Страница 70 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

ТВОРЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ

1. Подготовьте презентацию о большом адронном коллайдере.

Подготовьте презентацию о большом адронном коллайдере.

Слайд 1: Что такое Большой адронный коллайдер (БАК)?

Большой адронный коллайдер (БАК, англ. Large Hadron Collider, LHC) — это самая крупная и мощная в мире экспериментальная установка, ускоритель заряженных частиц. Он предназначен для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений.

• Цель: Понять, из чего состоит Вселенная и как она работает на самом фундаментальном уровне. Ученые используют БАК, чтобы воссоздать условия, существовавшие в первые мгновения после Большого взрыва.
• Организация: БАК построен и управляется Европейской организацией по ядерным исследованиям (ЦЕРН, фр. CERN).
• Расположение: Коллайдер находится на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы, в кольцевом туннеле на глубине от 50 до 175 метров.

Слайд 2: Как устроен и работает БАК?

БАК представляет собой гигантское инженерное сооружение со сложнейшей структурой.

• Кольцевой туннель: Длина основного кольца составляет 26.7 километров.
• Сверхпроводящие магниты: Более 9600 магнитов используются для удержания и фокусировки пучков частиц, движущихся со скоростью, близкой к скорости света. Магниты создают мощнейшие поля, изгибающие траекторию протонов.
• Экстремальный холод: Для работы магнитов в режиме сверхпроводимости (без потерь энергии) их охлаждают жидким гелием до температуры $1.9 \text{ K}$ (это $-271.25 ^\circ\text{C}$), что ниже, чем температура открытого космоса.
• Глубокий вакуум: Внутри труб, по которым летят частицы, создан сверхглубокий вакуум, чтобы протоны не сталкивались с молекулами воздуха.

Принцип работы:

1. Пучки протонов или ионов свинца ускоряются в серии меньших ускорителей.
2. Затем они инжектируются в основное кольцо БАК, где два пучка движутся в противоположных направлениях.
3. Магниты разгоняют частицы до энергии $6.8 \text{ ТэВ}$ (тераэлектронвольт) каждая. Скорость протонов достигает 99.9999991% от скорости света.
4. В четырех точках кольца пучки пересекаются, и частицы сталкиваются друг с другом. Суммарная энергия столкновения достигает $13.6 \text{ ТэВ}$.
5. Вокруг точек столкновения установлены гигантские детекторы, которые фиксируют результаты этих столкновений.

Слайд 3: Детекторы — глаза коллайдера

Вокруг точек столкновений установлены четыре основных детектора, каждый из которых представляет собой сложнейший многоцелевой прибор размером с многоэтажный дом.

• ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS): Детектор общего назначения для поиска новой физики. Один из двух детекторов, объявивших об открытии бозона Хиггса.
• CMS (Compact Muon Solenoid): Также детектор общего назначения, конкурент ATLAS. Его отличительная черта — мощнейший соленоидальный магнит. Также участвовал в открытии бозона Хиггса.
• ALICE (A Large Ion Collider Experiment): Специализируется на изучении кварк-глюонной плазмы — состояния вещества, которое существовало в первые микросекунды после Большого взрыва. Для этого в БАК сталкивают ионы свинца.
• LHCb (Large Hadron Collider beauty): Изучает асимметрию между материей и антиматерией, исследуя распад частиц, содержащих так называемый "прелестный" (beauty) b-кварк.

Слайд 4: Главные научные цели и открытия

Работа БАК направлена на решение самых фундаментальных загадок физики.

Основные цели:

• Поиск и изучение свойств бозона Хиггса.
• Поиск частиц темной материи.
• Исследование суперсимметрии — теории, которая предполагает, что у каждой известной частицы есть более тяжелый "суперпартнер".
• Изучение свойств кварк-глюонной плазмы.
• Проверка гипотез о существовании дополнительных измерений пространства.

Ключевые открытия:

• Открытие бозона Хиггса (2012 г.): Это стало триумфом Стандартной модели физики элементарных частиц. Бозон Хиггса — это частица, связанная с полем Хиггса, которое придает массу другим элементарным частицам.
• Открытие новых адронов: Были обнаружены экзотические частицы, такие как пентакварки (состоят из пяти кварков) и тетракварки (из четырех), что расширило наше понимание сильного взаимодействия.
• Точные измерения: Проведены сверхточные измерения свойств уже известных частиц, что позволяет проверять предсказания Стандартной модели с беспрецедентной точностью.

Слайд 5: Значение БАК для науки и технологий

Проект БАК имеет огромное значение не только для фундаментальной науки, но и для развития технологий.

• Фундаментальная наука: БАК позволяет заглянуть в самые основы строения материи и понять законы, управлявшие Вселенной в момент ее зарождения.
• Информационные технологии: Для обработки колоссальных объемов данных с детекторов (десятки петабайт в год) была создана всемирная вычислительная сеть — грид (Grid). Технология World Wide Web (WWW) также была рождена в стенах ЦЕРН.
• Медицина: Технологии, разработанные для ускорителей, находят применение в медицине, например, в адронной терапии для лечения онкологических заболеваний и в создании современных томографов (ПЭТ).
• Промышленность: Развитие технологий сверхпроводимости, криогеники, вакуумной техники и электроники стимулирует инновации в промышленности.

Слайд 6: Будущее коллайдера

Работа БАК распланирована на десятилетия вперед. Сейчас реализуется проект High-Luminosity LHC (HL-LHC) — модернизация коллайдера с целью повышения светимости (количества столкновений в секунду) в 5–7 раз. Это позволит:

• Накопить в 10 раз больше данных к концу 2030-х годов.
• Провести еще более точные измерения свойств бозона Хиггса.
• Увеличить шансы на открытие редких и трудноуловимых явлений, выходящих за рамки Стандартной модели.

Параллельно ученые уже проектируют коллайдеры следующего поколения, такие как Future Circular Collider (FCC), который может иметь длину кольца до 100 км и позволит достичь еще более высоких энергий.

Ответ:

Представлена структура и содержание презентации о Большом адронном коллайдере, охватывающие его устройство, принцип работы, научные цели, ключевые открытия, технологическое значение и перспективы на будущее.

2. Для определения результирующей магнитной индукции в данной точке пользуются принципом суперпозиции магнитных полей. Предложите, как, используя термин «суперпозиция», определить влияние взрослых на ребёнка.

Принцип суперпозиции в физике гласит, что результирующее воздействие на объект или точку в пространстве от нескольких независимых источников равно векторной сумме воздействий от каждого источника в отдельности. В случае магнитных полей, результирующая магнитная индукция $\vec{B}_{рез}$ в точке является векторной суммой индукций $\vec{B}_i$, создаваемых каждым из источников: $\vec{B}_{рез} = \vec{B}_1 + \vec{B}_2 + \dots + \vec{B}_n = \sum_{i=1}^{n} \vec{B}_i$.

Используя этот принцип по аналогии для определения влияния взрослых на ребёнка, можно представить ребёнка как «точку», на которую оказывается воздействие, а каждого взрослого в его окружении (родителей, бабушек и дедушек, учителей и т.д.) — как «источник влияния».

Влияние каждого взрослого можно рассматривать как условный «вектор». Этот вектор характеризуется, во-первых, величиной (модулем) – силой влияния, которая зависит от авторитета взрослого, времени, проводимого с ребёнком, и эмоциональной связи. Во-вторых, он характеризуется направлением – характером влияния, который определяет, какие именно ценности, установки, знания и навыки передаются ребёнку. Например, влияние одного взрослого может быть направлено на развитие творческих способностей, другого – на дисциплину и ответственность.

Суперпозиция этих влияний означает, что итоговое формирование личности, мировоззрения и поведения ребёнка является результатом сложения всех этих отдельных «векторов» влияния. Некоторые влияния могут усиливать друг друга (например, когда и отец, и учитель поощряют любознательность), в то время как другие могут быть разнонаправленными или даже конфликтовать (например, если родители поощряют самостоятельность, а бабушка проявляет гиперопеку). В этом случае итоговый «вектор» развития личности будет результатом их сложного взаимодействия.

Таким образом, используя термин «суперпозиция», можно сказать, что личность ребёнка — это результат суперпозиции (наложения) множества отдельных влияний со стороны всех значимых для него взрослых. Итоговое «состояние» ребёнка зависит не только от каждого отдельного влияния, но и от их совокупности и взаимного расположения.

Ответ: Влияние взрослых на ребёнка можно определить по принципу суперпозиции: итоговое воздействие на формирование его личности представляет собой результат сложения (наложения) влияний от каждого взрослого в его окружении. Каждое отдельное влияние (от родителя, учителя и т.д.) можно представить как условный вектор, имеющий силу (величину) и характер (направление). Результирующее влияние — это итог сложения всех этих векторов, при котором одни влияния могут усиливать друг друга, а другие — ослаблять или вступать в противоречие.

3. Создайте фотоальбом «Спектры магнитных полей».

Создайте фотоальбом «Спектры магнитных полей».

Решение

Фотоальбом «Спектры магнитных полей» представляет собой концептуальную коллекцию изображений, которые наглядно демонстрируют структуру магнитных полей от различных источников. Цель альбома — визуализировать невидимые магнитные силовые линии, чтобы лучше понять их форму, направление и свойства. Визуализация чаще всего достигается с помощью мелких железных опилок, которые, подобно стрелкам компаса, выстраиваются вдоль этих линий.

Альбом можно разделить на три тематических раздела.

Раздел 1: Магнитные поля постоянных магнитов

Этот раздел содержит изображения спектров полей, создаваемых постоянными магнитами. Они являются классическими примерами и основой для понимания магнетизма.

• Фото 1: Спектр поля полосового магнита. На изображении представлен полосовой магнит, помещенный под лист бумаги или оргстекла, на который равномерно насыпаны железные опилки. Опилки образуют четкую картину силовых линий: они выходят из северного полюса (N), изгибаются в пространстве и входят в южный полюс (S), замыкаясь внутри магнита. Картина иллюстрирует дипольный характер поля и его неоднородность (линии гуще у полюсов, где поле сильнее).
• Фото 2: Спектр поля подковообразного магнита. Подковообразный магнит, накрытый листом с железными опилками. Опилки показывают, что между полюсами магнита создается очень сильное и практически однородное поле — силовые линии здесь расположены густо и почти параллельны друг другу. Снаружи поле значительно слабее.
• Фото 3: Взаимодействие двух магнитов (притяжение). Два полосовых магнита расположены на небольшом расстоянии друг от друга разноименными полюсами (N к S). Спектр показывает, как силовые линии «перетекают» от северного полюса одного магнита к южному полюсу другого, образуя общее поле и наглядно демонстрируя силу притяжения.
• Фото 4: Взаимодействие двух магнитов (отталкивание). Два магнита расположены одноименными полюсами (например, N к N). Картина силовых линий четко показывает, как они изгибаются и расходятся в стороны, как бы упираясь друг в друга. Между полюсами образуется область, где опилок почти нет, что свидетельствует об ослаблении поля и наличии силы отталкивания.

Раздел 2: Магнитные поля электрических токов

Данный раздел посвящен визуализации магнитных полей, которые порождаются движущимися электрическими зарядами (током) в проводниках различной конфигурации.

• Фото 5: Спектр поля прямого проводника с током. Через горизонтальный лист картона пропущен вертикальный прямой провод. При пропускании по нему постоянного тока рассыпанные на картоне железные опилки выстраиваются в виде концентрических окружностей. Центр этих окружностей находится на оси проводника. Это доказывает, что магнитное поле тока имеет вихревой характер.
• Фото 6: Спектр поля кругового витка с током. Железные опилки вокруг катушки, состоящей из одного или нескольких витков. Они показывают, что силовые линии входят с одной стороны плоскости витка и выходят с другой. В центре витка поле наиболее сильное и направлено перпендикулярно его плоскости.
• Фото 7: Спектр поля соленоида. На фото представлен длинный соленоид (цилиндрическая катушка). Картина силовых линий, полученная с помощью опилок, очень похожа на спектр поля полосового магнита. Внутри соленоида линии практически параллельны и равномерны, что говорит о создании однородного магнитного поля. Снаружи поле слабое и имеет дипольный характер.

Раздел 3: Магнитное поле Земли

В этом разделе представлены не экспериментальные спектры, а схемы и фотографии явлений, иллюстрирующих глобальное магнитное поле нашей планеты.

• Фото 8: Схема магнитосферы Земли. Научная иллюстрация, изображающая Землю и окружающие ее силовые линии магнитного поля, которые образуют магнитосферу. На схеме показано, как это поле деформируется под действием солнечного ветра и защищает планету, отклоняя поток заряженных частиц от Солнца.
• Фото 9: Полярное сияние. Яркая фотография полярного сияния (Aurora Borealis/Australis). Подпись к фото объясняет, что это красивое природное явление — результат взаимодействия заряженных частиц солнечного ветра с атомами земной атмосферы. Частицы движутся вдоль силовых линий магнитного поля Земли и вызывают свечение газов в приполярных областях.

Ответ:

Концепция фотоальбома «Спектры магнитных полей» заключается в создании систематизированной коллекции визуальных материалов для демонстрации невидимых магнитных полей. Альбом должен состоять из трех разделов: 1) Спектры полей постоянных магнитов (полосового, подковообразного, взаимодействующих полюсов), полученные с помощью железных опилок. 2) Спектры полей, создаваемых электрическим током в прямом проводнике, круговом витке и соленоиде. 3) Иллюстрации и фотографии, относящиеся к магнитному полю Земли (схема магнитосферы, полярные сияния). Каждое изображение должно сопровождаться подробным описанием, объясняющим наблюдаемую картину и лежащие в ее основе физические принципы.