Номер 3, страница 115 - гдз по физике 7 класс учебник Громов, Родина

Глава 4. Работа, мощность, энергия. Параграф 31. Использование энергии движущейся воды и ветра. Темы докладов - номер 3, страница 115.

Условие.

Решение.

Космос наполнен энергией в различных формах, поступающей из множества источников. Основными из них являются процессы, связанные со звездами, гравитацией и эволюцией самой Вселенной.

Звезды (термоядерный синтез)
Главными и наиболее распространенными источниками энергии во Вселенной являются звезды. В их раскаленных недрах протекают реакции термоядерного синтеза, в ходе которых легкие химические элементы, в первую очередь водород, превращаются в более тяжелые, например, в гелий. В звездах, подобных Солнцу, преобладает протон-протонный цикл, а в более массивных — углеродно-азотно-кислородный (CNO) цикл. В ходе этих реакций масса конечных продуктов (гелия) оказывается немного меньше суммарной массы исходных частиц (водорода). Эта разница масс, называемая дефектом масс ($\Delta m$), преобразуется в колоссальное количество энергии ($\text{E}$) в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна о эквивалентности массы и энергии: $E = \Delta m c^2$, где $\text{c}$ — скорость света. Эта энергия в виде фотонов и нейтрино постепенно пробивается к поверхности звезды и излучается в окружающее пространство.

Ответ: Основным источником энергии в космосе являются звезды, которые вырабатывают энергию путем термоядерного синтеза, превращая массу в энергию в соответствии с формулой $E = mc^2$.

Гравитационная энергия
Гравитация является фундаментальной силой, играющей ключевую роль в энергетических процессах космического масштаба. Гравитационная потенциальная энергия может преобразовываться в другие виды энергии, такие как тепловая и кинетическая. Ключевые механизмы включают:
• Аккреция. Падение вещества на массивные компактные объекты (черные дыры, нейтронные звезды, белые карлики) приводит к формированию аккреционного диска. Внутреннее трение в диске разогревает вещество до миллионов градусов, заставляя его интенсивно излучать, в основном в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах. Этот процесс питает квазары — одни из самых ярких объектов во Вселенной.
• Гравитационное сжатие. При формировании звезд из газопылевых облаков потенциальная энергия сжимающегося вещества переходит в тепло (механизм Кельвина — Гельмгольца). Это нагревает протозвезду до тех пор, пока в ее ядре не возникнут условия для запуска термоядерных реакций.
• Слияния объектов. При слиянии двух массивных тел, например, черных дыр или нейтронных звезд, огромная энергия высвобождается в виде гравитационных волн — колебаний самой ткани пространства-времени.

Ответ: Гравитация служит мощным источником энергии через процессы аккреции вещества на компактные объекты, гравитационное сжатие при формировании звезд и слияния массивных тел, высвобождающие энергию в виде излучения и гравитационных волн.

Взрывы сверхновых
Сверхновая — это грандиозный взрыв, завершающий жизненный путь массивной звезды или происходящий в двойной системе с белым карликом. В момент взрыва сверхновая может на короткое время стать ярче всей своей галактики, излучая огромное количество энергии. Эта энергия выделяется в виде:
• Кинетической энергии разлетающегося вещества, которое образует расширяющуюся туманность.
• Электромагнитного излучения во всем спектре, от радиоволн до гамма-лучей.
• Мощнейшего потока нейтрино. Взрывы сверхновых также являются основным источником тяжелых химических элементов во Вселенной.

Ответ: Взрывы сверхновых являются кратковременными, но чрезвычайно мощными источниками энергии, высвобождающими энергию в виде кинетической энергии, электромагнитного излучения и потоков нейтрино, а также обогащающими космос тяжелыми элементами.

Вращательная энергия
Некоторые космические объекты, в частности нейтронные звезды, образующиеся в результате взрывов сверхновых, обладают огромной скоростью вращения и сверхсильными магнитными полями. Такие объекты называют пульсарами. Кинетическая энергия их вращения постепенно преобразуется в электромагнитное излучение. Вращающееся магнитное поле генерирует мощные электрические поля, которые ускоряют частицы у магнитных полюсов. Эти частицы испускают узкие пучки излучения, которые, подобно лучу маяка, периодически попадают в поле зрения земного наблюдателя при вращении звезды. Этот процесс постепенно замедляет вращение пульсара.

Ответ: Быстро вращающиеся компактные объекты с мощными магнитными полями, такие как пульсары, преобразуют свою огромную вращательную энергию в направленное электромагнитное излучение.

Реликтовое излучение
Космическое микроволновое фоновое (реликтовое) излучение — это не источник энергии в привычном понимании, а скорее ее остаточная форма, равномерно заполняющая всю Вселенную. Это «послесвечение» Большого Взрыва. Примерно через 380 000 лет после рождения Вселенной она остыла настолько, что электроны и протоны смогли объединиться в атомы водорода. С этого момента фотоны перестали постоянно рассеиваться на свободном заряженном веществе и смогли свободно путешествовать в пространстве. Из-за последующего расширения Вселенной длина волны этих фотонов увеличилась, и сегодня мы наблюдаем их как микроволновое излучение с температурой около $2.725$ К.

Ответ: Реликтовое излучение — это остаточная тепловая энергия от Большого Взрыва, равномерно заполняющая Вселенную в виде микроволнового фонового излучения с температурой около $2.725$ К.

Темная энергия
На самых больших масштабах доминирующей формой энергии во Вселенной считается темная энергия, природа которой до сих пор остается загадкой. Наблюдения показывают, что Вселенная расширяется с ускорением, что противоречит притягивающему действию гравитации. Темная энергия — это гипотетическая субстанция, обладающая отрицательным давлением («антигравитацией»), которая и вызывает это ускоренное расширение. Предполагается, что она составляет около 68% от всей плотности энергии Вселенной и является свойством самого вакуума.

Ответ: Темная энергия — это гипотетическая форма энергии, составляющая большую часть энергии Вселенной и вызывающая ее ускоренное расширение, природа которой до сих пор остается одной из величайших загадок в физике.