, так и космических средств связи. В 2016 году Китай запустил первый в мире квантовый научный спутник «Микиус» (Micius), который смог продемонстрировать межконтинентальное КРК земля-спутник и спутник-земля, обеспечив защиту видеоконференции между Пекином и Веной. (источник).

«Квантовая телепортация» станет следующим шагом в квантовой связи. При КРК шифровальные ключи передаются с помощью квантовой технологии, а при квантовой телепортации с помощью переплетенных квантовых пар передается сама информация. Пока что максимальное расстояние, на которое удалось осуществить квантовую телепортацию по оптоволоконному кабелю, – 50 километров (источник), и на ближайшие годы задача – увеличить масштаб квантовой телепортации, чтобы обеспечить защищенную связь на большем расстоянии.

Конечная цель квантовой связи – создать «квантовый Интернет»: сеть переплетенных квантовых компьютеров, подключенных с помощью зверхзащищенной квантовой связи, гарантированной фундаментальными законами физики. Однако для квантового Интернета требуется не только квантовая телепортация на очень большие расстояния, но и дальнейшее развитие других сопутствующих технологий, например, квантовых процессоров и полный набор квантового Интернета, включая Интернет-протоколы и программное обеспечение для квантового Интернета. Речь идет о долгосрочной работе. Трудно определить, выйдет ли эта технология на зрелый этап и если выйдет, то когда, однако большинство ученых говорят, что понадобится 10-15 лет.

С помощью квантовых вычислений значительно увеличится наша способность к решению одних из самых сложных вычислительных задач. Утверждают, что квантовые вычисления так же отличаются от классических вычислений, как классический компьютер отличается от счет.

Как объяснено выше, в классических компьютерах вычисления производятся с использованием бинарных цифр (0 или 1), а в квантовых компьютерах информация представлена с использованием квантовых битов (кубитов), в которых оба состояния могут накладываться друг на друга (0 и 1 одновременно).

Поскольку кубиты крайне чувствительны к внешним помехам, чтобы управлять и манипулировать ими и чтобы их использовать, их нужно охладить почти до абсолютного температурного минимума (ноль кельвина), около 15 милликельвина. Это холоднее, чем в космосе! Самое холодное место во вселенной, известное нам, – внутри квантового компьютера.

Квантовый компьютер, построенный IBM: IBM Q System One (источник: Forbes). Хотите его послушать? Перейдите по ссылке, чтобы послушать сердцебиение квантового компьютера.

Благодаря кубитам квантовые компьютеры могут одновременно производить множество вычислений, в результате чего можно очень сильно увеличить вычислительную эффективность по сравнению с классическими компьютерами. Есть несколько видов практического применения, где с помощью квантовых компьютеров можно добиться особых преобразований:

• моделирование физических систем для разработки лекарственных препаратов и создания новых материалов;

• решение комплексных проблем оптимизации систем поставок, логистики и финансов;

• ускоренное машинное обучение в сочетании с искусственным интеллектом;

• факторизация целых чисел, способствующая расшифровке наиболее широко используемых протоколов кибербезопасности (например, RSA, алгоритм асимметричного шифрования, используемый для защищенной передачи данных).

Крупные технологические компании, такие как IBM, Google и Microsoft ведут гонку за «квантовое превосходство», при котором квантовому компьютеру удается решать проблему, которую не способен решить ни один классический компьютер в приемлемые сроки.

В октябре 2019 года компания Google заявила, что ей удалось добиться квантового превосходства с помощью квантового компьютера мощностью 53 кубита. Однако, как отметили критики, задача, решенная в ходе проведенного Google эксперимента, не представляет практической ценности, и поэтому гонка за квантовое превосходство продолжается.

Мощность нынешних компьютеров – около 60 кубитов, но разработки быстро сменяют друг друга, и планка высока. В сентябре прошлого года компания IBM представила дорожную карту разработки квантовых компьютеров, в частности она объявила, что поставила перед собой цель построить к 2023 году квантовый компьютер мощностью 1000 кубитов (источник). У компании Google свой план по созданию к 2029 году квантового компьютера мощностью миллион кубитов (источник).

С созданием квантовых компьютеров мощностью 1000 кубитов, так называемых шумных среднемасштабных квантовых компьютеров (NISQ), уже появилось ценное практическое применение для разработки материалов, открытия лекарственных препаратов или логистики. Поэтому ближайшие пять-десять лет будут очень интересными в плане квантовых вычислений.

С квантовыми технологиями могут открыться огромные новые возможности, позволяющие обнаруживать то, что не поддается обнаружению, преобразовать киберзащиту и помочь нам решать проблемы, которые до этого нам никогда не удавалось решать.

Два вида практического применения будут иметь особое значение в сфере обороны и безопасности в краткосрочной и среднесрочной перспективе.

Во-первых, квантовая сенсорика. У квантовых датчиков есть перспективное военное практическое применение. Например, с помощью квантовых датчиков можно вести обнаружение подводных лодок и летательных аппаратов и использовать их для определения местоположения, навигации и синхронизации (PNT). Такие квантовые устройства PNT можно было бы использовать в качестве надежных инерциальных навигационных систем, обеспечивающих навигацию без внешних опорных сигналов, как, например, GPS. Такие средства радикально изменят положение дел для подводной навигации подлодок, например, а также в качестве запасной навигационной системы для надводных платформ в случае потери сигнала GPS.

Уже можно приобрести на коммерческой основе первые квантовые датчики, то есть это самая зрелая из сенсорных, коммуникационных и вычислительных технологий. Более того, предполагается, что гражданский сектор будет продвигать вперед разработки в сфере квантовой связи и вычислений, с учетом огромной потенциальной ценности, которую они представляют для гражданской промышленности. А что касается квантовой сенсорики, возможное практическое применение, например, определение местоположения, навигация и синхронизация, а также квантовая радиолокация представляют особый интерес для военных. Поэтому военным надо финансировать, поддерживать и направлять НИОКР в этой области, чтобы сделать это возможное практическое применение действительностью.

Во-вторых, «квантовая угроза», которую представляют кв

Самый быстрый словарь в мире | Vocabulary.com

12. физическое явление природное явление, связанное с физическими свойствами материи и энергии

13. химическое явление любое природное явление, связанное с химией

14. психический феномен явления, которые кажутся противоречащими физическим законам и предполагают возможность причинно-следственной связи с психическими процессами

15. оптическое явление физическое явление, связанное со светом или связанное со светом

16. механическое явление: физическое явление, связанное с равновесием или движением объектов

17. 01″>

    явление любое состояние или процесс, воспринимаемый органами чувств

18. природное явление все явления, не являющиеся искусственными

19. акустическое явление: физическое явление, связанное с производством или передачей звука

20. психические явления явления, которые кажутся противоречащими физическим законам и предполагают возможность причинно-следственной связи с психическими процессами

21. органическое явление природное явление, связанное с живыми растениями и животными

22. 75″>

    физическое состояние состояние или состояние тела или функций организма

23. физическая подготовка хорошее физическое состояние; в форме или в состоянии

24. Феномен Тарчанова изменение электрических свойств кожи в ответ на стресс или тревогу; может быть измерен либо путем регистрации электрического сопротивления кожи, либо регистрации слабых токов, генерируемых телом

25. физическое изменение переход из одного состояния (твердое, жидкое или газообразное) в другое без изменения химического состава

26. электрическое явление физическое явление, связанное с электричеством

27. Феномен Фере изменение электрических свойств кожи в ответ на стресс или тревогу; может быть измерен либо путем регистрации электрического сопротивления кожи, либо регистрации слабых токов, генерируемых телом

28. 69″>

    физическая наука физические свойства, явления и законы чего-либо

29. эпифеномен: вторичное явление, являющееся побочным продуктом другого явления

30. физическое напряжение деятельность, заключающаяся в различных способах напряжения мышц для поддержания формы

Что такое физическое явление? 17 примеров

A физическое явление Это изменение, которое может быть обратимым или нет и которое происходит в теле, материи или веществе.

Условие физического явления состоит в том, что при таком изменении не теряются характеристики или свойства тела, материи или субстанции.

Не следует путать с химическим явлением, которое относится к постоянному и необратимому изменению тела, материи или вещества. Эти изменения производят одно или несколько новых тел, материалов или веществ, поскольку модифицируется молекулярная структура.

Примеры физических явлений
1- Сила тяжести

Без силы тяжести было бы невозможно ходить, прыгать, кататься на лыжах или нырять.Все вещи падают на землю, и это считалось само собой разумеющимся, пока не пришел Исаак Ньютон.

Если бы не было гравитации, мы бы все парили и не были бы привязаны к поверхности Земли, без атмосферы. Гравитация — это физическое явление, которое удерживает все вместе и делает возможной жизнь на Земле.

2- Давление воздуха

Если бы у нас не было давления воздуха, внутреннее кровяное давление заставило бы наши человеческие тела взорваться.Вот почему астронавты должны носить скафандры в космосе (не говоря уже о радиационном воздействии).

3- Фонарь

Свет — это волна, поэтому он претерпевает дифракцию, отражение и преломление. Дифракция — это то, что формирует радугу; Отражение — это то, что позволяет нам увидеть себя в зеркале.

Преломление — это то, что позволяет нам смотреть через увеличительные линзы, микроскопы и телескопы, чтобы открывать гораздо меньшие чудеса или намного дальше от нас.

4- Звук

Звук — это волна, которая распространяется в воздухе и других материалах. Без звука у нас не было бы музыки и мы не смогли бы общаться, говоря.

5- Сохранение энергии

Сохранение энергии позволило физикам и инженерам разработать теоретические модели и построить машины для эксплуатации природы. Это простой принцип, который позволяет нам предсказать, сколько энергии мы можем получить от машины.

Тот факт, что энергия не может быть создана или уничтожена, также означает, что мы не можем получить бесплатную энергию, не выполняя работу.

6- Энтропия

Энтропия всегда увеличивается. Это явление делает так много вещей, что их невозможно перечислить.

Диффузия газов позволяет нам дышать кислородом, который производят растения. Другими примерами являются электрический ток, тепловой ток, поток воды от высшего к низшему и т. д.

7- Ядерный синтез

Это процесс, приводящий в действие солнце, которое дает тепло и свет, необходимые для существования жизни на Земле.

8- Третий закон Ньютона

Это то, что позволяет нам сидеть на стуле, не будучи раздавленным, ходить, опираясь на пол силой спины, и делать так, чтобы каждое действие имело равное и противоположное противодействие.

9- Землетрясения

Землетрясения происходят потому, что Земля состоит из тектонических плит, соединенных линиями разломов.Когда напряжение между этими пластинами растет и одна из них проскальзывает, ударные волны посылаются через землю и любые близлежащие водоемы.

10- Ураганы

Они образуются над океаном, когда область низкого давления питается теплом конденсации.

Это тепло исходит от водяного пара, который поднимается к облакам, высвобождая энергию. Если нет выхода для накопления энергии, то ветры будут накапливаться.

11- Северное сияние

Это происходит, когда энергичные электроны солнечного ветра взаимодействуют с молекулами и атомами в нашей атмосфере.

Магнитное поле Земли улавливает часть солнечного ветра, а проявление света происходит от множества столкновений между частицами.

12- Облака Мастодонтия

Также известный как mammatocumulus, что означает «неравные облака», представляет собой ячеистую структуру мешков, которые свисают ниже основания облака. Состоящие в основном изо льда, облака мастодонтов могут простираться на сотни километров.

13- Красные приливы

Более известный как цветение водорослей, так называемый красный прилив — это природное явление, при котором эстуарные, морские или пресноводные водоросли быстро накапливаются в толще воды и могут превратить целые районы океана или пляжа в кровь красного цвета.

Это явление вызвано высоким уровнем фитопланктона, который накапливается, образуя плотные видимые облака у поверхности воды.

14- Звон в ушах

«Тиннитус» — это общее название ряда явлений, которые включают в себя постоянное, низкочастотное агрессивное гудение, которое слышно не всем людям. Buzz был зарегистрирован в нескольких географических точках.

О них сообщалось по всему миру, особенно в Европе: гул на большом острове Гавайи, обычно связанный с вулканической деятельностью, слышен за десятки миль.

15- Водовороты

Водовороты, чрезвычайно мощные вихри, имеют долгую историю в художественной литературе как страшная опасность для моряков. В реальной жизни никогда не было случаев, чтобы большие корабли были потоплены смерчами.

Впечатляют бурлящие массы воды в вихрях, обычно гонимые необычно сильными приливами.

16- Лунная радуга

Лунная радуга — это дуга, создаваемая светом луны вместо солнечного света. Помимо разницы в источнике света, его формирование точно такое же, как и у солнечной радуги.

Вызывается преломлением света во многих каплях воды, таких как дождь или водопад, и всегда находится в противоположной части неба от Луны по отношению к наблюдателю.

17- Световой столб

Столб света — это атмосферное оптическое явление в виде вертикальной полосы света, которая кажется простирающейся выше и/или ниже источника света.

Эффект создается за счет отражения света от многочисленных мелких кристаллов льда, взвешенных в атмосфере или облаках.

Каталожные номера
1. Маргарита А Манько. Математические методы изучения физических явлений (с.ф.). Получено с iopscience.iop.org.
2. Отрасли наук (с.ф.). Получено с infoplease.com.
3. Странные физические явления (н.ф.). Получено с сайта Physics.org.
4. Что такое физическое явление (с.ф.). Получено с igi-global.com.
5. Физическое явление. (Сф). Получено с сайта encyclopedia.kids.net.au.
6. Что такое физические явления? (Сф). Получено с сайта sven.co.za.

физическое явление в предложении

Эти примеры взяты из корпусов и из источников в Интернете. Любые мнения в примерах не отражают мнение редакторов Кембриджского словаря, издательства Кембриджского университета или его лицензиаров.

Является ли это физическим явлением или другим артефактом одношаговой модели — вопрос для дальнейшего изучения.

Например, физическое явление «производство химиката» описывается с помощью глагола «производить» и существительного «химический» без конкретных прилагательных.

На рис. 9 показано физическое явление на смоделированных изображениях, для которых интенсивность задней подсветки уменьшена для повышения контраста внутри абляционных пиков.

Здесь каждый элемент тела представлен определяющими уравнениями, описывающими физическое явление, связанное с поведением объекта.

Например, мы можем свести наши теоретические знания о физическом явлении к интуитивному познанию, помогая в соответствующем эксперименте.

При этом мы пытаемся прояснить физическое явление и провести расчет движущей силы.

Археологи знакомы с анализом ландшафта как физического явления и традиционно подчеркивают экономико-функциональные аспекты землепользования с культурно-экологической точки зрения.

Однако числовое сглаживание каким-то образом является дополнительным замаскированным физическим явлением, явлением, которое не было частью исходной непрерывной модели.

Синтетический метод рассуждений, основанный на базе физических явлений знаний.

Сказать, что речь — это физическое явление , все равно, что сказать, что игра в шахматы — это перемещение кусков дерева.

Должны ли мы заключить, что игра в шахматы — это (или не что иное, как) перемещение кусков дерева и что шахматы, следовательно, являются «физическим феноменом »?

Музыкальная техника охватывает совокупность всех музыкальных средств: организацию самого вещества и превращение его в физическое явление .

Основным недостатком конструкции является то, что звук интересующего физического явления не всегда может быть гарантированно отделен от других звуков окружающей среды.

Пока цилиндр не короткий, осесимметричное течение в пограничном слое с вынужденной конвекцией плохо аппроксимирует реальное физическое явление.

Дизайн этих политик в некоторых случаях вдохновлен физическим явлением , таким как распространение.

Столкнувшись с утверждением вроде «речь есть физическое явление », едва ли знаешь, с чего начать.

Это неточное описание физического явления , главным образом потому, что не существует согласованного определения стабильности.

Эти примеры взяты из корпусов и из источников в Интернете. Любые мнения в примерах не отражают мнение редакторов Кембриджского словаря, издательства Кембриджского университета или его лицензиаров.

Физические явления и мир замысла

Существуют определенные непоколебимые фундаментальные законы, управляющие вселенной, в равной степени влияющие как на живое, так и на неживое; они известны как «Законы физики». Все во Вселенной было создано миллионы лет назад. С древних времен все различные цивилизации в большинстве регионов земного шара наблюдали за природными явлениями, которые в значительной степени способствовали формированию их взглядов и верований. Некоторые даже считали эти явления божествами, рисуя и лепя их в рукописях и фресках.Благодаря научно-техническому прогрессу ученые смогли объяснить большое количество этих явлений, в то время как некоторые из них до сих пор остаются загадками, над решением которых ученые продолжают работать.

Природное явление — это все, что не под силу человеку; это означает, что ни один человек не может достичь или заставить это произойти. Некоторые из этих явлений полезны для нас, например, дождь и снег; но некоторые из них могут быть разрушительными, например, землетрясения, ураганы и извержения вулканов. Поскольку природные явления происходят всегда и постоянно повторяются, они нуждаются в доказательствах; они также были известны с незапамятных времен.На самом деле, древние люди были настолько поражены ими, что задокументировали их в своих писаниях и нарисовали на стенах пещер и храмов; некоторые даже прославляли их и поклонялись им, часто принося им жертвы. Многие природные явления можно описать с помощью физических законов материи и энергии; это физические явления.

Было проведено множество экспериментов для создания визуальных моделей взаимоотношений между природными явлениями, когда они взаимодействуют или сталкиваются в ответ на воздействие природных сил.В результате изучение того, как они формируются, стало новым подходом и методом в дизайне, став современной тенденцией для дизайнеров сегодня. Усовершенствованный цифровой дизайн развился в области архитектуры и дизайна, вдохновленный природными явлениями.


Облакообразная инсталляция из пены Кохей Нава

Поскольку мы привыкли жить с инструментами и машинами, которые позволяют нам получить доступ к бесконечной информации, дизайнеры больше не только ищут новые методы и языки, но также графики, коды и программное обеспечение, которое преобразует данные и переменные в уникальные формы.Таким образом, они спроектировали плавные и гибкие здания, в которых все постоянно меняется. Дизайнеры перенаправили свое воображение и техническую мысль на пространственную структуру, полагаясь на новый подход, вдохновленный пространственной текучестью и гибкостью. Источником вдохновения в современном цифровом дизайне является сложность природных явлений и органическая композиция.

Среди бесконечных чудес этой вселенной есть явления, встречающиеся в морях, океанах, реках и во всем, что находится в жидком состоянии на поверхности Земли.Другие чудеса можно наблюдать в погодных явлениях, включая силу ветра, погодную турбулентность, климат, пасмурную погоду и облака. Все упомянутые примеры являются сильным источником вдохновения для дизайнеров; они являются динамическими источниками в цифровом пространстве, где жидкости действуют ярко и динамично.


Прибой

Есть удивительные детали, такие как узоры, наблюдаемые в турбулентности, волнах, головокружениях и спиралях ветра, которые воздействуют на воздух, что, в свою очередь, увеличивает интенсивность постоянно меняющихся волн, а также слоев облаков, воздуха, земли. и океаны, где происходят интересные и сложные явления.Все эти природные и физические явления являются жизненно важным источником вдохновения для дизайнеров, влияя на их работу с точки зрения формы, цвета, движения и многих других переменных. Дизайнеры в эпоху цифровых технологий способны с помощью программного обеспечения и технологических инструментов черпать вдохновение из этих явлений, изучая происходящие в них изменения и деформации, переходя от статического состояния к плавно подвижному состоянию проектирования.


Ветры

Адаптация к природным явлениям является фундаментальной в физике, и в последнее время как дизайнеры, так и исследователи вкладывают средства в моделирование потоков жидкостей, сил гравитации, фото- и оптических явлений в дизайне, создавая инновационные творения.

Каталожные номера
Грег Линн, Animate Form , 1999.
Нильс Мартин Ларсен, Генеративные алгоритмические методы для архитектурного проектирования , 2012.
ar.wikipedia.org
avb.s-oman.net
mawdoo3.com

Мультифизика — история, определение и область применения

Введение в мультифизику

Мы живем в мультифизическом мире. Реальные процессы по своей сути мультифизичны.От атомов до галактик, от аминокислот до живых организмов, естественно построенные системы включают в себя различные типы физических явлений, действующих в разных пространственных и временных масштабах. Мы имели дело с этим мультифизическим миром еще до появления человеческой цивилизации. Например, природный пожар от молнии представляет собой типичное электростатическое, тепловое и химическое явление. Разжигание огня ручной дрелью включает в себя как механические, так и термические процессы. Удивительно, но хотя мультифизика является частью природы и истории жизни, изучение мультифизики также не ново.Несмотря на исследования, которые по своей природе являются мультифизическими, но традиционно не учитывались, мультифизические исследования были на игровой площадке в течение нескольких десятилетий.

Пример мультифизики

На самом деле, мультифизика вышла за рамки исследовательской концепции. Например, в промышленном дизайне и тестировании продукции инженеры решали одно физическое явление за раз, например структурную целостность, а затем импортировали результаты в другую систему для определения аэродинамического поведения. Инструменты мультифизического моделирования теперь позволяют моделировать и анализировать как эти, так и многие другие модели поведения одновременно. Мультифизика быстро превратилась в область исследований и приложений во многих научных и инженерных дисциплинах. Наблюдается четкая тенденция к тому, что все более и более сложные проблемы, с которыми мы сталкиваемся, не связаны с физическими процессами, охватываемыми какой-то одной традиционной дисциплиной в науке или инженерными дисциплинами. Эта тенденция требует от нас расширения наших аналитических возможностей для решения более сложных и междисциплинарных проблем, развития передовых инженерных и прикладных наук путем изучения этих проблем, внесения вклада в разработку программного обеспечения и вычислительных технологий, а также создания и изучения инновационных, но неотложных задач. области применения.

Мультифизика определяется как связанные процессы или системы, включающие более одного одновременно возникающего физического поля, а также исследования и знания об этих процессах и системах. Например, объекты, движущиеся по второму закону Ньютона, будут рассматриваться как пример мультифизики до тех пор, пока скорость будет рассчитываться в каждой точке области, то есть для получения поля. Однако модель звездного скопления, учитывающая ньютоновские гравитационные взаимодействия или молекулярную динамику и построенная на втором законе Ньютона, не является мультифизикой согласно этому определению.С математической точки зрения системы, состоящие из дифференциальных уравнений в частных производных (УЧП) разных типов (например, эллиптико-параболические, эллиптико-гиперболические или параболо-гиперболические), могут быть классифицированы как мультифизические, поскольку каждый из классических архетипов УЧП, возможно, представляет разные физические явление. Это определение дано на основе существующих определений в [Keyes et al., 2012], [COMSOL], [Krzhizhanovskaya and Sun, 2007; Groen et al., 2013] и [Cross et al., 2005].

Три аспекта мультифизики

Мультифизика — это искусство математики, физики и приложений. Как показано на рисунке выше, математика, физика и приложение обеспечивают три независимых угла для восприятия мультифизики. В результате для полного описания математической задачи необходимо учитывать все три аспекта. В частности, математическая модель должна быть создана на основе реальных физических условий для практических задач в различных инженерных и научных дисциплинах. Математика здесь включает в себя как основные языки для разговоров о мультифизике, таких как тензорный анализ и дифференциальные уравнения, так и инструмент для получения решений.

Физические явления для будущей электроники

Обычная электроника использует заряд электрона в качестве переменной состояния для вычислений, и этого недостаточно для удовлетворения вычислительных требований приложений, интенсивно использующих данные, в новых областях когнитивного Интернета вещей, здравоохранения и промышленности 4. 0 и «Умные города и нации». В стремлении расширить или даже заменить электронику на основе заряда было исследовано новое вычислительное оборудование, основанное на материальных системах, демонстрирующих такие физические явления, как магнетизм, сегнетоэлектрическая поляризация и миграция кислородно-вакансий. В сочетании с вычислительными парадигмами, которые полностью используют уникальные характеристики технологии устройств, вычислительные системы, такие как (но не ограничиваясь ими) системы, основанные на физике оптоэлектроники, спинтроники, ферроэлектроники, мемэлектроники, калоритроники и валлитроники, могут преодолеть ограничения электроники на основе заряда и удовлетворения вычислительных потребностей приложений, которые все больше и больше интенсивно используют данные.

Новые приложения искусственного интеллекта (ИИ) и когнитивного интернета вещей будут служить основными движущими силами достижений в области электронных технологий в следующем десятилетии и далее. Исследовательские усилия в области технологий устройств, аппаратных архитектур и программных алгоритмов активизируются для решения технологических задач в этих областях, и изучается их синергия для достижения оптимизированных решений. Несмотря на множество новых технологий устройств, таких как экспериментальные наблюдения за скирмионами и миграцией кислорода в стопках ферромагнитных материалов, связанное спин-долина электронное поведение в 2D-материалах и новый класс энергонезависимых электронных устройств (мемристор, мемконденсатор, меминдуктор, и мемтранзистор и т.д.) были предложены и исследованы, изучение их потенциальных применений и последствий находится на начальной стадии. Предполагается, что совместная оптимизация технологий устройств (DTCO) будет играть все более важную роль в обеспечении интеллектуальных приложений новых технологий устройств. Цель этой темы исследования — охватить глобальные исследовательские усилия по изучению физических явлений, а также их приложений и последствий в технологиях электронных устройств, схемах, аппаратных архитектурах и парадигмах вычислений для вычислительной техники.

Мы приглашаем к участию документы, посвященные исследованиям в области аппаратного стека для обеспечения интеллектуальных приложений новых технологий устройств. Области интересов включают, но не ограничиваются:
• Физическое моделирование и симуляция (технология автоматизированного проектирования, компактное моделирование и т. д.)
• Архитектура устройств, характеристика и оптимизация
• Устройства памяти, схемы и аппаратные архитектуры
• Устройства, схемы и аппаратные архитектуры для логических вычислений
• Аппаратные архитектуры (включая схемы) и вычислительные парадигмы, которые обеспечиваются новыми технологиями устройств (например,(например, машины Изинга, ускорители нейронных сетей, вычисления в памяти, аналоговые вычисления, стохастические вычисления, квантовые вычисления и т. д.)
• Отображение алгоритмов и проблем в аппаратных архитектурах на основе новых технологий устройств.

Ключевые слова : Вычисления, Память, Устройства, Схемы, Архитектуры

Важное примечание : Все вклады в эту тему исследования должны быть в рамках раздела и журнала, в который они представлены, как это определено в их заявлениях о миссии. Frontiers оставляет за собой право направить рукопись, выходящую за рамки рассмотрения, в более подходящий раздел или журнал на любом этапе рецензирования.

Обычная электроника использует заряд электрона в качестве переменной состояния для вычислений, и этого недостаточно для удовлетворения вычислительных требований приложений, интенсивно использующих данные, в новых областях когнитивного Интернета вещей, здравоохранения и промышленности 4.0 и «Умные города и нации». В стремлении расширить или даже заменить электронику на основе заряда было исследовано новое вычислительное оборудование, основанное на материальных системах, демонстрирующих такие физические явления, как магнетизм, сегнетоэлектрическая поляризация и миграция кислородно-вакансий. В сочетании с вычислительными парадигмами, которые полностью используют уникальные характеристики технологии устройств, вычислительные системы, такие как (но не ограничиваясь ими) системы, основанные на физике оптоэлектроники, спинтроники, ферроэлектроники, мемэлектроники, калоритроники и валлитроники, могут преодолеть ограничения электроники на основе заряда и удовлетворения вычислительных потребностей приложений, которые все больше и больше интенсивно используют данные.

Новые приложения искусственного интеллекта (ИИ) и когнитивного интернета вещей будут служить основными движущими силами достижений в области электронных технологий в следующем десятилетии и далее. Исследовательские усилия в области технологий устройств, аппаратных архитектур и программных алгоритмов активизируются для решения технологических задач в этих областях, и изучается их синергия для достижения оптимизированных решений. Несмотря на множество новых технологий устройств, таких как экспериментальные наблюдения за скирмионами и миграцией кислорода в стопках ферромагнитных материалов, связанное спин-долина электронное поведение в 2D-материалах и новый класс энергонезависимых электронных устройств (мемристор, мемконденсатор, меминдуктор, и мемтранзистор и т.д.) были предложены и исследованы, изучение их потенциальных применений и последствий находится на начальной стадии. Предполагается, что совместная оптимизация технологий устройств (DTCO) будет играть все более важную роль в обеспечении интеллектуальных приложений новых технологий устройств. Цель этой темы исследования — охватить глобальные исследовательские усилия по изучению физических явлений, а также их приложений и последствий в технологиях электронных устройств, схемах, аппаратных архитектурах и парадигмах вычислений для вычислительной техники.

Мы приглашаем к участию документы, посвященные исследованиям в области аппаратного стека для обеспечения интеллектуальных приложений новых технологий устройств. Области интересов включают, но не ограничиваются:
• Физическое моделирование и симуляция (технология автоматизированного проектирования, компактное моделирование и т. д.)
• Архитектура устройств, характеристика и оптимизация
• Устройства памяти, схемы и аппаратные архитектуры
• Устройства, схемы и аппаратные архитектуры для логических вычислений
• Аппаратные архитектуры (включая схемы) и вычислительные парадигмы, которые обеспечиваются новыми технологиями устройств (например,(например, машины Изинга, ускорители нейронных сетей, вычисления в памяти, аналоговые вычисления, стохастические вычисления, квантовые вычисления и т. д.)
• Отображение алгоритмов и проблем в аппаратных архитектурах на основе новых технологий устройств.

Ключевые слова : Вычисления, память, устройства, схемы, архитектуры

Важное примечание : Все вклады в эту тему исследования должны быть в рамках раздела и журнала, в который они представлены, как это определено в их заявлениях о миссии.Frontiers оставляет за собой право направить рукопись, выходящую за рамки рассмотрения, в более подходящий раздел или журнал на любом этапе рецензирования.

Математические объяснения физических явлений

Наиболее естественным способом понимания роли математики в научных объяснениях является представление физических объяснительных фактов и помощь в выводах об этих фактах. Согласно Джозефу Мелиа, например, поскольку математика предлагает хорошее представление о физическом мире, некоторые научные объяснения требуют использования математики, но это не означает, что математика сама по себе объяснительна. Если мы говорим, например: «F происходит потому, что P имеет длину 2 метра», несмотря на то, что мы упоминаем число 2 в объяснении, это фактическая физическая длина объекта P, а не реальное число 2, с помощью которого мы представлять его, что и делает настоящую объяснительную работу (ср. Melia 2002, 76). Основная идея состоит в том, что математические утверждения фигурируют в научных объяснениях из-за этих репрезентативных и выводных ролей. Выполняя выводы из этих математических утверждений, мы можем узнать, как соответствующие физические факты объясняют экспланандум.

Но недавно утверждалось, что математика может сделать больше, чем это, что могут быть математические объяснения физических явлений (MEPP). В последние годы было много дискуссий о природе этих MEPP. Авторы задаются вопросом, что именно означает для математики объяснение физического явления; действительно ли MEPP отличаются от обычных научных объяснений, использующих математику; и, если MEPP действительно различны, какие онтологические следствия следуют из факта существования MEPP в науке.

В недавней литературе было выдвинуто множество предполагаемых случаев, и было предпринято много попыток определить, в чем именно заключается отличительная черта каждого из этих случаев и принадлежат ли они все к одной и той же категории; и хотя в настоящее время нет единого мнения, большинство авторов согласны с тем, что в этих объяснениях математика участвует особым образом. Например, почти все отчеты согласны с тем, что это научные объяснения, которые зависят от математической модели, которую они используют в объяснениях, таким образом, что без математической модели эти объяснения не выдержали бы.Другими словами, математическая часть этих объяснений необходима для того, чтобы объяснение работало как объяснение.

Однако многие авторы пошли дальше и утверждают, что в этих случаях сама математика играет объяснительную роль в науке. На самом деле, некоторые даже предполагают, что MEPP онтологически обязывают нас к существованию математических сущностей, следуя новой версии аргумента незаменимости. Если математические утверждения незаменимы в некоторых научных объяснениях, то, если мы являемся научными реалистами, мы должны быть привержены существованию математических сущностей, которые делают эти математические утверждения истинными (точно так же, как, скажем, объяснения квантовых явлений обязывают нас к существование субатомных частиц).

Я думаю, однако, что мы не должны заходить так далеко. В своей диссертации я предлагаю описание MEPP, в котором подчеркивается репрезентативная роль математики. То есть я утверждаю, что в MEPP роль математики состоит (просто) в представлении физических фактов, но я также утверждаю, что эти объяснения являются особыми. Я комбинирую элементы контрфактической концепции научного объяснения Джеймса Вудворда и выводной концепции применимости математики Отавио Буэно, Марка Коливана и Стивена Френча.Основными аспектами моего изложения являются понятия оптимального представления и объяснительных математических выводов. Моя цель состоит в том, чтобы продвигать концепцию MEPP, которая является контрфактической, некаузальной и где роль математики является репрезентативной.