Практические приложения, страница 241, часть 1 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

Практические приложения физических знаний

• Виды самостоятельного разряда и их применение в технике.
• Различные виды электромагнитных излучений и их применение в науке и технике.
• Оптические явления в природе.
• Области применения лазерных технологий.
• Экологические проблемы работы атомных электростанций.
• Методы регистрации ионизирующих излучений.
• Семипалатинский полигон и движение “Семей—Невада”.
• Большой адронный коллайдер.

Виды самостоятельного разряда и их применение в технике. Самостоятельный электрический разряд в газе — это электрический ток, который продолжается после прекращения действия внешнего ионизатора. Он поддерживается за счёт процессов, происходящих в самом разрядном промежутке. Существует несколько основных видов самостоятельного разряда, каждый из которых нашёл широкое применение.

1. Тлеющий разряд возникает при низких давлениях газа. Он характеризуется относительно невысокой температурой газа и неравномерным свечением. Применение: газоразрядные лампы (неоновая реклама), люминесцентные лампы (в качестве источника УФ-излучения для возбуждения люминофора), газовые лазеры (например, гелий-неоновый), плазменное травление в микроэлектронике и напыление тонких плёнок.

2. Дуговой разряд характеризуется высокой плотностью тока и низкой разностью потенциалов между электродами. В канале разряда (дуге) газ разогревается до очень высоких температур (тысячи кельвинов). Применение: электродуговая сварка и резка металлов, дуговые сталеплавильные печи в металлургии, мощные источники света (дуговые лампы в прожекторах и кинопроекторах).

3. Искровой разряд — это нестационарный разряд, возникающий при напряжённостях поля, превышающих диэлектрическую прочность газа. Он имеет вид ярких, разветвлённых, быстро сменяющих друг друга каналов. Применение: свечи зажигания в двигателях внутреннего сгорания, искровые разрядники для защиты электрооборудования от перенапряжений, в спектральном анализе для возбуждения атомов пробы.

4. Коронный разряд возникает в резко неоднородных электрических полях вблизи электродов с малой кривизной поверхности (острия, провода). Выглядит как слабое свечение (корона) вокруг электрода. Применение: электрофильтры для очистки промышленных газов от пыли и дыма, генераторы озона (озонаторы), ионизаторы воздуха, в высоковольтной технике для предотвращения потерь энергии.

Ответ: Основными видами самостоятельного разряда являются тлеющий (газосветные лампы, лазеры), дуговой (сварка, металлургия), искровой (свечи зажигания) и коронный (электрофильтры, озонаторы).

Различные виды электромагнитных излучений и их применение в науке и технике. Электромагнитное излучение представляет собой распространяющиеся в пространстве возмущения электромагнитного поля. Весь спектр этих излучений делят на диапазоны в зависимости от длины волны $ \lambda $ и частоты $ \nu $.

1. Радиоволны ($ \lambda > 10 $ см). Применение: радио- и телевещание, мобильная связь, Wi-Fi, радиолокация (для обнаружения самолётов, кораблей, метеорологических образований), радиоастрономия (изучение космических объектов).

2. Микроволны ($ \lambda $ от 1 мм до 1 м). Применение: микроволновые печи, спутниковая связь, системы навигации (GPS), радары, исследование реликтового излучения в космологии.

3. Инфракрасное (ИК) излучение ($ \lambda $ от 740 нм до 1-2 мм). Применение: тепловизоры и приборы ночного видения, пульты дистанционного управления, оптоволоконная связь, инфракрасная спектроскопия для анализа веществ, обогрев помещений.

4. Видимый свет ($ \lambda $ от 400 до 740 нм). Применение: освещение, зрение, фотография, лазеры, оптическая микроскопия, спектральный анализ.

5. Ультрафиолетовое (УФ) излучение ($ \lambda $ от 10 до 400 нм). Применение: стерилизация медицинских инструментов и воды, детекторы валют, солярии, лечение кожных заболеваний, УФ-литография в производстве микросхем.

6. Рентгеновское излучение ($ \lambda $ от 0.01 до 10 нм). Применение: медицинская диагностика (флюорография, компьютерная томография), системы безопасности в аэропортах, рентгеноструктурный анализ для определения строения кристаллов, рентгеновская астрономия.

7. Гамма-излучение ($ \lambda < 0.01 $ нм). Применение: лучевая терапия для лечения онкологических заболеваний, стерилизация пищевых продуктов и медицинского оборудования, гамма-дефектоскопия в промышленности, гамма-астрономия для изучения самых высокоэнергетических процессов во Вселенной.

Ответ: Электромагнитные излучения, от радиоволн до гамма-лучей, находят широкое применение во всех сферах жизни: от бытовых приборов (микроволновые печи) и связи (радио, Wi-Fi) до медицины (рентген, лучевая терапия) и фундаментальной науки (астрономия, физика частиц).

Оптические явления в природе. Оптические явления в природе возникают в результате взаимодействия солнечного света с атмосферой Земли и различными объектами.

Радуга — возникает из-за дисперсии (разложения белого света в спектр) и отражения света в каплях дождя или тумана. Солнечный свет преломляется при входе в каплю, отражается от её внутренней поверхности и снова преломляется на выходе. Разные цвета отклоняются на немного разные углы, что и приводит к появлению цветной дуги на небе.

Гало — светящиеся круги, дуги или пятна вокруг Солнца или Луны. Это явление вызывается преломлением и отражением света в ледяных кристаллах, содержащихся в перистых облаках на большой высоте. Форма гало зависит от формы и ориентации кристаллов.

Мираж — явление, при котором из-за аномальной рефракции (искривления) световых лучей в неоднородно нагретых слоях воздуха появляются мнимые изображения отдалённых объектов. Нижний мираж (например, «лужа» на раскалённом асфальте) возникает, когда нижние слои воздуха значительно теплее верхних.

Полярное сияние (Aurora Borealis/Australis) — свечение верхних слоёв атмосферы, возникающее в результате взаимодействия заряженных частиц солнечного ветра с атомами и молекулами атмосферных газов в магнитном поле Земли. Цвет сияния зависит от того, какой газ возбуждается: кислород даёт зелёное и красное свечение, азот — фиолетовое и синее.

Голубой цвет неба и красные закаты — эти явления объясняются рэлеевским рассеянием света на молекулах воздуха. Молекулы газов рассеивают коротковолновый (синий и фиолетовый) свет гораздо сильнее, чем длинноволновый (красный и оранжевый). Днём, когда Солнце высоко, мы видим рассеянный во все стороны синий свет. На закате и восходе солнечные лучи проходят большой путь в атмосфере, синяя часть спектра рассеивается в стороны, и до наблюдателя доходит в основном красный и оранжевый свет.

Ответ: Природные оптические явления, такие как радуга, гало, миражи, полярные сияния и цвет неба, обусловлены фундаментальными физическими процессами: дисперсией, отражением, преломлением и рассеянием света в атмосфере.

Области применения лазерных технологий. Лазеры — источники когерентного, монохроматического и узконаправленного света — произвели революцию во многих областях науки и техники.

Медицина : Лазеры используются как "световые скальпели" в хирургии для точных разрезов с одновременной коагуляцией (прижиганием) сосудов, что уменьшает кровопотери. Широко известна лазерная коррекция зрения (LASIK). В дерматологии лазеры применяют для удаления татуировок, новообразований, волос. В онкологии используется фотодинамическая терапия.

Промышленность : Мощные лазеры применяются для резки, сварки, сверления и маркировки различных материалов, от металлов до пластика. Лазерная обработка обеспечивает высокую точность и скорость. Лазеры используются в 3D-печати (стереолитография) и для точных измерений и выравнивания (лазерные уровни).

Связь и информация : Лазеры являются основой волоконно-оптических линий связи, передающих огромные объёмы данных на большие расстояния. Они используются для считывания и записи информации на оптических дисках (CD, DVD, Blu-ray). Сканеры штрих-кодов в магазинах также работают с помощью лазеров.

Наука : В научных исследованиях лазеры применяются для изучения структуры веществ (лазерная спектроскопия), охлаждения атомов до сверхнизких температур, создания голограмм, в системах лидаров (LIDAR) для картографии и исследования атмосферы. Мощнейшие лазеры используются для изучения экстремальных состояний вещества.

Военная техника : Лазеры используются в качестве дальномеров, целеуказателей для высокоточного оружия, в системах наведения. Ведутся разработки боевых лазерных систем.

Быт и развлечения : Лазерные указки, лазерные принтеры, лазерные шоу на концертах.

Ответ: Лазерные технологии применяются в медицине (хирургия, косметология), промышленности (резка, сварка), связи (оптоволокно), науке (спектроскопия, лидары), военной технике (целеуказание) и в быту (принтеры, шоу).

Экологические проблемы работы атомных электростанций. Атомные электростанции (АЭС) производят электроэнергию без выбросов парниковых газов, но их эксплуатация связана с рядом серьёзных экологических проблем.

1. Обращение с радиоактивными отходами (РАО) . Это главная нерешённая проблема атомной энергетики. Отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) является высокоактивными отходами, которые остаются опасными на протяжении тысяч и десятков тысяч лет. На сегодняшний день не существует ни одного действующего хранилища для окончательной геологической изоляции ОЯТ, все отходы хранятся во временных хранилищах на территориях АЭС или специализированных площадках.

2. Риск аварий . Хотя современные АЭС имеют многоуровневые системы безопасности, риск тяжёлых аварий с расплавлением активной зоны и выбросом радиоактивных веществ в окружающую среду полностью исключить нельзя. Катастрофы на Чернобыльской АЭС (1986 г.) и АЭС Фукусима-1 (2011 г.) привели к масштабному и долгосрочному радиоактивному загрязнению огромных территорий, массовым эвакуациям населения и тяжёлым последствиям для здоровья людей и экосистем.

3. Тепловое загрязнение . АЭС для охлаждения своих реакторов и турбин используют большие объёмы воды из рек, озёр или морей. Нагретая вода, сбрасываемая обратно в водоём, повышает его температуру, что приводит к уменьшению содержания растворенного кислорода и может негативно влиять на водную флору и фауну.

4. Экологические последствия добычи урана . Процесс добычи и обогащения урановой руды также наносит ущерб окружающей среде, включая разрушение ландшафтов, загрязнение грунтовых вод и образование огромных отвалов пустой породы, которые могут быть источником радиоактивного газа радона.

Ответ: Ключевыми экологическими проблемами АЭС являются безопасное долговременное хранение радиоактивных отходов, риск тяжёлых аварий с радиоактивным загрязнением, тепловое загрязнение водоёмов и негативное воздействие на окружающую среду при добыче урана.

Методы регистрации ионизирующих излучений. Ионизирующее излучение (альфа-, бета-, гамма-кванты, рентгеновские лучи, нейтроны) невидимо и не ощущается органами чувств человека, поэтому для его обнаружения и измерения используют специальные приборы — детекторы. Их работа основана на регистрации эффектов, которые излучение производит при взаимодействии с веществом детектора.

1. Газоразрядные детекторы . Используют способность излучения ионизировать газ.

- Счётчик Гейгера-Мюллера : самый известный тип. Попадание одной частицы вызывает лавинный разряд в газе, который регистрируется электроникой в виде импульса. Позволяет считать число частиц, но не определять их энергию.

- Пропорциональный счётчик : работает при меньшем напряжении, и величина импульса пропорциональна энергии, поглощённой в газе. Позволяет не только считать частицы, но и измерять их энергию.

- Ионизационная камера : регистрирует ток, создаваемый ионами, образованными излучением. Используется для измерения больших мощностей доз.

2. Сцинтилляционные детекторы . Состоят из сцинтиллятора — вещества, которое испускает вспышку света при поглощении частицы излучения. Эта вспышка улавливается фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) и преобразуется в электрический импульс. Яркость вспышки пропорциональна энергии частицы. Очень эффективны для регистрации гамма-излучения.

3. Полупроводниковые детекторы . В них под действием излучения в объёме полупроводника (например, кремния или германия) создаются пары электрон-дырка. Под действием электрического поля они движутся и создают электрический импульс. Эти детекторы обладают очень высоким энергетическим разрешением, что делает их незаменимыми для спектрометрии.

4. Трековые детекторы . Позволяют визуализировать траекторию (трек) частицы. К ним относятся камера Вильсона (трек из капелек жидкости в пересыщенном паре), пузырьковая камера (трек из пузырьков в перегретой жидкости) и фотоэмульсии.

Ответ: Основные методы регистрации ионизирующих излучений основаны на использовании газоразрядных (счётчик Гейгера), сцинтилляционных и полупроводниковых детекторов, которые преобразуют эффект ионизации или возбуждения атомов в регистрируемый электрический сигнал.

Семипалатинский полигон и движение “Семей—Невада”. Семипалатинский испытательный ядерный полигон (СИП), расположенный на территории Казахстана, был одним из двух основных ядерных полигонов СССР и первым местом испытания советского ядерного оружия. С 1949 по 1989 год здесь было проведено 456 ядерных взрывов, в том числе 116 атмосферных и наземных. Эти испытания, особенно на начальном этапе, привели к катастрофическим последствиям для экологии региона и здоровья местного населения. Радиоактивные облака от наземных взрывов накрывали близлежащие населённые пункты, что привело к резкому росту онкологических заболеваний, врождённых патологий, болезней сердечно-сосудистой и иммунной систем. Информация о последствиях была строго засекречена.

В феврале 1989 года, на волне политики гласности, известный казахстанский поэт и общественный деятель Олжас Сулейменов основал международное антиядерное движение «Невада — Семипалатинск» (в Казахстане используется название «Семей-Невада», от казахского названия города). Название символизировало солидарность с протестами против ядерных испытаний на полигоне в Неваде, США. Движение стало одним из самых массовых и успешных в истории СССР. Его главной целью было прекращение ядерных испытаний в Казахстане и, в конечном итоге, во всём мире. Благодаря массовым митингам, акциям протеста и давлению общественности движение добилось прекращения испытаний на полигоне: последний взрыв состоялся в октябре 1989 года. 29 августа 1991 года указом Президента Казахстана Нурсултана Назарбаева Семипалатинский полигон был официально закрыт.

Ответ: Семипалатинский полигон — место проведения советских ядерных испытаний, нанесших огромный вред экологии и здоровью населения. Антиядерное движение «Невада — Семипалатинск», возникшее в 1989 году, сыграло ключевую роль в прекращении испытаний и последующем официальном закрытии полигона в 1991 году.

Большой адронный коллайдер. Большой адронный коллайдер (БАК, или LHC — Large Hadron Collider) — это самая большая и мощная в мире установка для ускорения заряженных частиц. Он построен в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН, CERN) на границе Швейцарии и Франции. БАК представляет собой кольцевой туннель длиной 27 километров, расположенный на глубине около 100 метров.

Основная задача коллайдера — разгонять пучки протонов или тяжёлых ионов свинца в противоположных направлениях до энергий, близких к скорости света, а затем сталкивать их в специальных точках. Энергия столкновения протонов достигает 13.6 ТэВ (тераэлектронвольт), что позволяет воссоздавать условия, существовавшие во Вселенной в первые мгновения после Большого Взрыва. Для удержания пучков на круговой орбите используются тысячи сверхпроводящих магнитов, охлаждённых до температуры 1.9 К ($-271.3^\circ$C), что холоднее, чем в открытом космосе.

В местах столкновения пучков расположены четыре гигантских детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. Они фиксируют продукты столкновений — множество новых частиц, которые рождаются в результате преобразования энергии в массу согласно формуле Эйнштейна $ E=mc^2 $.

Главные цели экспериментов на БАК:

- Изучение фундаментальных свойств материи и проверка Стандартной модели физики элементарных частиц.

- Поиск новых частиц и явлений, выходящих за рамки Стандартной модели (например, суперсимметричных частиц).

- Исследование природы тёмной материи и тёмной энергии.

- Изучение кварк-глюонной плазмы — состояния вещества, из которого состояла Вселенная в первые микросекунды своего существования.

Главным достижением БАК на сегодняшний день стало открытие в 2012 году бозона Хиггса — частицы, предсказанной Стандартной моделью и отвечающей за наличие массы у элементарных частиц. Это открытие было удостоено Нобелевской премии по физике в 2013 году.

Ответ: Большой адронный коллайдер — это крупнейший в мире ускоритель частиц, созданный для изучения фундаментальных законов природы путём столкновения пучков протонов при сверхвысоких энергиях. Его главное достижение — экспериментальное открытие бозона Хиггса.