Страница 36 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

ТВОРЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ

1. По паспортам бытовых приборов, имеющихся у вас в доме, выясните потребляемую ими мощность. Результаты представьте в виде таблицы. Оцените вклад этих приборов в обогрев воздуха в вашем доме.

Для ответа на этот вопрос необходимо изучить технические паспорта или наклейки на корпусах бытовых приборов. Поскольку у меня нет доступа к конкретным приборам, я приведу таблицу со средними значениями мощности для наиболее распространенной бытовой техники.

Оценка вклада приборов в обогрев воздуха в доме

Любой работающий электрический прибор выделяет тепло. Согласно закону сохранения энергии и закону Джоуля-Ленца, практически вся потребляемая из сети электрическая энергия в конечном счете преобразуется во внутреннюю энергию окружающих тел, то есть в тепло. Исключение составляют приборы, совершающие работу против внешних сил (например, вентилятор, выдувающий воздух из комнаты). Свет, излучаемый лампами или экранами, поглощается стенами и мебелью, также превращаясь в тепло. Звук от динамиков затухает, и его энергия тоже переходит в тепловую.

Следовательно, каждый включенный прибор работает как небольшой обогреватель, а его тепловая мощность практически равна потребляемой электрической мощности. Летом это приводит к дополнительному нагреву помещений, а зимой — помогает системе отопления.

Чтобы количественно оценить этот вклад, проведем расчет для гипотетической ситуации.

Дано:

Размеры комнаты: длина $a = 5$ м, ширина $b = 4$ м, высота $h = 2.5$ м.

В комнате работают приборы: персональный компьютер ($P_1 = 300$ Вт) и телевизор ($P_2 = 100$ Вт).

Время работы приборов: $t = 1$ час.

Физические константы:

Удельная теплоемкость воздуха: $c \approx 1005$ Дж/(кг·°C).

Плотность воздуха: $\rho \approx 1.2$ кг/м³.

Перевод данных в систему СИ:

Время $t = 1 \text{ час} = 3600 \text{ с}$.

Остальные величины уже представлены в единицах СИ.

Найти:

$\Delta T$ — теоретическое изменение температуры воздуха в комнате.

Решение:

1. Определим суммарную электрическую мощность, которая будет преобразована в тепло:

$P_{общ} = P_1 + P_2 = 300 \text{ Вт} + 100 \text{ Вт} = 400 \text{ Вт}$

2. Рассчитаем количество теплоты $Q$, которое выделится за время $t$:

$Q = P_{общ} \cdot t = 400 \text{ Вт} \cdot 3600 \text{ с} = 1\;440\;000 \text{ Дж}$

3. Вычислим объем $V$ и массу $m$ воздуха в комнате:

$V = a \cdot b \cdot h = 5 \text{ м} \cdot 4 \text{ м} \cdot 2.5 \text{ м} = 50 \text{ м}^3$

$m = \rho \cdot V = 1.2 \text{ кг/м}^3 \cdot 50 \text{ м}^3 = 60 \text{ кг}$

4. Изменение температуры $\Delta T$ найдем из формулы количества теплоты $Q = c \cdot m \cdot \Delta T$:

$\Delta T = \frac{Q}{c \cdot m}$

5. Подставим числовые значения и произведем расчет:

$\Delta T = \frac{1\;440\;000 \text{ Дж}}{1005 \text{ Дж/(кг·°C)} \cdot 60 \text{ кг}} \approx 23.9 \text{ °C}$

Данный расчет является модельным и предполагает, что комната идеально теплоизолирована и герметична. В реальных условиях теплопотери через стены, окна и вентиляцию приведут к тому, что фактическое повышение температуры будет значительно меньше. Тем не менее, расчет наглядно демонстрирует, что вклад бытовых приборов в нагрев воздуха в помещении очень существенен.

Ответ: Мощность распространенных бытовых приборов приведена в таблице. Вклад этих приборов в обогрев воздуха в доме является прямым следствием закона сохранения энергии: почти вся потребленная электроэнергия переходит в тепло. Расчет показывает, что суммарная мощность приборов в 400 Вт за час работы в идеально изолированной комнате объемом 50 м³ может теоретически повысить температуру воздуха на 23.9 °C. Это подтверждает, что бытовая техника является значительным источником тепла в жилых помещениях.

2. Подготовьте презентацию об открытии явления сверхпроводимости и вкладе российских учёных в развитие данного направления в науке и технике.

Решение

Открытие явления сверхпроводимости

Явление сверхпроводимости было открыто 8 апреля 1911 года в Лейденской лаборатории голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом. Проводя эксперименты с жидким гелием для достижения сверхнизких температур, он исследовал электрическое сопротивление чистых металлов. При охлаждении ртути до температуры около 4.2 К (–269 °C) её электрическое сопротивление не просто плавно уменьшилось, а скачком упало до нуля. Камерлинг-Оннес назвал это новое состояние вещества «сверхпроводимостью». Температура, при которой происходит переход в сверхпроводящее состояние, получила название критической температуры ($T_c$). Это открытие положило начало новой эре в физике низких температур и физике конденсированного состояния. За свои исследования в области низких температур, которые привели к производству жидкого гелия, Камерлинг-Оннес был удостоен Нобелевской премии по физике в 1913 году.

Двумя фундаментальными свойствами сверхпроводников являются:

1. Нулевое электрическое сопротивление. В сверхпроводящем состоянии электрический ток может протекать по проводнику бесконечно долго без потерь энергии.
2. Эффект Мейснера. Открытый в 1933 году Вальтером Мейснером и Робертом Оксенфельдом, этот эффект заключается в полном выталкивании магнитного поля из объёма сверхпроводника при его переходе в сверхпроводящее состояние. Это свойство доказывает, что сверхпроводимость — это не просто идеальная проводимость, а самостоятельное термодинамическое состояние вещества.

Ответ: Явление сверхпроводимости, заключающееся в скачкообразном падении электрического сопротивления до нуля при охлаждении материала ниже определенной критической температуры ($T_c$), было открыто в 1911 году голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом при исследовании свойств ртути, охлажденной с помощью жидкого гелия.

Вклад российских и советских учёных в развитие данного направления в науке и технике

Российская и советская физические школы внесли фундаментальный, всемирно признанный вклад в понимание природы сверхпроводимости и создание её теоретических основ. Ключевые достижения включают создание феноменологической и микроскопической теорий, предсказание нового типа сверхпроводников и открытие фундаментальных явлений на границе сверхпроводящих материалов.

1. Феноменологическая теория Гинзбурга-Ландау (1950)

Советские физики-теоретики Виталий Лазаревич Гинзбург и Лев Давидович Ландау создали феноменологическую теорию, которая описывает поведение сверхпроводников вблизи критической температуры. Эта теория ввела понятие комплексного параметра порядка, модуль которого характеризует долю электронов, перешедших в сверхпроводящее состояние. Теория Гинзбурга-Ландау стала краеугольным камнем современной физики сверхпроводимости, позволив описать поведение сверхпроводников в магнитном поле и предсказать существование двух характерных длин — длины когерентности и глубины проникновения магнитного поля. За разработку этой теории В. Л. Гинзбург (совместно с А. А. Абрикосовым и Э. Леггеттом) был удостоен Нобелевской премии по физике в 2003 году (Л. Д. Ландау, лауреат Нобелевской премии 1962 года за другие работы, скончался в 1968 году).

Ответ: В. Л. Гинзбург и Л. Д. Ландау создали теорию, которая феноменологически описывает макроскопические квантовые эффекты в сверхпроводниках и служит основой для описания их поведения в магнитных полях.

2. Сверхпроводники II рода и вихри Абрикосова (1957)

Развивая теорию Гинзбурга-Ландау, Алексей Алексеевич Абрикосов теоретически предсказал существование нового класса сверхпроводников — сверхпроводников II рода. В отличие от сверхпроводников I рода, которые полностью выталкивают магнитное поле (эффект Мейснера) и теряют сверхпроводимость даже в слабых полях, сверхпроводники II рода могут находиться в так называемом смешанном состоянии. В этом состоянии магнитное поле проникает в материал в виде квантованных нитей — вихрей Абрикосова. Это позволяет сверхпроводникам II рода сохранять свои свойства в очень сильных магнитных полях, что имеет колоссальное практическое значение для создания сверхпроводящих магнитов (например, для МРТ-томографов и ускорителей частиц, таких как Большой адронный коллайдер). Открытие Абрикосова также было отмечено Нобелевской премией в 2003 году.

Ответ: А. А. Абрикосов теоретически открыл сверхпроводники II рода и предсказал существование в них квантованных магнитных вихрей, что объяснило возможность сохранения сверхпроводимости в сильных магнитных полях и открыло путь к их широкому техническому применению.

3. Микроскопическая теория сверхпроводимости (1957)

Николай Николаевич Боголюбов внес ключевой вклад в создание микроскопической теории сверхпроводимости. Практически одновременно и независимо от американских ученых Бардина, Купера и Шриффера (создателей теории БКШ), он разработал мощный математический аппарат (преобразование Боголюбова), который позволил объяснить явление на квантовом уровне. Метод Боголюбова показал, что при низких температурах электроны в кристаллической решетке за счет взаимодействия с ней могут объединяться в пары (куперовские пары), которые ведут себя как бозоны и способны образовывать конденсат, движущийся по проводнику без сопротивления.

Ответ: Н. Н. Боголюбов разработал один из фундаментальных методов для микроскопического описания сверхпроводимости, объяснив её как следствие образования и конденсации куперовских пар электронов.

4. Андреевское отражение (1964)

Александр Фёдорович Андреев открыл специфический процесс рассеяния электронов на границе между нормальным металлом и сверхпроводником. Он показал, что электрон, падающий на эту границу со стороны нормального металла (если его энергия меньше сверхпроводящей щели), не может проникнуть в сверхпроводник как отдельная частица. Вместо этого он образует куперовскую пару со вторым электроном из металла, а в нормальный металл отражается квазичастица с противоположным зарядом и почти противоположным импульсом — дырка. Это явление, названное андреевским отражением, является фундаментальным для понимания электрического транспорта в гибридных структурах «сверхпроводник-металл» и используется в современных квантовых устройствах, например, для измерения сверхпроводящей щели.

Ответ: А. Ф. Андреев теоретически описал уникальный механизм отражения электрона от границы со сверхпроводником в виде дырки, что является ключевым эффектом в физике мезоскопических сверхпроводящих систем.

5. Исследования в области высокотемпературной сверхпроводимости (с 1986 г.)

После открытия в 1986 году высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) в оксидах меди, российские научные центры (Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, Институт физики высоких давлений РАН, РНЦ «Курчатовский институт», МГУ и др.) активно включились в мировые исследования. Российские ученые внесли значительный вклад в синтез новых ВТСП-материалов (включая ртутьсодержащие купраты с рекордными на тот момент температурами перехода), изучение их сложной структуры, электронных и магнитных свойств. Также российскими теоретиками были предложены оригинальные модели, пытающиеся объяснить сложный механизм ВТСП, который до сих пор не до конца понят.

Ответ: Российские научные коллективы внесли и продолжают вносить важный вклад в мировую науку о ВТСП, активно участвуя в исследовании новых материалов и поиске фундаментальных механизмов этого явления.