Приложение 3

БИЛЕТ 1

Короткое замыкание

Любое электрическое устройство рассчитывают на определенную силу тока. Во время эксплуатации прибора, если произойдет увеличение силы тока больше допустимого значения, может возникнуть короткое замыкание. Возрастание силы тока в цепи может произойти при соединении оголенных проводов, при ремонте электрических цепей под током. В любом случае короткое замыкание возникает тогда, когда соединяются концы участков цепи проводником, сопротивление которого мало по сравнению с сопротивлением самого участка цепи. При коротком замыкании резко возрастает сила тока в электрической цепи, что может быть причиной пожара. Чтобы этого не случилось, применяют плавкие предохранители. Плавкие предохранители при возникновении короткого замыкания отключают электрическую цепь.

Главная часть предохранителя- свинцовая проволока, находящаяся в фарфоровой пробке. В зависимости от толщины проволоки, она выдерживает ту или иную силу тока, например 10 А. Если сила тока превысит допустимое значение, проволока в пробке расплавится, и электрическая цепь разомкнется. Если перегоревшую проволоку заменить, то плавкий предохранитель можно использовать снова.

Ответьте на вопросы к тексту.

1. Для чего служат предохранители?
2. Как устроен простейший плавкий предохранитель?

БИЛЕТ 2

Изучение космических лучей

В 1896 году французский физик А. Беккерель открыл ионизирующее действие быстрых заряженных частиц на эмульсию фотопластинки. Фотоэмульсия содержит большое количество микроскопических кристаллов бромида серебра. Быстрая заряженная частица, пронизывая кристаллик, отрывает электроны от отдельных атомов брома. Цепочка таких кристалликов образует скрытое изображение, при проявлении в этих кристалликах восстанавливается металлическое серебро и цепочка зерен серебра и цепочка зерен серебра образует трек частицы.

Эти опыты Беккереля легли в основу создания метода изучения космических лучей и ядерных процессов, разработанных Л.С. Мысовским, А. П. Ждановым и др. Наблюдения показали, что альфа частицы, попадая в эмульсию фотопластинки под острым углом к её поверхности, оставляют в ней характерный след, становящийся видимым в микроскоп после проявления. Пробег альфа частицы в фотоэмульсии вследствие большой плотности среды составляет несколько десятков микрометров. У обычных фотопластинок слой светочувствительной эмульсии имеет толщину всего около 20 мкм. Для ядерных исследований изготавливают пластинки с тридцатикратной и более толщиной светочувствительного слоя (до 600 и даже 1000 мкм) и применяют мелкозернистые эмульсии, позволяющие запечатлеть след протонов.

Изучение следов космических частиц в толстослойных фотопластинках, поднятых с помощью ракет на высоту 100 км, не оставляет сомнения в том что первичными частицами космического излучения являются главным образом протоны и в меньшем количестве альфа-чатицы и ядра других более тяжелых элементов.

Интенсивность первичных космических лучей равна примерно 100 000 МэВ/мин на 1 см² в единице телесного угла.

По порядку величины энергия, приносимая на Землю космическим излучением, примерно равна энергии, получаемой Землей от звезд.

Ответьте на вопросы к тексту.

1. Можно ли для регистрации космических лучей использовать фотопластинки, применяемые при обычном фотографировании?
2. Как, изучая трек частиц, можно определить массу частиц?

БИЛЕТ 3

Тепловая машина

В современной технике механическую энергию в основном получают за счет внутренней энергии топлива. Устройства, в которых происходит преобразование внутренней энергии в механическую, получили название тепловых двигателей. Если в цилиндре есть поршень, который может свободно перемещаться, то можно заставить перемещаться этот поршень за счет расширения газа, т. Е. газ совершает работу. В этом случае газ называют рабочим телом. Чтобы двигатель работал непрерывно, необходимо, чтобы поршень после расширения газа каждый раз возвращался в исходное положение, сжимая газ до первоначального положения. Сжатие газа может происходить только под действием внешней силы, которая при этом совершает работу. После этого вновь могут происходить процессы расширения и сжатия газа. Следовательно, работа теплового двигателя должна состоять из периодически повторяющихся процессов расширения и сжатия.

Рассмотрим принцип работы поршневого двигателя. В таком двигателе рабочим телом является газ, который давит на поршень, вследствие чего поршень перемещается. При расширении газа возникает движение поршня, которое передается валу двигателя с укрепленным на нем маховиком. Для сжатия газа поршень должен переместиться под действием внешней силы в противоположном направлении. Это движение совершается за счет кинетической энергии, запасенной маховиком в процессе расширения газа.

Если работа сжатия газа меньше работы расширения газа, то мы получим полезную работу, т.е. каждому значению объема газа при сжатии должно соответствовать меньшее давление, чем при расширении. Давление газа при одном и том же объеме тем меньше, чем ниже его температура. Поэтому газ перед сжатием должен быть охлажден. Для этого его необходимо привести в контакт с телом, имеющим более низкую температуру. Это тело называют холодильником.

Нагреватель, рабочее тело и холодильник -основные части теплового двигателя. На рисунке 1 в координатных осях pv графически представлен процесс расширения газа (линия АВ) и сжатия до первоначального объема (линия СD)

Рис.1

Ответьте на вопросы к тексту.

1. Чему численно равна площадь фигуры АВЕF?
2. Чему численно равна площадь фигуры АВСD?

БИЛЕТ 4

Молния

Наблюдали ли вы молнию? Красивое и небезопасное явление природы. Уже в середине 13 века ученые обратили внимание на внешнее сходство молнии и электрической искры. Высказывалось предположение, что молния-это электрическая искра. Когда же она возникает? Соберем установку: к двум шарикам, закрепленным на изолирующих штативах и находящимися на некотором расстоянии друг от друга, подключим батарею конденсаторов (рис.1). Начнем заряжать конденсаторы от электрической машины.

По мере заряжения конденсаторов увеличивается разность потенциалов между электродами, а следовательно, будет увеличиваться напряженность поля в газе. Пока напряженность поля невелика, между шариками нельзя заменить никаких изменений. Однако при достаточной напряженности поля (30 000 В/см) между электродами появляется электрическая искра, имеющая вид ярко светящегося извилистого канала, соединяющего оба электрода. Газ вблизи искры нагревается до высокой температуры и расширяется, отчего возникают звуковые волны, и мы слышим характерный треск.

Опыты с атмосферным электричеством, проводимые М. В. Ломоносовым и Франклином независимо друг от друга, доказали, что грозовые облака несут в себе большие электрические заряды и что молния- это гигантская искра, ничем (кроме размеров) не отличается от искры между шариками.

Ответьте на вопросы к тексту.

1. Зачем в описанном опыте применяли батарею конденсаторов?
2. К какому виду разрядов можно отнести молнию?

БИЛЕТ 5

Экологические последствия аварии на Чернобыльской АЭС.

Авария на Чернобыльской АЭС является не только крупной по своим масштабам, но и классической по опасным экологическим последствиям. Первичное парогазовое облако, образовавшиеся в результате разрушения реактора, содержало всю гамму радионуклидов, накопившихся в реакторе за время его работы, а также компоненты ядерного топлива. Облако содержало большое количество образовавшихся биологически опасных изотопов плутония и других актинидов (нептуний-237, америций-242,-245,кюрий242, 244 и другие), опасных газообразных изотопов (ксенон-133, крипьон-85, йод-131,- 132). При подъеме этого облака и его движении образовались два радиоактивных следа: западный и северный.

Безусловно, что радиоактивному воздействию за счет прохождения первичного парогазового облака подвергались люди и окружающая среда. Причем на малых расстояниях от аварийного облака доза облучения на его следе была весьма значительна, о чем свидетельствует гибель хвойных пород леса на западном следе облака. В дальнейшем значительные выбросы радионуклидов продолжалась еще 9 суток. Все эти выбросы радионуклидов при меняющихся в этот период метеорологических условий и вызвали в целом неравномерное радиоактивное загрязнение огромных территорий. Значительные с точки зрения экологических последствий для населения и территорий выпадения радионуклидов были ограничены расстоянием 100-200 км от аварийного энергоблока. На дальних расстояниях преобладала конденсация компонента выпадения, характерной особенностью которого является преимущественный вклад цезия-137 в суммарную активность загрязнения объектов окружающей среды после распада короткоживущих радионуклидов. В развитии радиационной обстановки после аварии на Чернобыльской АЭС принято выделять два основных периода: период «йодовой опасности» и «цезиевый» период, который наступил спустя два месяца после аварии. В «йодовом периоде», кроме внешнего облучения, за счет которого формировалось до 45% дозы за первый год, основные проблемы были связаны со снижением уровней внутреннего облучения, которое определялось в основном употреблением молока- главного «поставщика» радионуклида йода в организм человека, и листовых овощей. Для примера отметим, что корова ежесуточно съедает на пастбище корм с площади около 150 м² и является идеальным концентратором радиоактивности в молоке.

«Цезиевый период», наступивший в конце июля 1986 года, будет продолжаться длительное время, и цезий будет являться основной причиной радиационного воздействия на населения и окружающую среду. Как известно, период полураспада цезия-137 составляет 300 лет.

Анализ чернобыльской аварии подтверждает, что радиоактивное загрязнение окружающей среды является наиболее важным экологическим последствием радиационных аварий с выбросами радионуклидов, основным фактором, оказывающим влияние на состояние здоровья и условия жизнидеятельности людей на территориях, подвергшихся радиоактивному загрязнению.

Ответьте на вопросы к тексту.

1. Когда произошла авария на Чернобыльской АЭС?
2. Какие наиболее опасные изотопы актинидов?

БИЛЕТ 6

Огонь из «ничего»

Возьмем толстостенный сосуд, сделанный из оргстекла (рис. 1). Сосуд имеет диаметр порядка 40 мм и высоту около 160 мм. Вблизи дна сосуда имеется плотно закрывающееся отверстие. Внутри сосуда может перемещаться хорошо пригнанный к стенкам поршень с ручкой. Положим на дно цилиндра смоченный эфиром кусочек ваты и быстро опустим поршень вниз. Сквозь стенки прозрачного сосуда мы видим ярко вспыхнувшее пламя. Нагревание воздуха при быстром сжатии нашло применение в двигателях Дизеля. В цилиндр двигателя засасывается атмосферный воздух, и в тот момент, когда наступает его максимальное сжатие, туда вспрыскивается жидкое топливо. К этому моменту температура воздуха так велика, что горючее самовоспламеняется. Двигатели Дизеля имеют большой коэффициент полезного действия, чем обычные, но более сложны в изготовлении и эксплуатации. Сейчас все большее количество автомобилей снабжается двигателями Дизеля.

Ответьте на вопросы к тексту.

1. Почему опыт не удается, если воздух в цилиндре сжимать медленно?
2. Почему для проведения опыта берется именно эфир?

БИЛЕТ 7

Какое хочу, такое и получу

При практическом использовании энергии электрического тока очень часто возникает необходимость изменять напряжения, даваемое каких-либо генератором. В одних случаях нужны напряжения в тысячи или даже сотни тысяч вольт, в других необходимы напряжения в несколько вольт или несколько десятков вольт. Осуществить такого рода преобразования можно в устройствах, которые называют трансформаторами. В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции. Трансформатор состоит из двух обмоток, надетых на магнитомягкий стальной сердечник. Сердечник собран из пластин. Одна из обмоток, называемая первичной, подключается к источнику переменного тока. Вторая обмотка, к которой подсоединяют «нагрузку», называют вторичной. (рис.1).

Для трансформаторов, работающих на холостом ходу, справедливо соотношение

где U₁ и U₂- напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора, а N₁ и N₂ – число витков на первичной и вторичной обмотках трансформатора. Величину К называют коэффициентом трансформации. Трансформатор преобразует переменный электрический ток таким образом, что произведение силы тока на напряжение приблизительно одинаково в первичной и вторичной обмотках.

Электрическая энергия- самая универсальная и удобная форма энергии для передачи на большие расстояния. Удвоение потребления энлектроэнергии происходит в среднем за 10 лет. Это означает, что роль трансформаторов как повышающих, так и понижающих будет возрастать.

Рис 1

Ответьте на вопросы к тексту:

1. В чем заключается явление электромагнитной индукции?
2. Может ли трансформатор работать от постоянного тока?

БИЛЕТ 8

Огни святого Эльма

В природе наблюдается интересное явление. Иногда в тропическую ночь на мачтах и реях кораблей появляются кисточки холодного пламени. Эти огни известны очень давно. Их видели Колумб и Магеллан, о них писал даже Юлий цезарь, который однажды видел такое свечение на копьях своих солдат во время ночного похода через горы. Не составляет большого труда самим получить такое свечение. Если хорошо натереть лист оргстекла сухой тканью и после этого к листу поднести полураскрытые ножницы остриями к листу, то в затемненной комнате можно увидеть как на остриях ножниц появляются дрожащие пучки нитей, светящиеся лиловатым пламенем. В тишине можно услышать легкое шипение или жужжание. Если вместо ножниц к листу оргстекла поднести спичку, то она не зажжется, хотя огонь будет плясать прямо на головке спички. Возникшее свечение холодное. Такое свечение часто появлялось на шпиле церкви святого Эльма в одном из городов Франции и считалось доброй приметой. Подобное свечение получило название огней святого Эльма.

Ответьте на вопросы к тексту:

1. Какое физическое явление лежит в онове появления огней святого Эльма?
2. Почему не возникает такого свечения на плоской металлической крыше?

БИЛЕТ 9

От Галилея до современности

Маятник обладает удивительным свойством- оно казалось удивительным Галилею, измерявшему время по числу биений пульса, оно кажется таким же и современному человеку, пользующемуся секундомером. Заключается оно в том, что колебания маятника и с малой амплитудой и с большой амплитудой совершаются практически за одно и то же время. Если сначала колебания происходят с очень большим отклонением, скажем на 80⁰ от вертикали, то при затухании колебаний до 60…40…20 ⁰ период уменьшится, лишь на несколько процентов; а при уменьшении отклонений от 20 ⁰ до едва заметного период изменяется меньше чем на 1%. При отклонениях меньше 5⁰ период остается неизменным с точностью до 0,05%.

Это свойство маятника оказалось не только удивительным, но и полезным. Галилей предложил использовать маятник в качестве регулятора в часах. Лишь столетие спустя после Галилея часы с маятниковым регулятором вошли в обиход. Однако мореплаватели нуждались в точных часах для измерения долготы на море. Была объявлена премия за создание морских часов, которые позволяли бы измерять время с достаточной точностью. Премию получил Гаррисон за хронометр, в котором для регулирования хода использовалось маховое колесо(баланс) и специальная пружина.

Свойство независимости периода колебаний маятника от амплитуды называется изохронностью.

Ответьте на вопросы к тексту:

1. Одинакова ли скорость движения маятника?
2. постоянно ли ускорение при движении маятника?

БИЛЕТ 10

Действие магнитного поля на проводник с током.

Воспользуемся магнитным полем дугообразного магнита, а электрическую сеть соберём согласно рис.1.

Проводник АВ представляет собою прямолинейный участок цепи, находящийся в магнитном поле дугообразного магнита. При пропускании электрического тока наблюдается отклонение проводника с током в магнитное поле. Меняя направление тока, можно наблюдать изменение направления отклонения проводника с током в магнитном поле.

В 1820г. французский физик Ампер экспериментально установил, от каких физических величин зависит эта сила.

Сила, с которой магнитное поле действует на помещённый в него отрезок проводника с током, равна произведению силы тока, модуля вектора магнитной индукции, длины отрезка проводника и синуса угла между направлениями тока и магнитной индукции:

Существует правило, по которому определяется направление силы Ампера. Если в магнитном поле будет находиться рамка с током, то на нее действует пара сил, которая создаёт вращающий момент для рамки (рис.2):

Поворот рамки с током в магнитном поле используется в электроизмерительных приборах магнитоэлектрической системы, например в амперметрах. В магнитном полнее между постоянным магнитом и цилиндром из мягкого железа располагается катушка, способная вращаться вокруг своей оси. При такой конструкции вращающий млмент, действующий на катушку, максимален. Вращающий момент пропорционален силе измеряемого тока и числу витков в катушке. Измеряемая сила тока прямо пропорциональна углу отклонения стрелки.

Рис 1 Рис 2

Ответьте на вопросы к тексту:

1. Почему магнитное поле действует на проводник с током, находящийся в этом магнитном поле?
2. Сформулируйте правило для определения направления силы Лоренца.

БИЛЕТ 11

Пока еще недоступная энергия

При слиянии легких ядер выделяется энергия. Как научиться управлять этой энергией? Задача состоит в том, чтобы преодолев электрическое отталкивание, сблизить легкие ядра на достаточно близкие расстояния друг от друга, где уже начинают действовать между ними ядерные силы притяжения. Если бы можно было заставить два протона и два нейтрона объединиться в ядро атома гелия- или же четыре протона с соответствующими превращениями,- то при этом выделилась бы огромная энергия. Заставить сблизиться ядра можно с помощью нагрева до высоких температур, когда в результате обычных столкновений ядра смогут сблизиться на соль малые расстояния, чтобы ядерные силы вступили в реакцию, и произошел синтез. Начавшись, процесс синтеза, сможет дать такое количество теплоты, которое нужно для поддержания высокой температуры, необходимой для дальнейших слияния ядер. Этот многостадийный процесс «горения» водорода, в результате которого происходит синтез ядер гелия, является источником непрерывного потока солнечной радиации. Проблема использования синтеза ядер в мирных целях, например для производства электрической энергии, упирается в очень трудную проблему удержания реакции. Газ должен быть раскален до температуры порядка 50 000 000 о С, и любая твердая оболочка, соприкасаясь с ним, обратиться в пар. Если к тому же при синтезе выделяется полезное тепло, то задача удержания реакции еще более усложняется.

В настоящее время ведутся исследования по удержанию реагирующих веществ с помощью электромагнитного поля. Можно подвешивать в воздухе магнит с помощью других магнитов, хотя такое равновесное положение и является неустойчивым. Если пропустить ток достаточно большой силы через газ, то образуются потоки электронов и положительных ионов, движущихся навстречу друг другу. Под действием магнитного поля, которое окружает ток, такой поток движущихся зарядов будет сжиматься в узкий шнур. В этом заключается так называемый пинч-эффект. Пинч-эффект и силы, создаваемые магнитными полями, меняющимися по определенному закону, можно использовать для удержания плазмы- смеси быстро движущихся ядер и электронов в «магнитной бутылке», где происходит реакция синтеза.

Ответьте на вопросы к тексту:

1. Что означает слово синтез?
2. Что такое плазма?

БИЛЕТ 12

Разделение атомов в газовом разряде.

На рисунке 1 представлена разрядная стеклянная трубка, в которой впаяны два электрода А и В в виде металлических пластин, между которыми подается высокое напряжение порядка 40000 В для создания сильного поля в области У между электродами. Трубка наполнена газом при пониженном давлении. По обе стороны электродов впаяны по две, параллельные между собой, пластины, к которым подается постоянное напряжение.

Предполагается, что во внешних областях Х и У горизонтальное электрическое поле отсутствует. В области У находится небольшое количество газа, в котором образуются электроны и положительные ионы. Большинство электронов, увлекаемые полем, ударяются в пластину В, но некоторые проходят через отверстие, образуя пучок в области Z. Вертикальное электрическое поле, создаваемое пластинами Рz и Рz *, отклоняют этот пучок вниз. В области Z действует и магнитное поле, перпендикулярное плоскости страницы; это поле также отклоняет пучок электронов вниз. Эти поля действуют и на положительные ионы, проходящие через отверстие в пластине А в области Х. Наличие магнитного поля в области Х приводит к тому, что в пучке движущихся зарядов происходит разделение зарядов. Отклонение зарядов будут пропорциональны значениям е, m, v.

Ответьте на вопросы к тексту:

1. В области Х действует такое же магнитное поле, как и в области Z?
2. Куда это поле будет отклонять положительные ионы- вверх или вниз?

Рисунок 1

БИЛЕТ 13

Шумовое загрязнение среды

Остановитесь и прислушайтесь: по улице с шумом проносятся многотонные автомобили, хлопают двери парадных на мощных пружинах, со двора несутся крики детворы, до глубокой ночи оглушают магнитофоны и телевизоры… Картина вполне обыденная. Но нормально ли это?

Наш век стал очень шумным. Трудно сейчас назвать область техники, производства и быта, где в звуковом спектре не присутствовал бы шум, т. е. мешающая и раздражающая нас смесь звуков. За определенный комфорт, удобства связи и передвижения, благоустройства быта и совершенствование производства современному человеку приходится слушать не скрип телег, а вой автомобилей, рев реактивных самолетов. Внедрение в промышленность новых технологических процессов, рост мощности и быстроходности транспорта, механизация производственных процессов привели к тому, что человек в производстве и быту постоянно подвергается воздействию шума высоких уровней.

Шумом является всякий нежелательный для человека звук. При нормальных физических условиях скорость звука в воздухе 344 м\с. Звуковое поле- это область пространства, в которой распространяются звуковые волны. При распространении звуковой волны происходит перенос энергии. Уровень шума измеряется в единицах, выражающих степень звукового давления, децибелах (дБ), это давление воспринимается не беспредельно. Шум в 20-30 дБ практически безвреден для человека и составляет естественный звуковой фон, без которого невозможна жизнь. Допустимая граница поднимается примерно до 80 дБ. Шум в 130 дБ уже вызывает у человека болевые ощущения, а достигнув 150 дБ, становится для него непереносимым. Недаром в средние века существовала казнь «под колокол»; колокольный звон убивал человека. На многих оживленных магистралях даже ночью шум не бывает ниже 70 дБ, в то время как по санитарным нормам он не должен превышать 40дБ.

Шум, даже когда он не велик, создает значительную нагрузку на нервную систему человека, оказывая на него психологическое воздействие. Отсутствие необходимой тишины, особенно в ночное время, приводит к преждевременной усталости, бессоннице и атеросклерозу. Под действием шума 85-90 дБ снижается слуховая чувствительность на высоких частотах. Недомогание, головокружение, тошнота, раздражительность- все это результат пребывания в шумных условиях. В настоящее время воздействие звука, шума на функции организма изучает наука аудиология. Было установлено, что шумы природного происхождения(шум морского прибоя, листвы, дождя и др.) благоприятно влияют на организм, успокаивают его, нормализуют сон.

Ответьте на вопросы к тексту:

1. Какой уровень шума безвреден для человека?
2. Какой допустимый уровень шума для человека?

БИЛЕТ 14

«Грязный» транспорт

Число автомобилей на дорогах растет. Все возрастающая интенсивность движения приводит к увеличению вредных выбросов, что негативно отражается на качестве воздуха: 1 т бензина, сгорая выделяет 500-800 кг вредных веществ. В атмосферу ежегодно выбрасывается порядка 5 млрд. т СО₂. В состав выхлопных газов входит 1 200 компонентов, в том числе оксида углерода, оксиды азота, углеводороды, оксиды металлов (наиболее вредный –оксид свинца), сажа и пр.

Молекулы оксида углерода способны поглощать инфракрасное излучение, поэтому увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере изменяет её прозрачность. Инфракрасное излучение, испускаемое земной поверхностью, все в большей мере поглощается в атмосфере. Дальнейшее увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере может привести к «парниковому эффекту». Ежегодно температура атмосферы земли повышается на 0,05 ⁰ С. При сжигании топлива уменьшается содержание кислорода в воздухе. Более половины всех загрязнений атмосферы создает транспорт. Кроме оксида углерода и соединений азота при работе двигателей сгорания ежегодно в атмосферу выбрасывается 2-3 млн. т свинца. Содержание серы в топливе напрямую влияет на выделение в окружающую среду диоксида серы. Диоксид серы вызывает образование сульфатных частиц, которые оказывают целый ряд негативных последствий на здоровье человека. Диоксид серы может превращаться в высокую коррозийную серную кислоту («кислотный дождь»), которая, среди прочего, способна повреждать здания. Так как автомобильные двигатели играют решающую роль в загрязнении окружающей среды в городах, то проблема их усовершенствования является одной из наиболее важных научно-технических задач. Один из путей уменьшения загрязнения атмосферы- использование дизелей вместо карбюраторных бензиновых двигателей, так как в дизельное топливо не добавляют свинец. В перспективе и другие способы уменьшения загрязнения окружающей среды, например, применение электродвигателей на транспорте или двигателей, в которых топливом является водород, создание двигателей, работающих на солнечных батареях.

Ответьте на вопросы к тексту:

1. К каким последствиям приводит широкое применение тепловых машин в энергетике и транспорте?
2. К чему может привести повышение температуры Земли?

БИЛЕТ 15

Опыт Джоуля

В начале прошлого века английский ученый Д.Джоуль впервые установил закон сохранения энергии. Ему удалось экспериментально доказать, что механическая энергия переходит в тепловую, тепловая в механическую в эквивалентных соотношениях. Баланс сходится всюду: химическая энергия превращалась в тепловую или сначала в электрическую, а затем в тепловую, электрическая энергия в химическую, а затем в тепловую. Многочисленные опыты проверялись и перепроверялись. Перед вами описание опыта, проведенного Джоулем, по измерению перехода потенциальной энергии силы тяжести в тепловую при падении свинцовой дроби. Горсть свинцовой дроби помещалась в закрытую картонную трубку и быстро переворачивалась, так, чтобы дробь пролетела всю высоту трубки. Трубку резко переворачивали подряд порядка 50 раз. После этого дробь высыпали в картонный стаканчик. Ртутным термометром измеряли температуру дроби до и после опыта. При каждом переворачивании трубки дробь приобретает потенциальную энергию за счет переворачивания. При падении дроби её потенциальная энергия превращается в кинетическую, которая при неупругом ударе о дно картонной трубки переходит в теплоту.

Можно рассчитать полную потенциальную энергию и количество теплоты, полученное дробью в конце опыта. Этот очень не точный эксперимент и его можно усовершенствовать. В промышленности используют потенциальную энергию поднятого молота при штамповке деталей из металла и пластмасс, а также при ковке деталей на кузнечных молотах

Ответьте на вопросы к тексту:

1. Почему не обязательно в этом опыте измерить массу дроби?
2. Когда дробь заканчивает своё движение, почему дно трубки должно находиться на твердой поверхности?

БИЛЕТ 16

Пузыри

Вам наверняка приходилось наблюдать за пузырями, которые образуются на поверхности пенных растворов, при выдувании из трубочки специальных растворов. Какой они формы? Долго они живут или быстро исчезают? Большие они или маленькие?

Ведь вы наверняка наблюдали, как иголка или, например, скрепка, или лезвие может держаться на поверхности воды. Надо сделать это- только очень осторожно: положить эти предметы строго горизонтально, стоит только начать опускать эти предметы наклонно, как они сразу идут ко дну. Значит, в первом случае что-то поддержало их, но что?

Молекулы, расположенные не очень близко друг к другу, притягиваются. В твердых телах межмолекулярные силы притяжения настолько велики, что надо приложить очень большое усилие для расцепления молекул и разделения твердого предмета на части.

В жидкостях притяжение не настолько сильное, но оно существует и вполне ощутимо. Наблюдая капли росы, вы замечали их круглую форму? А капля воды, растекаясь по ровной поверхности, образует круг, а в центре приподнятый холмик. Несомненно, существует какое- то притяжение между молекулами воды, которое заставляет их собираться в единое целое. Силы притяжения сближают молекулы, находящиеся на внешней поверхности, как можно ближе к центру капли. В результате поверхность служит как бы пленкой, стягивающей всю массу жидкости. Говорят, что жидкость обладает поверхностным натяжением.

Пузыри тоже образуются за счет поверхностного натяжения. Добавление в воду моющих средств, например мыла, ослабляет силы притяжения. На поверхности такого раствора уже практически невозможно удержать легкие предметы.

Пусть сначала поверхностное натяжение велико, как в случае чистой воды. Наружный слой воды давит на воздух и сжимает его. Сжатый воздух пытается прорваться через пленку и, в конце концов, прорывает её в каком-либо слабом месте- пузырь лопается.

Ответьте на вопросы к тексту:

1. Каким образом некоторые насекомые удерживаются на воде и даже используют силы поверхностного натяжения для того, чтобы двигаться?
2. Почему пузырь имеет всегда шарообразную форму?

БИЛЕТ 17

Резонанс

Вы наблюдали, что при вращении велосипедного колеса, начиная с небольшой скорости вращения, невозможно различить спицы колеса. Они стали как бы шире и сливаются воедино. Представим себе, что между двумя брусочками закрепим четыре упругие пластинки разной длины. На концах пластинок имеются, сделанные из легкой жести белые флажки. Пластинки могут совершать упругие колебания. Для своих наблюдений прибор укрепим на центробежной машине. (рис.1)

Начнем плавно вращать рукоятку центробежной машины, медленно и равномерно увеличивая скорость. При этом пластинки нашего прибора испытывают периодические толчки, частота которых равна числу оборотов машины. Наблюдаем, что при постепенном увеличении скорости вращения, визуальная ширина закрепленных пластинок поочередно увеличивается. Чем больше частота вращения центробежной машины, тем у более короткой пластинки наступает эффект увеличения полоски флажка, и наоборот. Увеличение ширины полоски флажка можно объяснить тем, что у пластинок наблюдается максимальное отклонение от положения равновесия при определенной частоте вращения центробежной машины. Когда собственная частота пластинки, определяемая её параметрами, совпадает с частотой вращения центробежной пластины, наступает явление резонанса.

Ответьте на вопросы к тексту:

1. Что называется резонансом?
2. Приведите примеры полезного использования резонанса?

Рисунок 1

БИЛЕТ 18

Давление воздуха

Когда мы обращаем внимание на то, что вокруг нас воздух7 тогда, когда мы начинаем быстро двигаться, или тогда, когда нам дует ветер в лицо. Но самый наглядный способ убедиться в наличии воздуха- увидеть, как он давит на находящиеся в нем предметы.

Приготовим емкость с водой. Возьмем стакан, наполненный водой до краёв, погрузим его в воду вверх дном. Медленно начнем вытаскивать стакан из воды. Вода поднимается вместе со стаканом, и уровень её намного выше, чем уровень воды в ёмкости. Казалось, что воду в стакане ничто не удерживает. Но тогда бы она вылилась из стакана. Что это за сила, удерживающая воду?

На несколько сотен километров вверх простирается над нами воздушный океан. Хотя воздух нам кажется совершенно невесомым, он оказывает значительное давление на все предметы, окружающие нас. На каждый квадратный сантиметр он оказывает давление порядка 9,8 Н. Таким образом, воздух давит на поверхность воды в емкости и удерживает столб воды в стакане. Если возьмем трубки высотой 15, 30 см, 3 м, то при повторении опыта мы убедимся, что в трубках такой высоты атмосферное давление удерживает столб воды в них. Однако есть предел высоты водяного столба, который можетбыть удержан атмосферным давлением. Вода, как и воздух, давит на находящиеся в ней тела. На глубине примерно 10 м сила давления воды становится равной 98 Н, что совпадает с нормальным атмосферным давлением. Значит, давление столба воды высотой 10 м (а точнее 10 м 33 см) как раз уравновешивает атмосферное давление, которое удерживает воду в сосуде. Таким образом, высота столба воды не может превышать 10 м.

Ответьте на вопросы к тексту:

1. Можно ли давление воздуха измерять высотой столба воды?

2. Изменение атмосферного давления означает вероятное изменение погоды?

БИЛЕТ 19

Центрифугирование

Разделение изотопов всегда сопряжено со значительными трудностями, так как изотопы, представляющие собой чуть различающиеся по массе вариации одного элемента, химически ведут себя практически одинаково. Но скорость прохождения некоторых реакций отличается в зависимости от изотопа элемента. Но различияв поведении изотопов настолько малы, что за одну стадию разделения вещество обогащается на сотые доли процента и повторять процесс разделения приходится огромное число раз.

На производительность подобной каскадной системы влияют две причины: степень обогащения на каждой из ступеней и потери ископомг изотопа в отходном потоке. Поясним второй фактор. На каждой из стадий обогащения поток разделяется на две части-обогащенную и обедненную нужным изотопом. Поскольку степень обогащения крайне низка, суммарная масса изотопа в отработанной породе может легко превысить его массу в обогащенной части. Для исключения такой потери ценного сырья обедненный поток каждой последующей ступени попадает снова на вход предыдущей. Существует несколько методов разделения изотопов. В любом случае количество произведенного материала зависит от желаемой степени обогащения и обеднения выходных потоков. Если исходное вещество имеется в большом количестве и дешево, то производительность каскада можно увеличить за счет отбрасывания вместе с отходамии большого количества неизвлеченного полезного элемента. Эффективность различных методов разделеления зависит также от свойств исходного материала. Технология газового центрифугирования впервые была разработана в Германии во время второй мировой войны и в начале 60-х годов получила промышленное применение. Если газообразную смесь изотопов пропустить через высокоскоростные центрифуги, то при вращении произойдет разделение изотопов по массе: легкие и тяжелые частицы будут вращаться в разных слоях, где их можно будет собрать. Центрифуга одинаковао хорошо работает и слегкими и стяжелыми элементами. Степень разделения пропорциональна квадрату отношения скорости вращения к скорости молекул в газе.

Поэтому желательно, как можно быстрее раскрутить центрифугу. Типичные скорости вращения центрифуг от 250 до 600 м/с. Этот метод имеет уменьшенное потребление, большую легкость в наращивании мощности. В настоящее время газовое центрифугирование-основной метод разделения изотопов.

Ответьте на вопросы к тексту:

1. Где находят применение изотопные технологии.

2. За счет какого действия происходит разделение изотопов в центрифуге?

БИЛЕТ 20

Броуновское движение

В своей повседневной жизни мы часто сталкиваемся с явлением диффузии- проникновением молекул одного вещества среди молекул другого (засолка продуктов, окраска тканей и т. д.) Причем чем выше температура веществ, тем процесс диффузии происходит быстрее. В 1827 г. Английский ученый Р.Б роун впервые наблюдал это явление, рассматривая в микроскоп взвешенные в воде споры плауна. Броуновское движение можно наблюдать и в газе. Вот как описывает броуновское движение немецкий физик Р. Поль. «Немногие явления способны так увлечь наблюдателю, как броуновское движение. Здесь наблюдателю позволяется заглянуть за кулисы того, что совершается в природе.

Перед ним открывается новый мир- безостановочная сутолока огромного числа частиц. Быстро пролетают в поле зрения микроскопа мельчайшие частицы почти мгновенно меняя направление джижени. Медленнее продвигаются более крупные частицы, но и они постоянно меняют своё направление движения. Большие частицы практически толкуться на месте.Их выступы явно показывают вращение частиц вокруг своей оси, которая постоянно меняет своё направление в пространстве. Нигде нет и следа системы или порядка. Господство слепого случая- вот какое сильное, подавляющее впечатление производит эта картина на наблюдателя». Броуновским движением является дрожание стрелок чувствительных измерительных приборов, которое происходит из-за теплового движения атомов деталей приборов и окружающей среды. Молекулярно-кинетическая теория броуновского движения была создана А. Эйнштейном в 1905 году.

Ответьте на вопросы к тексту:

1. Какова причина броуновского движекния?

2. Как влияет температура вещества на броуновское движение.

БИЛЕТ 21

Приливы и отливы

Солнце действует почти одинаковым образом на все, находящееся на Земле и внутри ее. Сила, с которой Солнце притягивает, например, москвича в полдень, когда он ближе всего к Солнцу, почти не отличается от силы, действующей на него в полночь! Ведь расстояние от Земли до Солнца в десять тысяч раз больше земного диаметра и увеличение расстояния на одну десятитысячную при повороте Земли вокруг своей оси на пол-оборота практически не меняет силы притяжения. Поэтому Солнце сообщает почти одинаковые ускорения всем частям земного шара и всем телам на его поверхности.

Почти, но все же не совсем одинаковые. Из-за этой-то небольшой разницы возникают приливы и отливы в океане. На обращенном к Солнцу участке земной поверхности сила притяжения несколько больше, чем это необходимо для движения этого участка по эллиптической орбите, а на противоположной стороне Земли – несколько меньше. В результате, согласно законам механики Ньютона, вода в океане немного выпучивается в направлении, обращенном к Солнцу, а на противоположной стороне отступает от поверхности Земли. Возникают, как говорят, приливообразующие силы, растягивающие земной шар и придающие, грубо говоря, поверхности океанов форму эллипсоида.

Чем меньше расстояния между взаимодействующими телами, тем больше приливообразующие силы. Вот почему на форму мирового океана большее влияние оказывает Луна, чем Солнце. Мы говорили о Солнце просто потому, что Земля вращается вокруг него и здесь легче понять причину деформации поверхности океанов. Если бы не было сцепления между частями земного шара, то приливообразующие силы разорвали бы его.

Приливная волна тормозит вращение Земли. Правда этот эффект мал, за 100 лет сутки увеличиваются на тысячную долю секунды. Но, действуя миллиарды лет, силы торможения приведут к тому, что Земля будет повернута к Луне одной стороной, и дневные сутки станут равными лунному месяцу. С Луной это уже произошло. Луна заторможена настолько, что повернута к Земле все время одной стороной.

Ответьте на вопросы к тексту:

1. Когда на человека действует большая сила притяжения со стороны Солнца: в полдень или в полночь? Почему?

2. Объясните своими словами, как возникают приливообразующие силы. Почему они оказывают тормозящее действие на вращение Земли?

БИЛЕТ 22

Звуки

Задумайтесь о происхождении звуков- вот стукнула дверь, ударили кулоком по столу, проехала машина. Звук всегда вызывается каким- либо механическим движением. Доски, стол, стены, большенство других предметов от точчков не приходят в видимое движение, если только они не очень сильны. Но они способны несколько прогибаться, и в результате возникает их легкое движение вперед-назад. Хорошоиллюстрирует природу колебаний туго натянутая струна или резиновый шнур. Предположим, что мы оттянули середину страны гитары из нормального положения. Струна натягивается, и, когда мы её отпускаем, она вернется назад, но в момент возвращения в своё нормальное положение она будет двигаться. Продолжая движение, постепенно замедляясь, она остановится, но уже по другую сторону от своего первоначального положения. Теперь струна снова натянута и должна двигаться назад. Со временем, после многих таких колебаний струна вернется в состояние покоя.

Подобным способом происходят колебания твердых упругих предметов, если какой- то участок тела толкнуть и вывести из нормального состояния. Колеблющиеся участки тянут и толкают соседние, а те тоже начинают колебаться.В сою очередь, они приводят в движение окружающие их участки и т. д.

Ответьте на вопросы к тексту:

1. Одинакова ли скорость распространения звука в различных твердых материалах?

2. Только ли в твердых материалах распространяется звук?

БИЛЕТ 23

Ледяная магия

Между внешним давлением и точкой замерзания (плавления) воды наблюдается интересная зависимость. С повышением давления до 2200 атмосфер она падает: с увеличением давления на каждую атмосферу температура плавления понижается на 0,0075 °С. При дальнейшем увеличении давления точка замерзания воды начинает расти: при давлении 3530 атмосфер вода замерзает при –17 °С, при 6380 атмосферах – при 0 °С, а при 20670 атмосферах – при 76 °С. В последнем случае будет наблюдаться горячий лед.

При давлении в 1 атмосферу объем воды при замерзании резко возрастает примерно на 11%. В замкнутом пространстве такой процесс приводит к возникновению громадного избыточного давления. Вода, замерзая, разрывает горные породы, дробит многотонные глыбы.

В 1872 г. англичанин Боттомли впервые экспериментально обнаружил явление режеляции льда. Проволоку с подвешенным на ней грузом помещают на кусок льда. Проволока постепенно разрезает лед, имеющий температуру 0 °С, однако после прохождения проволоки разрез затягивается льдом, и в результате кусок льда остается целым.

Долгое время думали, что лед под лезвиями коньков тает потому, что испытывает сильное давление, температура плавления льда понижается и лед плавится. Однако расчеты показывают, что человек массой 60 кг, стоя на коньках, оказывает на лед давление примерно в 15 атм. Это означает, что под коньками температура плавления льда уменьшается только на 0,11 °С. Такого повышения температуры явно недостаточно для того, чтобы лед стал плавиться под давлением коньков при катании, например, при –10 °С.

Ответьте на вопросы к тексту:

1. Как зависит температура плавления льда от внешнего давления?

2. Приведите два примера, которые иллюстрируют возникновение избыточного давления при замерзании воды.

Билет № 24.

Тлеющий разряд.

Кто из нас не любовался огнями ночного города? Красные, зеленые, желтые огни в рекламных трубках. Как они создаются?

Если из трубок, которым можно придать разную форму, откачать воздух до давления порядка десятых и сотых долей миллиметров ртутного столба и на впаянные в трубку электроды подать напряжение порядка нескольких сотен вольт, то в трубке возникает свечение. Возникшее таким образом свечение получило название тлеющего разряда.

При тлеющем разряде почти вся трубка, за исключением небольшого участка возле катода, заполнена однородным свечением, называемым положительным столбом. Когда мы соединяем электроды трубки с источником высокого напряжения, то свободные положительные ионы, имеющиеся в газе даже при пониженном давлении, устремляются к катоду. При определенном разрежении, когда длина свободного пробега значительна, скорость положительных ионов достигает такого значения, что с поверхности катоды вырываются электроны, устремляющиеся к аноду. При своем движении электроны, сталкиваясь с нейтральными молекулами газа, вох\збуждают свечение газа и частично его ионизацию.

Если трубка наполнена неоном, возникает красное свечение, аргоном - синевато - зеленое свечение. В лампах дневного света используют разряд в парах ртути.

Тлеющий разряд получил применение в квантовых генераторах - газовых лазерах.

Ответьте на следующие вопросы к тексту:

1. Для чего понижается давление в газоразрядных трубках?

2. От чего зависит цвет свечения? Почему при возникшем тлеющем разряде не вся трубка заполнена положительным столбом?

Билет № 25

Нет веса?

Проведем наблюдения за несколькими опытами.

Опыт №1. Возьмем литровую пластиковую бутылку, проделаем в ней по вертикали несколько отверстий. Нальем в нее воды. Из отверстий будут бить под разными углами струи воды. Всилу того, что давление на разных высотах разное, поэтому и углы разные.

Сбросим наполненную водой бутылку с некотрой высоты, например, можно встать на стул и сбросить бутылку с высоты вытянутой руки. Почему - то струи воды не хотят больше выливаться.

Опыт №2. Нальем в бутылку с отверстиями снова воду. Подбросим бутылку вверх.

Увы! Вода при движении бутылки вверх снова не выливается.

Опыт №3. Бутылку с отверстиями снова наполним водой и бросим ее под углом к горизонту, в заранее приготовленное ведро (можно вместо бутылки в этом опыте взять наполненный водой теннисный шарик). Вода снова не хочет выливаться через отверстия. (Во всех опытах бутылка, наполенная водой, не закрывается пробкой.)

Во всех трех опытах стало отсутствовать давление верхних слоев воды на нижние. Проверим эти наблюдения на следующем опыте.

Опыт №4. К дощечке прикрепим пружину от школьного динамометра, а к ней гирю порядка 300 г. Отметим фломастером насколько растянулась пружина. Снова встанем на стул и с высоты вытянутой руки сбросим дощечку вниз. Предварительно попросим товарища последить за поведением пружины. А ведет она себя "странно". Она во время своего падения не растягивается. Значит, грузы не оказывают действия на пружину во время свободного падения.

Ответьте на вопросы:

1. Почему при свободном падении отсутствовало давление внутри падающей системы?

2. Как называется состояние свободного падения? Где встречается состояние невесомости и имеет ли оно полезное применение?

Билет № 26

Невидимое загрязнение

В последние годы повышенное внимание уделяется вопросам влияния электромагнитных полей на состояние здоровья населения и объекты природной среды.Основным источником электромагнитных полей на Земле является Солнце.Суммарная плотность потока электромагнитной энергии у поверхности Земли составляет 10-10 - 10-9 Вт/м-2 в период мощных солнечных вспышек. Использование электромагнитной энергии в различных областях человеческой деятельности привело к тому, что к существующим природному электрическому и магнитному полям добавились электромагнитные поля искусственного происхождения, уровень которых в несколько десятков раз превышает уровень естественного электромагнитного поля.

В последнее время отмечено резкое увеличение количества и видов новой техники, оборудования и устройств, эксплуатация которых сопровождается излучением электромагнитной энергии в окружающую среду. Это оборудование развивающегося радио- и телевизионного вещания, систем подвижной и персональной радиосвязи, энергетическое оборудование, современная бытовая техника, линии электропередачи.

Являясь биологически активным фактором, электромагнитное поле искусственного происхождения оказывает неблагоприятное воздействие на человека и окружающую природную среду, что и было отмечено в 1989 г. Всемирной организацией здравоохранения, включившей этот фактор в число значимых экологических проблем.

Помните, что электромагнитные поля различаются по длине волны и частоте колебаний. Чем короче длина волны, тем больше частота колебаний, и наоборот. Их подразделяют на высокочастотные, ультравысокочастотные и сверхвысокой частоты. Биологоческая активность электромагнитных излучений возрастает с уменьшением длины волны, что приводит к большей "агрессивности" действия полей радиочастот по сравнению с полями промышленной частоты.

По предварительным оценкам, в России электромагнитному облучению гигиенически значимых уровней подвергаются приблизительно 70% общей численности населения, облучаемого вне производственной сферы (проживающие вблизи воздушных линий электропередачи, в домах с электроплитами и т.д.).

Самые опасные - поля СВЧ диапозона, волны миллиметровые, сантиметровые и дециметровые. По санитарным нормам в диапозоне СВЧ при круглосуточном облучении предельно допустимые уровни достигают 5 мкВт/см2.

Между интенивностью электромагнитных полей, продолжительностью их воздействия и состоянием здоровья населения имеется однозначная связь. Она выражается в снижении имуннологической реактивности организма, увеличении общей заболеваемости, распространенности болезней органов дыхания, нервной системы, болезней кожи, разрушения сетчатки глаз, увеличения онкологических заболеваний.

Применение американскими полицейскими радиотелефонов, работающих в СВЧ диапозоне, привело к значительному увеличению числа заболеваний раком мозга.

Размещение садовых и дачных участков вблизи ЛЭП и радарных установок приводит к тому, что электромагнитные поля воздействуют на человека не только снаружи, но и внутри здания.

Дети в возрасте до 15 лет в 2,7 раза чаще страдают злокачественными заболеваниями, подвергаясь действию электромагнитного поля с индукцией свыше 0,2 мкТл.

Регулярная работа с компьютером без применения защитных средств приводит к заболеванию органов зрения, к болезням сердечно - сосудистой системы и желудочно - кишечного тракта.

Не до конца изучено воздействие ЭМП на сельскохозяйственные объекты.

Недооценка электромагнитных полей как загрязнителя окружающей природной среды привела к ухудшению экологической ситуации в стране. Необходимо научно обосновать нормативные оценки степени загрязнения окружающей среды электромагнитными полями.

Чтобы в дальнейшем обеспечить экологическую безопасность и защитить население и природную среду от повреждающего действия ЭМП, необходимо детальное нормирование уровня электромагнитных полей различных диапозонов в жилых помещениях, общественных зданиях и на прилегающих к источникам ЭМП территориях.

Ответьте на вопросы:

1. Какие из бытовых приборов создают наиболее опасные электромагнитные поля?

2. Почему магнитные поля создаются лишь работающими приборами и установками?