Контрольная работа по «Концепциям современного естествознания»

Отличие упругих  волн, обусловленных механическими  колебаниями, от всех прочих видов движения состоит в том, что при волновом процессе не происходит переноса вещества из одного мета в другое, а переносится  лишь форма возмущённой среды  – гребни и впадины поперечной волны или сгущения и разряжения продольной волны.

 Если колебания  частиц среды происходят в  направлении распространения волны,  то эта волна называется продольной. Если же перемещение происходит  в направлении перпендикулярном  вектору скорости волнового движения, то волна полагается поперечной.

Поперечные волны  по обыкновению возникают в средах, обладающих сопротивлением сдвигу. Их образование связано с тем, что  различные частицы среды начинают колебаться в разное время, поэтому  колеблются в разных фазах. Когда  одни частицы среды движутся вверх, то другие могут двигаться в это  время вниз, среда при этом вынуждена  деформироваться, образуя гребни и  впадины.

 Примером поперечной  волны может служить волна,  возникающая в длинном упругом шнуре, один конец которого соединён с колеблющимся вертикально телом, а второй на значительном удалении закреплён неподвижно. В начальный момент времени (t=0) все частицы шнура неподвижны, т.е. находятся в равновесии, а конец шнура (точка О) в этот момент получает ускорение, направленное вверх и благодаря наличию связи, увлекает за собой соседние частицы шнура. Через четверть периода, частица находящаяся ранее в точке О, достигает максимального отклонения.

Частица А, отстоящая  от начала отсчёта на расстоянии xА = c⋅(T/4) получит ускорение, тоже направленное вверх. В момент времени t = Т/2 первая частица вернётся в положение равновесия, имея, при этом, ускорение, направленное вниз, частица А достигнет максимального смещения вверх, а частица В, отстоящая от О на расстояние хВ = с⋅(Т/2), начнёт движение вверх. По истечение времени t = 3Т/4 частица О достигнет максимального смещения книзу, частица А пройдёт положение равновесия, частица В переместится в крайнее верхнее положение. Частица С, находящаяся на расстоянии хС = с⋅Т от исходной точки, приобретает ускорение вверх. В последующие моменты времени процесс повторяется.

Продольные волны  возникают, например, в упругой пружине, один конец которой закреплён, а  второй совершает гармонические  колебания. Отдельные участки пружины  будут колебаться с различными фазами, что приведёт к возникновению  вдоль пружины сжатий и растяжений. Типичным примером продольных волн является распространение звуковых и ультразвуковых волн в воздухе или воде, где  по мере распространении волнового  движения образуются чередующиеся изменения плотности среды. В реальных средах чаще всего возникают комбинированные волны, анализ которых обнаруживает характерные свойства как продольных, так и поперечных волн.

Распространяясь в  среде, упругие волны переносят  механическую энергию, которая складывается из кинетической энергии движения частиц волны и потенциальной энергии  упругой деформации среды. В зависимости от частотного диапазона волны делятся на инфразвуковые, звуковые, ультразвуковые и гиперзвуковые.

Область пространства, в которой колеблются все частицы  среды, называется волновым полем.

Поверхность, во всех точках которой частицы колеблются в одинаковой фазе, называется фронтом  волны или волновым фронтом.

В однородной изотропной среде, т.е. в среде с одинаковыми  физическими свойствами во всех направлениях и в отсутствии препятствий, упругие  волны распространяются с постоянной скоростью. Наличие препятствий  существенно усложняет картину  распространения, механизм взаимодействия волн с препятствиями зависит  от их размеров.

Каждая волна  характеризуется своей длиной λ, определяющей пространственную протяжённость  волны от гребня до гребня или от впадины до впадины, в поперечной волне. В продольной волне длина  отсчитывается в виде расстояния между двумя соседними сжатиями или разряжениями. Наглядное представление  о длине волны λ можно получить, наблюдая за поплавком, который перемещается из верхнего положения в нижнее за промежуток времени t = T. С позиций колебательного движения, длину волны можно определить как кратчайшее расстояние между частицами среды, колеблющимися с разностью фаз, равной λλπ2адиан. Как правило, одной из основных задач, которая решается при анализе волновых явлений является определение формы и расположения фронта волны, распространяющейся в данной среде, при известных параметрах источника колебаний. Цель достигается путём использования принципа суперпозиции волн и принципа Гюйгенса.[2.98]

6. Открытие явления естественной радиоактивности. Работы Анри Беккереля, Пьера и Марии Кюри

В январе 1896 г. в Парижской академии наук должно было пройти не совсем обычное заседание. На собрании ведущих учёных Франции  знаменитый Пуанкаре (тот самый, у  которого Эйнштейн позаимствовал его  знаменитые преобразования и забыл  по рассеянности сослаться, как это  принято в академических кругах) должен прочитать послание из Германии от Конрада Рентгена об открытии им Х − лучей. По слухам, бродившим  в академии, Рентген к письменному  сообщению приложил не совсем обычные  фотографии, полученные при использовании, открытых им лучей.

Среди прочего почтенного учёного люда на заседании присутствовал  профессор химии Анри Беккерель. После прочтения письма Рентгена началось его обсуждение, в котором участвовал и Беккерель. Его более всего интересовал вопрос о месте и причинах возникновения зеленовато-жёлтого свечения трубки. Именно от этого светящегося участка расходились во все стороны, открытые Рентгеном лучи. Получалось, что некоторая область стекла испускает электромагнитные волны в широком диапазоне длин волн, от видимого света до рентгеновского. Интерес Беккереля к этому свечению был совершенно не праздным. Беккерель занимался исследованием флуоресцирующих веществ, ему пришла в голову идея, о том, что причиной возникновения Х − лучей могло стать «фосфоресцирующее» свечение стекла трубки. Мысленно Беккерель связывал испускание Х − лучей с флуоресценцией некоторых веществ в естественном своём состоянии при их освещении солнечным светом.

В ходе экспериментов  Складовской-Кюри был обнаружен  достаточно странный феномен. Исследуя руду, добытую вблизи чешского городка  Иоахимсталь, Мария обратила внимание, что она испускает более интенсивные  лучи, чем чистый уран, хотя концентрация чистого металла в ней не высока. Это было странным, когда чистый металл обладал меньшей способностью к лучеиспусканию, чем руда, из которой  он, собственно, добывается. Во всех предыдущих опытах интенсивность излучения  определялась только концентрацией  в материале урана. О своих  наблюдениях Мария рассказала своему мужу, известному французскому физику Пьеру Кюри, которого этот феномен  заинтересовал и далее, они начали работать вместе. Пьер, как и многие его коллеги, приостановил свои обычные  научные увлечения и всецело  сосредоточился на явлении радиоактивности.

Возникло предположение, что в иоахимстальской руде содержится некое вещество, обладающее ещё большей  радиоактивностью, чем чистый уран. Это было тоже достаточно странным. С рудой работали многие химики при  разработке технологии добычи урана  и никакого постороннего вещества не обнаружили. Вывод был очевидным, концентрация этого неизвестного радиоактивного вещества в руде была настолько мала, что попросту на него не обратили внимания. На радиоактивность руду никто не проверял, по причине неизвестности  этого явления как такового, поэтому  и не заметили. Но если вещества в  руде было мало и оно так сильно «фонило», то вывод о его более  чем у урана радиоактивности  напрашивался сам собою.

Перед учёными встала новая задача, получить новое радиоактивное  вещество в более концентрированном  виде. Новое вещество назвали радием, т.е. лучистым веществом. Через три  года напряжённой работы в 1902 г. супругам Кюри удалось получить несколько  дециграммов хлористого радия, состоящего из 0,76 г. собственно радия и 0,24 г. хлора. Небольшие белые кристаллики  в пробирке обладали почти в миллион  раз более интенсивной радиоактивностью, чем такое же количество чистого  урана. Мария Складовская-Кюри уже после несчастного случая с мужем, повлекшим его смерть (попал под колёса телеги), получила частый радий, оказавшийся блестящим металлом белого цвета, похожим по внешнему виду на барий или кальций.

В апреле 1901 г. Анри Беккерель вознамерился прочитать  свои студентам лекцию о радиоактивности  с демонстрацией опытов. Чтобы  такие опыты организовать Беккерель  одолжил на время к Пьеру Кюри малюсенькую пробирку с препаратом радия (менее 1 г.). Пробирку аккуратно  завернули в бумагу, затем поместили  в картонную коробку, которую  «отец радиоактивности» поместил в  нагрудный карман своего пальто. После  шестичасового хождения по своим  делам, Беккерель попал в свою лабораторию и обнаружил, что  при приближении к экрану из сернистого цинка, тот начинал светиться. Экран  светился даже тогда, когда профессор  поворачивался к нему спиной. Выходило, что излучение проходило через  грудную клетку и вызывало свечение. Через 10 дней после этого события  Беккерель у себя на груди, напротив того места, где у него помещалась коробка с препаратом, обнаружил  не - 140 141, а большое красное пятно. Поначалу пятно не беспокоило профессора, но спустя некоторое время пятно приняло форму стеклянной пробирки, и появилась жгучая боль. Беккерель обратился к врачу, потому что кожа в том месте полопалась, превратившись в рану, сильно смахивающую на термический ожёг. Врач начал лечить травму Беккереля, как обычный ожёг, и вскоре покраснение исчезло, образовался белый шрам.[10.142]

7. Использование атомной энергии в минных целях. Типичная схема ядерной установки

  Международная политическая обстановка 1945—1950 годов требовала быстрейшего создания советского ядерного оружия и ликвидации монополии США в этой области, советские ученые и инженеры уже тогда работали над проектами использования атомной энергии в мирных целях.

В 1954 году в Советском Союзе вступила в строй действующих энергетических предприятий первая в мире атомная электростанция мощностью 5000 кВт. В 1957 году со стапеля Адмиралтейского завода в Ленинграде сошло первое в мире гражданское надводное атомное судно советского морского торгового флота ледокол «Ленин». В 1956 году по инициативе СССР докладом академика Игоря Курчатова в Великобритании, в атомном научном центре Харуэлле, был начат поддержанный затем другими странами широкий обмен научно-технической информацией в области исследований по управляемым термоядерным реакциям.[12.1]

За те годы отчетливо определились исключительные по своей практической значимости и экономической эффективности  перспективы использования атомной  энергии для развития энергетики, для производства электрической  энергии. К январю 1972 года в разных странах мира находились в эксплуатации десятки промышленных атомных электростанций общей установленной мощностью  более 30 млн. кВт. Все шире применяются  радиоактивные изотопы и ионизующие излучения в различных отраслях народного хозяйства, в науке и промышленности, на транспорте, в агротехнике, биологии, медицине, космических исследованиях.

Практическое использование результатов  исследований в области атомной  энергии становится одним из существенных факторов роста производительных сил, особенно эффективным при социалистическом строе, наиболее полно использующем природные ресурсы для повышения  благосостояния человечества.

Принципиальная  схема ядерной установки атомной  подводной лодки первого поколения

Для АПЛ был выбран водо-водяной реактор, аналогов которому в стране не существовало (работы над  реактором такого типа для АЭС  начались только в 1955 году).

При разработке водо-водяных  реакторов возник ряд новых важных вопросов, которые для уран-графитовых реакторов были мало существенными. В первую очередь это касалось:

• оптимизации тепловой схемы ЯР и поиска параметров;
• схемы регулирования нейтронных процессов в ЯР;
• методов нейтронно-физического расчета водо-водяных ЯР;
• проблем глубокого выгорания ядерного топлива и накопления осколков деления U-235;
• создания теплотехнической модели атомной установки;
• разработки схемы автоматического управления атомной установкой.

В результате была создана малогабаритная, высоконапряженная  и высокоманевренная ЯЭУ, удовлетворяющая  требованиям подводной лодки. В  последующем на основе этой атомной  установки было создано 4 поколения  атомных установок и ряд их модификаций.

Создание транспортной атомной установки, для того времени, было огромным техническим прогрессом. Однако, с точки зрения ядерной  и радиационной безопасности ЯЭУ  имела ряд серьезных недостатков, которые и стали причиной множества  аварий и поломок.[12.3]

8. Теория большого взрыва. Последовательность  событий при развитии Вселенной.  Шкала времени, температур и давлений

Можно считать, что  Вселенная состоит из огромной совокупности Галактик, которые представляют собой  скопление звёзд. В состав галактики  может входить до 100 миллиардов звёзд, подобных Солнцу, со своими планетными системами. Масса звёзд различных  типов, принадлежащих одной галактике  может превосходить по массе ∼ 10 41 кг, что составляет ∼ 10 11 масс Солнца. Межзвёздное пространство в галактиках заполнено пылегазовой смесью, которая составляет 0,05 массы всех звёзд. Галактика имеет достаточно сложную пространственную форму, геометрически напоминающую линзу.

В самые ранние периоды  своего существования наша галактика  представляла собой вращающееся  с малой угловой скоростью  раскалённое газовое облако. Размеры  этого облака, по представлениям астрофизиков, в десятки раз превышало настоящие  размеры. Под действием собственных  гравитационных эффектов газовое облако коллапсировало (стягивалось), что обусловило образование в центре первых звёзд, которые в силу закона инерции  сохраняли центростремительное  движение, вследствие чего их орбиты стали  представлять вытянутые эллипсы  со значительным эксцентриситетом. При  коллапсе газа энергия гравитационного  поля преобразовывалась в кинетическую энергию вновь образующихся звёзд, что прекращало дальнейшее сжатие материи. В настоящее время имеет место  теория в соответствии, с которой  в результате гравитационной конденсации  газа образование малых звёзд  продолжается.

Теория однородности и изотропности Вселенной была пересмотрена после обнаружения красного смещения. Красное смещение представляет собой  увеличение длин волн в спектре источника  в сторону красной части спектра  по сравнению с эталонным спектром. В соответствие с эффектом Доплера  такая ситуация становится возможной, если источник и приёмник удаляются  друг от друга. Как отмечалось ранее, эффект Доплера наблюдается не только в космосе. Изменение тона сирены движущегося локомотива относительно неподвижного слушателя имеет ту же физическую сущность, что и красное смещение.