close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

198 egorov v.v. alinova m.sh. izbrannie voprosi sovremennoy fiziki

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки Республики Казахстан
Павлодарский государственный университет
им. С. Торайгырова
Егоров В.В., Алинова М.Ш.
ИЗБРАННЫЕ ВОПРОСЫ
СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ
Учебное пособие
Павлодар
Кереку
2010
УДК 53 (075.8)
ББК 22.3я73
Е50
Рекомендовано к изданию Ученым советом
ПГУ им. С. Торайгырова
Рецензенты:
Т.Ш. Саликбаева – кандидат физико-математических наук,
заведующая кафедрой физики и профессионального обучения ИНЕу;
Ш.К. Биболов - кандидат физико-математических наук,
заведующий кафедрой общей и теоретической физики ПГУ им. С.
Торайгырова
Егоров В.В., Алинова М.Ш.
Е30 Избранные вопросы современной физики : учебное пособие
для студентов специальности 050120-Профессиональное обучение
/Егоров В.В., Алинова М.Ш. – Павлодар : Кереку, 2008. – 106 с.
ISBN
В дидактическом комплексе представлены тезисы лекций,
физический практикум, материалы к практическим работам, СРС и
СРСП к элективному курсу «Избранные вопросы современной
физики» для студентов специальности 050120-Профессиональное
обучение. Они предназначены для реализации связи физики с
будущей
профессиональной
деятельностью
педагогов
профессионального обучения.
ISBN
УДК 53 (075.8)
ББК 22.3я73
ISBN
© Егоров В.В., Алинова М.Ш., 2010
© ПГУ им. С. Торайгырова, 2010
2
Введение
Содержание спецкурса опирается на знания по физике, которые
получают студенты в процессе освоения основного курса на младшем
курсе. Спецкурс имеет целью расширить и углубить научнотехническую и технологическую подготовку будущих педагогов
профессионального обучения и тем самым открывает перспективу
разработки новой техники и технологии.
С давних пор человек пытался узнать, почему всходит и заходит
Солнце, возникают морские волны, сверкают молнии — иными
словами, понять, как устроен окружающий мир. Поиски ответов на эти
и многие другие вопросы привели к рождению физики — науки о
природе.
Человек, вооруженный физикой, которую принято называть
классической научился объяснять многие загадки природы. Однако,
когда физика дает новые ответы, всегда вслед за этим возникают и
новые вопросы. Это говорит о том, что наши знания непрерывно
развиваются и что физическая наука далека от завершения. Чтобы
сегодня все глубже и глубже проникать в сокровенные тайны
природы, надо изучить современные достижения в физике,
познакомиться с ее проблемами.
Это поможет вам увидеть пути и возможностями применения
знаний, полученных при изучении физики, применить для решения
многих вопросов в будущей профессиональной деятельности.
Предлагаемые лекции, лабораторные занятия, самостоятельная
работа представляют собой обзор применения знаний физики в
области техники и высоких технологий, народном хозяйстве и науке.
Библиографический список литературы можно разделить на две
части, одну из которых, обычно составляет перечень основной
литературы, другую – дополнительный. Приложенный список
литературы данного спецкурса по тем или иным формам и темам
занятий необходимо рассматривать как дополнительная литература и,
если возникает необходимость глубже рассмотреть те или иные
физические явления по теме, рекомендуется обратиться к
традиционным учебникам по физике.
3
1.
СОДЕРЖАНИЕ
СПЕЦИАЛЬНОГО
КУРСА
«ИЗБРАННЫЕ ВОПРОСЫ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ»
1.1 Тематический план
курса «Избранные вопросы современной физики»
Наименование темы
Лекции СРСП СРС лаб
Введение
Релятивистская механика
Фазовые переходы 1 и 2 рода
Газовые разряды. Плазма и ее свойства
Принцип работы ускорителей заряженных
частиц
Электромагнитная индукция,
трансформаторы
1
1222-
2
4
4
2
-
1
-
1
Механические и электромагнитные
колебания и волны Ограниченность
мехнических и электромагнитных волн
1
2
2
Принципы получения голографии
1
1
-
Новые источники излучения - лазеры
Физические основы лазерного излучения
1
-
4
2
Элементы физики твердого тела,
полупроводники
Актуальные вопросы ядерной энергетики
2
-
2
3
-
-
1
6
Типы взаимодействий элементарных
частиц
-
2
-
15
15
15
Всего, часов
2
-
15
Тема Релятивистская механика
Классическая механика Ньютона прекрасно описывает движение
макротел, движущихся с малыми скоростями (v<с). Однако в конце
XIX в. выяснилось, что движение быстрых заряженных частиц не
подчиняется законам классической механики.
Одновременно было обнаружено противоречие между
классической теорией и уравнениями Дж. К. Максвелла,
описывающими электромагнитную теорию света. А. Эйнштейну
удалось преодолеть возникшие противоречия. Свой взгляд на
свойства пространства и времени он изложил в специальной теории
относительности (релятивистская механика).
4
В основе специальной теории относительности лежат постулаты
Эйнштейна:
I. Принцип относительности: никакие опыты (механические,
электрические, оптические), проведенные внутри данной инерциальной
системы отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта
система или движется равномерно и прямолинейно; все законы
природы инвариантны по отношению к переходу от одной
инерциальной системы отсчета к другой.
II. Принцип инвариантности скорости света: скорость света в
вакууме не зависит от скорости движения источника света или
наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.
Первый постулат Эйнштейна, являясь обобщением механического
принципа относительности Галилея на любые физические процессы,
утверждает, таким образом, что физические законы инвариантны по
отношению к выбору инерциальной системы отсчета, а уравнения,
описывающие эти законы, одинаковы по форме во всех инерциальных
системах отсчета. Согласно этому постулату, все инерциальные
системы отсчета совершенно равноправны, т. е. явления
(механические, электродинамические, оптические и др.) во всех
инерциальных системах отсчета протекают одинаково.
Согласно второму постулату Эйнштейна, постоянство скорости
света — фундаментальное свойство природы, которое констатируется
как опытный факт.
Специальная теория относительности потребовала отказа от
привычных представлений о пространстве и времени, принятых в
классической механике, поскольку они противоречили принципу
постоянства скорости света. Потеряло смысл не только абсолютное
пространство, но и абсолютное время строенная на их основе,
установили новый взгляд на мир и новые пространственно-временные
представления, такие, например, как относительность длин и
промежутков времени, относительность одновременности событий.
Эти и другие следствия из теории Эйнштейна находят надежное
экспериментальное подтверждение, являясь тем самым обоснованием
постулатов Эйнштейна — обоснованием специальной теории
относительности.
Тема Фазовые переходы 1 и 2 рода
Фазой называется термодинамически равновесное состояние
вещества, отличающееся по физическим свойствам от других
возможных равновесных состояний того же вещества. Если,
например, в закрытом сосуде находится вода, то эта система является
двухфазной: жидкая фаза — вода; газообразная фаза — смесь воздуха
с водяными парами. Если в воду бросить кусочки льда, то эта система
5
станет трехфазной, в которой лед является твердой фазой. Часто
понятие «фаза» употребляется в смысле агрегатного состояния,
однако надо учитывать, что оно шире, чем понятие «агрегатное
состояние». В пределах одного агрегатного состояния вещество
может находиться в нескольких фазах, отличающихся по своим
свойствам, составу и строению (лед, например, встречается в пяти
различных модификациях — фазах). Переход вещества из одной фазы
в другую — фазовый переход — всегда связан с качественными
изменениями свойств вещества. Примером фазового перехода могут
служить изменения агрегат, связанные с изменениями в составе,
строении и свойствах вещества (например, переход кристаллического
вещества из одной модификации в другую).
Различают фазовые переходы двух родов. Фазовый перед I рода
(например, плавление, кристаллизация и т. д.) сопровождается
поглощением или выделением теплоты, называемой теплотой
фазового перехода. Фазовые переходы I рода характеризуются
постоянством температуры, изменениями энтропии и объема.
Объяснение этому можно дать следующим образом. Например, при
плавлении телу нужно сообщить некоторое количество теплоты,
чтобы вызвать разрушение кристаллической решетки. Подводимая
при плавлении теплота идет не на нагрев тела, а на разрыв
межатомных связей, поэтому плавление протекает при постоянной
температуре. В подобных переходах — из более упорядоченного
кристаллического состояния в менее упорядоченное жидкое
состояние — степень беспорядка увеличивается, т. е., согласно
второму началу термодинамики, этот процесс связан с возрастанием
энтропии системы. Если переход происходит в обратном направлении
(кристаллизация), то система теплоту выделяет.
Фазовые переходы, не связанные с поглощением или выделением
теплоты и изменением объема, называются фазовыми переходами II
рода. Эти переходы характеризуются постоянством объема и
энтропии, но скачкообразным изменением теплоемкости. Общая
трактовка фазовых переходов II рода предложена советским ученым
Л. Д. Ландау (1908—1968). Согласно этой трактовке, фазовые
переходы II рода связаны с изменением симметрии: выше точки
перехода система, как правило, обладает более высокой симметрией,
чем ниже точки перехода. Примерами фазовых переходов II рода
являются: переход ферромагнитных веществ (железа, никеля) при
определенных давлении и температуре в парамагнитное состояние;
переход металлов и некоторых сплавов при температуре, близкой к 0
К, в сверхпроводящее состояние, характеризуемое скачкообразным
уменьшением электрического сопротивления до нуля; превращение
обыкновенного жидкого гелия (гелия I) при Т= 2,9 К в другую
6
жидкую модификацию (гелий II), обладающую свойствами
сверхтекучести.
Многие металлы вблизи абсолютного нуля переходят в особое
состояние, получившее название сверхпроводящего. Переход
сопровождается резким изменением электрических и магнитных
свойств металла: металл полностью теряет сопротивление току и
превращается в идеальный диамагнетик (эффект Мейснёра).
Достаточно сильное магнитное поле разрушает сверхпроводимость.
Переход «сверхпроводящее состояние — нормальное» есть фазовый
переход второго рода, если он происходит в нулевом магнитном поле,
и первого рода — в присутствии поля..
Сверхпроводимость сорок пять лет (1911 —1956) была
дразнящей загадкой теории металлов и получила объяснение
благодаря открытию феномена «спаривания» электронов путем
обмена виртуальными фононами (Купер). «Спаривание» приводит к
тому, что электроны проводимости образуют связанную систему
(конденсат), способную, однако, двигаться как целое. Движение
конденсата осуществляет перенос заряда без сопротивления
(сверхпроводимость).
При помещении сверхпроводника в магнитное поле в нем
возникает сверхпроводящий ток, магнитный момент которого
компенсирует приложенное поле. Конечно, истинное основное
состояние сверхпроводника — это состояние, при котором конденсат
покоится, но если в сверхпроводящем кольце течет ток, то он не
затухает.
Построение теории сверхпроводимости сыграло стимулирующую
роль в развитии физики сверхпроводимости. В последнее десятилетие
из уникального явления, имеющего малое отношение к основному
пути развития физики и техники, сверхпроводимость стала
источником новых идей и методов в самых различных областях
физики (физика ядра, физика элементарных частиц) и техники
(сверхпроводящие магниты, сверхпроводящие интерферометры).
Тема Газовые разряды. Плазма и ее свойства
Термин «плазма» был введен в физику в двадцатых годах для
описания проводящего газа, в котором заряженные частицы
образовались в результате разрушения атомов и молекул. Такая
система подобна газу. Образование плазмы требует более высоких
температур, чем химические превращения. Однако плазма как
ионизованный газ не является новым состоянием вещества и,
следовательно, новой формой материи, а представляет собой газ, т.е.
систему свободных атомных частиц. В большинстве реальных случаев
7
плазма является слабо ионизованным газом с малой степенью
ионизации.
Это имеет место в газовом разряде, где ионизованный газ
находится во внешнем электрическом поле. газовый разряд является
примером плазмы, которая поддерживается под действием внешних
полей. Если температура электронов и газовых частиц одинакова, плазма
называется равновесной; в противном случае мы имеем дело с
неравновесной плазмой.
Принципиальное свойство ионизованного газа определяется
взаимодействием заряженных частиц. Специфическое свойство плазмы,
как ионизованного газа, является коллективное взаимодействие
заряженных частиц, которое определяет характер реакции плазмы на
внешние поля.
Другой фундаментальной характеристикой ионизованного газа
является частота плазменных колебаний или ленгмюровская частота.
Обратная величина является временем, за которое плазма откликается
на изменение, действующих на нее электрических полей, благодаря
движению электронной компоненты. По определению эта величина
является частотой коллективных колебаний электронов при смещении
их от равновесного положения. Наличие коллективных колебаний в
плазме, которые определяются кулоновским взаимодействием
заряженных частиц в ней, принципиально отличает плазму от
нейтральных газов и отражается на многих процессах в ней.
Обычно плазма является квазинейтральной, т.е. полный
положительный и отрицательный заряды в ней равны. В противном
случае в ней возникают высокие электрические поля.
Методы генерации плазмы. Простейший способ генерации
плазмы использует действие электрического поля на газ, в результате
которого зажигается газовый разряд.
Газовый разряд, как и газоразрядная плазма, имеют долгую
историю, которую удобно начать с 1705 года, когда английский
ученый Хоксби создал электростатический генератор, так что его
мощность позволяла получать светящиеся электрические разряды в
газах. В 1734 году Дюфай (Франция) установил, что воздух вблизи
нагретых тел является проводником. В 1745 году фон Клейст
(Германия) и Мушенброк (Нидерланды) сконструировали независимо
электрический конденсатор, который получил название «лейденские
купола». С его помощью изучался пробой в воздухе. В 1752 году
американский ученый Бенджамин Франклин разработал теорию
молнии на основе наблюдений. В полном соответствии с
современными представлениями, он рассматривал это явление как
поток электричества. Таким образом, все эти исследования дали
первое понимание характера распространения электрических зарядов
8
через газы и в большей или меньшей степени они основывались на
исследовании газовых разрядов.
Газоразрядная плазма является наиболее распространенной
формой плазмы и характеризуется широким набором параметров. В
зависимости от внешних полей эта плазма может быть как
стационарной, так и импульсной. После выключения электрического
поля плазма распадается в результате процессов рекомбинации
заряженных частиц, а также под действием диффузии электронов и
ионов в газе. Эта плазма называется плазмой послесвечения и
используется для нахождения параметров ионизации, рекомбинации и
диффузии с участием заряженных и возбужденных атомных частиц.
Плазма может быть создана различными способами: через
возбуждение газа резонансным излучением, Лазерная плазма,
прохождение электронного пучка через газ, химический способом.
Плазма, содержащаяся в различных лабораторных приборах и
системах, считается низкотемпературной или горячей в зависимости
от средней энергии заряженных частиц. В горячей плазме тепловая
энергия заряженных частиц значительно превышает характерную
атомную энергию или потенциал ионизации атомов, в
противоположность низкотемпературной плазме. Соответственно,
системы, содержащие низкотемпературную и горячую плазму,
принципиально различаются. Примером горячей плазмы является
плазма термоядерного реактора, термоядерная плазма. Термоядерная
реакция происходит с участием ядер дейтерия и трития - изотопов
водорода. Чтобы обеспечить эту реакцию, необходимо, чтобы горячие
ионы дейтерия и трития некоторое время находились в зоне реакции,
что дает им возможность участвовать в реакции. Это требует высокой
температуры ионов (около 10 кэВ) и высокой плотности. Последнее
значение достигнуто в лабораторных установках, так что мы
находимся на пути создания промышленного термоядерного реактора.
Плазма в современной технологии. Плазма широко используется
в производстве в различных технологических процессах, причем круг
таких процессов расширяется. Основой плазменной технологии
являются следующие особенности плазмы. Во-первых, здесь можно
достигнуть более высоких температур, чем при использовании
химического топлива. Во-вторых, в плазме генерируются радикалы и
химически активные частицы. Кроме того, плазма характеризуется
высокими удельными энергиями и перерабатываемыми мощностями.
Все это составляет основу различных приложений плазмы.
Старейшее применение плазмы как теплоносителя относится к
процессам резки и сварки металлов. Поскольку максимальная
температура горелок на химическом топливе не превышает 3000К,
они не подходят для жаропрочных металлов. Дуговой разряд
9
позволяет достичь втрое более высокие температуры, что
обеспечивает плавление и испарение любых материалов. Поэтому
плазменные методы используются в металлургии с начала двадцатого
века. В настоящее время различные плазменные горелки мощностью
до 10 МВт используются для плавления железа в вагранках и домнах,
переработки металлического лома, производства сплавов сталей,
экстракции металлов из руды и т.д. В некоторых случаях плазменные
методы конкурируют с традиционными, основанными на химическом
нагревании материалов. Сравнивая плазменные и химические методы
там, где и те, и другие могут быть использованы, можно заключить,
что плазменные методы являются более компактными, обеспечивают
более качественный продукт, требуют меньшего количества воды и
других дополнительных материалов и дают меньшее количество
отходов. Но они используют более дорогое оборудование и связаны с
более высокими затратами энергии. Это определяет выбор между
традиционными и плазменными методами, но по мере развития
цивилизации наблюдается тенденция в сторону плазменных методов.
Другое применение плазмы как теплоносителя относится к
топливной энергетике. Введение плазмы в зону горения
низкосортных
углей
может
улучшить
энергетические
и
экологические параметры процесса, несмотря на малый вклад плазмы
в энергетику полного процесса. Плазма используется для пиролиза, а
также для очистки и улучшения выходных параметров топлива.
Разные плазменные методы используются для обработки
поверхности, которые основаны на характере взаимодействия плазмы
с поверхностью. Плазма является хорошим теплоносителем, и
взаимодействие нагретой плазмы с поверхностью не изменяет ее
состав, но может улучшить некоторые параметры поверхности.
Другое приложение плазмы использует присутствующие в ней
активные частицы, которые реагируют с верхним слоем поверхности,
изменяя его химический состав. Например, этот метод используются
для увеличения твердости металлической поверхности в результате
образования нитридов и карбидов металлов в приповерхностном слое.
Эти соединения образуются в результате проникновения в
приповерхностный слой металла атомов азота и углерода,
генерируемых в плазме.
Третий способ воздействия плазмы на поверхность реализуется,
если материал плазмы покрывает поверхность в форме тонкой
пленки. Эта пленка может иметь специфические механические,
термические, электрические, оптические и химические свойства в
зависимости от используемой плазмы, ее параметров и решаемых
задач. Для этой цели удобно использовать поток плазмы, истекающей
из сопла. Такой поток в процессе его истекания из сопла может быть
10
преобразован в пучок кластеров, и в этом случае метод высаживания
материала на поверхность носит название метода ионного
кластерного пучка. Пучковые методы осаждения микронных пленок
широко используются в микроэлектронике для изготовления разных
элементов, а также для получения специальных зеркал и
поверхностей с высококачественным покрытием.
Важная область применений плазмы - плазмохимия имеет дело с
производством химических соединений. Первый индустриальный
плазмохимический процесс - производство аммония был осуществлен
в начале двадцатого века. Далее он был заменен более дешевым
методом производства аммония из азота и водорода в
высокотемпературном реакторе высокого давления с платиновым
катализатором. Другой плазмохимический процесс, отвечающий
производству озона в барьерном и других разрядах, реализуется
десятки лет.
Наряду
с
производством
неорганических
материалов,
плазмохимические методы используются для получения органических
соединений. Сюда относятся процессы производства полимеров и
полимерных мембран, тонкий органический синтез в холодной плазме
и т.д. Суммируя различные приложения плазмы для этих целей,
следует отметить, что их основой являются тонкие и простые методы,
что делает их перспективными.
В этой области используются плазменные ножи и другие
инструменты подобного типа для хирургических операций, где
плазма имеет свои преимущества благодаря сильному воздействию
плазмы на живую материю и высокой неоднородности плазмы. Далее,
плазма в виде коронного разряда используется для очистки комнат и
уничтожения микробов, позволяя иметь чистые медицинские
комнаты. Кроме того, уничтожение медицинских отходов
(использованных бинтов и т.д.) плазменными методами является
наиболее удобным методом. Наконец, плазменные методы удобно
использовать для производства некоторых лекарств. Как видно, во
всех этих случаях используется селективность плазменных процессов
и возможности создания неоднородной плазмы, тогда как в
энергетических приложениях на первое место выходит высокая
энергетическая емкость плазмы и высокая скорость обмена энергией с
внешними полями.
Экологические приложения плазмы в настоящее время
развиваются в двух направлениях. Первое из них связано с
переработкой мусора и отходов производства, разложением
токсических веществ и взрывчатых материалов. Для этой цели
используются мощные энергетические установки, так что в
необходимых случаях плазма способна разложить вводимый в нее
11
материал на компоненты. Второе экологическое приложение
относится к очистке воздуха. Обычно для этой цели используется
коронный разряд, который генерирует активные атомные частицы, в
том числе, атомы кислорода. Эти активные частицы находят
химически активные компоненты воздуха и реагируют с ними.
Действие такого разряда ведет к уничтожению микробов, но оно не
опасно для человека в силу низкой концентрации генерируемых им
активных частиц.
Тема Принцип работы ускорителей заряженных частиц
Ускорители делятся на непрерывные (в них выходит равномерный
по времени поток) и импульсные (из них частицы им летают порциями
— импульсами). Последние характеризуются длительностью импульса.
По форме траектории и механизму ускорения частиц ускорители
делятся на линейные, циклические и индукционные ускорители. В
линейных ускорителях траектории движения частиц близки к прямым
линиям, в циклических и индукционных ускорителях - траекториями
частиц являются окружности или спирали.
Рассмотрим некоторые типы ускорителей заряженных частиц.
Линейный ускоритель. Ускорение частиц осуществляется
электростатическим полем, создаваемым, например, высоковольтным
генератором Ван-де-Граафа Заряженная частица проходит поле
однократно: заряд q проходя разность потенциалов (φ1 — φ2),
приобретает энергию W=q(φ1 — φ2). Таким способом частицы
ускоряются до 10 МэВ. Их дальнейшее ускорение с помощью
источников постоянного напряжения невозможно из-за утечки зарядов,
пробоев и т. д.
Линейный резонансный ускоритель. Ускорение заряженных
частиц
осуществляется
переменным
электрическим
полем
сверхвысокой частоты, синхронно изменяющимся с движением
частиц. Таким способом протоны ускоряются до энергий порядка
десятков мегаэлектрон-вольт, электроны — до десятков гигаэлектронвольт.
Циклотрон — циклический резонансный ускоритель тяжелых
частиц протонов, ионов).
Его принципиальная схема приведена на рисунке 1. Между
полюсами сильного электромагнита помещается вакуумная камера, в
которой находятся два электрода в виде полых металлических
полуцилиндров, или дуантов. К дуантам приложено переменное
электрическое поле. Магнитное поле, создаваемое электромагнитом,
однородно и перпендикулярно плоскости дуантов.
Если заряженную частицу ввести в центр зазора между дуантами,
то она, ускоряемая электрическим и отклоняемая магнитным полями,
12
войдя в дуант, опишет полуокружность,
пропорционален скорости частицы.
радиус
которой
Рисунок 1
К моменту ее выхода из дуанта полярность напряжения изменялся
(при соответствующем подборе изменения напряжения между
дуантами), поэтому частица вновь ускоряется и, переходит в другой
дуант, описывает там уже полуокружность большего радиуса и т. д.
Для непрерывного ускорения частицы в циклотроне необходимо
выполнить условие синхронизма (условие «резонанса») — периоды
вращения частицы в магнитном поле и колебаний электрического поля
должны быть равны. При выполнении этого условия частица будет
двигаться по раскручивающейся спирали, получая при каждом
прохождении через зазор дополнительную энергию. На последнем
нитке, когда энергия частиц и радиус орбиты доведены до максимально
допустимых значений, пучок частиц посредством отклоняющего
электрического поля выводится из циклотрона.
Циклотроны позволяют ускорять протоны до энергий примерно 20
МэВ. Дальнейшее их ускорение в циклотроне ограничивается
релятивистским возрастанием массы со скоростью, что приводит к
увеличению периода обращения и синхронизм разрушается.
Ускорение релятивистских частиц в циклических ускорителях
можно, однако, осуществить, если применять предложенный в 1944 г.
советским физиком В. И. Векслером (1907—1966) и в 1945 г.
американским физиком Э. Мак-Милланом (р. 1907) принцип
автофазировки. Его идея заключается в том, что для компенсации
увеличения периода вращения частиц, ведущего к нарушению
синхронизма, изменяют либо частоту ускоряющего электрического,
либо индукцию магнитного полей, либо то и другое. Принцип
автофазировки используется в фазотроне, синхротроне и
синхрофазотроне.
Фазотрон (синхроциклотрон) — циклический резонансный
ускоритель тяжелых заряженных частиц (например, протонов, ионов,
α-частиц), в котором управляющее магнитное поле постоянно, а
13
частота ускоряющего электрического поля медленно изменяется с
периодом. Движение частиц в фазотроне, как и в циклотроне,
происходит по раскручивающейся спирали. Частицы в фазотроне
ускоряются до энергий, примерно равных 1 ГэВ (ограничения здесь
определяются размерами фазотрона, так как с ростом скорости частиц
растет радиус их орбиты).
Синхротрон — циклический резонансный ускоритель
ультрарелятивистских электронов, в котором управляющее магнитное
поле изменяется во времени, а частота ускоряющего электрического
поля постоянна. Электроны в синхротроне ускоряются до энергий 5—
10 ГэВ.
Синхрофазотрон — циклический резонансный ускоритель
тяжелых заряженных частиц (протонов, ионов). В нем объединены
свойства фазотрона и синхротрона, т. е. управляющее магнитное поле и
частота ускоряющего электрического поля одновременно изменяются
во времени так, чтобы радиус равновесной орбиты частиц оставался
постоянным. Протоны ускоряются в синхрофазотроне до энергий 500
ГэВ.
Бетатрон — циклический индукционный ускоритель электронов,
в котором ускорение осуществляется вихревым электрическим полем,
индуцируемым переменным магнитным полем, удерживающим
электроны на круговой орбите. В бетатроне в отличие от
рассмотренных выше ускорителей не существует проблемы
синхронизации. Электроны в бетатроне ускоряются до энергий 100
МэВ. При W> 100 МэВ режим ускорения в бетатроне нарушается
электромагнитным излучением электронов. Особенно распространены
бетатроны на энергии 20—50 МэВ (выпускаются серийно).
Тема Электромагнитная индукция, трансформаторы
Трансформатор — это электромагнитный аппарат, служащий для
изменения напряжения и силы тока в цепях переменного тока.
Потребность в изменении основных величин тока возникает при
передаче и распределении электрической энергии. В любой цепи
имеются потери электрической энергии в связи с переходом части ее в
тепло. Эти потери энергии пропорциональны квадрату силы тока.
Кроме того, чем больше сила тока, тем больше должно быть сечение
проводов и, следовательно, больше расход проводниковых
материалов. Для повышения экономичности передачи необходимо
уменьшить силу тока. Для того чтобы передаваемая мощность при
этом осталась неизменной необходимо в том же соотношении
увеличить напряжение. В конечных точках передачи необходимо
снизить напряжение до уровня, требуемого для токоприемников; сила
тока при этом соответственно увеличивается. Эту задачу повышения и
14
понижения
напряжения,
сопровождаемые
соответствующими
изменениями силы тока, выполняют трансформаторы.
Трансформаторы изобретены в конце семидесятых годов
прошлого столетия. Первыми создателями трансформатора являются
выдающийся русский изобретатель — электротехник П. Н. Яблочков
и препаратор кафедры физики Московского университета И. Ф.
Усагин. Роль трансформаторов в электроэнергетике чрезвычайно
велика.
Изобретение
трансформатора
раскрыло
основное
преимущество электрической энергии: возможность дальней передачи
ее и экономичного распределения по огромным территориям, что
позволяет концентрировать производство электрической энергии на
мощных,
технически
совершенных
и
высакоэкономичных
электрических станциях. Применение трансформаторов открыло
возможность широкого использования гидроэнергетических ресурсов.
Помимо силовых трансформаторов, участвующих в передаче и
распределении потоков энергии, большое значение на современных
электроустановках имеют измерительные трансформаторы. Они
позволяют контролировать работу электроустановок, управление и
надежную защиту всех элементов установок при каких-либо
нарушениях нормального режима работы.
Принцип действия трансформатора. На рисунке 2, а дана
конструктивная схема однофазного трансформатора. Основными
конструктивными элементами трансформатора являются:
а) замкнутый стальной сердечник, служащий магнитопроводом;
б) первичная и вторичная обмотки, тщательно изолированные
электрически одна от другой и от сердечника, с разным числом
витков.
К первичной обмотке трансформатора подводится напряжение.
Магнитный поток Ф, замыкающийся по сердечнику, сцеплен с обеими
обмотками, как среднее звено трехзвеньевой цепи. Поток
пропорционален току и потому каждое изменение тока будет
сопровождаться изменением потока. При этом исчезающие или вновь
возникающие магнитные линии будут (как это видно из рисунка 2)
пересекать обе обмотки и по закону электромагнитной индукции
создавать в них э. д. с. При питании первичной обмотки переменным
током, изменения тока будут непрерывны и, таким образом, в обеих
обмотках будут непрерывно наводиться электродвижущие силы. При
замыкании вторичной обмотки на какое-либо сопротивление, э. д. с.
этой обмотки ε2 создаст ток i2: от вторичной обмотки будем, таким
образом, получать электрическую энергию.
Решающую роль в физическом процессе работы трансформатора
играет магнитный поток, связывающий первичную и вторичную
обмотки и переносящий энергию от первичной цепи к вторичной; в
15
первичной обмотке подведенная к ней электрическая энергия
превращается в магнитную, во вторичном обмотке и магнитная
энергия потока Ф превращается опять в электрическую энергию, но с
измененными параметрами.
Рисунок 2. Конструктивная схема однофазного
трансформатора
Как следует из сказанного выше, э.д.с. в обмотках
трансформатора создается только при изменениях потока Ф.
Поэтому трансформатор — аппарат только переменного тока.
Производительность
трансформатора
характеризуется
коэффициентом трансформации.
Таким образом, трансформатор имеет две раздельно замкнутые
электрические цепи. Цепь, к которой подводится напряжение,
называется первичной цепью, или первичной обмоткой
трансформатора; цепь, от которой получаем напряжение, называется
его вторичной цепью, или вторичной стороной. Рассматривай
раздельно явления в каждой из этих цепей и применяя к ним второй
закон Кирхгофа, можно найти соотношение между их э.д.с. и
напряжениями.
Трансформатор без вторичной обмотки аналогичен катушке со
стальным сердечником. Если вторичная цепь трансформатора не
замкнута, имеем режим холостого хода. При холостом ходе
трансформатора ток в его первичной обмотке тоже очень мал и в
первом приближении может быть принят равным нулю.
Тема Механические и электромагнитные колебания и волны.
Ограниченность мехнических и электромагнитных волн
Мир, окружающий нас, наполнен звуками. Безмолвие и
абсолютная тишина немыслимы в человеческой жизни. Органы слуха
человека способны воспринимать колебания с частотой от 15—20
герц до 16—20 тысяч герц. Механические колебания с указанными
частотами называются звуковыми, пли акустическими (акустика —
учение о звуке).
16
Звук — один из активнейших элементов живой и неживой
природы. Он является одним из наиболее важных факторов в
развитии человеческой цивилизации как универсальное средство
общения между людьми. Но есть много звуков, которые не
воспринимаются человеческим ухом. В быту их называют
неслышимыми, в науке — инфразвуком, ультразвуком, гиперзвуком.
Инфразвук еще мало изучен, ведутся поиски его практического
использования, в то время как области применения ультразвука уже
определены. Гиперзвук сравнительно недавно по-настоящему
заинтересовал ученых, и его практическое использование в науке и
технике все больше расширяется.
Были открыты поистине безграничные области его применения.
Можно сказать, что двадцатый первый век — век атома,
радиоэлектроники, космоса — стал и веком ультразвука.
Слышимые и неслышимые звуки — одно и то же физическое
явление. Разница между ними — только в диапазоне частот. Почему
же именно ультразвуковой диапазон частот привлек внимание
ученых и инженеров самых различных специальностей? Дело
ультразвук имеет некоторые особенности по сравнению со звуками
слышимого диапазона.
Распространение ультразвука в газах, жидкостях и твердых телах
сопровождается интереснейшими явлениями, многие из которых
находят практическое применение в различных областях науки и
техники. Сейчас ультразвук широко применяют в машиностроении,
металлургии, химии, радиоэлектронике, строительстве, легкой и
пищевой промышленности, горнорудном деле, сельском хозяйстве,
рыбном промысле, медицине, военном деле т.д.
Ультразвук строит и разрушает, режет и сверлит, штампует и
паяет, очищает, сортирует, стерилизует, разведывает. Текстильщикам
он помогает красить ткани, пищевикам экономить жиры и осветлять
соки, рыбакам находить косяки рыб, военным морякам обнаруживать
подводные лодки, медикам выявлять злокачественные опухоли,
машиностроителям определять в деталях скрытые дефекты. Его взяли
на вооружение геологоразведчики и нефтяники. Химики получают с
помощью ультразвука тонкие краски и различные эмульсии.
Применение ультразвука в металлургии привело к разработке
принципиально новой технологии. Благодаря ультразвуку стало
возможным синтезирование дисперсных сплавов и создание
антифрикционных материалов. Ультразвуковые устройства нашли
применение в радиоэлектронике и при исследовании состава и
свойств вещества в космосе. И это еще не все. Перечень применения
ультразвука можно продолжить.
17
Все большее значение приобретает ультразвук в научных
изысканиях.
Успешно
проведены
теоретические
и
экспериментальные исследования в области ультразвуковой
кавитации и акустических течений. Формируется новое направление
химии — ультразвуковая химия, позволяющая ускорять многие
химико-технологические процессы. Научные исследования в области
физики способствовали зарождению нового раздела акустики.—
молекулярной акустики, изучающей молекулярное взаимодействие
звуковых волн с веществом. Возникли новые области применения
ультразвука: интроскопия, голография, квантовая акустика,
ультразвуковая фазометрия, акустоэлектроника.
Твердый материал, сравнительно легко обрабатывается на
ультразвуковом станке. В настоящее время наметилось несколько
направлений использования ультразвуковых колебаний:
ультразвуковая
размерная
обработка;
совмещенная
ультразвуковая и электрохимическая обработка; снижение усилия
при механической обработке шаржированным инструментом;
- обработка свободным абразивом при ненаправленном
воздействии ультразвука; снижение усилии при обработке резанием;
ультразвуковая очистка поверхности шлифовального круга в
процессе работы на обычных шлифовальных станках;
- интенсификация электросварочной обработки с помощью
ультразвука; снижение усилий при пластической деформации
металлов и сплавов.
Ультразвуковые станки впервые появились в 1953 г. Их
наиболее ответственным элементом является акустическая головка,
состоящая из трех основных частей: электромеханического
преобразователя и рабочего инструмента.
Ультразвуковые станки не сразу заняли в промышленности
подобающее место. Мешало этому то, что они не давали нужной
точности. Кроме того, по мере углубления инструмента в материал,
резко падала производительность. Проблему решили ученые и сейчас
ультразвуковые станки заняли достойное место на производстве.
Тема Принципы получения голографий
Развитие голографии, принципы которой были разработаны в
1947 г. английским ученым Габором, является выдающимся
достижением в области лазерной техники. Известно, что голография
представляет собой метод получения объемных изображений путем
восстановления структуры световой волны, отраженной от предмета.
Метод голографической записи и воспроизведения изображений
коренным образом отличается от обычного фотографирования,
основанного на построении на фотопластинке плоского изображения
18
предмета с помощью оптических объектов по законам
геометрической оптики. При получении голограммы необходимости в
использовании объективов для построения изображений нет.
На самой голограмме не обнаруживается какого-либо сходства с
оригиналом: она выглядит как хаотически сложное распределение
черных и белых интерференционных полос, равномерно
расположенных по всей плоскости фотопластинки. Лишь с
появлением лазеров стало возможным получение четких и ясных
голограмм.
Чтобы получить голограмму, необходимо иметь две
интерферирующие монохроматические когерентные световые
волны. Одна волна обычно исходит от объекта и падает на
фотопластинку (объектная волна). Другая волна носит название
опорной (рисунок 3). Таким образом, в голографии, как и при
фотографировании, решается вопрос о записи информации,
носителем которой является световая волна, отраженная от
объекта.
Информация об объекте содержится частично в амплитуде
(амплитудная информация), частично в фазе волны (фазовая
информация). При фотографировании на пластинке (пленке)
фиксируется интенсивность волны (амплитудная информация об
объекте), тогда как в голографии на фотопластинке записывается и
амплитудная, и фазовая информация. Основным условием
получения высококачественных голограмм является высокая
когерентность опорной и объектной волн, что и достигается
применением лазера. Действительно, четкую интерференционную
картину на фотопластинке получают, используя для освещения
предмета и создания опорной волны один и тот же лазер.
На рисунке 3 приведена схема записи голограммы, которая не
требует особых пояснений, а на рисунке 4 — схема считывания
(воспроизведения) голограммы. При считывании голограммы
проявленную фотопластинку освещают тем же лазерным светом от
того же источника, который использовали ранее для получения
опорной волны и наблюдатель видит восстановленное изображение
предмета (объекта) во всех трех его измерениях.
Таким образом, можно сформулировать ряд важных положений:
1. Процесс голографии является двухступенчатым. На первой
стадии голограмму записывают, на второй — считывают. При
считывании голограммы воссоздается исходная объектная волна, как
если бы сам объект отражал свет. Информация об объекте
записывается интегрально: каждая точка видимой поверхности
объекта записывается по всей поверхности голограммы, и,
следовательно, информацию об объекте можно получить во многих
19
случаях даже от части поверхности голограммы. В отличие от
фотографии, метод голографии не требует применения линзовых
систем.
Голограмма
Объект
Рисунок 3. Схема записи голограммы
В последнее время все большее распространение получает так
называемая изобразительная голография, сформировавшаяся в
самостоятельное направление, под которым понимают весь комплекс
научных исследований и технику изготовления голограмм,
предназначенных для демонстрации в музейных экспозициях, на
выставках, в учебном процессе и в рекламных целях.
Метод получения объемных голограмм, предложенный Ю. Н.
Денисюком. Речь идет о методе получения отражательных объемных
голограмм, регистрируемых во встречных пучках и зафиксированной
им объемной картины.
Рисунок 4
20
Этот метод был предложен Денисюком в 1958 г. в его
кандидатской диссертации и осуществлен в первой голограмме (1962),
в которой интерференционная картина была записана не только по
поверхности, но и в глубине фотослоя и, согласно своему названию
(«голо» — полная, «грамма» — запись), отражала все стороны
Схема получения голограмм большого размера (до 1—2 м2) по
методу Денисюка, выглядит следующим образом: луч света от лазера с
помощью зеркала
и расширяющего пучок объектива освещает
фотопластинку и расположенный за ней предмет . Падающий на
пластинку свет является опорным пучком, а рассеянный предметом —
объектным.
Обычно схему собирают на каменных или металлических плитах
с пневматическими амортизаторами и на массивном основании. Для
создания нечувствительности к вибрациям, оказывающим в этой
схеме губительное действие на качество голограммы. Изображение
восстанавливают в свете, длина волны которого совпадает с
излучением лазера, создающего опорную волну.
Тема Новые источники излучения – лазеры. Физические
основы лазерного излучения
Использование лазеров в УТС предопределяется возможностью
фокусировки лазерного луча на площадку малых размеров (1-10-2 см
и меньше), высокой мощностью излучения, достигающей в
настоящее время 1013—-10'4 Вт (10—100 ТВт). Такая высокая
мощность лазерного излучения позволяет обеспечить колоссальное
удельное энерговыделение (~ 1016 — 1017 Вт/см3). Столь высокое
значение энергии в единичном объеме превосходит возможности
других источников энергии и дает возможность осуществить
мгновенный нагрев малых порций вещества до высоких температур и
значительных давлений, так как давление всегда пропорционально
тепловой энергии, приходящейся на единичный объем вещества.
Возникшая с появлением мощных лазеров физика УТС по мере
развития лазерной техники (увеличения мощности и энергии
когерентного излучения) накапливала все более и более удивительные
открытия и быстро превращалась в совершенно новую область науки.
Были открыты и изучены эффекты оптического пробоя (1964),
лазерного испарения вещества и передачи механического импульса
мишени (1964 1906), лазерного нагрева твердого вещества до высоких
температур (1964—1966), обнаружены термоядерные реакции в
плазме, образованные излучением мощного лазера (1968).
На повестке дня стоят проблемы создания лазерных систем
нового поколения (мегаджоульного уровня) для достижения
эффективной термоядерной вспышки и разработки термоядерного
21
реактора. Внедрение его в мировую энергетику и является конечной
целью лазерно-термоядерного направления науки и техники.
Тема Элементы физики твердого тела, полупроводники:
проблемы и перспективы
Полупроводниковые приборы нашли широкое применение в
различных отраслях народного хозяйства. В на стоящее время
трудно представить жизнь современней человека без телевидения,
радио. В телевизорах и других бытовых приборах нашли широкое
применение полупроводниковые приборы.
Полупроводниковый диод нашел себе применение во
множестве
областей.
Так,
фотодиоды
используют
для
преобразования световой энергии в электрический ток. На многих
установках и обрабатывающих станках стоят фотодиоды,
обеспечивающие безопасность рабочего: стоит лишь по
рассеянности протянуть руку в опасную зону, как световой луч
прерывается, и сигнал фотодиода мгновенно останавливает станок.
Фотодиоды в сочетании с электрическими счетчиками ведут
учет изготовленной продукции или количества пассажиров в метро.
Они могут контролировать параметры изготовляемой продукции. С
помощью полупроводниковой техники в настоящее время
электроэнергию можно получать непосредственно из различных
форм лучистой энергии — радиоактивной или тепловой.
Солнечные батареи очень удобны для спутников: в космосе
никогда не бывает пасмурно. Если полупроводниковый диод
расположить рядом с радиоактивным материалом, получим атомную
батарею, которая способна давать электрическую энергию в течение
многих лет.
До изобретения полупроводникового триода физика твердого
тела была главным образом теоретической университетской наукой и
являлась областью исследований специализированных институтов и
лабораторий. На примере стремительного развития исследований
полупроводников видно, как могут взаимно обогатить друг друга
«чистая» наука и практические разработки. Областей применения
полупроводников существует сейчас так много, что даже простой
перечень их занял бы много страниц.
Полупроводниками интересуются специалисты множества
областей. И не только специалисты. Полупроводники нужны всем.
Научно-технический прогресс немыслим без электроники,
использующей полупроводниковые приборы. В свою очередь,
интенсивное развитие электроники связано с появлением новых
разнообразных полупроводниковых приборов и интегральных схем,
которые находят широкое применение в автоматике, радиотехнике,
22
телевидении, в измерительной технике, биологии, вычислительной
технике и т. д.
Главным достоинством, вызвавшим такой большой интерес к
полупроводникам, является возможность создания в малом
пространстве таких функциональных элементов и целых схем,
которые работают практически безынерционно. Компактность и
быстродействие полупроводников позволили перейти на качественно
новый уровень исследований и работы, просто невозможный до
«полупроводниковой эры». Яркий тому пример — ЭВМ. Только с
использованием в них элементной базы на полупроводниках стали
они тем, чем являются сейчас, — подлинным катализатором научнотехнического прогресса.
Использование полупроводников позволило уменьшить размеры,
а также вес радиоэлектронной аппаратуры в десятки и сотни раз,
резко увеличить ее надежность. При создании полупроводниковых
устройств с заданными свойствами можно управлять распределением
примесей (мышьяка, бора, алюминия и т. д.) в кристаллических
решетках чистых кристаллов, которые могут при этом выступать в
роли диодов, триодов, конденсаторов, сопротивлений и т.д.
Влияние, которое оказала полупроводниковая электроника на
столь многие отрасли науки и техники, явилось, прямым результатом
появления возможности обработки с ее помощью огромного
количества информации любого сорта.
Особенностью современного этапа развития полупроводниковой
техники характеризуется в нашей стране большим объемом научноисследовательских и технологических работ, направленных на
совершенствование имеющихся и е.проводниковых приборов.
В последние годы активизировались фундаментальные
исследования тонких поликристаллических полупроводниковых
пленок.
Особенно
обещающим
остается
внедрение
полупроводниковых пленок, созданных методом облучения подложки
в высоком вакууме раздельными атомными и молекулярными
пучками от нескольких источников, интенсивность которых позволяет
выращивать пленки с заданным составом и свойством. Такой метод
нашел широкое применение при изготовлении полупроводникового
материала для специальных диодов — полевых транзисторов, лазеров
и интегральных оптических схем.
Современные интегральные схемы отличаются весьма
незначительными размерами составных элементов. Дальнейшая
миниатюризация включает в себя уменьшение линейных размеров
размещенных на пластинке элементов, ширины соединительных
линий и диаметров отверстий. Для размещения всех составных
элементов на пленке применяют литографический способ. Наиболее
23
употребительная форма литографии — фотолитография, при которой
фотоэкспозиция меняет свойства светочувствительного вещества
пленки. Световая экспозиция, естественно, не может передавать
изображение, размеры которого меньше, чем длина волны
используемого света. Поэтому еще недавно размеры порядка 1 или
0,5 мкм были крайним пределом размеров микроструктуры
интегральной схемы.
В настоящее время в качестве метода, обеспечивающего
создание значительно более тонкой структуры схемы, используют
электронный или протонно-ионный пучки.
Увеличение плотности элементов на единичной площади
монокристаллов приводит к уменьшению времени необходимого для
распространения сигнала от одной цепи к другой. Однако при этом
возникают новые сложности. Известно, что каждая схема превращает
определенное количество энергии в теплоту. Теплота, в конце концов,
должна быть вынесена из системы. При миниатюризации процесс
теплоотвода усложняется. Для обеспечения нормального охлаждения
монокристаллы должны быть разнесены, но это увеличивает время
прохождения сигнала от одного кристалла к другому.
Существует несколько интересных предложений для устранения
вышеуказанных
проблем.
Среди
них
—
переход
от
полупроводниковой техники к сверхпроводящей электронике,
предполагающий, что работа кремниевых устройств будет
происходить при низких температурах (обычно при 77 К), т. е. при
температуре кипения жидкого азота. При низких температурах
возрастает, прежде всего, проводимость. Понижение сопротивления
металлов позволит сделать более узкими соединительные линии и
снизит, таким образом, пространственные требования. При низких
температурах уменьшается мощность рассеяния энергии. А это
значит, что для обеспечения теплоотвода потребуется меньшая
площадь.
Еще над одним направлением в совершенствовании
полупроводниковой техники работают физики. Это замена кремния и
германия полупроводниковыми элементами III и V групп таблицы
Менделеева. Подвижность электронов в полупроводниковых
элементах этих групп значительно выше, чем в других. Так, в
сравнении с кремнием подвижность электронов в них в 20 раз
больше. В настоящее время арсенид галлия и фосфид индия уже
применяют в микроволновых транзисторах и интегральных
микроволновых схемах.
Полупроводниковую технику все шире и шире внедряют во все
отрасли народного хозяйства. Особенно это показательно для
развития микропроцессорной техники и ЭВМ, которые стали важным
24
и надежным инструментом в организации производства,
технологических процессов и в конструировании. Это обусловливает
необходимость ускоренного развития малых ЭВМ высокой
производительности, а также персональных ЭВМ, которые призваны
автоматизировать не только производственные процессы, но сделать
более производительными и инженерный труд, и учебный процесс на
всех уровнях, и быт людей.
Тема Актуальные вопросы ядерной энергетики
Целенаправленный поиск новых методов получения энергии —
характерная особенность научно-технического прогресса на данном
этапе. Энергетический кризис заставил интенсифицировать
разработки в этой области, в первую очередь проектов термоядерной
энергетики и методов прямого преобразования тепловой энергии в
электрическую
Будущее атомной энергетики зависит от решения двух основных
задач, связанных с повышением коэффициента полезного действия
ядерных энергетических установок. Дело в том, что такие устройства
для получения энергии как МГД-генераторы или термоядерные
реакторы, способны работать с большим КПД, чем любые другие. К
тому же МГД-установки могут использовать «пылевидный» уголь
самых низких сортов, а запасы топлива для термоядерных агрегатов
неограничены. Повысить же КПД атомных станций можно двояко.
Во-первых, увеличением температуры теплоносителя. Здесь
сразу серьезнейшая проблема — разработка конструкционных
материалов с особыми свойствами. Это требует времени и средств.
Нередко отсутствие нужных материалов — неявная, но главная
причина изменения первоначальных планов работ. Так, в Англии в
1969 г. работы по МГД-генерации были прекращены на
неопределенный срок именно из-за этого.
Во-вторых,
тепловую
энергию,
даже
сравнительно
низкотемпературного теплоносителя можно прямо использовать в
химических комплексах или даже в бытовой теплоэнергетике. И это
существенно сказывается на КПД.
Типичным тепловой элемент состоит из связанных вместе
стержней диаметром по 12,7 см. Стержень — большое количество
брикетов урана в оболочке. Брикеты в каждом отдельном стержне
имеют одинаковую концентрацию U235, но разные стержни в
топливной сборке могут содержать различный процент обогащенного
U235 (например, один стержень с концентрацией его 2,6%, а соседний с
ним — 2,2%). Эти концентрации выбираются исходя из особенностей
активной зоны реактора (в условиях полной загрузки топлива с его
25
структурными компонентами) и с учетом положения стержня в
элементе.
Большинство продуктов деления содержат слишком много
нейтронов, чтобы образовать устойчивые ядра. Распад этих ядер
сопровождается бета- и гамма-излучением. Очень небольшая часть
бета- и гамма-излучений «выходит» из реактора наружу. Остальная
часть излучения преобразуется в тепловую энергию. Это тепло
продолжает выделяться и после остановки реактора —
приблизительно 0,1% от мощности реактора после того, как он
охлаждался в течение 100 дней.
Переработка ядерного топлива — это извлечение делящихся и
воспроизводящихся материалов из использованных топливных
элементов. Для таких работ необходимы специальные заводы со
специальными средствами защиты окружающей среды. Каждый
завод, каждый реактор должен выдерживать ураганы, землетрясения,
наводнения и др.
Типичный перерабатывающий завод строится в основном из
армированного бетона. Толщина стен — от 1 до 1,5 м. Оборудование
размещено в отсеках, оно сделано из лучших сортов нержавеющей
стали и устойчивых к коррозии сплавов. Устройства для
радиоактивной
жидкости
изготовляют
из
цельносварных
конструкций. На таких заводах обязательно дистанционное
управление. Причем все измерительные приборы и органы
управления располагают в отдельных помещениях за изолирующими
стенами.
Ядерные отходы могут быть низкого и высокого уровня
активности. Отходы низкого уровня не выделяют такого количества
тепла или радиации, чтобы требовалось специальное охлаждение или
экранировка. Это почти побочные продукты работы АЭС, продукты
активации и деления, которые улавливаются ионообменными
смолами или фильтрами. Их отверждают, смешивая с бетоном или
асфальтом. В таком виде они удобны для захоронения. В группу
отходов с низким уровнем радиации входят также загрязненная
бумага, одежда, инструмент.
Отходы высокого уровня образуются в процессе переработки
топлива: некоторые продукты деления и небольшое количество
трансурановых элементов. Наиболее значительные продукты деления
— стронций Sr90 (период полураспада 28 лет) и цезий Cs137 (30 лет).
Недавно внимание было привлечено к йоду J129 (период полураспада
1.6Х107 лет), который присутствует в очень небольших количествах.
Куски арматуры, механически отделенные от топливных элементов,
также относятся к отходам с высоким уровнем радиации.
26
Было предложено много способов хранения отходов высокого
уровня, и большинство, увы, пришлось отвергнуть. Изучались
способы хранения их в твердом состоянии, в капсулах в естественных
солевых образованиях. Основное преимущество хранилищ такого
типа — минимальные затраты по надзору. Другое предложение —
переведенные в твердое состояние отходы упаковать в
экранированные многостенные контейнеры, вывезти в удаленные
охраняемые районы, где и установить на бетонированные подушки.
Площадь такого хранилища вплоть до 2000 г. не превысила бы 2,5
км2. В обоих случаях твердые отходы должны быть пропитаны
силикатным стеклом, у него чрезвычайно низкая способность к
выщелачиванию. Атомная электростанция мощностью 1000 МВт
будет потреблять около 1 т урана U235 ежегодно.
Отходы такой электростанции, после переработки отработанного
топлива, составляют около 28 м3. Для сравнения: тепловая
электростанция на твердом топливе потребляет ежегодно около 2,8
млн. т угля и производит при этом около 211 тыс. м3 золы.
С появлением возможности использовать энергию деления ядер
определилось генеральное направление ее применения —
электроэнергетика. Но даже если все электростанции перевести на
атомное горючее, эффект был бы не очень значительным:
потребление природного топлива уменьшилось бы лишь на 20%, а
расход нефти и газа и того меньше — лишь на 10% (поскольку около
половины электростанций работает на угле).
Возможности мирного использования атомной энергии, в
частности
тепла,
вырабатываемого
ядерными
реакторами,
практически безграничны. Вспомним физику процесса, который
лежит в их основе: в каждом акте деления выделяется огромная
энергия в форме кинетической энергии осколков ядер урана.
Первооткрыватели процесса деления назвали его поэтому
микровзрывом. Чем больше скорость деления в реакторе, тем большее
количество тепла возникает в твэлах и может быть передано
теплоносителю. Главное — обеспечить теплосъем необходимой
интенсивности, чтобы не вызвать перегрева и расплавления топлива с
аварийными последствиями.
К проектам ACT предъявляют дополнительные требования,
главным из которых является наличие мер, исключающих плавление
твэлов при повреждениях корпуса реактора. Наиболее опасной
является авария с разгерметизацией первого контура. Для исключения
обезвоживания активной зоны при таких авариях на ACT корпус
реактора размещают в герметичной шахте, рассчитанной на давление,
которое возникает в момент аварии, выбирают соответствующие
27
объемы корпуса и шахты реактора, используют быстродействующую
запорную арматуру и систему охлаждения активной зоны.
При таком выбросе дозы облучения щитовидной железы и
внешнего облучения критической группы населения на расстоянии 1
км от ACT будут порядка 10-2 мбэр. В результате любых аварий на
ACT индивидуальные дозы облучения населения не превысят 10-3
мбэр, коллективные дозы — 10-5 чел-бэр. Это составляет не более
тысячной доли процента дозы естественного радиационного фона!
Ближайшее будущее ядерной энергетики — широкое развитие
быстрых реакторов-размножителей — неизбежно связано с ростом
производства плутония и других трансурановых элементов (ТУЭ).
При переходе к замкнутому топливному циклу с использованием
регенерируемого урана и плутония и уран-плутониевой загрузкой
теплового реактора содержание ТУЭ в облученном топливе
возрастает более чем в 4 раза. При эксплуатации быстрого реактора
той же мощности ежегодные потоки плутония увеличиваются
примерно в 8 раз.
Ядерная энергетика в будущем найдет применение еще в одной
области народного хозяйства. Речь идет о применении
высокотемпературных газовых реакторов-бридеров в водородной
энергетике, в частности, для получения этого газа путем
термохимического или электролитического разложения воды.
Использование водорода в качестве восстановителя вместо кокса в
металлургических процессах позволит перевести эти процессы на
прямое восстановление металлов из руд. В результате резко
повысится качество стали и долговечность получаемых из нее
изделий.
Перевод металлургических процессов и транспорта, работающего
сейчас на углесодержащем горючем, на водород имеет очень важное
преимущество. При обычном сгорании водорода или сгорании его в
топливном элементе, а также при восстановлении руды образуется
вода, а кислорода на процесс горения потребляется столько, сколько
его образовалось при электролитическом разложении воды на
кислород и водород. Таким образом, ни обеднения атмосферы
кислородом, ни накопления в ней углекислого газа при реализации
таких технологических процессов происходить не будет. А в
результате прямого электрохимического восстановления железа из
руды атмосфера будет даже обогащаться кислородом, выделяющимся
на аноде».
Добавим к этому, что при сжигании водорода не образуются
токсичные продукты вроде углеводородов, угарного газа, окислов
серы Окислов азота образуется в 200 раз меньше, чем при сжигании
бензина. Выхлопные газы автомобиля, работающего на водороде, в
28
сущности, представляют собой чистые пары воды. При его
использовании
значительно
уменьшается
износ
двигателя.
«Водородный» двигатель в ряде случаев может быть примерно на 50%
эффективнее бензинового главным образом потому, что он работает
на обедненной смеси, имеет более высокую степень сжатия, очень
небольшое опережение зажигания и полное сгорание. Водород
заключает в себе гораздо больше энергии по сравнению с бензином.
Получение дешевого водорода — одна из важнейших перспектив
ядерной энергетики, путь вхождения ее в транспорт, металлургию и
химическую промышленность.
Судя по темпам исследований в области управляемого
термоядерного синтеза, успех близок. По мнению ведущих
специалистов, можно ожидать решения этой проблемы на физическом
уровне в течение ближайших лет. Уже сейчас закладываются основы
для перехода к следующему сложному и ответственному этапу:
инженерно-технологическому. Первые десятилетия нашего века
можно уверенно назвать началом эры термоядерной энергетики с ее
практически безграничными ресурсами.
Только развитие ядерной и термоядерной энергетики' может
обеспечить прогрессирующему человечеству любые потребные ему
количества энергии, изобилие промышленных и продовольственных
продуктов, чистый воздух и питьевую воду — таков магистральный
путь развития энергетики будущего
Тема Типы взаимодействий элементарных частиц
Согласно
современным
представлениям,
в
природе
осуществляется четыре типа фундаментальных взаимодействий:
сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.
Сильное, или ядерное, взаимодействие обусловливает связь
протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивает
исключительную прочность этих образований, лежащую в основе
стабильности вещества в земных условиях.
Электромагнитное
взаимодействие
характеризуется
как
взаимодействие, в основе которого лежит связь с электромагнитным
полем. Оно характерно для всех элементарных частиц, за
исключением нейтрино, антинейтрино и фотона. Электромагнитное
взаимодействие, в частности, ответственно за существование атомов и
молекул, обусловливая взаимодействие в них положительно
заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов.
Слабое взаимодействие — наиболее медленное из всех
взаимодействий, протекающих в микромире. Оно ответственно за
взаимодействие частиц, происходящих с участием нейтрино или
антинейтрино (например, β-распад, µ-распад), а также за
29
безнейтринные процессы распада, характеризующиеся довольно
большим временем жизни распадающейся частицы (τ ≥10-10 с).
Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения
частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц оно
пренебрежимо мало и, по-видимому, в процессах микромира
несущественно.
Сильное взаимодействие примерно в 100 раз превосходит
электромагнитное и в 1014 раз — слабое. Чем сильнее взаимодействие,
тем с большей интенсивностью протекают процессы. Так, время
жизни частиц, называемых резонансами, распад которых описывается
сильным взаимодействием, составляет примерно 10-23 с; время жизни
π° -мезона, за распад которого ответственно электромагнитное
взаимодействие, составляет 10-16с; для распадов, за которые
ответственно слабое взаимодействие, характерны времена жизни 10-10
— 10-8 с. Как сильное, так и слабое взаимодействия —
короткодействующие. Радиус действия сильного взаимодействия
составляет примерно 10-15м, слабого—не превышает 10-19м. Радиус
действия электромагнитного взаимодействия практически не
ограничен.
Для всех типов взаимодействия элементарных частиц
выполняется закон сохранения энергии, импульса, момента импульса
и электрического заряда.
Характерным признаком сильных взаимодействий является
зарядовая независимость ядерных сил. Как уже указывалось, ядерные
силы, действующие между парами р-р, n-n или р-n, одинаковы.
Поэтому если бы в ядре осуществлялось только сильное
взаимодействие, то зарядовая независимость ядерных сил привела бы
к одинаковым значениям масс нуклонов (протонов и нейтронов) и
всех π-мезонов. Различие в массах нуклонов и соответственно πмезонов обусловлено электромагнитным взаимодействием: энергии
взаимодействующих заряженных и нейтральных частиц различны,
поэтому и массы заряженных и нейтральных частиц оказываются
неодинаковыми.
Зарядовая независимость в сильных взаимодействиях позволяет
близкие по массе частицы рассматривать как различные зарядовые
состояния одной и той же частицы. Так, нуклон образует дублет
(нейтрон, протон), π-мезоны— триплет (π+, π-, π°) и т.д. Подобные
группы «похожих» элементарных частиц, одинаковым образом
участвующих в сильном взаимодействии, имеющие близкие массы и
отличающиеся зарядами, называют изотопическими мультиплетами.
Каждый изотопический мультиплет характеризуют изотопическим
спином (изоспином) — одной из внутренних характеристик адронов,
определяющей число (n) частиц в изотопическом мультиплете: n =
30
2I+1. Тогда изоспин нуклона (число членов в изотопическом
мультиплете нуклона равно двум), изоспин пиона I=1 (в пионном
мультиплете n = 3) и т.д. Изотопический спин характеризует только
число членов в изотопическом мультиплете и никакого отношения к
рассматриваемому ранее спину не имеет.
Исследования показали, что во всех процессах, связанных с
превращениями элементарных частиц, обусловленных зарядовонезависимыми сильными взаимодействиями, выполняется закон
сохранения изотопического спина. Для электромагнитных и слабых
взаимодействий этот закон не выполняется. Так как электрон,
позитрон, фотон, мюоны и нейтрино и антинейтрино в сильных
взаимодействиях участия не принимают, то им изотопический спин не
приписывается.
Список рекомендуемой литературы
1. Трофимова Т.И. Курс физики. - М. : Издательский центр
«Академия», 2004. - 560 с.
2 Савельев И.В. Курс общей физики. - М. : Наука, 1989. -Т.1. 350 с.
3. Савельев И.В. Курс общей физики. - М. : Наука, 1988. - Т.2. 496 с.
4. Савельев И.В. Курс общей физики. - М. : Наука, 1989. - Т.З. 496 с.
5. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. - М. :
Наука, 1996.- 622 с.
6. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. - М. : Высшая
школа, 2001. - 608 с.
7. Трофимова Т.И., Павлова З.Г. Сборник задач по общему курсу
физики с решениями. М. : Высшая школа, 2005. - 303 с.
31
2.
ЛАБОРАТОРНЫЕ
РАБОТЫ
ПО
СПЕКУРСУ
«ИЗБРАННЫЕ ВОПРОСЫ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ»
2.1 Определение удельного заряда электрона
I. Цель работы: исследование поведения заряженных частиц в
электрических и магнитных полях, ознакомление методом
магнетрона.
П. Оборудование: измерительная катушка, милливеберметр,
реостат, триод.
Ш. Теоретическое введение
Электрон элементарная частица, несущая отрицательный заряд.
Величина заряда электрона в настоящее время определена с
достаточной точностью и равна: е =(1,60096 ± 0,00009) 10-19 Кл.
Масса электрона равна m =(9,1085 ± 0,0006) 10-31 кг. В
экспериментах обычно определяют е/m и, по известному из других
источников значений элементарного заряда, определяют массу.
Удельный заряд является важнейшей характеристикой любой
заряженной частицы. Метод определения е/m в данной работе основан
на влиянии на движение электрона электрических и магнитных полей.
В данной работе удельный заряд электрона определяется методом
«магнетрона». Под действием электрического поля между катодом и
анодом движутся по радиальным траекториям (при отсутствии
магнитного поля). Если двухэлектродную лампу поместить в
аксиальное магнитное поле (на лампу надеть соленоид), то на
движущийся заряд будет действовать сила Лоренца:
Fл = еBvsin α
(1)
где В — индукция магнитного поля, е — заряд электрона, v —
скорость электрона.
Cила,
Лоренца всегда перпендикулярна
к
скорости,
следовательно α=90 градусов (sin α=1) и, следовательно, работы она
не производит, кинетическую энергию заряженной частицы не
изменяет, а значит не изменяет и величины ее скорости Магнитное
поле () только искривляет траекторию полета электронов и потому
сила Лоренца является центростремительной силой еBv=mv2/R, где Rрадиус кривизны траектории.
По мере усиления напряженности магнитного поля траектории
электронов будут все более искривляться, и при некотором
«критическом» значении магнитного поля (Нк,,Вкр) электроны
перестанут достигать анода и начиная с этого момента начнут
двигаться по замкнутым круговым траекториям. За «критическое»
значение напряженности (индукции) магнитного поля принимается то
минимальное значение напряженности (индукции) магнитного поля,
начиная с которой электроны не будут достигать анода (рисунок 1).
32
Рисунок 1
Скорость электронов можно определить из формулы работы
перемещения заряда от катода к аноду (при известной разности
потенциалов между катодом и анодом Uа). Эта работа равна
кинетической энергии электрона. По закону сохранения энергии
работа сил электрического поля будет равна приращению
кинетической энергии электронов. Для электронов с нулевой
начальной скоростью можно записать:
eU = mV2/2
(2).
Решая совместно (1) и (2) получим:
e/m = 4Ua/Bкр2 а2
(3).
1У. Описание установки и метода измерений
Рисунок 2
Магнетроном называется электронная лампа с накаливаемым
катодом, в которой поток электронов управляется одновременно
электрическим и магнитным полями.
Для этого трехэлектродная электронная лампа с цилиндрическим
анодом помещается в соленоид так, чтобы нить накала лампы (катод К), проходящая вдоль оси анода А, была параллельна оси соленоида
(рисунок 2).
Принципиальная схема установки приведена на рисунке 3. При
замыкании цепи анода лампы Л выключателем К1 в ней возникает
радиальное электрическое поле. При замыкании выключателем К2 в
цепи соленоида L в нем возбуждается магнитное пола, индукция
33
которого направлена вдоль его оси и перпендикулярна вектору Е
напряженности электрического поля (рисунок 3).
Рисунок 3
Электрическое поле увеличивает скорость электронов, летящих
от катода к аноду, магнитное поле изменяет ее направление.
Сетка лампы в установке соединена с анодом. Поэтому
электроны движутся ускоренно только в пространстве между катодом
и сеткой.
По данным, полученным при измерении анодного тока Iа для
Uа=const при увеличении тока соленоида Iс можно построить кривую
зависимости Iа=f(Iс). Вид кривой будет таким, как на рисунок 4.
Значение Bк можно найти по началу спада кривой.
Величина Bк может быть измерена с помощью милливеберметра.
Кольцевая измерительная катушка милливеберметра помещена на
соленоиде в той его части, где расположен триод. Если в соленоиде
установить ток Iкр, а затем его выключить, то
Магнитный поток через измерительную катушку измениться от
величины Ф = BкрSN до нуля (S -площадь витка, N - число витков
измерительной катушки). По изменению потока ΔФ = BкSN (до нуля),
получим
Bкр = ΔФ/SN
(4)
У. Порядок выполнения работы
1. Разобраться в схеме электрической цепи установки (рисунок3).
2. Замкнуть анодную цепь лампы Л и потенциометром R1
установить напряжение на аноде равное 60-100 в. Во время работы
поддерживать Uа постоянным.
3. Замкнуть цепь соленоида L и потенциометром R2 изменять ток
через каждые 0.1 А в пределах от 0 до 1,6 А. Величины токов
соленоида Iс заносить в таблицу. Одновременно следят за спадом
силы анодного тока 1а по миллиамперметру А в цепи анода.
Построить кривую Iа=f(Iс) и отметить начало спада кривой, найти Iкр.
4. Установив в соленоиде ток Iкр, подготовить к измерению
милливеберметр; выключателем К2 разомкнуть цепь соленоида, и по
отбросу указателя милливеберметра определить ΔФ.
5. Опыт повторить три раза. По среднему значению изменения
потока, используя (5), найти Bкр. Величины S, N и а указаны в
паспорте установки на стенде.
34
6. По формуле (4) вычислить - e/m.
7. Оценить точность полученного результата, используя
табличные, значения e и m.
8. Данные измерений и вычислений занести в таблицу 2.
Таблица 1
Uca
0
0,1 0,2
0,3
0,4 0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
IА, µа
Ic, mа
Таблица 2
№
S
Ед.изм
м2
N
Bкр
Ua
ΔФ
вб
-
Тл
в
e/m
∆e/m
опыта
ε
Кл/кг
%
Кл/кг
ε e/m
табличн
ый
Кл/кг
1
2
3
сред
Контрольные вопросы
1. По какой траектории движется заряд в магнитном поле при
произвольном направлении начальной скорости?
2. Является ли отношение e/m постоянным при любых Ua.
Почему?
3. выведите рабочую формулу (5).
4. Напишите формулу силы Лоренца. Изменяется ли скорость
частицы в электрическом полке? В магнитном поле?
5. Можно ли поставить триод таким образом, чтобы
электронный пучок не отклонялся?
35
2.2 Изучение газового гелий-неонового лазера
I. Цель работы: изучение физических основ получения
лазерного излучения, расчет его основных характеристик гелийнеонового лазера..
П. Оборудование: лазер, люксметр, линейка
Ш. Теоретическое введение
Лазер - это оптический квантовый генератор, излучающий
электромагнитные волны в области оптического диапазона. Лазерное
излучение обладает замечательными свойствами, отличающими его от
обычного света:
- монохроматичность;
- острая направленность (слабая расходимость пучка);
- высокая
плотность
энергии
вдоль
луча
(энергия,
приходящаяся
на
единицу
площади
излучающей
поверхности);
- когерентность;
- свет полностью поляризован.
Эти свойства позволяют применять лазерное излучение в самых
разных отраслях.
Виды излучения. Излучение возникает при переходе атома из
возбужденного в нормальное или менее возбужденное состояние.
Переходы могут происходить: спонтанно (самопроизвольно),
вынужденно (индуцирование), релаксационно.
Рассмотрим, при каких условиях возникают спонтанное и
вынужденное излучения. Выберем из энергетического спектра
системы атомов два энергетических уровня W1 и W2, причем W2>W1.
Число атомов системы, имеющих данную энергию, называется
населенностью.
Математически распределение населенности по энергетическим
уровням в системе атомов, находящихся в равновесном состоянии,
задается функцией Больцмана (на рисунок 1). Известно, что все
системы в природе стремятся к состоянию устойчивого равновесия,
которое характеризуется минимумом потенциальной энергии. Для
системы атомов это означает, что большая их часть находится в
состоянии с меньшей энергией, т.е. N1>N2. При любой температуре
энергетически более высокие состояния заселены меньше любого
низшего состояния.
Поглощение энергии системой сопровождается переходами
атомов с нижнего энергетического уровня на более высокий,
излучение наоборот. При этих переходах каждый атом излучает
(поглощает) независимо от других, несогласованно, поэтому
излученные фотоны имеют произвольные фазы и поляризации и
36
вылетают из данной системы атомов в произвольных направлениях.
Волны, соответствующие этим фотонам, будут некогерентными,
рассеянными, с малой плотностью энергии.
Все источники света, кроме лазера, имеют излучающие системы с
распределением Больцмана атомов по энергиям, искусственным
путем можно привести систему атомов в неравновесное состояние с
антибольцмановским населением уровней, т.е. N2>N1.
Такое
неравновесное
состояние
называют
инверсией
(обращением) населенности. Поэтому среду, в которой осуществлена
инверсия населенностей между какими-либо уровнями, называют
иногда средой с «отрицательной» температурой. В реальной системе
такое быть не может.
Однако, в некоторых системах существуют такие возбужденные
состояния атомов, излучательные спонтанные переходы из которых
либо идут с малой вероятностью, либо вовсе запрещены. Время жизни
атома в таком состоянии велико и достигает порядка 10-3с. Такие
состояния атомов называют метастабильными.
Из этого состояния возможен индуцированный (вынужденный)
переход, если мимо атома, находящегося в возбужденном состоянии
пролетает фотон, энергия которого находится в резонансе с энергией
уровней WI и W2, этот фотон подталкивает возбужденный атом, и тот
«скатывается» в состояние с меньшей энергией, излучая фотон,
полностью идентичный фотону, вызвавшему переход той же частоты,
фазы, поляризации, что и летящий в том же направлении. Плотность
энергии такого излучения велика, т.к. излучаемая энергия приходится
на очень малую площадь.
Кроме этих переходов, возможен в твердых телах
релаксационный переход. Он не сопровождается излучением,
избыточная энергия передается кристаллической решетке, приводя к
усилению колебаний ее этомое в узлах, что приводит к нагреву всего
кристалла.
37
Взаимодействие излучения с веществом. условия получения
лазера. Если в систему атомов попадает фотон энергии, он может
быть поглощен любым из числа атомов N1 вызвать индуцированный
переход любого из числа N2 атомов. А.Эйнштейн показал, что
вероятность
перехода
пропорциональна
населенности
соответствующего энергетического уровня. Это значит, что среда с
равновесным (больцмановским) распределением атомов по энергиям
будет, в основном, поглощать попадающее в нее излучение. Всякая
среда называется оптически неактивной, коэффициент поглощения
ее положителен.
В среде с осуществленной инверсией населенностей (N2>N1.)
вероятнее индуцированные переходы, которые приводят к усилению
излучения. Среда с инверсией населенностей называется оптически
активной, ее коэффициент поглощения отрицателен. Ясно, что для
получения оптического квантового генератора - лазера, нужно
вызвать в среде инверсию населенностей. Процесс получения
инверсии между выбранными двумя уровнями является первым из
необходимых условий получения лазера на твердотельной или
газовой среде и называется накачкой. В твердотельных лазерах
накачка оптическая, то есть атомы возбуждаются вследствие
облучения крисстала электромагнитными волнами. В газовых лазерах
накачка обеспечивается, как правило, возбуждением атомов газовым
разрядом. Вторым необходимым условием получения лазера на любой
среде является наличие у нее метастабилъных состояний. Среднее
время жизни уровня, как уже говорилось, порядка 10 -8с. За это время
невозможно совершить накачку, так как уровень успеет
самопроизвольно разрушиться. Если же верхний из двух выбранных
для получения лазера уровней будет метастабильным (10-3с), можно
успеть населить его инверсно по сравнению с нижним, и прежде чем
система придет в равновесие (к распределению Болъцмана), в ней
можно вызвать индуцированное излучение с последующим усилением
его, то есть вызвать лазерный эффект.
Условием усиления и генерации индуцированного излучения третьим необходимым условием получения лазера - является наличие
оптического резонатора - системы параллельных зеркал с
диэлектрическими покрытиями. Оптический резонатор обеспечивает
обратную положительную связь (то есть возвращение вторичных,
вновь рожденных фотонов в активную среду в качестве первичных) и
избирательность излучения по частоте (коэффициент отражения
диэлектрических покрытий подбираются таким образом, чтобы
отражались волны нужной частоты и поглощались остальные).
Расстояние между зеркалами подбирается таким образом, чтобы
между идущей к зеркалу и отраженной волной выполнялось условие
38
интерференции 2dn = kλ, что приводит к резкому усилению
выходящей через зеркало электромагнитной волны.
Перечисленные условия являются общими для всех лазеров.
Отличаются лазеры: рабочей средой, способом накачки, конструкцией
резонатора, режимом работы.
В данной лабораторной работе рассматриваются принципы
работы и исследуются характеристики газового гелий-неонового
лазера, отличительной особенностью которого является острая
направленность, высокая монохроматичность, пространственная
когерентность и стабильность частоты излучения.
1У. Описание установки и метода измерений
Устройство лазера изображено на рис.2 Основой конструкции
лазера является длинная кварцевая трубка, торцы которой, срезаны
относительно оптической оси трубки под углом Брюстера, что
обеспечивает избирательность излучения по поляризации.
Длинная трубка выделяет фотоны, идущие по ее оси. Фотоны,
появляющиеся вследствие индуцированного излучения и летящие под
произвольный углом к оси, поглощаются стенками трубки. Таким
образом, выходящий пучок получается остропаправленным с высокой
плотностью энергии в сечении и малой угловой расходимостью.
Рисунок 2
I и 6 - частично прозрачные зеркала, плоское и
сферическое. Излучение выходит через плоское зеркало,
2 - кварцевая трубка, наполненная смесью гелия (100 Па)
и неона (10 Па). К концам трубки приклеены кварцевые
пластины под углом Брюстера. 4,5,3 - внешние
электроды, соединенные с генератором 7.
Оптическим резонатором является система зеркал, покрытых
многослойными диэлектриками с высоким коэффициентом отражения
для определенной длины волны λ.
Рабочей средой лазера является смесь газов гелия и неона,
взятых, соответственно, в соотношении 10:1 или 15:1. Излучающим
веществом является неон. С помощью высокочастотного генератора (с
частотой несколько десятков МГц и потребляемой мощностью 50 Вт)
в трубке устанавливается тлеющий газовый разряд.
39
В результате специального подбора парциальных давлений гелия
и неона, при правильном выборе диаметра газоразрядной трубки
устанавливается стационарная инверсия населенностей между
выбранными уровнями неона, и лазер работает в непрерывном
режиме. Фотоны, вызывающие индуцированное излучение, летят по
всевозможным направлениям; но те, которые летят вдоль оси трубки,
отражаются от зеркал оптического резонатора и, возвращаясь в среду,
вызывают генерацию в направлении оси, а остальные поглощаются
стенками трубки.
Многослойные диэлектрические покрытия зеркал позволяют
создать необходимый коэффициент отражения для данной длины
волны и возбудить тем самым генерацию на требуемой частоте.
Излучаемый в работе лазер работает в видимом диапазоне на волне
632,8 нм.
Основными характеристиками лазера, определяемыми в данной
работе, являются угловая расходимость пучка лазерного излучения;
выходная мощность (световой поток) лазера - энергия, излучаемая им
в единицу времени; число фотонов, излучаемых лазером в единицу
времени; зависимость светового потока от величины разрядного тока.
Ток разряда является важнейшей характеристикой работы лазера.
У. Порядок выполнения работы
1. Вывести регулятор тока нагрузки на минимум тока (повернуть
против часовой стрелки до упора). Включить тумблер "СЕТЬ".
Прогреть прибор.в течение 5 .минут, вывести регулятор тока нагрузки
в среднее положение и нажать кнопку "ПОДПИТ".
2. Определить расходимость «α» лазерного пучка в минутах. Для
этого на выходе пучка и на расстоянии L = 4-6 м от выхода (на стене)
определить диаметры пучка d1 и d2. Радианы перевести в минуты.
3. Определить световой поток лазера путем измерения
освещенности, создаваемой им на расстоянии L = 4-5-6 м. Для
измерения освещенности используется прибор - люксметр. Для
правильного пользования люксметром надо вырезать из плотной
бумаги отверстие, площадью Sотв. Если оно равно Sлаз,, то световой
поток будет определяться формулой:
Ф = (Елаз-Ефон)S,
где S – площадь пластинки люксметра, Елаз – освещенность, даваемая
лазером по показаниям люксметра, Ефон – освещенность дневного
света при выключенном лазере.
4. Рассчитать число фотонов, испускаемых лазером в единицу
времени. Так как Ф = nhν, то n = Ф/hν = Фλ/hc
Здесь λ - длина волны излучения лазера, λ = 632,3 нм, c - скорость
света, (c= 3*108 м/с).
40
Перевод световых единиц (лм) в энергетические (Вт) для
наблюдаемых длин волн производится по формуле:
Ф(Вт) = Ф(лм)/100
Таблица 1
№
L, м
Ед.изм
фон
1
2
3
4
Е,
лк
Ф,
лм
Ф, Вт
d
мм
n
Контрольные вопросы
1. Каковы общие принципы работы лазера?
2. Что такое спонтанное и вынужденное излучения? В чем их
отличие?
3. Что такое инверсная заселенность? Каким образом
осуществляется инверсная заселенность в лазере?
4. На каких спектральных линиях осуществляется генерация
лазере? Являются ли условия генерации на каждой линии
независимыми?
5. Какова роль резонатора в формировании геометрии выходного
пучка и его спектрального состава?
2.3 Исследование полупроводниковых диодов
I. Цель работы: изучить механизм образования р-n перехода, а
также физические процессы, приводящие к образованию прямого и
обратного токов в полупроводниковом диоде..
II. Оборудование: все необходимые для исследования приборы
смонтированы по схеме (рисунок 2).
III. Теоретическое введение
Электронно-дырочный переход, или как его называют р-n
переход, образуется на границе между полупроводниками с дырочной
(р-типа) и электронной (n-типа) проводимостью. Он представляет
собой некоторую область внутри кристалла на границе между двумя
его частями с разным типом проводимости и является основным
элементом во многих полупроводниковых приборах.
В кристалле р-типа основными носителями заряда являются
дырки, которые в основном образуются благодаря наличию в
кристалле акцепторной примеси. Не основными носителями в таком
кристалле являются электроны, которые образуются за счет
41
собственных атомов кристалла. В кристалле n-типа основными
носителями заряда являются электроны, которые образуются
благодаря наличию донорной примеси. Неосновными носителями
здесь являются дырки, которые образуются за счет собственных
атомов кристалла.
При создании электрического контакта между кристаллами через
него устремляются из одного кристалла в другой диффузионные
потоки свободных электронов и дырок. В кристалле р-типа
концентрация дырок значительно больше, чем в кристалле n-типа и
потому из первого во второй будут переходить преимущественно
дырки. По той же причине из кристалла n-типа в кристалл р-типа
будут преимущественно переходить электроны.
Электроны, перешедшие из кристалла n-типа в кристалл р-типа,
рекомбинируют здесь с дырками. Рекомбинация происходит в тонком
слое этого кристалла, прилегающем к границе кристаллов. В
результате рекомбинации отрицательный заряд ионов акцепторной
примеси в этом слое не компенсируется теперь положительным
зарядом дырок и весь слой заряжается отрицательно. В кристалле nтипа в результате рекомбинации электронов с перешедшими сюда из
кристалла р-типа дырками пограничный слой заряжается
положительно потому, что положительный заряд ионов в донорной
примеси не компенсируется отрицательным зарядом свободных
электронов. В области контакта, образуется двойной электрический
слой объемных зарядов, напряженность которого направлена от
кристалла n-типа к кристаллу р-типа.
Приконтактная область обладает большим электрическим
сопротивлением, так как концентрация свободных носителей заряда в
ней очень мала. Эта приконтактная область и называется р-n
переходом. Электрическое поле, возникшее в области р-п перехода,
препятствует дальнейшему переходу основных носителей заряда
через контакт.
Поток основных носителей заряда через р-n переход представляет
собой диффузионный ток /д. Одновременно с движением основных
носителей заряда, через р-n переход движутся не основные носители,
причем их поток противоположен потоку основных носителей
(электроны переходят из кристалла р-типа в кристалл n-типа, а дырки
— в противоположном направлении). Не основные носители заряда не
встречают потенциального барьера в области р-n перехода, наоборот,
если благодаря тепловому движению не основной носитель заряда
попадет в область р-n перехода, то электрическое поле в нем
способствует его движению из одного кристалла в другой. Поток не
основных носителей через р-n переход создает дрейфовый ток /н. В
условиях равновесия токи /д и /н по абсолютной величине равны, а так
42
как они направлены в противоположные стороны, то результирующий
ток через переход / = /д + /н = 0.
Внешнее напряжение, приложенное к р-п переходу, нарушает
равновесие, и следовательно, результирующего тока через р-n
переход, в этом случае, не будет. Внешнее напряжение будем считать
положительным (U>0), если потенциал кристалла р-типа больше,
чем кристалла n-типа. В этом случае внешнее электрическое поле в
р-n переходе направлено против «контактного», а следовательно,
уменьшает его напряженность и уменьшает высоту потенциального
барьера. Внешнее напряжение будем считать отрицательным (U<0),
если потенциал кристалла n-типа больше, чем потенциал кристалла
р-типа. В этом случае внешнее электрическое поле направлено так
же, как и контактное, и, следовательно, увеличивает высоту
потенциального барьера. Положительное внешнее напряжение
называют также прямым, а отрицательное — обратным.
Когда к р-n переходу приложено обратное напряжение (U<0),
высота потенциального барьера увеличивается, что еще больше
затрудняет переход основных носителей заряда через контакт. Через
переход пойдет ток, образованными не основными носителями,,
который называется обратным током. При комнатной температуре он
очень мал.
Когда к р-n переходу приложено прямое напряжение (U>0),
высота потенциального барьера уменьшается и открывается
возможность перехода через р-n переход потока основных носителей.
Они образуют прямой ток.
Зависимость тока через р-n переход от приложенного к нему
напряжения называется его вольтамперной характеристикой
(рисунок 1) где U — внешнее напряжение, приложенное к р-п
переходу с учетом знака.
Рисунок 1
1У. Описание установки и метода измерений
В
работе
снимаются
вольтамперные
характеристики
полупроводниковых
диодов
и
определяется
коэффициент
выпрямления.. Принципиальная схема установки приведена на
43
рисунке 2. Здесь R1— потенциометр, позволяющий изменять величину
напряжения, подаваемого на исследуемый диод; П — переключатель
полярности тока, подводимого к диоду; Вк2 — переключатель приборов
на прямое и обратное направление;
Рисунок 2
Вк3 — переключатель, подающий напряжение на один из диодов;
тА —амперметр с двумя шкалами: 0 - 20 ма для прямого тока, 0-100
мка для обратного тока; V — вольтметр с диапазонами: 0 - 2в при
прямом включении, 0 - 20 в— при обратном. Необходимая температура
устанавливается переключателем регулятора температуры.
У. Порядок выполнения работы
1. Перед включением установки в сеть ставят: тумблер «сеть» в
положение «выключено»; ручку регулировки напряжения R1 в крайнее
левое положение (повернуть до отказа против часовой стрелки);
переключатели П («полярность») и Вк2 (переключатель приборов) в
положение «прямое». Включают установку в сеть. Тумблер «сеть»
ставят в положение «включено».
2. Изменяя величину приложенного напряжения в пределах от 0
до 1,3 б через 0,1 в, определяют каждый раз ток, проходящий через
диод, по шкале 0-20 ма.
3. Перед снятием зависимости тока от напряжения в обратном
направлении напряжение надо выключить (ручку регулировки
напряжения повернуть против часовой стрелки до отказа). Все
переключения (приборов и диодов) производить только при нулевом
показании вольтметра (ручка R1 выведена влево).
4. Сначала переключатель П, а затем Вк2 ставят в положение
«обратное». Изменяя напряжение в пределах 0-8 в через 1в, определяют
ток в микроамперах (шкала 0-100 мка) диодов (пункты 2, 3).
5. На одном графике строят вольтамперные характеристики при
прямом и обратном включении исследуемого полупроводникового
диода при комнатной температуре.
9. Вычисляют коэффициент выпрямления (К), (отношение прямого
тока к обратному при одинаковых абсолютных значениях напряжения)
для
исследуемых
диодов.
Пользуясь
вольтамперными
характеристиками диодов можно построить зависимость коэффициентов
выпрямления от напряжения, приложенного к диоду.
44
Таблица 1
U,в
Iпр, ма
Iобр, мка
К
Контрольные вопросы
1. Что
представляет
собой
собственная
проводимость
полупроводников?
2. Как влияют примеси на электропроводность полупроводников?
3. Как возникают дырочная и электронная примесные
проводимости полупроводников? Примесные энергетические уровни.
Полупроводники n-типа и р-типа.
4. Электронно-дырочный
переход.
Влияние
внешнего
электрического поля на свойства - р-n перехода (прямое и запорное
направления).
2.4 Определение ширины запрещенной зоны полупроводника
I. Цель работы: ознакомление с элементами зонной теории
твердых, измерение температурной зависимости электропроводности
металлов и полупроводников.
П. Оборудование: исследуемые образцы, мост переменного тока,
измерительные зонды, микронагреватель, термопара.
Ш. Теоретическое введение
При объединении атомов в кристаллическое тело структура
энергетических уровней электронов претерпевает важные изменения.
Эти изменения почти не затрагивают наиболее глубоких уровней,
образующих внутренние, заполненные оболочки. Зато наружные
уровни коренным образом перестраиваются. При сближении атомов
эти энергии начинают расходиться (расщепляются) и образуют зоны,
разделенные запрещенными зонами (рисунок 1). Ширина зон
определяется величиной связи между атомами и не зависит от числа
атомов в кристалле.
Электропроводность кристаллов определяется распределением
электронов по уровням. В изоляторах электроны доверху заполняют
последнюю из занятых зон, называемую валентной зоной. Следующая
разрешенная зона (зона проводимости) не содержит электронов.
Ширина запрещенной зоны, разделяющей валентную зону и зону
45
проводимости, велика, так что электроны в обычных условиях не
могут ее «перепрыгнуть» (рисунок 2).
Рисунок 1. Расщепление энергетического уровня и образование
энергетических зон в твердом теле
В металлах электроны лишь частично заполняют последнюю из
занимаемых зон, и в ней имеются свободные состояния. В присутствии
поля электроны зоны могут занимать эти состояния, что равносильно
получению электронами импульса «против поля», и кристалл проводит
ток.
К полупроводникам относятся вещества, которые при низких
температурах являются изоляторами. Они отличаются от обычных
изоляторов небольшой шириной запрещенной зоны. Уже при
нормальных температурах тепловое движение перебрасывает часть
электронов из валентной зоны в зону проводимости. При этом
электропроводность возникает как в зоне проводимости, так и в
валентной зоне. В зоне проводимости она определяется
присутствующими там электронами (электронная проводимость). В
валентной зоне проводимость становится возможной из-за появления
свободных состояний, часть из которых (соответствующих нужному
направлению тока) может быть занята электронами зоны (дырочная
проводимость).
Величина электропроводности в полупроводниках определяется
числом электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне (эти
числа в чистых полупроводниках, конечно, равны друг другу).
Электропроводность полупроводника зависит от температуры:
ν = ν0exp-(ΔE/2kT)
(1).
Величина обратная электропроводности – это сопротивление: R=1/
ν. Тогда в полулогарифмическом масштабе:
ℓп(R) = ΔE/2kT
(2)
46
ΔE= Δℓп(R)/ 2kΔT = (ℓп R1- ℓп R2)/ 2k(T1-Т2 )
Рисунок 2
в)диэлектрика
Зонные
схемы:
а)металла,
(3)
б)полупроводника,
Формула (2) показывает, что график должен иметь вид прямой
линии с наклоном. ΔE/2kΔT (рисунок 3). Наклон прямой позволяет,
таким образом, определить ширину запрещенной зоны ΔЕ по формуле
(3).
Рисунок 3
1У. Описание установки и метода измерений
Принципиальная схема установки, служащей для измерения
электропроводности полупроводников компенсационным методом,
приведена на рис.4. Через полупроводниковый образец пропускается
постоянный ток. При помощи зондовых электродов1 и 2 с части
образца снимается падение напряжения Uх, которое измеряется
компенсационным методом. Когда падение напряжения на рабочей
части потенциометра П окажется равно напряжению между зондами, ток
через гальванометр прекращается.
47
Рисунок 4
На рисунке 4 изображены электрическая схема установки для
измерения электропроводности полупроводников и снятия зависимости
R=f(Т) в диапазоне от комнатной температуры до 120 - 150° С.
Рабочий ток устанавливается с помощью потенциометра и реостата
(точно) и регистрируется микроамперметром. Переключатель П1
служит для изменения направления тока через образец, а
переключатель П2 — для последовательного подключения эталонного
сопротивления Rэт образца к измерительному потенциометру Р-307.
Индикатором равновесия моста потенциометра является
гальванометр Г (М-95). Для снятия температурной зависимости R=f(Т)
образец помещается в нагревательную печь, включаемую через реостат
в сеть переменного тока 220 В. Температура образца измеряется
термопарой. Градуировочный график находится около установки.
У. Порядок выполнения работы
1. Сбалансируйте мост. Балансировка производится с помощью
магазина сопротивлений R2. В положении баланса сигнал на
гальванометре моста показывает ноль. Запишите величину
сопротивления R2.
2. Измерьте температуру образца с помощью термопары
3. Включите нагреватель печи и, медленно повышая температуру (с
помощью реостата Rn), измерьте, как изменяется сопротивление R в
зависимости от температуры образца. Измерения производятcя через
48
каждые 10°С от комнатной температуры до 120 - 150° С.
4. Используя соотношение (2), постройте график зависимости
R(Т).
5. Постройте график зависимости 1пR =f(1/Т). По наклону
графика (в высокотемпературной части кривой) определите ширину
запрещенной зоны исследуемого полупроводника по рабочей
формуле (3) в электронвольтах..
6. Оцените погрешность полученного результата.
Таблица 1
№
R
ом
1
2
3
Т
1пR
Δ1пR
К
ΔE
ΔE
джоуль эв
Контрольные вопросы
1. Каковы особенности зонной структуры полупроводников,
диэлектриков и металлов?
2. Какова температурная зависимость удельного сопротивления
полупроводников и металлов?
3. Какова температурная зависимость подвижности свободных
носителей заряда в металлах и полупроводниках?
4. Каковы особенности собственной и примесной проводимости
полупроводников?
5. Почему для измерения падения напряжения на образцах и
Rэт используется компенсационный метод?
6. Как используется термопара для измерения температуры?
2.5 Изучение счетчика Гейгера-Мюллера
I. Цель работы: изучить процессы, происходящие в камерах
счетчиков, ознакомиться с принципом работы и устройством счетчика
Гейгера-Мюллера.
П.
Оборудование:
счетчик
Гейгера-Мюллера,
УИП,
радиоактивный препарат.
Ш. Теоретическое введение
Основными элементами счетчика является камера, заполненная
инертным газом и электроды, на которые подается напряжение.
На
рисунок
1 представлена счетная
характеристика
ионизационного детектора, где можно проследить процессы,
происходящие в камерах детекторов в зависимости от приложенного
49
напряжения. Вначале, с увеличением напряжения сила тока,
увеличивается пропорционально числу частиц в камере. Рост тока
происходит вследствие того, что при таких напряжениях ионы не
успевает рекомбинировать в нейтральную молекулу, прежде чем
достигают электрода.
В этой области можно регистрировать как отдельные частицы,
так и для измерения их интегральных потоков. Они достаточно
просты, имеют высокую эффективность регистрации, позволяют
оценивать энергию частицы. Однако временное разрешение
ионизационных камер невелико и амплитуда тока мала, что приводит
к необходимости усиления сигнала и делает амплитуду
чувствительной к помехам и шумам.
Рисунок 1
С увеличением, напряжения происходит дальнейший рост тока.
Это объясняется тем, что напряженность поля вблизи анода
становился настолько большой, что кинетической энергии
движущихся к аноду электронов оказывается достаточно большой,
что происходит вторичная ионизация. В результате на анод вместо
первичных электронов приходит лавина из ионизированных
электронов, амплитуда сигнала велика и в ряде случаев не требуется
усиления. Коэффициент газового усиления в пропорциональной
области не зависит от первичной ионизации, поэтому сигнал
пропорционален числу первичных ионов и, следовательно, энергии
регистрируемой частицы.
При больших напряжениях, имеется сильная зависимость
сигнала от состава газовой смеси, приложенного напряжений и
потому отсутствует строгая пропорциональность числу первичных
частиц. Соответствующий участок кривой практического значения не
имеет.
50
При дальнейшем увеличении напряжения, начиная с некоторого
значения, газовый разряд возникает даже при появлении хотя бы
одной пары ионов в рабочем объеме. При этом усиление столь
велико, что величина выходного импульса не зависит от числа
первичных ионов. Соответствующий участок кривой называется
«платом счетчика» или «областью Гейгера», а детекторы, работающие
в этой области, счетчиками Гейгера-Мюллера.
При напряжениях, более высоких, появляется большое
количество ложных импульсов, которые, в конце концов, переходят в
сплошной разряд без всякого внешнего ионизирующего излучения за
счет высокого напряжения. Таким образом, при попадании в счетчик
Гейгера-Мюллера ионизирующей частицы, возникает коронный
разряд, распространяющийся вдоль нити. Очень сложный процесс
разряда в области плато можно приблизительно описать следующим
образом.
Электроны, возникающие в процессе первичной ионизации,
создают густое облако вторичных ионов вблизи анода за счет ударной
ионизации. В виду большой подвижности свободные электроны за
очень короткий промежуток времени попадают на анод, уменьшая
тем самым напряженность электрического поля настолько, что
ударная ионизация становится невозможной и электронная лавина
немедленно обрывается. Однако, в течение определенного времени
ионы перемещаются к катоду и при нейтрализации образует там
вторичное электроны, которые в свою очередь при движении к аноду
выбивают новую лавину, в результате могут появляться
запаздывающие разряды или возникать колеблющийся коронный
разряд. Для регистрации
последующей частицы этот разряд
необходимо погасить. В зависимости от способа гашения различают
несамогасящие и самогасящие счетчики.
1У. Описание установки и метода измерений
Счетчики Гейгера-Мюллера (самогасящие). Гашение разряда
в самогасящих счетчиках осуществляется путем введения в газ паров
какого-нибудь сложного органического вещества (спирта, ацетона и
др.). Многие сложные молекулы непрозрачны для ультрафиолета и не
дают соответствующим квантам достичь катода. Энергия,
освобождаемая ионами у катода, в присутствии таких молекул
расходуется не на вырывание электронов, а на диссоциацию этих
молекул. Возникновение самостоятельного разряда в этих условиях
становится невозможным, а величина лавины ограничивается
пространственным зарядом положительных ионов. Для прекращения
самостоятельного разряда достаточно небольших примесей
многоатомных газов (около 10%).
51
В отличие от несамогасящих счетчиков, самогасящий счетчик
способен зарегистрировать лишь ограниченное количество
импульсов; оно составляет обычно несколько миллионов. За это
время существенная часть многоатомных молекул успевает
диссоциировать, и счетчик становится непригоден к работе.
Разряд в самогасящих счетчиках заканчивается за время порядка
-7
10 сек, однако чувствительность его восстанавливается только после
того, как положительные ионы уйдут достаточно далеко от нити
(полная чувствительность достигается лишь после их нейтрализации
на катоде). Время полной нечувствительности счетчика называется
обычно мертвым временем счетчика.
Мертвое время счетчика зависит от геометрии счетчика и от
подвижности ионов, которыми наполняют счетчик и составляет около
10-4 сек. В области Гейгера- Мюллера частицы с любой энергией,
попадающие в счетчик, вызывают значительный импульс тока.
Напряжение, при котором начинается счет частиц, называется
пороговым напряжением. Пороговое напряжение зависит от газа наполнителя. Рабочий участок характеристики (плато счетчика)
представляет
собой
линейный
горизонтальный
участок
протяженностью от нескольких десятков до нескольких сот вольт. На
плато число импульсов практически пропорционально числу
ионизирующих частиц, попадающих в счетчик.
У. Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с приборам и электрической схемой
регистрирующей установки. Включить приборы УИП в сеть и
дать им прогреться.
2. Поместить радиоактивный препарат-под счетчик ГейгераМюллера. Найти пороговое напряжение счетчика Гейгера- Мюллера.
Для этого повышать постепенно напряжение на счетчике до тех пор,
пока он не начнет регистрировать импульсы. Пороговое напряжение
занести в первую графу таблицы.
3. Снять счетную характеристику счетчика. Результаты
измерений занести в таблицу. Определить скорость счета для всех
напряжений п = N/t. Построить счетную характеристику
4. Определить интервал рабочих напряжений счета.
Таблица 1
U,в
N,
имп
n,им
п/сек
Контрольные вопросы
52
1. Охарактеризуйте методы регистрации ядерного излучения;
2. Проанализируйте
вольтамперную
характеристику
газоразрядного счетчика;
3. Изучите устройство и принцип действия счетчика ГейгераМюллера;
4. Что такое счетная характеристика счетчика?
5. Для чего снимается счетная характеристика счетчика?
2.6 Определение энергии альфа-частиц по пробегу в воздухе
I. Цель работы: изучение теории α-распада, взаимодействия
альфа-излучения с веществом.
П. Оборудование: радиоактивный препарат (альфа-приставка),
пересчетный механизм ПЭС-54.
Ш. Теоретическое введение
Альфа-излучение представляет собой поток ядер атомов гелия
4
He2 , содержащих два протона и два нейтрона. Следовательно, при αраспаде заряд материнского ядра уменьшается на две единицы, а
массовое число А на четыре единицы. В результате, дочернее ядро
оказывается смещенной на две клетки влево в таблице ,Менделеева:
XZA → YZ-2A + He24
Указанное соотношение называют правилом смещения.
Энергия альфа-частиц, испускаемых тяжелыми ядрами, лежит в
пределах от 4 Мэв до 9 МэВ. С другой стороны, из опытов по
рассеянию известно, что высота потенциальных барьеров, за
которыми находятся α-частицы в ядрах, больше этих величин. Так,
например, для ядра урана высота потенциального барьера (9,8 Мэв)
более, чем в два раза превышает энергию вылетающих α-частиц (4,2
МэВ).
Таким образах, с точки зрения классической физики, вообще
непонятно, каким образом без внешнего воздействия появляются αчастицы. На самом деле здесь имеет место чисто квантовое явление,
называемое туннельным эффектом и обусловленное волновой
природой микрочастиц. В квантовой механике доказывается, что
всегда есть вероятность «просачивания» частицы с меньшей энергией
через более высокий потенциальный барьер.
При прохождении α-частицы через вещество потеря ее энергии
обусловлена столкновениями с электронами атома. Длина свободного
пробега α-частицы в основном зависит от ее энергии, плотности
поглотителя и для воздуха неплохо описывается эмпирическим
соотношением
l = 0,320Е/2,
53
где энергия α-частицы ~Е измеряется в мегаэлектронвольтах, а длина
пробега l в сантиметрах.
1У. Описание установки и метода измерений
Для регистрации α-частицы используется сцинтилляционные
счетчики, которые являются надежным способом обнаружения
частиц, обладающие способностью регистрировать слабые вспышки в
сцинтилляторе.
Сцинтилляторами называются такие вещества, которые под
действием заряженных частиц испускают фотоны (люминесценция) в
видимой или ультрафиолетовой части спектра. В сцинтилляторе
спектр испускания должен быть сдвинут относительно спектра
поглощения, чтобы вероятность обратного поглощения испускаемых
фотонов самим же сцинтиллятором была мала.
Развитие сцинтилляционного метода стимулировало изучение
люминесцентных процессов, известны различные сцинтилляторы в
твердом, жидком и газообразном состояниях. Часто в кристалл как
сцинтиллятор вводят атомы примесных веществ - активаторов для
повышения световыхода кристалла.
В настоящей работе использован сцинтиллятор, схема которого
изображен на рисунке 1. Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) служит
для преобразования световых вспышек сцинтиллятора в импульсы
электрического тока (рисунок 1).
Свет сцинтилляции вырывает из фотокатода электроны, которые
фиксируются на первый динод ФЭУ.. Эти электроны выбивают из
первого динода вторичные электроны, число которых еще больше и
они направляются в следующий динод. Усиленный таким образом
поток электронов собирает анод. Полный коэффициент усиления
ФЭУ зависят от числа динодов и ускоряющего напряжения.
Рисунок 1.
1-сцинтиллятор; 2 - светопровод; 3 - фотокатод; 4диафрагма; 5-диноды; 6 - делители напряжения; 7 - анод
У. Порядок выполнения работы
1. Тумблер «сетъ» повернуть в положение «сетъ», при этом
54
загорится сигнальная лампочка. Напряжение на вольтметре
универсального источника питания не должно превышать 1500 в.
2. Тумблер "контр.","раб." должен стоять в положении "раб".
3. Нажатием кнопки механического счетчика ПЭС-54 поставить
его на нуль.
4. Винт на α-приставке завернуть до отказа, сделав тем самым
расстояние от -источника частиц до сцинтиллятора минимальным,
равным 2 см.
5. Нажатием кнопки "пуск" на часах одновременно включить
счетный прибор и секундомер.
6. Через 2 мин, нажатием кнопки "пуск", прекратить счет.
7. Снять показания счетного механизма
8. Общее число импульсов занести в таблицу 1.
9. Сбросить показания счетного механизма той же кнопкой "пуск",
а на механическом счетчике - рукой. Прибор готов к следующему
измерению.
10. Опустить винт α-приставки на 0,3 мм (шаг винта 1 мм).
11. Произвести замер активности альфа-излучения на этом
расстоянии.
12. Аналогичным образом провести измерения, каждый раз
увеличивая расстояние на 0,3 мм, вплоть до момента, пока счет не
прекратиться.
13. Построить график N = f(R). С удалением сцинтиллятора от
источника альфа-излучения, энергия частиц уменьшается, вплоть до
полного поглощения его воздухом в α-приставке. Длина свободного
пробега альфа–частицы в воздухе определяется по расстоянию между
поверхностью препарата положением сцинтиллятора относительно
источника, по этой причине скорость счета также убывает.
14. Для расчета энергии а - частиц можно использовать максимальный
пробег частиц (Rmax), вплоть до полного поглощения его воздухом в αприставке, который определяется из графика.
15. Энергия частиц Е подcчитывается по формуле:
Е =в l max 2/3, где в=1/а, (а=9.7 10-28 г-2/3 см-2)
16. Оценить период полураспада радиоактивного препарата.
Таблица 1
R, см 2
2,3
N
2,6
2,9
Контрольные вопросы
1) Что представляет собой α-частица?
55
т.д.
2) Каков механизм α-распада?
3) Что такое коэффициент прозрачности потенциального барьера?
4) От чего зависит длина пробега в веществе?
5) В каких процессах теряют свою энергию α-частицы при
прохождении через вещество?
2.7 Определение энергии гамма-излучения методом
поглощения
I. Цель работы: изучение механизма получения γ-излучения и ее
свойств, исследование закона поглощения гамма-излучения
веществом.
П. Оборудование: пересчетный прибор ПП-16, источник γизлучения, секундомер, система свинцовых пластинок различной
толщины.
Ш. Теоретическое введение
Гамма-излучение - это электромагнитное излучение с
чрезвычайно малой длиной волны настолько, что ее волновое
свойство проявляется слабо. Поэтому γ-излучение рассматривается
как поток частиц γ-квантов. Этот вид излучения испускает дочернее
ядро, которое появилось в результате распада материнского ядра.
Дочернее ядро в момент своего образования, оказываясь
возбужденным, за время примерно 10-13 – 10-14 с., переходит в
основное с испусканием γ-излучения. Гамма излучение не
самостоятельное излучение: оно сопровождает и альфа-распад, и бетараспад.
При γ-излучении заряд и массовое число не изменятся.
Гамма-излучение
обладает
большой
проникающей
способностью. Ослабление γ-излучения в- веществе обычно
характеризуется линейным коэффициентом ослабления μ.
Взаимодействие γ-излучения с веществом осуществляется в
результате трех основных процессов: фотоэффекта, эффекта
Комптона и рождения электронно-позитронных пар.
Фотоэффект является преобладающим механизмом поглощения в
области малых энергий γ-квантов (Е<100 кэВ). Фотоэффект может
происходит только на связанных электронах, так как свободный
электрон не может поглотить γ-квант.
По мере увеличения энергии γ-кванта (Е = 0,5МэВ) потеря
энергии происходит за счет комптоновского рассеяния.
При Е>1,02 МэВ становится возможным процесс образования
электронно-позитронных пар.
1У. Описание установки и метода измерений
56
Гамма излучение пропускают через набор свинцовых пластинок и
затем определяют его интенсивность. Для регистрации гаммаизлучения применяется счетчик Гейгера-Мюлллера.
Напряжение на счетчик подается от высоковольтного
выпрямителя. При прохождении частицы через счетчик в нем
возникает разряд и на сопротивлении R, соединенном
последовательно со счетчиком, возникает импульс напряжения. Эти
импульсы сосчитываются с помощью электромеханического счетчика
(ЗХ) после предварительного усиления. В нашей лаборатории в
качестве регистрирующего прибора применяется радиометр типа ПП16, который включает в себя высоковольтный выпрямитель,
усилитель импульсов и пересчетное устройство. При выполнении
работы потребуется изменять интенсивность пучка гамма-лучей без
поглощающего вещества и после прохождения, поглощающего
вещества различной толщины. Очевидно, интенсивность, пучка
пропорциональна скорости счета регистрирующей установки, т.е.
числу импульсов за некоторый промежуток времени t. Скорость счета,
вычисляют по формуле п= N/t (измеряется в импульсах в минуту).
При работе, с радиоактивным препаратом (особенно при точных
количественных измерениях) необходимо учитывать некоторые
особенности радиоактивного ν-распада. Дело в том, что распад
каждого ядра носит характер случайного явления и не зависит от
наличия других ядер. Таким образом, за первую минуту измерения мы
можем зарегистрировать одно число импульсов, а за вторую - другое,
заметно отличается от первого, поэтому данные усредняют по
большему интервалу времени.
Каждый счетчик обладает фоном, т.е. при отсутствии
радиоактивного препарата фон обусловлен космическим излучением,
радиоактивными загрязнениями материала счетчика, а также
самопроизвольными разрядами в счетчике. Наличие фона должно
быть также должно учтено в окончательных результатах измерений.
У. Порядок выполнения работы
1. Подготовить установку к работе. Для этого надо подключить
приборы к сети и на пересчетном приборе нажать кнопку «пуск».
Дать прибору прогреться в течение нескольких минут. Затем нажать
последовательно кнопки "стоп" и "сброс". Показания всех декатронов
ПП-16 должны установиться на нуль. Установка готова к измерениям.
2. Измерить радиоактивный фон счетчика в лаборатории, где
планируете производить измерения. Для этого, надо нажать кнопку
"пуск" пересчетного прибора и секундомера, измерить количество
импульсов, регистрируемых пересчетным прибором в течение
нескольких минут без источника ν-излучения. Определить фон
счетчика по формуле пф= Nф/t, (1), где N - показание декатронов ПП-
57
16, t - время измерения. Показания занести в таблицу.
3. Поставить по счетчик Гейгера-Мюллера источник γизлучения, накрыть свинцовой пластинкой определенной толщины X
и провести измерение скорости счета по формуле (1)
4. Повторить измерения при разных толщинах свинцовых
пластинок. Данные занести в таблицу 1.
5. Исследовать закон поглощения I = I0e-μx (2) γ-лучей, строя и
исследуя эту зависимость в полулогарифмических координатах
6. По тангенсу угла наклона, полученной прямой, определить
линейный коэффициент поглощения свинца, выбрав для этого на
прямой любые две точки: μ = = (lnI2-lnI1)/(x2-x1) (3)
7. По величине μ определить слой половинного ослабления
свинца: X1/2 = ln2/μ
Таблица 1
№
X, мм
I
Ед.изм 0 фон()
1
2
3
µ, сек-1
X1/2
кг
Контрольные вопросы
1) Дать общую характеристику гамма-излучению.
2) Запишите закон поглощения.
3) Вывести выражение для толщины слоя половинного
ослабления;
4) В результате каких процессов происходит поглощение гаммаизлучения?
5) Природа возникновения фона счетчика.
58
3 МАТЕРИАЛЫ К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ
3.1 Первоначальные сведения о строении вещества
1. Какие предположения (выводы) о внутреннем строении
вещества можно сделать, наблюдая следующие явления:
а) масло, заключенное в прочный стальной цилиндр и
подвергнутое сильному сжатию, просачивается сквозь стенки
цилиндра;
б) если в сосуд налить и перемешать две какие-либо
смешивающиеся жидкости (воду и спирт), то объем полученной смеси
оказывается несколько меньше суммы объемов взятых жидкостей.
2. Нажимая на поршень в цилиндре, можно сократить объем
воздуха, заключенного в нем. На что это указывает?
3. В компрессоре (насос для сжатия газов) воздух подвергается
сильному сжатию. Изменятся ли при этом расстояния между
молекулами?
4. Изменится ли расстояние, которое проходит молекула газа от
одного столкновения до другого, если из баллона, в котором хранится
газ, выпустить некоторое его количество? Почему?
5. Может ли объем газа стать сколь угодно малым при его сжатии?
6. Почему трудно отвинтить гайку, много времени находившуюся
в туго завинченном состоянии, хотя болт и гайка сделаны из
нержавеющего металла?
7. Вокруг гвоздя, забитого в сырую доску, через некоторое время
появляется красноватый налет. Объясните причину.
8. Проникновение атомов некоторых металлов (алюминий, хром и
др.) в глубь стального изделия делает его поверхность прочной и
нержавеющей. Какое физическое явление лежит в основе
металлизации поверхности стали и почему она производится при
более высокой температуре?
9. Если под колпаком, из которого выкачан воздух, плотно
прижать друг к другу две хорошо обработанные металлические
поверхности, то происходит их сварка даже при низкой температуре.
Какое физическое явление используется при таком способе сварки?
10. Если металлический порошок (для этого металл размельчают в
шаровых мельницах в течение нескольких суток) ввести в керосин, то
частички металлического порошка распределяются равномерно по
всему объему жидкости. Объясните явление.
11. Как известно, молекулы или атомы твердого тела колеблются
около некоторого среднего положения. Вследствие этого твердые тела
сохраняют свою форму неизменной. Почему в таком случае в твердых
телах возможна диффузия? Почему диффузия в них происходит
медленно при низкой температуре и быстрее при высокой?
59
3.2 Движение и силы
Механическое движение
12.Необходимо погрузить зерно в автомобиль из бункера
комбайна, убирающего хлеб. Как это сделать, не останавливая
комбайн?
13.По реке плывет плот. Относительно каких тел положение
плота изменяется? Относительно каких тел постоянно?
14.Какую линию представляет собой траектория какой-либо
точки колеса автомобиля относительно его корпуса во время
движения? Какова траектория колеса относительно земли?
15.Какие из перечисленных тел движутся равномерно: молоток;
стрелка часов; эскалатор метрополитена; поезд, отходящий от
станции; лента конвейера; лента магнитофона при записи или
воспроизведении звука?
16.Скорость искусственного спутника Земли 8 км/с, а пули
винтовки 800 м/с. Какое из этих тел движется быстрее и во сколько
раз?
17.На некоторых участках дороги устанавливают знак
«Ограничение скорости», где движение с превышающей скоростью
запрещено. Что обозначено на этом дорожном знаке?
18.Диаметр трубы составляет 1220 мм (площадь поперечного
сечения 5 = 1,17 м2). Какое количество нефти проходит в год по
нефтепроводу, если жидкость течет со скоростью 1 м/с?
19.Скатившись с сортировочной горки, вагон проходит
горизонтальный участок пути в 100 м за 25 с. Можно ли по этим
данным определить, какова была скорость вагона в момент
скатывания с горки? Если можно, то как? Чему она равна?
20.Почему при необходимости внезапной остановки мотоцикла
тормозят обоими колесами? Что может случиться, если затормозить
только передним колесом?
21.Одинаково ли сжимаются буфера при столкновении двух
одинаковых вагонов, один из которых неподвижен? Рассмотрите
случаи: порожний вагон неподвижен, движется груженый; груженый
неподвижен, движется порожний.
22.Под действием чего происходит уменьшение скорости и
остановка транспорта, когда водитель включает тормозную систему?
23.Плавающий танк способен преодолевать и водные преграды с
помощью водометного движителя, представляющего собой трубу.
Вода забирается насосом в трубу и с большой скоростью
выбрасывается из кормы. Почему при этом танк движется в
противоположную сторону?
60
Масса тела, плотность вещества
24. Влияет ли на скорость движущегося танка выстрел,
произведенный из башенного орудия в направлении движения
машины? Почему?
25. Космонавт, находящийся в космосе, тянет за фал, другой
конец которого привязан к космическому аппарату (кораблю).
Почему корабль не приобретает какой-либо значительной скорости в
направлении к космонавту?
26. Почему газ при сжатии становится плотнее? Объясните на
основе молекулярного строения.
27. Цистерна вмещает 2000 кг воды. Можно ли налить в эту
цистерну 2,5 м3 бензина?
28. Для лучшего сцепления колес трактора с почвой его шины
летом заполняют водой, а зимой — специальным раствором
плотностью 1200 кг/м3. Определите массу заливаемого раствора,
если шина вмещает 105 кг воды.
29. Тюк сена, спрессованный пресс-подборщиком, имеет массу
40 кг и размеры 90x40x55 см. Найдите объемную плотность
спрессованного сена.
30. Внутри чугунной отливки во время литья могут остаться
пузырьки газа, что ухудшает ее прочность. Имеются ли пустоты в
чугунной отливке, если ее объем 5 дм3, а масса 30,5 кг? Если
имеются, то каков их объем?
31. Пеностекло получают вспениванием стекла в процессе варки,
вводя газообразующие вещества. Какую часть объема пеностекла (в
%) занимают газы, если его плотность 200 кг/м3?
32. Плотность земной коры составляет 2700 кг/м3, а средняя
плотность всей планеты 5500 кг/м3. Чем это объяснить? Какой вывод
можно сделать о плотности вещества в центре Земли, исходя из этих
данных?
33. При строительстве ирригационных сооружений укатывают
грунт. Какова объемная плотность грунта после уплотнения, если он
оседает на 10 см, а первоначальная плотность составляла 1400 кг/м3?
Сила. Сила тяжести
34.Под действием какой силы изменяется направление движения
искусственных спутников, запущенных в околопланетное
пространство (вокруг Земли, Марса и т. д.)?
35.Может ли космонавт определить вертикальность или
горизонтальность приборов с помощью отвеса или уровня во время
полета в искусственном спутнике Земли или Луны?
36.Сила тяги ракетных двигателей космического корабля,
стартующего вертикально вверх, 350 кН, а сила тяжести корабля 100
кН. Изобразите эти силы графически. Масштаб: 1 см — 100 кН.
61
37.Вокруг Земли вращается автоматическая станция. Одинакова
ли сила тяжести, действующая на станцию в случаях, когда она
находилась на стартовой площадке и на орбите?
38.Масса самоходного аппарата-лунохода 840 кг. Какая сила
тяжести действовала на луноход, когда он находился на Земле и на
Луне?
Сила упругости
39.На тросе висит груз массой 100 кг. С какой силой трос
действует на груз?
40.Если изменить форму куска пластилина, алюминиевой или
медной проволоки, то возникнет ли в них сила упругости?
41.Одинаково ли одно и то же тело растягивает пружину
динамометра на Земле и на Луне? на борту искусственного спутника
Земли?
42.Вес тела на Марсе в 2,7 раза меньше, чем на Земле. Какими
весами космонавт может обнаружить уменьшение веса тела на Марсе?
Почему?
43.Вес тела на Луне в 6 раз меньше, чем на Земле. Одинаковое ли
требуется усилие, чтобы сообщить скорость луноходу по
горизонтальной ровной поверхности на Луне и на Земле? Время, в
течение которого аппарат приобретает скорость, и другие условия
считать одинаковыми. Трением пренебречь. Ответ обосновать.
44.Какими часами можно измерять время в искусственных
спутниках: песочными, ходиками или пружинными?
Сложение сил, действующих на тело по одной прямой
45.С помощью башенного крана поднимают груз. Скорость
подъема постоянна. Определите, какие силы действуют на груз?
Каковы их направления? Какова равнодействующая? Почему?
46.Какой силой по модулю уравновешивалась сила тяжести,
действующая на спускаемый космический аппарат массой 2,4 т с
первым в мире космонавтом Ю. А. Гагариным, когда снижение
происходило равномерно? Почему?
47.Корабельный якорь массой 1,5 т поднимают с помощью
лебедки, которая развивает силу тяги 20000 Н. Какова
равнодействующая сил, приложенных к якорю? Каково ее
направление? Каково движение якоря — равномерное или
неравномерное? Почему?
Силы трения
48.Вес прицепных машин зависит от веса трактора. Почему для
громоздких прицепных орудий трактор также должен быть тяжелым?
49.Для уменьшения трения трущиеся поверхности шлифуют и
полируют. Однако в зависимости от качества шлифовки и полировки
трение уменьшается не беспредельно — при дальнейшей обработке
62
поверхностей трение начинает увеличиваться. Объясните причину
этого явления.
50.На шляпке гвоздя имеется насечка в виде сетки, а под нею на
стержне — несколько поперечных рисок. В чем их значение?
51.Может ли космонавт ходить в условиях невесомости,
например, по полу или стене орбитальной станции, не пользуясь
поручнями? Почему?
52.Колесо (шкив) приводится в движение при помощи ремня.
Определите вид трения, возникающего между шкивом и ремнем:
трение скольжения или трение покоя? Считайте, что ремень не
проскальзывает.
53.Почему надо беречь смазочные материалы от попадания в них
песка и пыли?
54.Почему при нарезании резьбы рекомендуется смазать метчик
или лерку?
55.Как можно облегчить распиловку металла пилой?
56.Почему нужно беречь тормозную колодку и тормозной
барабан транспортного средства от попадания между ними масла?
57.Почему между листами рессоры автомобиля вводят графит?
Давление. Сила давления
58.На заболоченном участке земли машины не проваливаются,
если их давление на почву не превышает 200 кПа. Обеспечивают ли
трактору Т-130Б высокую проходимость уширенные гусеницы (0,92
м) при сравнительно большой его массе (13 945 кг)? Длина каждой
гусеницы 2,9 м.
59.Для чего при соединении мягких материалов под головку
болта и гайку подкладывают шайбу большего диаметра?
60.Какое давление на лунный грунт оказывал астронавт, масса
которого со снаряжением 175 кг, а ботинок оставлял след площадью
410 см2?
61.Допустимое давление для некоторого сорта бетона 5000 кПа.
Если давление превышает указанное значение, то бетонные
конструкции могут разрушиться. Какую нагрузку может выдержать
колонна из бетона, если площадь ее поперечного сечения 1,6 м2?
62.Определите наибольшую высоту бетонной колонны, которая
может разрушиться под действием собственной силы тяжести, если
допустимое давление бетона 5000 кПа.
63.Свойство металла сопротивляться проникновению другого
металла называют твердостью. Твердость определяют с помощью
стального шарика. Какое давление производит шарик на поверхность
стали под действием силы 1500 Н, если площадь отпечатка,
оставляемого этим шариком, равна 0,01 мм2?
63
3.3 Давление жидкостей и газов (гидро- и аэростатика)
64.В двух баллонах одинакового объема содержится один и тот
же газ, но число молекул в первом баллоне больше в два раза, чем во
втором. Одинаково ли давление газа на стенки того и другого
баллона? Если не одинаково, то в каком баллоне оно больше? Чем это
обусловлено? Температура газа в обоих баллонах одинакова.
65.Чтобы восполнить потери воздуха для жизнеобеспечения на
орбитальной станции «Салют», транспортный корабль «Прогресс»
доставил баллоны с воздухом. Производит ли воздух давление на
стенки баллона в условиях невесомости? Должен ли баллон для
хранения газа на борту станции быть таким же прочным, как и на
Земле?
66.Изменяется ли давление газа, содержащегося в баллоне, при
повышении температуры? Почему? Баллон герметичен (нет утечки
газа). Почему на солнце нельзя долго держать баллоны с газом под
большим давлением?
67.Поступивший в цилиндр дизельного двигателя воздух
подвергается сильному сжатию, вследствие этого температура воздуха
повышается, достигнув нескольких сот градусов. Как изменяется при
этом давление воздуха?
68.Обычно газ перекачивают по газопроводу под давлением 5,6—
7,5 МПа при температуре около 20°С. В дальнейшем планируется
строить газопроводы с давлением 10—12 МПа, охлаждая газ до —
65°С. Имеет ли это какое-то значение?
Закон Паскаля
69.Чтобы переместиться вперед или назад, шагающий экскаватор
опускает пару опорных плит, называемых башмаками. Затем 4
цилиндра с поршнем поднимают и перемещают тело землеройного
гиганта массой 3000 Т. Под каким давлением р насосы нагнетают
жидкость в цилиндры во время подъема корпуса машины, если
диаметр поршня цилиндра d = 870 мм (площадь поршня S = 0,75 м2)?
70.Давление в каждом из четырех шин автомобиля 0,2 МПа.
Каков вес автомобиля, если площадь соприкосновения шины с
грунтом 500 см2.
71.Какова площадь отпечатка одной шины автомобиля
«Москвич», если давление в его шинах составляет 98 кПа. Масса
автомобиля 1200 кг. Полагать, что вес автомобиля распределяется по
осям равномерно.
72.Почему при движении по мягкому грунту, снегу из шин
автомобиля выпускают некоторое количество воздуха?
Давление жидкости на дно и стенки сосуда
73.Когда нефть начинает плохо фонтанировать из скважины,
нефтяники
64
74.Напор воды (разность уровней воды до и после плотины)
Саяно-Шушенской ГЭС равен 194 м. Какое давление испытывает
плотина на такой глубине?
75.Водолаз для погружения на глубину 150 м надевает легкий
скафандр. Почему водолазу воздух подают под давлением, равным
давлению воды на глубине, на которой он находится?
76.Производит ли жидкость давление на стенки и дно сосуда в
условиях невесомости, например на борту искусственного спутника
Земли?
77.Каковы были бы результаты опыта по изучению давления
жидкости, проводимого в лаборатории на лунной поверхности?
Производит ли жидкость давление на дно и стенки сосуда на Луне?
Почему? А на Марсе?
78.Манометр, установленный на батискафе, показывает, что
давление воды составляет 9,8 МПа. Определите, на какой глубине
находится батискаф.
79.Верхние точки железобетонной стены шлюзовых камер при
наполнении отклоняются в сторону засыпки на десятки миллиметров,
а при опорожнении возвращаются в исходное положение. Объясните
это явление.
80.Надувные конструкции, которые можно легко собирать,
состоят из прорезиненной ткани. Оболочка конструкции сохраняет
форму за счет давления воздуха, не на много превышающего
атмосферное. Воздух подается снаружи вентилятором, постоянно
восполняя утечку. Какая по модулю результирующая сила давления
воздуха действует на крышу конструкции размером 20х100 м, если
давление внутри оболочки 101,5 кПа? Каково направление этой силы?
Атмосферное давление нормальное (101,3 кПа).
81.Контейнерный трубопроводный пневмотранспорт отличается
большой пропускной способностью. Основной его частью является
стальная магистраль, по которой транспортируются контейнеры.
Пустой контейнер возвращается на погрузку по второй трубе.
Контейнер имеет колесики, на торцах два диска, образующие
небольшой зазор со стенкой трубы. Определите силу, которая
приводит в движение контейнер, если давление воздуха на задний
диск, нагнетаемый компрессором, составляет 121,6 кПа, а в остальной
части трубы нормальное (101,3 кПа). Диаметр магистрали 1200 мм (S
= 1,12 м2).
82.Может ли космонавт набрать жидкость в пипетку во время
полета на космическом корабле, если в кабине поддерживается
нормальное атмосферное давление?
83.Представим себе, что в лаборатории, установленной на Луне,
поддерживается нормальное давление. Какой будет высота ртутного
65
столба, если проделать опыт Торричелли в такой лаборатории? Не
выльется ли ртуть полностью из трубки?
84.Измерения,
произведенные
советской
автоматической
станцией «Венера-7» показали, что атмосферное давление у
поверхности планеты составляет около 10,3 МПа. Сила тяжести на
Венере почти в 1,2 раза меньше, чем на Земле. Какова была бы высота
ртутного столба в опыте Торричелли, проведенном на Венере?
85.Можно ли измерить давление воздуха в кабине космического
корабля ртутным барометром? барометром-анероидом?
86.Удачен ли будет опыт Торричелли на борту орбитальной
станции, на которой существует атмосфера? Каковы должны быть
результаты?
87.Почему шланг всасывающего насоса делают толстостенным,
усиленным стальной проволокой?
88.Какое давление должен иметь пожарный насос, чтобы
подавать воду на высоту 80 м?
89.Какова сила давления на поршень насоса при высоте подачи
воды 25 м, если площадь поршня 100 см2?
90.Давление пороховых газов в стволе пушки достигает 247 МПа.
Какова сила, под действием которой снаряд приобретает скорость,
если калибр орудия (диаметр канала ствола) 76 мм (S = 0,0058 м2)?
91.Какова должна быть площадь поршня гидравлического пресса,
чтобы он развивал силу давления 250 000 кН, когда давление внутри
жидкости достигает 50 МПа?
92.Манометр, подключенный к водопроводному крану,
расположенному на высоте 2 м над уровнем земли, показывает
давление 323 кПа. Какова высота уровня воды в баке водопроводной
башни, считая от поверхности земли? Атмосферное давление
нормальное. При необходимости сделайте чертеж.
93.Может ли действовать всасывающий насос в безвоздушном
пространстве? в кабине искусственного спутника Земли, если в ней
поддерживается нормальное давление?
Архимедова сила
94.Диаметр поперечного сечения средней части атомной
подводной лодки 10 м. На сколько давление воды на дно лодки
отличается от давления на палубу, когда лодка полностью погружена?
Плотность морской воды 1030 кг/м3.
95.В земных условиях для испытания космонавта в состоянии
невесомости применяют различные способы. Один из них
заключается в следующем: человеке специальном скафандре
погружается в воду, в которой он не тонет и не всплывает. При каком
условии это возможно? "
96.Масса плавающего танка-амфибии 14000 кг. Определите
66
объем части танка, погруженной в воду.
97.Супертанкер «Крым» рассчитан для транспортировки 150000
Т нефти. Каков вес воды, вытесненной судном после приема груза?
98.Будет ли тонуть в воде стальной ключ в условиях невесомости,
например, на борту орбитальной станции, внутри которой
поддерживается нормальное давление воздуха?
99.Плотность пенистой стали (сталь с пузырьками газа) почти
такая же, что и у бальзы. Такая сталь получается, когда при
затвердевании в расплавленном состоянии она содержит пузырьки
газа. Почему пенистую сталь удается получать лишь в состоянии
невесомости, а не в земных условиях?
100. Объем скафандра с космонавтом 120 дм3, а их масса 100 кг.
Каким станет вес космонавта вместе со скафандром, если космонавт в
барокамере испытывает снаряжение на герметичность?
101. В целях безопасности воздушные шары вместо водорода
заполняют гелием. В нормальных условиях плотность водорода в 2
раза меньше плотности гелия. Будет ли подъемная сила шара,
заполненного гелием, в два раза меньше подъемной силы шара,
содержащего водород?
102. Изменится ли подъемная сила аэростата с увеличением
высоты его подъема, если считать оболочку аэростата нерастяжимой,
а температуру на различных высотах постоянной? Может ли аэростат
подниматься сколь угодно высоко?
103. Больше или меньше атмосферного давления давление внутри
оболочки аэростата, наполняемого легким газом, например
водородом?
104. Аэростаты объемом 350 м3 широко использовали в
противовоздушной обороне во время Великой Отечественной войны.
С какой силой действовал аэростат, наполненный водородом, на
стальной трос, которым воздушный шар привязывали к земле? Весом
троса пренебречь.
105. Груз какой массы может поднять аэростат объемом 100000
3
м на высоту 40 км? Аэростат заполнен гелием. Плотность гелия 0,18
кг/м3, а плотность воздуха на высоте 40 км равна 0,850 кг/м3.
106. Измерения, переданные на Землю спускаемым аппаратом
станции «Венера», показали, что плотность атмосферы у поверхности
Венеры примерно в 60 раз превышает плотность земной атмосферы.
Какая архимедова сила действовала на аппарат во время спуска на
поверхность«утренней звезды», если форма его была близка к шару
диаметром 1 м (~ 4,2 м3)? Силу тяжести на Венере считать такой же,
что и на Земле.
107. Будет ли подниматься легкий детский шар, наполненный
водородом, в космическом корабле при его движении по инерции,
67
если на борту поддерживается нормальное давление? Почему?
3.4 Работа и мощность, энергия
Механическая работа
108. В каком из перечисленных ниже явлений сила тяжести
совершает работу: 1) шар катится по горизонтальной поверхности;
искусственный спутник Земли движется
по круговой орбите;
искусственный спутник Земли совершает движение по эллиптической
(вытянутой) орбите; 4) самолет снижается на посадку?
109. Трактор тянет сеялку по горизонтальному участку поля. По
преодолению какой силы трактор совершает работу?
110. Автомобиль, находящийся на горизонтальном участке
дороги, трогает с места и набирает скорость. Производится ли при
этом работа?
111. Масса космического корабля «Восток», запущенного в
околоземное пространство с первым в мире космонавтом Ю.
Гагариным, 4725 кг. Высота орбиты составляла в среднем 250 км над
поверхностью планеты. Какую работу совершили ракетные двигатели
только для подъема корабля на такую высоту? Изменением силы
тяжести с высотой пренебречь.
112. Вес прицепа с полным грузом 48 кН. Какую работу
совершает двигатель тягача при транспортировке прицепа на
расстояние 1 км, если сила трения составляет 0,04 веса прицепа?
113. Диаметр цилиндра гидросистемы для навесных орудий 100
мм (S = 0,008 м2). Какую работу совершает двигатель трактора при
одном поднятии навесного орудия, если давление внутри жидкости
достигает 8,5 МПа, а поршень перемещается на 90 мм?
114. Какую работу совершает бурильная установка только для
подъема грунта при рытье колодца, глубина которого 4,0 м? Диаметр
бура 0,5 м (S = 0,2 м2), а плотность грунта в среднем 2000 кг/м3.
115. Астронавт поднимает образцы лунных пород на борт
космического аппарата. Какую работу он при этом совершает, если
масса образцов 100 кг, а высота подъема над поверхностью Луны 5 м?
Мощность
116. Стогометатель поднимает копну весом 7 кН на высоту 7,5 м
за 10 с. Какую мощность развивает при этом двигатель машины?
117. Какую силу тяги развивает двигатель трактора «Кировец К701» при скорости 9 км/ч, если мощность его 220 кВт?
118. Какую работу совершает трактор Т-130 за смену (7 ч), если
он движется на VII передаче (8,96 км/ч) и развивает силу тяги на
крюке 24,5 кН?
119. Груз какого веса может поднять башенный кран, если
мощность его лебедки 60 кВт, а скорость подъема 0,6 м/с?
68
120. Разрежение, создаваемое пылесосом, показывает, на сколько
давление во всасывающей трубе меньше атмосферного. Какова
мощность воздушного потока в пылесосе, если создаваемое им
разрежение 8000 Па, а производительность, т. е. объем всасываемого
воздуха в секунду, 0,025 м3?
121. Какую мощность развивает двигатель токарного станка, если
при обработке стержня диаметром 20 мм резец преодолевает силу
сопротивления 900 Н? Частота вращения детали 15 оборотов в
секунду.
Простые механизмы
122. Клапан воздушного насоса отрегулирован так, что он
открывается лишь тогда, когда давление в цилиндре достигает 400
кПа.
123. Можно ли к трактору массой 5400 кг прицепить плуг массой
600 кг, если расстояние от последнего опорного катка машины до
линий, вдоль которых действуют силы тяжести P?
124. Какой из блоков в линии контактного привода
электрифицированной железной дороги подвижный и какой
неподвижный (рис. 58)? Каково их назначение? С какой силой
натягивают провод, если вес груза 1,6 кН?
125. Какой длины канат наматывается на барабан лебедки
башенного крана, если подвижный блок с грузом поднимается на 68
м? С какой скоростью движется канат, наматываемый на барабан,
если груз движется со скоростью 1,16 м/с?
126. Автокраном поднимают груз весом 30 кН с помощью
подвижного блока на высоту 6,6 м. Определите КПД блока, если трос
при этом натягивается с силой 16 кН.
127. Каков КПД системы из двух блоков, если КПД каждого из
них равен 0,8?
Потенциальная и кинетическая энергия
128. Какая энергия используется в пневматических тормозных
системах автобусов, трамваев и других транспортных средств?
129. Сваебойный копер массой 2400 кг падает с высоты 1 м.
Какова сила сопротивления грунта, если свая погружается во время
удара на 2 см?
130. Напор воды (разность уровней воды перед и за плотиной)
Братской 126 м. Какой потенциальной энергией обладает каждый
кубический метр воды, находящейся перед плотиной у свободной
поверхности?
131. Напор воды Саяно-Шушенской ГЭС 194 м. Когда через
турбины станции проходит 3666 м3 воды ежесекундно, развиваемая
ими мощность составляет 6,4 млн. кВт. Определите КПД гидротурбин
станции.
69
132. Почему двигатель автомобиля развивает большую мощность
при разгоне по сравнению с равномерным движением?
133. Почему скорость воды, выходящей из гидротурбины,
меньше, чем входящей?
134. Из суммы каких видов энергий состоит полная механическая
энергия искусственного спутника Земли? Почему?
135. Определите полную механическую энергию каждого
килограмма космического аппарата, выведенного в околоземное
пространство на орбиту высотой 300 км над земной поверхностью.
Кинетическая энергия аппарата превышает потенциальную в 10 раз.
Теплопередача и работа
Тепловое движение. Внутренняя энергия
136. Каково соотношение между энергией взаимодействия
молекул и энергией их теплового движения, когда вещество в жидком
состоянии?
137. На больших высотах (800—1000 км) скорости движения
молекул газов, входящих в состав атмосферного воздуха, достигают
значений, соответствующих температуре около 2000° С. Почему же в
таком случае не плавится оболочка космических аппаратов?
138. Почему наружные части сверхзвуковых самолетов
приходится охлаждать с помощью специальных установок?
139. Почему при заточке инструментов на наждачном круге
необходимо охлаждать их водой?
140. При точении деталей на токарном станке иногда резец
охлаждают водяной струей, иначе инструмент теряет прочность.
Каким способом увеличивается внутренняя энергия резца при
точении? Изменяется ли при этом внутренняя энергия охлаждающей
воды?
141. Почему температура выхлопных газов на выходе из
глушителя низкая, несмотря на то что она в цилиндре двигателя
достигает 1800 °С?
Способы передачи теплоты
142. Каким способом — путем совершения работы или
теплопередачи — изменяется внутренняя энергия детали в следующих
явлениях: 1) строгание детали резцом; 2) нагревание детали в печи
143. Для повышения твердости и прочности стальных изделий
применяют закалку (нагрев до некоторой температуры с
последующим быстрым охлаждением). Какое количество теплоты
необходимо, чтобы нагреть стальной молоток массой 500 г от 17 до
817 °С? Вычислите, какое количество теплоты выделяет молоток, если
его охлаждают в жидком кислороде, температура которого —183 °С.
Удельная теплоемкость стали 460 Дж/(кг°С).
70
144. Калориферы служат для обеспечения жилых помещений
свежим теплым воздухом. Какое количество теплоты получит
комната, если через калорифер ежечасно проходит 20 м3 воздуха,
температура которого при входе в калорифер 15 °С, а на выходе из
него 25 °С? Удельная теплоемкость воздуха 730 Дж/(кг°С).
145. Закаливают сверло из стали массой 100 г, нагретое до
температуры 840 °С, опуская в сосуд, содержащий машинное масло
при температуре 20 °С. Какое количество масла следует взять для
этого, чтобы конечная температура детали не превысила 70 °С?
Удельная теплоемкость масла 2000 Дж/(кг°С).
146. Для определения температуры печи нагретый в ней стальной
шарик массой 0,30 кг бросили в медный сосуд массой 0,20 кг,
содержащий 1,27 кг воды при температуре 15 °С. Вычислите
температуру печи, если температура воды повысилась до 32 °С.
147. Влажное зерно сушат в потоке теплого воздуха. Какова
производительность вентилятора (в кубических метрах в час), если
воздух отдает ежечасно 60340 кДж энергии, а температура его
понижается на 4 °С? Удельную теплоемкость воздуха принять равной
1260 Дж/(м3°С).
148. Теплота сгорания водорода (12•107 Дж/кг) намного больше
теплоты сгорания природного газа (4,4•I07 Дж/кг). 1) В каком случае
выделится больше количества теплоты — при полном сгорании
водорода или природного газа? Полагать, что газы содержатся в
баллонах одинакового объема, температура и давление газов в них
одинаковы. 2) Докажите это расчетным путем, если объемы баллонов
по 0,04 м3, плотность водорода в баллоне составляет 4,5 кг/м3, а
природного газа — 35 кг/м3.
149. Тепловая электростанция мощностью 2400 000 кВт
потребляет 1500 Т угля в час. Каков КПД станции?
150. Для нормального сгорания 1 кг топлива необходимо 15 кг
воздуха. При такой пропорции 1 кг горючего дает 2900 кДж энергии.
Но теплота сгорания жидких горючих больше указанной величины в
десятки раз, например теплота сгорания бензина 46200 кДж/кг. Чем
это вызвано?
151. Температура пламени газа, который горит в воздухе,
достигает 1200°С, а газа, горящего в кислороде, 3000°С. Чем
объясняется такая разница температуры в том и другом случаях?
Закон сохранения и превращения энергии в механических и
тепловых процессах
152. Давление в шинах автомобиля должно соответствовать его
нагрузке. Если шины накачаны слабо, то при движении автомобиля
они нагреваются. Какие превращения энергии происходят при этом?
153. Почему тормозные колодки самолетов делают из материалов
71
с высокой температурой воспламенения и большой удельной
теплоемкостью?
154. Почему обшивка космических аппаратов разрушается, когда
при возвращении на Землю они входят в плотные слои атмосферы?
155. Газ хранят и транспортируют в баллонах под большим
давлением. Для практических целей используют газ низкого давления.
Понижение давления газа происходит в редукторе. Если газ в баллоне
содержит пары воды, то нередки случаи, когда поступление газа из
редуктора прекращается. Где следует, прежде всего, искать причину
отказа подачи газа? Почему?
156. При сварке трением одну деталь сильно прижимают к другой
и приводят во вращение. В месте стыка образуется огненное кольцо с
температурой около 1200°С. За счет какой энергии возрастает
внутренняя энергия деталей? Определите количество теплоты,
выделяемое при сварке данным способом, если двигатель развивает
мощность 15 кВт, а процесс длится 20 с.
157. Двигатель автомобиля потребляет 19 кг топлива (бензина) в
час. Какую работу совершает двигатель за это время, если его КПД
25%? Какую мощность он развивает?
158. Используется ли полная мощность двигателя автомобиля
«Жигули» (50 кВт), если при его движении со скоростью 72 км/ч
расходуется 8 л бензина на 100 км пути? КПД двигателя принять
равным 0,3.
159. Какое количество топлива расходует за смену (7 ч) двигатель
трактора «Кировец К-700», если агрегат передвигается со скоростью 9
км/ч, развивая при этом на крюке силу тяги 64 кН. Коэффициент
полезного действия равен 0,3.
160. Механическая энергия каждого килограмма вещества
космического аппарата, выведенного на околоземную орбиту высотой
300 км и обладающего первой космической скоростью 8 км/с, равна
34•107 Дж. Эта энергия составляет лишь 5% энергии, затраченной при
доставке каждого килограмма аппарата на орбиту. Пользуясь этими
данными, определите количество топлива, израсходованного при
выведении на такую орбиту станции «Салют» массой 18 900 кг.
161. Напор воды Нурекской ГЭС 300 м. Какие преобразования
энергии происходят при падении воды из верхнего бьефа плотины в
нижний? На сколько повысилась бы температура каждого
кубического метра воды, если ее механическая энергия полностью
превратилась во внутреннюю?
Изменение агрегатных состояний вещества
162. При ударе кусок некоторого твердого тела разбивается на
части, представляющие собой прямоугольные параллелепипеды или
72
кубики различных размеров. Какое это вещество: кристаллическое
или аморфное?
163. Поршень отливают из алюминия массой 1 кг. Одинакова ли
внутренняя энергия алюминия в жидком и твердом состояниях, если в
том и в другом случае температура вещества 660°С? Если
неодинакова, то в каком состоянии больше? На сколько?
164. На сколько и как изменяется внутренняя энергия стального
слитка массой 5 кг при его плавлении? Чем обусловлено это
изменение (изменением энергии движения молекул или энергии их
взаимодей)? Почему?
165. Порядок атомов в кристалле железа при температуре 910°С
становится другим. Какие тепловые явления должны происходить в
железе при этой температуре?
166. С помощью кислородной горелки можно резать сталь
толщиной до полутора метров. При этом способе резки сталь
подогревают в пламени ацетилена, горящего в кислороде, затем на
нагретый участок направляют струю одного лишь кислорода. Металл
при этом прожигается насквозь. За счет какой энергии происходит
плавление стали в этом случае?
167. Почему космические корабли и ракеты обшивают такими
металлами, как тантал и вольфрам?
168. Для передачи энергии в энергетических установках,
например атомных электростанциях, широко используют металлы —
натрий, калий и др. в жидком состоянии. Как вы думаете, почему
выгоднее применять эти вещества в качестве теплоносителя, хотя они
обладают меньшей удельной теплоемкостью, чем вода?
169. Чугун в литейных цехах плавят в печах, называемых
вагранками. Определите количество теплоты, необходимое для плавки
6 Т чугуна, доведенного до температуры плавления. Удельная теплота
плавления сплава 138 270 Дж/кг.
170. Лом черных металлов переплавляют в сталь в мартеновских
печах. Какое количество теплоты необходимо для нагревания и
расплавления 10 Т стального лома, если начальная температура его
20°С? Температура плавления стали 1400°С.
171. В плавильном горне за одну плавку получено 200 кг
алюминия с температурой 668°С. Какие состояния прошел металл,
если его начальная температура была 68°С? На сколько при этом
увеличилась внутренняя энергия металла? Изобразите графически
зависимость температуры металла от времени.
172. На сколько изменяется внутренняя энергия стального
изделия массой 10 кг после заливки металла в форму? Начальная
температура сплава 1600°С. Отливка остывает до комнатной
температуры. При 1500°С сплав затвердевает. Удельная теплоемкость
73
стали в жидком состоянии 712 Дж/(кг°С).
173. При испарении, как известно, температура жидкости
понижается. Почему в таком случае температура воды, бензина,
спирта и т. д. в обычных условиях почти такая же, что и температура
окружающего воздуха, хотя их поверхность открыта?
174. В закрытом баллоне сжиженный газ представляет собой
жидкость, над которой находится ее пар. При температуре 0; 15 и 40
°С давление паров пропана составляет соответственно 42,0; 72,5 и 139
кПа. Чем вы могли бы объяснить такую зависимость?
175. Зимой ветровое стекло автомобиля с помощью специального
вентилятора обдувается воздухом. Какое это имеет значение?
176. При сушке на солнце теряется качество сена, его
питательность. Пресс-подборщик прессует сено почти в свежем
состоянии, но в тюке оставляет сквозные отверстия. Каково их
назначение?
177. Почему овощи и фрукты быстрее высыхают в вакууме?
178. Сухое молоко получают путем выпаривания его в сосуде,
откуда непрерывно выкачивают воздух, причем температура
выпаривания намного ниже 100°С. Какие физические закономерности
положены в основу этого процесса?
179. Изменится ли температура воздуха в помещении, где начнет
действовать холодильник? Почему?
180. Углекислотные
огнетушители
заряжают
сжиженным
углекислым газом. Почему при действии огнетушителя из него
выходит не струя жидкости, а «углекислый снег» — плотное
беловатое облако газа? На чем основано тушение пожара таким
огнетушителем?
181. Почему нельзя пользоваться открытым огнем и допускать
появления искр около пустых емкостей, где хранились
легковоспламеняющиеся вещества (бензин, эфир, спирт, нефть и т.
д.)?
182. Резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов имеют
клапаны для выхода газов. Откуда в резервуарах появляются газы?
183. Почему при низких температурах для обращения в пар
требуется большее количество теплоты, чем при более высоких
температурах? Может ли вода кипеть при температуре как меньше
100°С, так и больше?
184. При перегонке нефти ее нагревают, в результате чего из
смеси сначала выделяется бензин, лигроин, а затем уже керосин,
соляр и др. Что можно сказать о температуре кипения этих веществ?
185. Чистый кислород, широко применяемый в народном
хозяйстве, получают из жидкого воздуха. Как самым простым
способом можно выделить кислород из воздуха, зная, что температура
74
кипения азота и кислорода (основных составляющих воздуха) равны
соответственно —196 и —183°С?
186. Кастрюля-скороварка
представляет
сосуд,
закрытый
герметически, из которого пар может выходить только через
предохранительный клапан. Почему в таком сосуде вода закипает
быстрее?
187. Потребляя 150 Т угля, тепловая электростанция
вырабатывает в котлах 950 Т пара при температуре 560°С. Определите
КПД парового котла электростанции. Удельная теплоемкость пара 210
Дж/(кг°С).
188. В обычных условиях при кипении пузырьки пара
поднимаются к свободной поверхности жидкости. Как должно
проходить кипение в состоянии невесомости, например, в ИСЗ, на
борту которого поддерживается нормальное давление?
189. Что произойдет, если космонавт, выйдя из корабля в
открытый космос, откроет сосуд с водой?
Тепловые двигатели. двигатели внутреннего сгорания
190. Газ, заключенный в цилиндр, расширяясь, совершил работу.
Изменилась ли внутренняя энергия газа, если не было теплообмена с
окружающей средой? Обоснуйте.
191. Почему при сгорании (окислении) горючей смеси давление в
цилиндре двигателя сильно увеличивается?
192. Расширяясь, газ переместил поршень на расстояние 0,5 м.
Площадь поршня 0,02 м2, атмосферное давление нормальное (101,3
кПа). Определите: работу газа по проталкиванию поршня; количество
теплоты, отданное газу нагревателем. Считайте КПД нагревателя
равным 1, а трением пренебрегите.
193. Во время какого такта закрыты оба клапана в
четырехтактном двигателе?
194. Сколько раз открывается впускной клапан за два оборота
коленчатого вала (кривошипа) четырехтактного двигателя?
195. Каково назначение кулачков распределительного вала?
Сколько пар кулачков и клапанов имеет четырехцилиндровый
четырехтактный двигатель?
196. Почему шестерня распределительного вала имеет в 2 раза
больше зубцов, чем шестерня коленчатого вала?
197. Во время образования горючей смеси в карбюраторе
температура понижается. Какова причина?
198. Чем сильнее сжимается горючая смесь в цилиндре
карбюраторного двигателя, тем больше его мощность. Однако на
практике объем горючей смеси уменьшают только в 7—8 раз. Чем это
объяснить?
75
Турбины
199. Каким видом энергии является энергия молекул пара,
действующего на лопатки турбины?
200. Для увеличения мощности паровых турбин стараются
повысить температуру пара и его давление. Преимущественно какой
вид энергии молекул пара увеличивается при повышении
температуры? при увеличении давления?
201. Пар, входящий в турбину, имеет температуру, достигающую
нескольких сот градусов. Изменяется ли температура пара в турбине?
Какой она будет при выходе из турбины? Почему?
202. Отработанный пар в паровой турбине охлаждается в
градирнях (испарительных устройствах), имеющих форму башни.
Какова мощность турбины, если в градирнях испаряется 0,85 м3
охлаждающей воды в секунду? КПД турбины принять равным 30%.
3.5 Электричество
Электризация тел
203. В кабине бензовоза имеется надпись: «При наливе и сливе
горючего обязательно включите заземление». Почему необходимо
соблюдать данное требование?
204. Авиационное топливо в основном электризуется при
фильтровании. Изобретение фильтра, при прохождении через который
жидкость почти не заряжается, является важной проблемой. Почему
такой фильтр должен состоять из двух различных материалов?
Какими электрическими свойствами должны обладать эти материалы
по отношению к топливу?
205. С какой целью на взрывоопасном производстве приводные
ремни должны быть обработаны антистатической (проводящей)
пастой, а шкивы заземлены?
206. Может ли в ременной передаче электризоваться только
ремень, а шкив оставаться незаряженным? Почему? Считайте, что
шкив не заземлен.
Дискретность электрического заряда
207. В электрическом поле между двумя заряженными
пластинами находились в равновесии заряженные шарики ничтожных
размеров. После того как шарики осветили рентгеновскими лучами,
они начали падать. Для восстановления равновесия электрическое
поле пришлось усилить в два раза. Чем это вызвано?
208. Если в опыте Резерфорда взять фольгу толщиной в 2 раза
большую, то будет ли изменяться число рассеянных α-частиц под
каким-либо определенным углом? Почему?
209. Влияет ли масса атомных ядер «мишени»-фольги на угол
отклонения α-частиц? Почему?
76
210. Почему опыт Резерфорда проводился с золотой фольгой, а не
с другими металлами, например алюминием?
211. Как влияет заряд ядра атома «мишени» на угол отклонения αчастиц? Почему?
212. Если бы удалось сложить плотно друг к другу одни только
ядра атомов, то плотность такой упаковки была бы 114•106 т/см3.
Объясните причину столь большой плотности.
213. В твердом состоянии в 1 м3 алюминия содержится 6•1028
атомов, а число атомов свинца в таком же объеме составляет 4•1023, т.
е. несколько меньше. Однако плотность алюминия 2700 кг/м3, а
плотность свинца 11300 кг/м3, т. е. свинец плотнее алюминия почти в
4,2 раза. Как это можно объяснить?
214. Под действием радиоактивных лучей молекулы газа
расщепляются на положительные и отрицательные частицы.
Основываясь на этом свойстве радиоактивных лучей, объясните,
почему заряженный электроскоп сравнительно быстро теряет заряд
под действием этих лучей.
Сила тока, напряжение, сопротивление
Электрический ток
215. В лампах дневного света, а также в рекламных газосветных
трубках газ светится под действием движущихся зарядов — электронов и положительно заряженных частиц. Можно ли движение этих
частиц в трубке назвать электрическим током? Почему?
216. Какие преобразования энергии имеют место при зарядке и
разрядке аккумулятора?
217. С какой целью металлические изделия покрывают тонким
слоем другого металла (никель, хром, медь, серебро и др.)? Раствор
соли какого металла должен служить электролитом для никелирования? К какому полюсу источника тока нужно присоединить
никелируемое изделие?
218. Используя химическое действие тока, можно покрыть
металлическим слоем изделие не только из проводящих материалов,
но и из диэлектриков — воска, пластилина, гипса, дерева и др. Как это
сделать?
Сила тока
219. Какое действие тока проявляется в следующих случаях: 1)
при включении вентилятора в электросеть он начинает вращаться; 2)
при повышении температуры электрического утюга; 3) при получении
чистой меди электрическим током?
220. Вследствие трения о шкив ремень заряжается, причем
каждый квадратный метр ремня содержит 0,02 Кл заряда. Ширина
ремня 0,3 м, скорость его движения 20 м/с. Представляет ли
77
перемещение зарядов вместе с ремнем электрический ток? Какой
заряд проходит ежесекундно через любую неподвижную плоскость,
перпендикулярную ремню? Как называют величину, измеряемую
таким зарядом? Чему она равна? Считайте, что ремень заряжен
положительно.
221. Электрическая цепь состоит из проводников, имеющих
поперечное сечение различной площади. Известно, что сила тока во
всех участках цепи, если нет разветвлений, одна и та же. Одинакова
ли скорость перемещения электронов в различных участках цепи,
которую они приобретают под действием электрического поля
источника тока? Почему?
Напряжение
222. Цепь состоит из источника тока, потребителя электроэнергии
(лампы), соединительных проводов и выключателя. На каком участке
цепи для перемещения электронов совершается больше работы?
Какие силы совершают эту работу? За счет какой энергии
совершается эта работа? Как называют величину, измеряемую
работой в 1 с, т. е. мощностью при силе тока в спирали электролампы
1А?
223. На каком полюсе батареи карманного фонаря образуется
недостаток электронов? На каком — избыток? За счет какой энергии
существует напряжение между полюсами батареи? Зависит ли это
напряжение от количества зарядов, накопленных на полюсах? Как?
224. Какая расходуется энергия, когда создается напряжение
между клеммами карманного фонаря «жучок»? генератора ГЭС?
Сопротивление. Закон Ома для участка цепи
225. Развитие алюминиевой промышленности в нашей стране
позволило отказаться от использования медных проводов для
воздушных электрических линий. Чем это вызвано?
226. Клеи обычно являются изоляторами. Чтобы клей проводил
электрический ток, в него добавляют порошок серебра. Как вы
представляете себе, почему клей при этом становится проводником?
Каким образом можно изменять электропроводность такого клея?
Будет ли клей проводить ток при любой концентрации частичек
серебра?
227. Органы
государственного
пожарного
надзора
не
рекомендуют
хранить
и
перевозить
бензин
и
другие
легковоспламеняющиеся жидкости в полиэтиленовых канистрах. Для
этого лучше пользоваться металлическими сосудами. Чем это
вызвано?
228. Общее сопротивление участка цепи при параллельном
соединении проводников меньше сопротивления отдельных
проводников. Чем это можно объяснить?
78
229. При последовательном соединении проводников их общее
сопротивление больше, чем сопротивление каждого из них. Чем это
можно объяснить?
230. Напряжение на клеммах аккумулятора 12 В. Амперметр
показывает ток 5,1 А. В цепи три параллельно соединенные лампы с
равными сопротивлениями. Определите сопротивление каждой
лампы. Начертите схему.
231. Радиолюбителю нужен резистор сопротивлением 70 кОм. Но
у него оказалось три резистора сопротивлениями 100, 50 и 25 кОм.
Может ли он составить из них требуемое сопротивление? Если может,
то как?
232. Почему нельзя амперметр подключить параллельно
потребителю энергии?
233. Как изменится показание вольтметра, если к нему
последовательно подключить добавочное сопротивление, равное
внутреннему сопротивлению самого вольтметра? Объясните.
234. Сопротивление школьного вольтметра 40 Ом, предел
измерения 4 В. Можно ли переделать вольтметр так, чтобы им можно
было измерять напряжения до 200 В? Если можно, то как?
Объясните..
235. Почему нельзя допускать короткого замыкания аккумулятора
с малым внутренним сопротивлением, например свинцового?
Работа и мощность тока
236. Напряжение между контактным проводом и землей
(рельсами) в электрифицированной железной дороге 25 кВ. Какую
работу совершают электрические силы в 1 с при токе в цепи
электродвигателей поезда 1 А?
237. Электродвигатель троллейбуса питается током силой 200 А
под напряжением 600 В. Определите мощность двигателя. Какую
работу совершает двигатель за 5 ч? Ответ дайте в джоулях и
киловатт/часах.
238. При помощи каких приборов и как можно проверить
исправность счетчика электроэнергии? Объясните.
239. Мощность автомобильного стартера 5,9 кВт. Какой ток
проходит через стартер во время запуска двигателя, если напряжение
на его клеммах 12 В?
240. Краны, применяемые на строительстве Саяно-Шушенской
ГЭС, способны поднимать бадью массой 25 т со скоростью 2,6 м/с.
Определите КПД крана, если электролебедка при подъеме такого
груза развивает мощность 670 кВт.
241. При движении со скоростью 6,44 км/ч электродвигатель
аккумуляторного рудничного электровоза развивает мощность 12 кВт.
Определите силу тяги электровоза. В каком отношении эксплуатация
79
такого локомотива в рудниках выгоднее, чем других видов
транспорта?
242. Запас хода одного из первых электромобилей 80 км,
наибольшая
скорость
движения
60
км/ч,
при
которой
электродвигатель машины развивает мощность 23 кВт. Какое
преимущество перед другими видами городского транспорта с
двигателями внутреннего сгорания имеют электромобили?
243. Скоростной лифт массой 1600 кг поднимается со скоростью
1,0 м/с. Какова мощность электродвигателя, приводящего в движение
лифт, если напряжение на его клеммах 380 В, а КПД двигателя 90%?
Какова сила тока, потребляемая электродвигателем?
244. На электроды сварочного станка напряжение подают в
зависимости от давления на них. Если давление электродов на деталь
меньше, то напряжение между ними должно быть больше и наоборот.
Чем можно это объяснить?
245. В двухлитровом электрическом чайнике мощностью 1000 Вт
вода закипает за 20 мин, тогда как в чайнике мощностью 3 кВт это
заняло бы 5 мин. Почему невыгодны маломощные приборы? Почему
при пользовании такими приборами неизбежен перерасход
электроэнергии?
246. Изменится ли мощность электроплитки, если ее
нагревательный элемент, сделанный из нихрома, заменить
фехралевым таких же размеров, что и у первого проводника? Если
изменится, то как и во сколько раз?
247. Комнату размером 5x6x3 м обогревает электрический камин
мощностью 2 кВт. За сколько времени температура в комнате
повысится от 10 до 18 °С? Удельная теплоемкость воздуха 1,0.•10 3
Дж/(кг•°С), его плотность 1,3 кг/м3.
248. В электрической печи, сопротивление спирали которой 10
Ом, нагревают 10 кг стальных деталей. До какой температуры
нагреются за 20 мин детали, взятые при 0°С, если печь подключить в
сеть напряжением 220 В, а ее КПД 30%?
249. Плавкий предохранитель рассчитан на силу тока 6 А. Можно
ли при наличии такого предохранителя включить в сеть напряжением
220В потребитель энергии мощностью 2,4 кВт?
250. Когда телевизор подключают в сеть напряжением 220В, то
вставляют предохранитель, рассчитанный на силу тока 3 А, а если
напряжение сети — 127 В, то предохранитель вставляют на 5 А. Чем
это объясняется?
251. На что указывает сильное нагревание выключателей,
штепсельных розеток, вилок, клемм и другой электрической
арматуры? Какие последствия может иметь это явление. Почему по
правилам пожарной безопасности нельзя включать одновременно в
80
сеть электроприборы с суммарной мощностью, превышающей
расчетную для данной цепи? К чему это может привести?
252. Лампы накаливания изготавливают газонаполненными:
колба лампы после откачки воздуха заполняется инертным (не
поддерживающим горение) газом. Какое это имеет значение для
удлинения срока эксплуатации лампы по сравнению с теми, в колбах
которых создается только вакуум?
3.6 Электромагнитные явления
253. Почему магнитное поле катушки с током намного сильнее,
чем поле одного ее витка? Приблизительно во сколько раз поле
катушки, число витков которой равно 500, сильнее поля, создаваемого
одним ее витком?
254. В чем преимущество электромагнитного реле, используемого
для управления цепью большой мощности, по сравнению с
рубильником, с помощью которого включают и выключают эту цепь?
255. В поддоне тракторного двигателя для слива масла имеется
отверстие, в которое завинчивается намагниченная пробка. Каково ее
назначение?
256. Придумайте приспособление, позволяющее космонавту
шагать в условиях невесомости, например, по полу или стенке
орбитальной станции.
257. Какое устройство обеспечивает автоматическую перемену
направления тока в витках обмотки якоря в электродвигателе
постоянного тока?
258. Вентилятор
пылесоса
приводится
в
движение
электродвигателем, подобным по устройству двигателю постоянного
тока, хотя пылесос питается от сети переменного тока, который
изменяет свое направление 50 раз в секунду. В пылесосе нет
устройства, преобразующего переменный ток в постоянный.
Подумайте, каким образом двигатель пылесоса может работать на
переменном токе.
259. Двигатели некоторых мотороллеров запускают при помощи
аккумулятора, хотя у них нет специальных стартеров, как у
автомобиля. Как это должно осуществляться?
260. В гидроаккумулирующих электростанциях электрическая
машина должна действовать не только как генератор, но и работать в
режиме насоса. Роль какой электрической машины должен выполнять
генератор в этом случае? Какой ток должен вырабатывать генератор,
чтобы легче это было осуществить?
261. Почему в магнитогазодинамическом (МГД) генераторе к
продуктам сгорания добавляют пары металлов, например калия и
цезия, атомы которых легко освобождают свои электроны?
81
262. На каждый выработанный киловатт-час электроэнергии на
тепловых электростанциях в 1975 г. расходовалось 341 г топлива.
Определите по этим данным КПД тепловых электростанций.
Список рекомендуемой литературы
1. Горбунова О.И., Зайцева А.М., Красников С.Н. задачник
практикум по общей физике/Оптика. Атомная физика - М.:
Просвещение, 1977 - 111 с.
2. Горбунова О.И., Зайцева А.М., Красников С.Н. задачник
практикум по общей физике/Термодинамика и молекулярная физика М.: Просвещение, 1978 - 111 с.
3. Кикоин А.К., Шамаш С.Я., Эвенчик Э.Е. Механические
колебания и волны. - М.: Просвещение, 1986 - 32 с.
4. Коган Б.Ю. Сто задач по электричеству. М.: Наука, 1976. - 63
с.
5. Ланге В.Н. Экспериментальные физические задачи на
смекалку. М.: Наука, 1984. - 126 с.
6. Любимов С.М., Новиков К.В. знакомимся с электрическими
цепями. М.: Наука, 1972. - 66 с.
7. Меледин Г.В. Физика в задачах. М.: Наука, 1985. - 213 с.
8. Низамов И.М. Задачи по физике с техническим содержанием.
М.: Просвещение, 1980. - 96 с.
9. Родина Н.А. Световые явления. Низамов И.М. Задачи по
физике с техническим содержанием. М.: Просвещение, 1986. - 33 с.
10. Савельев И.В. Сборник вопросов и задач по общей физике.
М.: Наука, 1982. - 271 с.
11. Терентьев М.М. демонстрационный эксперимент по физике в
проблемном обучении. М.: Просвещение, 1978. - 103 с.
12. Тульчинский М.Е. Сборник качественных задач по физике.
М.: Просвещение, 1986. - 235 с.
82
4. МАТЕРИАЛЫ К САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЕ
СТУДЕНТОВ
При переходе на кредитную технологию обучения особая роль
принадлежит самостоятельной работе обучающихся – СРО. СРО самостоятельная работа студента по определенному перечню тем,
отведенных на самостоятельное изучение, обеспеченных учебнометодической литературой и рекомендациями, контролируемых в
виде тестов, контрольных работ, коллоквиумов, рефератов, сочинений
и отчетов.
К планируемой преподавателем самостоятельной работе
относятся:
- СРС - внеаудиторная самостоятельная работа;
- СРСП - активная работа в аудитории под руководством
преподавателей.
В содержание самостоятельной работы могут входить:
- подготовка к лабораторным работам, обработка результатов
лабораторных работ;
- выполнение курсовых работ и подготовка их к защите;
- самостоятельная проработка тем, не вошедших в лекционный
материал, но обязательных по типовой учебной программе,
- подготовка к проблемным лекциям,
- проработка пройденных лекционных материалов по конспекту
лекций, учебникам и пособиям;
- подготовка к практическим и семинарским занятиям;
- подготовка к промежуточному, рубежному и итоговому
контролю (коллоквиумам и контрольным работам);
- подготовка к научным докладам, выполнение рефератов;
-подготовка группового отчета или презентации, написание эссе
и глоссария, и т.п.
Эффективность самостоятельной работы студентов зависит от ее
организации, которая предполагает установление ее взаимосвязи с
различными формами организации учебного процесса, а именно:
- определение места СРО в дисциплине;
- направленность других форм занятий на СРО;
- правильный выбор формы и объема СРО;
- наличие методических указаний по выполнению заданий;
Деятельность преподавателя по планированию СРО по
дисциплине сводится к тому, что он должен определить:
- содержание и виды заданий СРС;
- рекомендуемую литературу;
- методические материалы по организации СРС;
- систему оценок по каждому заданию СРС;
- формы контроля (текущий, рубежный, итоговый);
83
- критерии анализа выполнения задания СРС.
Выбор формы и вида СРО по каждой дисциплине проводят,
исходя из целей и задач изучения дисциплины, степени
подготовленности обучаемого, количества часов, отведенных на
самостоятельную работу.
Контроль СРО предполагает проверку наличия и выполнения:
- заданий и методических указаний и рекомендаций по СРС (на
кафедрах);
- графиков самостоятельной работы студентов по специальности
и дисциплине;
-методики присвоения баллов за качество выполненной работы
по дисциплине;
- описания форм и методы контроля СРС в рабочей учебной
программе (силлабусе).
Выбор вида СРС зависит от учебной дисциплины, ее целей и
задач, степени сложности. Например:
Подготовить обзор по теме - значит письменно написать краткий
литературный обзор на 1-2 страницах по рекомендуемой теме с
привлечением
дополнительного
материала
из
печати
и
информационных ресурсов Интернета (обычно задается в начале
изучения дисциплины).
Глоссарий - краткое разъяснение терминов и понятий на
казахском или русском языках возможно с переводом на иностранный
язык; выполняется по заданной теме.
Реферат, являясь наиболее распространенной формой СРС,
представляет собой доклад на определенную тему с обязательным
обзором литературы или изложение содержания научной работы,
книги. Более интересной и творческой работой является
оппонирование реферата, в результате которого приобретаются
навыки анализа выступления, ведения дискуссии.
Коллоквиум позволяет выявить знания, уровень подготовки по
различным темам изучаемой дисциплины, в форме собеседования, что
не всегда удается при других видах СРС.
Презентация - студент может выбрать любую тему для своей
презентации и выразить свое понимание какого-либо аспекта,
рассматриваемого в презентации. Презентация оценивается по
критерию насколько раскрыта тема и вызвала ли она интерес
окружающих, а также насколько профессионально подошел студент к
рассматриваемой проблеме.
84
4.1 Примерный перечень тем сообщений, способствующих
связи курса физики с техникой и технологией
Рекомендуемая тематика для студентов к изучению проявления
физических закономерностей в технических объектах
1. Физические явления в сварке.
2. Теплофизические процессы резания материалов.
3. Физические основы пайки.
4. Физические процессы при обработке материалов
давлением.
5. Физика автомобиля.
6. Законы физики в электрооборудовании автомобиля.
7. Термодинамические процессы в двигателе внутреннего
сгорания.
8. Физические основы строительных материалов.
9. Физика теплогазоснабжения.
10. Физические основы промышленной вентиляции.
11. Физика процесса автоматизации производства.
12. Физические основы электромашиностроения
13. Физика в электронике.
14. Физика упрочнения материалов.
15. Физика контрольно-измерительной аппаратуры.
16. Физические
основы
безопасного
движения
автотранспорта.
17. Физика в электроосвещении.
18. Физические основы экономичности электроснабжения.
19. Физические основы автородео.
85
4.2 Задания для НИРС, курсовых и дипломных работ
1. Изучение кинематики привода спидометра автомобиля.
2. Изучение кинематики привода щеток стеклоочистителя
автомобиля.
3. Изучение кинематики стеклоподъемника дверей автомобиля.
4. Исследование динамики процесса резания материалов.
5. Определение
динамических
характеристик
автомобиля
«Жигули».
6. Изучение
физических
основ
процесса
балансировки
автомобильных колес.
7. Исследование зависимости тормозного пути автомобиля от
скорости его движения и качества дорожного покрытия.
8. Выбор мощности двигателя автомобиля в зависимости от
заданных динамических качеств.
9. Физические основы конструкции электроизмерительных
приборов.
10. Изучение
перехода
от
макета
мостиковых
электроизмерительных цепей к приборам промышленного типа.
11. Изучение использования различных способов соединения
потребителей тока в электрооборудовании автомобиля.
12. Изучение использования явления электромагнитной индукции
в конструкции катушки зажигания автомобиля.
13. Физические основы устройства и действия автомобильного
стартера.
14. Изучение схемы подзарядки аккумуляторной батареи
автомобиля.
15. Изучение принципа устройства и действия датчика
температуры двигателя автомобиля.
16. Изучение принципа устройства и действия датчика давления в
двигателе автомобиля.
17. Изучение принципа устройства и действия датчика уровня
бензина в баке автомобиля.
18. Изучение физических основ устройства и действия реле
сигнала поворота автомобиля.
19. Исследование физических процессов в сварочной дуге.
20. Исследование явления смачивания в процессе пайки.
86
Самостоятельная работа студентов, обучающихся по кредитной
системе, составляет 70 % от общей трудоемкости курса. Из них 50%
времени отводится на самостоятельную работу студентов под
руководством преподавателя.
СРСП (самостоятельная работа студента под руководством
преподавателя) - аудиторная работа обучающегося под руководством
преподавателя, указанная в расписании и включенная в
педагогическую нагрузку преподавателя. СРСП предусматривается по
всем дисциплинам учебного плана.
Занятия в рамках СРСП направлено на дополнительное изучение
материала по предмету и предполагает проведение консультаций
студентов,
проведение
занятий
в
интерактивной
форме,
предназначены для студентов:
- желающих получить дополнительные консультации по физике;
- имеющих низкий текущий рейтинг, испытывающих трудности
при выполнении полученных заданий для самостоятельной работы по
физике.
СРСП предполагает проведение балльно-рейтинговую оценку
мероприятий в форме коллоквиумов, дискуссий, письменных
контрольных работ и т. п.
СРСП предусматривает контроль заданий на самостоятельную
проработку учебного материала и соответствующие контрольнооценочные мероприятия. По дисциплине «Избранные вопросы
современной физики» для студентов специальности 050120 —
Профессиональное обучение он отражен в графике контрольных
мероприятий (таблица 1).
87
4.3 Календарный график (1 рейтинг)
по дисциплине «Избранные вопросы современной физики» для
студентов специальности 050120 — Профессиональное обучение
Таблица 1
Максиму
м баллов
недели
Посещен
ие
лекций
Баллы
Лабор
работы
Баллы
СРСП
3
20
1
№1
20
15
20
6
2
3
№1 №1
4
№2
5
№1
6
№3
7
8
№1 №1
1
ВВЗ
1
1
№1 О
1
№2
1
О
1
№3
1
ИЗ
1
ВВЗ
10
П1
5
П2
10
П3
5
П4
10
1
№ П5 ИЗ
42
9
9
9
9
9
50
Баллы
1
Фактичес
кий балл
студента
№№
№ П1
№ П2
№ П3
№ П4
№ П5
15
10
0
1
8
РК1
4
Темы СРСП
Законы кинематики в приводе токарного станка.
Учет законов гидродинамики в системах
автомобиля.
Пути повышения КПД двигателя внутреннего
сгорания.
Использование
явления
электромагнитной
индукции в электрооборудовании автомобиля.
Пути снижения трения в узлах автомобиля.
88
1
Баллы
9
9
9
9
9
4.4 Календарный график (2 рейтинг)
Максимум
баллов
недели
Посещение
лекций
Баллы
Подготовка и
выполнение
лабораторных
работ
Баллы
СРСП
16
18
1
1
ВВЗ
1
П1
П2
Баллы
7+7
Рубежный контроль
№№
№ П1
№ П2
№ П3
№ П4
№ П5
№ П6
№ П7
№ П8
18
13
14
1
2
3
№1
4
№2
5
6
№3
7
1
1
№1 О
1
№2
1
О
1
ИЗ
1
7
РК2
10
П3
10
П6
5
П7
6
П8
37
7
7
7
56
100
7
20
5
П4
П5
7+7
Перечень тем СРСП
Учет законов сохранения в обеспечении безопасности
движения автотранспорта
Газодинамика процесса выхлопа автомобильного
двигателя
Проявление и учет теплопроводности в узлах
автомобиля
Инерционный двигатель в автомобиле
Оптические свойства электроосветительных приборов
автомобиля
Оптика в окраске и покрытиях узлов автомобиля.
Физика автомобильных аварий
Учет закона Гука в конструкции узлов автомобиля
100
Баллы
7
7
7
7
7
7
7
7
Условные обозначения: ВВЗ – вводное занятие; №П1 – домашнее
задание на самостоятельную проработку; Л1 – лабораторная работа
№1, О – отчет, ИЗ – итоговое занятие; РК1, РК1 – рубежный контроль
№1,2.
Рекомендуемая литература
1. Алферов А. В. В мире умных машин. М., 1989.
2. Билимович Б.Ф. Законы механики в технике: Пособие ,
М.:Просвещение,1975. – 175 с.
3. Блудов М.И. Беседы по физике. – М.: Просвещение, 1973, 192 с.
4. Глазунов А. Г.Техника в курсе физики средней школы. М., 1977.
5. Гнедина Т.Физика и современное производство. М., 1982.
89
6. Енохович А. С. Справочник по физике и технике. М., 1989.
7. Прохоров А. Инженер учиться у природы. – М.: Изд-во
«Знание», 1967, 126 с.
8. Толанский С. Оптические иллюзии: Пер. с англ. — М.: Мир,
1967.— 27 с., ил.
9. Физика и научно-технический прогресс /Под ред. А. Т.
Глазунова, В.Г.Разумовского, В. А. Фабриканта М., 1988.
10. Хилькевич С. С. Физика вокруг нас. М., 1985.
11. Холден А. Что такое ФТТ: (Основы соврем. физики твердого
тела). Пер. с англ. — М.: Мир, 1971. —271 с., ил.— (В мире науки и
техники).
12. Хорбенко
И.Г
За
пределами
слышимого.-М.:
Машиностроение, 1986, 208 с.
13. Холян А.М., Рудницкий М.П. Введение в инженерное
исследование.-Свердловск: УПИ, 1984 – 92 с.
14. Тарасов Л.В., Тарасова А.Н. беседы о преломлении света. /Библ «Квант», вып 18/М.: Наука, 175 с.
Распределение баллов при определении первого и второго
рейтингов текущей успеваемости
Суммарный балл по итогам текущей успеваемости за каждую
половину семестра (первый и второй рейтинг) складывается из
баллов, набранных за подготовку к занятиям, активную работу в
группе и участие в контрольных мероприятиях на занятиях,
своевременность, качество выполнение и защиты самостоятельных и
домашних работ, выполнение и защита лабораторных работ,
рубежный контроль, посещаемость занятий и др.
В соответствии с рабочим учебным планом специальности
форма контроля – экзамен, предусмотрен в 7 семестре. В семестре
будут оцениваться текущая успеваемость и рубежный контроль (РК1,
РК2). Итоговый рейтинг по дисциплине в баллах определяется по
формуле
И 
Р1  Р 2  Р 3  Р 4
4
ВД ТУ
 Э  ВД Э ,
где Р1 , Р 2 , Р 3 , Р 4 , Э - соответственно баллы, набранные по итогам
первого и второго рейтингов семестра, определяемые по стобалльной
шкале; ВД ТУ , ВД Э - весовые доли текущей успеваемости в течение
семестра; И – результаты итогового контроля по дисциплине с учетом
результатов сдачи экзамена.
Для перехода на следующий семестр или курса студент должен
набрать по итогам Р1 и Р2 не менее 50 баллов. В противном случае, он
90
остается на летний семестр, для повторного изучения курса
дисциплины.
Политика курса. В обязанности студентов входит регулярное
посещение занятий, выполнений графика сдачи заданий по
дисциплине, самостоятельная работа с литературой в библиотеке и
интернет зале.
В процессе совместной работы преподавателей со студентами
необходимо придерживаться следующих правил.
Преподаватель и студент должны относиться друг к другу с
уважением, быть тактичными и вежливыми.
Студенты должны быть активными на занятиях: задавать
преподавателю вопросы. Присутствие на занятиях является
необходимым, но не достаточным условием: нужно активное
овладение материалом.
Студент обязан идти на контакт с преподавателем и получать
консультацию по выполняемым заданиям.
Не стесняйтесь ошибаться. Не ошибается тот, кто ничего не
делает.
Не делайте вид, что вы во всём разобрались. Проявляйте
пытливость, наблюдательность.
Посещение занятий является обязательным. Если вы
пропустили три и более занятия без уважительных причин (причина
должна быть подтверждена документально), то преподаватель вправе
потребовать от вас получения допуска декана. Помните:
посещаемость входит в итоговую оценку.
Необходимо своевременно сдавать отчёты по практическим,
лабораторным и самостоятельным работам в соответствии с
графиком. Это влияет на итоговую оценку. Незавершенные отчеты и
самостоятельные работы снижают баллы оценки. Свовременное и в
полной мере выполненное задание предполагает максимальный балл
за каждую работу.
Опоздания на аудиторные занятия не допускаются. При
удалении с занятия балл за посещение и подготовку к занятию будет
равен 0.
В каждом семестре предусмотрены два рубежных контроля
знаний по соответствующим разделам дисциплины в виде
тестирования.
Если Вы отсутствовали на занятии или контрольном
мероприятии по уважительной причине, вам предоставляется
возможность отработать его по индивидуальному заданию и во время,
указанное преподавателем.
Итоговый экзамен будет проводиться в форме тестирования.
91
Рекомендуемая литература
В качестве основной литературы необходимо рассматривать
учебники и учебные пособия, рекомендованные в УМКД.
Приведенный ниже список включает научно-популярные
издания, которые можно рекомендовать будущим педагогам
профессионального обучения в качестве дополнительной литературы.
1. Барщевский Б.У. Квантово-оптические явления. – М.:
Высш.школа, 1980. – 134 с.
2. Компанеец А.С. Курс теоретической физики. Т.1, 2. - М.
Просвещение. – 1975. – 480 с.
3. Копылов Г.И. Всего лишь кинематика /Библ. «Квант». Вып. 11. М.: Наука, 1981. – 175 с.
4. Путилов К.А. Курс физики. Т.1,2 М.: Физматгиз – 559 с.
5. Поль Р.В. Мехника, акустика и учение о теплоте. – М. Наука,
1981 – 480 с.
6. Элиот Л., Уилкокс У. Физика. М. Наука, 1981 – 808 с.
7. Фейнман Р. Характер физических законов. /Библ. «Квант». Вып.
62. – М.: Наука, 1987. – 159 с.
8. Блудов М. И., Беседы по физике. М.: «Просвещение», 1984, кн. 1
и 2. – 207 с.
9. Григорьев В. И., Мякишев Г.Я. Силы в природе. – М.: «Наука»,
1966.- 113 с.
10. Ландау Л. Д., Китайгородский А. И., Физика для всех.
Движение, теплота, «Наука», 1965. Маковецкий П. В., Смотри в
корень!, М.:«Наука», 1966. – 247 с.
11. Низамов И.М. Задачи по физике с техническим содержанием.
– М: Просвещение, 1980 – 95 с.
12. Орир Дж. Популярная физика. – М.: «Мир», 1966. – 321 с.
13. Щукин В. К. Теплообмен в природе и технике. М.: «Наука»,
1965. – 236 с.
14. Артамонов И. Д. Иллюзии зрения. – М.: Физматгиз, 1964. - 196
с.
15. Вавилов С.И. Глаз и Солнце. – М.: Изд-во АН СССР, 1956. –
274 с.
16. Миннарт М. Свет и цвет в природе - М.: Физматгиз, 1959. - 252
с.
17. Слюсарев Г.Г. О возможном и невозможном в оптике М.:
Физматгиз, 1960. – 193 с.
18. Суворов С. Г.,О чем рассказывает свет. М.: Воениздат, 1963. –
169 с.
19. Шаронов В. В., Свет и цвет, Физматгиз, 1961.- 155 с.
20. Басов Н. Г., Афанасьев Ю. В. Световое чудо века. М., 1984.
92
21. Бурдаков
В.П.,
Данилов
Ю.И.
Ракеты
будущего.
М.:Атомиздат, 1980. 180 с., ил.
22. Глюк И. И. И все это делают зеркала: Пер с англ. — М.: Мир,
1971.— 91 с., ил.
23.«Звездные войны». Иллюзии и опасности. М.: Наука, 1985.
24. Левитский С. М., Сигаловский Д. Ю. Работают электронные и
ионные лучи. Киев, 1987.
25. Моисеев Н. Н. Слово о научно-технической революции. М.,
1985.
26. Научно-технический
прогресс
и
эффективность
сельскохозяйственного производства / Под ред. А. М. Емельянова. М.,
1985.
27. Никитин Д. П., Новиков Ю. В., Зарубин Г. П. Научнотехнический прогресс, природа и человек. М., 1977.
28. Пинский А. А., Граковский Г. Ю. Физика с основами
электротехники. М., 1985.
29. Резников 3. М. Прикладная физика. М., 1989.
30. Суорц Кл. Э.
Необыкновенная физика обыкновенных
явлений. М.,1986. Т.1,Т. 2.
93
Содержание
Введение…………………………………………………………………...3
1. СОДЕРЖАНИЕ СПЕЦИАЛЬНОГО КУРСА «ИЗБРАННЫЕ
ВОПРОСЫ СОВРЕМЕННОЙ
ФИЗИКИ»………………………………………………………………....4
1.1 Тематический план…………………………………………………...4
Список рекомендуемой литературы …………………………………..31
2. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО СПЕКУРСУ «ИЗБРАННЫЕ
ВОПРОСЫ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ»…………………………….32
2.1 Определение удельного заряда электрона ………………………..32
2.2 Изучение газового гелий-неонового лазера ………………………36
2.3 Исследование полупроводниковых диодов ……………………...41
2.4 Определение ширины запрещенной зоны полупроводника …….45
2.5 Изучение счетчика Гейгера-Мюллера …………………………….49
2.6 Определение энергии альфа-частиц по пробегу в воздухе ………53
2.7 Определение энергии гамма-излучения методом поглощения ….56
3. МАТЕРИАЛЫ К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ………………...59
3.1 Первоначальные сведения о строении вещества …………………59
3.2 Движение и силы ……………………………………………………60
3.3 Давление жидкостей и газов (гидро- и аэростатика) ……………..64
3.4 Работа и мощность, энергия ……………………………………….68
3.5 Электричество……………………………………………………….76
3.6 Электромагнитные явления ………………………………………..81
Список рекомендуемой литературы …………………………………..82
4. МАТЕРИАЛЫ К САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЕ СТУДЕНТОВ83
4.1 Примерный перечень тем сообщений, способствующих связи
курса физики с техникой и технологией ……………………………...85
4.2 Задания для НИРС, курсовых и дипломных работ ………………86
4.3 Календарный график(1 рейтинг) ………………………………….88
4.4 Календарный график (2 рейтинг) ………………………………...89
Рекомендуемая литература ……...…………………………………….92
94
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
14
Размер файла
889 Кб
Теги
sovremennye, egorov, 198, voprosy, fizika, izbrannie, alinova
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа