ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ПРИБОРОВ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИНЖЕНЕРАМИ- ЭКОЛОГАМИ В ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Физика – это фундаментальная наука, объясняющая процессы, происходящие в природе и технике, от микроскопических частиц до глобальных природных явлений. Хотя многие студенты, особенно на экологических, биологических, медицинских и инженерных направлениях, могут считать физику «второстепенной» дисциплиной, на практике именно физические законы лежат в основе современных технологий и приборов, с которыми они будут работать.

Зачем студентам нефизических специальностей изучать физику?

Понимание технологий и приборов. Многие измерительные устройства, используемые в экологии, медицине или инженерии, работают благодаря оптическим, электрическим и механическим принципам. Без понимания этих основ невозможно эффективно использовать и обслуживать оборудование.

Развитие логического мышления. Физика учит анализировать явления, выявлять закономерности и находить решения на основе данных. Эти навыки необходимы любому специалисту.

Междисциплинарность. Знание физики позволяет интегрировать методы различных наук. Например, экологические исследования опираются на физические принципы при мониторинге загрязнений, измерении температуры, давления или уровня радиации.

Таким образом, физика не просто «дополнительный» предмет для студентов нефизических направлений. Это базовый инструмент, который помогает понять окружающий мир, эффективно использовать современные технологии и решать сложные задачи, с которыми они столкнутся в своей профессиональной деятельности. А также экологи используют, как аналоговые и цифровые приборы для освоения цифровых компетенций [1].

Роль лабораторного практикума в обучении экологов.

Теоретические знания по физике необходимо подкреплять лабораторными практиками [2], которые играют ключевую роль в подготовке студентов-экологов, поскольку они:

• Формируют первый опыт научных исследований. На лабораторных занятиях студенты впервые учатся ставить конкретные цели, планировать эксперименты, соблюдать методику измерений и работать с реальным оборудованием. Это помогает развить системный подход к научному поиску.
• Обучают обработке экспериментальных данных. Получение сырых данных – это только начало. Лабораторные практики позволяют научиться проводить математическую обработку результатов, выявлять зависимости и закономерности, что является важным этапом любого научного исследования [3].
• Развивают навыки анализа и интерпретации результатов. На основе обработанных данных студенты учатся делать выводы, оценивать точность измерений и учитывать возможные ошибки. Эти навыки критически важны для будущих экологов, которые будут работать с реальными природными системами, где результаты исследований напрямую влияют на принятие решений.

Таким образом, лабораторные практики не только углубляют понимание физических принципов, но и дают возможность приобрести навыки научного исследования, которые станут основой профессиональной деятельности экологов. Они учат мыслить, как учёные: проводить эксперименты, обрабатывать данные и делать обоснованные выводы.

Экологи в своей работе используют широкий спектр физических методов и приборов для выполнения различных измерений, которые позволяют оценить состояние окружающей среды и выявить факторы, влияющие на её изменение. В рамках своей деятельности экологи проводят:

• Измерение параметров атмосферы и воздуха:
• Измерение параметров водных объектов:
• Измерение параметров почвы и растительного покрова:
• Измерение уровня излучения и энергии:
• Измерение динамических характеристик среды.

Рассмотрим подробнее приборы, используемые экологами своей профессиональной деятельности, а также принципы их действия и методику работы.

1. Приборы для измерения качества воздуха

Газоанализаторы используют инфракрасную спектроскопию, принцип поглощения света, или электрохимические методы для определения концентрации газов.

В основе их работы лежит поглощение инфракрасного излучения молекулами газа (например, CO₂, CH₄). Когда инфракрасный луч проходит через измерительную камеру, содержащую исследуемый воздух, молекулы газа поглощают свет на определённых длинах волн. Оптический датчик измеряет интенсивность излучения до и после прохождения через пробу. Чем больше газа, тем сильнее поглощение. На основе закона Бугера-Ламберта-Бера прибор рассчитывает концентрацию вещества.

Газоанализатор опирается на фундаментальные законы взаимодействия света и вещества. Для точности измерений важно учитывать:

- Длину волны излучения, соответствующую спектру поглощения конкретного газа.

- Калибровку прибора, чтобы минимизировать погрешности.

Действие датчиков пыли основано на принципе рассеяния света на мелких частицах.

В камеру датчика подаётся воздушный поток, который освещается лазерным или инфракрасным лучом. Частицы пыли рассеивают свет, и это рассеянное излучение фиксируется чувствительным фотодетектором. По интенсивности рассеянного света и углу его отклонения прибор определяет количество и размер частиц. Этот процесс основан на законе Мандельштама–Рамана и теории рассеяния Рэлея для микрочастиц. Практическое значение: Понимание процессов рассеяния позволяет экологам оценивать уровень загрязнения воздуха и его потенциальную опасность для здоровья.

2. Приборы для анализа качества воды

Турбидиметры (измерители мутности воды) используют оптическое рассеяние и поглощение света взвешенными частицами в воде. Источник света (обычно лазер или светодиод) направляет пучок света через пробу воды. Частицы взвесей рассеивают часть света, который улавливается фотодетектором под углом (обычно 90°) к направлению пучка. Чем больше взвешенных частиц, тем больше света рассеивается. Мутность измеряется в нефелометрических единицах (NTU).

Прибор использует принципы Тиндаля и рассеяния Рэлея для анализа взаимодействия света с микрочастицами.

Основой работы pH-метра является электрохимия и принцип действия водородного ионоселективного электрода. В приборе используется стеклянный электрод, чувствительный к концентрации ионов водорода (H⁺) в растворе. Между измерительным электродом и эталонным возникает разность потенциалов, которая пропорциональна активности ионов водорода в воде. Этот процесс описывается уравнением Нернста. Электронный усилитель преобразует сигнал в цифровое значение pH.

pH-метр наглядно демонстрирует взаимодействие химических и физических явлений на уровне ионной проводимости.

3. Приборы для измерения температуры: Термографы и тепловизоры

Работают на основе излучения по закону Планка и принципов термодинамики. Все тела с температурой выше абсолютного нуля излучают тепловое инфракрасное излучение. Интенсивность излучения зависит от температуры поверхности тела и описывается законом Стефана-Больцмана. Тепловизор фиксирует инфракрасное излучение с поверхности объектов с помощью специальных сенсоров. Полученные данные преобразуются в тепловую карту, где каждому значению температуры соответствует цветовой градиент.

Применение в экологии: оценка теплового загрязнения водоёмов, выявление утечек тепла в зданиях для повышения энергоэффективности.

4. Сейсмометры и акселерометры

Их физический принцип работы основан на механических колебаниях и их преобразовании в электрический сигнал с помощью пьезоэлектрического эффекта. Сейсмометр содержит массив с массой и упругим элементом. При колебаниях почвы масса остаётся неподвижной из-за инерции, а упругий элемент деформируется. Пьезоэлектрический датчик преобразует механическую деформацию в электрический сигнал. Сигнал усиливается, регистрируется и анализируется. Законы механики Ньютона и пьезоэлектрические свойства кристаллов позволяют фиксировать колебания даже минимальной амплитуды.

5. Акустический анемометр

Их физический принцип работы основан акустического анемометра является ультразвуковая акустика и закон Доплера, описывающий изменение частоты звуковой волны при движении среды. Также используется принцип разности времени прохождения звука в воздухе при разной скорости ветра. Прибор оснащён ультразвуковыми передатчиками и приёмниками, расположенными на фиксированном расстоянии друг от друга. Ультразвуковые волны посылаются в воздух одновременно в двух направлениях: по направлению ветра и против него. Время прохождения звука изменяется в зависимости от скорости воздушного потока. Если волна движется по направлению ветра, она ускоряется; против ветра – замедляется. Прибор рассчитывает скорость ветра, используя разницу времени прохождения звука.

Применение в экологии:

• Мониторинг скорости и направления ветра на открытых пространствах и в сложных климатических условиях.
• Используется для контроля выбросов загрязняющих веществ, моделирования воздушных потоков и оценки микроклиматических условий.

Ультразвуковые волны наглядно демонстрируют акустические принципы и зависимость скорости звука от параметров среды, таких как температура и давление.

6. Радиометр

Радиометр работает на основе излучения энергии электромагнитных волн и принципов термодинамики, в частности закона Стефана-Больцмана и закона Планка.

Они бывают: пассивные радиометры – измеряют естественное излучение объектов, активные радиометры – используют внешние источники излучения для анализа отражённых сигналов.

Радиометр фиксирует интенсивность излучения, испускаемого объектом в определённом диапазоне волн (например, инфракрасный, микроволновый или видимый диапазон). С помощью чувствительных детекторов (например, термопар или болометров) измеряется поток энергии, падающий на приёмную поверхность радиометра. Прибор рассчитывает энергетическую яркость объекта, используя зависимости, вытекающие из закона Стефана-Больцмана.

Применение в экологии:

• Оценка температурного излучения почвы, воды и растительного покрова.
• Измерение отражательной способности поверхности Земли (альбедо) для мониторинга климатических изменений.
• Анализ солнечного излучения для оценки эффективности солнечных батарей.

 Радиометр на практике демонстрирует фундаментальные законы теплового излучения и взаимодействие электромагнитных волн с материалами.

Современные методы измерений позволяют экологам проводить детальный анализ состояния природных компонентов: атмосферы, воды, почвы и биосферы. Использование физических приборов, таких как газоанализаторы, акустические анемометры, радиометры, турбидиметры и тепловизоры, демонстрирует на практике фундаментальные физические законы. Эти измерения помогают выявить изменения в экосистемах и разработать решения для их сохранения.

Список литературы:

1. Коноплин Н.А., Морозов А.В., Ивахненко Н.Н., Маринова С.А., Алероева Т.А. Физика. Метод. пособие. РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. Москва. 2023. – 165 с.
2. Коноплин Н.А., Морозов А.В., Маринова С.А. Совершенствование учебного процесса по курсу физики при обучении иностранных студентов по инженерным направлениям подготовки. Международный научный журнал. 4 (97). Москва. 2024. – 40-47 с.
3. Коноплин Н.А., Маринова С.А., Шестаков М.В. Погрешности физических измерений. Метод. пособие. РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. Москва. 2022. – 35 с.