close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

2235.Проблемно-ориентированные физические практикумы в условиях открытого образования в цикле естественнонаучных дисциплин

код для вставкиСкачать
ПОФП В УСЛОВИЯХ ОТКРЫТОГО ОБРАЗОВАНИЯ  Теоретические аспекты
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МОСКОВСКИЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
КАЛАЧЕВ Николай Валентинович
ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ
ПРАКТИКУМЫ В УСЛОВИЯХ ОТКРЫТОГО ОБРАЗОВАНИЯ
В ЦИКЛЕ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫХ ДИСЦИПЛИН
Теоретические аспекты
Москва 2011
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МОСКОВСКИЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
Калачев Николай Валентинович
ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ
ПРАКТИКУМЫ В УСЛОВИЯХ ОТКРЫТОГО ОБРАЗОВАНИЯ
В ЦИКЛЕ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫХ ДИСЦИПЛИН
Теоретические аспекты
13.00.02 – Теория и методика обучения и воспитания
(физика, уровень высшего профессионального образования)
г. Москва – 2011
1
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 378.147:88
ББК Ч 486.88 + Ч 486.51
К 17
Работа печатается по решению учёного совета факультета физики и информационных технологий Московского педагогического государственного университета
Рецензенты: В.И. Данильчук – Член-корреспондент РАО, доктор педагогических
наук, профессор, ВГПУ;
Н.С. Пурышева – доктор педагогических наук, профессор, МПГУ;
В.Я. Никулин – доктор физико-математических наук, в.н.с. ФИАН.
Калачев Н.В.
К 17 Проблемно-ориентированные физические практикумы в условиях открытого образования в цикле естественнонаучных дисциплин: монография / Н.В. Калачев. – М.: Издательский дом МФО. 2011. – 216 с.
В монографии рассматриваются теоретические аспекты проблемноориентированных физических практикумов, широко применяемых в условиях открытого образования в циклах естественнонаучных дисциплин. В первых трех главах рассмотрены методы измерения физических величин, погрешности измерений и расчеты
ошибок измерений. Две последующие главы посвящены теоретическим проблемам,
возникающим при проведении физических практикумов по экологии электромагнитных воздействий и радиационной экологии. В последней главе рассматриваются вопросы, возникающие при изучении проблемно-ориентированных физических практикумов по акустической и вибрационной экологии.
Книга будет полезна преподавателям, аспирантам и студентам – будущим учителям физики и технологии.
Научный редактор: – Ю.А. Гороховатский, доктор физико-математических наук,
профессор РГПУ им. А.И. Герцена
ISBN 978-5-9900230-3-1
© Калачев Н.В. 2011
© Московский педагогический государственный университет, 2011
© Оформление. ООО «Издательский дом МФО», 2011
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
7
Глава 1. Общетеоретические физические понятия, применяемые в проблемно-ориентированных физических практикумах
15
1.1. Физические величины и их измерение в физических проблемноориентированных практикумах
15
1.2. Методы и средства измерений в физических величии в проблемноориентированных практикумах
17
1.3. Градуировка современных средств измерения в физических проблемно-ориентированных практикумах
19
1.4. Основные метрологические характеристики современных средств измерения физических величин в проблемно-ориентированных практикумах
21
Глава 2. Погрешности измерений в проблемно-ориентированных физических практикумах
28
2.1. Виды погрешностей измерений в физических проблемноориентированных практикумах
28
2.2. Постоянство, правильность, точность измерений в физических проблемно-ориентированных практикумах
31
2.3. Расчёт приборной погрешности в физических проблемноориентированных практикумах
33
2.4. Расчёт случайных ошибок измерений в физических проблемноориентированных практикумах
37
Глава 3. Расчет ошибок измерений в физических проблемноориентированных практикумах
41
3.1. Обработка результатов прямых измерений в физических проблемноориентированных практикумах
41
3.2. Обработка результатов косвенных измерений в физических проблемно-ориентированных практикумах
45
3.3. Погрешности табличных и постоянных физических величин в физических проблемно-ориентированных практикумах
47
3.4. Обработка результатов измерений: действия над приближенными числами в физических проблемно-ориентированных практикумах
48
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.5. Обработка результатов измерений: правила округления в физических
проблемно-ориентированных практикумах
49
3.6. Графическая обработка результатов измерений в физических проблемно-ориентированных практикумах
50
3.7. Использование метрической системы мер в физических проблемноориентированных практикумах
52
Глава 4. Теоретический материал, используемый при проведении проблемно-ориентированных физических практикумов по экологии электромагнитных взаимодействий
53
4.1. Особенности воздействия электромагнитных полей (ЭМП) на живые
организмы
53
4.2. Последствия воздействия электромагнитных полей на человека
57
4.3 Источники электромагнитных полей
59
4.4. Расчёт электромагнитных полей, создаваемых источниками разных типов
76
4.5. Защита от электромагнитных полей. Гигиеническое нормирование
электромагнитных полей
82
4.5.1. Методы защиты от электромагнитных полей
82
4.5.2. Защита населения от вредного воздействия электромагнитных полей
86
4.5.3. Санитарно-защитные зоны вблизи железной дороги
88
4.5.4. Нормирование электромагнитных полей
89
4.5.5. Измерение интенсивности электромагнитных полей
98
Глава 5. Теоретический материал, используемый при проведении проблемно-ориентированных физических практикумов по радиационной экологии
100
5.1. Что такое радиационная экология?
100
5.2. Взаимодействие радиоактивного излучения с неорганическими и органическими объектами
104
5.2.1. Взаимодействие с веществом заряженных частиц
104
5.2.2. Взаимодействие с веществом нейтронов
105
5.2.3. Основные понятия радиационной дозиметрии
106
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.2.4. Взаимодействие ионизирующего излучения с живыми организмами
111
5.2.5. Измерения ионизирующего излучения
115
5.3. Приборы для измерения и источники радиации, применяемые в физических проблемно-ориентированных практикумах
116
5.3.1. Детекторы ионизирующего излучения
116
5.3.2. Естественные источники ионизирующего излучения
121
5.3.3. Искусственные источники радиации
126
5.4. Радиационная безопасность
132
5.4.1. Защита от ионизирующего излучения
132
5.4.2. Нормы радиационной безопасности НРБ-99
134
5.4.3. Основные санитарные правила работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующих излучений ОСП-72/87
143
Глава 6. Теоретический материал, используемый при проведении проблемно-ориентированных физических практикумов по акустической экологии
150
6.1. Введение в акустику
150
6.1.1. Общие понятия
150
6.1.2. Шкала уровня звука
153
6.1.3. Частотный спектр звукового сигнала
156
6.1.4. Особенности слухового восприятия
158
6.2. Шум и его источники
161
6.2.1. Действие шума на человека
161
6.2.2. Классификация и нормирование шумов
163
6.2.3. Измерения шума
171
6.2.4. Распространение звуковых волн
172
6.3. Вибрации как биологический фактор, загрязняющий окружающую
среду
178
6.3.1. Источники вибрации
178
6.3.2. Воздействие вибрации на человека
179
6.3.3. Нормирование вибрации
182
6.3.4. Измерение вибраций
184
6.3.5. Методы и средства защиты от вибрации
185
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6
Заключение
188
Литература
190
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
В концепции модернизации российского образования на период до 2020
года [174], в инновационных программах подготовки специалистов поставлены
задачи по подготовке специалистов, обладающих значительным творческим потенциалом, способных на базе фундаментальных исследований вести многоплановую научно-внедренческую деятельность по широкому спектру специальностей и наукоемких технологий. Эти задачи предполагается выполнять на основе
реализации исследовательского, проблемно-ориентированного, задачного, компетентностного и контекстного подхода к обучению, сочетания фундаментализации и профессиональной ориентированности образования, усиления творческой учебной деятельности. В свете поставленных задач необходимо отметить,
что физика (во взаимодействии с другими фундаментальными науками) всегда
была наиболее эффективной основой производства на всех этапах развития общества. Именно поэтому овладение соответствующей методологией физики следует рассматривать как неотъемлемую часть полноценного инженерного образования для развития творческой личности, оснащения будущего выпускника технического вуза современной методологией внедренческой деятельности и готового самостоятельно и квалифицированно решать новые задачи.
Проведенный анализ большого числа научно-методических публикаций [38, 14, 25-30, 33, 44, 46-50, 54, 55, 68, 113, 122-124, 137-141, 144, 147-150, 160, 163,
171-173, 193, 197, 199-206, 210-211, 230, 232-234, 243, 236], показывает, что, несмотря на особую значимость рассматриваемых проблем, в большинстве технических вузов целенаправленных исследований вопросов разработки новых концепций, содержания, организационно-процессуальных форм и методов в преподавании естественнонаучных дисциплин, развивающих творческую учебную
деятельность студентов технического вуза и соответствующих программе модернизации российского образования, не проводилось. Однако обсуждаемая
проблема может быть решена, если изменить содержание и методологию учебного процесса так, чтобы традиционное обучение физике и другим естественнонаучным дисциплинам, через их становление как науки и приобретение прагматических знаний, сочетать с развитием и формированием творческой учебной
деятельности на всех видах занятий лекционных, практических и лабораторно7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
практических на основе современных информационных технологий, как средств
интеграции и синтеза методологических, методических подходов и дидактических принципов, т.е. в рамках технологических подходов к обучению, одним из
которых является проблемно-ориентированные физические практикумы
(ПОФП), включающие системный подход к комплексной организации самостоятельной работы поисково-исследовательского характера в условиях открытого
образования [86, 97, 102-105]. Указанные обстоятельства предопределяют необходимость разработки и повсеместного внедрения проблемно-ориентированных
физических практикумов (ПОФП) по естественнонаучным дисциплинам в технических вузах. Можно следующим образом сформулировать определение
ПОФП [86, 95].
Под проблемно-ориентированными физическими практикумами (ПОФП)
понимаются практикумы, в которых на основе интерактивного взаимодействия
между субъектами учебного процесса, методиками и средствами обучения, оперативного управления этими ресурсами обеспечивается творческая самостоятельная работа студентов, основой которой является поисковая учебноисследовательская деятельность с использованием современных информационных технологий, ориентированная на овладение методами решения проблемных
ситуаций, соответствующих актуальным задачам науки и практики [97].
Возможности ПОФП особенно выразительно проявляются и реализуются
при системном подходе в использовании функций современных информационных технологий [81]. На их основе можно создать комплексные условия и ситуации, побуждающие студентов к ответственной самостоятельной учебной, учебно- и научно-исследовательской работе, условий качественно нового формирования их творческой познавательной деятельности. Расширение проблемного
поля обучения естественнонаучных дисциплин в технических вузах, вследствие
применения современных информационных технологий, приближение его содержания к современному уровню научных знаний, использование в учебном
процессе методологии физики как науки во всей полноте требует обучения, ориентированного не только на освоение системы предметных знаний, а системы
обучения, направленной на развитие творчества у студентов [105]. В этом случае
проблемно-ориентированные физические практикумы (ПОФП) в цикле естественнонаучных дисциплин могли бы выступить как инновационные технологии,
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
преобразующие характер обучения в отношении целевой ориентации, способов
взаимодействия преподавателя и студента, возможности дифференциации, индивидуализации, организации активного участия студентов в творчестве, новых
форм самостоятельной работы.
Реализация возможностей проблемно-ориентированных физических практикумов (ПОФП) в цикле естественнонаучных дисциплин предполагает разработку: научно-методического обеспечения занятий, методики обучения студентов системному подходу к решению проблем, теоретических основ создания дидактических и методических средств, отвечающих целям, концепции и методологии обновления современного физического образования в технических вузах,
практических пособий для преподавателей, комплекта программных, аппаратных
и методических средств обеспечения ПОФП [109].
Проведенный анализ инновационных программ российского высшего технического образования (2001-2011 гг.), научных исследований, посвященных
проблемам обучения естественнонаучным дисциплинам, позволил выделить в
существующей системе обучения в технических вузах ряд противоречий:
•
между потребностью общества в специалистах, способных использовать современные физические методы исследования в своих областях деятельности и отсутствием возможности их формирования в рамках существующей методической системы при обучении естественнонаучным дисциплинам в технических вузах;
•
между необходимостью усиления методологической направленности
учебного процесса, поддержки эксперимента, связи содержания с наукоемкими
технологиями, существенно расширяющие тематику проводимых студентами исследований, и преобладанием знаниевого компонента в обучении;
•
между потребностью в проблемно-ориентированной технологии обучения в цикле по естественнонаучным дисциплинам и реальным отсутствием ее
методологических основ и соответствующих методик;
•
между широким применением в образовании современных информационных технологий и отсутствием обоснованной модели их эффективного применения на всех видах занятий в цикле естественнонаучных дисциплин для формирования элементов творчества будущих выпускников технических вузов и ор9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ганизации их самостоятельной поисковой и научно-исследовательской учебной
деятельности, критериальной базы для их оценки.
Из комплекса обсужденных противоречий становится очевидной необходимость разработки концепции, построения модели, теоретического обоснования
и практической реализации проблемно-ориентированных физических практикумов (ПОФП) в цикле естественнонаучных дисциплин и создания средств их
осуществления.
Методологическая основа работы
Общетеоретические исследования А.Г. Асмолова, П.Я. Гальперина, Н.Ф.
Талызиной, Л.С. Выготского, И.Я. Лернера, Д.И. Фильштейна, Д.Б. Эльконина и
других [9, 33, 34, 141, 205, 206, 225-226, 236] о деятельности в обучении и развитии личности стали основой для формирования состава и структуры разработанной автором методической системы с позиции поэтапного формирования продуктивного мышления на лабораторно-практических занятиях, а также идеи и
положения, разработанные в теории педагогических систем для концепции проблемного обучения (С.И. Архангельский, Е.С. Полат, М.Н. Скаткин и др. [8, 163,
197]); технологии применения эвристических методов и развития логического
рационального мышления, использования в педагогике понятий инновационной
деятельности для построения прогностической модели обучения (В.И. Андреев,
Н.М. Анисимов, С.В. Бубликов, В.А. Черкасов и др. [2-5, 25-26]) и инновационно-продуктивной деятельности (В.Г. Афанасьев, В.В. Лаптев, В.Я. Ляудис, Н.Д.
Никандров и др. [10, 137, 138, 144, 155]); научного творчества (Н.Г. Алексеев,
В.С. Леднев, А.Т. Шумилин и другие [2, 140, 243]); дифференцированного обучения (Н.С. Пурышева, Ю.А. Дик [44, 171]); визуального мышления (Р. Арнхейм,
З.С. Белова, Н.Е. Важеевская и другие [7, 14, 28]), концепция исследовательского
обучения физике и исследовательские образовательные программы и технологии
(А.И. Анциферов, А.С. Кондратьев, В.В. Ларионов, В.В. Майер, Г.Г. Никифоров,
А.В. Усова, С.А. Хорошавин, Т.Н. Шамало, Н.И. Шеффер, А.А. Червова, Л.С.
Хижнякова и другие [6, 63, 122-124, 139, 145, 156, 210, 211, 231]); теории и практики физического и демонстрационного эксперимента (В.М. Зеличенко, В.В.
Лаптев, В.Я. Синенко, А.В. Смирнов, Г.П. Стефанова, Т.Н. Шамало и другие [5455, 137-138, 193, 199, 203, 234]), мультимедийной дидактики физики (А.М. Ко10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ротков, Е.В. Оспенникова, А.В. Смирнов, В.А. Стародубцев и другие [125, 126,
160, 199-202]). Большое значение при создании этой модели имели философские
идеи диалектической теории познания в проблемном обучении: природа проблемного обучения (А.М. Матюшкин, М.Г. Штракс [149-150, 235]), проблемная
ситуация и проблемная задача (В.Б. Губин, В.Г. Разумовский [41, 172-173]); идеи
и исследования в области теории и методики преподавания физики в техническом университете (Н.С. Пурышева, С.Е. Каменецкий и другие [113, 171]; а также А.Е. Айзенцон, В.Ф. Взятышев, Ю.П. Дубенский, Г.В. Ерофеева, В.В. Ларионов, Л.В. Масленникова, И.А. Мамаева, А.И. Пилипенко, А.И. Подольский, А.А.
Червова и другие [1, 30, 45-50, 139, 147-148, 161-162, 232]).
Использование проблемно-ориентированных физических практикумов в
цикле естественнонаучных дисциплин в условиях открытого образования будет
способствовать повышению эффективности обучения, если:
•
системные возможности проблемно-ориентированных физических
практикумов в цикле естественнонаучных дисциплин реализовать во всех аспектах образовательной деятельности, содержательном, мотивационном и процессуальном [97];
•
дидактически и методически значимые средства ПОФП использовать
во всех формах и компонентах самостоятельной поисковой познавательной деятельности студентов системно, оптимально, сообразно с логикой и методологией
физики [86];
•
разработать соответствующие целям ПОФП методические подходы и
соответствующие им информационно-технологические средства, которые будут
использоваться в организации самостоятельной деятельности студентов технического вуза [81];
•
разработать и спроектировать теоретически обоснованную видеообучающую интерактивную систему (ВОИС), а в ее основу положить визуализированную модель теоретического, практического знания и вычислительной физики
[95];
•
разработать и применить современные методические подходы и информационные средства для использования в учебно- и научно-поисковой деятельности студентов; при проведении лекций, практических занятий и лабора11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
торных работ использовать проблемно-ориентированную систему добавленных
знаний и умений; композиционные демонстрации физических экспериментов;
связать в единый комплекс видеообучающую интерактивную систему и ПОФП,
системообразующим элементом которого станут современные информационные
технологии, использовать непрерывный мониторинг по этапам обучения и тайминг обучающихся [93].
Под эффективностью обучения мы понимаем объем знаний, их прочность,
умение принимать самостоятельные решения и ответственность за их реализацию, мотивацию и интерес к обучению выбранной специальности на основе знаний в цикле естественнонаучных дисциплин.
В предлагаемой научно-методической работе были поставлены и решены
следующие задачи:
1. Изучено состояние проблемы подготовки инженеров по фундаментальным наукам в свете современного этапа развития педагогической науки.
2. Определена роль и место современных информационных технологий в
проблемно-ориентированных физических практикумах в цикле естественнонаучных дисциплин в технических вузах.
3. Разработана концепция и модель проблемно-ориентированных физических практикумов в цикле естественнонаучных дисциплин, отвечающих целевым
установкам и методологии фундаментального образования применительно к техническому вузу.
4. Разработаны программно-педагогические средства организации проблемно-ориентированных физических практикумов в цикле естественнонаучных
дисциплин в техническом вузе, основанные на использовании методически и дидактически значимых средств информационных технологий.
5. Разработаны основы проектирования и реализации информационнотехнологических средств, использующих современное программное и методическое обеспечение, и отвечающих целям ПОФП в цикле естественнонаучных дисциплин в техническом вузе.
6. Создано и апробировано программно-методическое обеспечение индивидуальной и групповой самостоятельной деятельности студентов по решению
учебно- и научно-исследовательских проблем при обучении в техническом вузе в
условиях открытого образования.
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7. Проверена эффективность проблемно-ориентированных физических
практикумов естественнонаучных дисциплин в техническом вузе в условиях открытого образования в педагогическом эксперименте в нескольких вузах [65, 70,
72, 73, 81, 86, 88, 93, 95, 97, 102-105, 109, 110, 117-119, 191-192].
При этом в отличие от предшествующих исследований, посвященных методике обучения физике в системе высшего технического образования, где основное внимание уделялось концептуальным основам приобретения учащимися
знаниевого компонента по физике, общим методическим подходам их использования в традиционных технологиях, в настоящей работе обоснована возможность проблемно-ориентированной системы лекционных и практических занятий
в современном техническом вузе, сочетающая знаниевый и учебнодеятельностный компоненты, включающие в себя самостоятельную учебно- и
поисково-исследовательскую работу студентов [109]. На методологическом и
организационно-процессуальном уровнях предложено решение проблемы повышения эффективности подготовки студентов в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях современной информационной среды.
Нами разработана методическая система проблемно-ориентированных физических практикумов в цикле естественнонаучных дисциплин в техническом
вузе в условиях открытого образования, состоящая в использовании видеообучающей интерактивной системы и оптимальном, отвечающем методологии научного исследования, сочетании натурного, виртуального и вычислительного
эксперимента, в рамках предлагаемого композиционного физического практикума [70, 86, 93, 95, 97, 110].
В данной работе разработаны концепция и модель проблемноориентированных физических практикумов в цикле естественнонаучных дисциплин в техническом вузе в условиях открытого образования, условия проектирования и реализации на их основе информационно-технологических средств обучения физике, направленных на формирование у студентов комплексного подхода к физическому эксперименту, освоение большого объема информации, ее
критического анализа, поиска нестандартных подходов к решению проблемных
ситуаций в учебной деятельности [104].
Показано, что интеграция возможностей, которые открывают предлагаемые методические подходы, реализуемые с помощью дидактически и методоло13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
гически значимых информационно-технологических средств, позволяет повысить эффективность обучения физике и других естественнонаучных дисциплин,
осуществить индивидуализацию и дифференциацию обучения, мониторинг
учебного процесса, обоснованно формировать студенческие мини-коллективы
для самостоятельной работы, объединить обучение и контроль в единый взаимосвязанный процесс [103].
Показано, что проблемно-ориентированная система практических занятий
в цикле естественнонаучных дисциплин в техническом вузе, способствует превращению студента в полноправного субъекта образовательной деятельности,
активно
участвующего
в
создании
эффективной
информационнообразовательной среды и осуществляющего диалогическую субъект-субъектную
коммуникацию с преподавателем и другими участниками исследовательского
мини-коллектива [135-136].
Раскрыты возможности, которые открывают использование современных
информационных технологий при соответствующем методическом обеспечении
в постановке исследовательско-ориентированного обучения и обучения на предметном материале, относящемся к современным наукоемким, в т.ч. гуманитарным технологиям, имеющим социальное значение.
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 1
ОБЩЕТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ,
ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ
ФИЗИЧЕСКИХ ПРАКТИКУМАХ
1.1. Физические величины и их измерение в проблемноориентированных физических практикумах
Физическая величина – свойство физического объекта, явления или процесса, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном выражении индивидуальное для каждого из них, например, длина,
масса, электрическое сопротивление [27].
Измерение – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, заключающихся в сравнении измеряемой величины с единицей.
Единство измерений – состояние измерений, при котором их результаты
выражены в узаконенных единицах, а погрешности известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы.
Погрешность измерений – отклонение результатов измерений от истинного (действительного) значения измеряемой величины.
Диапазон измерений – область значений величин, в пределах которых нормированы допускаемые пределы погрешности. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу или сверху (слева или справа), называют соответственно нижним или верхним пределом измерений.
Порог чувствительности – наименьшее значение измеряемой величины,
которое вызывает заметное изменение выходного сигнала.
Физические величины применяются для описания объектов, явлений, процессов, изучаемых в любых науках [27, 39]. Существуют основные и производные физические величины. В качестве основных величин в соответствии с ГОСТ
8.417-2002 [39] установлены следующие семь, характеризующие фундаменталь15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ные свойства окружающего мира: длина, время, масса, термодинамическая температура, количество вещества, сила тока, сила света. К ним добавляются еще
две математические величины – плоский и телесный углы. В 1960 г. на XI конференции мер и весов была утверждена Международная система единиц (СИ от
английского System International), в которой единицей измерения длины является
метр (м), времени – секунда (с), массы – килограмм (кг), термодинамической
температуры – кельвин (К), количества вещества – моль (моль), силы тока – ампер (А), силы света – кандела (кд) [194]. Для этих единиц были выбраны эталоны, сравнение с которыми (или с изготовленными по эталонам мерами) и является процедурой проведения измерений. Напомним, что в математике плоский
угол измеряется в радианах (рад), телесный – в стерадианах (ср).
На практике широко применяются производные физические величины
(скорость, ускорение, сила, работа, энергия и т.д.), для количественного описания которых используются производные единицы измерения, имеющие порой
собственные названия: ньютон (Н), джоуль (Дж), ватт (Вт), вольт (В), ом (Ом) и
др., но при этом выражаемые через основные единицы измерения.
Примеры:
1 Н = 1 кг⋅м⋅с−2; 1 Дж = 1 кг⋅м2⋅с−2; 1 Вт = 1 кг⋅м2⋅с−3; 1 В = 1 кг⋅м2⋅с−3⋅А−1;
1 Ом = 1 кг⋅м2⋅с−3⋅А−2.
Измерения физических величин могут быть классифицированы следующим образом [11].
1. По способу получения информации:
– прямые (непосредственное сравнение с мерой, например, измерение длины линейкой, массы – рычажными весами и т.д.);
– косвенные (искомое значение определяется, как результат прямых измерений других физических величин, связанных с искомой известной математической зависимостью, например, измерение скорости – через прямое измерение пути и времени, плотности – через прямое измерение массы тела и его геометрических размеров и т.д.).
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. По характеру поведения измеряемой величины в процессе измерений:
– статические (физическая величина в процессе измерений не меняется,
например, высота комнаты);
– динамические (в процессе измерений происходит одновременное изменение измеряемой величины, например, высоты, на которой находится падающее
тело).
3. По числу измерений:
– однократные;
– многократные.
4. По выражению результатов измерений:
– абсолютные (основанные на прямых измерениях, использовании известных физических констант);
– относительные (результат представляется в виде отношения измеряемой
величины к некоторой другой, принятой за единицу) [57].
1.2. Методы и средства измерений физических величин в проблемноориентированных практикумах
Методы измерений – это совокупность используемых приёмов (способов)
сравнения измеряемой величины с её единицей в соответствии с выбранным
принципом измерений. Различают метод непосредственной оценки и метод
сравнения [27].
1. Метод непосредственной оценки позволяет определить значение измеряемой величины по отсчётному устройству (шкале) средства измерения (например, – по шкале термометра). Шкала градуируется заранее при её производстве
по достаточно точным средствам измерения.
2. Метод сравнения предусматривает сравнение измеряемой величины с
величиной, воспроизводимой мерой. Метод сравнения обычно реализуется следующими путями.
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– Дифференциальный метод измерений, при котором измеряемая величина
сравнивается с величиной, имеющей определённое значение и воспроизводимой
мерой.
– Нулевой метод измерений (частный случай дифференциального), при котором значение измеряемой величины уравновешивается воздействием средства
измерения, меры.
– Метод измерений замещением: измеряемая величина замещается мерой с
известным значением измеряемой величины.
– Метод совпадений: по шкале соответствующего устройства измеряется
разность значений между измеряемой величиной и известной величиной.
– Нетрадиционные (уникальные) методы измерения.
Средствами измерения называются технические средства (или их комплекс), используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики [198]. По конструктивному исполнению они подразделяются следующим образом.
1. Мера физической величины (предназначена для воспроизведения или
хранения физической величины одного или нескольких заданных параметров).
Различают меры
– однозначные (например, гиря 1 кг);
– многозначные (например, линейка);
– наборы мер (например, набор гирь). Набор мер конструктивно может
объединяться в магазин мер.
2. Измерительные преобразователи – средства измерений, предназначенные для преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал,
удобную для хранения и преобразования информации (чаще всего – в электрическую величину).
3. Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для наблюдения (чаще всего имеет шкалу – аналоговую или цифровую).
4. Измерительная установка – совокупность функционально объединённых
мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, предназначен-
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ных для измерения заданной физической величины и расположенных в одном
месте.
5. Измерительная система – совокупность функционально объединённых
мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, компьютеров,
предназначенных для измерения заданной физической величины (или нескольких величин) и размещённых в разных точках [57].
1.3. Градуировка современных средств измерения в физических
проблемно-ориентированных практикумах
В основе работы многих измерительных приборов лежит использование
различного рода датчиков, преобразующих измеряемую величину (температуру,
давление, скорость и т.д.) в выходную величину – сигнал, удобный для измерения,
передачи, преобразования, регистрации и хранения, а также – для воздействия им
на управляемые процессы. Если измеряемую величину обозначить символом x, а
выходную – символом Y, то процесс преобразования можно представить в виде x
→ Y (см. пример на рис. 1.1) [12, 42].
Блок-схема датчика
x
Y
x →Y
Пример исполнения
Медь
Место контакта
t°C → E(t)
Константан
Рисунок 1.1. Датчик температуры на основе термопары, преобразующей измеряемую величину (температуру t°C) в выходную величину (термо-э.д.с. E)
При измерении некоторых неэлектрических величин их не всегда удаётся
преобразовать непосредственно в электрические. В этих случаях сначала осуществляется преобразование исходной (первичной) измеряемой величины x в промежуточную неэлектрическую величину x1, которая в свою очередь преобразуется в x1′ специализированным промежуточным органом устройства. После этого
сигнал x1′ поступает на выходной орган, с которого и снимается выходная вели-
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
чина Y. Совокупность нескольких таких преобразователей образует комбинированный датчик (см. пример на рисунке 1.2).
мембрана
x
x1 ′
x1
1
2
Y = Y(x)
3
соленоид
∆l
L =Y(p)
p
Рисунок 1.2. Датчик, преобразующий давление жидкости p в перемещение поршня ∆l
и затем – в индуктивность соленоида L. На блок-схеме 1 – воспринимающий орган
(мембрана); 2 – промежуточный орган (поршень); 3 – выходной орган датчика (соленоид).
Зависимость вида Y = Y(x) является основной для любого датчика; в этой
зависимости в скрытом виде фигурируют физические явления и эффекты, обеспечивающие его работу. Для всех типов датчиков зависимость Y = Y(x) определяется экспериментально посредством градуировки [42]. Имея на руках градуировочную кривую датчика (или таблицу значений x и Y), любому получаемому в
ходе дальнейших измерений значению выходной величины Y можно однозначно
сопоставить определённое значение измеряемой величины x.
Сказанное поясняется рисунком 1.3. На этапе градуировки (рисунок 1.3 а)
Y
Yi
Y2
Y
Yj
Y1
0
x1
x2
xi
x
0
xj
x
а)
б)
Рисунок 1.3 а) построение и б) использование градуировочного графика
значения выходного сигнала Yi с датчика и измеряемой величины xi фиксируются
при помощи поверенной контрольно-измерительной аппаратуры. По точкам полученных пар значений xi – Yi строится градуировочный график данного датчика,
пользуясь которым в дальнейшем можно определять неизвестные значения из20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
меряемой величины xj по регистрируемым значениям выходного сигнала Yj (рисунок 1.3 б).
1.4. Основные метрологические характеристики современных средств
измерения физических величин в проблемно-ориентированных
практикумах
Пределы применимости средств измерения
Особенностью использования многих типов датчиков является то, что измерения, выполняемые с их помощью, проводятся без набора статистического
массива данных. Так, сигнал, поступающий с термосопротивления в процессе
контроля параметров определённого технологического процесса, непрерывно
подаётся на преобразующее устройство для непрерывного же (или периодического) отображения на диаграммной ленте, стрелочной шкале, цифровом табло
[65]. В этих условиях вывод о том, насколько достоверной является информация,
которая поставляется датчиком, делается, исходя из двух основных положений:
– соответствия условий измерения тем, которые предписаны предприятиемизготовителем датчика, и
– соблюдения пределов применимости датчика, указанных в паспорте.
Условия измерений (в частности, условия монтажа измерительной схемы)
определяются тем, какую физическую величину требуется измерить, и поэтому в
каждом конкретном случае о них необходимо говорить отдельно.
В зависимости от конструкции датчика и рекомендаций разработчика пределы его применимости могут быть разбиты на несколько диапазонов [11, 42]. В
целом область применения датчика может быть условно разбита на три диапазона.
– Диапазон, в котором обеспечиваются номинальные значения параметров
датчика. Этот диапазон соответствует нормальным условиям применения датчика; его границы определяются теми крайними значениями контролируемой величины (либо влияющих величин), за пределами которых нарушаются паспортные
значения параметров, характеризующих работу датчика.
– Диапазон обратимого ухудшения параметров. Значения измеряемой величины выходят за область нормальных параметров, но метрологические харак21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
теристики датчика восстанавливаются, если условия применения датчика вновь
становятся нормальными.
– Диапазон необратимого изменения параметров. Значения измеряемой
величины выходят за границы диапазона обратимого изменения параметров. Однако, работоспособность датчика после возврата к нормальным условиям эксплуатации сохраняется, требуется лишь его переградуировка.
Пределы измерений определяются требованиями пользователей средств
измерения; обычно эти пределы лежат в диапазоне значений номинальных параметров (см. пример в таблицу 1.1) [32].
Таблица 1.1
Технические характеристики счётчика горячей воды ВСГ-100
Расход
воды
Порог
чувствительности
Наименьший
расход
Переходной
расход
Эксплуатационный
расход
Номинальный
расход
Наибольший
расход
0,9
м /час
2,5 м3/час
6 м3/час
60 м3/час
90 м3/час
180 м3/час
3
Примечание:
под порогом чувствительности принимается расход воды, при котором вращаемая потоком воды турбинка счётчика (с турбинки сигнал передаётся на пересчётное устройство) приходит в непрерывное вращение;
под наименьшим понимается расход, при котором счётчик имеет
относительную погрешность ± 5 % и ниже которого погрешность не нормируется;
-
под переходным понимается расход, на котором счётчик имеет по-
грешность ± 2 %, а ниже которого ± 5 %;
под номинальным понимается расход, равный половине максимального, при котором счётчик может работать в течение длительного времени;
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
под наибольшим понимается расход, при котором счётчик может
работать не более одного часа в сутки;
под эксплуатационным понимается расход, при котором счётчик
может работать непрерывно в течение всего срока службы.
Исходя их этих характеристик, счётчик данного типа рекомендуется использовать для измерений расхода около 60 м3/час, причём расход ниже 2,5
м3/час и порядка 180 м3/час если и допускается, то лишь в течение короткого отрезка времени.
Очевидно также, что если турбинка счётчика не вращается, то это ещё не
значит, что по трубопроводу не идёт вода (то есть, - все задвижки плотно перекрыты и можно, например, начинать ремонтные работы): возможно, вода по системе всё же идёт, просто её расход меньше, чем 0,9 м3/час.
Чувствительность датчика
Чувствительностью Y* датчика вблизи данного значения xi измеряемой
величины называется отношение
Y* =
∆Y
∆x
.
x= x i
Здесь ∆x – небольшое изменение измеряемой величины вблизи данного
значения xi, а ∆Y – соответствующее изменение выходной величины [11, 27].
Для удобства измерений датчик стараются построить (или, по крайней мере, использовать) таким образом, чтобы зависимость ∆Y от ∆x была линейной, то
есть, чтобы его чувствительность Y* была постоянной в рабочем диапазоне изменения измеряемой величины x. Для этого требуется, чтобы чувствительность
не зависела:
ни от значений измеряемой величины x,
ни от значений различных величин q1 … qN, которые могут влиять на
свойства датчика;
ни от времени.
Достичь этого, однако, удаётся далеко не всегда. Перечислим основные
причины, от которых чаще всего зависит чувствительность датчиков [11, 42].
Среди них:
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.
природа материала чувствительного элемента;
2.
размеры чувствительного элемента (а иногда – и датчика в целом);
3.
особенности конструкции датчика;
4.
положение рабочей точки (в случае, если крутизна графика зависимости Y от x неодинакова в разных точках), см. рисунок 1.4;
5.
температура окружающей среды (и чувствительного элемента датчика);
6.
амплитуда и частота питающего напряжения.
Пример [198]
На рисунке 1.4 приведена типичная
I
Ф2
3′
вольт-амперная характеристика вакуумного
фотоэлемента.
2′
Ф1
3
Чувствительность фотоэлемента в
1′ 2
точке 2 выше, чем в точках 1 и 3, поскольку
1
крутизна кривой в этой точке больше, чем в
0
U
соседних.
Рисунок 1.4
Видно также, что чувствительность
меняется с увеличением светового потока Ф, падающего на катод фотоэлемента; это изменение носит разный характер в разных точках.
Помимо перечисленных факторов, на величине чувствительности сказывается частота f изменения самой измеряемой величины x. В соответствии с характером поведения измеряемой величины различают два режима работы датчиков:
статический (изменений x нет, или они происходят, но достаточно медленно:
так, например, меняется температура человеческого тела) и динамический (контролируемая величина меняется быстро, как, например, акустический сигнал в
микрофоне при звукозаписи) [57].
Статический режим работы датчика характеризуется статическим коэффициентом преобразования ri измеряемой величины x в выходной сигнал Y:
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ri =
Y
x
.
x= x i
Очевидно, что по величине коэффициент ri совпадает с Y* при линейной
зависимости Y(x).
Динамический режим работы при периодическом изменении Y и x с одинаковым периодом: x = x0 + x1sin(2πft + α1); Y = Y0 + Y1sin(2πft + α2) характеризуется
динамическим коэффициентом преобразования ri*:
r i* =
Y1
x1
.
x= x i
Функция ri*(f) называется частотной характеристикой датчика.
Для некоторых типов датчиков высокая чувствительность и достигается
лишь за счёт снижения точности измерений. Это происходит в тех случаях, когда
параметры самого датчика влияют на измеряемую величину.
Примеры:
- Точность датчика давления тем выше, чем меньше его собственный
(мёртвый) объём и объём деформации по сравнению с тем замкнутым объёмом,
давление в котором нужно измерить. Однако, чувствительность датчика тем
больше, чем сильнее прогибается мембрана под действием внешнего давления,
то есть для повышения чувствительности объём деформации следует стремиться увеличить.
- Чувствительность турбинного водосчётчика тем выше, чем больше
турбинка, вращающаяся под напором воды. Однако, внесение большой турбины
в водяной поток искажает характеристики последнего – точность измерения
понижается.
- Чувствительность датчика температуры тем выше, чем больше теплоёмкость его чувствительного элемента. Однако, внесение датчика температуры в объём, температуру внутри которого следует измерить, само по себе
сказывается на температуре внутри объёма, и с этой точки зрения датчик с
большой теплоёмкостью чувствительного заметно сильнее искажает температуру внутри объёма: точность измерений понижается [42].
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Влияния датчика на измеряемую величину можно избежать, применяя бесконтактные методы измерений, при которых связь между объектом измерений и
чувствительным элементом датчика осуществляется полем (чаще всего, - электромагнитным).
Примеры:
измерение перемещений и деформаций на основе явления интерференции;
измерение удалённости объекта, влияющей на индуктивность и
электроёмкость датчика;
измерение толщины образца по поглощению им оптического, микроволнового или радиоактивного излучения, ультразвука;
измерение линейной скорости объекта на основе эффекта Доплера;
измерение температуры методами оптической пирометрии.
Быстродействие датчика
Быстродействие датчика характеризуется временем, за которое сигнал с
датчика достигает определённой величины (в долях от установившегося значения), см. рисунок 1.5.
x
x0
0
t
tН
Y/Y0
1,0
0,9
tЗС
0,1
0
tЗН
tС
t
Рисунок 1.5. Некоторые временные характеристики датчика: tЗН – время задержки нарастания сигнала; tН – время нарастания сигнала; tЗС – время задержки спада сигнала;
tС – время спада сигнала
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Очевидно, что требования, предъявляемые к быстродействию датчика,
особенно важны при его работе с переменным сигналом на входе, особенно, если
измеряемая величина x меняется настолько быстро, что сигнал на выходе с датчика не успевает выйти на максимально возможное (в стационарном режиме)
значение Y0 [11].
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 2
ПОГРЕШНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ПРОБЛЕМНООРИЕНТИРОВАННЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРАКТИКУМОВ
2.1. Виды погрешностей измерений в физических проблемноориентированных практикумах
Под измерением понимают нахождение числового значения физической
величины экспериментальным путем в результате прямого или косвенного сравнения ее с однородной величиной, принятой за единичную [11]. При обработке
результатов измерений ставятся две основные задачи:
1) нахождение числа, наилучшим образом отражающего истинное значение физической величины;
2) определение погрешности и вероятности, с которой она установлена
(напомним, что вероятность некоторого события в математическом понимании
определяется отношением числа благоприятствующих случаев к числу возможных случаев в данной серии опытов).
Погрешностью результата измерений называется число, указывающее
возможные границы неопределенности полученного значения измеряемой величины [198].
Но измерение физических величин осуществляется с помощью технических средств, каждое из которых само по себе вносит погрешность в измерения.
В связи с этим вводится понятие погрешности прибора – его характеристики,
для описания которой принято использовать определённые правила.
В целом погрешности, которые возникают при измерении физических величин, можно разделить на следующие виды:
– грубые погрешности (или промахи),
– систематические погрешности,
– случайные погрешности.
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Причина грубых погрешностей – неисправность аппаратуры, неподготовленность, невнимательность наблюдателя. Если в ходе измерений были допущены погрешности этого типа, то их результаты должны быть отброшены [11].
Систематические погрешности в ходе измерений остаются постоянными
по величине, или меняются по определённому закону. Их существование связано
с недостатками методики измерений, применяемых приборов. Исключить такие
погрешности можно, сменив методику измерений, использовать при этом средства измерения другого типа, введя соответствующие поправки в получаемые результаты. К неустранимым систематическим погрешностям относятся инструментальные погрешности, зависящие от свойств измерительного инструмента.
Оцениваются они предельным значением по классу точности измерительных
приборов.
Особая опасность систематических погрешностей заключается в том, что
их присутствие крайне трудно обнаружить. Единственный способ их обнаружения состоит в поверке прибора путем повторной аттестации по образцовым мерам или сигналам [198].
Одной из разновидностей систематических погрешностей являются непредсказуемые прогрессирующие (дрейфовые) погрешности, медленно изменяющиеся во времени, которые, как правило, связаны с процессами старения деталей аппаратуры. Они могут быть скорректированы введением поправки в данный момент времени, но далее продолжат вновь непредсказуемо меняться. В отличие от систематических погрешностей их устранение требует непрерывной
коррекции результатов измерений.
Случайные погрешности определяются совокупностью различных причин;
их существование приводит к тому, что получаемые от измерения к измерению
результаты имеют разброс около некоторого значения. Их возникновение определяется совокупностью причин, трудно поддающихся анализу. Главной отличительной особенностью случайных погрешностей является их непредсказуемость
от одного отсчета к другому, поэтому для выявления значения измеряемой величины в этом случае используют методы теории вероятностей и математической
статистики [198].
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В процессе одного и того же измерения могут проявиться погрешности
всех трёх типов. Полагая, что грубых ошибок (промахов) нам удаётся избежать, в
процессе дальнейшего рассмотрения основное внимание мы уделим систематическим и случайным ошибкам.
В зависимости от причин возникновения систематические ошибки можно
разделить на следующие группы. Это
1. погрешности, связанные с особенностями применения конкретной методики измерений. (Так, силу тока в цепи можно измерить амперметром, который, однако, сам имеет вполне определённое электрическое сопротивление, и,
будучи введённым в цепь, способствует уменьшению общего тока в ней);
2. индивидуальные погрешности, величина которых зависит от личных качеств наблюдателя: скорости его реакции, опыта, (например, если требуется
нажать кнопку секундомера после получения сигнала, следует помнить о том,
что при этом возникнет временная задержка, величина которой неодинакова у
разных людей), от особенностей зрения, слуха экспериментатора и т.д.
3. погрешности, обусловленные неточной, неправильной установкой средства измерения (например, у прибора не установлен «ноль»), погрешностью установки опорного сигнала (например, – температуры второго спая термопары) и
т.д.
4. погрешности, обусловленные действием влияющих величин (атмосферного давления, влажности окружающей среды и т.д.).
При использовании конкретного средства измерения к систематической
погрешности, обусловленной особенностями конструкции и способа измерения,
добавляется случайная погрешность, которая может быть связана [57, 198]:
со случайным изменением параметров измерительной аппаратуры;
с появлением в измерительной схеме паразитных сигналов случайного характера (тепловых шумов, наводок);
со случайным воздействием влияющих величин (например, с флуктуациями
напряжения питания).
О методах расчёта случайных погрешностей мы расскажем ниже.
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Пример:
Наглядной иллюстрацией систематических и случайных ошибок могут
служить результаты стрельбы из различных видов оружия, в том числе на спортивных соревнованиях. Так, если имеется только систематическая ошибка (сбит
прицел, неправильное прицеливание или расчеты), то все пули (снаряды, стрелы,
бомбы и т.д.) попадут в одно и то же место, но смещенное от центра мишени или
цели. Наоборот, если существуют только случайные ошибки, то будет значительный разброс в местах попадания («плохая кучность»), но усредненное отклонение от центра мишени (или цели) будет стремиться к нулю. Реально, конечно, наблюдаются оба вида ошибок, но один из них обычно существенно преобладает над другим [11].
2.2. Постоянство, правильность, точность измерений в физических
проблемно-ориентированных практикумах
Наилучшей оценкой истинного значения измеряемой величины x по результатам нескольких измерений является среднее арифметическое всех N полученных значений xi:
N
x = ∑ xi /N .
i =1
Заметим, что среднее арифметическое x может заметно отличаться от истинного значения измеряемой величины xИСТ, например, в случае наличия систематической ошибки измерений [11, 198].
То, насколько измеренные значения xi отличаются от x принято характеризовать среднеквадратичным отклонением σ;
σ=
( x1 − x ) 2 + ( x2 − x ) 2 + ... + ( xN − x ) 2
.
N
Для характеристики качества средств измерений принято использовать
следующие термины:
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Постоянство – качество средства измерений, при наличии которого среднеквадратичное отклонение σ мало. При этом систематическая ошибка может
быть большой, то есть x может заметно отличаться от xИСТ.
Правильность – качество средства измерений выдавать результат с малой
систематической ошибкой (среднее арифметическое x близко к истинному xИСТ).
При этом среднеквадратичное отклонение σ может быть велико.
Точность – совокупность высоких постоянства и правильности качеств
измерений.
P(x)
0
P (x)
xист
x
x
0
низкие значения постоянства и правильности
P(x)
0
xист , x
высокая правильность,
низкое постоянство
x
P (x)
xист x
x
низкая правильность,
высокое постоянство
0
xист , x
высокая точность
x
Рисунок 2.1.
Смысл данных терминов поясняется рисунком 2.1, на котором представлен
график функции плотности вероятности P(x) получения различных значений
контролируемой величины x в зависимости от самого x [65]. Напомним, что, если
w – вероятность получения какого-то значения x, то, по определению:
P(x) =
32
dw
,
dx
или
x2
w(x1,x2) = ∫ P( x)dx .
x1
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Очевидно, что функция P(x) всегда неотрицательна и подчиняется условию
нормировки:
+∞
∫ P( x)dx
= 1.
−∞
В целом для достижения высокой точности измерения физической величины требуется [198]:
выбрать надлежащий метод измерений;
выбрать соответствующее средство измерений;
разработать и реализовать на практике измерительный канал, вносящий минимальные погрешности в результаты измерений.
2.3. Расчёт приборной погрешности в физических проблемноориентированных практикумах
Каким бы совершенным ни было техническое средство, невозможно выполнить измерение абсолютно точно: каждый результат измерения xi отличается
от истинного значения физической величины xИСТ.
Абсолютной погрешностью измерения называется разность между этими
значениями:
∆xi = xИСТ − xi;
Очевидно, что абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой величины.
Для оценки результата измерений важно знать относительную погрешность измерительного устройства – отношение абсолютной погрешности к истинному значению соответствующей величины:
∆xi
δ=
%
xист
Относительная погрешность безразмерна, ее часто выражают в процентах.
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Приведенная относительная погрешность измерительного прибора равна
отношению абсолютной погрешности к соответствующей абсолютной величине
xD диапазона измерений измерительного средства:
∆x
δ0 = i % .
xD
Результат измерений имеет ценность лишь тогда, когда можно оценить его
достоверность. Поэтому согласно ГОСТ 8.011 – 80 «Показатели точности измерений и формы представления результатов измерений» сообщение о результате
измерений обязательно должно сопровождаться указанием погрешности [37].
Погрешность результата прямого однократного измерения зависит от многих факторов, но в первую очередь определяется погрешностью используемых
средств измерения. Поэтому в первом приближении погрешность результата измерения часто можно принять равной погрешности, которой в данной точке диапазона измерений характеризуется используемое средство измерений.
Класс точности измерительного прибора γ равен наибольшему значению
приведенной относительной погрешности, выраженной в процентах [57].
Иногда класс точности сопоставляют с ценой деления ∆x шкалы измерительного прибора: так, для обычной линейки ∆x = 1 мм, для стальной линейки с
выгравированными делениями ∆x = 0,5 мм, для микрометра ∆x = 0,01 мм и т.д.
Класс точности средств измерений определяет гарантированные границы
значений основных и дополнительных погрешностей, а также другие свойства
средств измерений, влияющих на их точность.
Соответствие погрешности средств измерений приписанному им классу
точности проверяются на периодических поверках этих средств (периодичность
поверки устанавливается предприятием-изготовителем). Если при поверке погрешность не превышает нормированных значений, то средство измерения допускается к дальнейшей эксплуатации, если нет, то устройство подлежит ремонту и регулировке.
Способы установления пределов допускаемых погрешностей и обозначения классов точности средств измерений установлены ГОСТ 8.401 – 80, согласно
которому для указания класса точности прибора нельзя использовать произволь-
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ные числа [38]. Выраженные в процентах они могут иметь лишь следующие значения:
6 – 4 – 2,5 – 1,5 – 1,0 – 0,5 – 0,2 – 0,1 – 0,05 – 0,02 – 0,01 – 0,005 – 0,002 – 0,001 и
т.д.
Значения класса точности прибора указываются на его шкале.
Рассмотрим, как рассчитать абсолютную приборную погрешность ∆xПР,
зная класс точности средства измерения γ.
Случай 1. Класс точности прибора указан на шкале (или в паспорте) в виде
одного числа γs, обведённого кружочком. Это означает, что относительная погрешность результата измерений x равна γ(x) = γs%, а абсолютная погрешность
∆xПР = x
γS
.
100
Случай 2. Класс точности прибора указан на шкале одним числом γ0 (без
кружка). Тогда абсолютная приборная погрешность результата измерения рассчитывается так: ∆xПР = Хmax
γ0
, где Хmax – где предельное значение шкалы при100
бора, если нулевая отметка находится на краю шкалы, или Xmax равно сумме конечных значений шкалы прибора по обе стороны от нуля, если нулевая отметка
находится в середине шкалы. Относительная погрешность измерения x в этом
X
∆xПР
= γ0 max .
случае находится по формуле: γ(x) =
x
x
Случай 3. Класс точности прибора указан двумя числами в виде γk/γn. В
этом случае относительную погрешность следует вычислять по формуле
γ(x) = γk + γn(
X max
− 1),
x
после чего рассчитывается абсолютная погрешность: ∆x = x
γ( x)
.
100
В виде примера на рисунке 2.2 приведена
шкала милливольтметра с классом точности 2,0,
измеряющего напряжение от 0 до 50 мВ. Согласно
сказанному выше, абсолютная приборная ошибка
Рис. 2.2.
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
измерений, полученных с помощью такого миллиамперметра, рассчитывается
следующим образом:
∆U = 50⋅2,0/100 = 1,0 (мВ).
Если стрелка измерительного прибора перемещается не плавно, а «скачками» (например, как секундомер сотового телефона), то приборная погрешность
принимается равной величине «скачка» (цене деления шкалы прибора). Цифровые приборы имеют погрешность, составляющую, как правило, величину одной
единицы последнего разряда числа, отображаемого на цифровом табло [115].
Если класс точности прибора неизвестен, то за приборную погрешность
принимают половину цены деления шкалы.
Так как обычно абсолютная приборная ошибка одинакова по всей шкале
прибора, то для снижения относительной ошибки рекомендуется проводить измерения на том приборе (или для многопредельных приборов – на том пределе
измерения), максимальное значение шкалы которого ненамного превышает значение измеряемой величины.
Полезно помнить, что электроизмерительные приборы различаются по роду измеряемого тока [57]:
а) постоянного тока (принятое обозначение − );
б) постоянного и переменного тока (обозначение ≃);
в) однофазного переменного тока (обозначение ∼);
г) трёхфазного переменного тока (обозначение ≋).
Принято обозначать электрические приборы (на шкалах приборов и в электрических схемах): амперметры – А, вольтметры – V, гальванометры – G, миллиамперметры, милливольтметры – mA, mV, микроамперметры, микровольтметры
– µA, µV.
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
У многих приборов имеется несколько пределов измерения (предельных
значений шкалы). Для перехода от одного к другому пределу предусмотрены
рычажные или штепсельные переключатели, или же имеется несколько зажимов,
около которых в этом случае проставлено предельное значение шкалы прибора.
Зажим, отмеченный звёздочкой (*) или знаком минус (–), является общим (с отрицательным потенциалом при измерениях постоянного тока).
Если кроме приборной погрешности ∆xПР имеет место случайная погрешность ∆xС (о способах её вычисления говорится ниже), то полная погрешность ∆x
результата серии измерений рассчитывается по формуле:
∆x = ∆xПР 2 + ∆xС 2 .
Если при повторных измерениях прибор показывает одно и то же значение,
это означает, что погрешность измерительного прибора ∆xПР много больше случайной погрешности ∆xC. Случайная погрешность при этом не рассчитывается, и
полная погрешность ∆x = ∆xПР. Последнее утверждение справедливо также и при
однократном измерении контролируемой величины.
2.4. Расчёт случайных ошибок измерений в физических проблемноориентированных практикумах
Для характеристики частоты появления различных значений случайной величины x теория вероятностей предлагает пользоваться указанием закона распределения вероятностей различных значений этой величины [115]. Наиболее
часто на практике используется закон нормального распределения (открытый
Гауссом).
Предположим, что в одних и тех же условиях проведена серия (выборка)
большого числа измерений некоторой физической величины, истинное значение
которой хИСТ.
В результате эксперимента получен ряд значений х1, х2, х3, , хN, каждое из
которых отличается от хИСТ в большую или меньшую сторону.
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Если случайные погрешности измерений подчиняются закону нормального
распределения, то функция плотности вероятности может быть представлены в
виде, который называется функцией Гаусса [244]:
P(x) =
 (x − x)2 
1
exp−
,
2
2
σ
2 πσ


В этой формуле:
1 N
x = ∑ xi – среднее арифметическое (из N измерений в данной серии опыN i =1
P
Рисунок 2.3. Пример графика функции Гаусса.
тов) значение измеряемой величины; σ – среднеквадратичное отклонение измеряемой величины x от среднего значения для одного измерения при очень большом числе таких измерений:
σ=
( x1 − x ) 2 + ( x2 − x ) 2 + ... + ( xN − x ) 2
.
N
График функции P(x) имеет максимум в точке, которой соответствует значение x = x . Расчёты показывают, что в 68,27 % случаев (то есть w = 0,6827) отклонения случайной величины x, распределённой по нормальному закону, от её
математического ожидания не превышают σ, а в 95,45 % случаев – 2σ [117, 127].
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Наконец, вероятность того, что случайная величина, распределённая нормально,
P(x)
1
2
0
x - ∆xC
x
x + ∆xC
x
Рисунок 2.4. Эксперимент 1 проведён точнее, чем эксперимент 2:
кривая распределения уже (хотя общая площадь под кривой попрежнему равна 1)
отклоняется от математического ожидания больше, чем на 3σ, пренебрежимо мала (правило «трёх сигм») и составляет всего 0,27 %. Сказанное поясняется рисунком 2.3.
К параметрам, характеризующим рассеяние измеренных значений x относительно центра кривой распределения относится дисперсия случайной величины
D, которая определяется соотношением:
( x − xi ) 2
;
D= ∑
N
i =1
N
очевидно, что D = σ2. Чем меньше дисперсия, то есть, чем уже гауссова
кривая, тем точнее проведён эксперимент (рисунки 2.3 и 2.4).
Кривая нормального распределения симметрична, положение ее максимума для данной серии измерений соответствует x , а расстояние между точками
перегиба равно 2σ и характеризует степень влияния случайных погрешностей на
результаты измерений. Чем уже гауссова кривая, тем точнее проведен эксперимент.
Формула Гаусса применима только в том случае, если выполняются следующие положения:
– ошибки измерения могут принимать непрерывный ряд значений,
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– при достаточно большом числе измерения ошибки одинаковой абсолютной величины, но разного знака, встречаются одинаково часто,
– бòльшие по величине ошибки наблюдается реже, чем мèньшие [117, 127].
Математическим ожиданием x0 называется значение измеряемой величины, рассчитываемое по формуле:
x0 =
+∞
∫ xP( x)dx .
−∞
Теория вероятностей говорит о том, что именно математическое ожидание
и должно фигурировать в качестве среднего в приводившихся выше формулах
для оценок ошибок измерений [244]. Однако, как уже говорилось, на практике
вычисление интеграла, определяющего математическое ожидание, для упрощения расчёта заменяют вычислением среднего арифметического x (в случае распределения Гаусса оно просто равно x ).
Если ∆xс – случайная погрешность серии проведённых измерений, то вероятность того, что истинное значение хИСТ измеряемой величины окажется в интервале [ x − ∆xс, x + ∆xс], называется доверительной вероятностью.
Доверительная вероятность ρ(∆xс) рассчитывается следующим образом:
x + ∆xc
ρ(∆xс) =
∫ P( x)dx
x − ∆xc
+∞
∫ P( x)dx
,
+∞
или (так как ∫ P( x)dx = 1),
−∞
ρ(∆xс) =
x + ∆xc
∫ P( x)dx ,
x − ∆xc
−∞
и на рисунке 2.4 может быть определена, как площадь под кривой P(x) на
участке [ x − ∆xс, x + ∆xс].
Интервал [ x − ∆xс, x + ∆xс] называется доверительным. Чем он больше,
тем выше надежность, то есть тем больше вероятность того, что истинное значение хИСТ попадает в этот интервал. Следовательно, случайная погрешность и доверительная вероятность взаимосвязаны между собой.
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3.
РАСЧЁТ ОШИБОК ИЗМЕРЕНИЙ В ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМНООИЕНТИРОВАННЫХ ПРАКТИКУМАХ
3.1. Обработка результатов прямых измерений в физических
проблемно-ориентированных практикумах
Государственный стандарт [37] требует для характеристики точности результатов измерений указания или границ интервала, в котором эта погрешность
находится с заранее заданной вероятностью, или указания самой функции распределения погрешности.
При этом, чем больше требуется доверительная вероятность ρ(∆xс) и, соответственно, надежность того, что измеренные значения x отличаются от истинного значения xИСТ не более, чем на ±∆xс, тем шире должен становится доверительный интервал. Так, например, если ρ(∆xс) = 0,7; то доверительный интервал по ширине оказывается равным σ, если ρ(∆xс) = 0,95, то он составит 2σ, при
ρ(∆xс) = 0,98 доверительный интервал равен 2,3σ, а при ρ(∆xс) = 0,999, величина
доверительного интервала равна уже 3,3σ.
Реально измерения высокой доверительной вероятностью очень трудно
осуществить, так как они требуют большого числа опытов. На практике зачастую
число измерений N не слишком велико (обычно 3< N < 10), и для вычисления
случайных погрешностей используют иные методы. Так, если измеряемые физические величины могут принимать лишь дискретные значения, в ряде случаев
вероятность реализации определенных значений таких величин хорошо описывается распределением Пуассона [127, 154].
Наиболее часто на практике используется семейство законов распределения Стьюдента (псевдоним английского математика У.С. Госсета). Эти законы
распределения описывают плотность вероятности значений среднего арифметического, вычисленного по выборке из нормально распределенной генеральной
совокупности N случайных отсчетов. Существенно, что при проведении эксперимента с малым числом измерений (малая выборка) закон распределения сред41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
него значения отличается от нормального и представляет собой так называемое
распределение Стьюдента [127].
Сравнение распределения Гаусса и распределения Стьюдента показывает,
что при числе измерений N ≥ 20 оба распределения практически совпадают. При
N = 10 результаты расчётов среднего квадратичного отклонения по законам Гаусса и Стьюдента, отличаются примерно на 13 %, при N = 5 – уже на 40 %. При
числе измерений меньше пяти различие становится намного больше. Но если заранее вычислить соответствующие поправочные коэффициенты, то определение
доверительного интервала оказывается возможным и при малом числе измерений. Именно это и было сделано У.С. Госсетом: им с высокой точностью вычислены так называемые коэффициенты Стьюдента α (таблица 3.1). Эти коэффициенты определяют отношение полуширины доверительного интервала ∆xс к средней квадратичной ошибке ∆ x для данной серии N измерений при заданной доверительной вероятности ρ(∆xс), то есть:
∆xс = α(N, ρ) × ∆ x ,
где
∆x =
( x1 − x ) 2 + ( x2 − x ) 2 + ... + ( xN − x ) 2
N ( N −1)
(очевидно, что ∆ x → σ при N → ∞).
Таблица 3.1
Коэффициенты Стьюдента α
N (число
измерений)
2
3
4
5
42
Доверительная вероятность ρ
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0,95 0,98 0,99 0,999
0,16 0,33 0,51 0,73 1,00 1,38
2,0
3,1
6,3
12,7 31,8 63,7 636,6
0,14 0,29 0,45 0,62 0,82 1,06
1,3
1,9
2,9
4,3
7,0
9,9
31,6
0,14 0,28 0,42 0,58 0,77 0,98
1,3
1,6
2,4
3,2
4,5
5,8
12,9
0,13 0,27 0,41 0,57 0,74 0,94
1,2
1,5
2,1
2,8
3,7
4,6
8,6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6
7
8
9
10
0,13 0,27 0,41 0,56 0,73 0,92
1,2
1,5
2,0
2,6
3,4
4,0
6,9
0,13 0,27 0,40 0,55 0,72 0,90
1,1
1,4
1,9
2,4
3,1
3,7
6,0
0,13 0,26 0,40 0,55 0,71 0,90
1,1
1,4
1,9
2,4
3,0
3,5
5,4
0,13 0,26 0,40 0,54 0,71 0,90
1,1
1,4
1,9
2,3
2,9
3,4
5,0
0,13 0,26 0,40 0,54 0,70 0,88
1,1
1,4
1,8
2,3
2,8
3,3
4,8
11
12
13
14
15
0,13 0,26 0,40 0,54 0,70 0,88
1,1
1,4
1,8
2,2
2,8
3,2
4,6
0,13 0,26 0,40 0,54 0,70 0,87
1,1
1,4
1,8
2,2
2,7
3,1
4,5
0,13 0,26 0,40 0,54 0,70 0,87
1,1
1,4
1,8
2,2
2,7
3,1
43
0,13 0,26 0,39 0,54 0,69 0,87
1,1
1,4
1,8
2,2
2,7
3,0
4,2
0,13 0,26 0,39 0,54 0,69 0,87
1,1
1,3
1,8
2,1
2,6
3,0
4,1
16
17
18
19
20
0,13 0,26 0,39 0,54 0,69 0,87
1,1
1,3
1,8
2,1
2,6
2,9
4,0
0,13 0,26 0,39 0,54 0,69 0,86
1,1
1,3
1,7
2,1
2,6
2,9
4,0
0,13 0,26 0,39 0,53 0,69 0,86
1,1
1,3
1,7
2,1
2,6
2,9
4,0
0,13 0,26 0,39 0,53 0,69 0,86
1,1
1,3
1,7
2,1
2,6
2,9
3,9
0,13 0,26 0,39 0,53 0,69 0,86
1,1
1,3
1,7
2,1
2,5
2,9
3,9
21 – 24
25
26 – 27
28
29
30
0,13 0,26 0,39 0,53 0,69 0,86
1,1
1,3
1,7
2,1
2,5
2,8
3,8
0,13 0,26 0,39 0,53 0,69 0,86
1,1
1,3
1,7
2,1
2,5
2,8
3,7
0,13 0,26 0,39 0,53 0,68 0,86
1,1
1,3
1,7
2,1
2,5
2,8
3,7
0,13 0,26 0,39 0,53 0,68 0,86
1,1
1,3
1,7
2,0
2,5
2,8
3,7
0,13 0,26 0,39 0,53 0,68 0,86
1,1
1,3
1,7
2,0
2,5
2,8
3,7
0,13 0,26 0,39 0,53 0,68 0,85
1,1
1,3
1,7
2,0
2,5
2,8
3,7
40
60
120
0,13 0,26 0,39 0,53 0,68 0,85
1,1
1,3
1,7
2,0
2,4
2,7
3,6
0,13 0,26 0,39 0,53 0,68 0,85
1,0
1,3
1,7
2,0
2,4
2,7
3,5
0,13 0,26 0,39 0,53 0,68 0,85
1,0
1,3
1,7
2,0
2,4
2,6
3,4
0,13 0,26 0,39 0,52 0,67 0,84
1,0
1,3
1,6
2,0
2,3
2,6
3,3
∞
Из таблицы следует, что при доверительной вероятности ρ(∆xс) > 0,7 доверительный интервал ∆xс всегда несколько превышает значение ∆ x , но для ρ(∆xс)
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
= 0,7 по мере увеличения числа измерений уже стремится к этому значению (то
есть коэффициент α → 1), причем различие становится незначительным (меньше
10 %) уже при N ≥ 7. Аналогичное, но более медленный рост α имеет место и для
более высоких значений ρ(∆xс) = 0,95; 0,98; 0,999. Для достижения таких высоких значений доверительной вероятности ρ, при которой распределение Стюдента приближается к функции Гаусса, требуется значительно большее число измерений (N > 15, 20 и 40 соответственно) [117, 127].
На практике чаще всего (в том числе – при выполнении лабораторных работ) число измерений (3 < N ≤ 10), а доверительная вероятность ρ(∆x) принимается равной 0,95, так что соответствующие коэффициенты Стьюдента изменяются от 4,3 до 2,3. Если же значения доверительной вероятности в инструкции по
проведению измерений не указаны, то её обычно выбирают равной 0,7.
В заключение заметим: использование метода Стьюдента возможно лишь в
том случае, если результаты измерений при их большом числе описываются распределением Гаусса: для распределений, отличных от нормального, применение
данного метода является некорректным и может дать совершенно неправильные
результаты.
Обработку результатов серии прямых измерений в физических практикумах после выполнения соответствующих измерений рекомендуется проводить,
придерживаясь следующей схемы:
1. Вычисляют среднее арифметическое x данной серии из N измерений.
2. Находят абсолютные погрешности отдельных измерений ∆xi = xi − x .
3. Вычисляют среднюю квадратичную ошибку измерений:
∆x =
( x1 − x ) 2 + ( x2 − x ) 2 + ... + ( xN − x ) 2
.
N ( N −1)
4. Вычисляют дисперсию D ≈ (∆ x )2.
5. Задают доверительную вероятность ρ.
5. По заданному значению доверительной вероятности для проведённого
числа измерений N по таблице находят соответствующий коэффициент Стьюдента α(N, ρ).
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7. По формуле ∆xс = α(N, ρ) × ∆x вычисляют случайную погрешность серии измерений.
8. Исходя из класса точности прибора, устанавливают приборную погрешность ∆xПР,.
9. Вычисляют полную погрешность данной серии измерений:
∆x = ∆xПР 2 + ∆xС 2 .
10. Полученное значение ∆x округляют, а затем в соответствии с полученным значением ∆x округляют и среднее арифметическое значение результата
всей серии измерений x .
11. Используя округлённые значения, окончательный результат записывают в виде x = x ± ∆x с указанием размерностей измеряемых величин.
12. Меру точности результата прямых измерений данной серии оценивают,
используя относительную погрешность:
∆x
δ=
⋅100 %.
x
13. По результатам измерений формулируют выводы.
3.2. Обработка результатов косвенных измерений в физических
проблемно-ориентированных практикумах
При косвенных измерениях искомое значение физической величины вычисляют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, полученными в результате прямых измерений [146].
Пусть искомая величина Z является функцией нескольких измеряемых величин x1, x2, x3, …, xk, то есть Z = Z(x1, x2, x3, …, xk).
Серию прямых измерений величин x1, x2, x3, …, xk обрабатывают в соответствии с методикой обработки результатов прямых измерений для одного и того
же значения доверительной вероятности. Используя средние арифметические
значения каждой измеряемой величины x1 , x2 , …, xk , вычисляют среднее значение искомой величины:
Z = Z( x1 , x2 , …, xk ).
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ошибку измерений вычисляют, исходя из следующих соображений.
Если в данном опыте преобладают приборные ошибки, то оценку абсолютной ∆ZПР и относительной δ погрешностей измерения следует производить
по формулам:
δ=
∂Z
k
∑ ∂x
∆ZПР =
i =1
∆Z ПР
=
Z
k
∑
i =1
∆xi ,
i
∂ln( Z )
∆xi .
∂xi
Если в измерениях преобладают случайные ошибки, то расчет общей
ошибки ∆ZС производят по формуле:
2
∆ZС =

 ∂Z

∆xi  .
∑


i =1 ∂xi


k
В обоих случаях значения частных производных вычисляют при средних
значениях xi .
Вопрос о том, какими формулами пользоваться, решают при анализе результатов измерений. Если отклонения большинства из результатов измерений
от среднего арифметического значения не превышает абсолютную ошибку используемых приборов, то расчет производят по формулам, учитывающим влияние приборных ошибок, в противном случае пользуются последним из приведённых выше соотношений.
Полная погрешность вычисляется по уже знакомой формуле:
∆Z = ∆Z ПР 2 + ∆Z С 2 .
Заметим: если одна из этих ошибок (∆ZПР или ∆ZС) в три или более раз
превышает другую, то меньшая из этих ошибок будет очень слабо влиять на общую точность измерения. Исходя из этих соображений, обычно и выбирается
необходимое число измерений N, поскольку нет никакого смысла стремиться получить случайную ошибку значительно меньше приборной.
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сказанное позволяет дать следующее описание схемы обработки результатов косвенных измерений [127, 146, 208].
1. Все величины, необходимые для нахождения искомой величины Z, измеряют соответствующими приборами и обрабатывают по правилам обработки
результатов прямых измерений при одном и том же значении доверительной вероятности ρ.
2. Используя соответствующие формулы, определяют среднее значение
искомой величины Z через средние значения измеряемых величин xi .
3. Находят приборную погрешность косвенных измерений ∆ZПР.
4. Находят случайную погрешность косвенных измерений ∆ZС.
5. Вычисляют полную погрешность измерений: ∆Z =
∆Z ПР + ∆Z С , округ2
2
ляют по правилам округления и, ориентируясь на полученный результат, округляют среднее значение искомой величины Z .
6. Окончательный результат записывают в виде:
x = Z ± ∆Z.
7. Оценивают меру точности результата косвенных измерений, используя
относительную погрешность:
∆Z
δ=
⋅100 %.
Z
8. Формулируют выводы по проделанной работе.
3.3. Погрешности табличных и постоянных физических величин в
физических проблемно-ориентированных практикумах
При косвенных измерениях в расчетные формулы могут входить величины, значения которых берут из таблиц. Погрешность табличных величин принимают равной половине единицы наименьшего разряда. Например, при использовании табличного значения плотности алюминия ρ=2,7 г/см3 погрешность принимается равной Δρ = ± 0,05 г/см3.
Если в расчетные формулы входят некоторые константы, например, π, физические постоянные g, h и т. п., то величина их берется с такой точностью, чтобы число цифр в них было на единицу больше, чем число значащих цифр в изме47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ряемых величинах. Этим приемом достигается то, что точность округления констант практически не влияет на результат измерений [208, 233].
3.4. Обработка результатов измерений: действия над приближенными
числами в физических проблемно-ориентированных практикумах
Все вычисления в технике проводят с приближенными числами, в силу чего необходимо уметь производить приближенные вычисления.
Все цифры в десятичном изображении числа (кроме нулей, стоящих в начале числа) называются значащими. Например, в числе 0,01020 четыре значащие
цифры, в числе 120,01 – пять значащих цифр.
При округлении последняя сохраняемая цифра остается без изменения, если старшая отбрасываемая меньше 5, и последняя сохраняемая цифра увеличивается на единицу, если старшая отбрасываемая больше или равна 5. Если после
округления окажется, что последняя сохраняемая цифра нуль, то его также следует записывать. Например, число 1,0197 округляют до тысячных долей, получая
1,020.
На практике обычно используется стандартная форма записи чисел. Число
представляют в виде числа с одной значащей цифрой перед запятой, умноженное
на 10 в соответствующей степени [208, 233].
Пример: 5,2⋅1011 или 2,3⋅10−6 и т. д.
Арифметические действия над приближенными числами производят с соблюдением следующих правил.
1. При сложении и вычитании окончательный результат округляют так,
чтобы он не имел значащих цифр в тех младших разрядах, которые отсутствуют
хотя бы в одном из исходных данных:
Пример: 27,8 + 1,324 + 0,66 = 19,8;
2. При умножении и делении сохраняют столько значащих цифр в ответе,
сколько их в одном из исходных данных с наименьшим количеством значащих
цифр:
Пример: 30,9 × 1,8364 = 56,7,
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Пример: 56,9 : 2,412 = 23,6;
3. При возведении в степень и извлечении корня сохраняют в результате
столько значащих цифр, сколько их имеется в основании степени или подкоренном выражении:
Пример: (1,32)2 = 1,74,
2,95 = 1,72.
4. При логарифмировании в результате вычисления оставляют в мантиссе
столько значащих цифр, сколько их имеется в логарифмируемом числе (при любой характеристике):
Пример: ln 772,3 = 6,649.
3.5. Обработка результатов измерений: правила округления в
физических проблемно-ориентированных практикумах
Исходными данными для расчета являются нормируемые значения погрешности измерительных приборов, которые указываются всего одной или
двумя значащими цифрами. Вследствие этого и в окончательном результате рассчитанной погрешности должны быть указаны первые одна – две значащие цифры.
При этом следует учитывать следующее. Если в ходе вычислений получено число, которое начинается с цифр 1 или 2, то отбрасывание второго знака
приводит к большой ошибке (до 30 – 50%), что недопустимо. Если же полученное число начинается например, с цифры 9, то, наоборот, сохранение второго
знака является дезинформацией, так как исходные данные не обеспечивают такой точности [233].
Исходя из этого, на практике установилось такое правило: если полученное
число начинается с цифры равной или большей 3, то в нем сохраняется лишь
один знак; если же оно начинается с цифр, меньших 3, то есть цифр 1 и 2, то в
нем сохраняют два знака [208, 233].
В итоге можно сформулировать три правила округления рассчитанного
значения погрешности и полученного экспериментального результата измерения.
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. Погрешность результата измерения указывается двумя значащими цифрами. Если первая из них равна 1 или 2, и одной – если первая есть 3 и более.
2. Результат измерения округляется до того же десятичного разряда, которым оканчивается округленное значение абсолютной погрешности.
3. Округление производится лишь в окончательном ответе, а все предварительные вычисления производятся с одним – двумя лишними знаками.
Пример:
На вольтметре класса точности γ0 = 2,5 с пределом измерения Umax = 300 В
произвели отсчет измеряемого напряжения U = 267,5 В.
Абсолютная погрешность (приборная):
∆U =
γ 0U max
2,5 ⋅ 300
=
= 7,5 ≈ 8 (В).
100
100
Относительная погрешность:
γ(U) =
U
∆U
7,5
⋅100% = γ0 max ⋅100 % =
⋅100 % = 2,81 % ≈ 2,8 %.
U
100U
267,5
Измеренное напряжение: U = (268 ± 8) В.
Пределы доверительного интервала измеренного напряжения:
260 < U < 276 (В).
3.6. Графическая обработка результатов измерений в физических
проблемно-ориентированных практикумах
При выполнении многих измерений физических величин применяется графический метод обработки результатов эксперимента. Он позволяет наглядно, в
удобной для анализа форме представить экспериментальные данные [11, 198].
Графики следует строить на миллиметровой бумаге. По горизонтальной
оси (оси абсцисс) откладывают независимую переменную, т.е. величину, значение которой задает сам экспериментатор, а по вертикальной оси (оси ординат) –
определяемую величину.
Перед построением графика следует, исходя из пределов, в которых заключены значения функции и аргумента, выбрать разумные, независимые друг
от друга масштабы по осям. При выборе масштаба необходимо учитывать, что
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
экспериментальные точки не должны сливаться друг с другом и масштаб должен
быть простым. Проще всего, если единица измеряемой величины (или 10; 100;
0,1 единицы и т.д.) соответствует 1 см. Построение графика не обязательно вести
от начала координат, правильнее строить его от нижних пределов измеряемых
величин. На осях координат указывают масштабные единицы, у концов осей за
пределами графика (левее оси ординат и ниже оси абсцисс) пишут буквенные
обозначения соответствующих величин в принятых сокращениях. Ни в коем случае не следует указывать на осях координат данные опыта.
Экспериментальные данные следует отмечать на графике хорошо выделяющимися точками [233]. Через экспериментальные точки проводят карандашом с помощью лекала «наилучшую» плавную кривую (желательно – имеющую
вид теоретической зависимости). Нельзя точки соединять ломаной линией, так
как такая линия указывает на скачкообразный характер соотношения между
двумя величинами, что весьма маловероятно.
Для раскрытия содержания каждый график должен иметь смысловую подпись.
Во время проведения проблемно-ориентированных физических практикумов часто встречается линейная зависимость двух экспериментально измеренных
величин x и Y: Y = kx + b, где k и b – постоянные параметры, причём часто требуется определить значение k. Его находят как отношение приращения функции
Y(x) к приращению аргумента x, взятое на выбранной прямой на возможно большем интервале изменения аргумента:
∆Y
.
k=
∆x
Легко видеть, что угловой коэффициент численно равен тангенсу угла наклона построенной по результатам эксперимента прямой к оси абсцисс, и, как
правило, представляет собой размерную физическую величину.
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.7. Использование метрической системы мер в физических
проблемно-ориентированных практикумах
При обработке результатов эксперимента численные значения приходится
подставлять в соответствующие расчетные формулы. При этом все физические
величины должны быть представлены в одной системе единиц (как правило, - в
системе СИ).
Кратные и дольные единицы в системе СИ образуются умножением или
делением на степень 10 (таблица 3.2).
Таблица 3.2
52
Обозначение
Степень
Обозначение
Степень
Обозначение
Степень
пико – п,
10−12
санти – с,
10−2
кило – к,
103
нано – н,
10−9
деци – д,
10−1
Мега – М,
106
микро – мк,
10−6
дека – да,
101
Гига – Г,
109
милли – м,
10−3
гекто – г,
102
Тера – Т,
1012
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ ПРИ
ПРОВЕДЕНИИ ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ ПРАКТИКУМОВ
ПО ЭКОЛОГИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
4.1 Особенности воздействия электромагнитных полей (ЭМП)
на живые организмы
Электрические и магнитные поля являются очень сильными факторами
влияния на состояние всех биологических объектов, попадающих в зону их воздействия. Например, в районе действия электрического поля линий электропередачи (ЛЭП) у насекомых проявляются изменения в поведении. Так у пчел фиксируется повышенная агрессивность, беспокойство, снижение работоспособности и продуктивности, склонность к потере маток; у жуков, комаров, бабочек и
других летающих насекомых наблюдается изменение поведенческих реакций, в
том числе изменение направления движения в сторону с меньшим уровнем поля
[22].
У растений распространены аномалии развития - часто меняются формы и
размеры цветков, листьев, стеблей, появляются лишние лепестки. Здоровый человек страдает от относительно длительного пребывания в поле ЛЭП. Кратковременное облучение (минуты) способно привести к негативной реакцией только
у гиперчувствительных людей или у больных некоторыми видами аллергии. Известны работы английских ученых, показавших, что у ряда аллергиков по действием поля ЛЭП развивается реакция по типу эпилептической. При продолжительном пребывании (месяцы, годы) людей в электромагнитном поле ЛЭП могут
развиваться заболевания преимущественно сердечнососудистой и нервной систем организма человека. В последние годы в числе отдаленных последствий часто называются онкологические заболевания [43].
Долгое время считалось: электромагнитные поля не оказывают заметного
влияния на живые организмы. Эта точка зрения базировалась на том, что энергия
электромагнитных квантов вплоть до рентгеновской области спектра значитель53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
но меньше средней кинетической энергии молекул вещества. Если это так, то поглощение электромагнитных волн в живых тканях может быть связано только с
усилением вращения молекул как целого, то есть с преобразованием электромагнитной энергии в тепловую энергию. Поглощение же энергии, поставляемой постоянными или медленно изменяющимися полями, приводит лишь к изменению
ориентации молекул. Расчёты показывали, что сколь-нибудь значимых для организма тепловых эффектов в результате поглощения можно ожидать только при
весьма высоких интенсивностях поля: для инфранизких частот – порядка 106 В/м,
для сверхвысоких частот – порядка 102 В/м (то есть при напряжённостях, во много раз превышающих значение напряжённостей естественных электромагнитных
полей). Что касается биологически значимого эффекта ориентации молекул под
действием постоянных или медленно изменяющихся полей, то такой эффект
возможен, если напряжённость магнитного поля не ниже 104 А/м, а электрического поля – не ниже 105 В/м (эти значения также на несколько порядков выше
напряжённости магнитного и электрического полей Земли). Исходя из этих
представлений об условиях возможных энергетических взаимодействий электромагнитных полей с тканями живых организмов, физики скептически относились к появлявшимся время от времени сообщениям биологов о реакциях животных и человека на поля, значительно более слабые, чем это требовалось для проявления теплового эффекта [40].
Однако позже выяснилось, что организмы самых различных видов, от одноклеточных до человека, чувствительны и к постоянному магнитному полю и к
переменным электромагнитным полям различных частот. Особенно высока чувствительность к многократно повторяющимся слабым электромагнитным полям,
то есть имеет место кумулятивное их воздействие на организмы. В полном виде
высокая чувствительность к электромагнитным полям проявляется только у целостных организмов; она значительно ниже у изолированных органов и клеток,
ещё ниже у белковых растворов. Если частотные и модуляционно-временные параметры поля существенно отличаются от естественных, то реакции организмов
возникают при больших значениях E и Н, но всё же значительно меньших, чем
теоретически предсказываемые, исходя из рассмотрения лишь теплового воздействия.
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Характер и выраженность биологических эффектов своеобразно зависят от
параметров электромагнитных полей. В одних случаях эффекты максимальны
при некоторых «оптимальных» значений E и Н, в других – возрастают при их
уменьшении, в третьих – проявляются неодинаково при малых и больших значениях E и Н. На биологическую реакцию влияют такие параметры полей, как амплитуда напряжённости электрического и магнитного полей, частота излучения,
продолжительность облучения, модуляция сигнала, сочетание частот полей, периодичность действия. Сочетание вышеперечисленных параметров может давать
существенно различающиеся последствия для реакции облучаемого биологического объекта [43].
Анализ эмпирических закономерностей позволяет предположить, что биологические эффекты слабых полей, необъяснимые их энергетическим взаимодействием с веществом живых тканей, могут быть обусловлены информационными взаимодействиями электромагнитных полей с системами организма, воспринимающими информацию из окружающей среды и соответственно регулирующими процессы жизнедеятельности организмов. В процессе эволюции живая
природа использовала естественные поля внешней среды как источники информации, обеспечивавшей непрерывное приспособление организмов к изменениям
различных факторов внешней среды – согласование процессов жизнедеятельности с регулярными изменениями, защиту от спонтанных изменений.
Помимо физических параметров электромагнитного излучения и внешних
условий облучения очень большое значение имеет соразмерность объекта облучения и длины облучаемой волны. В низкочастотном и высокочастотном диапазонах преобразование электромагнитной энергии в тепловую связано, в основном, с потерями проводимости, возникающими за счет выделения в тканях тепла
индуцированными в них токами. До частот порядка 10 МГц размеры тела человека и крупных животных (а тем более мелких) малы по сравнению с длиной
волны, а ткани тела можно рассматривать как проводящую среду. В этих случаях
расчеты можно производить как для статического поля при следующих допущениях: тело человека приближенно рассматривается как однородный по электрическим свойствам проводящий эллипсоид, большая ось которого параллельна
силовым линиям однородного электрического или магнитного поля [40].
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При частотах выше 100 МГц размеры тела человека и крупных животных
уже сравнимы с длиной волны или превышают ее, а ткани тела уже нельзя рассматривать как проводящую среду. Нельзя также считать различные ткани однородными по электрическим свойствам. Иначе говоря, условие стационарности
здесь не выполняется и необходимо рассматривать поток волн, часть которого
отражается от поверхности тела, а остальная часть постепенно поглощается в
электрически неоднородных тканях. В расчетах необходимо учитывать как размеры и форму облучаемого объекта, так и величину коэффициента отражения
волн на границах раздела разных тканей (таблица 4.1) [224]. Значения глубины
проникновения электромагнитных волн в различные ткани, то есть расстояния,
на котором энергия волны уменьшается в e ≈ 2,71 раз, приведены в таблице 4.2
[224].
Таблица 4.1
Коэффициенты отражения от границ раздела между тканями
для различных частот
Границы раздела
Воздух – кожа
100
0,758
200
0,684
400
0,623
Кожа – жир
0,340
0,227
–
Жир – мышцы
56
Частота, МГц
1000 3000
0,570 0,550
10000 24 500 35000
0,530 0.470
–
0,231
0,190
0,230
0,220
–
–
–-
–
–
0,355 0,3515 0,3004 0,2608
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 4.2
Глубина проникновения электромагнитных волн в различные
ткани организма, см
Костный мозг
Головной мозг
Хрусталик глаза
Стекловидное тело
100
22,9
3,56
9,42
2,17
200
20,66
4,132
4,39
1,69
400
18,73
2,072
4,23
1,41
Частота, МГц
1000 3003 10000 24000 35 000
11,9 9,924 0,34 0,145 0,073
1,933 0,476 0,168 0,075 0,0378
2,915 0,500 0,174 0,0706 0,0378
1,23 0,535 0,195 0,045 0,0314
Жир
Мышцы
Кровь
Кожа
20,45
3,451
2,86
3,765
12,53
2,32
2,15
2,78
8,52
1,84
1,787
2,18
6,42
1,456
1,40
1,638
Ткань
2,45
–
0,78
0,646
1,1
0,342
–
0,314
–
–
0,148 0,0598 0,0272
0,189 0,0722
–
4.2 Последствия воздействия электромагнитных полей на человека
Многочисленные исследования в области биологического действия электромагнитных полей [22] позволили определить, что наиболее чувствительными
системами организма человека являются: нервная, иммунная, эндокринная и половая. Реакции этих систем должны обязательно учитываться при оценке риска
воздействия электромагнитных полей на население. Биологический эффект в условиях длительного многолетнего воздействия накапливается, в результате возможно развитие отдаленных последствий, включая дегенеративные процессы
центральной нервной системы, рак крови (лейкозы), опухоли мозга, гормональные заболевания. Особо опасны, ЭМП могут быть для детей, беременных (на
развитие эмбриона), людей с заболеваниями центральной нервной, гормональной, сердечнососудистой системы, аллергиков, людей с ослабленным иммунитетом.
•
Влияние на нервную систему. Большое число исследований дают основание отнести нервную систему к одной из наиболее чувствительных систем в
организме человека к воздействию даже слабых электромагнитных полей: у лю57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дей ухудшается память, повышается склонность к развитию стрессовых реакций,
нарушается сон.
•
Влияние на иммунную систему. При воздействии электромагнитных
полей нарушаются процессы иммуногенеза, чаще в сторону их угнетения. Установлено также, что у животных, облученных ЭМП, отягощается протекание инфекционных болезней.
•Влияние на эндокринную систему. Действие электромагнитного поля способствует увеличению содержания адреналина в крови, активацией процессов
свертывания крови.
• Влияние на глазную систему. Глаза – орган, наиболее бедный кровеносными сосудами. Следовательно, глаза сильнее нагреваться под действием электромагнитного поля, чем органы, в которых возможен интенсивный отвод тепла
за счёт усиления кровотока. Обнаружено, что при однократном облучении глаз
волнами с λ = 3 – 30 см, в результате многократных облучений (10 сеансов по 30
минут с интенсивностью 150 мВт/см2), а также при хроническом (несколько лет)
воздействии микроволн с интенсивностью несколько мВт/см2 в хрусталике глаза
возникает помутнение, развивается катаракта, понижается внутриглазное давление.
•Влияние на развитие эмбриона. Принято считать, что электромагнитные
поля могут вызывать уродства, причём наиболее уязвимыми периодами беременности являются ранние стадии развития зародыша. Установлено, что чувствительность эмбриона к ЭМП значительно выше, чем чувствительность материнского организма.
•Влияние на половую функцию. Нарушения половой функции обычно связаны с изменением ее регуляции со стороны нервной и нейроэндокринной систем. С этим связаны результаты работы по изучению состояния гонадотропной
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
активности гипофиза при воздействии ЭМП. Многократное облучение ЭМП вызывает понижение активности гипофиза [22, 40].
Клинических исследования здоровья людей, подвергавшихся воздействию
электромагнитных полей на производстве, показали, что длительная работа с
электромагнитными полями может привести к развитию заболеваний, клиническую картину которых определяют, прежде всего, изменения функционального
состояния нервной и сердечнососудистой систем. Накопленный материал позволил предложить использовать новый термин «Радиоволновая болезнь» [22]. Результаты работ были использованы при составлении соответствующих нормативных документов, причём соответствующие предельно допустимые уровни
(ПДУ) в нашей стране по ряду позиций оказались даже более жёсткими, чем
американские или европейские.
4.3 Источники электромагнитных полей
4.3.1 Электротранспорт
Транспорт на электрической тяге (электропоезда, в том числе поезда метрополитена, троллейбусы, трамваи и т. п.) является источником электрического и
магнитного полей в диапазоне частот от 0 до 1000 Гц. Величина напряжённости
электрического и индукции магнитного полей зависит от положения наблюдателя относительно контактного провода, электромоторов, токосъёмника. Так, максимальное значение магнитной индукции B в вагоне пригородной электрички
может достигать 75 – 80 мкТл при среднем значении 20 мкТл в линиях переменного тока и 30 мкТл в линиях постоянного тока.
4.3.2 Линии электропередач
Провода работающей линии электропередачи создают в окружающем пространстве электрическое и магнитное поля промышленной частоты. Расстояние,
на котором ощущается влияние полей, создаваемых проводами, составляет десятки метров и зависит от величины электрического напряжения в ЛЭП (число,
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
обозначающее величину напряжения стоит в названии самой линии, так, например, название ЛЭП-500 говорит о том, что рабочее напряжение равно 500 кВ).
Чем выше напряжение – тем обширнее зона повышенного уровня электрического и магнитного полей, при этом размеры зоны не изменяются в течении времени
работы линии электропередачи [43].
Дальность распространения магнитного поля зависит от величины протекающего тока или от нагрузки линии. Поскольку нагрузка ЛЭП может неоднократно изменяться как в течение суток, так и с изменением сезонов года, размеры
зоны повышенного уровня магнитного поля также меняются.
Ранее исследования биологического действия электромагнитных полей
промышленной частоты, ориентировались в основном на действие электрической составляющей, поскольку экспериментальным путем значимого биологического действия магнитной составляющей при типичных уровнях не было обнаружено. В 70-х годах XX века в СССР для населения были введены жесткие
нормативы, которые и по настоящее время являющиеся одними из самых жестких в мире. Они изложены в Санитарных правилах и нормах «Защита населения
от воздействия электрического поля, создаваемого воздушными линиями электропередачи переменного тока промышленной частоты» САНПИН № 2971-84
[53]. В соответствие с этими нормами проектируются и строятся все объекты
электроснабжения.
Несмотря на то, что магнитное поле во всем мире сейчас считается наиболее опасным для здоровья, предельно допустимая величина магнитного поля для
населения в нашей стране не нормируется (в частности, большая часть существующих ЛЭП строилась без учёта данной опасности). Причина заключается в
том, то на проведение детальных исследований и разработку норм пока не хватает средств. В Швеции и США допускаемая величина магнитной индукции поля,
которое создаётся линией электропередачи, составляет 0,2 – 0,3 мкТл.
В отличие от магнитной составляющей электромагнитного поля ЛЭП величина допускаемых значений напряжённости электрического поля жёстко нормируется. Исходя из этих значений, установлены границы санитарно-защитных
зон вокруг ЛЭП [22, 43] (см. таблицу 4.3), за пределами которых напряжённость
электрического поля должна быть менее 1 кВ/м.
60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 4.3
Напряжение ЛЭП, кВ
до 20
35
110
150 –
220
330 –
500
750
1150
Размер санитарнозащитной зоны, м
10
15
20
25
30
40
55
К размещению воздушных линий ультравысоких напряжений выше 750 кВ
и 1150 кВ предъявляются дополнительные требования по условиям размещения
жилых объектов. Так, ближайшее расстояние от оси проектируемых воздушных
линий 750 и 1150 кВ до границ населенных пунктов должно составлять, как правило, не менее 250 и 300 м соответственно. Именно поэтому в настоящее время в
Москве, испытывающей недостаток территорий для строительства объектов городской инфраструктуры (дорог, автостоянок и т.д.), разворачивается программа
по ликвидации воздушных ЛЭП и по замене их на подземные кабельные линии,
которые планируется прокладывать в специальных защитных трубопроводах, экранирующих электромагнитное излучение.
Примеры значений предельно допустимых уровней (ПДУ) напряжённости
электрического поля, создаваемого линиями электропередачи, для разных условий облучения приведены в таблице 4.4.
Таблица 4.4
ПДУ,
кВ/м
УСЛОВИЯ ОБЛУЧЕНИЯ
0,5
внутри жилых зданий
1,0
на территории зоны жилой застройки
5,0
в населенной местности вне зоны жилой застройки; (земли городов в пределах городской черты в границах их перспективного развития на 10 лет,
пригородные и зеленые зоны, курорты, земли поселков городского типа в
пределах поселковой черты и сельских населенных пунктов в пределах
черты этих пунктов) а также на территории огородов и садов;
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
10,0
на участках пересечения воздушных линий электропередачи с автомобильными дорогами I – IV категорий;
15,0
в ненаселенной местности (незастроенные местности, хотя бы и часто посещаемые людьми, доступные для транспорта, и сельскохозяйственные
угодья);
20,0
в труднодоступной местности (недоступной для транспорта и сельскохозяйственных машин) и на участках, специально выгороженных для исключения
доступа населения.
4.3.3 Электропроводка
Наибольший вклад в электромагнитную обстановку жилых помещений в
диапазоне промышленной частоты 50 Гц вносит электротехническое оборудование зданий: кабельные линии, которые подводят электричество ко всем квартирам и другим потребителям системы жизнеобеспечения; распределительные щиты; трансформаторы. В помещениях, смежных с этими источниками, обычно повышен уровень магнитного поля промышленной частоты, однако уровень напряжённости электрического поля промышленной частоты при этом обычно не
слишком высок и не превышает ПДУ для населения [53, 224] (500 В/м).
Полезно помнить, что к резкому возрастанию уровня электромагнитных
полей внутри помещения приводят дефекты в электропроводке, в монтаже и
подключении бытовых приборов. Более того, даже обычная двухпроводная электрическая сеть может оказать негативное воздействие на здоровье человека. Так,
исследования показывают, что обычная настольная лампа с двухконтактной вилкой и выключателем, расположенная на расстоянии 20–30 см от головы сидящего за столом человека, создаёт переменное электрическое поле напряженностью
до 200 – 300 В/м, частотой 50 Гц, а также (при включении и выключении) импульсные поля напряженностью до 3 – 5 кВ/м. По величине эти значения сопоставимы с теми, которые возникают в зоне действия полей высоковольтных ЛЭП.
Именно поэтому во многих европейских странах и в США широкое распространение получили трехпроводные сети с защитным заземлением (и, соответствен-
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
но, с трехконтактными вилками бытовых приборов), что обеспечивает надлежащее заземление корпусов электроприборов и одновременное экранирование
электромагнитных полей от проводов электросети.
С целью предупреждения возможных последствий негативного влияния на
здоровье электромагнитных полей, создаваемых электропроводкой, следует:
• избегать продолжительного пребывания (регулярно по нескольку часов в
день) в тех местах помещения, которые характеризуются повышенным уровнем
электромагнитного магнитного поля промышленной частоты;
• кровать для ночного отдыха максимально удалять от источников продолжительного облучения (в частности, расстояние до распределительных шкафов,
силовых электрических кабелей должно составлять не менее 2,5 – 3 метров);
• если через само помещение (или смежное с ним) проходят какие-то неизвестные кабели, имеются распределительные шкафы, трансформаторные узлы,
то удаление от этих объектов должно быть максимально возможным. Прежде,
чем надолго располагаться в таком помещении, следует измерить уровень электромагнитных полей в нём;
• выбирая полы с электроподогревом, необходимо ориентироваться на конструкции, которые характеризуются пониженным уровнем электромагнитного
излучения.
4.3.4 Бытовая электротехника
Все бытовые приборы, работающие с использованием электрического тока,
являются источниками электромагнитных полей. Среди наиболее мощных –
СВЧ-печи, аэрогрили, холодильники с системой «без инея», кухонные вытяжки,
электроплиты, телевизоры. Характеристики реально создаваемых полей существенно зависят от конкретной модели прибора и режима его работы [40].
Значения напряжённости E электрического и магнитного H полей (а также
индукции B магнитного поля) тесно связаны с мощностью прибора: чем она выше, тем больше E, H и B полей, создаваемых при его работе. Тем не менее, значения напряжённости электрического поля промышленной частоты (50 Гц), создаваемого практически всеми типами электробытовых приборов не превышают
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
нескольких десятков В/м на расстоянии 0,5 м, что значительно меньше ПДУ (500
В/м).
Ниже приведены таблицы 4.5 и 4.6, в которых приведены типичные значения параметров полей, создаваемых различными бытовыми приборами [40]. При
анализе этих значений следует помнить, что в России ПДУ в случае магнитного
поля для населения не устанавливается, однако полагается, что допускаемая величина магнитной индукции должна быть менее 0,2 – 0,3 мкТл.
Таблица 4.5
Предельно допустимые уровни E, H, B и плотности потока энергии S
электромагнитных полей, создаваемых некоторыми видами приборов
Источник
Диапазон
Значение ПДУ
Условия измерения
Индукционная
печь
20 – 22 кГц
Е = 500 В/м,
H = 4 А/м
на расстоянии 0,3 м от корпуса
2,45 ГГц
S = 10 мкВт/см2
на расстоянии 0,50 ± 0,05 м от
любой точки, при нагрузке 1 литр
воды
5 Гц – 2 кГц
Е = 25 В/м
B = 250 нТл
2 – 400 кГц
Е = 2,5 В/мВ
B = 25 нТл
СВЧ-печь
Электроннолучевой дисплей
Прочая продукция
64
Электростатика
(поле постоянное)
поверхностный
электростатический
50 Гц
Е = 500 В/м
0,3 – 300
кГц
Е = 25 В/м
0,3 – 3 МГц
Е = 15 В/м
3 – 30 МГц
Е = 10 В/м
потенциал ϕ = 500
на расстоянии 0,5 м от дисплея
на расстоянии 0,1 м от экрана
дисплея
В
на расстоянии 0,5 м от корпуса
изделия
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
30 – 300
МГц
Е = 3 В/м
0,3 – 30 ГГц
S = 10 мкВт/см2
Таблица 4.6
Уровни индукции магнитного поля промышленной частоты, создаваемого
бытовыми электроприборами на расстоянии 0,3 м
БЫТОВОЙ ЭЛЕКТРОПРИБОР
В, мкТл
Пылесос
0,2 – 2,2
Дрель
2,2 – 5,4
Утюг
до 0,4
Миксер
0,5 – 2,2
Телевизор
до 2,0
Люминесцентная лампа
0,5 – 2,5
Кофеварка
до 0,2
Стиральная машина
до 0,3
Микроволновая печь
4,0 – 12,0
Электрическая плита
0,4 – 4,5
Как мы уже говорили, человеческий организм всегда реагирует на электромагнитное поле. Однако, для того чтобы эта реакция переросла в патологию и
привела к заболеванию необходимо выполнение ряда условий, в частности, требуются достаточно высокие уровни поля и длительности облучения. Исправная
бытовая техника является источником достаточно слабых полей, кроме того,
магнитное поле промышленной частоты может быть опасным для здоровья человека только, если он подвергается продолжительному облучению (регулярному,
не менее 8 часов в сутки, в течение нескольких лет) с уровнем выше 0,2 мкТл.
Таким образом, в быту потенциальная опасность может грозить лишь аллергикам
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
и людям с повышенной чувствительностью к электромагнитным полям. Тем не
менее, следует соблюдать следующие рекомендации:
• приобретая бытовую технику, проверяйте в Гигиеническом заключении
(сертификате) отметку о соответствии изделия требованиям «Межгосударственных санитарных норм допустимых уровней физических факторов при применении товаров народного потребления в бытовых условиях», МСанПиН 001-96
[152];
• используйте технику с меньшей потребляемой мощностью: магнитные
поля промышленной частоты будут меньше при прочих равных условиях;
• к потенциально неблагоприятным источникам магнитного поля промышленной частоты в квартире относятся холодильники с системой «без инея», некоторые типы «теплых полов», электронагреватели, телевизоры, некоторые системы сигнализации, различного рода зарядные устройства, выпрямители и преобразователи тока. Если эти приборы работают и ночью, Ваше спальное место
должно располагаться на расстоянии не менее двух метров от них;
• при размещении в квартире бытовой техники руководствуйтесь следующими принципами: размещайте бытовые электроприборы по возможности дальше от мест отдыха, не располагайте бытовые электроприборы поблизости и не
ставьте их друг на друга.
Отдельно следует поговорить о микроволновых (или СВЧ) печах, как наиболее мощных возможных источниках электромагнитного излучения. Вопервых, во время работы печи в системе её электропитания идёт достаточно
большой ток промышленной частоты 50 Гц, создающий заметное магнитное поле, и, во-вторых, сам разогрев пищи осуществляется с помощью микроволнового
(сверхвысокочастотного или СВЧ) электромагнитного излучения большой мощности (частотой 2,45 ГГц). Конечно, современные микроволновые печи оборудованы достаточно совершенной защитой, которая не дает электромагнитному полю выходить за пределы рабочего объема прибора. Вместе с тем, нельзя говорить
и о том, что поле совершенно не проникает в окружающую печь пространство.
По разным причинам часть электромагнитного излучения, используемого для
подогрева пищи, выходит наружу, особенно это часто наблюдается в районе правого нижнего угла дверцы [152, 167].
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для обеспечения безопасности при использовании печей в быту в России
действуют санитарные нормы СН № 2666-83 («Предельно допустимые уровни
плотности потока энергии, создаваемой микроволновыми печами»), ограничивающие предельную величину утечки СВЧ-излучения микроволновой печи (см.
таблицы 4.5 и 4.6) [167]. На практике практически все новые современные микроволновые печи выдерживают это требование с большим запасом. Тем не менее, при покупке новой печи надо убедиться, что в сертификате соответствия зафиксировано соответствие вашей печи требованиям этих санитарных норм.
Со временем степень защиты печи может снижаться, в основном из-за появления микрощелей в уплотнении дверцы. Это может происходить как из-за попадания на уплотнение грязи, так и из-за механических повреждений. Поэтому и
сама дверца и ее уплотнение требуют аккуратности в обращении и тщательного
ухода. Срок гарантированной стойкости защиты от утечек электромагнитного
поля при нормальной эксплуатации составляет несколько лет. Через 5 – 6 лет
эксплуатации целесообразно проверить качество защиты для чего пригласить
специалиста из специально аккредитованной лаборатории по контролю электромагнитного поля.
В бытовых условиях однократное включение печи на несколько минут не
оказывает существенного влияния на здоровье человека. Однако бытовая микроволновая печь часто используется для разогрева пищи в кафе, в производственных условиях. В этом случае работающий с печью человек попадает в ситуацию
хронического облучения магнитным полем промышленной частоты, а это означает, что на его рабочем месте необходим обязательный контроль магнитного
поля промышленной частоты и СВЧ-излучения [40].
Учитывая специфику микроволновой печи, целесообразно включив ее
отойти на расстояние не менее 1,5 метра – в этом случае гарантированно электромагнитное поле вас не затронет вообще.
4.3.5 Теле- и радиостанции
На территории России размещается значительное количество передающих
радиоцентров различной принадлежности. Передающие радиоцентры размещаются в специально отведенных для них зонах и могут занимать довольно боль67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
шие территории (до 1000 га). По своей структуре они включают в себя одно или
несколько технических зданий, где находятся радиопередатчики, и антенные поля, на которых располагаются до нескольких десятков антенно-фидерных систем,
включающих в себя антенну, служащую для измерения радиоволн, и фидерную
линию, подводящую к ней высокочастотную энергию, генерируемую передатчиком [36]. Наибольшие уровни облучения людей и окружающей среды наблюдаются в районе размещения центров «старой постройки» с высотой антенной опоры не более 180 м.
Радиостанции ДВ (частоты от 30 до 300 кГц, длина волн большая, так, например, λ = 2000 м для частоты 150 кГц). На расстоянии меньшим λ от антенны
поле может быть достаточно большим, например, на расстоянии 30 м от антенны
передатчика мощностью 500 кВт, работающего на частоте 145 кГц, электрическое поле может быть выше 630 В/м, а магнитное – выше 1,2 А/м.
Радиостанции СВ (от 300 кГц до 3 МГц). Напряженность электрического
поля на расстоянии 200 м достигает 10 В/м, на расстоянии 100 м – 25 В/м, на расстоянии 30 м – 275 В/м (данные для передатчика мощностью 50 кВт).
Радиостанции КВ (частоты от 3 МГц до 30 МГц) имеют обычно меньшую
мощность, однако чаще размещаются в городах, в том числе на крышах жилых
зданий. Передатчик мощностью 100 кВт на расстоянии 100 м может создавать
напряженность электрического поля 44 В/м и магнитного поля 0,12 А/м.
Телевизионные передатчики располагаются, как правило, в городах. Передающие антенны размещаются обычно на высоте выше 110 м. Типичное значение напряженности электрического поля для передатчика мощностью 1 МВт: до
15 В/м на расстоянии 1 км.
Следует помнить, что каждый радиопередающий объект должен иметь Санитарный паспорт, в котором определены границы санитарно-защитной зоны.
Только при наличии этого документа территориальные органы Госсанэпиднадзора разрешают эксплуатировать радиопередающие объекты. Периодически эти
органы производят контроль электромагнитной обстановки на предмет её соответствия установленным ПДУ [36].
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4.3.6 Радары радиолокационных станций
Радиолокационные станции оснащены, как правило, антеннами, имеющими узконаправленную диаграмму излучения в виде луча. Станции работают на
частотах от 500 МГц до 15 ГГц, однако отдельные системы могут работать на
частотах до 100 ГГц. Создаваемый ими сигнал принципиально отличается от излучения обычных антенн: периодическое перемещение радара в пространстве
приводит к пространственной прерывистости облучения. Временная прерывистость облучения обусловлена цикличностью работы радара на излучение.
Метрологические радары могут создавать на удалении 1 км плотность потока энергии электромагнитного поля S ≈ 100 Вт/м2 за каждый цикл облучения.
Радиолокационные станции аэропортов создают поля с S ≈ 0,5 Вт/м2 на расстоянии 60 м. Морское радиолокационное оборудование имеет мощность передатчика на порядок меньшую, чем у аэродромных радаров, поэтому в обычном режиме
на расстоянии нескольких метров от передатчика S < 10 Вт/м2.
Возрастание мощности радиолокаторов различного назначения и использование остронаправленных антенн кругового обзора приводит к значительному
увеличению интенсивности электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, создавая на прилегающей местности достаточно обширные зоны с высокой плотностью потока энергии [36, 53]. Так, наиболее неблагоприятные условия отмечаются в тех жилых районах городов, которые вплотную прилегают к аэропортам (в
Иркутске, Сочи, Сыктывкаре, Ростове-на-Дону и ряде других).
4.3.7 Спутниковая связь
Системы спутниковой связи состоят из приемопередающей станции на
Земле и спутника, находящегося на орбите. Диаграмма направленности антенны
станций имеет ярко выраженной узконаправленный характер. Плотность потока
энергии S в главном лепестке диаграммы направленности может достигать нескольких сотен Вт/м2 вблизи антенны, создавая значительные поля и на большем
удалении. Например, станция мощностью 225 кВт, работающая на частоте 2,38
ГГц, создает на расстоянии 100 км поле с S ≈ 2,8 Вт/м2 [36, 53]. Однако рассеяние
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
энергии от основного луча невелико, оно происходит главным образом в районе
размещения антенны и поэтому негативное действие систем спутниковой связи
на близлежащие территории мало.
4.3.8 Сотовая связь
Основными элементами систем сотовой связи являются базовые станции и
мобильные радиотелефоны, которые поддерживают радиосвязь друг с другом,
вследствие чего и те и другие являются источниками электромагнитного излучения в УВЧ-диапазоне [22, 40]. В работе системы применяется принцип деления
охватываемой территории на зоны, или «соты», радиусом 0,5 – 10 км.
Базовые станции поддерживают связь с находящимися в их зоне действия
мобильными радиотелефонами и работают в режиме приема и передачи сигнала.
В зависимости от стандарта, станции излучают электромагнитные волны в диапазоне частот от 463 МГц до 1880 МГц. Антенны станций устанавливаются на
высоте 15 – 100 метров от поверхности земли на уже существующих постройках
(общественных, производственных и жилых зданиях, дымовых трубах и т. д.)
или на специально сооруженных мачтах. Измерения показывают, что электромагнитная обстановка в зданиях, на которых установлены антенны, не отличается от фоновой, характерной для данного района в данном диапазоне частот. На
окружающих территориях уровни электромагнитных полей также малы (в десятки раз меньше ПДУ). Во многом это связано с тем, что основная энергия излучения передающей антенны базовой станции сосредоточена в довольно узком луче,
который всегда направлен в сторону от сооружений, на которых находятся антенны, и выше прилегающих к ним построек.
Краткие технические характеристики некоторых стандартов систем сотовой радиосвязи, действующих в России, приведены в таблице 4.7. [40].
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 4.7
Диапазон
Наименование рабочих часстандарта
тот базовой
станции
Диапазон
рабочих частот радиотелефона
Максимальная
мощность,
излучаемая
базовой
станцией
Максимальная мощность, излучаемая радиотелефоном
Радиус
«соты»
NMT-450
Аналоговый
463 – 467,5
МГц
453 – 457,5
МГц
100 Вт
1 Вт
1 – 40
км
AMPS
Аналоговый
869 – 894
МГц
824 – 849 МГц
100 Вт
0,6 Вт
2 – 20
км
D-AMPS (IS136)
Цифровой
869 – 894
МГц
824 – 849 МГц
50 Вт
0,2 Вт
0,5 – 20
км
CDMA
Цифровой
869 – 894
МГц
824 – 849 МГц
100 Вт
0,6 Вт
2 – 40
км
GSM-900
Цифровой
925 – 965
МГц
890 – 915 МГц
40 Вт
0,25 Вт
0,5 – 35
км
GSM-1800
(DCS)
Цифровой
1805 – 1880
МГц
1710 – 1785
МГц
20 Вт
0,125 Вт
0,5 – 35
км
Мобильный радиотелефон представляет собой малогабаритный приемопередатчик, работающий (в зависимости от стандарта) в диапазоне частот 453 –
1900 МГц. Мощность излучения телефона является величиной переменной, зависящей от состояния канала связи «телефон – базовая станция»: чем выше уровень сигнала станции в месте приема, тем меньше мощность излучения телефона
и наоборот. Максимальная мощность находится в границах 0,125 – 1 Вт, однако
в реальной обстановке она обычно не превышает 0,05 – 0,2 Вт.
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
До сих пор остаётся открытым вопрос о воздействии излучения мобильного телефона на организм пользователя. Многочисленные исследования, проведенные учеными разных стран, включая Россию, на биологических объектах (в
том числе, на добровольцах), привели к неоднозначным, иногда противоречащим
друг другу, результатам. Неоспоримым остается лишь тот факт, что организм человека «откликается» на наличие излучения сотового телефона. Именно поэтому
владельцам мобильных телефонов рекомендуется соблюдать некоторые меры
предосторожности:
• не пользуйтесь сотовым телефоном без необходимости;
• разговаривайте непрерывно не боле 3 – 4 минут;
• в автомобиле используйте телефон совместно с системой громкоговорящей связи «hands-free» с внешней антенной, которую лучше всего располагать в
геометрическом центре крыши.
• при покупке выбирайте сотовый телефон с меньшей максимальной мощностью излучения;
• старайтесь ограничивать использование мобильных телефонов детьми,
беременными женщинами;
Для людей, окружающих человека, разговаривающего по мобильному телефону, электромагнитное поле этого телефона не представляет опасности [36,
241].
4.3.9 Персональные компьютеры
Составляющими частями персонального компьютера являются системный
блок и разнообразные устройства ввода/вывода информации: клавиатура, дисковые накопители, принтер, сканер, и т. п. Каждый персональный компьютер
включает средство визуального отображения информации (дисплей). Компьютер
часто оснащают сетевыми фильтрами (например, типа «Pilot»), источниками
бесперебойного питания и другим вспомогательным электрооборудованием
[241]. Все эти элементы формируют сложную электромагнитную обстановку на
рабочем месте пользователя (см. таблицу 4.8).
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 4.8
Диапазон значений напряжённости электрического и индукции магнитного
полей, на рабочем месте пользователя персонального компьютера
Измеряемые параметры
Диапазон частот 5 Гц – 2
кГц
Диапазон частот 2 – 400
кГц
E, В/м
1,0 – 35,0
0,1 – 1,1
B, нТл
6,0 – 770,0
1,0 – 32,0
Главным источником неблагоприятного воздействия на здоровье пользователя компьютера является дисплей (монитор) на основе электронно-лучевой
трубки, который создаёт в окружающем пространстве:
• электромагнитное поле в диапазоне частот 20 Гц – 300 МГц (табл. 4.9);
• статический электрический заряд (на экране монитора);
• ультрафиолетовое излучение в диапазоне 200 – 400 нм;
• инфракрасное излучение в диапазоне 1050 нм – 1 мм;
• рентгеновское излучение с энергией квантов более 1,2 кэВ.
Таблица 4.9
ВИД ПОЛЯ
Диапазон частот
Максимальное значение напряженности поля по оси экрана вокруг
монитора
Электрическое поле
100 кГц – 300
МГц
17,0 – 24,0 В/м
Электрическое поле
0,02 – 2 кГц
150,0 – 155,0 В/м
Электрическое поле
2 – 400 кГц
14,0 – 16,0 В/м
Магнитное поле
100 кГц – 300
МГц
Мало
Магнитное поле
0,02 – 2 кГц
550,0 – 600,0 мА/м
Магнитное поле
2 – 400 кГц
35,0 мА/м
Электростатическое поле
8 - 75 кВ/м
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
По обобщенным данным, у работающих за компьютером от 2 до 6 часов в
сутки функциональные нарушения центральной нервной системы происходят в
среднем в 4,6 раза чаще, чем в контрольных группах, болезни сердечнососудистой системы – в 2 раза чаще, болезни верхних дыхательных путей – в 1,9 раза
чаще, болезни опорно-двигательного аппарата – в 3,1 раза чаще. С увеличением
продолжительности работы на компьютере соотношения здоровых и больных
среди пользователей резко возрастает; особенно ярко и устойчиво эти эффекты
проявляются у женщин [241].
В последние годы мониторы с электронно-лучевыми трубками быстро вытесняются дисплеями ни жидких кристаллах, не создающих перечисленных выше проблем. Темнее менее, мониторы с электронно-лучевыми трубками широко
используются на практике, и поэтому следует помнить о том негативном воздействии, которые они могут оказывать на пользователя [204].
4.3.10 Железнодорожный транспорт как источник электромагнитных полей
В систему электрифицированных железных дорог входят сооружения и
устройства, составляющие ее внешнюю часть (электростанции, линии электропередачи) и тяговую часть (тяговые подстанции, контактная сеть, рельсовая
цепь, питающая и отсасывающая линии). Электростанции вырабатывают трехфазный ток напряжением 220 В – 380 В, которое затем повышают на трансформаторных подстанциях для передачи на большие расстояния. Вблизи мест потребления электроэнергии напряжение понижают до 220 В и подают в районные
сети высокого напряжения, к которым подключены потребители электроэнергии,
в том числе и тяговые подстанции электрифицированных железных дорог, питающие контактную сеть [116, 196, 242].
До 1955 г. электрификация железных дорог осуществлялась только на постоянном токе 2000 А с напряжением 3 кВ. С 1956 г. в нашей стране стало внедряться железнодорожное электроснабжение на переменном токе до 400 А с напряжением 25 кВ на промышленной частоте 50 Гц.
Основным источником электромагнитных излучений вдоль полотна железной дороги является контактная сеть, по которой электрическая энергия передаётся от тяговых подстанций к электроподвижному составу. После прохожде74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ния двигательной секции электровоза ток уходит в землю, идёт по рельсам к тяговой подстанции (тяговый ток).
Тяговая сеть электрифицированных участков переменного тока оказывает
электромагнитное влияние, прежде всего на линии электросвязи, электроснабжения (смежные линии), на провода самой контактной сети.
Электрическое влияние тяговой сети переменного тока проявляется в наведении в смежной линии потенциала по отношению к земле. Это приводит к
тому, что в отключенном проводе контактной сети появляется наведенное напряжение, которое является основной причиной травматизма со смертельными
исходами на сети дорог переменного тока. Именно поэтому провода, металлические части мостов, светофоры, крыши зданий, находящиеся на расстоянии от
контактной сети менее 10 м, должны быть обязательно заземлены.
Магнитное влияние тяговой сети переменного тока проявляется в наведении в смежной проводной линии продольной электродвижущей силы (явление
электромагнитной индукции).
В целом электромагнитное влияние железных дорог постоянного и переменного тока на систему электроснабжения проявляется в создании несимметричности токов и напряжений. В результате потребители получают несимметричное напряжение, что снижает максимально активную мощность электросети
[196, 242].
Характер электромагнитных полей, создаваемых контактной сетью, во
многом сходен с тем, который имеет место в случае ЛЭП. При этом напряженность электрического Е и магнитного Н полей линий постоянного тока оказывается выше, чем напряженности Е и Н линий переменного тока, так как сила тока,
используемого в этих системах электроснабжения неодинакова (в первом случае
она существенно больше). В настоящее время большая часть железных дорог
России используют переменный ток. Использование переменного тока для электроснабжения железной дороги позволяет существенно снизить предельно допустимые нормы излучения для персонала и населения, уменьшить затраты на
средства защиты от электромагнитного излучения.
75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4.4. Расчёт электромагнитных полей, создаваемых источниками
разных типов
Для расчёта индукции dB магнитного поля, создаваемого в среде с магнитной проницаемостью µ элементом dl проводника с током силой I в точке, которая

задаётся радиус-вектором r (проведённым от элемента dl в эту точку – см. рисунок 4.1), можно использовать формулу закона Био-Савара-Лапласа [23, 164, 209,
244]:
I
µ

 µµ I [dl ,r]
0
dB =
.
4π
r3

dB

r

dl
Данная формула позволяет вывести выражения для
расчёта индукции B (а с учётом того, что B =µµ0H, и на-
Рисунок 4.1
пряжённости Н) магнитных полей, создаваемых проводниками с током различных конфигураций (прямого бесконечно длинного проводника, проводника конечной длины и т.д.). Некоторые из таких формул приведены ниже.
•Поле прямого проводника конечной длины
В случае прямого тонкого проводника А1A2, по которому идёт ток I, для
индукции магнитного поля B в точке О, находящейся на расстоянии r от оси проводника и такой, что концы проводника из этой точки видны под углами α1 и α2,
можно получить:
B=
µµ 0
I(cosα1 − cosα2).
4πr
Направление вектора магнитной индукции определяется по правилу бу
равчика (на рисунке 4.2 вектор B в точке О направлен перпендикулярно плоскости рисунка от нас).
76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Поле бесконечно длинного прямого проводника с током
Для расчёта поля, создаваемого бесконечно длинным проводником, можно
использовать эту же формулу с учётом того, однако, что в этом случае α → 0 и
α2 → π. Так как cos0 = 1, а cosπ = − 1, получаем:
B=
µµ 0
I.
2πr
•Поле проводника сложной формы
При расчётах помимо закона Био-Савара-Лапласа используется принцип

суперпозиции для вектора B [23, 209, 244]. Проводник мысленно разбивается на
отдельные прямые участки, рассчитывается индукция поля, создаваемого каждым из участков, после чего осуществляется векторное сложение полученных
выражений:
A1
α1
I
A2

BРЕЗ =
α2
r

B
∑ i.
N
i =1
Результат расчёта зависит от
конкретной конфигурации проводниРисунок 4.2
ка.

В общем случае формула для расчёта результирующей индукции BРЕЗ выO
глядит так:


BРЕЗ = ∫ dB .
•Расчёт напряжённости магнитного поля
Определив значение В, находим H:
H=
B
,
µµ 0
где µ0 = 4π⋅10−7 (Гн/м) – магнитная постоянная.
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
•Расчёт напряжённости электрического поля в электромагнитной волне
Вычислив H, для расчёта E электромагнитной волны используем то, что
ε0εЕ2 = µ0µ⋅Н2:
Е=
µµ 0
H,
εε 0
где ε – диэлектрическая проницаемость среды, µ – её магнитная проницаемость. В частности, для воздуха (ε ≈ 1, µ ≈ 1)
Е=
µ0
H,
ε0
или (так как ε0 = 8,85⋅10−12 Ф/м, а µ0 = 4π⋅10−7 Гн/м) численно:
Е = 377⋅Н.
•Расчёт энергии, переносимой электромагнитной волной
Как мы уже говорили, плотность потока энергии, переносимой волной

равна модулю вектора Пойнтинга [244]  S :




 S  =  [ EH ] , или (так как вектора E и H взаимно перпендикулярны)
S = EH.
С учётом того, что ε0εЕ2 = µ0µ⋅Н2, можно записать также:
S = EH =
εε 0 2
µµ 0 2
H =
E.
εε 0
µµ 0
Объёмная плотность энергии в электромагнитной волне (энергия E, приходящаяся на единицу объема V среды):
w=
78
µµ 0 H 2
E εε 0 E 2
=
+
= ε0εЕ2 = µ0µ⋅Н2.
V
2
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Объёмная плотность энергии и вектор Пойнтинга связаны друг с другом:
S = wυ,
где υ =
1
– скорость распространения электромагнитной волны. В
εε 0µµ 0
частности, в воздухе, у которого ε ≈ 1, µ ≈ 1
υ≈
1
= c,
ε 0µ 0
где c – скорость распространения электромагнитной волны (света) в вакууме [209].
•Особенность расчёта энергии, которая переносится электромагнитной
волной, испускаемой точечным (сферическим) источником
В данном случае фронтом волны в однородной изотропной среде является
сфера. В отсутствие потерь переносимая энергия равномерно распределяется по
поверхности сферы и, по мере удаления от источника и увеличения площади
фронта, плотность потока энергии S уменьшается. Поскольку площадь поверхности сферы радиуса r равна 4πr2, то для двух расстояний r1 и r2 от центра источника можно записать, что 4πS1r12 = 4πS2r22, или просто:
S1r12 = S2r22.
•Учёт потерь энергии в веществе по мере распространения в нём электромагнитной волны.
Если среда, в которой распространяется волна, обладает проводимостью,
то под действием переменного электромагнитного поля в ней возникают токи,
протекание которых приводит к нагреву вещества. В этом случае амплитуда напряжённости электрического (и магнитного) поля в волне резко падает с расстоянием x, которое волна проходит в веществе:
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
E = E0e−δx.
В этой формуле E0 – амплитуда напряжённости вектора напряжённости
электрического поля в волне на входе в вещество (при x = 0), E – амплитуда вектора напряжённости электрического поля волны после прохождения ею расстояния x в веществе. Показатель поглощения δ зависит от удельной электропроводности вещества σ (напомним, что σ = 1/ρ, где ρ – удельное сопротивление) и круговой частоты ω волны (ω = 2πf, где f – линейная частота, измеряемая в герцах):
δ=
ωµµ 0 σ
.
2
У меди, алюминия, латуни и других не намагничивающихся металлов и
сплавов µ ≈ 1, то есть
δ≈
ωµ 0 σ
.
2
Магнитная проницаемость µ ферромагнитных материалов (железа, никеля,
кобальта, сплавов на их основе) зависит от величины напряжённости магнитного
поля H и может достигать нескольких тысяч [23].
Поглощение энергии электромагнитной волны металлами позволяет использовать их в качестве экранов для защиты от воздействия электромагнитного
излучения.
•Расчёт напряжённости электростатического поля, создаваемого равномерно заряженной прямой тонкой бесконечной нитью
Напряжённость электрического поля E,
τ
создаваемого прямой тонкой равномерно заr
O
Рисунок 4.3.
80
ряженной (с линейной плотностью заряда τ)
бесконечной нитью, в точке О, находящейся
на расстоянии r от оси нити, (рисунок 4.3)
рассчитывается по формуле
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
E=
τ
.
2πεε0 r
Это выражение позволяет вычислить напряженность электрического поля,
создаваемого уединенным бесконечно длинным прямолинейным проводником,
заряженным равномерно по длине. Вводя соответствующие поправки, с помощью данной формулы можно с достаточной точностью определить уровни напряженности, которыми характеризуется электрическое поле реальных линий и
подстанций сверхвысокого напряжения.
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4.5 Защита от электромагнитных полей. Гигиеническое нормирование
электромагнитных полей
4.5.1 Методы защиты от электромагнитных полей
Защита человека от неблагоприятного биологического действия электромагнитных полей строится по следующим основным направлениям [164]:
• организационные мероприятия;
• инженерно-технические мероприятия;
• лечебно-профилактические мероприятия.
К организационным мероприятиям относятся:
- выбор режимов работы излучающего оборудования, обеспечивающего
уровень излучения, не превышающий предельно допустимый,
- ограничение места и времени нахождения в зоне действия электромагнитных полей (защита расстоянием и временем),
- обозначение и ограждение зон с повышенным уровнем электромагнитных
полей.
Защита временем применяется, когда нет возможности снизить интенсивность излучения в данной точке до предельно допустимого уровня. В действующих ПДУ предусмотрена зависимость между интенсивностью плотности потока
энергии и временем облучения.
Защита расстоянием основывается на падении интенсивности излучения,
которое обратно пропорционально квадрату расстояния и применяется, если невозможно ослабить электромагнитное поле другими мерами, в том числе и защитой временем. Защита расстоянием положена в основу зон нормирования излучений для определения необходимого разрыва между источниками электромагнитных полей и жилыми домами, служебными помещениями и т.п.
Для каждой установки, излучающей электромагнитную энергию, должны
определяться санитарно-защитные зоны, в которых интенсивность электромагнитных полей превышает ПДУ. Границы зон рассчитываются для каждого конкретного случая размещения излучающей установки при работе их на макси82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
мальную мощность излучения и контролируются с помощью приборов. Зоны излучения ограждаются либо на их границе устанавливаются предупреждающие
знаки с надписями: «Не входить, опасно!» [53].
В качестве примера в таблице 4.5.1 приведены значения размеров санитарно-защитных (охранных) зон вкруг линий электропередачи (ЛЭП) [22]:
Таблица 4.5.1
Напряжение ЛЭП, кВ
330
500
750
1150
Размер санитарно-защитной
(охранной) зоны, м
20
30
40
55
Инженерно-технические мероприятия по защите от электромагнитных
полей
Для защиты работников от электромагнитных излучений применяют заземленные экраны, кожухи, защитные козырьки, устанавливаемые на пути излучения. Средства защиты (экраны, кожухи) из радиопоглощающих материалов
выполняют в виде тонких ковриков, гибких или жестких листов, пластин.
Для защиты от электрических полей сверхвысокого напряжения (50 Гц)
увеличивают высоту подвеса фазных проводов ЛЭП. Для открытых распределительных устройств рекомендуются заземленные экраны (стационарные или временные) в виде козырьков, навесов и перегородок из металлической сетки возле
коммутационных аппаратов, шкафов управления и контроля. К средствам индивидуальной защиты от электромагнитных излучений относят также переносные
зонты, комбинезоны и халаты, для изготовления которых используются разнообразные радиоотражающие и радиопоглощающие материалы.
К радиоотражающим материалам относятся металлы. Чаще всего на практике используются железо, сталь, медь, латунь, алюминий. Эти материалы используются в виде листов, сетки, решеток и металлических трубок. Экранирующие свойства листового металла выше, чем сетки, однако сетка удобнее в конструктивном отношении, особенно при экранировании смотровых и вентиляционных отверстий, окон, дверей и т.д. Защитные свойства сетки зависят от величины
83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ячейки и толщины проволоки: чем меньше величина ячеек и чем толще проволока, тем выше ее защитные свойства.
Для увеличения отражения в некоторых случаях стены покрывают специальными красками. В качестве токопроводящих пигментов в этих красках применяют коллоидное серебро, медь, графит, алюминий, порошкообразное золото.
Обычная масляная краска обладает довольно большой отражающей способностью (до 30%), но гораздо лучше в этом отношении известковое покрытие. Отрицательным свойством отражающих материалов является то, что они в некоторых случаях создают отраженные радиоволны, которые могут усилить облучение
человека.
Более удобными материалами для экранировки являются радиопоглощающие материалы. Листы поглощающих материалов могут быть одно- или многослойными. Многослойные листы обеспечивают поглощение радиоволн в широком диапазоне частот. Для улучшения экранирующего действия у многих типов
радиопоглощающих материалов с одной стороны впрессована металлическая
сетка или латунная фольга. При создании экранов эта сторона обращена в сторону, противоположную источнику излучения [53, 241].
Эффективность экранирования количественно характеризуется параметром
ЭХ, определяемым, как
ЭХ = НХ/НХЭ,
где НХ и НХЭ – максимальные значения напряженности магнитной составляющей поля на расстоянии х от источника соответственно без экрана и с экраном.
При эксплуатации лазерных установок обслуживающий персонал может
подвергаться воздействию ряда дополнительных опасных и вредных производственных факторов. Основную опасность представляют прямое, рассеянное и отраженное излучение (в том числе – неоптического диапазона). Наиболее чувствительным органом к лазерному излучению являются глаза: повреждения сетчатки глаз могут произойти уже при сравнительно небольших его интенсивностях.
84
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Способы защиты от лазерного излучения подразделяют на коллективные и
индивидуальные.
Коллективные средства защиты включают: применение телевизионных
систем наблюдений за ходом процесса, защитные экраны (кожухи); системы
блокировки и сигнализации; ограждение опасной зоны. Для контроля лазерного
излучения и определения границ лазерно-опасной зоны применяют калориметрические, фотоэлектрические и другие методы [53].
В качестве средств индивидуальной защиты используют специальные противолазерные очки, щитки, маски, технологические халаты и перчатки. В помещениях должна быть хорошая освещенность рабочих мест: коэффициент естественной освещенности должен быть не менее 1,5 %, а общее искусственное освещение должно создавать освещенность не менее 150 лк.
Лечебно-профилактические мероприятия
Санитарно-профилактическое и лечебное обеспечение включают следующие мероприятия:
- организация и проведение контроля выполнения гигиенических нормативов, режимов работы персонала, обслуживающего источники электромагнитных
полей;
- выявление профессиональных заболеваний, обусловленных неблагоприятными факторами среды;
- разработка мер по улучшению условий труда и быта персонала, по повышению устойчивости организма работающих к воздействиям неблагоприятных
факторов среды.
Текущий гигиенический контроль проводится в зависимости от параметров и режима работы излучающей установки, но, как правило, не реже одного
раза в год [214]. При этом определяются характеристики электромагнитных полей в производственных помещениях, в помещениях жилых и общественных
зданий и на открытой территории. Измерения проводятся также в случае таких
изменений условий и режимов работы источников электромагнитных полей, которые влияют на уровень излучения (замена генераторных и излучающих элементов, изменение технологического процесса, изменение экранировки и средств
защиты, увеличение мощности, изменение расположения излучающих элементов
и т. д.).
85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В целях предупреждения, ранней диагностики и лечения нарушений в состоянии здоровья работники, связанные с воздействием электромагнитных полей, должны проходить предварительные при поступлении на работу и периодические медицинские осмотры в порядке, установленном соответствующим приказом Министерства здравоохранения и социального развития РФ.
Все лица с начальными проявлениями клинических нарушений, обусловленных воздействием электромагнитных полей (астенический, астеновегетативный, гипоталамический синдром), а также с общими заболеваниями, течение которых может усугубляться под влиянием неблагоприятных факторов производственной среды (органические заболевания центральной нервной системы, гипертоническая болезнь, болезни эндокринной системы, болезни крови и др.),
должны браться под наблюдение с проведением соответствующих гигиенических и терапевтических мероприятий, направленных на улучшение условий их
труда и на восстановление состояния здоровья [53, 214].
4.5.2 Защита населения от вредного воздействия электромагнитных
полей
Основные требования к обеспечению безопасности населения от электрического поля промышленной частоты, создаваемого системами передачи и распределения электроэнергии, изложены в Санитарных нормах «Защита населения
от воздействия электрического поля» (САНПИН № 2971-84, текст см., например,
на сайте [53]).
Самым эффективным методом защиты является строгое выполнение правил отчуждения жилой территории от источника излучения (защита расстоянием), который положен в основу расчётов по определению необходимого разрыва
между источниками электромагнитных полей и жилыми домами, служебными
помещениями и т.п. Такие разрывы образуют санитарно-защитные зоны, так, например, в пределах санитарно-защитной зоны воздушных линий ЛЭП запрещается:
- размещать жилые и общественные здания и сооружения;
- устраивать площадки для стоянки и остановки всех видов транспорта;
86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
размещать предприятия по обслуживанию автомобилей и склады нефти и
нефтепродуктов;
- производить операции с горючим, выполнять ремонт машин и механизмов.
Территории санитарно-защитных зон разрешается использовать как сельскохозяйственные угодья, однако рекомендуется выращивать на них культуры,
не требующие ручного труда.
В случае, если на каких-то участках напряженность электрического поля за
пределами санитарно-защитной зоны окажется выше предельно допустимой (0,5
кВ/м внутри здания и выше 1 кВ/м на территории зоны жилой застройки), должны быть приняты соответствующие меры. Для этого на крыше здания с неметаллической кровлей размещается практически металлическая сетка, заземленная не
менее чем в двух точках, в зданиях с металлической крышей не менее чем в двух
точках заземляется кровля. На приусадебных участках или в других местах пребывания людей напряженность поля промышленной частоты может быть снижена путем установления защитных экранов, железобетонных, или металлические
заборов, посадки деревьев или кустарника высотой не менее 2 м. В качестве дополнительного организационно-технического мероприятия по защите населения
при планировании строительства рекомендуется использовать свойство «радиотени» возникающей из-за особенностей рельефа местности и огибания радиоволнами холмов, земляных валов, лесонасаждений [53].
Следует помнить, что ослабление электромагнитного излучения с помощью обычных строительных конструкций на основе дерева, кирпича, бетона на
низких частотах (в том числе на частоте 50 Гц) малоэффективно.
За источниками электромагнитных полей постоянно должен проводиться
текущий санитарный надзор, основными мероприятиями которого являются:
- учет контингента работающих с источниками электромагнитных полей;
- санитарно-лабораторный контроль уровней электромагнитных полей;
- контроль по созданию безопасных условий труда;
- внедрение защитно-оздоровительных мероприятий.
Проведение инструментального контроля уровней электромагнитных полей и специализированного надзора за источниками полей в настоящее время
поручено областным санитарно-эпидемиологическим (СЭС). Оперативный сани-
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тарный надзор за производством с источниками электромагнитных полей должны проводить отделения гигиены труда районных СЭС. Успешному выполнению
задач санитарного надзора за источниками электромагнитных полей способствует привлечение к контролю отделов охраны труда промышленных предприятий.
4.5.3 Санитарно-защитные зоны вблизи железной дороги
В целях защиты населения от воздействия электрического поля, создаваемого воздушными линиями электропередачи, к которым относится и контактная
сеть железной дороги, устанавливаются санитарно-защитные зоны. Санитарнозащитная зона – это территория, отделяющая предприятия и сооружения с технологическими процессами, которые являются источниками воздействия на среду обитания и здоровье человека, от жилой застройки. Территория санитарнозащитной зоны предназначена, для обеспечения снижения уровня воздействия до
требуемых гигиенических нормативов по всем факторам воздействия за ее пределами, создания эстетического барьера между территорией предприятия и территорией жилой застройки, организации дополнительных озелененных площадей, обеспечивающих экранирование, ассимиляцию, фильтрацию загрязнителей
атмосферного воздуха и повышение комфортности микроклимата.
В соответствии с санитарной классификацией предприятий, производств и
объектов устанавливаются минимальные размеры санитарно-защитных зон для
предприятий, приведенные в таблице 4.5.2. [53].
Таблица 4.5.2
Классификация
предприятий
I класс
II класс
III класс
IV класс
V класс
Размер санитарнозащитной зоны
1000 м
500 м
300 м
100 м
50 м
Воздушные линии электропередач различного напряжения, в том числе –
контактная сеть железной дороги, относятся к предприятиям пятого класса. Санитарно-защитной зоной воздушной линии электропередач является территория
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вдоль трассы высоковольтной линии, в которой напряженность электрического
поля превышает 1 кВ/м. Минимальная ширина санитарно-защитной линии вдоль
электрической контактной сети составляет 20 м.
Статус санитарно-защитной зоны земельный участок получает только при
наличии заключения территориальных органов государственного санитарного
эпидемиологического надзора. Правила использования санитарно-защитных зон
по назначению и ответственность за их нарушения регулируется федеральным
законом от 30.03.99 № 52-ФЗ «О санитарно-эпидемиологическом благополучии
населения» (с текстом закона можно ознакомиться, например, на сайте [214]) и
санитарными правилами, нормами и гигиенические нормативами, устанавливающими критерии безопасности и (или) безвредности для человека факторов
среды его обитания и требования к обеспечению благоприятных условий его
жизнедеятельности.
4.5.4 Нормирование электромагнитных полей
Биологическое действие одного и того же по частоте электромагнитного
поля зависит от напряженности его составляющих (электрической и магнитной)
или плотности потока мощности (для частот выше 300 МГц). Согласно ГОСТ
12.1.006-84 [196], с целью нормирования этого действия весь спектр электромагнитного излучения вплоть до 300 МГц разбит на диапазоны, для которых установлены предельно допустимые уровни напряженности электрической (Е, В/м),
и магнитной (Н, А/м), составляющих. Для населения еще учитывают местонахождение источников электромагнитных полей в зоне застройки или рядом с жилыми помещениями.
В соответствие данным ГОСТом [196] предельно допустимая напряженность электромагнитного поля на рабочих местах и в местах возможного нахождения персонала, связанного профессионально с воздействием электромагнитных полей частотой до 300 МГц, в течение рабочего дня не должна превышать:
по электрической составляющей:
для частот 50 кГц – 3 МГц
- 50 В/м;
3 кГц – 30 МГц
- 20 В/м;
30 кГц – 50 МГц
- 10 В/м;
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
50 кГц – 300 МГц
- 5 В/м;
по магнитной составляющей:
для частот 50 кГц – 1,5 МГц
- 5 А/м;
30 кГц – 50 МГц
- 0,3 А/м;
В таблице 4.5.3 приведены значения допустимого времени пребывания человека в электрическом поле промышленной частоты сверхвысокого напряжения
(400 кВ и выше).
Таблица 4.5.3
Напряжённость
электрического поля
Е, В/м
Допустимое время
пребывания, мин
Примечание
---
менее 5000
Без ограничений
(полный рабочий
день)
5000 – 10000
до 180
10000 – 15000
до 90
15000 – 20000
до 10
20000 – 25000
до 5
Остальное время рабочего дня
человек находится в местах, где
напряженность электрического
поля меньше или равна 5000 В/м
В таблице 4.5.4 приведены значения предельно допустимой плотности потока энергии электромагнитных полей в диапазоне частот 300 МГц – 300000 ГГц
и указано максимально допустимое время пребывания в этих условиях персонала, профессионально связанного с воздействием электромагнитных полей.
Таблица 4.5.4
Плотность потока энергии,
Вт/м2
90
Допустимое время пребывания в зоне воздействия ЭМП
Примечание
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
до 0,1
Полный рабочий день
---
0,1 – 1
Не более 2 ч
При условии пользования защитными очками
В остальное рабочее время
1 – 10
Не более 10 мин
плотность потока энергии не
должна превышать 0,1 Вт/м2
В России установлены самые жесткие в мире предельно допустимые уровни облучения населения электромагнитными полями. Система Санитарногигиенического нормирования ПДУ электромагнитных полей для населения в
России исходит из принципа введения ограничений для конкретных случаев облучения. Можно выделить следующие виды условий облучения, на которые для
населения установлены специально разработанные санитарно- гигиенические
нормы: элементы систем сотовой связи и других видов подвижной связи, все типы стационарных радиотехнических объектов (включая радиоцентры, радио- и
телевизионные станции, радиолокационные и радиорелейные станции, земные
станции спутниковой связи, объекты транспорта с базированием мобильных передающих радиотехнических средств при их работе в штатном режиме в местах
базирования), видеодисплейные терминалы и мониторы персональных компьютеров, СВЧ - печи, индукционные печи. В качестве примера ниже в таблице 4.5.5
приведены значения ПДУ для излучения от воздушных линий электропередач
промышленной частоты 50 Гц для электрической составляющей электромагнитного поля [196].
Основой для практической реализации принципов электромагнитной безопасности во всех странах являются национальные системы стандартов. Как правило, эти системы включают в себя нормативы, ограничивающие уровни электрических и магнитных полей различных частотных диапазонов путем введения
предельно допустимых уровней воздействия (ПДУ) для различных условий облучения и различных контингентов. В России система стандартов по электромагнитной безопасности складывается из Государственных стандартов (ГОСТ) и
Санитарных правил и норм (СанПиН). Это взаимосвязанные документы, являющиеся обязательными для исполнения на всей территории России.
91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 4.5.5
Условия облучения
Значение ПДУ,
В/м
внутри жилых зданий
500
на территории зоны жилой застройки
1000
в населенной местности вне зоны жилой застройки (земли городов в пределах городской черты в границах их перспективного
развития на 10 лет, пригородные и зеленые зоны, территории
огородов и садов);
5000
На участках пересечения воздушных линий электропередачи с
автомобильными дорогами I – IV категорий;
10000
для незастроенной территории, доступной для посещения населения
15000
в труднодоступной местности (недоступной для транспорта и
сельскохозяйственных машин) и на участках, специально выгороженных для исключения доступа населения.
20000
Государственные стандарты по нормированию допустимых уровней воздействия электромагнитных полей входят в группу Системы стандартов безопасности труда, содержащих требования, нормы и правила, направленные на
обеспечение безопасности, сохранение здоровья и работоспособности человека в
процессе труда [53, 183, 196, 214, 242]. Они являются обобщающими документами и содержат:
- требования по видам соответствующих опасных и вредных факторов;
- предельно допустимые значения параметров и характеристик;
- общие подходы к методам контроля нормируемых параметров и методы
защиты работающих.
Санитарные правила и нормы регламентируют гигиенические требования
более подробно, чем стандарты, и в более конкретных ситуациях, они относятся
к отдельным отраслям промышленности и сельского хозяйства. По своей струк92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
туре СанПиНы включают те же основные пункты, что и Государственные стандарты, однако излагают их более подробно. Как правило, санитарные нормы сопровождаются Методическими указаниями по проведению контроля электромагнитной обстановки и проведению защитных мероприятий [183, 242].
В зависимости от отношения подвергающегося воздействию электромагнитных полей человека к источнику излучения в стандартах России различаются
два вида воздействия: профессиональное (персонал) и непрофессиональное (население). Для условий профессионального воздействия характерно многообразие
режимов генерации и вариантов воздействия. В частности для облучения в
ближней зоне обычно характерно сочетание общего и местного облучения. Для
непрофессионального облучения типичным является общее облучение. Предельно допустимые уровни (ПДУ) для профессионального и непрофессионального
воздействия различны.
В основе установления ПДУ лежит принцип «пороговости» вредного действия электромагнитных полей. В качестве ПДУ принимаются такие значения,
которые при ежедневном облучении в свойственном для данного источника излучения режимах не вызывает у населения без ограничения пола и возраста заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследования в период облучения или в отдаленные сроки после
его прекращения.
Главный критерий определения уровня воздействия воздействию электромагнитных полей, как предельно допустимого, состоит в том, что воздействие не
должно вызывать у человека даже временного нарушения здоровья, а также напряжения защитных механизмов ни в ближайшем, ни в отдаленном будущем.
Основными документами, регламентирующими параметры электромагнитных полей на производстве, являются санитарные правила «Электромагнитные поля в производственных условиях. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы» САНПИН 2.2.4.1191-03, которые были введены в действие
01.05.2003 г. [242]. Их требования распространяются на работников, подвергающихся воздействию ослабленного геомагнитного поля, электростатического поля, постоянного магнитного поля, электромагнитного поля промышленной частоты, электромагнитных полей радиочастотного диапазона.
93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Допустимые уровни электромагнитного излучения в жилых зданиях и помещениях определяются в инструкции «Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям» САНПИН 2.1.2.1002-00 [183].
Санитарные нормы воздействия электромагнитных полей устанавливаются
в зависимости от их частотного диапазона. Рассмотрим эти требования.
Постоянные и медленно меняющиеся электрические и магнитные поля
Для таких полей согласно САНПИН 2.2.4.1191-03 на рабочих местах регламентируются [242]‫׃‬
- временно допустимые коэффициенты ослабления геомагнитного поля;
- предельно допустимые уровни (ПДУ) электростатического поля;
- ПДУ магнитного поля.
В частности, допустимый коэффициент ослабления геомагнитного поля на
рабочих местах в помещении не должен превышать 2.
Оценка и нормирование электростатического поля осуществляются по
уровню электрического поля на рабочих местах, в зависимости от времени его
воздействия на работника за смену. Так, при напряженности электрического поля Е ≤ 20кВ/м время пребывания не регламентируется, предельно допустимый
уровень электростатического поля (ЕПДУ) при воздействии меньше 1 часа за смену устанавливается‫ ׃‬ЕПДУ = 60 кВ/м, а при воздействии больше часа ЕПДУ определяется по формуле [109]:
ЕПДУ = 60/Т1/2.
В диапазоне напряженностей полей 20 – 60 кВ/м допустимое время пребывания персонала без средств защиты определяется по формуле‫׃‬
Т = (60/Е)2,
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где Е –значение напряжённости электростатического поля, выраженное в
кВ/м.
Нахождение персонала в электростатических полях с напряженностью
более Е ≥ 60 кВ/м не допускается.
В бытовых условиях предельно допустимый уровень электростатических
полей составляет ЕПДУ = 15 000 В/м.
Нормирование постоянного магнитного поля осуществляется в зависимости от времени нахождения работника в поле и для условий воздействия (общего
или локального). Соответствующие значения предельно допустимых уровней
напряжённости H и индукции B постоянного магнитного поля представлены в
таблице 4.5.6.
Таблица 4.5.6
Условия воздействия
Время воздействия за рабочий
день, мин
НПДУ, кА/м
ВПДУ, мТл
НПДУ, кА/м
ВПДУ, мТл
0 – 10
24
30
40
50
11 – 60
16
20
24
30
60 – 480
8
10
12
15
общее
локальное
Переменные электрические и магнитные поля
промышленной частоты (50 Гц)
Согласно САНПИН 2.2.4.1191-03 на рабочих местах ПДУ напряжённости
электрического поля составляет ЕПДУ = 5 кВ/м; границы санитарно-защитных зон
для линий электропередачи (ЛЭП) определяются по критерию напряженности
поля ЕПДУ = 1 кВ/м [242].
Для сравнения: предельно допустимый уровень напряженности электрического поля, излучаемого бытовой аппаратурой, установлен равным 0,5 кВ/м.
Именно поэтому, согласно САНПИН 2.1.2.1002-00, в жилых зданиях и помеще95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ниях напряженность электрического поля промышленной частоты 50 Гц не
должна превышать этого уровня [183].
Если напряжённость электрического поля промышленной частоты лежит в
интервале 5 – 20 кВ/м, допустимое время T (в часах) пребывания работника в таком поле может быть рассчитано по формуле
T = (50/E) – 2.
Магнитное поле считается опасным при воздействии более 8 часов в сутки
в течении нескольких лет при В > 0,2 мкТл; согласно САНПИН 2.1.2.1002-00 в
жилых зданиях и помещениях индукция магнитного поля не должна превышать
10 мкТл [183].
Предельно допустимые уровни напряженности и индукции магнитного поля частотой 50 Гц устанавливаются отдельно для условий общего (на все тело) и
локального (на конечности) воздействий (см. таблицу 4.5.7).
Таблица 4.5.7
Время пребывания в поле, час
Допустимые уровни магнитных полей Н [А/м] / В [мкТл]
общее
локальное
≤1
1600 / 2000
6400 / 8000
2
800 / 1000
3200 / 4000
4
400 / 500
1600 / 2000
8
80 / 100
800 / 1000
Электромагнитные поля компьютера
Для электромагнитных полей, создаваемых персональными компьютерами,
САНПИН 2.2.2/24.1340-03 устанавливает предельно допустимые нормы в двух
частотных диапазонах: 5 Гц – 2 кГц и 2 кГц – 400кГц (см. таблицу 4.5.8) [242].
96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 4.5.8
Вид поля
Диапазон частот
ПДУ
Магнитное поле
5 Гц – 2000Гц
BПДУ = 250 нТл
Магнитное поле
2 кГц – 400кГц
BПДУ = 25 нТл
Электрическое поле
5 Гц – 2000Гц
ЕПДУ = 25 В/м
Электрическое поле
2 кГц – 400кГц
ЕПДУ = 25 В/м
Эквивалентный (поверхностный) электростатический потенциал
ϕ = 500 В
Нормирование электромагнитных полей радиодиапазона
Предельно допустимые уровни для электромагнитных полей различных
частотных диапазонов 10 кГц – 300 кГц устанавливается раздельно для амплитуды напряжённости электрического поля Е и для амплитуды напряженности магнитного поля Н [204]. Для переменных электромагнитных полей с частотой выше 300 кГц регламентируется другой параметр: плотность потока энергии (модуль вектора Пойнтинга) S. Напомним, что S = EH, и с учётом того, что E =
µ0
H, где ε0 = 8,85⋅10−12 Ф/м, µ0 = 4π⋅10−7 Гн/м, а, значит, H = E/377, можно заε0
писать:
S = E2/377.
Таблица 4.5.9
Предельно допустимые уровни в диапазонах частот, МГц
Объект
Жилые помещения (включая балконы и
лоджии)
0,03 – 0,3
0,3 – 3
3 – 30
30 – 300
300 – 300000
ЕПДУ.В/м
ЕПДУ.В/м
ЕПДУ.В/м
ЕПДУ.В/м
SПДУ.мкВт/см2
25,0
15,0
10,0
3,0
10,0
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица. 4.5.10
Параметр
Максимально допустимые уровни плотности потока энергии переменного электромагнитного поля в диапазонах частот, МГц
0,03 – 3
3 – 30
30 – 50
50 – 3000
Е, В/м
500
300
80
80
Н, А/м
50
300 –
300000
3
S,
1000
мкВт/см2
Для сотовых телефонов установлен временный норматив SПДУ = 10 мкВт/см2
Для расчёта допустимого времени нахождении персонала в сильных электромагнитных полях вводится понятие предельно допустимого уровня энергетической экспозиции (ЭЭ):
ЭЭ = S⋅Т,
где S – плотность потока энергии электромагнитного излучения, Т – время
нахождения человека в электромагнитном поле. В частности, для диапазона частот 300 МГц – 300 000 МГц ЭЭ = 200 (мкВт/см2)⋅ч [196, 242].
4.5.5 Измерение интенсивности электромагнитных полей
Как уже говорилось, электромагнитное поле принято делить на две зоны:
«ближнюю» и «дальнюю». В «ближней» зоне, на расстоянии от источника
меньшем, чем его характерный размер, измерения напряженностей электрического поля Е и магнитного поля Н производятся раздельно [56, 229]. В «дальней»
зоне измеряется значение только напряжённости электрического поля E, напряжённость магнитного поля при этом легко рассчитывается: Е = 377⋅Н.
Сказанное относится к полям частотой менее 300 МГц, на более высоких
частотах проводятся измерения плотности потока энергии электромагнитного
излучения S.
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для определения интенсивности электромагнитных полей, воздействующих на обслуживающий персонал, замеры проводят в зоне нахождения персонала по высоте от уровня пола (земли) до 2 м через 0,5 м. Для определения характера распространения и интенсивности полей в цехе, на участке, в кабине, помещении (лаборатории и др.) должны быть проведены измерения в точках пересечения координатной сетки со стороной в 1 м. Напомним: измерения проводят
(при максимальной мощности установки) периодически, не реже одного раза в
год, а также при приеме в эксплуатацию новых установок, изменениях в конструкции и схеме установки, проведении ремонтов и т. д.
Измерения электромагнитных полей на рабочих местах должны проводиться в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.002-84 ССБТ, ГОСТ 12.1.00684 по методике, утвержденной Минздравом СССР [196].
Для измерения интенсивности электромагнитных полей радиочастот используются, например, приборы серии ИЭМП. Такими приборами можно измерить напряженности электрического и магнитного полей вблизи излучающих установок в диапазоне частот 100 кГц – 300 МГц для электрического поля и в диапазоне частот 100 кГц – 1,5 МГц для магнитного поля. Они позволяют выявлять
зоны, в пределах которых напряженность поля оказывается выше допустимой.
Плотность потока мощности в диапазоне УВЧ – СВЧ измеряют, например,
прибором ПО-1, с помощью которого можно определить её среднее по времени
значение.
Измерения напряженности электрического поля в электроустановках
сверхвысокого напряжения производят приборами типа ПЗ-1, ПЗ-1м и др.
Принцип работы большинства типов измерителей напряженности электрического и магнитного полей заключается в использовании явления электромагнитной индукции. В антенне прибора электрическое поле создает э.д.с, которая
усиливается с помощью транзисторного усилителя; получаемый сигнал отображается с помощью стрелочного гальванометра или цифрового индикатора.
Измерение напряженности должно производиться во всей зоне, где может
находиться человек в процессе выполнения работы. Определяющим при этом
является наибольшее измеренное значение. При размещении рабочего места на
земле наибольшая напряженность обычно бывает на высоте роста человека. Поэтому замеры рекомендуется производить на высоте 1,8 м от уровня земли [196].
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 5
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ ПРИ
ПРОВЕДЕНИИ ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ ФИЗИЧЕСКИХ
ПРАКТИКУМОВ ПО РАДИАЦИОННОЙ ЭКОЛОГИИ
1.1 Что такое радиационная экология
Радиационная экология – научная область знаний, относящаяся к радиационной защите людей, причём защите именно от радиации, а не от облучения радиоволнами, инфразвуком и т. д. Радиация может воздействовать на нас как извне (внешнее облучение), так и изнутри, с приемом радиоактивной пищи, с воздухом при дыхании (внутреннее облучение) [29]. Радиоактивные вещества могут
попадать в пищу непосредственно, но чаще накапливается в ней по цепочке
«трава – домашние животные – мясо, молоко (пищевые продукты) – человек».
Особенность радиации заключается в том, что у нашего организма нет рецепторов, сигнализирующих о радиационной опасности, и поэтому о том, что человек
подвергся радиационному облучению, он, как правило, узнаёт уже тогда, когда
проявляются негативные последствия этого облучения.
С тем, что радиация оказывает вредное воздействие на организм человека,
исследователи столкнулись уже в самом начале исследований этого явления.
Так, ещё в 1895 году помощник Рентгена В. Груббе получил радиационный ожог
рук при работе с рентгеновскими лучами, а французский ученый А. Беккерель,
открывший радиоактивность, получил сильный ожог кожи от излучения радия
после того, как пробирка с радием несколько часов пролежала в его жилетном
кармане. От излучения открытого ею же радия пострадала и М. Кюри…
Планомерное масштабное изучение воздействия радиации на человека началось после атомной бомбардировки американцами в 1945 году японских городов Хиросима и Нагасаки. При бомбардировках погибло около 200 человек, а
облучению подверглось более 500 тыс. человек. Исследования американских
врачей, ученых были засекречены, не освещались в печати, хотя еще в 1920 году
была создана международная комиссия по радиационной защите (МКРЗ), кото100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
рая разрабатывала и разрабатывает правила работы с радиоактивными веществами. Позже к этим работам подключился Научный Комитет по действию атомной
радиации (НКДАР), созданный в рамках ООН в 1955 году [245].
В нашей стране с середины серьезная научная и практическая работа по
изучению влияния радиации на здоровье людей ведётся с 40-х годов ХХ века. В
первые десятилетия она проводилась, главным образом, в закрытых городах
атомного ведомства, из которых информация практически не выходила. Исследования были вызваны необходимостью лечить людей, пострадавших от радиационных аварий. В частности, в результате аварии в Челябинске-40, ныне именуемом ПО «Маяк», в той или иной степени подверглось облучению около 500
тыс. человек: персонал комбината, военнослужащие, заключенные. Информация
об аварии скрывались от населения всей страны, в том числе, – и от жителей,
оказавшихся в аварийной зоне. Люди по нескольку лет жили в радиационноопасных условиях, зачастую не подозревая об этом. При обследовании пострадавших и при выявлении лучевого заболевания врачи не имели права называть
заболевание и связывать его с радиацией. В этих трудных условиях врачи лечили
людей, искали методы борьбы с неведомыми болезнями.
Ситуация изменилась после Чернобыльской аварии (1986 г.), когда радиоактивному загрязнению подверглись огромные территории бывшего СССР. Радиоактивные осадки выпали в скандинавских странах, в Центральной и Южной
Европе, Китае. По выбросу радиоактивных осадков Чернобыльская авария превзошла атомную бомбардировку японских городов Хиросима и Нагасаки.
После этой аварии многие ранее «закрытые» материалы рассекречиваются.
Принимается около 20 федеральных целевых программ, направленных на обеспечение радиационной безопасности населения, ряд законов (в частности, – Закон «О радиационной безопасности населения» [212]). Так, в Законе «О статусе
загрязненных территорий» уже напрямую отмечается, что радиационная обстановка на территории Российской Федерации определяется не только естественным радиационным фоном и глобальным радиоактивным загрязнением, связанным с проведенными ранее ядерными испытаниями, но и радиоактивным загрязнением территорий, пострадавших от аварии на производственном объединении
«Маяк» (Челябинская и Свердловская области) и Чернобыльской АЭС [52].
101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Согласно Закону РФ «О социальной защите граждан, подвергшихся воздействию радиации вследствие катастрофы на Чернобыльской АЭС» (1991 г.)
[52] территория вокруг места аварии разделяется на следующие зоны.
- Зона отчуждения. Плотность загрязнения почв цезием-137 составляет
свыше 40 Ки⁄км2. В этой зоне запрещаются постоянное проживание населения,
хозяйственная деятельность и природопользование.
- Зона отселения. Это – территории, на которых плотность загрязнения
почв радиоактивным цезием-137 составляет от 15 до 40 Ки⁄км2, стронцием-90 –
свыше 3 Ки⁄км2, плутонием-239, 240 – свыше 0,1 Ки⁄км2. Население этих территорий подлежит обязательному отселению с предоставлением компенсаций и
льгот. В зоне отселения обеспечивается обязательный медицинский контроль за
состоянием здоровья населения и проводятся защитные мероприятия, направленные на снижение уровней облучения.
- Зона проживания с правом отселения. Плотность загрязнения почв цезием-137 составляет от 5 до 15 Ки⁄км2. В этой зоне обеспечивается обязательный
медицинский контроль за состоянием здоровья населения, и проводятся защитные мероприятия, направленные на снижение уровней облучения. Граждане,
принявшие решение о выезде на другое место жительства, имеют право на получение компенсаций и льгот в соответствии с законодательством.
- Зона проживания с льготным социально-экономическим статусом.
Плотность загрязнения почв цезием-137 составляет от 1 до 5 Ки⁄км2. В этой зоне
проводится комплекс медицинских мероприятий по радиационной защите населения, выплачиваются компенсации, направленные на улучшение качества жизни населения.
Территории с уровнями загрязнения от 15 до 40 Ки⁄км2 и более имеются
только в Брянской области (на отдельных участках которой загрязнение превышало 100 Ки⁄км2); от 5 до 15 Ки⁄км2 – в четырёх областях: Брянской, Калужской,
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Орловской и Тульской; от 1 до 5 Ки⁄км2 – в девятнадцати субъектах РФ: в шестнадцати областях (Брянской, Белгородской, Воронежской, Калужской, Курской,
Ленинградской, Липецкой, Нижегородской, Орловской, Пензенской, Рязанской,
Саратовской, Смоленской, Тульской, Тамбовской, Ульяновской) и трёх республиках (Мордовии, Татарстане, Чувашии). Общая площадь загрязнения в результате аварии на ЧАЭС составила 57 000 км2 (см. таблицу 5.1).
Таблица 5.1
Уровень радиационного загрязнения цезием-137,
Ки⁄км2
Площадь загрязнения, км2
1–5
49509
5 – 15
5326
15 – 40
1900
более 40
310
Несмотря на то, что Чернобыльская авария подорвала доверие к атомной
энергетике, доля атомных электростанций в общем энергетическом балансе планеты будет возрастать. Нельзя забывать, что запасы угля, нефти, газа ограничены, а урановое топливо высококалорийно (1 кг урана заменяет 2600 т угля) и
транспортабельно. Однако с увеличением числа атомных стаций повышается и
риск радиационного загрязнения окружающей среды, поэтому в обществе резко
увеличивается потребность в специалистах, которые не просто знающие основы
дозиметрии и радиобиологии, но и обладающие при этом юридическими, экономическими знаниями, способные оперировать категориями приемлемого риска и
оптимизации защиты от радиоактивного излучения [52].
Не лишним будет вспомнить последние события в Японии на АЭС «Фуксима 1», где общий объем радиоактивных выбросов приблизился к радиоактивному заражению от Чернобыльской АЭС.
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.2 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
С НЕОРГАНИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ
5.2.1 Взаимодействие с веществом заряженных частиц
В отличие от γ-квантов и квантов рентгеновского излучения электроны,
протоны, нейтроны α-частицы обладают массой покоя, могут двигаться с разными скоростями, но скорость их движения обычно много меньше скорости света.
Излучение этих частиц (корпускул) так и называется – корпускулярное.
В случае β−–излучения (потока электронов, рождающихся в ходе радиоактивного распада ряда ядер) электроны, попадающие в вещество, тормозятся, теряя энергию в различного рода упругих и неупругих соударениях с атомами (основной тип потерь энергии в «лёгких» поглотителях – в воде, алюминии и др. –
ионизация атомов вещества). В подобной ситуации можно говорить о средней
длине пробега электронов, которая зависит как от их энергии E, так и от свойств
среды (от её плотности ρ).
Существует ряд эмпирических формул, позволяющих оценить пробеги
электронов в разных средах. Например, среднюю длину пробега электронов lСР
вычисляют по формулам [13, 23, 158, 244]
lСР = 0,407E1,38/ρ в области энергий 0,5 МэВ ≤ E ≤ 0,8 МэВ,
lСР = (0,542E – 0,133)/ρ в области энергий 0,8 МэВ < E ≤ 1 МэВ.
Выполняя расчёты, в эту формулу нужно подставлять значения Е в МэВ, и
плотности вещества ρ в г/см3; значения lСР получаются в сантиметрах.
Нетрудно видеть: глубина проникновение электронов в вещество прямо
пропорциональна их энергии и обратно пропорциональна плотности вещества.
Пробеги электронов в веществе значительно меньше, чем пробеги γквантов той же энергии. Так, пробег электронов с энергией 100 кэВ в воде составляет 0,02 см, в воздухе – 0,15 см, в то же время γ-излучение с такой же энергией квантов слоем воды гораздо большей толщины (4 см) ослабляется только в
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2 раза. Даже при увеличении энергии электронов до 3,5 МэВ пробеги возрастают
всего до 1,9 см в воде и 14 см в воздухе.
При взаимодействии с веществом тяжелых заряженных частиц (протонов, α-частиц, ионов) со средой их энергия тратится, главным образом, на ионизацию, возбуждение и взаимодействие с ядрами атомов и электронами. Ионизационные потери тяжелых заряженных частиц намного превышают ионизационные потери электронов, поэтому пробег тяжелых частиц в веществе значительно
меньше пробега электронов. Так, например, в диапазоне энергий 0,1 – 3 МэВ
средняя длина пробеги протонов в сотни раз меньше длины пробега электронов.
В случае α-частиц пробег оказывается ещё меньшим, и они задерживаются, например, листом писчёй бумаги, не могут поникнуть в тело сквозь наружный слой
кожи. Тем не мене, следует помнить, что энергия α-частиц теряется ими не равномерно по мере движения, а, в основном, вблизи точки окончания пробега, где
и происходит ионизация [158].
В процессе деления ядер тяжелых изотопов
235
92
U,
238
92
U.
Th возникают
232
90
ионы (заряд которых достигает 20) с массовыми числами от 70 до 166. Энергия
этих ионов может составлять от 40 до 120 МэВ. Так же, как и в случае α-частиц,
эта энергия расходуется, в основном, на ионизацию атомов вещества. Однако, в
противоположность ионизационному эффекту, вызываемому α-частицами, вероятность ионизации к концу пробега убывает.
Длина (выраженная в сантиметрах) пробега в воздухе ионов-осколков, возникших в ходе радиоактивного распада, оценивается по формуле
lСР = 4 + 13⋅10−2⋅А,
в которой А – атомная масса осколка.
5.2.2 Взаимодействие с веществом нейтронов
Нейтрон не имеет электрического заряда, поэтому не испытывает кулоновского взаимодействия, и его пробеги в веществе оказываются значительно боль105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ше, чем пробеги заряженных частиц. Характер взаимодействия нейтронов с веществом зависит от их энергии.
Нейтрон может упруго соударяться с ядрами вещества, передавая им часть
своей энергии и испытывая при этом рассеяние под разными углами. Из законов
механики следует, что в этом случае энергия нейтронов наиболее эффективно
передается легким ядрам (в первую очередь, – самому лёгкому ядру, водороду).
Поэтому для замедления нейтронов на практике используют водородосодержащие среды, например, парафин.
Нейтрон может захватываться ядром, переводя его в возбужденное состояние. Возвращение ядра из возбужденного состояния в основное сопровождается
испусканием квантов γ–излучения, α и β–частиц, нейтронов меньшей энергии.
Это явление называется наведенной активностью. Данным методом получают
радиоактивные изотопы многих химических элементов [13].
5.2.3 Основные понятия радиационной дозиметрии
Для количественного описания процессов взаимодействия излучения с веществом в радиационной дозиметрии используется ряд терминов, определения
которых мы рассмотрим ниже [13, 157].
Активность А радиоактивного препарата определяется числом распадов
ядер в секунду. Как мы уже говорили ранее, единицей измерения активности в
СИ является беккерель (1 Бк = 1 с–1). На практике довольно часто используется
внесистемная единица измерения активности кюри: 1 Ки = 3,7⋅1010 Бк, или 1 Бк =
2,7⋅10–11 Ки.
В ряде случаев в дозиметрии используется понятие объемной (удельной)
активности радиоактивного препарата Аv; по определению:
dA
.
Аv =
dV
Объемная активность вещества измеряется в беккерелях на метр кубический (Бк/м3) или в кюри на литр (Ки/л). При этом 1 Бк/м3 = 2,7⋅10–14 Ки/л [190].
106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Экспозиционная доза Х. В качестве одной из основных характеристик электромагнитного излучения на практике часто используется экспозиционная доза Х
– отношение полного заряда dQ ионов одного знака, возникающих в сухом воздухе массой dm при полном торможении всех вторичных электронов и позитронов которые образуются в результате торможения, к величине этой массы:
dQ
.
Х=
dm
Очевидно, что в СИ единицей измерения экспозиционной дозы должен
являеться 1 Кл/кг (кулон на килограмм) [101]. Внесистемной единицей измерения
экспозиционной дозы является рентген (Р);
1 Р = 2,58⋅10–4 Кл/кг, или 1 Кл/кг = 3,88⋅10–4 Р.
Поглощенная доза D: мера воздействия ионизирующего излучения на вещество, которая равна отношению энергии излучения dW, поглощенной массой
вещества dm, к этой массе:
dW
.
D=
dm
Единицей измерения поглощенной дозы в СИ является грей; очевидно, что
1 Гр = 1 Дж/кг).
Эквивалентная доза Н. При одной и той же поглощенной дозе биологический эффект воздействия разных видов излучения различен. Мерой биологического воздействия служит эквивалентная доза Н, равная поглощенной дозе, умноженной на коэффициент качества k для данного излучения:
Н = kD.
Коэффициент качества как раз и учитывает зависимость биологических
последствий облучения от вида излучения. Для γ-, рентгеновского и β-излучений
k = 1; для тепловых нейтронов (c энергией до 0,1 МэВ) k = 3; для протонов и ней107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тронов с энергией от 0,1 до 10 МэВ k = 10; для α-частиц k = 20. Единицей эквивалентной дозы является зиверт: 1 Зв = k⋅1 Гр, где k - численное значение коэффициента качества данного вида излучения) [13, 23, 158].
Эффективная доза E. При оценке воздействия ионизирующего излучения
на биологические объекты следует учитывать, что разные ткани и органы неодинаково реагируют на одну и ту же эквивалентную дозу; наиболее чувствительными к воздействию радиации являются костный мозг и половые клетки (гонады). Поэтому дозы облучения разных органов и тканей следует учитывать различными коэффициентами. Умножив эквивалентную дозу для конкретной ткани
на соответствующий взвешивающий коэффициент Wi и просуммировав результаты по всем органам и тканям, получим эффективную дозу E для всего организма:
N
Е = ∑Wi H i .
i =1
Таким образом, эффективная доза оценивает суммарный эффект облучения
для организма в целом; так же, как и эквивалентная доза, она измеряется в зивертах. Следует отметить, что тормозная способность различных заряженных частиц в воде и биологической ткани близки между собой. Это позволяет использовать воду как стандартную среду, имитирующую ткань тела человека при определении эквивалентной дозы с помощью взвешивающих коэффициентов.
Взвешивающие коэффициенты W для отдельных видов излучения приводятся в таблице 5.2.1 [13].
Таблица 5.2.1
108
ТИП ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Wi
Фотоны любых энергий
1
Электроны и мюоны любых энергий
1
Нейтроны, Е < 10 кэВ
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Нейтроны, Е = 10 кэВ+ 100кэВ
10
Нейтроны, Е = 0,1 МэВ+2 МэВ
20
Нейтроны, Е = 2 МэВ+20 МэВ
10
Нейтроны, Е > 20 МэВ
5
Протоны, Е > 2 МэВ
5
α-частицы, осколки деления, тяжелые ядра
20
В таблице 5.2.2 представлены значения взвешивающих коэффициентов W
для различных тканей и органов.
Таблица 5.2.2
ТКАНИ И ОРГАНЫ
Wi
Гонады
0,20
Костный мозг ( красный)
0,12
Толстый кишечник (прямая, сигмовидная, нисходящая часть ободочной кишки)
0,12
Легкие
0,12
Желудок
0,12
Мочевой пузырь
0,12
Грудная железа
0,05
Печень
0,05
Пищевод
0,05
Щитовидная железа
0,05
Кожа
0,01
Клетки костных поверхностей
0,01
Ткани и органы
0,05
Остальное
0,20
Помимо единиц СИ для D и H на практике применяют внесистемные единицы рад (radiation absorbed dose) и бэр (биологический эквивалент рентгена): 1
рад = 10–2 Гр; 1 бэр = 10–2 Зв, 1 бэр = k⋅1 рад [213].
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Измерив среднюю энергию образования одного иона, можно установить
энергетический эквивалент рентгена. Для воздуха экспозиционной дозе в один
рентген соответствует поглощённая доза 0,87 рад или 8,7⋅10–3 Гр; в случае биологической ткани одному рентгену соответствует примерно 1 бэр или 0,01 Зв.
Эффективная коллективная доза – мера коллективного риска возникновения различных эффектов в результате облучения; она равна сумме индивидуальных эффективных доз. Единица эффективной коллективной дозы – человекозиверт (чел.-Зв).
Мощность дозы. На практике часто важна не только сама доза, но и скорость её получения. В связи с этим используется понятие мощности дозы: отношение дозы dX, dD или dH к тому времени dt, за которое она была получена:
dX
– мощность экспозиционной дозы (как правило, измеряется в
X =
dt
микрорентгенах в час, мкР/ч);
dD
– мощность поглощённой дозы (чаще всего измеряется в микроD =
dt
греях в час, мкГр/ч);
dH
– мощность эквивалентной дозы (измеряется в микрозивертах в
H =
dt
час; с учётом того, что для биологических тканей 1 мкЗв ≈ 100 мкР, получаем,
что 1 мкЗв/ч ≈ 100 мкР/ч).
dE
– мощность эффективной дозы (измеряется в микрозивертах в час;
E =
dt
1 мкЗв/ч ≈ 100 мкР/ч).
На практике за единицу времени могут принимать часы, сутки, год.
Плотность потока: число частиц, пролетающих в единицу времени через
единичную площадь; эту физическую величину принято измерять в с–1⋅см–2.
Данный параметр употребляется, в основном, для характеристики корпускулярного излучении [23, 209, 244].
110
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.2.4 Взаимодействие ионизирующего излучения с
живыми организмами
Радиоактивное излучение проникает через ткани и само по себе не чувствуется, т.е. человек не ощущает никаких болевых сигналов, и в этом отношении
лучевая болезнь коварна. Однако оно приводит к негативным последствиям, которые могут быть отнесены к одной из двух общих категорий эффектов: соматическим и генетическим [213].
Соматические эффекты появляются непосредственно у человека, подвергшегося облучению, а генетические – у его потомков. Проявление соматических эффектов могут быть ранними или отдаленными. Ранними соматическими
эффектами воздействия радиации являются эритема и шелушение кожи, тошнота, рвота, понос, и т.д. (в том числе возможен летальный исход). Ранние эффекты
возникают в период от нескольких минут до 30 – 60 суток после облучения и
только после воздействия радиации в относительно большой дозе (более 0,5 Зв)
при достаточно высокой мощности дозы (порядка 13 Зв/ч). Эти эффекты, повидимому, имеют порог и сильно зависят от мощности дозы. Примеры данных
по проявлению таких эффектов в случае рентгеновского излучения приводятся в
таблице 2.3.
Таблица 2.3
КЛИНИЧЕСКИЙ
ПРИЗНАК
Уровень риска 0,10 Уровень риска 0,50
Уровень риска 0,90
ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ДОЗА, Зв:
Потеря аппетита
0,4
1,0
2,4
Тошнота
0,5
1,7
3,2
Рвота
0,6
2,15
3,8
Понос
0,9
2,4
3,9
Летальный исход
2,2
2,85
3,5
Отдаленные соматические эффекты (стойкие изменения кожи, увеличение
числа катаракт, канцерогенез и сокращение продолжительности жизни) проявляются только через много месяцев после облучения. Предполагается, что эти
эффекты не имеют порога и в меньшей степени, чем ранние эффекты, зависят от
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
мощности дозы, а вероятность их проявления зависит от суммарно накопленной
дозы [13, 158].
Поскольку отдаленные эффекты имеют вероятный характер, они могут обнаруживаться в зависимости от произведения накопленной дозы на объем популяции, т.е. на численность группы людей, подвергшихся радиационному воздействию. В связи с этим часто используется понятие эффективной коллективной
дозы S – параметра, определяющего полное воздействие излучения на группу
людей:
S = ΣEj Nj
где Ej – средняя эффективная доза на j-ю подгруппу группы людей, Nj –
число людей в подгруппе.
Генетические эффекты воздействия радиации на человека проявляются
лишь в последующих поколениях, поэтому их невозможно выявить для данного
облученного индивидуума. Они обнаруживаются на основании статистических
изменений, происходящих в облученной популяции. При оценке опасности появления генетических эффектов учитывают не только дозу, но и отношение численности необлученной части населения (или всего населения) к облученной.
Чем больше это соотношение, тем больше вероятность «разбавления» поврежденных генов [157, 213].
В качественном отношении отдаленные последствия (и соматические и генетические) не зависят от вида излучения, условий и характера облучения (в частности, они одинаковы и для однократного и для непрерывного облучения) Последствия этого типа считают беспороговыми эффектами и полагают, что вероятность их проявления у облученного индивидуума пропорциональна общей накопленной дозе.
Среди различных злокачественных образований, возникающих вследствие
облучения всего тела, значительный риск связан с лейкемией, но радиационное
воздействие вызывает также появление злокачественных новообразований (остеосаркому, рак щитовидной железы, рак кожи и т.п.). Считается, что появление
112
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
после облучения злокачественных образований в 5 – 6 раз вероятнее возникновения лейкемии [13, 158].
Имеются лишь сугубо ориентировочные сведения об общем сокращении
продолжительности жизни человека вследствие радиационного воздействия.
Пример подобных оценок приведён в таблице 5.2.4.
Таблица 5.2.4
Доза
Риск смерти от
лейкемии
Риск смерти от злокачественных образований
Сокращение продолжительности
жизни
10 мЗв
0,3⋅10−4
1,5⋅10−4
10-4
Из таблицы следует, что при средней продолжительности жизни в 70 лет,
получив дозу облучения 10 м3в, достаточно вероятно, что из 1 млн. человек 30
человек умрут от лейкемии, 150 человек умрут от злокачественных новообразований, а общая продолжительность жизни каждого отдельного индивидуума
уменьшится примерно на 3 дня.
Клинические последствия острого облучения для человеческого организма
представлены в таблице 5.2.5.
Таблица5.2.5
ДОЗА ОБЛУЧЕНИЯ, Зв
ПОВРЕЖДЕНИЕ
Не более 0,25
Нет клинических симптомов
0,5
Временное снижение количества лейкоцитов
1,0
Тошнота, рвота, вялость, значительное снижение лейкоцитов
1,5
Смертность – 5%, состояние, похожее на «похмелье» – 50%
4,0
Смертность 50% за 30 суток
6,0
Смертность 90% за 14 суток
Не менее 6,0
Смертность 100%
3,0 – 5,0(кожа локально)
Выпадение волос, краснота кожи
113
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3,0 – 5,0 (гонады локально)
Бесплодие на всю жизнь
Для характеристики индивидуальной чувствительности живых организмов
выбирается так называемая полулетальная поглощенная доза ЛД50/30 – поглощенная доза, вызывающая гибель 50 % облученных живых организмов за период наблюдения 30 суток. По устойчивости к облучению человек занимает промежуточное место между овцой и мышью (см. таблицу 5.2.6).
Мыши
Крысы
Обезьяны
Человек
Морские
свинки
Собаки
Козы
Осёл
Овцы
6 – 15
7–9
2,5 – 6
3,5 – 4
4
2,5 – 4
3.5
3
2
Рыбы,
птицы
Змеи
80 – 200
8 – 20
Улитки
200
10 – 100 Насекомые
Амёбы
1000
10 – 1500 Растения
Зв
ЛД 50/30,
ЖИВЫЕ
ОБЪЕКТЫ
Таблица 5.2.6
Основным процессом, объясняющим действие излучения, является разрыв
химических связей в клетках за счет поглощенной энергии и образование свободных радикалов – соединений, высокоактивных в химическом отношении. Поскольку клетка любого живого организма примерно на 70% состоит из воды, то
решающее значение здесь имеет воздействие ионизирующего излучения именно
на её молекулы [13, 158]. Первое наиболее вероятное событие – это ионизация
молекул Н2О:
Н2О ↔ Н2О+ + е−,
где е− – это электрон, который может захватываться нейтральной молекулой воды с образованием иона Н2О–. Возникающие ионы Н2О+ Н2О– рекомбинируют друг с другом, в результате чего вновь образуются нейтральная молекула
воды Н2О и два свободных заряженных радикала ОН– и Н+, отличающиеся высокой химической активностью. Эти радикалы, взаимодействуя с молекулами белков, не только участвуют в разрушении клеток живой ткани (в основном за счет
114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
процессов окисления), но и способствуют накоплению продуктов соответствующих химических реакций – веществ, которые способствуют возникновению рака.
Следует также подчеркнуть тот факт, что структуры клетки, несущие генетическую информацию (ДНК, хромосомы) могут повреждаться при прямом
взаимодействии с излучением уже в первом ионизационном акте. Это говорит о
том, что для радиационно-индуцируемых раковых и генетических заболеваний
человека не существует никакой пороговой дозы. Любая доза ионизирующего
излучения может привести к нежелательным последствиям [190].
5.2.5 Измерения ионизирующего излучения
Почти все методы наблюдения и регистрации радиоактивного излучения
основаны на его способности производить ионизацию и возбуждение атомов
среды. Заряженные частицы вызывают эти процессы непосредственно, а γкванты и нейтроны обнаруживаются по ионизации среды быстрыми заряженными частицами, которые возникают в результате взаимодействия γ-квантов и нейтронов с электронами и ядрами атомов. Вторичные эффекты, сопровождающие
рассмотренные процессы, такие, как вспышка света, электрический ток, потемнение фотоэмульсии, позволяют регистрировать пролетающие частицы, считать
их, отличать друг от друга и измерять их энергию [13, 23].
Приборы, применяемые для регистрации радиоактивных излучений и частиц, делятся на две группы:
- приборы, позволяющие регистрировать прохождение частицы через определенный участок пространства и в некоторых случаях определять ее энергию
(сцинтилляционный счетчик, черенковский счетчик, ионизационная камера, газоразрядный счетчик, полупроводниковый счетчик);
- приборы, позволяющие наблюдать (например, фотографировать) следы
(треки) частиц в веществе: камера Вильсона, диффузионная камера, пузырьковая
камера, ядерные фотоэмульсии.
Вторая группа приборов обеспечивает получение обширной информации о
регистрируемых частицах, определять их массу, энергию, заряд и широко используются в ядерной физике. Однако подобные приборы обладают большими
115
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
габаритами, характеризуются высокой стоимостью и в дозиметрии, где задача
сводится лишь к определению дозы или мощности дозы радиоактивного излучения, не применяются.
5.3 ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И ИСТОЧНИКИ РАДИАЦИИ,
ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМНООРИЕНТИРОВАННЫХ ПРАКТИКУМАХ
5.3.1 Детекторы ионизирующего излучения.
Распространенным видом детекторов ионизирующего излучения являются
фотопленки, чувствительные к рентгеновскому и γ-излучению. Излучение, воздействуя на бромистое серебро, входящее в состав фотоэмульсии, образует в нём
центры скрытого изображения в виде возбуждённых атомов серебра. Именно в
таких центрах при проявке происходит разложение AgBr; выделение металлического серебра сопровождается появлением на плёнки темных пятнышек. Чем интенсивнее поток ионизирующего излучения и чем больше время облучения
пленки, тем сильнее происходит ее потемнение [13, 23, 244].
По степени потемнения можно определить дозу ионизирующего излучения
в месте расположения фотопленки, однако зависимость степени потемнения от
дозы облучения нелинейна и характеризуется насыщением. Максимальная доза,
которую можно определить с помощью рентгеновской пленки, не превышает
0,15 3в, что является недостатком данного метода.
Для определения дозы в диапазоне от 1 Зв до 5 3в вместо фотоплёнок используют специальные стекла и полимерные пленки, которые также темнеют под
действием ионизирующего излучения [13].
В последнее время для индивидуального дозиметрического контроля широко используется термолюминесцентный метод. Детектором являются таблетки, изготовленные из фторида лития. Таблетки, подвергшиеся воздействию ионизирующего излучения, нагревают, при нагреве они начинают испускать свет
(люминесцировать), интенсивность которого пропорциональна дозе облучения.
Термолюминесцентные таблетки можно использовать многократно, запасённая
116
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ими информация хранится не менее недели. Диапазон измерения дозы этим методом составляет от 10−5 до 10+5 Зв, что является одновременно и его достоинством и недостатком (для многих практических применений метод оказывается
слишком чувствительным).
Для определения дозы облучения используется также принцип разрядки
электрометра под действием ионизирующего излучения. Обычный сухой атмосферный воздух в нормальных условиях является хорошим изолятором. Однако
под действием радиоактивного излучения происходит его ионизация, воздух становится проводником. В результате утечек заряд электрометра уменьшается, и
по степени его уменьшения судят о полученной дозе.
Описанные выше детекторы регистрируют общую дозу (экспозиционную,
поглощённую, эквивалентную) рентгеновского, γ- и (в меньшей степени), βизлучения, которые накапливаются за относительно длительное время (недели,
месяцы) [13, 158].
Рассмотрим детекторы ионизирующего излучения, способные определять
не только экспозиционную или эквивалентную дозу, но их мощность, в частности, мощность эквивалентной дозы радиоактивного излучения (Зв/с) и плотность
потока частиц (такой режим работы называется режимом радиометра).
Универсальным прибором, позволяющим измерить интенсивность любого
ионизирующего излучения (α-, β-, γ-), является ионизационная камера. Ионизационная камера представляет собой электрический конденсатор, заполненный
газом, к электродам которого подается постоянI
II
IV
I
III
пробой
ное напряжение. Под действием непрерывного
ионизирующего излучения происходит ионизация
газа в камере, и газ приобретает некоторую электропроводность. В цепи начинает течь ток, зависимость которого от приложенного напряжения
(вольтамперная характеристика) показана на ри0
U
сунке 5.3.1 [23].
Рисунок 5.3.1
При малых напряжениях (область I) не все
из возникающих зарядов долетают до электродов, поскольку многие из них рекомбинируют друг с другом. Чем выше напряжение, тем большим становится
117
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
число долетающих до электродов ионов, ток растёт. На участке II уже все рождающиеся ионы долетают до электродов, и увеличение напряжения не приводит
к возрастанию тока. Но зато в данной области величина тока насыщения (то есть,
число рождающихся ионов) прямо пропорциональна мощности экспозиционной
(и поглощённой) дозы. Это и есть режим работы ионизационной камеры. Заметим: для измерения интенсивности потока α-частиц, обладающих очень низкой
проникающей способностью, в ионизационной камере предусмотрено окошко,
закрытое сверхтонкой нейлоновой пленкой, толщиной несколько мкм. Недостатком ионизационных камер является их низкая чувствительность [13, 169].
Повышение напряжения (область III) приводит к началу процессов ударного умножения носителей заряда: ускоренные полем ионы соударяются с нейтральными атомами газа, заполняющего камеру; в результате соударений электроны отрываются от молекул, возникают дополнительные ионы, ток с увеличением напряжения начинает расти, причём его величина зависит от энергии частиц, влетающих в камеру. В подобном режиме работают пропорциональные
счётчики, позволяющие не только зарегистрировать частицу, но и измерить ее
энергию. Достоинством пропорциональных счетчиков является усилие в 103 –
105 раз импульсов, вызываемых отдельными частицами.
Наибольшее распространение, особенно в карманных бытовых дозиметрах,
получили счетчики Гейгера – Мюллера [88] (участок IV на рисунке 5.3.1). В этой
области в камере возникает самостоятельный разряд: возбуждаемые ударами ионов атомы газа начинают светиться, и кванты возникающего излучения вызывают фотоэффект, вырывая электроны из катода камеры. Счетчик Гейгера – Мюллера регистрирует частицу без измерения ее энергии, зато коэффициент усиления этих приборов достигает 108. Для регистрации α-частиц и электронов малых
энергий, обладающих низкой проникающей способностью, используются специальные приборы, снабжаемые тонким входным окном. К недостаткам счетчика
следует отнести низкое временное разрешение (от 10−3 до 10−6 с), не позволяющее регистрировать интенсивные потоки радиоактивного излучения.
Высокой эффективностью регистрации радиоактивного излучения обладает сцинтилляционный счетчик, основным элементом которого является вещество-сцинтиллятор и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) [13, 169]. При попада118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
нии быстрой заряженной частицы на сцинтиллятор происходит вспышка света,
которая с помощью ФЭУ преобразуется в электрический сигнал, регистрируемый электронной аппаратурой. В качестве сцинтилляторов используются кристаллы некоторых неорганических (ZnS:Cu, NaI, CsI:Tl) и органических (антрацен, пластмассы) веществ. Сцинтилляционные счетчики обладают высоким временным разрешением (вплоть до 10−10 с). Так как у многих сцинтилляторов интенсивность световой вспышки пропорциональна энергии первичной частицы, то
данные счетчики позволяют измерять энергии регистрируемых частиц. На основе сцинтилляционных счетчиков работают радиометры и спектрометры, позволяющие регистрировать спектры ионизирующего излучения.
В полупроводниковых счетчиках основным элементом является полупроводниковый диод. Радиоактивное излучение, падая на p–n-переход, рождают
электронно-дырочные пары, меняя его электрические свойства. Требуемая для
рождения пар энергия на порядок меньше той, которая необходима для ионизации газа в газовых счётчиках, и поэтому полупроводниковые диоды можно использовать для регистрации частиц малых энергий. Время разрешения таких
счетчиков составляет примерно 10−9 с.
В нейтронных счетчиках регистрируют не сами нейтроны, а протоны отдачи или α-частицы, образующиеся в ядерных реакциях под действием нейтронов:
10
5
B + 01n → 37 Li + 24 He .
Для осуществления этой реакции газоразрядные счетчики заполняются газом BF3. Кроме того, камеру газоразрядного счетчика окружают слоем парафина
для замедления нейтронов и увеличения вероятности реакции [13, 169].
Авария на Чернобыльской АЭС обусловила потребность в создании прибора, обеспечивающего быстроту картографической съемки местности с регистрацией участков (пятен), заражёнными радиоактивными выбросами. Такой прибор был разработан к РНЦ «Курчатовский институт» и получил название «Гамма-визор» [35]. В данном приборе изображение местности в γ-лучах с проецируется на пластинку из сцинтиллятора CsJ, который преобразует сигнал в видимый
свет. Сравнивая получаемое изображение с обычной картиной, наблюдаемой в
119
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
области видимых длин волн, можно оперативно выявить радиоактивные участки
местности. Прибор надежно работает в диапазоне от 0,15 МэВ до 1,0 МэВ и позволяет регистрировать радиоактивные пятна на расстояниях до километра.
В заключение можно сказать, что не существует универсальных методов и
приборов, используемых во всех возможных случаях. Каждый метод и прибор
имеет свою область применения. Более подробно вышеупомянутые приборы
описаны во второй части данной монографии (практические аспекты ПОФП)
[98].
120
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.3.2 Естественные источники ионизирующего излучения
5.3.2.1 Космическое излучение
Космические лучи попадают на Землю, главным образом, из глубин Вселенной. Некоторая часть образуется на Солнце во время солнечных вспышек.
Космические лучи могут достигать поверхности Земли и взаимодействовать с ее
атмосферой, рождая нейтроны, протоны, пионы, каоны (вторичные космические
лучи), а также радионуклиды, такие, как 13 H , 47 Be ,
14
6
C,
22
11
Na , которые сами по
себе также являются радиоактивным излучением. Летящие заряженные частицы
отклоняются магнитным полем Земли, в результате приполярные области получают большие радиации, чем экваториальные [189-190]. Так, на уровне моря во
Флориде мощность поглощённой дозы космического излучения составляет 300
мкЗв/год, а на Аляске 350 мкЗв/год.
Уровень облучения увеличивается с высотой из-за большей разреженности
воздуха, играющего роль защищенного экрана. Величина дозы удваивается через
каждые 1500 м. Так, если люди, живущие на уровне моря, за год из-за космических лучей получают в среднем 300 мкЗв, то для населения высоко расположенных городов (Богота, Лхаса, Кито и др.) эта доза оказывается в три раза больше.
От высоты зависит и доза облучения лётчиков и авиапассажиров: при перелёте
Нью-Йорк – Париж, например, пассажир обычного турбореактивного самолёта
получает дозу около 50 мкЗв, а член экипажа за год (600 лётных часов) получает
примерно 1 мЗв.
Воздействие космических лучей частично экранируется стенами зданий:
коэффициент экранирования слоем бетона толщиной 0,2 м составляет 0,85, он
равен 0,81 – 0,96 для деревянных домов, 0,72 – 0,92 для каменных построек, 0,56
– 0,86 для современных кирпичных зданий [23, 209, 244].
5.3.2.2 Земная радиация
К земным источникам излучения относятся долгоживущие радионуклиды,
образовавшиеся в недрах Земли несколько миллиардов лет назад и распавшиеся
121
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
лишь в незначительной степени. Такие радионуклиды носят название примордиальных (первичных). Наиболее важными из них являются
лет),
U (Т1/2 = 4,47 млрд. лет),
238
92
40
19
K (Т1/2 = 1,28 млрд.
Th (Т1/2 = 14,1 млрд. лет) [52, 175]. В рассеян-
232
90
ном состоянии примордиальные радионуклиды и продукты их распада присутствуют во всех компонентах окружающей среды (в воздухе, воде, почве, горных
породах, продуктах питания, в организме человека) и являются источниками
внешнего и внутреннего облучения.
Полная годовая эквивалентная доза от земных источников радиации, усредненная по всему населению земного шара, равна 410 мк3в, причем вклады
40
19
K,
238
92
U,
Th равны, соответственно, 150, 100 и 160 мк3в. При этом на Земном
232
90
шаре есть места (например, в Индии, Бразилии, Ираке), где годовые дозы γоблучения, получаемые населением за счёт земных источников, гораздо выше
средних. В качестве примера приведём данные о фоновом облучении за год в
разных городах планеты: Москва – от 1,0 мЗв до 1,2 мЗв; Нью-Йорк около 1 мЗв;
Париж – 1,2 мЗв; штат Керала (Индия) – 4 мЗв [23].
В экологически неблагоприятных районах, а таких, к сожалению, становится все больше и больше, доза облучения превышает средние показатели. Тем,
не менее, можно утверждать, что в целом годовая эквивалентная доза, получаемая в среднем человеком за счёт источников естественной земной радиации,
примерно на 30 % превышает индивидуальную дозу облучения из-за радиационного фона, создаваемого космическими лучами на уровне моря.
5.3.2.3 Внутреннее облучение
Примерно 70% эквивалентной дозы облучения, которую человек получает
от естественных источников радиации, поступает от радиоактивных веществ,
попавших в организм с пищей, водой и воздухом. Источниками внутреннего облучения являются изотопы:
40
19
K , 146C ,
220
86
Rn ,
222
86
Rn ,
210
84
Po ,
226
88
Ra ,
230
90
Th ,
232
90
Th ,
238
92
U
и др. Лишь небольшая часть этой дозы приходится на радиоактивные изотопы,
которые образуются под действием космической радиации, всё остальное поступает от источников земного происхождения [169].
122
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Калий-40 ( 1940 K ) является важным биологическим элементом, содержание
которого в организме взрослого человека равно примерно 2 г на 1 кг массы. В
наибольшей степени излучение, возникающее при его распаде, воздействует на
костный мозг; годовая эффективная эквивалентная доза, получаемая человеком
за счёт накопленного в организме
40
19
K , оценивается в 180 мк3в.
Основным естественным источником урана-238 ( 238
92 U ) в атмосфере являются частицы пыли, поднятые с поверхности земли. Основные места накопления
этого изотопа в организме человека – костная ткань и лёгкие. Годовая эффективная эквивалентная дозе, получаемая при распада при распаде
U , накопленного
238
92
внутри взрослого организма, оценивается в 5 мк3в [180].
232
Торий-230 ( 230
90Th ) и торий-232 ( 90Th ) также поступают в организм с вды-
хаемой пылью. В теле они накапливается, прежде всего, в поверхностном слое
костей; основное место их концентрации в мягких тканях – лимфатические узлы.
Среднегодовая эффективная эквивалентная доза, получаемая за счёт распада
ядер этих изотопов в теле человека, составляет около 10 мк3в.
Радий-226 ( 226
88 Ra ) поступает в организм, главным образом, с пищевыми
продуктами и питьевой водой. По своим свойствам радий подобен кальцию: значительная часть его откладывается в костях. Подобным образом ведут себя изотопы свинца-210 ( 210
82 Pb ); дополнительному поступлению в организм радиоактивных изотопов которого, а также полония-210 ( 210
84 Po ) способствует курение. Дело
в том, что в каждой сигарете содержится около 20 мБк активности, обусловленной
210
82
Pb , и около 15 мБк –
210
84
Po ; оба радионуклида становятся летучими при
температуре горения табака. С потоком дыма в легкие поступает примерно 10%
210
82
Pb и 20%
210
84
Po , содержащегося в сигарете. Вклад в годовую эффективную эк-
вивалентную дозу, получаемую человеком за счёт внутреннего облучения радионуклидами
210
82
Pb и
210
84
Po , составляет примерно 120 мкЗв [157, 213].
В растениях и организме животных, употребляемых человеком в пищу, содержится также заметное количество изотопа радия-228 ( 228
88 Ra ). Примерно 80%
123
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
этого радионуклида сосредоточено в костной ткани. Годовая эффективная эквивалентная доза оценивается в 10 мк3в.
Наиболее существенным из всех естественных источников, образующих
радиоактивный фон, является радон. В природе он встречается в двух основных
220
формах: в виде радона-222 ( 222
86 Rn ) и в виде радона-220 ( 86 Rn ), имеющего собст-
венное название – торон. Радон-222 в 20 раз активнее, чем торон, и поэтому рассмотрение вклада данных изотопов в общую естественную радиоактивность мы
начнём с него.
Радон-222 (далее будем называть просто его радоном) представляет собой
газ, бесцветный, не имеющий запаха, в 7,5 раз тяжелее воздуха. Согласно оценкам, сам радон, имеющий период полураспада 3,82 суток, и короткоживущие
продукты его распада дают такой же вклад в годовую эффективную эквивалентную дозу, получаемую человеком, как и все остальные естественные источники
излучения, вместе взятые.
Радон поступает в атмосферу главным образом из почвы, образуясь при
радиоактивном распаде радия-226. Содержание радона в околоземном слое воздуха регулируется двумя факторами: скоростью выхода газа из почвы и атмосферным ветром. Концентрация
222
86
Rn зависит от географического положения ре-
гиона (она ниже на островах и арктических областях, выше в континентальных
регионах умеренных широт), времени суток (максимальный уровень концентрации радона отмечается ночью, в полдень она снижается до минимального значения; максимум в два раза превышает минимум), времени года (максимум концентрации наблюдается летом, минимум – зимой; сезонный максимум в августе
в три раза больше минимума в феврале) высоты над поверхностью земли (с увеличением высоты она плавно уменьшается) и метеорологических условий [175].
Основную часть дозы облучения от радона человек получает, находясь в
закрытых не проветриваемых помещениях (прежде всего – в подвальных). В зонах с умеренным климатом концентрация радона в закрытых помещениях, примерно, в 8 раз выше, чем в наружном воздухе. Поставщиками радона являются
почва под зданием и около него, строительные материалы, водопроводная вода,
124
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
природный газ и атмосферный воздух. Концентрация радона сильно зависит от
действий человека: достаточно регулярное проветривать помещение, включать
вентиляционную систему, и она резко понизится [159].
Эффективная эквивалентная доза, получаемая человеком за год при распаде радона-222 и его дочерних продуктов, составляет примерно 1 100 мк3в.
Облучение человека тороном (радоном-220) также происходит при попадании в организм данного газа вместе с вдыхаемым воздухом. При распаде торона и его дочернего продукта полония-216 ( 216
84 Po ), имеющих очень малое время
жизни, облучению подвергаются в основном легкие. Второй дочерний продукт
свинец-216 ( 216
82 Pb ) накапливается в клетках крови, в почках и на поверхности
костей. Общая годовая эффективная эквивалентная доза, получаемая человеком
от торона и продуктов его распада, не оценивается в 160 мк3в.
Вклад в годовую эквивалентную дозу различных естественных источников
излучения можно суммировать следующим образом.
- Первым по значимости идет облучение, обусловленное вдыханием короткоживущих продуктов распада радона – среднегодовая эквивалентная доза составляет 1 100 мк3в.
- Вторым по значимости является внешнее облучение за счет воздействий
космических лучей и земной радиации – среднегодовая эквивалентная доза составляет около 700 мкЗв.
- Далее следуют: облучение за счет перорального поступления калия-40
(180 мкЗв), вдыхание торона и продуктов его распада (160 мкЗв), а также внутреннее облучение радионуклидами свинец-210 и полоний-210 (120 мкЗв). Вклад
других естественных радионуклидов мал.
Таким образом, средняя эффективная эквивалентная доза, получаемая за
год человеком за счёт естественных источников радиации, не превышает 2 000 –
2 300 мкЗв [157, 169, 213].
125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.3.3 Искусственные источники радиации
Кроме радиационного фона от естественных источников ионизирующего
излучения с каждым десятилетием увеличивается радиационный фон, обусловленный искусственными источниками излучения. Искусственные источники излучения разделяются на медицинские (диагностические и радиотерапевтические)
и техногенные (искусственные и специально сконцентрированные человеком
природные радионуклиды, генераторы ионизирующего излучения, АЭС и т.д.).
Техногенные источники в свою очередь подразделяются на техногенные источники, находящиеся под контролем или в процессе нормальной эксплуатации, и
на источники, находящиеся вне контроля (утерянные, рассеянные в окружающей
среде в результате радиационной аварии, происшествий и т.д.).
5.3.3.1 Облучение от источников, применяемых в медицине
В мирное время основную дозу радиоактивного облучения люди получают
в результате применения радиоизотопов, которые используются в медицине при
лечении и диагностике. Дозы, получаемые при рентгеновском облучении в диагностических целях, составляют 20 % от естественного фона. Наименьшая частота такого типа обследований наблюдается для детей до 13 лет (около 20 – 50%).
С возрастом частота обследований увеличивается, достигая максимума в группе
лиц от 40 до 59 лет и превышая при этом средний уровень в 1,5 раза. В группах
лиц старше 60 лет частота процедур ниже и составляет только 30%. Если учесть
все аспекты медицинского применения излучения и радионуклидов, эффективная доза составит 0,5 – 0,7 мЗв на человека в год [159].
5.3.3.2. Контролируемые техногенные источники радиационного фона
Уголь, как и большинство природных веществ, содержит следовые количества калия-40, урана-238, тория-232 и продуктов их распада. При сжигании угля
происходит перераспределение радионуклидов – из земной коры они переходят в
атмосферу. Радиационное воздействие имеет место на протяжении всего уголь-
126
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ного топливного цикла, состоящего из добычи угля, его применения (сжигания),
использования продукта сгорания – золы [13, 158].
Добыча угля. Здесь возможно облучение шахтеров продуктами распада радона и торона, а также радионуклидами, содержащимися в угольной пыли. Для
уменьшения концентрации метана и пыли современные шахты оборудуются хорошими вентиляционными системами, поэтому концентрация радиоактивных
частиц в воздухе поддерживается на достаточно низком уровне.
Применение угля.
1) При сжигании угля на электростанциях большинство минеральных веществ и не полностью сгоревшие органические фракции спекаются в стекловидную золу и шлак; лёгкая зола вместе с горячим газом и испарившимися минеральными компонентами выносится в вытяжную трубу. Радионуклиды, содержавшиеся в угле, распределяется между шлаком (около 20 %) и летучей золой
(около 80 %). Поскольку при горении угля происходит выгорание органического
вещества, концентрация естественных радионуклидов в золе и шлаке, оказывается выше, чем в земной коре (в три раза для свинца-210 и в пять раз – для полония-210). В результате выброса в атмосферу летучих компонент продуктов сгорания население, проживающее вблизи угольных теплоэлектростанций, подвергается более интенсивному воздействию радионуклидов в основном в результате
их вдыхания, из-за внешнего облучения, и за счет поступления в организм с водой и пищей радиоактивных частиц, выпавших на землю. Получаемая таким образом годовая эффективная эквивалентная доза для населения, проживающего
вблизи станции, может составлять от 1 до 20 мкЗв.
2) Уголь широко применяется в быту для обогрева помещений и приготовления пищи. Возникающий при сгорании угля дым состоит из сажи, смолистого и неорганического веществ, образующихся при неполном сгорании топлива. Учитывая масштабы использования угла в быту в виде топлива, оценка даёт
следующие значения получаемой вследствие этого годовой эффективной эквивалентной дозы: 0,5 – 5 мкЗв.
3) Использование золы – еще один источник возможного облучения населения. Как мы уже говорили, угольная зола обогащена радиоактивными изотопами
210
82
Pb ,
210
84
Po ,
232
90
Th ,
U и др. Среди разнообразных способов её примене-
238
92
127
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ния главным является использование для производства цемента и бетона. Кроме
того, зола применяется для засыпки дорог, изготовления асфальта, а также в качестве удобрения. Применение угольной золы для строительных целей может
вызвать изменение доз облучения внутри помещений, обусловленных внешним
облучением и вдыханием продуктов распада радона, распространением радиоактивных частиц по территории при вымывании подсыпки дорого, удобрений под
действием атмосферных осадков.
В среднем годовая эффективная эквивалентная доза, связанная с угольной
добычей и использованием угля, для населения не превышает 20 мкЗв [175].
5.3.3.3 Вклад фосфатных удобрений в техногенный радиационный фон
Фосфатные породы являются исходным материалом для производства всех
фосфоросодержащих продуктов и главным источником фосфора для получения
удобрений. Возможное облучение населения обусловлено: а) сбросом в окружающую среду жидких отходов, содержащих радионуклиды уранового семейства при добыче и переработке фосфатов; б) использованием фосфатных удобрений; в) применением продуктов и отходов фосфатного производства.
Согласно оценкам, процессы получения и применения фосфатных удобрений сопровождаются облучением со средней годовой эффективной эквивалентной дозой примерно 2 – 5 мкЗв, Примерно столько же можно получить за год,
вследствие использования образующихся при переработке фосфатов продуктов в
качестве гипса, цемента и других строительных материалов.
5.3.3.4 Вклад атомной энергетики в техногенный радиационный фон
Использование радиоактивных веществ в атомной энергетике включает
этапы получения уранового топлива, эксплуатации ядерного реактора, регенерации топлива, захоронения радиоактивных отходов, а также перевозку самого топлива и возникающих отходов. В настоящее время все соответствующие технологические процессы отработаны настолько тщательно, что (за исключением
аварийных ситуаций) на всех этих этапах возможные выбросы радиоактивных
веществ можно считать незначительными [158].
128
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.3.3.5 Вклад геотермальных источников, сжигания нефти, газа, добычи
торфа в техногенный радиационный фон
Для получения геотермальной энергии используются горячие вода и пары,
поступающие из глубинных горизонтов земной коры. Радиоактивность геотермальных сред обусловлена в основном продуктами распада уранового ряда. Изотопы, находящиеся в твердом состоянии, могут вызывать загрязнение вод и почвы, однако, главным «загрязнителем», по-видимому, здесь может являться радон,
выделяющийся в атмосферу из воды и пара при контакте с воздухом. Однако измерения, проведенные вблизи геотермальных станций в Италии и Новой Зеландии, не позволили разделить фоновый и геотермальный вклады в концентрацию
атмосферного радона.
Основными потребителями нефти и нефтепродуктов являются электростанции, дорожный транспорт и установки для обогрева жилья. Продукты сгорания нефти (так же, как и угля) оказываются обогащёнными радионуклидами,
правда, не в столь сильной мере. Оценки говорят, что использование нефти в современном мире повышают общую годовую эффективную эквивалентную дозу,
получаемую человеком, не более чем на 1 мкЗв [190].
Природный газ.
Природный газ широко применяется в различных областях человеческой
деятельности: для производства электроэнергии, обогрева жилых помещений, он
использование в качестве энергоносителя для различных отраслей промышленности. При этом концентрация радона вблизи электростанций, работающих на
газе, находятся на уровне фона, а индивидуальные дозы соответствуют обычным
величинам.
В ряде стран (Финляндии, Швеции) для получения электроэнергии используется торф. Естественные радионуклиды попадают в торфяные болота с поверхностными и грунтовыми водами и накапливаются в торфе. Основной вклад в
дозу дает обогащённая ураном зола, получающаяся при сгорании торфа.
Сравнив вклады различных искусственных источников радиации в общий
радиационный фон, можно сделать вывод о том, что главным «загрязнителем»
129
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
экосферы являются электростанции, работающие на угле. В целом, однако (за
исключением чрезвычайных ситуаций, связанных с авариями) индивидуальное
облучение, связанное с промышленной деятельностью человека, как правило,
мало по сравнению с общим облучением от естественных источников радиации и
по оценкам за год составляет не более 100 мкЗв [158].
5.3.3.6 Облучение, вызванное испытаниями ядерного оружия
За последние 50 лет каждый житель Земли подвергался облучению от радиоактивных осадков, которые образовались в результате ядерных взрывов. Основной вклад в коллективную эффективную дозу облучения населения от ядерных взрывов дают четыре радионуклида: углерод-14, цезий-137, цирконий-95 и
стронций-91. При проводившихся до 1963 г. испытаниях большая часть радиоактивного материала выбрасывалась в атмосферу на высоту 140 – 50 км, рассеивалась и медленно осаждалась по всей поверхности Земли.
В настоящее время в мире поддерживается мораторий на испытания ядерного оружия, и годовая доза облучения продуктами проведённых ранее испытаний снизилась практически до естественного фона (сказанное не относится, конечно, к местам непосредственного проведения испытаний) [23, 244].
5.3.3.7 Облучение, обусловленное бытовыми приборами и товарами
Некоторые бытовые приборы и товары народного потребления являются
источниками радиоактивного излучения. Среди таких приборов – цветные телевизоры и дисплеи с большими электронно-лучевыми трубками, рентгеновские
аппараты для проверки багажа (так, например, ежедневный трехчасовой просмотр телевизора дает за год дозу 5 мкЗв).
Более опасные товары и приборы со светящимися циферблатами, которые
содержат радиоактивные вещества пусть и в очень небольших количествах. Ранее в таких приборах (часах, и компасе офицера, пультах в авиационных кабинах
и т.д.) при изготовлении светящихся циферблатов использовался радий, что приводило к повышенному облучению. В настоящее время радий заменяют тритием
или прометием-147, обладающими существенно меньшими, чем у радия, перио130
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дами полураспада и вследствие этого облегчающими процесс утилизации вышедших из строя приборов [244].
5.3.3.8 Неконтролируемые техногенные источники (радиационные аварии,
происшествия)
Интенсивное развитие атомной энергетики в ряде стран и широкое использование источников радиации в промышленности и медицине привели к ряду
аварий и происшествий. Наиболее типичными являются аварии на реакторах,
аварии на транспорте, случаи утери или хищения источников излучения.
Крупнейшей из аварий была авария на Чернобыльской АЭС (1986 г.), в результате которой, согласно официальным данным, в атмосферу поступило радионуклидов с общей активностью порядка (2 – 2,5)⋅1018 Бк [52]. Происшествия
и аварии, связанные с источниками радиации, происходят и в настоящее время
(Фукусима 1), хотя работы по снижению вероятности их возникновения ведутся
с неослабеваемой интенсивностью во всех промышленно развитых странах.
131
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.4. РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
5.4.1 Защита от ионизирующего излучения
У человека нет рецепторов, предупреждающих его об опасности радиоактивного облучения. В этом состоит коварство воздействия ионизирующего излучения, поэтому необходимо тщательно соблюдать принципы защиты от радиации. Основными способами защиты от радиоактивного излучения являются:
личная гигиена, защита временем, защита расстоянием, применением защитных
экранов, фармакохимическая защита.
Личная гигиена. В наш техногенный век вероятно появление в окружающей среде радиоактивной пыли, загрязнений, содержащих изотопы, испускающих α-частицы (которые не регистрируются бытовыми дозиметрами). Эти частицы обладают очень малой проникающей способностью и не представляют
опасности до тех пор, пока радиоактивные вещества, их испускающие, не попадут внутрь организма через открытую рану, с пищей или вдыхаемым воздухом.
Поэтому для защиты от α- (и β-) излучения необходимо, прежде всего, соблюдать личную гигиену, тщательно мыть руки, фрукты, овощи и т. д. [157].
Защита временем. Эквивалентная доза, получаемая от радиоактивного источника, может быть рассчитана по формуле:
t
Н = ∫ H dt ,
0
где H – мощность дозы (определяется параметрами источника), t – время
облучения. Таким образом, для того чтобы защититься от радиоактивного излучения, необходимо сократить время пребывания в зоне его действия [158].
Защита расстоянием. Известно, что интенсивность излучения точечного
источника уменьшается с увеличением расстояния от источника обратно пропорционально квадрату этого расстояния. Поэтому, например, двукратное увели-
132
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
чение расстояния до источника приводит к четырёхкратному уменьшению получаемой дозы.
Зашита экранированием. Этот способ защиты основан на использовании
процессов взаимодействия ионизирующего излучения с веществом. При прохождении через излучения сквозь вещество, оно взаимодействует с атомами этого
вещества, теряя свою энергию. Эффективность этих процессов зависит от природы излучения и свойств среды. Интенсивность I проникающего излучения в веществе уменьшается с расстоянием х по экспоненциальному закону:
I = I0 ехр(–µх),
где I0 – интенсивность на входе в поглощающую среду, µ – линейный коэффициент поглощения, зависящий как от самого вещества, так и от природы
ионизирующего излучения (µ = l−1, где l – длина пробега ионизирующих частиц в
веществе). Формула позволяет рассчитать толщину экрана из материала с известным µ, который следует взять с тем, чтобы ослабить воздействие проникающего излучения до требуемого уровня. Полезно помнить, что толщина слоя вещества, на котором происходит двукратное ослабление потока γ-квантов с энергией 1 МэВ составляет 1,3 см для свинца и 13 см для бетона.
В наиболее распространенном диапазоне энергий γ-излучения радионуклидов (сотни кэВ – несколько МэВ) коэффициент µ зависит только от энергии γквантов и при этом прямо пропорционален плотности среды. Это позволяет, зная
значения плотности двух сред и величину коэффициента µ одной из них, находить линейный коэффициент поглощения для другой [159].
Фармакохимическая защита. Способность некоторых химических соединений снижать лучевое поражение простых молекулярных систем была обнаружена в 1940 г. В.Дейлом. Однако использование большинства таких веществ (радиопротекторов) приводит к положительному эффекту только в случае, если они
были введены в организм незадолго до облучения. В основе защитных механизмов работы радиопротекторов лежат процессы
- передачи энергии от молекул организма молекулам радиопротектора;
133
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- обрыв цепных реакций разрушения органических молекул;
- поглощения энергии вторичного излучения;
- образования защитных связей с молекулами ферментов и белков;
- ускорения выведения из организма токсичных продуктов радиолиза.
Для любого радиопротектора существует порог дозы, выше которого его
применение бесполезно. Более того, следует иметь в виду, что многие радиопротекторы в больших дозах являются токсичными для организма [213].
Из немедикаментозных средств лечения можно выделить правильное питание и периодическое голодание. В частности, для удаления радионуклидов из
организма в рацион питания рекомендуется включать как можно больше овощей,
фруктов, ягод. Наибольшей способностью к поглощению радиоактивных элементов обладают чеснок, лук, молочные продукты (творог, сливки, сметана). Для
выведения из организма радионуклидов полезны рыба и морские продукты (морская капуста, кальмары, черная икра). К продуктам, опасным для здоровья в условиях повышенной радиации, относятся кофе, холодец, говядина, вареные яйца.
Выводу вредных веществ из организма помогает периодическое голодание: поврежденные клетки при этом восстанавливаются и вновь начинают выполнять
свои прямые функции.
5.4.2 Нормы радиационной безопасности НРБ-99 [157]
5.4.2.1 Структура НРБ-99. Вводная часть, первый и второй разделы
Международные научные рекомендации, законодательные инициативы
стран с высоким уровнем радиационной защиты населения, а также отечественный опыт (с учетом достижений и недостатков) легли в основу «Норм радиационной безопасности», принятых в нашей стране в 1999 г. (НРБ-99).
Рассмотрим структуру данного документа и основные положения, изложенные в его отдельных разделах (полный текст документа приведён, например,
на сайте [157]).
Во вводной части перечислены основные законы, нормы и требования, на
основе которых были разработаны Нормы. Среди них Федеральный закон «О радиационной безопасности населения» № 3-ФЗ от 09.01.96 г. [90]; Федеральный
134
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
закон «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» №52-ФЗ от
30.03.99 г. [214]; Международные Основные Нормы Безопасности для защиты от
ионизирующих излучений и безопасности источников излучений и др. Вводная
часть документа содержит также перечень специальных терминов и определений, с основными из которых мы уже познакомились ранее.
Первый раздел НРБ-99 определяет область применения Норм, и, в частности, указывает на то, что требования и нормативы, установленные Нормами, являются обязательными для всех юридических лиц, независимо от их подчиненности и формы собственности, в результате деятельности которых возможно облучение людей, а также для администраций субъектов Российской Федерации,
местных органов власти, граждан РФ, иностранных граждан и лиц без гражданства, проживающих на территории Российской Федерации. Сами нормы распространяются на облучение персонала и населения в условиях нормальной эксплуатации техногенных источников ионизирующего излучения, облучение персонала и населения в условиях радиационной опасности, облучение работников
промышленных предприятий и населения природными источниками ионизирующего излучения, медицинское облучение населения. Требования Норм и
Правил не распространяются, в частности, на источники излучения, создающие
при любых условиях обращения с ними индивидуальную годовую эффективную
дозу не более 10 мкЗв.
Второй раздел Норм содержит общие положения. В нем, в частности, отмечается, что главной целью радиационной безопасности является охрана здоровья населения, включая персонал, от вредного воздействия ионизирующего излучения путем соблюдения основных принципов и норм радиационной безопасности без необоснованных ограничений полезной деятельности при использовании излучения в различных областях хозяйства, в науке и медицине. В разделе
изложены основные принципы, которыми следует пользоваться для достижения
данной цели:
- непревышение допустимых пределов индивидуальных доз облучения
граждан от всех источников излучения (принцип нормирования);
135
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- запрещение всех видов деятельности по использованию источников излучения, при которых полученная для человека и общества польза не превышает
риск возможного вреда, причиненного дополнительным облучением (принцип
обоснования);
- поддержание на возможно низком уровне с учетом экономических и социальных факторов индивидуальных доз облучения и числа облучаемых лиц при
использовании любого источника излучения (принцип оптимизации). Так, если
имеется возможность выбора, в работе следует использовать такие радионуклиды, которые характеризуются меньшей радиационной опасностью, имеют малый
период полураспада и связаны в химическое соединение, плохо растворимое в
воде [157].
Согласно Нормам устанавливается, что облучение в коллективной эффективной дозе в 1 чел.-Зв приводит к потенциальному ущербу, равному потере 1
чел.-года жизни населения страны [157].
5.4.2.2 Требования к ограничению облучения на производстве
Нормами регламентируются нормальные условия эксплуатации источников излучения (раздел 3 НРБ-99) и устанавливаются следующие категории облучаемых лиц: группа А, группа Б и просто население, включая лиц групп А и Б, вне
сферы и условий их производственной деятельности. Группа А – это персонал,
работающий непосредственно с техногенными источниками радиации, в то время, как группа Б – лица, просто находящиеся по условиям работы в сфере воздействия техногенных источников. Для всех категорий устанавливаются три
класса нормативов [157]:
- основные пределы доз (приведены в таблице 5.4.1);
- допустимые уровни воздействия одного радионуклида или одного вида
внешнего облучения;
- контрольные уровни дозы, активности, и др., учитывающие уже достигнутый в организации уровень радиационной безопасности и отражающие принцип непревышения установленных допустимых уровней облучения.
Пределы и уровни облучения персонала группы Б устанавливаются, как 1/4
от соответствующих значений для персонала группы А.
136
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 5.4.1
НОРМИРУЕМЫЕ
ВЕЛИЧИНЫ
Эффективная доза
ПРЕДЕЛЫ ДОЗ
персонал (группа А)
население
20 мЗв в год в среднем за
1 мЗв в год в среднем за люлюбые последовательные 5
бые последовательные 5
лет, но не более 50 мЗв в
лет, но не более 5 мЗв в год
год
Эквивалентная доза
за год в хрусталике
глаза
150 мЗв
15 мЗв
в коже
500 мЗв
50 мЗв
в кистях и стопах
500 мЗв
50 мЗв
Видно, что для персонала при предельной годовой допустимой дозе в
20 мЗв с учётом числа рабочих дней в году и длительности рабочего дня средний
допустимый уровень мощности эквивалентной дозы составляет примерно 10
мкЗв/час. Согласно Нормам эффективная доза для персонала не должна превышать за период трудовой деятельности (50 лет) 1 000 мЗв, а для населения за период жизни (70 лет) – 70 мЗв. Для женщин в возрасте до 45 лет, работающих с
источниками излучения, вводятся дополнительные ограничения: эквивалентная
доза на поверхности нижней части области живота не должна превышать 1 мЗв в
месяц, а поступление радионуклидов в организм за год не должно быть более
1/20 предела годового поступления для персонала. Для студентов, учащихся
старше 16 лет, проходящих профессиональное обучение с использованием источников излучения, годовые дозы не должны превышать значений, установленных для персонала группы Б [159].
При ликвидации или предотвращении аварии может произойти планируемое облучение персонала группы А, которое допускается только в случае необходимости спасения людей и (или) предотвращения их облучения. Планируемое
повышенное облучение допускается для мужчин старше 30 лет лишь при их добровольном письменном согласии, после информирования о возможных дозах об137
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
лучения и риске для здоровья. Планируемое повышенное облучение в эффективной дозе до 100 мЗв в год и эквивалентных дозах не более двукратных предельных значений, допускается с разрешения территориальных органов Госсанэпиднадзора, а облучение в эффективной дозе до 200 мЗв в год и четырехкратных
значений предельных эквивалентных доз – только с разрешения федерального
органа Госсанэпиднадзора. Повышенное облучение не допускается: для работников, ранее уже облученных в течение года в результате аварии или запланированного повышенного облучения с эффективной дозой 200 мЗв или с эквивалентной дозой, превышающей в четыре раза соответствующие пределы доз, а
также для лиц, имеющих медицинские противопоказания по работе с источниками излучения.
Облучение эффективной дозой свыше 200 мЗв в течение года рассматривается как потенциально опасное. Лица, подвергшиеся такому облучению, должны
немедленно выводиться из зоны облучения и направляться на медицинское обследование. Последующая работа с источниками излучения этим лицам может
быть разрешена только в индивидуальном порядке с учетом их согласия по решению компетентной медицинской комиссии.
Лица, не относящиеся к персоналу, привлекаемые для проведения аварийных и спасательных работ, приравниваются к персоналу группы А, эти лица
должны быть обучены (с проверкой знаний) для работы в зоне радиационной
аварии и обязаны пройти медицинский осмотр.
В обычных производственных условиях эффективная доза облучения природными источниками излучения работников, не относящихся к категории «персонал», не должна превышать 5 мЗв/год (раздел 4 НРБ). В Нормах приводятся
конкретные данные по вкладу в эквивалентную дозу радионуклидов различных
химических элементов (радона, торона, урана и др.) [157].
5.4.2.3 Защита населения от облучения в нормальных условиях
(раздел 5 НРБ-99)
Радиационная безопасность населения достигается путем ограничения воздействия от всех основных видов облучения. Возможности регулирования разных видов облучения существенно различаются, поэтому регламентация их осу138
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ществляется раздельно с применением разных методологических подходов и
технических способов. При этом суммарная годовая доза облучения населения
техногенными источниками разных видов не должна превышать основные пределы доз (табл. 5.4.1); квоты предела годовой дозы для разных источников устанавливаются федеральными органами Госсанэпидемнадзора.
Облучение населения техногенными источниками излучения ограничивается путем обеспечения сохранности этих источников, контроля технологических процессов и ограничения выброса радионуклидов в окружающую среду, а
также другими мероприятиями на стадии проектирования, эксплуатации и прекращения использования источников излучения.
Допустимое значение эффективной дозы, обусловленной суммарным воздействием природных источников излучения, для населения не устанавливается.
Снижение облучения населения достигается путем установления системы ограничений на облучение населения от отдельных природных источников излучения: радона, торона и их дочерних продуктов в воздухе производственных и жилых помещений (их среднегодовая эквивалентная равновесная объемная не
должна превышать 200 Бк/м3), природных радионуклидов в строительных материалах, в фосфорных удобрениях и мелиорантах, в питьевой воде. Так, например, эффективная эквивалентная доза, получаемая человеком за счет естественных радионуклидов в питьевой воде, не должна превышать 0,2 мЗв за год.
В разделе сформулированы ограничения на медицинское облучение: пределы доз не устанавливаются, приоритет отдаётся принципам обоснования назначения медицинских процедур и оптимизации мер защиты пациентов, то есть
регламентация и контроль облучения население Нормами относятся к компетенции Минздрава. Тем не менее, отмечается, что при проведении профилактических медицинских и научных рентгенологических исследований годовая эффективная доза облучения исследуемых лиц не должна превышать 1 мЗв. Норматив
может быть превышен на основе решения областного, краевого (республиканского) управления здравоохранения лишь в условиях сложной эпидемиологической обстановки, требующей проведения дополнительных исследований, или
при вынужденном использовании радиологических методов лечения [157, 213].
139
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.4.2.4 Ограничения по облучению населения в условиях радиационной
аварии
Основное требование, касающееся случая возникновения аварии (раздел 6
НРБ-99), состоит в принятии безотлагательных практических мер по восстановлению контроля над источником излучения и сведению к минимуму доз облучения, количества облученных лиц, радиоактивного загрязнения окружающей среды, а также экономических и социальных потерь, вызванных радиоактивным загрязнением.
Если предполагаемая доза излучения за короткий срок (2 суток) достигает
уровней, при превышении которых возможны клинически определяемые детерминированные эффекты (таблица 5.4.2), необходимо срочно использовать добавочные меры защиты. Если персонал предприятия даже при однократном воздействии получил эквивалентную дозу, больше годовой предельной, он должен
быть немедленно отправлен на медицинское обследование [157].
Таблица 5.4.2
Орган или
ткань
Всё
тело
Лёгкие
Кожа
Поглощенная
доза за 2 суток, Гр
1
6
3
Щитовидная Хрусталик
Гонады
железа
глаза
5
2
Плод
3
0,1
При хроническом облучении в течение жизни, если годовые поглощенные
дозы превышают значения, которые приведены в таблице 5.4.3, защитные мероприятия становятся обязательными.
Таблица 5.4.3
140
Орган или ткань
Гонады
Хрусталик глаза
Красный костный
мозг
Годовая поглощенная
доза, Гр/год
0,2
0,1
0,4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
На основании данных о начальном периоде радиационной обстановки принимаются решения о возможном отселении людей из зоны аварии, об ограничении потребления загрязнённых пищевых продуктов и питьевой воды. Соответствующие контрольные цифры также приводятся в разделе 6 Норм.
Исходя из указанных принципов, при планировании защитных мероприятий на случай радиационной аварии органами Госсанэпиднадзора устанавливаются уровни вмешательства (дозы и мощности доз облучения, уровни радиоактивного загрязнения) применительно к конкретному объекту и условиям его размещения с учетом вероятных типов аварии, сценариев развития аварийной ситуации и складывающейся радиационной обстановки.
На поздних стадиях аварии, повлекшей за собой радиационное загрязнение
обширных территорий долгоживущими радионуклидами, необходимо руководствоваться следующими критериями. При величине годовой дозы более 1 мЗв
загрязненные территории по характеру необходимого контроля обстановки и защитных мероприятий делятся на четыре зоны.
- Зона радиационного контроля (от 1 мЗв/год до 5 мЗв/год). В этой зоне используются стандартные меры защиты.
- Зона ограниченного проживания (от 5 мЗв/год до 20 мЗв/год). В зоне также используются стандартные меры защиты, ведется постоянный мониторинг
окружающей среды. Населению разъясняется риск ущерба здоровью от проживания в этой зоне.
- Зона добровольного отселения (от 20 мЗв/год до 50 мЗв/год). Населению
оказывается помощь в переселении за пределы зоны.
- Зона обязательного отселения – доза составляет более 50 мЗв/год.
О критериях вмешательства при обнаружении локальных радиоактивных
загрязнений, которыми считается присутствие радиоактивных веществ техногенное происхождения на поверхности или внутри тела человека, в воздухе или другом месте, в количестве, превышающем установленные уровни [89-90].
Критерии имеют два уровня:
141
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- уровень исследований (при дозе от 0,1 мЗв/год до 0,3 мЗв/год). Требуется
выполнить исследование загрязнения с целью уточнения оценок величины годовой эффективной дозы и определения величины дозы, ожидаемой за 70 лет
(среднее время жизни);
- б) уровень вмешательства (доза более 0,3 мЗв/год). Требуется проведение
защитных мероприятий.
Решение о характере защитных мероприятий принимается органами Госсанэпиднадзора с учетом местонахождения загрязненных участков (жилая зона,
дворы, дороги и т.д.), их площади, мощности дозы γ-излучения, изменения мощности дозы γ-излучения на различной глубине почвы и т.д.
5.4.2.5 Требования к контролю выполнения Норм
Радиационный контроль (начиная ещё со стадии проектирования радиационно-опасных объектов) является важнейшей частью обеспечения радиационной
безопасности [213]. Контролю подлежат:
- радиационные характеристики источников излучения, выбросов в атмосферу, жидких и твердых радиоактивных отходов;
- радиационные факторы, создаваемые технологическим процессом на рабочих местах и в окружающей среде;
- радиационные факторы на загрязненных территориях и в зданиях с повышенным уровнем природного облучения;
- уровни облучения персонала и населения от всех источников излучения,
на которые распространяется действие Норм.
Основными контролируемыми параметрами являются:
- годовая эффективная и эквивалентная дозы;
- поступление радионуклидов в организм и их содержание в организме для
оценки годового поступления;
- объемная или удельная активность радионуклидов в воздухе, воде, продуктах питания, строительных материалах и др.;
142
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- радиоактивное загрязнение кожных покровов, одежды, обуви, рабочих
поверхностей;
- мощность дозы внешнего излучения;
- плотность потока частиц и фотонов.
Переход от измеряемых величин внешнего излучения к нормируемым определяется специальными методическими указаниями.
С целью оперативного контроля для всех контролируемых параметров устанавливаются контрольные уровни. Государственный надзор за выполнением
Норм радиационной безопасности осуществляют органы госсанэпиднадзора и
другие органы, уполномоченные Правительством Российской Федерации в соответствии с действующими нормативными актами.
Контроль соблюдения Норм возлагается на администрацию организаций,
независимо от форм собственности. Контроль облучения населения возлагается
на органы исполнительной власти субъектов РФ [157].
5.4.2.6 Раздел 8 НРБ-99 и приложения к нему
Заключительный раздел Норм содержит конкретные значения допустимых
уровней радиационного воздействия для разных категорий облучаемых лиц при
облучении их продуктами распада различных радиоактивных элементов. Раздел
снабжён значительным количеством справочных таблиц, приведённых, как в самом тексте Норм, так и в приложениях к нему.
Так, например, согласно Нормам, для категории «персонал» допустимое
поступление в организм естественного урана, обедненного урана и урана-238 в
растворимой форме через органы пищеварения в сутки составляет 150 мг.
5.4.3 Основные санитарные правила работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующих излучений
ОСП-72/87
Данные правила (полный текст см. сайт [159]) являются документом, обеспечивающих радиационную безопасность, и относятся, главным образом, к рабо143
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
те персонала учреждений, которые производят, обрабатывают, применяют, хранят, транспортируют естественные и искусственные радиоактивные вещества
(РВ) и другие источники ионизирующих излучений (ИИ), перерабатывают и
обезвреживают радиоактивные отходы, производят монтаж и наладку приборов,
аппаратов и установок, действие которых основано на использовании ионизирующих излучений и устройств, генерирующих ионизирующие излучения. Вопросы безопасности населения в Правилах рассматриваются лишь в связи с возможными аварийными ситуациями, и поэтому на положениях данных Правил,
мы остановимся менее подробно, выделив лишь некоторые из них.
5.4.3.1 Организация работ с источниками ИИ. Учёт и хранение источников
Ответственность за выполнение требований ОСП-72/87 возглавляется на
руководителя учреждения. Нарушение Правил влечет за собой дисциплинарную,
административную, а также уголовную ответственность.
Хранение и проведение работ с источниками ионизирующих излучений
разрешается только после оформления санитарного паспорта. Санитарный паспорт на право работы с источниками ионизирующих излучений оформляют местные органы Госсанэпиднадзора (СЭС) на основании акта приемки. Санитарный паспорт выдается на срок не более трёх лет. Без оформления санитарного
паспорта разрешаются использовать источники, если удельная активность менее:
- 1⋅10−8 Ки/кг для трансурановых элементов;
- 2⋅10−7 Ки/кг для источников α-излучения;
- 1⋅10−6 Ки/кг для источников β-излучения;
- 1⋅10−7 г-экв радия/кг для источников γ-излучения.
Проведение работ с источниками ИИ разрешается только в помещениях,
указанных в санитарном паспорте. Запрещается размещение установок, предназначенных для работы с радионуклидными источниками в жилых зданиях и детских учреждениях. Вокруг учреждения, предназначенного для работы с источниками ИИ, в случае необходимости, устанавливаются санитарно-защитная зона и
зона наблюдения. В санитарно-защитной зоне запрещено размещение жилых
зданий, детских учреждений, оздоровительных учреждений. Использование зе144
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
мель санитарно-защитной зоны для сельскохозяйственных целей возможно только с разрешения надзорных органов.
К моменту получения источников ИИ администрация учреждения обязана
определить перечень лиц, которые будут работать с этими источниками, и обеспечить необходимое обучение и инструктаж, назначить приказом по учреждению лиц, ответственных за радиационную безопасность, учет и хранение источников ИИ, за организацию сбора, хранения и сдачу радиоактивных отходов, за
радиационный контроль [159, 213].
Проектирование защиты от ИИ необходимо проводить с двукратным коэффициентом запаса по мощности эквивалентной дозы. Должны учитываться:
наличие других источников ИИ, перспективное увеличение мощности источников, радиационная стойкость материалов, назначение помещений и территорий,
категория облучаемых лиц, длительность облучения [159].
К непосредственной работе с источниками ИИ и РВ допускаются лица не
моложе 18 лет, не имеющие медицинских противопоказаний, прошедшие инструктаж, стажировку (обучение) и проверку знаний. Последующая проверка знаний правил безопасности работы проводится периодически не реже одного раза в
год, а инструктаж – не менее 2 раз в год.
За сохранность источников, их контроль несет ответственность администрация. Ежегодно комиссия, назначенная руководителем учреждения, производит
инвентаризацию РВ и источников ИИ. Источники, не находящиеся в работе,
должны храниться в специально отведенных местах или соответственно оборудованных хранилищах, обеспечивающих их сохранность и исключающих доступ
к ним посторонних лиц. РВ, при хранении которых возможно выделение радиоактивных газов, паров или аэрозолей, должны храниться в хранилищах с круглосуточно работающей вентиляцией. Радиоактивные жидкости можно хранить в
стеклянных емкостях, если принять меры на случай нарушения целостности
стекла. При организации временных хранилищ вне территории учреждения (в
санитарно-защитной зоне) мощность эквивалентной дозы на наружной поверхности временного хранилища или его ограждения не должна превышать 10
мкЗв/час. Источники ИИ выдаются ответственным лицом из мест хранения только по письменному разрешению руководителя учреждения с записью в специ-
145
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
альном журнале. За сохранность полученного источника исполнитель несёт уголовную ответственность.
5.4.3.2 Работа с источниками ионизирующих излучений
Радиоактивный источник, устройство которого в условиях нормальной
эксплуатации исключает попадание радиоактивных веществ в окружающую среду, называется закрытым. В рабочем положении все радионуклидные источники
должны находиться в защитных устройствах, а устройства, генерирующие ИИ –
обесточены. При использовании приборов с закрытыми радионуклидными источниками и устройств, генерирующих ИИ, вне помещений или в общих производственных помещениях необходимо обеспечить сохранность источников, исключить доступ посторонних лиц, направлять излучение в сторону от людей,
удалять источники от людей на возможно большее расстояние, ограничить пребывание людей, применять передвижные ограждения, защитные экраны, использовать предупреждающие плакаты [159].
При использовании установок, за пределами которых мощность дозы в рабочем положении и при хранении источника не превышает 3 мкЗв/час на расстоянии 1 м от доступных частей поверхности, специальные требования к помещениям и размещению установок не предъявляются. При работе с источниками
более 0,2 Ки должны использоваться специальные устройства с дистанционным
управлением.
При выпуске опытных образцов приборов, действие которых основано на
использовании ИИ, радионуклидных источников для радиоизотопных приборов,
а также эталонных источников в количестве до 3-х экземпляров, техническая документация подлежит согласованию только с местными органами Госсаннадзора. Радионуклидные источники не пригодны для дальнейшего использования,
должны рассматриваться как радиоактивные отходы, своевременно списываться
и сдаваться на захоронение [165].
Источники, при использовании которых возможно попадание радиоактивных веществ в окружающую среду, называются открытыми; находящиеся в них
радионуклиды могут привести к облучению персонала. По степени опасности
внутреннего облучения радионуклиды делят на четыре группы (табл. 5.4.4).
146
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 5.4.4
Группа радиационной опасности
А
Б
В
Г
Минимально значимая радиоактивность,
мкКи
0,1
1
10
100
Если у радионуклида определенной группы активность меньше минимально значимой, то на работу с ним санитарного паспорта не требуется. При возможности выбора радиоактивных веществ для работы следует использовать вещества с меньшей группой радиационной опасности с количеством, минимальным для работы.
При работе с открытыми источниками особую опасность представляют естественный уран и торий, обедненный уран и уран-238, из-за большой химической токсичности. Эти радионуклиды относятся к группе Г. Поступление урана в
растворимой форме не должно превышать 2,5 мг/сутки через органы дыхания, а
через органы пищеварения не более 150 мг/сутки. При работе с урансодержащими минеральными соединениями неизвестной растворимости предел годового
поступления через органы дыхания не должен превышать 0,025 мкКи/год, а допустимая объемная активность (допустимая концентрация) – 1⋅1014 Ки/л.
Оборудование и рабочая мебель, стены должны иметь гладкую поверхность, слабо сорбирующие покрытия, облегчающие удаление радиоактивных загрязнений. Высота помещений для работы с радиоактивными веществами должна соответствовать правилам СНиП. Площадь на одного работающего должна
быть не менее 10 м2. В помещениях производится только влажная уборка. Запрещается сухая уборка, за исключением вакуумной. В учреждениях, где ведутся
работы I и II классов, следует предусматривать выбросные трубы, высота которых должна обеспечивать снижение объемной активности радиоактивных веществ в атмосферном воздухе в месте приземления факела до допустимого уровня. Если для работы с радиоактивными веществами отводится только часть площади здания, то необходимо предусмотреть раздельные системы вентиляции
[165].
147
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Система удаления, захоронения и обезвреживания радиоактивных отходов
должна быть централизованной и включать в себя сбор отходов, временное их
хранение, удаление и обезвреживание. Контейнеры для радиоактивных отходов
должна быть типовыми, их конструкция должна обеспечивать механизированную погрузку и разгрузку с автомашины. Мощность дозы на расстоянии 1 м от
сборника с радиоактивными отходами допускается не более 40 мкЗв/час [159,
165].
5.4.3.3 Радиационный дозиметрический контроль,
меры индивидуальной защиты
Положение о работе службы радиационной безопасности учреждения (ответственного за радиационный контроль лица) утверждается администрацией по
согласованию с местными органами Госсаннадзора. Персонал службы радиационной безопасности, а также ответственное за радиационный контроль лицо назначается из числа сотрудников, прошедших специальную подготовку. Проводится контроль радиационной обстановки на рабочих местах, в смежных помещениях и на территории учреждения, а также индивидуальный контроль за облучением персонала. Результаты всех видов радиационного контроля должны
регистрироваться и храниться в течение 50 лет.
Индивидуальный дозиметрический контроль не является обязательным для
лиц из персонала, условия труда которых таковы, что доза не превышает 0,3 годового дозового предела.
Администрация учреждения обязана разработать, утвердить и согласовать
с местными органами Госсаннадзора и Госпожнадзора инструкцию по предупреждению аварии и пожара и ликвидации их последствий и план мероприятий
по защите персонала на случай аварии. Защитные и локализующие устройства
должны обеспечивать безопасность персонала и населения в случае максимальной проектной аварии. Ответственность за ликвидацию аварии и ее последствия
несет администрация учреждения, на котором произошла авария [159, 165].
148
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.4.3.4 О правилах транспортировки радиоактивные материалов
Требования к перевозке радиоактивных веществ изложены в «Правилах
безопасности при транспортировании радиоактивных веществ (ПБТРВ-73)» и в
«Правилах перевозок опасных грузов по железным дорогам». С текстами этих
документов студентам предлагается ознакомиться самостоятельно: они представлены, например, на сайтах [165] и [166] соответственно.
149
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 6.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ ПРИ
ПРОВЕДЕНИИ ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ ФИЗИЧЕСКИХ
ПРАКТИКУМОВ ПО АКУСТИЧЕСКОЙ ЭКОЛОГИИ
6.1 ВВЕДЕНИЕ В АКУСТИКУ
6.1.1. Общие понятия
АКУСТИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ воздушного бассейна есть часть общей
экологической проблемы, относящейся к охране человека и окружающей среды.
Напомним основные понятия, используемые в акустике.
Волной называется процесс распространения колебаний в пространстве.
Звуковая волна – процесс распространения колебаний частиц упругой среды
(твёрдой, жидкой, газообразной) около своих положений равновесия [179].
Волны бывают поперечными и продольными. В продольной волне колебания происходят вдоль направления её распространения; в поперечной – колебания происходит в направлениях, перпендикулярных направлению распространения волны. В газах и жидкостях распространяются лишь продольные звуковые
волны; в твёрдых телах звуковые волны могут быть как продольными, так и поперечными [19].
Фронтом волны называется мысленно проведённая поверхность, отделяющая в данный момент времени область пространства, в которой уже происходят колебания, от той области, где их еще нет. Очевидно, волновой процесс
связан с движением фронта: скорость фронта и определяет скорость самой волны.
Если фронт волны является плоскостью, волна называется плоской, если
фронт волны – сфера, волна называется сферической.
150
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Звук – это механические колебания упругой среды, распространяющиеся в
среде и воздействующие на органы слуха. Звуковые колебания частиц упругой
среды имеют сложный характер, который можно представить в виде функции зависимости величины смещения ξ от времени: ξ = ξ(t). Простейшими являются
гармонические колебания, описываемые синусоидальной зависимостью:
ξ(t) = Asinωt,
где A – амплитуда колебаний (максимальное отклонение колеблющейся
частицы от положения равновесия), ω = 2πν – угловая частота (ν – линейная
частота) колебаний, t – время [178]. По определению ν = 1/Т, где Т – период
(время, за которое совершается одно полное колебание).
Гармонические колебания с определенной частотой в акустике называются
тоном.
Важнейшие характеристики звука: скорость, звуковое давление, интенсивность звука, его спектральный состав, закон распространения звуковых волн.
С физической точки зрения распространение колебаний или звуковых волн
состоит в передаче импульса от одной частицы среды к другой. Благодаря упругим молекулярным связям движение каждой из них повторяет движение предыдущей. Поскольку передача импульса занимает некоторое время, движение частицы в каждой следующей точке происходит с запаздыванием по отношению к
движению частицы в предыдущей точке. Таким образом, колебания распространяются с определенной скоростью υ (скорость звуковых волн, так же, как и скорость света, часто обозначают буквой с). Величина этой скорости зависит от
свойств среды.
Скорость распространения звука в воздухе при нормальных условиях составляет около 332 м/с, в воде – 1 485 м/с, в стали – 5 100 м/с [228]. Увеличение
скорости распространения звука при переходе от газа к жидкости и к твердому
151
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
телу объясняется тем, что такому переходу соответствует увеличение силы взаимодействия между атомами, молекулами среды.
Длиной волны λ называется расстояние, которое фронт этой волны проходит за время Т одного колебания:
λ = υТ.
Используя связь периода колебаний Т с их частотой ν, это соотношение
можно представить виде
λ = υ/ν.
В зависимости от величины частоты ν звуковые волны условно подразделяются на слышимые человеком (ν ≈ 16 ÷ 20 000 Гц), инфразвук (ν < 16 Гц),
ультразвук (ν ≈ 20 000 Гц ÷ 1 ГГц) и гиперзвук (ν >1 ГГц). Границы диапазонов
являются приблизительными, так, например, далеко не каждый человек способен
услышать звук с частотой выше 16 000 Гц. Более того, эта граница меняется с
возрастом: чем старше человек, тем максимальная частота звуковых колебаний,
воспринимаемых человеком, меньше. Неодинаков и частотный диапазон звуковых волн, воспринимаемых человеком и животными. Известно, что собаки, например, слышат ультразвук: в своё время английские браконьеры, охотившиеся в
королевских лесах на оленей, для того, чтобы подзывать собак, применяли ультразвуковые свистки [209].
С учетом сказанного выше можно записать уравнение плоской волны, распространяющейся вдоль некоторой оси X, которое позволяет определить в заданный момент времени t смещение ξ частицы, положение равновесия которой характеризуется координатой x:
ξ = Asin(
152
2π
2π
t−
x).
T
λ
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Здесь принято, что в начальный момент времени (t = 0) смещение частицы,
находящейся в начале координат (x = 0) также равно нулю (ξ = 0).
В тех же условиях для сферической волны на расстоянии r от центра сферы для смещения ξ можно записать:
ξ=
2π
A
2π
sin( t −
r).
r
T
λ
Нетрудно заметить, что в сферической волне по мере удаления от источника амплитуда колебаний уменьшается [228].
6.1.2. Шкала уровня звука
Звуковая волна в газах и жидкостях состоит из периодических чередований
сжатий и разрежений в каждой точке среды (в соответствии с продольным колебательным движением молекул газа или жидкости). При распространении звуковой волны в воздухе его давление в любом месте оказывается то больше, то
меньше давления (атмосферного), которое было в отсутствие звука. Этот избыток (или недостаток) давления, называемый звуковым давлением, собственно и
воздействует на органы слуха [244].
Диапазон воспринимаемых значений звукового давления очень широк.
Самое слабое звуковое давление, воспринимаемое человеком с нормальным слухом при частоте 1 000 Гц, составляет p0 = 2⋅10−5 Па. Это давление называется пороговым. С другой стороны, самое высокое звуковое давление pmax, не вызывающее болевых ощущений в человеческом ухе, равно примерно 100 Па. Таким образом, масштаб воспринимаемых нами значений звукового давления перекрывает диапазон от 2⋅10−5 Па до 100 Па, то есть pmax отличается от p0 более, чем в
миллион раз!
Звуковая волна, действуя на ушную барабанную перепонку, передаёт ей
энергию, которая пропорциональна не самому давлению p, а квадрату его вели-
153
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
чины1. В случае звуковых волн это означает, что интенсивность раздражения I
органа слуха (энергия, передаваемая в единицу времени единице поверхности)
оказывается пропорциональной p2.
Поскольку частицы в звуковой волне колеблются, одновременно меняется
и энергия, передаваемая барабанной перепонке. Передаваемую за период энергию удобно описывать, пользуясь средним квадратичным значением звукового
давления:
1Т
pср2 = ∫ p 2 (t )dt ,
Т0
где p – мгновенное значение давления, Т – период колебания. Таким образом,
Iср ∼ pср2 .
Известно, что человек воспринимает не абсолютный прирост интенсивно∆I
сти раздражителя ∆I (света, звука и так далее) а его относительное изменение
I
(закон Вебера − Фехнера) [51]. Более того, субъективно оцениваемая ухом громкость звука растёт гораздо медленнее, чем сама интенсивность I: при возрастании интенсивности в геометрической прогрессии громкость увеличивается практически линейно. Именно с этим связано то, что параметры, используемые в акустике для характеристики звуковых сигналов, вводится, как
− уровень интенсивности LI = lg
I ср
и
I0
pср2
p
− уровень звукового давления Lp = lg 2 = 2 lg ср ,
p0
p0
1
Интенсивность звука в воздухе I связана с давлением p соотношением
I≈
pср2
,
ρс
в котором ρ – плотность воздуха (1,2 кг/м3 при нормальном атмосферном давлении), с – скорость звука.
154
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где I0 = 10−12 Вт/м2 – интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости (при этом p0 = 2⋅10−5 Па на частоте около 1кГц). При решении многих
практических задач можно принять, что Lр ≈ LI [209].
Единица уровня интенсивности и уровня звукового давления, определяемая приведёнными выше формулами, называется белом в (честь изобретателя телефона А. Бела) [23, 244]. Эта единица – довольно крупная, на практике чаще
пользуются её десятыми долями, децибелами, 1 Б = 10 дБ. Если Lp измерять в децибелах, то тогда
Lp = 20 lg
pср
дБ.
p0
Использование децибел приводит шкалу звукового давления от диапазона
1 ÷ 1 000 000 к диапазону 0 ÷ 140 дБ, где 0 дБ соответствует порогу слышимости
(pср = p0). Выбор в качестве основной акустической единицы децибела согласуется и с физиологическим восприятием звука человеческим ухом, способным отличать прирост звука на 1 дБ.
Аналогично уровень интенсивности звукового сигнала, выраженный в децибелах, связан с самой интенсивностью формулой
I
LI = 10lg ср дБ.
I0
В качестве примера в таблице 6.1.1 приведены значения звукового давления (в паскалях) и уровни звукового давления (в децибелах) для некоторых типичных условий окружающей среды.
Таблица 6.1.1
Условия окружающей среды
Порог болевых ощущений
Отбойный молоток
Громкий сигнал автомобиля
Звуковое
давление, Па
Уровень звукового
давления, дБ
200
140
130
120
155
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В вагоне поезда метро
В салоне автобуса
У проезжей части шоссе
Звуки речи при разговоре
Шум разговоров в обычной конторе
Жилая комната в зелёной зоне
Читальный зал библиотеки
Спальня ночью
Студия радиовещания
Дыхание человека
Тиканье наручных часов
Порог слышимости
10
0,6
0,06
0,02
0,002
0,0006
0,00002
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
6.1.3. Частотный спектр звукового сигнала
Практически любая реальная волна является процессом распространения
колебаний не с одной единственной частотой, а с некоторым набором разных
(пусть даже очень близких) частот. В случае звуковых волн гармонические колебание с одной единственной частотой называется простым тоном. Реальный
звук является результатом наложения гармонических колебаний с некоторым набором частот, который называется акустическим спектром волны [228].
Если в звуке присутствуют колебания всех частот в некотором интервале
от ν′ до ν″, то спектр называется сплошным. Сплошным акустическим спектром
обладают шумы. Если звук состоит из колебаний дискретных, то есть отделенных друг от друга конечными интервалами, частот ν1, ν2, ν3 и т. д., то спектр называется линейчатым. Примеры сплошного (а) и линейчатого (б) спектров представлены на рисунке 6.1.1.
156
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
I
I
б)
a)
I0
0
ν′
ν″
ν
I0
0
ν 1 ν2 ν 3 ν4
ν
Рисунок 6.1.1. Сплошной (а) и линейчатый (б) акустические спектры.
По оси абсцисс отложены значения частоты звука ν, по оси ординат –
соответствующие им значения его интенсивности I.
Колебания с линейчатым спектром вызывают ощущение звука с определенной высотой или тоном. Такой звук называется тональным. Высота тонального звука определяется основной (наименьшей) частотой (здесь ν1). Относительная интенсивность обертонов (то есть колебаний с частотами ν2 , ν3 и т. д.)
определяет окраску или тембр звука, что позволяет отличить одну и ту же ноту,
издаваемую разными музыкальными инструментами. К тональным шумам относятся скрип, сигнал локомотива или автомобиля, свист.
Как уже упоминалось выше, звуки различных частот при одинаковых
уровнях звукового давления оказывают разное физическое действие на человека,
поэтому, чтобы эффективно вести борьбу с шумом, необходимо знать его звуковой спектр.
Вся область звуковых колебаний разбивают на ряд октавных полос так, что
интервалу частот от ν1 до ν2 сопоставляется число вида 2H. При H = 1 полагается,
что отношение ν2 / ν1 = 2; такой интервал составляет октавную полосу частот.
Если H = ½ – это полуоктавная полоса, при H = 1/3 – третьоктавная. При этом
среднегеометрическая частота νСГ для указанных интервалов в общем случае определяется как νСГ = ν1ν 2 = 2H/2ν1 (так, например, в октавной полосе среднегеометрическая частота νСГ = ν1 2 ). На этих среднегеометрических частотах и проводят измерения шума [178].
В технике в качестве пороговой акустической частоты, относительно которой выбираются границы октав, принята частота 22,5 Гц.
157
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Частота сигнала, воспринимаемая наблюдателем, зависит не только от
природы источника, испускающего волну, но и от скоростей движения самих наблюдателя и источника. При сближении данных объектов частота воспринимаемой волны увеличивается, при удалении – уменьшается. Эффект изменения частот волн, испускаемых источником и регистрируемых наблюдателем, и зависимость этого изменения от направления и величины скорости относительного
движения наблюдателя и источника излучения называется эффектом Доплера
[58, 179]. Типичный пример – скачкообразное уменьшение высоты тона свистка
электрички, проезжающей мимо наблюдателя, стоящего на железнодорожной
платформе.
Частота регистрируемого сигнала ν1 и частота сигнала ν, испускаемого источником, неподвижным относительно наблюдателя, связаны друг с другом, со
скоростью υ движения наблюдателя (относительно земли) и скоростью u движения источника (также относительно земли) и скоростью с распространения звука
соотношением
c ±υ
ν1 =
ν.
cu
Знак «плюс» перед υ соответствует движению наблюдателя по направлению к источнику звука, а «плюс» перед u – движению к наблюдателю самого источника звука. Если наблюдатель удаляется от источника звука, перед υ ставится
«минус», такой же знак следует ставить перед u, если источник звука удаляется
от наблюдателя.
6.1.4. Особенности слухового восприятия
Среди основных органов чувств человека слух играет очень важную роль,
позволяя человеку воспринимать информацию и адекватно реагировать на нее. В
то же время насыщение окружающего пространства шумами повышенной интенсивности может привести не только к искажению звуковой информации, но и
к нарушению слуховой активности человека [23].
Орган слуха человека состоит из внешнего и внутреннего уха. Во внутреннем ухе (в улитке – заполненном жидкостью канале длиной несколько сантиметров), имеется несколько тысяч чувствительных нервов, способных воспринимать
158
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
звуковые колебания, которые передаются в улитку из воздуха через барабанную
перепонку. В зависимости от частоты звука сильнее всего колеблется та или иная
часть улитки. Чувствительные нервы расположены вдоль улитки так часто, что
возбуждается сразу большое их число, поэтому животные и человек способны
различать изменения частоты на ничтожные ее доли. И хотя окончательно процесс восприятия звука еще не до конца изучен, понятно, что важнейшую роль
здесь играет происходящий в мозге анализ раздражений, которые приходят от
множества отдельных нервов [15].
Выше мы говорили о том, что уровень шума можно характеризовать объективными энергетическим характеристиками – уровнем интенсивности LI и связанным с ним уровнем звукового давления Lp, причем LI ≈ Lp. Однако, на практике важна субъективная оценка звука, зависящая от свойств конкретного приёмника, в нашем случае – человеческого уха. Речь идёт о характеристике, которая
называется громкостью звука. Громкость пропорциональна интенсивности I,
причём сигналы одной и той же интенсивности на разных частотах отличаются
по громкости.
Уровень громкости звука LS измеряется в фонах. Фон – внесистемная единица; условились считать, что уровень громкости данного звука в фонах равен
уровню звукового давления в децибелах для чистого тона частотой 1 000 Гц,
громкость которого при сравнении на слух равна громкости данного звука. Порог слышимости соответствует
Lp, дБ
уровню громкости 0 фон.
Уровень громкости тона
100
1 000 Гц называется стандартным
тоном, уровни громкости других
50
тонов сравниваются путём сравнения субъективных ощущений со
стандартным тоном. Типичный
0
пример кривой равной громкости
0,01
0,1
1
10 ν, кГц
(вдоль этой кривой звук на разных
Рис. 6.1.2 Пример кривой равной громкости
частотах субъективно ощущается,
как имеющий одинаковую громкость) приведён на рисунке 6.1.2.
159
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Итак, характеристики восприятия звука человеком важен уровень громкости, но приборы, с помощью которых измеряют шум, (шумомеры) определяют
уровень звукового давления [209, 244]. Соотношение между этими параметрами
неодинаково на разных частотах, и поэтому для того, чтобы показания шумомеров соответствовали особенностям слуха, в их конструкцию вводят специально
подобранные фильтры [237-240]. В этом случае вместо уровня звукового давления Lp говорят об уровне звука LA:
LA = lg
p A2
p
= 2 lg A ,
2
p0
p0
где pA – среднеквадратичное значение звукового давления, полученное с
учетом коррекции (так называемой коррекции вида А, разработанной для уровней звукового давления до 55 дБ). Для измерения уровня звука LA используются
единица, обозначаемая дБА [15].
Параметры Lp и LA связаны соотношением LA = Lp + ∆LA, где ∆LA – корректирующая добавка, являющаяся функцией частоты. Ниже приведены значения
корректирующей поправки ∆LA (таблица 6.1.2).
Таблица 6.1.2
Частота, Гц
31,5
63
125
250
500
1000
2000
4000
8000
∆LA, дБ
−39,4
−26,2
−16,1
−8,6
−3,2
0
1,2
1,0
−1,1
160
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.2 ШУМ И ЕГО ИСТОЧНИКИ
6.2.1. Действие шума на человека
Когда говорят о шуме, то под этим словом обычно подразумевают всякий
нежелательный для конкретного человека звук. Именно поэтому понятие шума
является субъективным: то, что для одного человека является шумом, для другого может быть, например, музыкой.
Различают пять степеней действия шума на человека [195].
– Первая ступень: уровень громкости звука ниже порога слышимости, что
соответствует полной тишине. В этой ситуации человек ощущает психологический дискомфорт.
– Вторая ступень: человека окружает привычный для него шумовой фон с
уровнем звукового давления 15 ÷ 35 дБ.
– Третья ступень: уровень звукового давления составляет 40 ÷ 70 дБ; шум
оказывает раздражающее действие, не изменяя функции слуха и не мешая восприятию полезных сигналов. При этом снижается производительность труда,
ухудшается самочувствие человека.
– Четвёртая ступень: уровень звукового давления лежит в пределах 75 ÷
120 дБ. Такой шум оказывает неблагоприятное физиологическое воздействие на
центральную нервную и сердечнососудистую системы человека.
– Пятая ступень: воздействие постоянного шума с уровнем звукового давления выше 120 дБ, а также импульсного шума с уровнем звукового давления,
превышающим 150 дБ при длительности воздействия 100 мс (или 160 дБ при
длительности воздействия 5 мс), может привести к акустической травме в виде
значительного понижения слуха.
Диагноз «потеря слуха, вызванная шумом» констатирует отмирание клеток
чувствительных нервов, способных воспринимать звуковые колебания.
Из-за воздействия шума в организме человека изменяется процесс кровообращения, расширяются глазные зрачки, что приводит к уменьшению остроты
зрения. Длительный шум вызывает торможение секреции слюнных желез, ускорение обмена веществ, изменение электрического сопротивления кожи, усиление
161
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
мускульного потенциала, нарушение глубины сна вплоть до пробуждения. Эти
реакции организма вместе называются вегетативной реакцией, так как связаны с
вегетативной нервной системой [227]. Особо следует указать на то, что воздействие шума вызывает повышенное выделение гормона надпочечных желез и адреналина, которое вместе с изменениями некоторых других показателей представляют собой типичную картину стрессовой реакции. Усиление реакции при воздействии шума происходит на путях от нерва к головному мозгу и к ключевым
областям, располагающимся в центральных областях продолговатого мозга, в задачу которого входит управление дыханием, кровообращением, движением глазной мускулатуры.
Шум как типичный стресс-фактор воздействует через центральную нервную систему на все внутренние органы и системы человека, вызывая в них патологические изменения. Эти изменения наступают значительно раньше, чем в
слуховом анализаторе, и являются более глубокими, а в ряде случаев и более
опасными.
У лиц, которые работают в условиях повышенного шума, значительно чаще нарушается кровообращение и развивается гипертоническая болезнь, ишемическая болезнь сердца, появляются язвы желудка и кишечника. Эти работники
чаще простужаются, у них нарушается сон, уже не говоря о значительном снижении производительности труда.
Акустические колебания, выходящие за пределы диапазона частот нормального звуковосприятия (16 ÷ 20 000 Гц), могут также оказывать вредное воздействие на человека. Так ультразвуки (свыше 20 000 Гц), являются причиной
повреждения слуха, хотя человеческое ухо на них не реагирует. Мощный ультразвук воздействует на нервные клетки головного мозга и спинной мозг, вызывает
жжение в наружном слуховом проходе и ощущение тошноты.
Не менее опасными являются инфразвуковые воздействия акустических
колебаний (менее 16 Гц). При достаточной интенсивности инфразвуки могут
воздействовать на вестибулярный аппарат, снижая слуховую восприимчивость,
повышая усталость, раздражительность, и приводят к нарушению координации.
Особую роль играют инфрачастотные колебания с частотой 7 Гц. В результате их совпадения с собственной частотой альфа-ритма головного мозга наблю-
162
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
даются не только перечисленные выше нарушения слуха и здоровья человека, но
и возникают внутренние кровотечения. Инфразвуки (6 ÷ 8 Гц) могут привести к
нарушению сердечной деятельности и кровообращения [15, 195].
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что звук является одной из форм механической колебательной энергии, оказывающей воздействие на
организм человека. Если звук как энергетическое воздействие обладает малой
интенсивностью или действует в течение короткого промежутка времени (пусть
даже несколько превышая по интенсивности безопасные значения), то биологические процессы в организме протекают обратимым образом и нежелательные
эффекты исчезают без последствий. Однако, когда энергетическое воздействие
звуковых волн при больших значениях интенсивности имеет место в течение
длительного промежутка времени, то последствия такого воздействия приобретают негативный характер, поскольку их биологический эффект носит кумулятивный характер. Чтобы исключить необратимые биологические эффекты при
решении задач безопасности жизнедеятельности, надо, прежде всего, установить
нормы, то есть предельно допустимые дозы энергетического воздействия, и разработать способы их измерения. Это относится к энергетическому воздействию
любого типа.
6.2.2. Классификация и нормирование шумов
Шумы классифицируются по двум характеристикам – спектральным и
временным (Санитарные нормы СН 2.2.4/2.1.8.562-96 «Шум на рабочих местах, в
помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки»;
текст см., например, на сайте [184]).
По характеру спектра шум подразделяется на широкополосный и тональный. Шум считается широкополосным, если его спектр превышает одну октаву.
шум считается тональным, если в любой из третьоктавных полос наблюдается
превышение его уровня не менее чем на 10 дБ над соседними.
По временным характеристикам шум считается:
- постоянным, если его уровень меняется не более чем на 5 дБ за 8 часов;
163
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- непостоянным, если его уровень меняется более чем на 5 дБ за 8 часов. В
свою очередь непостоянные шумы делятся на:
- колеблющиеся (уровень шума непрерывно меняется со временем);
- прерывистые (уровень шума меняется ступенчато более чем на 5 дБ, оставаясь на ступени неизменным более 1 с);
- импульсные (состоящие из одного или нескольких звуковых сигналов,
каждый длительностью менее 1 с, при этом уровни звука, измеренные соответственно на временных характеристиках «импульс» и «медленно», отличаются не
менее чем на 7 дБ).
Нормирование шумов осуществляется в соответствии с классификацией
шумов по спектру или по времени.
При нормировании шума используют два метода: нормирование по предельному спектру шума и нормирование уровня звука в дБА.
Первый метод нормирования является основным для постоянных шумов.
Здесь нормируются уровни звукового давления в октавных полосах на среднегеометрических частотах. Нормативным документом, регламентирующим уровни шума для различных категорий рабочих мест служебных помещений, является ГОСТ 12.1.003-83 «ССБТ. Шум. Общие требования безопасности» (см., например, сайт [195]).
Некоторые нормативные данные, установленные данным ГОСТом, представлены далее в таблицах 6.2.1 – 6.2.3. Эти данные относятся к широкополосным, неимпульсным шумам. Следует учитывать, однако, что тональные шумы, в
которых прослушиваются отдельные (дискретные) тона, оказывают более сильное воздействие на человека, нежели широкополосные. Данный факт находит
отражение в поправках к нормируемым уровням шума, примеры которых представлены в таблице 6.2.4.
В мировой практике нормирования шума применяются ограничения на излучение шума. Так, в Европейском экономическом сообществе разработаны
предложения по ограничению уровня звука подвижного состава, которыми определены его максимально допустимые значения при трогании локомотива (см. рекомендации ЕЭС в таблице 6.2.5). Кроме того, нормы ЕЭС предлагают ограни-
164
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
чения уровня шума поезда до 75 дБА, измеренного на расстоянии 3,7 м от оси
пути (63 дБА на расстоянии 25 м).
Таблица 6.2.1
Жилые и общественные здания
и их территории
Уровни звукового давления (эквивалентные уровни звукового
давления) в дБ в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами, Гц
Уровни
звука и
эквивалентные
уровни
12 25 50 10 20 40 80
63
звука,
5 0 0 00 00 00 00
дБА
1. Палаты больниц и санаториев, опера51 39 31 24 20 17 14 13 25
ционные больниц
2. Жилые комнаты квартир, жилые помещения домов отдыха и пансионатов,
55 44 35 29 25 22 20 18 30
спальные помещения в детских дошкольных учреждениях и школах-интернатах
3. Кабинеты врачей больниц, санаториев,
поликлиник, зрительные залы концертных
59 48 40 34 30 27 25 23 35
залов, номера гостиниц, жилые комнаты в
общежитиях
4. Территории больниц, санаториев, не59 48 40 34 30 27 25 23 35
посредственно прилегающие к зданию
5. Территории, непосредственно прилегающие к жилым домам (в 2 м от ограждающих конструкций), площадки отдыха
67 57 49 44 40 37 35 33 45
микрорайонов и групп жилых домов, площадки детских дошкольных учреждений,
участки школ
6. Классные помещения, учебные кабине- 63 52 45 39 35 32 30 28 40
165
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ты, аудитории школ и других учебных заведений, конференц-залы, читальные залы, зрительные залы театров, клубов, кинотеатров, залы судебных заседаний и
совещаний
7. Рабочие помещения управлений, рабочие помещения конструкторских, проект71 61 54 49 45 42 40 38 50
ных
организаций
и
научноисследовательских институтов
8. Залы кафе, ресторанов, столовых,
75 66 59 54 50 47 45 48 55
фойе театров и кинотеатров
9. Торговые залы магазинов, спортивные
залы, пассажирские залы аэрофлотов и
79 70 63 58 55 52 50 49 60
вокзалов, приемные пункты предприятий
общественного обслуживания
Примечания:
1. Уровни звукового давления в октавных полосах частот в дБ, уровни звука и эквивалентные уровни звука в дБА для шума, создаваемого в помещениях и
на территориях, прилегающих к зданиям, системами кондиционирования воздуха, воздушного отопления и вентиляции, следует принимать на 5 дБ ниже (поправка в – 5 дБ) указанных в таблице или фактических уровней шума в помещениях в рабочее время, если последние не превышают значений, указанных в настоящей таблице (поправку для тонального шума в этом случае принимать не
следует).
2. Эквивалентные уровни звука в дБА для шума, создаваемого средствами
транспорта (автомобильного, железнодорожного, воздушного) в 2 м от ограждающих конструкций зданий, обращенных в сторону источников шума, допускается принимать на 10 дБА выше (поправка в + 10 дБА) уровней звука, указанных
в позиции 5 таблицы [195, 227].
166
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 6.2.2
4000
8000
38
50
2. Высококвалифицированная работа, требующая сосредоточенности,
административно-управленческая
деятельность, измерительные и аналитические работы в лаборатории // 93
рабочие места в помещениях цехового управленческого аппарата, в рабочих комнатах конторских помещений, лабораториях
79 70 63 58 55 52
50
49
60
500
40
250
71 61 54 49 45 42
125
86
чие места
2000
уровни
звука,
дБА
63
рическими частотами, Гц
31,5
и организации
Вид трудовой деятельности // рабо-
Уровни звукового давления, дБ, в
Эквивасоставных полосах со среднегеомет- лентные
1000
Предприятия, учреждения
1. Творческая деятельность, руководящая работа с повышенными требованиями, научная деятельность,
конструирование и проектирование,
программирование, преподавание и
обучение, врачебная деятельность //
рабочие места в помещениях - дирекции, проектно-конструкторских
бюро; расчетчиков, программистов
вычислительных машин, в лабораториях для теоретических работ и обработки данных, приема больных в
здравпунктах
167
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. Работа, выполняемая с часто получаемыми указаниями и акустическими сигналами, работа, требующая
постоянного слухового контроля,
операторская работа по точному
графику с инструкцией, диспетчерская работа // рабочие места в помещениях диспетчерской службы, ка96
бинетах и помещениях наблюдения и
83 74 68 63 60 57
55
54
65
4. Работа, требующая сосредоточенности, работа с повышенными требованиями к процессам наблюдения
и дистанционного управления производственными циклами //
рабочие места за пультами в кабинах
103 91 83 77 73 70 68
наблюдения и дистанционного
управления без речевой связи по телефону; в помещениях лабораторий
с шумным оборудованием, в помещениях для размещения шумных агрегатов вычислительных машин
66
64
75
5. Выполнение всех видов работ (за
исключением перечисленных в пп. 1
- 4 и аналогичных им) на постоянных
107 95 87 82 78 75 73
рабочих местах в производственных
помещениях и на территории предприятий
71
69
80
дистанционного управления с речевой связью по телефону, машинописных бюро, на участках точной
сборки, на телефонных и телеграфных станциях, в помещениях мастеров, в залах обработки информации
на вычислительных машинах
168
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 6.2.3
8000
4000
2000
1000
500
250
125
63
31,5
Уровни звукового давления, дБ, в соУровни
Подвижной состав железнодо- ставных полосах со среднегеометриче- звука и экрожного транспорта
скими частотами, Гц
вивалентВид трудовой деятельности // раные уровбочие места
ни звука,
дБА
Рабочие места в кабинах машинистов тепловозов, электровозов, по99 95 87 82 78 75 73 71 69
ездов метрополитена, дизельпоездов и автомотрис
80
Рабочие места в кабинах машинистов скоростных и пригородных 99 91 83 77 73 70 68 66 64
электропоездов
75
Помещения для персонала вагонов
поездов дальнего следования, служебных отделений рефрижератор93 79 70 63 58 55 52 50 49
ных секций, вагонов электростанций, помещений для отдыха в багажных и почтовых отделениях
60
Служебные помещения багажных и
почтовых вагонов, вагонов96 87 79 72 68 65 63 61 59
ресторанов
70
Таблица 6.2.4
Влияющий фактор
Характер шума
Условия
Поправка в дБ или
дБА
Широкополосный шум
0
Тональный или импульсный (при измерениях стандартным шумомером) шум
−5
169
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Местоположение
объекта
Курортный район
−5
Новый проектируемый городской жилой
район
0
Жилая застройка, расположенная в существующей (сложившейся) застройке
+5
День-с 7 до 23 ч
+10
Ночь-с 23 до 7 ч
0
Время суток
Примечания:
1. Поправки на время суток вносятся при определении допустимых уровней звукового давления и уровней звука для жилых комнат квартир, спальных
помещений домов отдыха и пансионатов, спальных помещений в детских дошкольных учреждениях и школах-интернатах, палат больниц и спальных комнат
санаториев, жилых комнат общежитий, номеров гостиниц, для территорий, непосредственно прилегающих к жилым домам, территорий больниц, санаториев, непосредственно прилегающих к зданиям.
2. Поправки на место расположения объекта следует учитывать только для
внешних источников шума при определении допустимых уровней звукового
давления и уровней звука для жилых комнат квартир, спальных помещений домов отдыха и пансионатов, спальных помещений в детских дошкольных учреждениях и школах-интернатах, палат больниц и спальных комнат санаториев, жилых комнат общежитий, номеров гостиниц.
3. Поправку на местоположение объекта не следует применять для вновь
строящихся зданий в существующей (сложившейся) застройке [184, 195].
Таблица 6.2.5
170
Мощность локомотива, МВт
Уровень звука, дБА
от 0 до 0,3
свыше 0,3 до 1,0
более 1,0
87
91
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.2.3. Измерения шума
Приборами для измерения шума являются шумомеры [15, 227, 237-240], в
задачу которых входит выдавать следующие стандартные характеристики источников шума:
а) уровень звукового давления Lp (дБ) в октавной или третьоктавной полосе
частот в контрольных точках;
б) уровень звука LA (дБА), измеряемый в контрольных точках. Напомним,
что размерности результатов, представленные в виде дБА говорят о том, что в
ходе измерений был использован корректирующих фильтра типа А (существуют
еще фильтры типа В, С, Д). Характеристика фильтра типа А сильно меняются в
области частот ниже 1000 Гц подобно тому, как это имеет место в случае восприятия звука человеком на этих частотах. Таким образом, коррекция фильтра
типа А позволяет согласовать результаты измерений звука со слухом человека.
в) уровень звуковой мощности LN (дБ) в октавных или третьоктавных полосах частот;
г) скорректированный уровень звуковой мощности – LNA (дБА);
д) максимальный показатель направленности изучения шума Gmax (дБ) в
октавных или третьоктавных полосах частот;
е) для непостоянных шумов эквивалентные уровни Lpэкв. или LNAэкв., которые можно также рассчитать по формуле:
Lpэкв = 10 lg [
1
T
n
 t ⋅10
 i
∑
i =1 
0,1L pi
 ],


где n – число временных интервалов действия шума, ti – длительность интервала под номером i, Lpi – измеренное среднее значение уровня звукового давления в этом интервале времени, Т =
n
ti
∑
i =1
– время усреднения.
Аналогично
LNAэкв = 10 lg [
1
T
(ti ⋅10
∑
i =1
n
0,1LNAi
)],
171
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где LNAi – измеренное среднее значение скорректированного уровня звуковой мощности в i-том интервале времени [15, 227].
Оценку шумового загрязнения среды и его действия на человека в случае
непостоянного шума целесообразно проводить, используя понятие эквивалентного уровня энергии шума Еэкв., который соответствует по энергии постоянному
уровню шума. Так, если в течении времени Т на человека воздействует шум с
изменяющейся во времени энергией Е(t), его эквивалентная энергия
Eэкв =
1T
Е (t )dt .
T 0∫
Эквивалентная энергия должна быть меньше максимально допустимой
энергии, при которой появляются отрицательные для слуха последствия. При
этом предполагается, что повреждение, вызванное воздействием переменного
шума Е(t) равно повреждению, вызванному постоянным шумом такой же энергии Eэкв. Таким образом, если время воздействия снижается в 2 ÷ 3 раза, то максимально допустимый уровень звуковой энергии можно увеличить во столько же
раз соответственно. Энергии Eэкв. соответствует эквивалентный уровень звука
LAэкв.
Шумоизмерительные приборы (шумомеры), как правило, состоят из датчика (микрофона), усилителя сигнала, частотных фильтров, анализатора частоты и
регистрирующего устройства (самописца, магнитофона, флэш-карты). Шумомеры снабжены блоком частотной коррекции (как правило, с фильтром вида А) и
блоком коррекции временных характеристик (для измерения сигналов, амплитуда которых меняется во времени) [15].
6.2.4. Распространение звуковых волн
Для численной оценки возможного воздействия того или иного источника
шума на человека необходимо уметь выполнять расчёты, основанные на законах
распространения, отражения, преломления, затухания звуковых волн. Именно
поэтому далее мы рассмотрим типичные ситуации, связанные с этими явлениями
172
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
и запишем основные формулы, позволяющие дать их математическое описание
[17, 134, 220].
Простейшим типом источников звука является точечный источник, находящийся в однородной среде, свойства которой одинаковы во всех направлениях.
Представим себе две сферы с радиусами r1 и r2 (r1 < r2), центры которых
совпадают с источником. Испускаемая в единицу времени источником энергия N
(то есть – его мощность) переносится через каждую из этих сфер, и поэтому отношение интенсивностей I1 и I2 звука (по определению I = N/(4πr2), где 4πr2 –
площадь сферы) оказывается обратно пропорциональным отношению квадратов
радиусов этих сфер (закон «обратных квадратов»):
I1
r22
= 2
I2
r1
Так же, как и для уровня интенсивности LI = 10lg
I ср
дБ (см. предыдущую
I0
лекцию), прямая связь I с N позволяет записать для уровня мощности соотношение
N
LN = 10lg ср дБ,
N0
где N0 = 10−12 Вт – пороговое значение акустической мощности (напомним,
что пороговое значение интенсивности I0 = 10−12 Вт/м2, то есть I0 = N0/S0, где S0 –
единичная площадь, то есть S0 = 1 м2) [220].
Проведём некоторые очевидные преобразования:
I ср 4πr 2
I
N ср
r2
LN = 10lg
= 10lg
= 10lg ср + 10lg
+ 10lg4π.
I 0 S0
N0
I0
S0
С учетом того, что 10lg
I ср
= L I,
I0
L p ≈ L I,
10lg4π ≈ 11,
S0 = 1, данное вы-
ражение часто записывают в виде
Lp ≈ LI = LN − 11 − 20lg r (дБ).
173
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Из этого выражения следует, в частности, что увеличению расстояния до
точечного источника в 2 раза, соответствует уменьшение уровня интенсивности
звука на величину 20lg2 ≈ 6 дБ [133].
Закону обратных квадратов радиусов подчиняется свободное распространение звука в дальнем акустическом свободном поле звукового источника не
обязательно сферической формы. «Акустически дальнее поле» – это звуковое
поле в достаточно удаленной от источника области, в которой направление скорости колебания частиц совпадает с направлением распространения звука, а его
интенсивность пропорциональна квадрату величины звукового давления. Существует также понятие акустически ближнего поля. Это близлежащая к источнику
область, в которой направление колебания частиц не обязательно соответствует
направлению распространения волны. Геометрические параметры «акустически
ближнего поля» источника звука зависят от характеристик излучения источника,
в частности, – от его формы [178].
Если область, в которой распространяется звуковая волна, не содержит
звукоотражающих преград, то говорят, что волна распространяется в акустически свободном поле. С появлением одной или нескольких преград волновая картина полностью меняется: кроме свободно бегущей волны появляется также и
отраженная волна, вектор скорости которой может иметь компоненту, антипараллельную направлению распространения исходной волны. В такой волне давление в некоторой точке поля складывается из давления, создаваемого исходной
волной, и давления, создаваемого отраженной волной (или волнами). На отражательную способность препятствия влияют его физические размеры (для возникновения отражения они как минимум должны быть сравнимы с длиной звуковой
волны), а также его звукопоглощающая способность.
Результатом отражений звуковых волн от препятствий может быть образование диффузного поля шума, то есть поля, в котором большое количество отраженных волн с разными направлениями распространения складываются таким
образом, что средняя плотность энергии звука становится одинаковой по всему
полю. При этом в больших закрытых помещениях может наблюдаться явление
реверберации – послезвучания; оно обусловлено «растянувшимся» во времени
приходом в точку наблюдения запоздавших отраженных и рассеянных звуковых
174
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
волн. Время, за которое интенсивность звука уменьшается в 106 раз, называется
временем реверберации.
Если в звуковой волне преобладает одна частота, то в результате наложения исходной волны на отраженную можно наблюдать явление интерференции
звука, при котором возникает устойчивая во времени картина распределения в
пространстве областей с разными амплитудами колебаний. В одной такой области звук будет казаться громким, в соседней – слабым, и т. д. Это явление можно
наблюдать, например в комнате, вблизи окон которой работает автомобильный
двигатель: расстояние между областями с максимумами и минимумами колебаний составляет порядка метра, что можно легко определить на слух.
Легко сообразить, что если точечный источник находится на плоской отражающей поверхности и вся энергия такой системой излучается лишь в одну
сторону (а не в обе, как в предыдущем случае), то I = N/(2πr2). Следовательно,
для точечного источника на плоской отражающей поверхности [216]:
I ср 2πr 2
N ср
= 10lg
= LI + 20lg r + 10lg2π = LI + 20lg r + 10lg4π +
LN = 10lg
I 0 S0
N0
10lg0,5,
или
Lp ≈ LI = LN − 11 − 10lg0,5 − 20lg r = LN − 11 + Д1 − 20lg r (дБ),
где Д1 = 10lg2 ≈ 3 дБ. Добавка Д1 называется индексом направленности, её
величина зависит от формы и расположения отражающей поверхности.
Если шум создаётся не одним, а несколькими источниками (обозначим их
число n), то результирующие интенсивность Iрез, уровень интенсивности LIрез,
звуковое давление pрез, уровень звукового давления Lp, мощность N и уровень
мощности LNрез подчиняются соотношениям:
Iрез = I1 + I2 + I3 + … + Ii + … + In =
n
∑ Ii ;
i =1
pрез =
n
∑ pi ;
i =1
Nрез =
n
Ni ;
∑
i =1
175
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
LIрез
n
10lg ∑10
0,1LIi
i =1
Lpрез
n
20lg ∑10
0,1L pi
i =1
LNрез
n
10lg ∑10
i =1
0,1LNi
=
10lg
I ср1 + I ср 2 + ... + I срn
I0
20lg
pср1 + pср 2 + ... + pсрn
p0
=
20lg 10
10lg
N ср1 + N ср 2 + ... + N срn
N0
=
10lg 10
=
10 0,1LI 1 + 10 0,1LI 2 + ... + 10 0,1LIn  =


10lg
;
=
0,1L p1

+ 10
0,1L p 2
+ ... + 10
0,1L pn
=


;
=

0,1LN 1
+ 10
0,1LN 2
+ ... + 10
0,1LNn
 =

.
В частности, для n источников с одинаковой интенсивностью звука в точке
наблюдения [133]
nI
Lpрез = Lp + 10lgn,
LNрез = LN + 10lg n.
LIрез = 10lg ср = LI + 10lg n,
I0
Реальные источники шума далеко не всегда можно считать точечными, однако их можно представить в виде совокупности некоторого числа точеных источников. Это соображение позволяет использовать записанные выше формулы
и для расчёта шумов, создаваемых источниками произвольной формы. Результат
расчёта будет тем более точен, чем мельче окажутся части, на которые мы мысленно разобьём источник. В идеальном случае отдельные части должны иметь
бесконечно малые размеры, и тогда суммирование их вкладов сводится к математической операции интегрирования.
На практике удобно пользоваться следующим приёмом. Если имеются два
источника, создающие в заданной точке разные уровни звукового давления Lp1 и
Lp2, то суммарный уровень шума LpΣ в этой точке можно рассчитать, как
LpΣ = Lp + ∆Lp,
где Lp – наибольший из двух уровней Lp1 и Lp2, а ∆Lp – добавка, зависящая
от разности Lp1 − Lp2. Величина этой добавки приведена в таблице 6.2.6.
176
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 6.2.6
Lp1 − Lp2, дБ
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
∆Lp, дБ
3,0
2,5
2,1
1,8
1,5
1,2
1,0
0,8
0,6
0,5
0,4
Из данных, приведённых в таблице, следует, что если мы хотим снизить
шум, создаваемый двумя источниками, уменьшая шум, создаваемый лишь одним
из них, то достаточно ограничиться пределом в разнице уровней звукового давления
Lp1 − Lp2 ≈ 10 дБ. Уже в этих условиях добавка ∆Lp выходит на уро-
вень, сопоставимый с погрешностью, характерной для акустических измерений,
и дальнейшие усилия по увеличению разности Lp1 − Lp2 ощутимого результата
уже не дадут.
Приведённый метод можно использовать и для расчёта шума, создаваемого большим, чем два, числа источников. Для этого уровни звукового давления
нужно складывать последовательно и попарно, каждый раз вычисляя очередную
добавку. Так, если создаваемые разными источникам в точке наблюдения уровни
звукового давления равны, например, 80 дБ, 82 дБ, 84 дБ и 90 дБ, то, осуществляя операцию последовательного попарного нахождения результирующего
уровня звукового давления, получим, что LpΣ ≈ 92 дБ:
82 − 80 = 2 → ∆L1 = 2,1, Lp1 = 82 + 2,1 = 84,1 ≈ 84;
84 − 84 = 0 → ∆L2 = 3,0, Lp2 = 84 + 3,0 = 87,0;
90 − 87 = 3 → ∆L3 = 1,8, LpΣ = 90 + 1,8 = 91,8 ≈ 92 (дБ).
177
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.3 ВИБРАЦИИ КАК БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКТОР,
ЗАГРЯЗНЯЮЩИЙ ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
6.3.1. Источники вибрации
Вибрацией называются малые механические колебания, возникающие в
упругих средах или телах, находящихся под воздействием переменных полей
различной природы [58].
Вибрация способна разрушать не только рукотворные сооружения, но и
влиять на земной ландшафт. Она относится к факторам, обладающим высокой
биологической активностью. Ответная реакция биологического объекта на вибрацию зависит от силы энергетического воздействия вибрации и биомеханических свойств самого биологического объекта (в частности, тела человека) как
Глазное яблоко (30 – 80 Гц)
Грудная клетка (60 Гц)
Сомкнутая кисть
(50 – 200 Гц)
Голова (25 Гц)
Плечевой пояс
(4 – 5 Гц)
Предплечье
(16 – 30 Гц)
Брюшная
полость (4 – 8 Гц)
Позвоночный столб
(продольное
нагружение
(10 – 12 Гц)
Ноги (от 2 Гц при
согнутых коленных
суставах до 20 Гц при
выпрямленных
напряжённых ногах)
Рисунок 6.3.1
сложной колебательной системы (рисунок 6.3.1).
Общую вибрацию по источнику ее возникновения подразделяют на следующие категории:
- транспортная вибрация;
178
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- транспортно-технологическая вибрация, воздействующая на операторов
машин с ограниченным перемещением (промышленные площадки, горные выработки);
- технологическая вибрация, воздействующая на операторов машин или
передающаяся на рабочие места, не имеющие источников вибрации.
Источниками вибрации на железнодорожном транспорте являются такие
технологические процессы, как укладка бетонных смесей, формовка железнодорожных изделий на виброплощадках и производство крупнопанельных конструкций.
Источниками вибрации являются движущиеся поезда. Механические колебания, которые они возбуждают, особенно велики при движении по тоннелям,
мостам, эстакадам. Все эти вибрации через фундамент или основание пути передаются в окружающее пространство. При движении поезда метро по тоннелю
мелкого заложения вибрация ощущается в рядом расположенных домах.
Транспортные вибрации испытывают как пассажиры транспортных
средств, так и те, кто управляет этими транспортными средствами.
Частотный диапазон вибраций, вызванных движением поездов и распространяемых через грунт в здания, составляет 10 ÷ 200 Гц, а максимум их уровней
обычно сконцентрирован в одной или двух октавах.
Частоты же вибраций различных транспортных средств, самоходных,
строительно-дорожных и сельскохозяйственных машин, воздействующие на пассажиров и операторов, лежат в диапазоне 1 ÷ 30 Гц.
6.3.2. Воздействие вибрации на человека
Воздействие вибрации на человека классифицируют:
- по способу передачи колебаний,
- по направлению действия вибрации,
- по временной характеристике вибрации.
В зависимости от способа передачи колебаний человеку вибрацию подразделяют на общую, передающуюся через опорные поверхности на тело сидящего
179
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
или стоящего человека, и локальную, передающуюся через конечности человека,
контактирующие с вибрирующими поверхностями.
По направлению действия вибрацию подразделяются на: вертикальную,
распространяющуюся по оси, перпендикулярной к опорной поверхности; горизонтальную, распространяющуюся от спины к груди; горизонтальную, распространяющуюся от правого плеча к левому плечу.
По временной характеристике различают: постоянную вибрацию, для которой контролируемый параметр изменяется не более, чем в 2 раза (на 6 дБ); непостоянную вибрацию, изменяющуюся по контролируемым параметрам более,
чем в 2 раза [31].
Таблица 6.3.1
Действие вибрации
Приблизительный диапазон частот, Гц
Укачивание
Затруднение дыхания
Вредное влияние на зрение
Вредное влияние на сердечнососудистую систему
Нагревание тканей, разрушение клеток
0,1 ÷ 0,6
1 ÷ 10
1 ÷ 15
6 ÷ 650
1 000 ÷ 10 0000
Установлено, что воздействие вибрации на человека зависит, прежде всего,
от частоты вибрации (см. таблицу 6.3.1). Однако между ответными реакциями
организма и уровнем воздействующей вибрации нет линейной зависимости.
Причину этого явления видят в резонансном эффекте, то есть в совпадении собственных частот различных внутренних органов человека с частотами вибрации.
Поэтому одинаковые по амплитуде, но отличающиеся по частоте вибрации сказываются на различных участках тела человека по-разному. Резонансными частотами для головы в положении сидя при вертикальной вибрации являются частоты 20 ÷ 30 Гц, при горизонтальной – 1,5 ÷ 2 Гц, грудной клетки – 2 ÷12 Гц, ног,
рук – 2 ÷ 8 Гц, поясничной части позвоночника – 4 ÷ 12 Гц, живота – 4 ÷ 12 Гц,
лица и челюсти – 4 ÷ 27 Гц и т.д.
180
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
С гигиенической точки зрения различные условия труда при воздействии
вибрации характеризуются следующим образом:
- комфорт, когда вынужденная вибрация не вызывает раздражающего действия;
- сохранение работоспособности, когда вызываемое вибрацией утомление
(усталость) не ведет к снижению производительности труда;
- вибрационная безопасность, когда вибрация не оказывает на организм
работающего вредного биологического действия, приводящего к заболеванию;
- вибрационная опасность, когда действие вибрации на организм может
вызвать вибрационную болезнь;
- вибрационное поражение, когда действие вибрации на организм непереносимо или создает опасность получения травм [170].
Вибрационная патология стоит на втором месте (после пылевых) среди
профессиональных заболеваний. Выделяют три вида вибрационной патологии,
возникающей вследствие воздействия общей, локальной и толчкообразной вибраций.
При действии на организм общей вибрации страдает в первую очередь
нервная система и анализаторы: вестибулярный, зрительный, осязательный. Это
выражается в головокружении, расстройстве координации движений, нарушениях зрения, снижении осязательной способности.
Толчкообразная вибрация вызывает микротравмы различных тканей с последующими их изменениями, влияет на обменные процессы, проявляющиеся в
изменении углеводного, белкового, ферментного, витаминного и холестеринового обменов, на биологические показатели крови. Толчкообразная, низко- и среднечастотная вибрации вызывают боли в пояснице, потерю аппетита, утомляемость, общие вегетативные расстройства. Страдают от общей и толчкообразной
вибрации водители транспорта и операторы транспортно-технических машин и
агрегатов.
Локальная вибрация вызывает спазмы сосудов кисти рук, нарушая снабжение конечностей кровью. Одновременно колебания действуют на нервные окончания, мышечные и костные ткани, вызывая снижение кожной чувствительности, отложение солей в суставах. Колебания низких частот вызывают резкое
181
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
снижение тонуса капилляров, а высоких частот – спазм сосудов. От локальной
вибрации страдают люди, работающие с ручным механизированным инструментом.
Длительное систематическое воздействие вибрации приводит к вибрационной болезни, которая включена в список профессиональных заболеваний. Эта
болезнь диагностируется, как правило, у лиц, работающих на производстве. В
условиях населенных мест вибрационная болезнь не регистрируется, несмотря на
наличие многих источников вибрации (наземный и подземный транспорт, промышленные источники и др.) [31, 170].
6.3.3. Нормирование вибрации
Существующие нормативные требования допустимых вибрационных воздействий основаны на оценках субъективного восприятия вибраций человеком, а
также физиологических, функциональных, биомеханических и биохимических
реакциях его организма.
Действие вибрации на организм человека определяется четырьмя основными характеристиками вибрационного процесса: интенсивностью, спектральным составом, длительностью воздействия, направлением действия.
Показателями интенсивности служат среднеквадратические значения 2,
виброускорения, виброскорости или виброперемещения, измеренные на рабочем
месте. При оценке интенсивности вибрации наряду с размерными величинами
используют логарифмические функции вибраций, измеренные в дБ. К таким
функциям относятся:
Напомним, что среднеквадратичное за время Т значение непрерывно меняющейся со временем
функции x = x(t) рассчитывается по формуле
2
1T 2
x =
x (t )dt
T ∫0
(в частности, при гармонических колебаниях x = A/ 2 , где A – амплитуда колебаний).
Если x принимает дискретный ряд значений (от x1 до xn), то x =
182
1 n 2
∑ x [67].
ni =1 i
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– виброперемещение Lx = 20lg
x
, где x – среднеквадратичное значение
x0
смещения колеблющейся точки от положения равновесия, x0 = 8⋅10−12 м;
– виброскорость Lυ = 20lg
υ
, где υ – среднеквадратичное значение скороυ0
сти колеблющейся точки, υ0 = 5⋅10−8 м/с;
a
– виброускорение La = 20lg , где a – среднеквадратичное значение ускоa0
рения колеблющейся точки, a 0 = 3⋅10−4 м/с2.
Проявление нежелательных эффектов воздействия вибрации можно предупредить, если значения виброперемещения, виброскорости и виброускорения не
превышают допустимых значений. Допустимый уровень зависит от спектрального состава и времени воздействия вибраций. Нормирование (в зависимости от
частоты) проводят на среднегеометрических частотах октавных или третьоктавных полос (ГОСТ 12.1.012-90 ССБТ «Вибрационная безопасность. Общие требования» (см. сайт [31]) и СН 2.2.4/2.1.8.556-96 «Производственная вибрация. Вибрация в помещениях жилых и общественных зданий» (см. сайт [170]). Некоторые
значения допустимых значений уровня виброскорости Lυ приведены в таблице
6.3.2.
Таблица 6.3.2
Допустимый уровень виброскорости Lυ, дБ,
в октавных полосах со следующими
среднегеометрическими частотами, Гц
Вид вибраций
1
2
4
8
16 31,5 63 125 250 500 1 000
Общая транспортная:
а) вертикальная
132 123 114 108 107 107 107
б) горизонтальная
122 117 116 116 116 116 116
Транспортнотехнологическая
117 108 102 101 101 101
Технологическая:
183
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а) в производственных помещениях, где нет машин,
генерирующих вибрацию
100
91
85
84
84
84
б) в служебных помещениях, здравпунктах, конструкторских бюро, лабораториях
91
82
76
75
75
75
Локальная вибрация
109 109 109 109 109 109 109
109
Пользуясь значениями, приведёнными в таблице, можно рассчитать максимально допустимые значения виброскорости, с которыми разрешается работать в течение смены (480 мин). Но, в принципе, разрешается работать и при
больших значениях виброскорости, однако общее рабочее время при этом должно быть сокращено. Расчёт разрешённого времени работы t при виброскорости υt
такой, что υt > υ480, где υ480 – допустимое значение виброскорости при длительности воздействия 480 мин, ведётся по формуле:
υt = υ480 480
t
При этом всё же максимальное значение υt для локальной вибрации не
должно превышать значений, определяемых для t = 30 мин, а общей вибрации –
значений для t = 10 мин.
Необходимо еще раз подчеркнуть, что наиболее существенное влияние на
человека оказывает вибрация с частотами 1 ÷ 30 Гц. Важно, что именно этим
диапазоном характеризуются спектры частот вибрации разнообразных транспортных средств [209].
6.3.4. Измерение вибраций
Измерение вибраций проводится с помощью вибромеров или универсальных шумомеров [15, 227] при подключении к ним вместо микрофонов датчиков
184
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
виброскорости или виброускорения (измерение с помощью шумомеров [168]
производят в октавных полосах со среднегеометрическими значениями от 31,5
до 8 000 Гц).
Для измерения виброскорости чаще всего используются магнитоэлектрические датчики. Принцип работы таких датчиков основан на измерении э.д.с.,
которая наводится в катушке, закрепленной на вибрирующей поверхности. В соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея, величина э.д.с., наводимая в вибрирующем проводнике, пропорциональна скорости движения проводника; это означает, что по величине этой э.д.с. можно судить о значении скорости вибрации.
Для измерения виброускорения чаще всего используют пьезоэлектрические датчики, чувствительным элементом которых является пьезокристалл (или
пьезокерамическая пластина) с нанесенными на его торцах токопроводящими
электродами. Одна из плоскостей кристалла прикреплена к инерционной массе, а
другая – к вибрирующей поверхности. При сжатии или растяжении кристалла на
его торцевых поверхностях возникает э.д.с., пропорциональная действующей силе (F = m⋅а, где m – инерционная масса, а – виброускорение). По величине э.д.с.
можно судить о значении виброускорения [227].
6.3.5. Методы и средства защиты от вибрации
Методы защиты от вибрации во многом схожи с методами борьбы с шумом.
Для минимизации воздействия вибраций на окружающую среду необходимо принимать меры, относящиеся как к источникам их возникновения, так и к
путям распространения.
Снижение вибраций в источнике производится как на этапе проектирования, так и при эксплуатации. При создании машин и технологического оборудования предпочтение должно отдаваться кинематическим и технологическим схемам, исключающим или предельно снижающим динамические процессы, вызванные ударами, резкими ускорениями. При проектировании оборудования необходимо также использовать материалы, позволяющие снизить шумы.
185
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В процессе эксплуатации технологического оборудования должны приниматься меры к устранению излишних люфтов и зазоров.
Весьма эффективный метод снижения вибрации в источнике – исключение
резонансных режимов работы оборудования. При проектировании это достигается выбором рабочих режимов с учетом собственных частот машин и механизмов.
Если не удается снизить вибрации в источнике возникновения, то для защиты от вибраций используются методы, аналогичные методам защиты от шума
[15, 31, 170].
1. Метод изоляции (виброизоляции), основан на введении в систему защитных устройств. Расчет показывает, что хотя в качестве защитного устройства
эффективнее всего использовать упруго демпфирирующий элемент (элемент, обладающий хорошими упругими свойствами), наличие некоторого демпфирирования всё же полезно, поскольку оно позволяет сократить продолжительность
переходных процессов и ограничить амплитуду колебаний при резонансе.
2. Метод поглощения, к которому относятся динамическое гашение и вибропоглощение.
Динамическое гашение обычно применяют, когда источник энергии является одновременно объектом защиты. Защитное устройство, которое отбирает
колебательную энергию от источника – объекта защиты на себя, называется
инерционным динамическим гасителем. В этом случае при настройке частоты
гасителя на частоту внешнего возмущения, колебания системы почти полностью
устраняются.
Вибропоглощение – снижение вибраций путем усиления в конструкции
процессов внутреннего трения, рассеивающих колебательную энергию в результате необратимого преобразования ее в теплоту при деформациях, возникающих
в материалах, из которых изготовлена конструкция и в местах сочленения её
элементов.
В настоящее время вибропоглощение осуществляют преимущественно за
счет применения конструкционных материалов с повышенным значением коэффициента потерь и вибропоглощающих покрытий. Конструкционные материалы
с большим внутренним трением создаются искусственно (сплавы Mn–Cu, Ni–Ti,
Cu–Ni, Ni–Co), для этих целей также используются специально синтезированные
высокомолекулярные соединения.
186
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Источником вибраций на железной дороге помимо различных механизмов
является система «колесо-рельс», с неровностями, возникающими на поверхности катания колеса и рельса. Существуют некоторые предложения по снижению
этих вибраций: контроль износа поверхности катания колес, сварка рельсовых
стыков, повышение гибкости системы буксового рессорного подвешивания вагонных тележек, использование подрезиненных колес, укладка упругого основания под шпалы и др. [170].
187
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Заключение
Основные результаты проведенных исследований по теоретическим аспектам применения проблемно-ориентированных физических практикумов в цикле
естественнонаучных дисциплин заключаются в следующем.
1. Рассмотрены теоретические аспекты проблемно-ориентированных физических практикумов (ПОФП) в цикле естественнонаучных дисциплин в техническом вузе в условиях открытого образования, отвечающие целям фундаментального образования и обеспечивающие его эффективность при подготовке будущих выпускников [86]. В рамках этой концепции дано понятие проблемноориентированных физических практикумов в техническом вузе [89]. При этом
оптимальное применение методологии физики как науки в сочетании с системным подходом [102-105], безусловно, способствует формированию у учащихся
профессиональных компетенций, развивает интерактивный характер обучения,
позволяет объединить контроль и обучение в единый творческий процесс [95,
97].
2. Разработаны представления о содержания учебного материала и методах
контроля знаний, использующие новые методологические подходы и информационно-технологические средства [64-67], отвечающие системе проблемноориентированного обучения физике и другим естественнонаучным дисциплинам,
как в техническом вузе [153], так и вузах экономического профиля [69, 70].
3. Выявлены и сформулированы условия организации учебной деятельности в системе ПОФП, направленной на приобретение студентами технического
вуза информационных, исследовательских умений, ключевых и профессиональных компетенций [99-101, 109, 120-121].
4. Показано, что образовательный процесс, основанный на нашем методологическом подходе к организации создания ПОФП, направлен в первую очередь
на обеспечение индивидуальной (в т.ч. автономной) и групповой самостоятельной деятельности учащихся по решению учебных и научно-исследовательских
задач на основе создания адекватного поставленным целям программнометодического и лабораторного комплекса [91, 95, 97]. При этом активное использование ПОФП в системе обучения открывает дополнительные возможности
188
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
для всестороннего освоения основ и методов наукоемких технологий, в том числе в условиях открытого образования [106, 110, 111].
5. Введено понятие проблемно-ориентированного физического практикума, сочетающего как единое целое натурный (компьютеризированный), виртуальный эксперимент и компьютерное моделирование, который может служить
основой для создания учебной лаборатории нового поколения, ориентированной
на учебно- и научно-исследовательскую деятельность студентов технического
вуза на различных этапах учебного процесса [81-87, 89-91].
Практическое значение работы состоит в том, что в ней изложены основные теоретические основы создания проблемно-ориентированных физических
практикумов в технических университетах и даны рекомендаций по их проведению.
Результаты проведенных исследований были внедрены на кафедрах «Инженерная экология и техносферная безопасность» Российского государственного
открытого технического университета путей сообщения (РГОТУПС), «Физика2» Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ), в
Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана (кафедра ФН-4), в Финансовом университете при Правительстве Российской Федерации на факультете открытого образования и в Институте транспорта и связи
(TTI) (Латвия, г. Рига), а также опубликованы в статьях и тезисах докладов международных и всероссийских конференций [65, 70, 72-73, 81, 86, 88, 93, 95, 97,
110, 117, 191].
189
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛИТЕРАТУРА
1.
Айзенцон А.Е. Курс физики: Учебное пособие для втузов (федеральная программа книгоиздания). – М.: Высшая школа, 1996. – 462 с.
2.
Алексеев Н.Г., Юдин Э.Г. Логико-психологический анализ научного
творчества и проблемное обучение // Проблемы научного и технического творчества: Материалы симпозиума. – М.: МГУ, 1967. – С. 69–71.
3.
Андреев В.И. Физический эксперимент учащихся в условиях эвристического программирования учения [Текст] / В.И. Андреев. – Казань: Изд-во
КГПИ, 1976. – 144 с.
4.
Анисимов Н.М. Обучение студентов решению инновационных задач
[Текст] / Н.М. Анисимов // Педагогика. – 1998. – № 4. – С. 59–62.
5.
Анисимов Н.М. Теоретические и экспериментальные основы технологии обучения студентов изобретательской и инновационной деятельности
[Текст]: автореф. дис. … д-ра пед. наук / Н.М. Анисимов. – М., 1998. – 40 с.
6.
Анциферов А.И., Пищиков И.М. Практикум по методике и технологии школьного физического эксперимента: [Текст] / А.И. Анциферов, И.М. Пищиков // Учебное пособие для студентов пед. ин-тов по физ.-мат. специальности.
– М.: Просвещение, 1984. - 255 с.
7.
Арнхейм Р. Визуальное мышление: хрестоматия [Текст] /Р. Арнхейм.
– М.: Изд-во МГУ, 1981. – С. 97–107.
8.
Архангельский С.И. Учебный процесс в высшей школе: его закономерные основы и методы [Текст] / С.И. Архангельский. – М.: Высшая школа,
1980. – 368 с.
9.
Асмолов А.Г. Системно-деятельностный подход к разработке стандартов нового поколения / А.Г. Асмолов // Педагогика. - 2009. - № 4. – С. 18–22.
10. Афанасьев В.Г. Социальная информация и управление обществом.
М., 1975.
11. Барсуков В.И. [Текст]: Физика. Обработка результатов измерений и
составление отчета. Учебное пособие, Тамбовский ГТУ, 2006., 19 с.
12. Бахарев М.В. Учебный комплект датчиков физических величин для
контроля окружающей среды и экологического мониторинга [Текст] / С.М. Ко-
190
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
кин, Н.В. Калачев, М.В. Бахарев, А.О. Воробьев // Журнал "Учебная физика" –
Глазов, 2007, № 2, С. 113-117.
13. Бекман И.Н. Измерение ионизирующих излучений Курс лекций, Москва - 2006.
14. Белова З.С. Визуализация теоретического знания как познавательный
метод [Текст]: автореф. дис. … д-ра философских наук. – М., 2000. – 36 с.
15. Беранек Л., Акустические измерения, пер. с англ., М., 1952; Измерение шума машин и оборудования, М., 1968.
16. Берестецкий В.Б., Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П., Теоретическая
физика, том IV. Квантовая электродинамика. М.: Наука, 1989 – 728 с.
17. Берклеевский курс физики. Том 1. Ч. Киттель, У. Найт, М. Рудерман. Механика. М.: Наука, 1971 – 480 с.
18. Берклеевский курс физики. Том 2. Э. Парселл. Электричество и магнетизм. М.: Наука, 1971 – 448 с.
19. Берклеевский курс физики. Том 3. Ф. Крауфорд. Волны. М.: Наука,
1974 – 528 с.
20. Берклеевский курс физики. Том 4. Э. Вихман. Квантовая физика. М.:
Наука, 1974 – 416 с.
21. Берклеевский курс физики. Том 5. Ф. Рейф. Статистическая физика
М.: Наука, 1972 – 352 с.
22. Биологическое действие электромагнитных полей [Электронный ресурс] Дата обращения 09.05.2011 http://www.lifekaif.ru/view _articles.php?id=0025.
23. Большой физический словарь [Электронный ресурс] Дата обращения
09.05.2011: http://www.all-fizika.com/map.php.
24.
Борн М., Вольф Э., Основы оптики. М.: Наука. 1973 – 720 с.
25. Бубликов С. В. Методологические основы вариативного построения
содержания обучения физике в средней школе [Текст]: дис. … д-ра пед. наук /
С.В. Бубликов. – СПб., 2000. – 407 с.
26. Бубликов С.В. Методологические основы решения задач по физике в
средней школе [Текст]: Учебное пособие / С.В. Бубликов, А.С. Кондратьев. –
СПб.: Образование, 1996. – 80 с.
191
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
27. Бурдун Г.Д., Базакуца В.А. Единицы физических величин. [Текст]: —
Харьков: Вища школа, 1984. – 208 с.
28. Важеевская Н.Е. Теория и методика обучения физике в школе. Общие вопросы: Учебное пособие для вузов / Под ред. С.Е. Каменецкого, Н.С. Пурышевой [Текст] / Н.Е. Важеевская, Н.В. Шаронова, С.В. Степанов и др.. – М.:
Академия, 2000. – 351 с.
29. Василенко О.И. Радиационная экология. [Текст]: / О.И. Василенко
М.: Медицина, 2004. – 216 с.
30. Взятышев В.Ф. Инновационный потенциал инженерного корпуса:
проектно-технологическое образование и деятельностная структура учебного
процесса [Текст] / В.Ф. Взятышев // Инновационный университет инновационное
образование: модели, опыт, перспективы: Труды Междунар. симпозиума. – М.:
Изд.- во ТПУ, 2003. – С.12.
31. Вибрационная безопасность. ГОСТ 12.1.012-90 ССБТ [Электронный
ресурс] Дата обращения 22.05.2011 http://www.skonline.ru/digest/3542.html.
32. ВСГ-100, счетчик горячей воды. [Электронный ресурс] Дата обращения 09.05.2011 http://www.tehnopostavka.ru/kipia/index. php?productID=181.
33. Выготский Л.С. Педагогическая психология / Под ред. В.В. Давыдова
[Текст] / Л.С. Выготский. – М.: Педагогика, 1991. – 479 с.
34. Гальперин П.Я. Методы обучения и умственного развития [Текст] /
П.Я. Гальперин. – М.: Педагогика, 1985. – 212 с.
35. Гамма-визор. [Электронный ресурс]. Дата обращения 21.05.2011
http://www.rtc.ru/production/gammavizor.shtml
36. Гигиеническая оценка электромагнитных полей, создаваемых радиостанциями сухопутной подвижной связи, включая абонентские терминалы спутниковой связи [Электронный ресурс] Дата обращения 19.05.2011
http://www.infosait.ru/norma_doc/45/45892/index.htm.
37. ГОСТ 8.011 – 80 «Показатели точности измерений и формы представления результатов измерений» [Электронный ресурс] Дата обращения
09.05.2011 http://www.ensor.ru/kb/gost/1.html?page=220.
192
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
38. ГОСТ 8.401-80 Государственная система обеспечения единства измерений. Классы точности средств измерений. Общие требования [Электронный
ресурс] Дата обращения 09.05.2011: http://gostexpert.ru/gost/gost-8.401-80.
39. ГОСТ 8.417-2002. Единицы величин. Введен в действие с 1 сентября
2003
г
[Электронный
ресурс]
Дата
обращения
09.05.2011
http://www.nolik.ru/systems/gost.htm.
40. Грачев Н.Н. Медико-биологические аспекты воздействия ЭМИ излучений, МИЭМ, каф. РТУиС. [Электронный ресурс] Дата обращения 09.05.2011
http://grachev.distudy.ru/Uch_ kurs/sredstva/Templ_1/templ_1_1.htm.
41. Губин В.Б. О роли деятельности в формировании моделей реальности [Текст]: // В.Б. Губин Вопросы философии. 1997. Вып. 8. С. 166-174.
42. Датчики. Электротехническая энциклопедия. [Электронный ресурс]
Дата
обращения
09.05.2011
http://www.electrolibrary.info/subscribe/sub
_16_datchiki.htm.
43. Дзюндзюк Б.В., Березуцкая Н.Л., Хондак И.И. Применение информационных технологий в лабораторном практикума на примере рационального
размещения ЛЭП [Текст] / Восточно-Европейский журнал передовых технологий
2/3 (32), 2008, С. 4-7.
44. Дик Ю.И. Проблемы и основные направления школьного физического образования в РФ [Текст]: дис. … д-ра пед. наук (в форме научного доклада).
– М., 1996. – 59 с.
45. Дубенский Ю.П. Дидактические методы, активизирующие процесс
обучения (из опыта работы учителей гимназии Русско-Полянского района Омской области): Учебно-методическое пособие / Сост.: Ю.П. Дубенский, И.Г. Тихоненко. Омск: Изд-во ОмГУ, 2004. – 131 с.
46. Ерофеева Г.В. Естественнонаучные дисциплины и образовательные
стандарты [Текст] / Ерофеева Г.В., Ларионов В.В., Чернов И.П. // Образовательный стандарт нового поколения. Организационно-технологическое и материально-техническое обеспечение: Труды науч.-практ. конф. – Томск: ТПУ, 2001. – С.
30–31.
47. Ерофеева Г.В. Курс современного естествознания: Учебное пособие
[Текст] / Г.В. Ерофеева, В.В. Ларионов, И.П. Чернов.– Томск: ТПУ, 1999. – Ч. 1.
– 100 с.
193
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
48. Ерофеева Г.В. Обучение физике в техническом университете на основе применения информационных технологий [Текст]: дисс. соиск. уч. ст. д-ра
пед. наук. – Томск, 2006. – 322 с.
49. Ерофеева Г.В. Согласование курсов естественнонаучных дисциплин
и математики в техническом университете [Текст] / Г.В. Ерофеева, В.В. Ларионов, И.П. Чернов // Физическое образование в вузах. – 2001. – Т. 7, № 2 – С. 129–
134.
50. Ерофеева Г.В. Фундаментальное образование и системный подход
[Текст] /Г.В. Ерофеева, И.П. Чернов, В.В. Ларионов «Высшее техническое образование: качество и интернационализация // Труды IV Междунар. научн.-практ.
конф. – Томск: ТПУ, 2000. – С. 105–106.
51. Закон Вебера-Фехнера [Электронный ресурс] Дата обращения
22.05.2011 http://meduniver.com/Medical/Physiology/945.html.
52. Закон РФ «О социальной защите граждан, подвергшихся воздействию радиации вследствие катастрофы на Чернобыльской АЭС» (1991 г.) [Электронный
ресурс]
Дата
обращения
21.05.2011
http://www.rg.ru/oficial/doc/social/07.htm.
53. Защита населения от воздействия электрического поля (САНПИН №
2971-84)
[Электронный
ресурс]
Дата
обращения
20.05.2011
http://www.stroyplan.ru/docs.php?showitem=75.
54. Зеличенко В.М. Физическая лаборатория. Механика. – Ч. 1 [Текст] /
В.М. Зеличенко, Д.А. Лазарев, Ю.Б. Янкелевич Б.Ю. и др. – Томск: Том. пед. унт, 1997. – 54 с.
55. Зеличенко В.М. Физическая лаборатория. Механика. – Ч. 2 [Текст] /
В.М. Зеличенко, О.М. Корсак, М.Б. Хаскельберг. – Томск: Том. пед. ун-т, 1997.–
61 c.
56.
Зильберман Г.Е., Электричество и магнетизм. М.: Наука: 1970. – 384
с.
57. Иванников Д.А., Фомичев Е.Н. Основы метрологии и организации
метрологического контроля, Нижегородский государственный технический университет, 2001, [Электронный ресурс] Дата обращения 09.05.2011:
http://www.nntu.sci-nnov.ru/RUS/fakyl/VECH/metod/ metrology/literat.htm.
194
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
58. Иродов И.Е., Волновые процессы. Основные законы. М.: Бином. Лаборатория знаний. 2007 – 263 с.
59. Иродов И.Е., Квантовая физика. Основные законы. М.: Лаборатория
базовых знаний, 2001. – 272 с.
60. Иродов И.Е., Основные законы механики. 3-е изд., перераб. и доп. —
М.: Высш. шк., 1985. — 248 с
61. Иродов И.Е., Основные законы электромагнетизма. М.: Высшая
школа, 1991 – 289 с.
62. Иродов И.Е., Физика макросистем. Основные законы. М.: Лаборатория базовых знаний, 2001- 200 с.
63. Кабардина С.И. Измерения физических величин. Элективный курс:
Учебное пособие [Текст]: / С.И. Кабардина, Н.И. Шеффер. Под ред. О.Ф. Кабардина. – М.: БИНОМ, Лаборатория знаний, 2005.
64. Калачев Н.В. Актуальные проблемы преподавания естественнонаучных дисциплин в условиях открытого образования [Текст] / Н.В. Калачев, А.Н.
Ланских // Физическое образование в вузах. ИД МФО – 2010. – Т. 16. – № 4. – С.
103–108.
65. Калачев Н.В. Введение специального практикума в курс общей физики [Текст] / А.И. Андреев, Н.В. Калачев, С.М. Кокин, Я.М. Кривошеев, С.В.
Мухин, В.В. Некрасов, В.А. Никитенко, А.В. Пауткина // В сборнике Трудов 15-й
Всероссийской научно-практической конференции «Учебный физический эксперимент. Актуальные проблемы, современные решения» Глазов 29-30 января 2010
г. – С. 108-112.
66. Калачев Н.В. Видео системы учебного назначения, расширяющие
возможности проведения физических проблемно-ориентированных практикумов
в технических вузах [Текст] / Н.В. Калачев, А.А. Кривченков // В сборнике докладов совещания заведующих кафедрами физики вузов России "Актуальные
проблемы преподавания физики в вузах России". 29 июня - 02 июля 2009 года,
под ред. проф. Г.Г. Спирина, С. 142 -144.
67. Калачев Н.В. Дистанционные физические практикумы в условиях открытого образования [Текст] / Н.В. Калачев // В сборнике тезисов докладов Международной школы-семинара "Физика в системе высшего и среднего образова195
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ния России" 28 июня - 1 июля 2011 г., Москва, под ред. проф. Г.Г. Спирина,
МАИ, С.
68. Калачев Н.В. Журналу “Физическое образование в вузах” – 10 лет
[Текст] / Н.В. Калачев, О.Н. Крохин, А.Д. Суханов // Физическое образование в
вузах. ИД МФО – 2005 . – Т. 11. – № 4. – С. 3–7.
69. Калачев Н.В. Использование ИТ в преподавании естественнонаучных
дисциплин в условиях открытого образования [Текст] / Н.В. Калачев, А.Н. Ланских // Научный журнал "Ученые записки Петрозаводского государственного
университета", ПетрГУ, том 1 (114), февраль 2011, С. 35-37.
70. Калачев Н.В. Использование среды LabVIEW как основы проблемноориентированных физических практикумов в условиях открытого образования
[Текст] / Н.В. Калачев, А.А. Кривченков // В сборнике трудов VIII-й Международной научно-практической конференции 2009 «Образовательные, научные и
инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments»,
20-21 ноября 2009 г., РУДН, Москва, С. 373-375.
71. Калачев Н.В. Использование учебных видео систем для проведения
проблемно-ориентированных практикумов в цикле естественнонаучных дисциплин в условиях открытого образования [Текст] / Н.В. Калачев, А.А. Кривченков
// в Трудах VIII-й Международной научно-методической конференции, «Физическое образование: проблемы и перспективы», 2-5 марта 2009 года, МПГУ, факультет физики и информационных технологий, г. Москва, часть 4, С. 123 – 127.
– М., МПТУ, 2009– 4 С.
72. Калачев Н.В. Конспект лекций по дисциплине «Мониторинг среды
обитания» Акустическая экология» Учебное пособие [Текст] / С.М. Кокин, В.Н.
Долженко, Н.В. Калачев. – М.: Российская открытая академия транспорта,
МИИТ, 2010., 54 с.
73. Калачев Н.В. Конспект лекций по дисциплине «Мониторинг среды
обитания» Экология электромагнитного излучения» Учебное пособие. [Текст] /
С.М. Кокин, А.А. Фортыгин, Е.К. Силина, Н.В. Калачев. – М.: Российская открытая академия транспорта, МИИТ, 2010., 60 с.
74. Калачев Н.В. Короткие вставки-презентации для лекций по физике
[Текст] / Е.А. Аронова, В.В. Губарев, М.А. Игошин, С.М. Кокин, Д.В. Морковин,
196
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
С.В. Мухин, В.А. Никитенко, Н.В. Калачев // В сборнике тезисов докладов Международной школы-семинара "Физика в системе высшего и среднего образования России" 28 июня - 1 июля 2010 г., Москва, под ред. проф. Г.Г. Спирина,
МАИ, С. 54-55.
75. Калачев Н.В. Методические указания к выполнению лабораторной
работы для студентов IV курса "Шум и вибрация на транспорте". Учебнометодическое пособие. [Текст] / С.М. Кокин, Н.В. Калачев, Б.В. Карелин, Н.Р.
Кустова, В.Н. Долженко. – М.: Российская открытая академия транспорта,
МИИТ, 2010., 56 с.
76. Калачев Н.В. Методические указания к выполнению лабораторной
работы для студентов IV курса "Акустическая экология". Учебно-методическое
пособие. [Текст] / С.М. Кокин, Н.В. Калачев, Б.В. Карелин, Н.Р. Кустова, В.Н.
Долженко. – М.: Российская открытая академия транспорта, МИИТ, 2010., 52 с.
77. Калачев Н.В. Многоэтапные лабораторные работы, выполняемые в
процессе изучения нескольких дисциплин [Текст] / С.М. Кокин, Н.В. Калачев,
Е.К. Силина, В.Н. Недостаев // В сборнике материалов XXIII Всероссийской научно-практической конференции: «Учебный физический эксперимент: актуальные проблемы. Современные решения» – Глазов: ГГПИ, 2008 год. – С. 8.
78. Калачев Н.В. Необходимость и возможность проведения физических
проблемно-ориентированных занятий, и развитие дистанционных курсов в технических вузах с использованием видеосистем учебного назначения [Текст] /
Н.В. Калачев, А.А. Кривченков, А.Н. Морозов, С.М. Кокин, В.А. Никитенко,
А.П. Прунцев // В сборнике тезисов докладов Межвузовской научнометодической конференции «Современные проблемы качества в системе транспортного образования» – М.: МИИТ. – ноябрь 2009. – С. 72 – 77.
79. Калачев Н.В. О некоторых особенностях свечения светодиодных и
люминесцентных энергосберегающих ламп [Текст] / С.М. Кокин, И.Г. Андриянова, В.А. Никитенко, С.В. Мухин, Н.В. Калачев // Труды научно-практической
конференции «Неделя науки – 2008 "Наука МИИТа – транспорту"», ч. 2, под ред.
проф. В.М. Круглова, Москва, МИИТ, 2008 – С. V-65 – V-66.
80. Калачев Н.В. Опыт использования ИТ в преподавании естественнонаучных дисциплин в условиях открытого образования [Текст] / Н.В. Калачев,
А.Н. Ланских // Труды Шестой Всероссийской конференции «Необратимые про197
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
цессы в природе и технике». Москва, 26-28 января 2011 г. МГТУ им. Н.Э. Баумана, часть III, С. 204-206.
81. Калачев Н.В. Опыт преподавания естественнонаучных дисциплин в
условиях открытого образования [Текст] / Н.В. Калачев // Научно-методический
журнал «Школа будущего», –2010, – № 5, – С. 49-54.
82. Калачев Н.В. Опыт работы с проблемно-ориентированными физическими практикумами в лаборатории "НИРС" [Текст] / А.М. Афонин, Н.В. Калачев, А.Н. Морозов // Труды Шестой Всероссийской конференции «Необратимые
процессы в природе и технике». Москва, 26-28 января 2011 г. МГТУ им. Н.Э.
Баумана, часть III, С. 207-210.
83. Калачев Н.В. Опыт создания видеообучающей системы как элемента
проблемно-ориентированных физических практикумов в условиях открытого образовании [Текст] / Н.В. Калачев, С.М. Кокин // Материалы Х-й Международной
научно-методической конференции "Физическое образование: проблемы и перспективы развития", посвященной 110-летию факультета физики и информационных технологий МПГУ, 27 февраля – 3 марта 2011 г., МПГУ, Москва, том 2,
С. 57–58.
84. Калачев
Н.В.
Организация
дистанционных
проблемноориентированных физических практикумов в лаборатории "НИРС" [Текст] /
А.М. Афонин, Н.В. Калачев, А.Н. Морозов // В материалах XI Международной
учебно-методической конференции «Современный физический практикум»,
Минск, БГУ, октябрь 2010 г., С. 114–116.
85. Калачев Н.В. Организация преподавания естественнонаучных дисциплин на факультете открытого образования [Текст] / Н.В. Калачев // В сборнике
докладов научно-практической конференции ««Методы аналогии и моделирования в курсе физики. Общеобразовательные учреждения, вуз»» 17-19 мая 2011 г.,
МГОУ, С. 84–89.
86. Калачев Н.В. Организация проблемно-ориентированных физических
практикумов в условиях открытого образования [Текст] / А.М. Афонин, Н.В. Калачев, А.Н. Морозов // «Известия Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена», научный журнал, Спб, –2010, – № 135, – С.
174–178.
198
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
87. Калачев Н.В. Особенности использования дистанционных образовательных технологий в преподавании естественнонаучных дисциплин в условиях
открытого образования [Текст] / Н.В. Калачев, А.Н. Ланских // Материалы Х-й
Международной научно-методической конференции "Физическое образование:
проблемы и перспективы развития", посвященной 110-летию факультета физики
и информационных технологий МПГУ, 27 февраля – 3 марта 2011 г., МПГУ, Москва, том 2, С. 167–170.
88. Калачев Н.В. Особенности использования среды LabVIEW в условиях открытого образования как основы дистанционных физических практикумов в
лаборатории "НИРС" [Текст] / Н.В. Калачев, А.Н. Морозов // В сборнике трудов
IX-й Международной научно-практической конференции 2010 «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National
Instruments», 3-4 декабря 2010 г., РУДН, Москва, С. 62–65.
89. Калачев Н.В. Особенности организации лабораторного практикума в
условиях филиала вуза [Текст] / В.В. Казаков, Н.В. Калачев, С.М. Кокин // Труды
научно-практической конференции «Неделя науки – 2007 "Наука МИИТа –
транспорту"», ч. 2, под ред. проф. В.М. Круглова, Москва, МИИТ, 2007 – С. VI61.
90. Калачев Н.В. Особенности организации проблемно-ориентированных
физических практикумов в среде открытого образования [Текст] / Н.В. Калачев,
С.М. Кокин, Е.К. Силина, А.В. Смирнов // в Материалах Х-й международной
конференции "Физика в системе современного образования", 31 мая - 4 июня
2009 г., РГПУ им. А.И. Герцена, Санкт-Петербург, 2009, том 1, С. 194–195.
91. Калачев Н.В. Особенности организации физического практикума в
условиях открытого образования [Текст] / Н.В. Калачев, С.М. Кокин, Е.К. Силина // в Трудах Пятой Всероссийской конференции «Необратимые процессы в
природе и технике», МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009, часть III – М., МГТУ им.
Н.Э. Баумана, 2009– С. 119 – 123.
92. Калачев Н.В. Особенности преподавания естественнонаучных дисциплин в условиях открытого образования [Текст] / Н.В. Калачев, А.Н. Ланских
// Математическое образование в школе и вузе в условиях перехода на новые образовательные стандарты: в материалах Всероссийской научно-практической
199
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
конференции с международным участием (Казань, 15 октября 2010 г.) / Отв. ред.
Л.Л. Салехова, К.Б. Шакирова. – Казань, 2010. – С. 20–22.
93. Калачев Н.В. Особенности применения видеообучающей системы в
лаборатории НИРС при дистанционных физических практикумах [Текст] / Н.В.
Калачев // В сборнике тезисов докладов Международной школы-семинара "Физика в системе высшего и среднего образования России" 28 июня – 1 июля 2010
г., Москва, под ред. проф. Г.Г. Спирина, МАИ, С. 151–152.
94. Калачев Н.В. Преподавание естественнонаучных дисциплин в условиях открытого образования [Текст] / А.Н. Ланских, Н.В. Калачев // «Известия
Волгоградского государственного педагогического университета» –2010. – № 7
(51), серия "Педагогические науки", – С. 16–20.
95. Калачев Н.В. Применение видео систем для расширения возможностей проведения лабораторных проблемно-ориентированных практикумов
[Текст] / Н.В. Калачев, А.А. Кривченков, Б.Ф. Мишнев, А.А. Муравьев, А.Е. Муравьева // Вестник МГТУ им Н.Э. Баумана, серия «Естественные науки» –2010. –
№ 1. – С. 110–117.
96. Калачев Н.В. Проблема энергосбережения на примере источников
света разных типов в лабораторном практикуме курса общей физики [Текст] /
Е.О. Дубовицкая, Л.С, Журавлева, Е.Н. Будилова, И.Г. Андриянова, И.В. Абросимов, Ю.Н. Михеев, Д.В. Назаров, А.И. Андреев, С.М. Кокин, С.В. Мухин, В.А.
Никитенко, Н.В. Калачев // В сборнике тезисов докладов Международной школы-семинара "Физика в системе высшего и среднего образования России" 28 июня - 1 июля 2010 г., Москва, под ред. проф. Г.Г. Спирина, МАИ, С. 117–118.
97. Калачев Н.В. Проблемно-ориентированные физические практикумы
– основы организации лабораторных работ в условиях открытого образования
[Текст] / Н.В. Калачев, А.Н. Морозов // «Известия Волгоградского государственного педагогического университета» –2010. – № 7 (51), серия "Педагогические
науки", – С. 80–84.
98. Калачев Н.В. Проблемно-ориентированные физические практикумы
в условиях открытого образования в цикле естественнонаучных дисциплин.
Практические аспекты. Монография. – М.: Издательский дом МФО. 2011. – 228
с.
200
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
99. Калачев Н.В. Проблемно-ориентированные физические практикумы
и системный подход в их организации [Текст] / А.М. Афонин, Н.В. Калачев, А.Н.
Морозов // В сборнике «Физика и ее преподавание в школе и вузе, VIII Емельяновские чтения»: Материалы Региональной научно-практической конференции
(Йошкар-Ола, 26-27 апреля 2010 г.) / под. ред. В.А. Белянина. – Йошкар-Ола:
МарГУ, 2010. – С. 3–6.
100. Калачев Н.В. Проблемно-ориентированные физические практикумы
как элемент открытого образования [Текст] / Н.В. Калачев // в Трудах VIII-й Международной научно-методической конференции, «Физическое образование:
проблемы и перспективы», 2–5 марта 2009 года, МПГУ, факультет физики и информационных технологий, г. Москва, часть 4, С. 20 – 22. – М., МПТУ, 2009– 4
С.
101. Калачев Н.В. Проблемно-ориентированный лабораторный практикум
с элементами деятельностного подхода как средство закрепления знаний по методам математической физики [Текст] / Н.В. Калачев, А.В. Смирнов, О.В. Мирзабекова // Физическое образование в вузах. ИД МФО – 2009. – Т. 15. – № 1. – С.
14–18.
102. Калачев Н.В. Системный подход в организации преподавания естественнонаучных дисциплин на факультете открытого образования Финансового
университета [Текст] / Н.В. Калачев // В сборнике «Физика и ее преподавание в
школе и вузе, IX Емельяновские чтения»: Материалы Всероссийской научнопрактической конференции (Йошкар-Ола, 25-26 апреля 2011 г.) / под. ред. В.А.
Белянина и Н.Л. Курилевой. – Йошкар-Ола: МарГУ, 2011. – С. 126 -129.
103. Калачев Н.В. Системный подход в организации преподавания естественнонаучных дисциплин на факультете открытого образования [Текст] / Н.В.
Калачев, А.Н. Ланских // В сборнике докладов VII Международной научнопрактической конференции "Европейская наука XXI века - 2011" 07-15 мая 2011
г, Том 14, педагогические науки, Психология и социология, Przermysl, Nauka i
studia, 2011, C. 29–33.
104. Калачев Н.В. Системный подход в организации проблемноориентированных физических практикумов [Текст] / А.М. Афонин, Н.В. Калачев,
А.Н. Морозов // В сборнике докладов научно-практической конференции «Про201
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
блемы методологии преемственности обучения физике. Общеобразовательные
учреждения, педагогический вуз» 18-19 мая 2010 г., МГОУ, С. 58–63.
105. Калачев Н.В. Системный подход как основа проблемноориентированных физических практикумов в условиях открытого образования
[Текст] / Н.В. Калачев // В Трудах Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы современного образования: опыт и инновации»,
25–26 ноября 2009 г., Ульяновский госпедуниверситет, г. Ульяновск, часть 2, С.
143–145.
106. Калачев Н.В. Учебные видео системы, расширяющие возможности
лабораторных физических проблемно-ориентированных практикумов [Текст] /
Н.В. Калачев, А.А. Кривченков // В сборнике "Физика и ее преподавание в школе
и вузе «VII Емельяновские чтения»": Материалы Региональной научнопрактической конференции (Йошкар-Ола, 27-28 апреля 2009 г) / под. ред. В.А.
Белянина. – Йошкар-Ола: МарГУ, 2009. С. 198 – 202.
107. Калачев Н.В. Учебный комплект датчиков физических величин в
цикле лабораторных работ по дисциплине "Методы и приборы контроля окружающей среды и экологический мониторинг" [Текст] / Н.В. Калачев, С.М. Кокин, Е.К. Силина, З.Л. Шулиманова, М.В. Бахарев, А.О. Воробьев // Материалы
XXII Всероссийской научно-практической конференции: «Учебный физический
эксперимент: актуальные проблемы. Современные решения» – Глазов: ГГПИ,
2007 год – Москва: Изд-во ИСМО РАО, 2007. – С. 113–117.
108. Калачев Н.В. Физико-химические методы контроля воздуха и сточных вод в работе экологической лаборатории [Текст] / В.В. Казаков, Н.В. Калачев, С.М. Кокин // Труды научно-практической конференции «Неделя науки –
2007 "Наука МИИТа – транспорту"», ч. 2, под ред. проф. В.М. Круглова, Москва,
МИИТ, 2007 – С. VI-61 – VI-62.
109. Калачев Н.В. Формы организации проблемно-ориентированных физических практикумов в системе дистанционного обучения [Текст] / Н.В. Калачев, А.В. Смирнов// в Трудах Международной научно-практической конференции «Методология конструирования учебной деятельности по физике. Общеобразовательные учреждения, вуз», 19-20 мая 2009 года, Московский государст-
202
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
венный областной университет, кафедра методики преподавания физики, М.,
МОГУ 2009. – С. 10–12.
110. Калачев Н.В. Цикл переносных лабораторных работ по дисциплинам
«Физика» и «Методы и приборы контроля окружающей среды и экологический
мониторинг» [Текст] / Н.В. Калачев, С.М. Кокин, В.А. Никитенко, Е.К. Силина,
М.В. Бахарев, А.О. Воробьёв // Физическое образование в вузах. ИД МФО –
2008. – Т. 14. – № 1. – С. 61–69.
111. Калачев Н.В. Цикл переносных лабораторных работ по дисциплинам
«Физика» и «Методы и приборы контроля окружающей среды и экологический
мониторинг» [Текст] / Н.В. Калачев, С.М. Кокин, В.А. Никитенко, Е.К. Силина,
М.В. Бахарев, А.О. Воробьёв // в Трудах Х-ой Международной учебнометодической конференции «Современный физический практикум», Астрахань
2008, под редакцией Н.В. Калачева и М.Б. Шапочкина, М. ИД МФО 2009, – С.
115 – 116.
112. Калашников С.Г., Электричество. М.: Наука, 2003 – 624 с.
113. Каменецкий С.Е. Лабораторный практикум по теории и методике
обучения физике: Учебное пособие для студ. высш. пед. учеб. Заведений [Текст]
/С.Е. Каменецкий, Д.А. Исаев, Е.Б. Петрова, С.В. Степанов. – М.: Издательский
центр «Академия», 2002. – 304 с.
114. Кикоин А.К., Кикоин И.К., Молекулярная физика. М.: Наука, 1976 –
480 с.
115. Козлов М.Г. Метрология и стандартизация: Учебник М., СПб.: Издво «Петербургский институт печати», 2001. 372 с.
116. Кокин С.М. Измерение параметров электромагнитных полей на железнодорожных объектах как задание для УИРС [Текст] / Т.И. Кузьмина, В.В.
Казаков, Н.В. Калачев, С.М. Кокин // Труды научно-практической конференции
«Неделя науки – 2007 "Наука МИИТа – транспорту"», ч. 2, под ред. проф. В.М.
Круглова, Москва, МИИТ, 2007 – С. VI-60.
117. Кокин С.М. Конспект лекций по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация», Учебное пособие [Текст] / С.М. Кокин, В.С. Фокин,
203
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Н.В. Калачев. – М.: Российская открытая академия транспорта, МИИТ, 2010., 56
с.
118. Кокин С.М. Лабораторный практикум по дисциплине "Методы и
приборы контроля окружающей среды и экологический мониторинг" [Текст] /
С.М. Кокин, Н.В. Калачев, М.В. Бахарев, А.О. Воробьев Сборник научных трудов II научно-практической конференции "Безопасность как фактор устойчивого
развития регионов". – // Ижевск, 2007 год, изд. РГОТУПС.– С. 11.
119. Кокин С.М. Методические указания к выполнению лабораторной работы для студентов IV курса "Радиационная экология". Учебно-методическое
пособие. [Текст] / С.М. Кокин, Е.К. Силина, Н.В. Калачев. – М.: Российская открытая академия транспорта, МИИТ, 2010., 28 с.
120. Кокин С.М. Сопоставление характеристик люминесцентных источников света разных типов и ламп накаливания [Текст] / А.И. Андреев, Е.Н. Будилова, Е.О. Дубовицкая, Л.С, Журавлева, Н.В. Калачев, С.М. Кокин, И.Г. Андриянова, С.В. Мухин, В.А. Никитенко, Д.В. Назаров // Труды Шестой Всероссийской конференции «Необратимые процессы в природе и технике». Москва, 26-28
января 2011 г. МГТУ им. Н.Э. Баумана, часть III, С. 236-237.
121. Кокин С.М. Сравнение характеристик источников света разных типов [Текст] / Е.Н. Будилова, Е.О. Дубовицкая, Л.С, Журавлева, Н.В. Калачев,
С.М. Кокин, В.А. Никитенко, В.Н. Недостаев // В сборнике Трудов 16-й Всероссийской научно-практической конференции «Учебный физический эксперимент.
Актуальные проблемы, современные решения» Глазов, январь 2011 г. – С. 38-39.
122. Кондратьев А.С. Вопросы теории и практики обучения физике на
основе новых информационных технологий: Учебное пособие. [Текст] /
А.С.Кондратьев, В.В. Лаптев, А.И. Ходанович. – СПб.: Изд-во РГПУ, 2001.– 96 c.
123. Кондратьев А.С. Современные технологии обучения физике: Учебное пособие [Текст] / А.С.Кондратьев, Н.А. Прияткин. – СПб: Изд-во С.-Петерб.
ун-та, 2006. – 342 с.
124. Кондратьев А.С. Физические задачи и индивидуальные пути образования [Текст] / А.С. Кондратьев, В.В. Лаптев, С.Ю.Трофимова. – СПб.: Образование, 1996. – 87 с.
204
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
125. Коротков А.М. Теоретико-методическая система подготовки учащихся к обучению в компьютерной среде [Текст]: автореф. дис. … д-ра пед. наук
/ А.М. Коротков. – Волгоград, 2004. – 43 с.
126. Коротков А.М., Сергеев Н.К., Ребро В.В. Ситуации компьютерного
моделирования в системе физического образования // Физика в системе современного образования (ФССО-03): Труды седьмой Междунар. конф – СПБ.: РГПУ
им. А.И. Герцена, 2003. –Т. 1.
127. Крамер Г., Математические методы статистики, пер. с англ., 2 изд.,
М., 1975. 648 c.
128. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Теоретическая физика, том I. Механика.
М.: Наука, 1988 – 216 с.
129. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Теоретическая физика, том II. Теория
поля. М.: Наука, 1988 – 512 с.
130. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Теоретическая физика, том III. Квантовая механика. Нерелятивистская теория. М.: Наука, 1989 – 768 с.
131. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Теоретическая физика, том V. Статистическая физика. (часть I). М.: Наука, 1976 – 584 с.
132. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Теоретическая физика, том VI. Гидродинамика. М.: Наука, 1986 – 736 с.
133. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Теоретическая физика, том VII. Теория
упругости. М.: Наука, 1987 – 248 с.
134. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Теоретическая физика, том VIII. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1982 – 621 с.
135. Ланских А.Н. Вопросы преподавания естественнонаучных дисциплин на факультете открытого образования [Текст] / Н.В. Калачев, А.Н. Ланских //
журнал Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, № 3, 2011 в печати.
136. Ланских А.Н. Применение технологий дистанционного обучения при
организации преподавания математических дисциплин [Текст] / Н.В. Калачев,
А.Н. Ланских // журнал «Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского
государственного политехнического университета» серия «Гуманитарные и общественные науки», № 3, 2011 в печати.
205
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
137. Лаптев В.В. Методическая система фундаментальной подготовки в
области информатики: теория и практика многоуровневого педагогического университетского образования [Текст] / В.В. Лаптев, М.В. Швецкий. – СПб.: Изд.
СпбГУ, 2000. – 508 с.
138. Лаптев В.В. Методические рекомендации по организации индивидуальной работы с учащимися на основе самостоятельного физического эксперимента [Текст] / Сб. статей. // Научн. ред. Лаптев В.В. – Л.: РГПУ, 1991. – 45 с.
139. Ларионов В.В. Инновационный физический практикум технического
университета на основе информационных технологий: проблемы формирования
и развития [Текст] / В.В. Ларионов // Проблемы информатики в образовании,
управлении, экономике и технике: Сб. статей IV Всерос. научн.-техн. конф. –
Пенза, 2004. – С. 113–115.
140. Леднев В.С. Научное образование: Развитие способностей к научному творчеству [Текст] / В.С. Леднев. – 2-е изд., исп. – М.: МГАУ, 2002. – 119 с.
141. Лернер И.Я. Дидактические основы методов обучения [Текст] / И.Я.
Лернер. – М.: Педагогика, 1986. – 181 с.
142. Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П., Теоретическая физика, том IX. Статистическая физика (часть II). Теория конденсированного состояния. М.: Наука,
1978 – 448 с.
143. Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П., Теоретическая физика, том X. Физическая кинетика. М.: Наука, 1979 – 528 с.
144. Ляудис В.Я. Теория и практика обучения научно-техническому творчеству [Текст] / В.Я. Ляудис. – М.: Изд-во МГУ, 1991. – 126 с.
145. Майер В.В. Электричество: учебные экспериментальные доказательства. [Текст] / В.В. Майер, Р.В. Майер. - М.: Физматлит, 2006. - 232 с.
146. Малюков Н.Н. - Лекции по прикладному анализу данных, [Электронный ресурс] Дата обращения 09.05.2011 http://prand.ru/content/malyukov-nnlektsii-po-prikladnomu-analizu-dannykh.
147. Мамаева И.А. Методологически направленная система обучения физике в техническом вузе [Текст]: автореф. дис. … д-ра пед. наук. – М., 2006. – 38
с.
206
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
148. Масленникова Л.В. Взаимосвязь фундаментальности и профессиональной направленности в подготовке по физике студентов инженерных вузов
[Текст]: автореф. дис. … д-ра пед. наук. – М., 2001. – 31с.
149. Матюшкин А.М. Актуальные проблемы психологии высшей школы
[Текст] / А.М. Матюшкин. – М.: Знание, 1977. – 44 с.
150. Матюшкин А.М. Проблемные ситуации в мышлении и обучении
[Текст] / А.М. Матюшкин. – М.: Педагогика, 1972. – С. 12–47.
151. Медведев Б.В., Начала теоретической физики. Механика. Теория поля. Элементы квантовой механики. М.: Наука, 1977 – 496 с.
152. Межгосударственные санитарные нормы допустимых уровней физических факторов при применении товаров народного потребления в бытовых условиях, МСанПиН 001-96» [Электронный ресурс] Дата обращения 09.05.2011
http://www.certline.ru/library/doc_16.htm.
153. Морозов А.Н. Физический практикум с удаленным доступом как
часть системы дистанционного обучения технического университета [Текст] /
А.М. Афонин, В.С. Горелик, В.Н. Корниенко, В.Н. Корчагин, А.Н. Морозов, К.Б.
Павлов, И.В. Савельев, А.В. Семиколенов, А.В. Соловьев // Индустрия образования, вып. 2. Под редакцией А.А. Полякова и др., М.: МГИУ, 2002, С. 369-378.
154. Мухин О.И. «Моделирование систем», Лекция 27, [Электронный реhttp://stratum.ac.ru/textbooks/modelir/
сурс]
Дата
обращения
09.05.2011
lection27.html.
155. Никандров Н.Д. Россия: Социализация и воспитание на рубеже тысячелетий [Текст] / Н.Д. Никандров М.: Педагогическое общество России, 2000. –
304 с.
156. Никифоров Г.Г., Разумовский В.Г. и др. Учебник физики для учащихся 9 класса образовательных учреждений. – М.: Владос, 2004. – 360 с.
157. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99). Санитарные правила.
СП 2.6.1.758-99" [Электронный ресурс] Дата обращения 21.05.2011
http://base.consultant.ru/cons/cgi/online.cgi?req=doc;base=EXP;n=288156.
158. Носовский А.В. Учебное пособие. Вопросы дозиметрии и радиационная безопасность на атомных электрических станциях. / Под редакцией А.В.
Носовского "Укратомиздат", Славутич, 1998. Авторы: Алексеев А.А., Андреев
207
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.В., Бадовский В.П., Гарин Е.В., Глыгало В.H., Носовский А.В., Осколков Б.Я.,
Попов А.А., Сейда В.А., Шостак В.Б.
159. Основные санитарные правила работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующих излучений ОСП-72/87 [Электронный
ресурс] Дата обращения 21.05.2011 http://www.remontnik.ru/docs/6804/.
160. Оспенникова Е.В. Информационно-образовательная среда и методы
обучения [Текст] / Е.В. Оспенникова // Школьные технологии. – 2002. – № 2. – C.
31–43.
161. Пилипенко А.И. Занимательные и изобретательские задачи с физикотехническим содержанием [Текст]: / А.И. Пилипенко. Учеб. пособие для развития теоретического стиля мышления - Курск : 1994. – 98 c.
162. Подольский А.И. Функциональное развитие познавательной деятельности в условиях ее планомерного формирования [Текст]: автореф. дис. … д-ра
псих. наук / А.И. Подольский. – М., МГУ 1987. – 41 с.
163. Полат Е.С. Основные направления развития современных систем образования [Текст] /Е.С. Полат // Открытое образование. – 2005. – № 3. – С. 71–77.
164. Портис А. Физическая лаборатория / Пер. с англ [Текст] / А. Портис.
– М.: Наука, 1972. – 320 с.
165. Правила безопасности при транспортировке радиоактивных веществ
(ПБТРВ-73)
[Электронный
ресурс]
Дата
обращения
22.05.2011
http://www.elecab.ru/normativ/pbtrv-73.rar.
166. Правила перевозок опасных грузов по железным дорогам [Электронный ресурс] Дата обращения 22.05.2011 http://transbez.com/officially
/documents/rules-danger-rail.html.
167. Предельно допустимые уровни плотности потока энергии, создаваемой микроволновыми печами [Электронный ресурс] Дата обращения 19.05.2011
http://www.pravoteka.ru/pst/92/45645.html.
168. Прецизионный шумомер-виброметр интегрирующий с цифровым
анализатором спектра ШИ-01В [Электронный ресурс] Дата обращения
19.07.2011 http://www.velaspb.ru/gears/176.html.
169. Принципы и методы регистрации элементарных частиц, пер. с англ.,
М., 1963; Калашникова В.И., Козодаев М.С., Детекторы элементарных частиц,
М. 1966 (Экспериментальные методы ядерной физики, ч. 1).
208
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
170. Производственная вибрация. Вибрация в помещениях жилых и общественных зданий СН 2.2.4/2.1.8.556-96 [Электронный ресурс] Дата обращения
22.05.2011 http://www.ecobest.ru/snip/folder-8/list-1.
171. Пурышева Н.С. Дифференцированное обучение физике в средней
школе [Текст] / Н.С. Пурышева. – М.: Прометей, 1993. – 224 с.
172. Разумовский В.Г. Методика преподавания физики в средней школе /
Под ред. Перышкина А.В. [Текст] / В.Г. Разумовский, А.И. Бугаев, Ю.И. Дик. –
М.: Просвещение, 1984. – 398 с.
173. Разумовский В.Г. Развитие творческих способностей учащихся в
процессе обучения физике [Текст] / В.Г. Разумовский. – М.: Педагогика, 1975. –
164 с.
174. Распоряжение Правительства Российской Федерации № 1662-р от
17.11.2008 г. "О Концепции долгосрочного социально-экономического развития
Российской Федерации на период до 2020 года". [Электронный ресурс].
http://www.economy.gov.ru/minec/activity/sections/strategicplanning/concept/doc124
8450453794; Ванчугов В.В. Национальная доктрина образования в Российской
Федерации [Электронный ресурс]. URL: http://www.humanities.edu.ru/db/
msg/46741 (дата обращения: 22.07.2011).
175. Савельев И.В., Курс общей физики том 3. Оптика. Атомная физика.
Физика атомного ядра и элементарных частиц. М.: Наука, - 528 с.
176. Савельев И.В., Курс общей физики, том 1. Механика, колебания и
волны, молекулярная физика. М.: Наука, 1970 – 508 с.
177. Савельев И.В., Курс общей физики, том 2, Электричество. М.: Наука,
– 431 с.
178. Савельев И.В., Курс общей физики, том 2. Электричество, волны, оптика. М.: Наука, 1982 – 496 с.
179. Савельев И.В., Курс физики, том 1. Механика. Молекулярная физика. М.: Наука, 1989 – 352 с.
180. Савельев И.В., Курс физики, том 3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твёрдого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. М.:
Наука, 1989 – 304 с.
209
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
181. Савельев И.В., Основы теоретической физики, том 1. Механика,
электродинамика. М.: Наука, 1991 – 496 с.
182. Савельев И.В., Основы теоретической физики, том 2. Квантовая механика М.: Наука, 1977 – 352 с.
183. Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям. САНПИН 2.1.2.1002-00 [Электронный ресурс] Дата обращения
20.05.2011 http://www.vashdom.ru/sanpin/2121002-00/.
184. Санитарные нормы СН 2.2.4/2.1.8.562-96 «Шум на рабочих местах, в
помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки»
[Электронный
ресурс]
Дата
обращения
22.05.2011
http://www.niiot.ru/doc/doc117/doc_02.htm.
185. Сивухин Д.В., Общий курс физики, том 1, Механика. М.: Наука,
1979 – 520 с.
186. Сивухин Д.В., Общий курс физики, том 2, Термодинамика и молекулярная физика. М.: Наука, 1979 – 552 с.
187. Сивухин Д.В., Общий курс физики, том 3, Электричество. М.: Наука,
1983 – 688 с.
188. Сивухин Д.В., Общий курс физики, том 4, Оптика. М.: Наука, 1980 –
752 с.
189. Сивухин Д.В., Общий курс физики, том 5, Атомная физика, часть 1.
М.: Наука, 1986 – 416 с.
190. Сивухин Д.В., Общий курс физики, том 5, Ядерная физика, часть 2.
М.: Наука, 1989 – 416 с.
191. Силина Е.К. Конспект лекций по дисциплине «Мониторинг среды
обитания» Радиационная экология. Учебное пособие. [Текст] / С.М. Кокин, Е.К.
Силина, Н.В. Калачев. – М.: Российская открытая академия транспорта, МИИТ,
2010., 64 с.
192. Силина Е.К. Методические указания к выполнению лабораторной
работы для студентов IV курса "Электромагнитное загрязнение на железнодорожном транспорте". Учебно-методическое пособие. [Текст] / С.М. Кокин, А.А.
210
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Фортыгин, Е.К. Силина, Н.В. Калачев. – М.: Российская открытая академия
транспорта, МИИТ, 2010., 36 с.
193. Синенко В.Я. Методика и техника школьного физического эксперимента: Учебное пособие по спецкурсу [Текст] / В.Я. Синенко. – Новосибирск:
НГПИ, 1990. – 100 с.
194. Система СИ. XI Генеральная конференция по мерам и весам / Успехи
физических наук, т. LXXVI, вып. 2, 1962, С. 383-390.
195. Система стандартов безопасности труда. Шум. Общие требования
безопасности
[Электронный
ресурс]
Дата
обращения
22.05.2011
http://www.tehdoc.ru/files.724.html.
196. Система стандартов безопасности труда. Электромагнитные поля радиочастот. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению
контроля
[Электронный
ресурс]
Дата
обращения
20.05.2011
http://www.niiot.ru/doc/doc027/doc.htm.
197. Скаткин М.Н. Методология и методика педагогических исследований [Текст] / М. Н. Скаткин. – М.: Педагогика, 1986. – 150 с.
198. Славутский Л.А. [Текст]: Основы регистрации данных и планирования эксперимента. Учебное пособие: Изд-во ЧГУ, Чебоксары, 2006, 200 с.
199. Смирнов А.В. Средства новых информационных технологий в обучении физике [Текст] / А.В. Смирнов. – М.: Прометей, 1996. – 280 с.
200. Стародубцев В.А. Компьютерные и мультимедийные технологии в
естественнонаучном образовании. – Томск: Дельтаплан, 2002. – 224 с.
201. Стародубцев В.А. Методологическая роль компьютерных практикумов [Текст] / В.А. Стародубцев // Инновации в образовании. – 2003. – № 2. – С.
26–31.
202. Стародубцев В.А. Проектирование и реализация комплексов мультимедийных дидактических средств в педагогическом процессе вуза [Текст]: автореф. дисс. … д-ра пед. наук. – Барнаул, 2004. – 44 с.
203. Стефанова Г.П. Введение в практикум по общей физике [Текст] /
Анофрикова С.В., Стефанова Г.П., Смирнов В.В. // Журнал "Фундаментальные
исследования" № 2, 2009 год. С. 83.
211
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
204. Сулаберидзе В.Ш. О «персональных» источниках электромагнитных
излучений,
[Электронный
ресурс]
Дата
обращения
20.05.2011
http://n2.insu.ru/articles/arts/article_5.pdf.
205. Талызина Н.Ф. Педагогическая психология. – 2 изд., стереотип
[Текст] / Н.Ф. Талызина.. – М.: Издательский центр «Академия», 1998. – 288 с.
206. Талызина Н.Ф. Управление процессом усвоения знаний [Текст] /
Н.Ф. Талызина. – 2 изд. – М.: МГУ, 1984. – 421 с.
207. Тамм И.Е., Основы теории электричества, М.: Наука, 1989 – 504 с.
208. Тейлор Дж. Введение в теорию ошибок, пер. с англ. Л.Г. Деденко,
Мир, 1985, 272 с.
209. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. – М.: Высш.
школа, 2000. – 542 с.
210. Усова А.В. Формирование исследовательских умений студентов на
занятиях по методике физики [Текст] / А.В. Усова // Наука и школа. – 2002. – №
1. – С. 18–20.
211. Усова А.В. Формирование у школьников научных понятий в процессе обучения [Текст] / А.В. Усова. – М.: Педагогика, 1986. –168 с.
212. Федеральный закон «О радиационной безопасности населения» (с
изменениями на 23 июля 2008 года) [Электронный ресурс] Дата обращения
22.07.2011 http://docs.cntd.ru/document/9015351.
213. Федеральный закон № 3-ФЗ от 09.01.96 г. О радиационной безопасности населения [Электронный ресурс] Дата обращения 21.05.2011
http://www.opengost.ru/iso/03_gosty_iso/03160_gost_iso/2501-federalnyy-zakon-3fz-ot-09.01.96-g.-o-radiacionnoy-bezopasnosti-naseleniya.html.
214. Федеральный закон от 30.03.99 № 52-ФЗ «О санитарноэпидемиологическом благополучии населения» [Электронный ресурс] Дата обращения 20.05.2011 http://www.niiot.ru/doc/doc025/doc.htm.
215. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Том 2. Пространство. Время. Движение М.: Мир, 1967 – 168 с.
216. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Том 3. Излучение. Волны. Кванты.
М.: Мир, - 234 с.
212
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
217. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Том 4. Кинетика. Теплота. Звук.
М.: Мир, - 257 с.
218. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Том 5. Электричество и Магнетизм. М.: Мир, - 292 с.
219. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Том 6. Электродинамика. М.: Мир, 340с.
220. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Том 7. Физика сплошных сред. М.:
Мир, - 286 с.
221. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Том 8. Квантовая механика (часть
1). М.: Мир, - 269 с.
222. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Том 9. Квантовая механика (часть
2). М.: Мир, - 256 с.
223. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М.. Том 1. Современная наука о природе. Законы механики. М.: Мир, 1967 – 267 с.
224. Физические величины. Справочник под ред. И.С. Григорьева и Е.З.
Мейлихова, М. Энергоатомиздат, 1991, 1234 с.
225. Фильштейн Д.И. Особенности личностного развития подростка в условиях социально-экономического кризиса. [Текст] / Д.И. Фильштейн - М.:
МПА, 1994. - 38 с.
226. Фильштейн Д.И. Социальное развитие в пространстве времени и детства. [Текст] / Д.И. Фильштейн -М.,1997. – 112 с.
227. Фокин В.С. Шум и вибрация: Уч. пос. / В.Н. Долженко, А.А. Фортыгин, В.С. Фокин, С.М. Кокин. – М.: РГОТУПС, 2003.
228. Фриш С.Э., Тиморева А.В., Курс общей физики. Том 1. Физические
основы механики. Молекулярная физика. Колебания и Волны. М.: Физматгиз,
1962 - 468с.
229. Фриш С.Э., Тиморева А.В., Курс общей физики. Том
2. Электрические и электромагнитные явления. М.: Физматгиз, 1962 – 516 с.
230. Хижнякова Л.С. Методические основы построения процесса обучения в средней школе в условиях всеобщего среднего образования [Текст]: дисс.
… д-ра пед. наук. – М., 1988. – 388 с.
213
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
231. Хорошавин С.А. Демонстрационный эксперимент по физике. Оптика. Атомная физика. – М.: Просвещение, 2007. – 240 с.
232. Червова А.А. Курс физики для инженерно-педагогичсеких специальностей [Текст] / А.А. Червова // Учебная физика. – 2002. – № 1. – С. 58–61.
233. Чертов А.Г. Единицы физических величин, М., Высшая школа, 1977,
288 с.
234. Шамало Т.Н. Теоретические основы использования физического эксперимента в развивающем обучении: Учебное пособие к спецкурсу [Текст] / Т.Н.
Шамало. – Свердловск, 1990. – 97 с.
235. Штракс Г.М., Штракс М.Г. Диалектика формирования научных убеждений. [Текст]: / Г.М. Штракс, М.Г. Штракс. М.: Изд-во МГУ, 1985. - 168 с.
236. Шумилин А.Т. Проблемы теории творчества [Текст] А.Т. Шумилин /.
– М.: Высшая школа, 1989. – 143 с.
237. Шумомер АТТ – 9000 [Электронный ресурс] Дата обращения
22.05.2011 http://www.elizpribor.ru/products/2686.htm.
238. Шумомер, виброметр, анализатор спектра SVAN-948 четырехканальный
[Электронный
ресурс]
Дата
обращения
19.07.2011
http://www.eurolab.ru/shumomer_vibrometr_svan948.
239. Шумомеры и виброметры серии ОКТАВА-110 [Электронный ресурс]
Дата обращения 19.05.2011 http://www.ekosf.ru/content/view/137/6.
240. Шумомеры. Общие технические требования и методы испытаний.
ГОСТ 17187- 81 [Электронный ресурс] Дата обращения 20.05.2011
http://libgost.ru/gost/10014-GOST_17187_81.html
241. Электромагнитное поле и его влияние на здоровье человека [Элекhttp://www.antiray.ru/
тронный
ресурс]
Дата
обращения
19.05.2011
blog/elektromagnitnoe-pole-i-ego-vlijanie.
242. Электромагнитные поля в производственных условиях. Санитарноэпидемиологические правила и нормативы. САНПИН 2.2.4.1191-03 [Электронный
ресурс]
Дата
обращения
20.05.2011
http://www.docload.ru
/Basesdoc/39/39144/index.htm.
243. Эльконин Д.Б. Избранные психологические труды [Текст] / Д.Б. Эльконин. – М.: Педагогика, 1989. – 554 с.
214
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
244. Яворский Б.М., Детлаф А.А., Справочник по физике для инженеров и
студентов вузов. М.: Наука, 1968 – 940 с.
245. UNSCEAR 2010 Report: "Summary of low-dose radiation effects on
health"
[Электронный
ресурс]
Дата
обращения
21.05.2011
http://www.unscear.org/unscear/en/publications.html.
215
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Научное издание
Николай Валентинович Калачев
ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРАКТИКУМЫ
В УСЛОВИЯХ ОТКРЫТОГО ОБРАЗОВАНИЯ В ЦИКЛЕ
ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫХ ДИСЦИПЛИН
Теоретические аспекты
Подписано в печать 01.09.2011 г.
Формат 60х84/16. Заказ №67. Тираж 500 экз. П.л 13,5.
Отпечатано в РИИС ФИАН с оригинал-макета заказчика
119991 Москва, Ленинский проспект, 53. Тел. 499 783 3640
216
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа