Главная > Книга


ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ НГУ

НАУЧНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ ШКОЛЬНИКОВ

ДИСТАНЦИОННЫЙ КОНСУЛЬТАЦИОННЫЙ ПУНКТ
Физика в вопросах и ответах

Ученые новосибирского Академгородка отвечают

на вопросы старшеклассников

Под редакцией В.И.Шелеста

Новосибирск

1999

Составители:

Е.М.Балдин, П.В.Воробьев, И.Ф.Гинзбург, И.П.Иванов, Н.А.Кириченко, М.Г.Степанов, В.С.Потеряев, И.Б.Хриплович, В.И.Шелест, Н.И.Яворский

Под общей редакцией В.И.Шелеста

Технический редактор: Л.Б.Куртова

Рецензент: В.Г.Харитонов

Книга содержит ответы на более чем 90 вопросов, наиболее часто задаваемых старшеклассниками средних школ. Вопросы поступали в «Дистанционный консультационный пункт» по электронной почте.

Предназначена для старшеклассников и преподавателей общеобразова-тельных школ, учащихся физико-математических школ, а также лиц, занимающихся самообразованием.

Бесплатно.

Предисловие

В процессе обучения у школьников, а также у их учителей, всегда возникают вопросы. Ответы на многие из них удается придумать или найти в литературе. Но иногда ответ на вопрос получить не удается. Вот тут-то и требуется консультация профессионала.

Хорошо, если нужный специалист рядом – нужно только договориться по телефону о встрече и задать вопрос. Вопрос можно задать по телефону и из другого города, но это дорого. Вопрос можно отослать письмом, правда, письма идут небыстро. С появлением Интернета и электронной почты можно оперативно и очень дешево связаться с любым нужным специалистом.

С сентября 1998 г. в Интернете открыт «Дистанционный консульта-ционный пункт», в котором консультации дают ученые — сотрудники научно-исследовательских институтов новосибирского Академгородка.

Основной задачей «Дистанционного консультационного пункта» является оказание бесплатной информационной поддержки:

  • указание точных ссылок на книги и журналы, в которых находится ответ на заданный вопрос,

  • пересылкарекомендованной литературы (в электронном виде) в случае необходимости,

  • предоставление необходимых разъяснений и комментариев если при чтении рекомендованной литературы возникают трудности.

Сейчас работают два отделения «Дистанционного консультационного пункта» —по физике и по биологии, которые за полгода работы получили свыше 500 вопросов от старшеклассников и преподавателей средних школ, имеющих доступ к электронной почте.

Для этой публикации мы отобрали наиболее часто встречавшиеся вопросы по физике. Стиль и орфография вопросов сохранены в оригинальном виде. Авторы оригинального ответа указаны после ответа. Если ответ на вопрос дан по литературным источникам, фамилии составителей ответа не указаны. Если при составлении ответа использованы фрагменты из книг или статей, это указано в конце ответа.

Мы будем очень признательны за указания на ошибки и неточности в ответах.

Как воспользоваться услугами

«Дистанционного консультационного пункта»

Любой старшеклассник или преподаватель средней школы, интересующийся наукой, может послать нам свои вопросы:

  • по физике по адресу phys@ ,

  • по биологии по адресу biol@.

Наши эксперты постараются ответить на любые вопросы, кроме вопросов:

  • по ";альтернативной"; науке  для тех, кого интересуют ";альтернативные"; идеи, не принимаемые широкой научной общественностью, существует много специальных newsgroups,

  • объявленных в заочных конкурсах, олимпиадах и т.п., до истечения срока отправления решений.

Смело пишите нам, но помните, что, возможно, Вам еще предстоит затратить усилия для того, чтобы разобраться в полученных ответах и убедиться в их правоте. Уважайте факты! Мнения могут отличаться, но факты  нет. Поэтому, если Вам кажется, что ответ экспертов неверен и можно дать другой ответ  еще раз взвесьте доводы экспертов.

Старайтесь также не посылать задачи и вопросы, полученные от своих преподавателей, в надежде на то, что кто-то сделает за Вас домашнюю работу. Сделайте свою собственную домашнюю работу сами  это будет очень полезно. С другой стороны, мы готовы ответить на любые вопросы, которые возникли у Вас при выполнении домашней работы.

Если ответ нашего эксперта на Ваш вопрос почему-либо не удовлетворит Вас  напишите нам об этом. В переписке, общаясь с учеными, Вы сможете лучше понять стиль и методы рассуждения профессионалов и приблизиться к научной истине.

ВОПРОС №1: Есть утверждение: «Субъективная характеристика звука громкость соответствует объективной характеристике звука интенсивности». Я думаю, что это утверждение не верно, так как субъективная громкость зависит так же от частоты. Но мой преподаватель считает, что она верна. Кто из нас прав?

ОТВЕТ: В «Физической энциклопедии» т.1 (Москва, «Советская энциклопедия, 1988) на стр. 539 - 540 написано: «Громкость звука зависит главным образом от интенсивности звука, но также и от распределения энергии по шкале частот... В определенных пределах при одинаковой частоте и интенсивности двух звуков более короткий кажется менее громким...» Там же приведены кривые равной громкости в зависимости от частоты, используемые при работе шумомеров.

В этом вопросе тесно перепутаны физика и физиология. В физике все аккуратно: звуковое давление, интенсивность звука и т.д. Все меряется. В физиологии возникают субъективные ощущения.

Очень подробно про это написано в «Справочнике по акустике» (Иофе, Корольков, Сапожков, Москва, Связь, 1979). Например, на стр.31: «Условились за уровень громкости любого звука (или шума) принимать уровень в децибеллах равногромкого с ним чистого тона 1000 Гц.» При этом громкость неточно характеризует субъективное ощущение, т.к. есть масса особенностей восприятия составных звуков, шумов, импульсных звуков и т.д. и т.п.

Приведем несколько примеров, взятых из этих книг:

  • При плавном увеличении интенсивности звука слуховое ощущение нарастает скачками по мере увеличения числа возбужденных нервных окончаний.

  • В условиях тишины слышно тиканье часов, а в условиях шума можно не услышать даже громкий разговор.

  • При прослушивании сложного звука его громкость меньше суммы громкостей всех составляющих (это при не очень широком спектре звука).

  • При прослушивании импульсного звука его громкость определяется произведением интенсивности импульса на его длительность (это до 100 Гц).

  • В громкой передаче даже после отфильтровывания всех частотных составляющих ниже 1000 Гц человек воспринимает («слышит») низкочастотные составляющие с достаточно высоким уровнем ощущения.

Тем не менее, понятие громкости часто оказывается удобным.

ВОПРОС №2: У меня вопрос относительно того, почему гудят высоковольтные провода. Чего только не читал: у Асламазова, что это связано с ветром, у Тарасова, что с коронными разрядами, так же о взаимодействии с магнитным полем Земли. В чем же причина?

ОТВЕТ: Смотря о звуке какой частоты идет речь. Если есть ветер, то f = kv/d, где f  частота звука, v  скорость ветра, d  диаметр провода, k  коэффициент, определяемый экспериментально. Это закон Струхала, k около 0,2 (Л.Г.Лойцянский, «Механика жидкости и газа», 1987).

Коронный разряд есть почти всегда. Он горит вокруг острых частей тел (например, огни «святого Эльма»): вблизи поверхности провода достигается пробойная напряженность электрического поля (пробой происходит в воздухе). Из-за коронного разряда на обычных высоковольтных проводах частота звука 100 Гц, хотя может быть и высокочастотная составляющая от 10000 Гц до радиочастот (Ю.П.Райзер, «Физика газового разряда», 1987). Магнитное поле Земли тут ни при чем: по проводам течет переменный ток, который взаимодействует с магнитным полем Земли, но эффект очень мал, т.к. магнитная индукция Земли меньше 0,0001 Тл.

ВОПРОС №3: Решал я задачки по физике, а в вопросе такие данные  1mA достаточно для человека, чтобы почувствовать ток, 5 mA  будет больно, выше 15 mA  человек теряет контроль над мышцами, 70 mA ... С сухой кожей сопротивление тела от одной руки до другой равно 1×105 Ом, с мокрой  5×103 Ом. Правильны ли эти числа? Если нет, то интересно бы узнать правильные.

ОТВЕТ: В монографии В.Е.Манойлова «Основы электробезопасности» (Энергоатомиздат, 1991) приводятся следующие значения электрического сопротивления тела человека от ладони к ладони (площадь поверхности контакта около 10 см2):

При напряжении сети до 65 В

4400 Ом

При напряжении сети до 220 В

1600 Ом

При напряжении сети свыше 220 В

1200 Ом

Международная электротехническая комиссия (МЭК) рекомендует следующие значения сопротивлений (рука — ноги) при частоте 50 Гц:

U В

25

50

250

>250

R Ом

2500

2000

1000

650

Согласно учебнику «Основы техники безопасности в электроустановках» П.А.Долина (Энергоатомиздат, 1984) увлажнение сухих рук сильно подсоленной водой снижает сопротивление тела на 30 — 50 %. Там же приводятся следующие данные о действии тока на человека:

переменный ток

50 Гц

постоянной ток

Порог чувствительности

1,1 мА

6 мА

Неотпускающий ток (возникают непреодолимые судорожные сокращения мышщ)

15 мА

50  80 мА

Фибриляционный ток (может вызвать остановку сердца)

50 мА  5 А

300 мА  5 А

ВОПРОС №4: Я слышал про ионные двигатели. Используются ли они на ракетах?

Ответ: В энциклопедии ";Космонавтика"; (Москва, 1985) написано, что летные испытания ионных ракетных двигателей проводились в СССР по программе Янтарь в 196670 гг, в США по программе СЕРТ в 1964 и 1970 гг, по программе Снапшот  в 1965 г.

На стендах испытаны двигатели с мощностью 50 Вт, тягой 4,45 мН, удельным импульсом тяги 12,2 км/с, кпд 50%.

В книге ";Космические двигатели: состояние и перспективы"; (Мир, 1988) на стр. 185 указано, что вследствие принципиальных ограничений по плотности ионного тока максимальная тяга одного модуля ионного двигателя сравнительно невелика (от 5 мН до 1 Н).

ВОПРОС №5: Что такое теорема вириала?

Ответ: Теоремой вириала называется соотношение, связывающее среднюю кинетическую энергию системы частиц с действующими в ней силами.

Для классической системы материальных точек теорема вириала доказана в 1870 г. Клаузиусом. Если K  средняя кинетическая энергия системы частиц, U  средняя потенциальная энергия системы частиц, то теорема вириала выглядит как:

K = U  для гармонических колебаний,

K = U/2  для гравитационного или электростатического взаимодействия.

Теорема вириала записывается как для квантово-механических систем, так и в статистической механике.

Источник: ";Физическая энциклопедия";, 1 том (М., 1988.).

Доказательство теоремы дано, например, в 1-ом томе ";Общего курса физики"; Д.В.Сивухина (М., Наука, 1989), стр.152.

ВОПРОС №6: Иногда на небе видно два солнца. Я не знаю, какова закономерность этого явления. Считаю, что это оптический обман. Если — да, то в чем он заключается?

ОТВЕТ: Эффект двойного Солнца описан в книге М.Миннарта «Свет и цвет в природе», (Москва, 1958), стр. 255, 257. По мнению Миннарта это явление, по-видимому, вызывается местными изменениями яркости светового столба из-за неравномерности распределения облаков. Световой столб возникает обычно при восходе или заходе Солнца, если на луче зрения находится облако ледяных пластинок, которые очень медленно падают, сохраняя свою плоскость параллельной поверхности земли.

ВОПРОС №7: Почему создается эффект обратного вращения колеса при быстром движении (например, кареты)?

ОТВЕТ: Если речь идет о карете, которую Вы наблюдаете на телеэкране или в кино, то обратное вращение колес возникает, если за время между кадрами колесо повернулось на угол, который, например, меньше чем половина угла между спицами.

Источник: П.В.Маковецкий «Смотри в корень», Наука, 1976, стр.182.

ВОПРОС №8: В Библии было написано о Всемирном потопе. Учительница физики вычитывала, что таких потопов было около пяти, из-за смещения оси Земли. Так ли это?

ОТВЕТ: Согласно теории М.Миланковича наступление ледниковых периодов можно объяснить совместным учетом изменения эксцентриситета орбиты Земли вокруг Солнца и прецессией оси вращения Земли. При уменьшении оледенения (таянии ледников) уровень океана повышается на 85  120 м, что могло быть интерпретировано как «Всемирный потоп». Только за последний миллион лет таких потопов было более 10.

Источники:

А.В.Бялко «Наша планета – Земля», Библиотечка «Кванта» №29, 1989, стр.222,

А.С.Монин «Популярная история Земли», Наука, 1980, гл.10.

ВОПРОС №9: Почему, когда ракета стартует, сгорает столько кислорода, сколько его вырабатывает за 20 лет большой лес?

ОТВЕТ: По имеющимся у нас данным:

  • при старте ракеты расходуется от 100 до 1000 т жидкого кислорода (Энциклопедия «Космонавтика», М., 1985),

  • растения ежегодно производят 3×1011 т кислорода (А.И.Перельман «Геохимия», изд. «Высшая школа», 1989, стр. 245).

Если для оценки предположить, что растения равномерно распределены по поверхности Земли (около 108 км2), то получается, что 1 квадратный километр леса производит в год более 1000 т кислорода, чего хватает на один старт ракеты.

Видимо, у Вас неточные данные.

Шелест В.И.

ВОПРОС №10: Почему вода в Австралии стекает в водопровод по часовой стрелке, а в России  против часовой?

ОТВЕТ: Подробный рассказ об этой задаче Вы можете прочитать в книге Я.Б.Перельмана «Знаете ли Вы физику?» (Библиотечка «Кванта» выпуск 82, Наука, 1992 г., стр. 9194). Коротко можно ответить так: предсказать направление вращения заранее невозможно. Направление вращения вихря при стоке жидкости зависит от многих обстоятельств: формой дна резервуара, неровностями и т.д. Вихри, которые могли бы быть обусловлены вращением Земли (действием так называемой силы Кориолиса) должны иметь гораздо больший диаметр, чем маленькие водовороты в ванне.

Яворский Н.И.

ВОПРОС №11: Как Авогадро открыл число 6×1023?

ОТВЕТ: В 1814 г. Авогадро сделал утверждение: равные объемы газообразных веществ при одинаковых давлении и температуре содержат одно и то же число молекул.

  • В 1865 г. Лошмидт рассчитал число молекул, содержащихся при н.у. в 1 см3 , – около 1021.

  • В начале 20 века, объясняя голубой цвет неба, Бриллюэн получил количество молекул в моле равным 6×1023.

  • В 1901 г. Планк, объясняя излучение черного тела, получил NA = 6,16×1023.

  • В 1908 г. Резерфорд и Гейгер, опираясь на число Фарадея, получили NA = 6,2×1023.

  • В 1908 г. Перрен, объясняя броуновское движение, получил NA = 6,85×1023.

  • Самый точный метод на сегодня – дифракция рентгеновских лучей – дает

NA = 6,0221367×1023.

Источник: М.Льоцци «История физики», М., «Мир», 1970, стр. 343351.

ВОПРОС №12: Сколько звезд на небе?

ОТВЕТ: Точного числа, естественно, никто не знает. В каталоги внесены миллионы звезд. Невооруженным глазом в безлунную ясную ночь в северном полушарии видны над горизонтом около 3000 звезд.

Источники:

С Данлоп «Азбука звездного неба», М., «Мир», 1990,

Г.Рей «Звезды», М., «Мир», 1969.

ВОПРОС №13: Можно ли изобрести вечный двигатель?

ОТВЕТ: Исходя из нашего нынешнего понимания природы, вечного двигателя не бывает. Это утверждение постулируется.

Подробнее в книгах:

У.И.Франкфурт «Закон сохранения и превращения энергии», М., Наука, 1978,

Артур Орд-Хьюм «Вечное движение», М., Знание, 1980.

ВОПРОС №14: В каком году и кем был выпущен первый учебник по физике?

ОТВЕТ: Термин  физика  возник в древней Греции, видимо, в 6 веке до н.э. Физиками назывались философы, занимавшиеся изучением природы. Насколько нам известно, первый учебник «Физика» в 8 томах был написан Аристотелем, ориентировочно с 335 по 323 г.г. до н.э.

Источники:

Диоген Лаэртский «О жизни, учениях и изречениях знаменитых философов», М., «Мысль», 1979,

М.Льоцци «История физики», М., «Мир», 1970, стр. 812.

ВОПРОС №15: Почему радиация веществ вызывает малокровие?

ОТВЕТ: Радиация не порождает каких-либо новых биологических феноменов, она лишь увеличивает вероятность возникновения различных мутаций и клеточных событий, которые время от времени происходят спонтанно. Мутации, индуцированные радиацией, по существу не отличаются от спонтанных мутаций. Однако не все типы спонтанных мутаций увеличиваются в числе под воздействием радиации.

Одним из заболеваний, которое может индуцировать радиация, является лейкопения – из-за поражения стволовых клеток костного мозга снижается число лейкоцитов в крови.

Малокровие (анемия), при котором уменьшается число эритроцитов в крови или содержание гемоглобина в эритроцитах, также может быть связано с поражением костного мозга радиацией.

Источники:

Ф.Фогель «Генетика человека», т.2, М., «Мир», 1990, стр. 223260,

В.П.Машкович «Основы радиационной безопасности», М., «Энергоатомиздат», 1990, стр. 6772,

«Физиология человека» под ред. Р.Шмидта и Г.Тевса, т.2, М., «Мир», 1996, стр. 424, 430.

ВОПРОС №16: Возможна ли телепортация?

ОТВЕТ: Насколько нам известно  нет. Существует термин  квантовая телепортация. Он не имеет никакого отношения к «традиционной» телепортации экстрасенсов.

Согласно квантовой механике, невозможно точно предсказать положение частицы в пространстве, можно лишь говорить о вероятности нахождения частицы в определенной точке. Аналогично, если у нас есть два фотона, пролетевшие через кристалл и получившие противоположные поляризации, мы не знаем какая поляризация у какого фотона. Но после измерения поляризации одного из фотонов мы сразу же (мгновенно) узнаем поляризацию второго. Причем над вторым фотонов никаких измерений не производится, и он может находиться на сколь угодно большом расстоянии от первого. Этот эффект обсуждался Эйнштейном, Подольским и Розеном в 1935 г. Экспериментально квантовую телепортацию удалось осуществить в конце прошлого года.

Источники:

«В мире науки» 1992, №1112, стр.130139,

«Успехи физических наук» 1998, №1, стр.84,

«Успехи физических наук» 1998, №2, стр.204.

ВОПРОС №17: Как телевизор влияет на нервную систему человека?

ОТВЕТ: В телевизорах изображение формируется из кадров, меняющихся с некоторой частотой, причем каждый кадр состоит из некоторого количества строк.

Известно, что глаз начинает различать мелькания (смену кадров), начиная с частоты 41 Гц (при яркости источника белого цвета 30 кд/м2). Поэтому частота смены кадров должна быть выше. В телевизионном вещании каждый кадр передается за два поля, одно из которых содержит все нечетные строки, а второе – все четные строки. В мире действуют в основном два стандарта телевизионной развертки: европейский на 625 строк при 25 кадрах в секунду и американский на 525 строк при 30 кадрах в секунду. При этом используется чересстрочное разложение с двумя полями в кадре. Эти стандарты технически и экономически оправданы, однако они достаточны лишь для передачи изображений с крупным планом. При передаче изображений, содержащих мелкие детали, четкость изображений резко падает. К тому же в чересстрочном растре с двумя полями в кадре появляются межстрочные мелькания, обусловленные различной яркостью свечений строк последовательно воспроизводимых полей.

Смотрение телевизора сильно утомляет нервную систему, т.к. низкое качество изображения и разнообразные мелькания воспринимаются подсознанием. Т.н. «зеленый» стандарт безопасного телевизионного вещания требует развертку при частоте кадров не менее 90 кадров в секунду.

Другой причиной воздействия на нервную систему является шум генератора строчной развертки телевизора. Эта частота около 16 кГц (на пределе слышимости человека), однако, при долгом воздействии вызывает утомляемость.

Подробнее в книге:

Р.Е.Быков, В.М.Сигалов, Г.А.Эйссенгардт «Телевидение», М., Высшая школа, 1988.

Потеряев В.С.

ВОПРОС №18: Маятник (стальной шарик на нити) довольно быстро останавливается. Под стальной шарик положили магнит. Период уменьшился. Почему увеличивается время затухания, и плоскость колебаний меняется?

ОТВЕТ: Вот первое приближение к полному ответу (который очень сложен и зависит от таких вещей, как форма и размеры магнита, размер шарика и его расстояние от магнита и от неоднородности намагниченности магнита).

Как Вы наверно знаете, возвращающая сила, действующая на шарик идеального маятника, пропорциональна его отклонению от положения равновесия. Именно по этой причине период колебаний не зависит от их размаха. Сила взаимодействия реального магнита с шариком очень сложным нелинейным образом зависит от отклонения шарика от положения равновесия. Но можно показать, что при малых отклонениях маятника от равновесия и не очень малом (по сравнению с размером магнита) расстоянии от магнита до шарика взаимодействие с магнитом можно рассматривать просто как увеличение силы тяжести. Поэтому рассмотрим, как зависит добротность колебаний маятника от силы тяжести (добротность  это отношение полной энергии маятника к потерям энергии за период колебания).

Я буду опускать все постоянные коэффициенты в формулах такие как 2p, коэффициент вязкости воздуха, масса шарика и так далее..., поэтому в наших формулах всюду стоит не знак равенства =, а знак пропорциональности ~.

Итак, как известно период колебаний маятника определяется выражением:

T ~ (l/g)1/2 , (1)

где l  длина маятника, g  ускоpение свободного падения.

Тогда скорость маятника при амплитуде колебания A

V ~ A/T ~ A(g/l)1/2 . (2)

Если колебания малы, а период велик, то скорость мала и сила трения шарика об воздух пропорциональна скорости шарика:

fтр ~ V . (3)

Тогда потери на трение за период колебания (работа = сила на путь)

P ~ fтр A . (4)

Но мы помним, что скорость пропорциональна A. Тогда с учетом (2) и (3) получим:

P ~(g/l)1/2A2 . (5)

Энергия маятника (потенциальная энергия при полном отклонения на расстояние A от положения равновесия)



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Открытая физика 2 5"

    Список учебников
    ... Физика в вопросах и ответах" (zip-архив 350 Кб). УченыеновосибирскогоАкадемгородкаотвечают на вопросы старшеклассников. Новосибирск ... . Вопросы поступали в «Дистанционныйконсультационныйпункт» по электронной почте. ● и Физика в вопросах и ответах - ...
  2. Открытая физика 2 5"

    Список учебников
    ... Физика в вопросах и ответах" (zip-архив 350 Кб). УченыеновосибирскогоАкадемгородкаотвечают на вопросы старшеклассников. Новосибирск ... . Вопросы поступали в «Дистанционныйконсультационныйпункт» по электронной почте. ● и Физика в вопросах и ответах - ...
  3. Http www colorado edu/physics/2000/index pl

    Документ
    ... Физика в вопросах и ответах" (zip-архив 350 Кб). УченыеновосибирскогоАкадемгородкаотвечают на вопросы старшеклассников. Новосибирск ... . Вопросы поступали в «Дистанционныйконсультационныйпункт» по электронной почте. ● и Физика в вопросах и ответах - ...
  4. Сборник материалов об опыте информатизации образовательных учреждений ведущих заочную работу со школьниками

    Документ
    ... вопросы и отвечать на них); написание рефератов, научных ... школьников по информатике и программированию, реализуемая в НовосибирскомАкадемгородке. Завершена разработка материалов десяти заявленных дистанционных ... в лаборатории (как например физика, ...
  5. ГОРОДА МОСКВЫ ПРЕПОДАВАНИЕ ФИЗИКИ В 2008 – 2009 УЧЕБНОМ ГОДУ Методическое пособие Под редакцией МИОО Москва 2008 СОДЕРЖАНИЕ О преподавании физики в 2008/2009 учебном году (

    Методическое пособие
    ... различным вопросам школьного курса физики и астрономии, которые дают ученые -сотрудники научно-исследовательских институтов новосибирскогоАкадемгородка. МГУ школьникам ...

Другие похожие документы..