Страница 270 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

Обсудим? Иван и Арсений поспорили, кто из них сможет пройти под радугой, которая появилась сразу после шумной летней грозы. Арсений утверждал, что если идти вперёд к радуге, то через некоторое время она окажется прямо у тебя над головой. Иван же утверждал, что при перемещении наблюдателя радуга сама перемещается и наблюдатель никогда не увидит радугу над головой. Кто из ребят прав? Приведите схематический чертёж, на котором изображены наблюдатель, солнце, радуга и линия горизонта.

Иван, глядя на радугу, высказал предположение, что капли дождя висят в воздухе, ведь радуга неподвижна. Арсений же утверждал, что принципы наблюдения радуги и наблюдения изображения в кино идентичны.

Прав ли Иван и что пытался доказать Арсений?

Иван и Арсений поспорили, кто из них сможет пройти под радугой, которая появилась сразу после шумной летней грозы. Арсений утверждал, что если идти вперёд к радуге, то через некоторое время она окажется прямо у тебя над головой. Иван же утверждал, что при перемещении наблюдателя радуга сама перемещается и наблюдатель никогда не увидит радугу над головой. Кто из ребят прав? Приведите схематический чертёж, на котором изображены наблюдатель, солнце, радуга и линия горизонта.

Решение

Прав Иван. Радуга — это не физический объект, расположенный в определённом месте, а оптическое явление. Её положение на небе зависит от положения наблюдателя и Солнца. Радуга всегда видна в направлении, противоположном Солнцу. Центр дуги радуги находится на воображаемой линии, проходящей от Солнца через глаз наблюдателя (эта точка называется противосолнечной).

Когда наблюдатель движется, эта линия также смещается вместе с ним. Следовательно, и видимое положение радуги перемещается. Невозможно подойти к радуге или пройти под ней, так как она всегда будет находиться на одинаковом угловом расстоянии от наблюдателя.

Свет, образующий первичную радугу, выходит из капель дождя под углом примерно $40^\circ-42^\circ$ к линии «Солнце-наблюдатель». Это означает, что вершина радуги никогда не может быть выше, чем $42^\circ$ над горизонтом (это достигается, когда Солнце находится на горизонте). Утверждение Арсения, что радуга может оказаться «прямо над головой» (то есть под углом $90^\circ$), физически невозможно.

Ниже приведён схематический чертёж, иллюстрирующий это явление.

Ответ: Прав Иван. Радуга — это оптическое явление, которое перемещается вместе с наблюдателем, поэтому дойти до неё или оказаться под ней невозможно.

Иван, глядя на радугу, высказал предположение, что капли дождя висят в воздухе, ведь радуга неподвижна. Арсений же утверждал, что принципы наблюдения радуги и наблюдения изображения в кино идентичны. Прав ли Иван и что пытался доказать Арсений?

Решение

В этом споре прав Арсений, а Иван ошибается.

Иван неправ, потому что капли дождя не висят неподвижно в воздухе — они постоянно падают под действием силы тяжести. Неподвижность радуги — это иллюзия. Радуга кажется стационарной, потому что в каждый момент времени в определённой области пространства находятся разные капли, которые на мгновение занимают нужное положение для преломления и отражения солнечного света в глаз наблюдателя. Падающие капли непрерывно сменяют друг друга, поддерживая существование оптического эффекта в одном и том же месте на небе.

Арсений, проводя аналогию с кино, абсолютно прав и пытается объяснить именно этот принцип. Изображение в кино также является иллюзией. Нам кажется, что мы видим непрерывное движение, но на самом деле нам показывают быструю последовательность статичных кадров (обычно 24 кадра в секунду). Наш мозг и инерционность зрения "сглаживают" эту смену кадров, создавая ощущение плавного движения.

Таким образом, Арсений хотел доказать, что кажущаяся неподвижность радуги (как и кажущееся движение в кино) — это результат восприятия быстро сменяющихся, но однотипных явлений:

• В кино: сменяются статичные кадры на плёнке.
• В радуге: сменяются капли дождя, пролетающие через определённую точку пространства.

В обоих случаях наш глаз и мозг интегрируют эти быстрые смены в единую, стабильную картину.

Ответ: Иван неправ, капли дождя постоянно падают. Прав Арсений, который своей аналогией с кино пытался доказать, что неподвижность радуги — это иллюзия, создаваемая непрерывной сменой множества падающих капель, подобно тому как иллюзия движения в кино создаётся быстрой сменой статичных кадров.

1. «Развитие средств и способов передачи информации на далёкие расстояния с давних времён и до наших дней. Принцип действия сотовой связи» (возможная форма: презентация, реферат, макет).

Развитие средств и способов передачи информации на далёкие расстояния с давних времён и до наших дней.

История передачи информации на дальние расстояния — это история технологического прогресса человечества, отражающая его стремление преодолеть пространство и время. Развитие можно разделить на несколько ключевых этапов.

Доэлектрическая эра:

• Гонцы и почтовые системы: Самый древний способ — доставка сообщений людьми (гонцами) или с помощью животных (например, почтовые голуби). Эффективность зависела от скорости передвижения и надёжности маршрутов. Древние империи, такие как Персидская и Римская, создавали разветвлённые почтовые сети с конными станциями для быстрой смены гонцов.
• Звуковые сигналы: Для быстрой передачи простых сигналов на относительно небольшие расстояния использовались барабаны, рога, колокола. Такие системы применялись для оповещения о приближении врага, созыва на собрание или передачи других условных знаков.
• Световые и дымовые сигналы: Костры на возвышенностях, дымовые сигналы днём и огонь ночью позволяли передавать информацию на десятки километров. Древние греки, по легенде, известили о падении Трои с помощью цепи сигнальных костров. Позже появились более сложные системы, такие как гелиограф (использующий солнечное зеркало) и семафорная азбука (например, оптический телеграф Шаппа во Франции в конце XVIII века), которые могли передавать сложные сообщения с помощью определённой последовательности сигналов.

Электрическая эра:

• Электрический телеграф (середина XIX века): Изобретение Сэмюэлем Морзе телеграфного аппарата и азбуки Морзе произвело революцию в связи. Электрические импульсы, передаваемые по проводам, позволяли почти мгновенно отправлять сообщения на тысячи километров. Прокладка трансатлантического телеграфного кабеля в 1858 году соединила континенты, кардинально изменив мировую экономику, политику и журналистику.
• Телефон (1876 год): Александр Белл запатентовал устройство, способное преобразовывать звуковые колебания голоса в электрические сигналы и обратно. Телефон позволил вести разговор в реальном времени, сделав общение более личным и оперативным. Телефонные сети быстро распространились по всему миру.
• Радио (конец XIX - начало XX века): Эксперименты Генриха Герца, Александра Попова и Гульельмо Маркони привели к созданию беспроводной связи. Радиоволны позволили передавать информацию (сначала с помощью азбуки Морзе, а затем и голос) без необходимости прокладки кабелей. Это открыло эру радиовещания, морской и авиационной связи, а также стало основой для будущих технологий.

Современная эра (XX-XXI века):

• Телевидение: Развитие технологий передачи изображения привело к появлению телевидения, которое стало главным источником информации и развлечений для миллионов людей.
• Спутниковая связь: Запуск первого искусственного спутника Земли в 1957 году открыл возможность для глобальной связи. Спутники-ретрансляторы обеспечивают передачу телефонных разговоров, телевизионных сигналов и данных через океаны и на самые отдалённые территории.
• Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС): Использование света, передаваемого по тончайшим стеклянным волокнам, позволило достичь огромной скорости и пропускной способности каналов связи. Современный интернет во многом обязан именно подводным и наземным оптоволоконным кабелям.
• Интернет и цифровая связь: Появление интернета как глобальной сети, объединяющей компьютеры, стало вершиной эволюции средств связи. Электронная почта, мессенджеры, видеоконференции, социальные сети — всё это способы мгновенной передачи практически любого объёма информации в любую точку планеты. Основой является пакетная передача данных, где информация разбивается на небольшие цифровые пакеты и передаётся по сети независимо друг от друга.
• Сотовая связь: Технология, позволившая сделать связь мобильной и персональной. Она сочетает в себе принципы радиосвязи и сложную сетевую инфраструктуру, о которой речь пойдёт ниже.

Ответ:

Принцип действия сотовой связи.

Сотовая связь — это вид мобильной радиосвязи, в основе которого лежит так называемый сотовый принцип. Территория покрытия делится на участки — «соты» (от англ. cell — ячейка, сота), имеющие форму, близкую к шестиугольнику. Каждая сота обслуживается своей базовой станцией (БС).

Ключевые компоненты системы сотовой связи:

• Мобильное устройство (телефон, смартфон): Это приёмопередатчик, который связывается с ближайшей базовой станцией.
• Базовая станция (БС): Комплекс приёмопередающей аппаратуры (антенны и оборудование), который обеспечивает связь с мобильными устройствами в пределах своей соты. Базовые станции обычно размещают на вышках или крышах зданий.
• Контроллер базовых станций (BSC): Управляет группой базовых станций, распределяет радиоканалы, контролирует мощность сигналов и обеспечивает передачу обслуживания абонента от одной БС к другой (хэндовер).
• Центр коммутации (MSC): «Сердце» сети. Он выполняет функции обычной телефонной станции: устанавливает соединения между абонентами, обеспечивает выход на другие сети (городскую телефонную сеть, другие операторы сотовой связи, интернет). Также здесь хранятся данные об абонентах (в регистрах HLR и VLR).

Как работает сотовая связь (упрощённая схема):

1. Включение телефона и регистрация в сети. При включении телефон сканирует эфир в поиске сигналов от базовых станций. Он выбирает станцию с самым сильным сигналом и отправляет ей свой уникальный идентификационный код. Базовая станция передаёт эту информацию через контроллер в центр коммутации. Центр коммутации проверяет, есть ли данный абонент в его базе данных (HLR - Home Location Register) и разрешает ему доступ к сети. С этого момента сеть «знает», в какой соте находится абонент, и может направить ему входящий вызов.
2. Исходящий вызов. Когда вы набираете номер, ваш телефон посылает запрос на установление соединения на свою базовую станцию. БС через контроллер передаёт запрос в центр коммутации. MSC анализирует номер и направляет вызов либо абоненту внутри своей сети, либо в другую сеть (например, городскую).
3. Входящий вызов. Когда кто-то звонит вам, вызов поступает в центр коммутации вашего оператора. MSC по данным из HLR определяет, в зоне действия какого контроллера и какой базовой станции вы находитесь в данный момент. Затем он отправляет сигнал вызова на эту базовую станцию, а та передаёт его на ваш телефон.
4. Передача обслуживания (хэндовер). Если во время разговора вы перемещаетесь из одной соты в другую, сеть должна обеспечить непрерывность связи. Ваш телефон постоянно измеряет уровень сигнала от текущей и соседних базовых станций. Когда сигнал от соседней БС становится сильнее, чем от текущей, телефон сообщает об этом в сеть. Контроллер базовых станций даёт команду на переключение вашего разговора с одной базовой станции на другую. Этот процесс происходит очень быстро (доли секунды) и незаметно для абонента.

Повторное использование частот:

Ключевое преимущество сотового принципа — это эффективное использование ограниченного частотного ресурса. Весь доступный диапазон частот делится на группы. Соседние соты всегда используют разные наборы частот, чтобы не создавать помех друг другу. Однако те же самые частоты можно повторно использовать в сотах, которые находятся на достаточном удалении друг от друга. Это позволяет обслуживать огромное количество абонентов на ограниченной территории, используя ограниченное число радиоканалов.

Поколения сотовой связи (1G, 2G, 3G, 4G, 5G):

Эволюция сотовой связи связана с переходом на новые стандарты (поколения), которые обеспечивают более высокую скорость передачи данных, лучшее качество голоса и новые услуги.

• 1G: Аналоговая связь, только для передачи голоса.
• 2G (например, GSM): Цифровая связь, появилось шифрование, SMS-сообщения, низкоскоростная передача данных (GPRS, EDGE).
• 3G (например, UMTS): Высокоскоростной мобильный интернет, возможность видеозвонков.
• 4G (LTE): Очень высокая скорость передачи данных, основанная на протоколе IP, сопоставимая с проводным интернетом.
• 5G: Сверхвысокие скорости, минимальные задержки, возможность подключения огромного количества устройств («интернет вещей»).

Ответ:

2. «Метод спектрального анализа и его применение в науке и технике» (возможная форма: презентация, опыт, реферат).

Спектральный анализ — это совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении его спектров взаимодействия с излучением. Основы метода были заложены в середине XIX века Густавом Кирхгофом и Робертом Бунзеном, которые установили, что каждый химический элемент имеет свой уникальный, неповторимый линейчатый спектр, подобно отпечаткам пальцев у человека.

Сущность метода спектрального анализа

В основе метода лежит явление дисперсии света — разложение света в спектр при прохождении через преломляющую среду (например, стеклянную призму) или дифракционную решётку. Анализ полученного спектра позволяет сделать выводы о составе исследуемого вещества. Различают два основных типа спектров, используемых в анализе:

1. Спектры испускания (эмиссионные). Их получают, когда вещество находится в возбужденном атомарном состоянии, например, при нагревании в пламени или в электрическом разряде. Возбужденные атомы, возвращаясь в основное состояние, излучают свет на строго определённых длинах волн (частотах). Этот свет, разложенный в спектр, представляет собой набор ярких цветных линий на тёмном фоне. Положение этих линий уникально для каждого химического элемента.

2. Спектры поглощения (абсорбционные). Их получают, пропуская через холодное, невозбужденное вещество (обычно газ или раствор) сплошной спектр света (например, от лампы накаливания). Атомы вещества поглощают свет именно тех длин волн, которые они сами могли бы испускать в возбужденном состоянии. В результате на фоне сплошного радужного спектра появляются тёмные линии — линии поглощения. Их расположение также строго соответствует химическому составу вещества.

С точки зрения квантовой физики, возникновение линейчатых спектров объясняется переходами электронов в атомах между дискретными энергетическими уровнями. Энергия излучённого или поглощённого фотона равна разности энергий уровней, между которыми происходит переход: $\Delta E = E_k - E_i = h\nu$, где $h$ — постоянная Планка, а $\nu$ — частота света.

Ответ: Спектральный анализ — это метод определения состава вещества по его уникальному спектру испускания или поглощения, который возникает из-за переходов электронов между энергетическими уровнями в атомах.

Виды спектрального анализа

Спектральный анализ классифицируют по нескольким признакам:

По физической природе:

• Атомный анализ — определяет элементный состав вещества. Атомы исследуемого образца возбуждаются, и анализируется спектр их излучения или поглощения.
• Молекулярный анализ — определяет молекулярный состав. Он основан на изучении спектров поглощения, испускания и комбинационного рассеяния света молекулами. Эти спектры, в отличие от атомных, являются полосатыми, так как связаны с колебательными и вращательными движениями атомов в молекуле.

По способу получения спектра:

• Эмиссионный (испускательный) — анализируется спектр излучения самого вещества.
• Абсорбционный (поглощательный) — анализируется спектр света, прошедшего через вещество.
• Люминесцентный — анализируется спектр свечения вещества, возбужденного светом (фотолюминесценция).

По диапазону длин волн:

• Рентгеновский, ультрафиолетовый, видимый, инфракрасный и микроволновый анализ.

Ответ: Спектральный анализ делится на атомный и молекулярный, эмиссионный и абсорбционный, а также различается по используемому диапазону электромагнитных волн.

Применение в науке

Спектральный анализ является одним из мощнейших инструментов современных научных исследований.

Астрофизика: Практически вся информация о химическом составе, температуре, давлении, скорости движения и магнитных полях далёких звёзд, галактик и туманностей получена с помощью спектрального анализа их излучения. Именно благодаря анализу спектра Солнца был открыт гелий. Анализ красного смещения в спектрах далёких галактик (эффект Доплера) стал основой для теории расширяющейся Вселенной.

Химия: В аналитической химии метод используется для высокоточного качественного (обнаружение примесей до $10^{-10}$ г) и количественного определения состава веществ. Молекулярная спектроскопия позволяет изучать строение молекул, природу химических связей и следить за ходом химических реакций.

Физика: Спектроскопия послужила экспериментальной основой для создания квантовой механики. Сегодня она используется для изучения энергетической структуры атомов и молекул, диагностики плазмы, исследования свойств твёрдых тел.

Биология и медицина: Анализ микроэлементного состава биологических тканей и жидкостей помогает в диагностике многих заболеваний. Метод используется для контроля качества и подлинности лекарственных препаратов.

Ответ: В науке спектральный анализ незаменим для изучения космоса, определения состава и структуры химических соединений, подтверждения фундаментальных физических теорий и для решения задач в области биологии и медицины.

Применение в технике

Благодаря своей высокой чувствительности, точности и скорости, спектральный анализ нашёл широчайшее применение в различных отраслях промышленности и техники.

Металлургия: Экспресс-анализ состава руды, шлаков и готовых сплавов прямо в процессе плавки позволяет оперативно управлять технологическим процессом и получать металлы с заданными свойствами. Это значительно повышает качество продукции и экономит ресурсы.

Машиностроение: Контроль качества материалов, из которых изготавливаются детали машин. Особое значение имеет анализ моторных масел на содержание продуктов износа (металлов), что позволяет диагностировать состояние двигателя без его разборки и предотвращать серьёзные поломки.

Геология: Поиск и разведка месторождений полезных ископаемых путём анализа элементного состава проб грунта, горных пород и воды. Дистанционное зондирование Земли с использованием спектрометров позволяет составлять карты распределения минералов.

Экология: Мониторинг состояния окружающей среды. С помощью спектрального анализа определяют наличие и концентрацию вредных веществ (тяжёлых металлов, пестицидов) в атмосфере, воде и почве.

Криминалистика: Анализ микрочастиц, найденных на месте преступления (частиц краски с автомобиля, волокон ткани, следов пороха), помогает установить важные детали происшествия и найти виновных.

Искусствоведение: Неразрушающий анализ состава красок и материалов, из которых сделаны произведения искусства, помогает установить их подлинность, возраст и технологию изготовления.

Ответ: В технике спектральный анализ используется для контроля качества продукции в металлургии и машиностроении, в геологоразведке, для мониторинга экологии, в криминалистике и для экспертизы произведений искусства.