рпо физика 2

1. ПРОФЕССИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЙ БЛОК

ПРОФЕССИОНАЛЬНООРИЕНТИРОВАННЫЙ БЛОК
Тема: Значение физики при освоении специальности
09.02.07 Информационные системы и
программирование.
Преподаватель: Полина Олеговна

2. Зачем физика программисту?

Три направления влияния физики на IT:
1.Понимание аппаратного обеспечения – как работают процессоры, память, датчики,
системы охлаждения.
2.Работа с данными – оцифровка сигналов, погрешности, сжатие и передача
информации.
3.Формирование системного мышления – абстракция, анализ, проверка гипотез.

3. Направление 1: Архитектура компьютера

Все компоненты компьютера работают на физических
принципах:
Процессор – состоит из транзисторов. Транзистор – это
полупроводниковый ключ, который управляет током. Физика
полупроводников.
Память (RAM, SSD, HDD) – хранение информации основано
на заряде (DRAM), магнитных доменах (HDD) или ловушках
заряда (SSD). Физика хранения данных.
Датчики – преобразуют физические величины (температура,
давление, освещённость) в электрический сигнал.
Охлаждение – отвод тепла от процессора основан на
теплопередаче (конвекция, радиация).
Пример: При вычислениях процессор выделяет тепло.
Формула: Q = I²·R·t (закон Джоуля-Ленца). Если тепло не
отводить, процессор снижает частоту (троттлинг) или выходит
из строя.

4.

5. Направление 2: Оцифровка и работа с данными

АЦП (аналого-цифровой преобразователь) – это
устройство, которое превращает непрерывный
(аналоговый) сигнал в цифровой (дискретный).
Реальный мир аналоговый: звук – это волна, температура –
непрерывная величина, свет – непрерывный поток.
Компьютер работает только с цифрой – с числами (битами).
АЦП измеряет значение сигнала через равные промежутки
времени (дискретизация) и округляет до ближайшего
уровня (квантование).
Разрядность – количество бит, которое используется для
кодирования одного отсчёта.
Чем выше разрядность, тем больше уровней квантования и
тем выше точность.
8 бит → 2⁸ = 256 уровней (грубо, как телефонный звонок).
16 бит → 2¹⁶ = 65 536 уровней (качество CD).
24 бита → 2²⁴ ≈ 16,7 млн уровней (студийное качество).
Компромисс: высокая точность → большой объём данных →
большая нагрузка на сеть и хранилище.
Дано: стереозапись (2 канала), частота
дискретизации 44 100 Гц (отсчётов в секунду),
разрядность 16 бит, длительность 1 минута =
60 секунд.
Расчёт объёма данных в битах:
44 100 (отсчётов/с) × 16 (бит) × 2 (канала) × 60
(с) = 84 672 000 бит.
Переводим в байты: 84 672 000 / 8 = 10 584 000
байт ≈ 10,1 Мбайт.

6. Направление 3: Формирование системного мышления

Физика развивает навыки, критически важные для программиста:
1.Абстрактное мышление – умение строить модели, выделять главное,
отбрасывать второстепенное.
2.Анализ причинно-следственных связей – поиск корня проблемы: если А, то
Б; как изменение одного параметра влияет на другие.
3.Проверка гипотез – умение тестировать предположения экспериментально
(в IT – это отладка, юнит-тесты).
4.Работа с погрешностями – понимание, что идеальной точности не бывает,
умение оценивать допустимые отклонения.

7. Итоговая таблица: физика и IT

Раздел физики
Применение в IT
Электричество и магнетизм
Работа процессоров, память, передача
данных (Wi-Fi, Ethernet, USB)
Термодинамика (теплота)
Охлаждение серверов,
энергопотребление дата-центров
Оптика
Оптоволоконные линии связи, лазеры,
датчики, дисплеи
Квантовая физика
Квантовые компьютеры (будущее),
криптография, полупроводники
Методология (научный метод)
Отладка, тестирование, системный
анализ, проектирование

8. Групповая работа – кейс «Умный дом»

Ситуация:
Компания разрабатывает систему «Умный дом». В каждой комнате установлен
датчик температуры. Датчик передаёт показания на центральный сервер,
который управляет климатической техникой. Заказчик требует, чтобы
температура в комнате поддерживалась с точностью ±0,5 °C.
Проблема: Датчик, который установлен, имеет паспортную погрешность ±2 °C.
При этом он выдаёт значение каждую секунду.
Вопросы для обсуждения в группе:
1.Можно ли использовать этот датчик в таком виде? Почему?
2.Какие способы решения проблемы вы можете предложить?
3.Какое физическое явление лежит в основе работы датчика температуры?
4.Как вы думаете, какую роль здесь играет частота измерений (каждую секунду)
– это много или мало?

9. Итоги

Физика – это фундаментальная наука о природе, основа для всего.
Научный метод – это универсальный алгоритм познания, который работает и в физике,
и в программировании.
Модели – это упрощения, которые позволяют делать расчёты там, где реальность
слишком сложна.
Любое измерение имеет погрешность – это нужно учитывать в работе с датчиками и
данными.
Физика даёт вам понимание работы «железа», оцифровки данных и формирует
системное мышление.