Джим Брейтот - 101 ключевая идея: Физика

• Название: 101 ключевая идея: Физика
• Автор: Джим Брейтот
• Издательство: ФАИР-ПРЕСС
• Жанр: Справочники
• Год: 2001
• ISBN: 5-8183-0357-8 (рус.); 0-340-79048-2 (англ.)

Цель книги — доступным и увлекательным способом познакомить читателя с физикой, привлечь внимание к знакомым предметам, раскрыть их незнакомые стороны.

Здесь объясняется 101 ключевая идея великой науки, расширяющей наши знания о мире. Факты и основные понятия физики изложены так, что развивают любознательность, помогают преодолеть косность рутинного мышления, обостряют интерес к вещам, не затрагивающим нашего существования, но без которых это существование уже не мыслится; а где есть интерес, там есть желание новых знаний. От читателя не потребуется особой подготовки, кроме способности воспринимать и удивляться. Статьи расположены в алфавитном порядке. Книга предназначена для широкого круга читателей, а также учащихся школ и вузов.

---

В покоящейся жидкости на определенной глубине давление направлено во все стороны и одинаково во всех точках, расположенных на ней. С глубиной давление увеличивается в соответствии с формулой

Р = hρg,

где h — расстояние от поверхности (глубина), ρ — плотность жидкости.

В покоящемся газе давление на стенки сосуда вызвано быстрым движением бесчисленных молекул, ударяющихся о стенки и отскакивающих от них. Чем выше температура газа в герметичном сосуде, тем больше давление, так как молекулы газа движутся быстрее и ударяют о стенки сосуда более часто и интенсивно. Законы поведения идеального газа можно объяснить с помощью кинетической теории газов. В движущихся жидкостях и газах давление на поверхность, расположенную перпендикулярно направлению течения, выше давления на поверхность, расположенную параллельно течению потока. Давление на поверхность, параллельную течению, называется статическим, так как равно тому давлению, которое оказывала бы на эту точку покоящаяся жидкость. Давление на поверхность, перпендикулярную течению, называется полным. Разность между полным и статическим давлениями составляет динамическое давление.

Атмосферное давление день ото дня различается в зависимости от погодных условий. В среднем на уровне моря оно равно 101 кПа и называется стандартным. С увеличением высоты давление понижается, и в горах, на больших высотах, людям становится трудно дышать. Манометры — приборы, измеряющие давление, — обычно настраивают так, чтобы они измеряли разность давлений газа или жидкости и атмосферного давления.

См. также статьи «Жидкости 1 и 2», «Идеальные газы».

ДВИЖЕНИЕ СПУТНИКОВ

Спутником называется любое тело, совершающее орбитальное движение вокруг более крупного тела. Планеты — это спутники Солнца. Луна — спутник Земли. Искусственные спутники на околоземных орбитах используются для поддержания радиосвязи.

• Периодом обращения спутника, зависящим от высоты, называется время, за которое он совершает полный оборот.

• Геостационарным называется спутник, движущийся по экваториальной орбите на такой высоте и с такой скоростью, что все время остается над одной и той же точкой земной поверхности, т. е. его период обращения равен 24 часам.

Спутник, обращающийся вокруг Земли, удерживается на эллипсообразной орбите под действием силы тяжести. Для кругового движения скорость спутника всегда перпендикулярна действующей на него силе притяжения и вычисляется исходя из того, что сила гравитационного притяжения GMm/r2 равна центростремительной силе mv2/r, где М — масса Земли, m — масса спутника, r — радиус орбиты, v — скорость спутника. Отсюда v2 = GM/r, откуда получаем скорость спутника. Период обращения по круговой орбите Т = 2πτ/ v, значит

Эта формула согласуется с третьим законом Кеплера, согласно которому для планет Т2 пропорционально r3. При значении Т, равном 24 часам, получаем r = 42 300 км, что соответствует 35 900 км над Землей. Таким образом, высота геостационарной орбиты должна равняться 35 900 км, так как радиус Земли равен 6400 км. Говорят, что геостационарный спутник находится на синхронной орбите.

Он остается над одной и той же точкой экватора, так как движется со скоростью, равной скорости вращения Земли. Геостационарные спутники используются для связи, поскольку передатчики и приемники сигналов не надо подстраивать под движение спутника, они всегда настроены на одну точку.

См. также статьи «Гравитационное поле 1», «Круговое движение».

ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР

Деление атомных ядер — процесс распада атомного ядра на две равные части. Уран-235 и плутоний — 239 — единственные изотопы, деление которых сопровождается выделением нейтронов. Уран -235 — единственный, встречающийся в природе элемент с самопроизвольно делящимися изотопами.

Большое атомное ядро можно сравнить с вибрирующей каплей жидкости. Если в такое ядро на большой скорости попадает нейтрон, то оно делится на два осколка, которые отталкиваются друг от друга в результате действия электростатических сил. Два осколка, в свою очередь, испускают нейтроны с большой энергией, которые сталкивается с другими ядрами, вызывая их деление. Если в результате деления образуется более одного быстрого нейтрона, начинается цепная реакция. В ядерном реакторе создается управляемая цепная реакция, при которой деление происходит в точном соотношении; один испускаемый нейтрон на одно ядро. «Лишние» нейтроны поглощаются ядрами в графитовых стержнях или иных замедлителях, либо они покидают реактор. Энергия, выделяемая на килограмм радиоактивного вещества, в миллионы раз больше количества энергии, выделяемой при сгорании килограмма нефти. В природе встречаются изотопы уран -235 и уран-238, причем на долю первого приходится менее 1 %, а на долю второго — около 99 %.

В высокотемпературных ядерных реакторах тепловыделяющие элементы (твэлы) из обогащенного урана содержат около 2–3 % урана-235. Нейтроны деления имеют слишком быструю скорость, чтобы продолжать реакцию деления, поэтому используют замедлители, окружающие тепловыделяющие элементы; они замедляют нейтроны и те сталкиваются с ядрами урана с нужной скоростью. Нейтроны деления при столкновении с ядрами вещества-замедлителя теряют кинетическую энергию.

В реакторе на быстрых нейтронах последние, испускаемые плутонием -239, поддерживают реакцию без замедлителей. Плутоний-239 представляет собой искусственный изотоп, получаемый в результате поглощения ураном-238 нейтрона и его распада. Таким образом, реактор на быстрых нейтронах сам вырабатывает свое топливо в виде плутония — 239 из слоя урана-238, окружающего активную зону. Если применять такой процесс в широком масштабе, то срок использования мировых запасов урана увеличивается в 50 раз.

См. также статьи «Атомная энергия», «Ядерная модель атома».

ДЕЦИБЕЛЫ

Звук представляет собой колебания, т. е. периодические возмущения в твердых, жидких и газообразных средах. Любая колеблющаяся поверхность в воздухе создает волны, распространяющиеся от нее во все стороны. Звуковые волны в воздухе представляют собой периодические сжатия и расширения молекул воздуха. Частотой звуковых волн называется количество таких сжатий в единицу времени, а интенсивностью — средний поток энергии, проходящий через единицу площади в единицу времени.

Звуковые волны заставляют колебаться наши барабанные перепонки. Чем сильнее колебания, тем громче нам кажется звук. Наше ухо воспринимает звуки одинаковой частоты, но разной громкости согласно логарифмической шкале, т. е. равномерному увеличению воспринимаемой громкости соответствует все большее увеличение интенсивности. Так, если интенсивность звуковой волны сначала увеличить в два раза, а затем еще в два раза и т. д., то громкость каждого последующего звука будет восприниматься как повышение на одну ступень по сравнению с громкостью предыдущего.

Громкость звука зависит как от частоты, так и от его интенсивности. Максимальная чувствительность определяется частотой в 3400 Гц. Мы не можем воспринимать звуковые колебания частотой выше 18 000 Гц.

Уровень интенсивности I в децибелах (дБ) выражается формулой

I = 10 log (I/I0),

где I0 = 10-12Вт/м2 — наименьшая воспринимаемая интенсивность звука с частотой 1000 Гц для человека с нормальным слухом. Громкость звука заданной частоты принято определять через уровень интенсивности звука частотой 1000 Гц, воспринимаемого как звук такой же громкости. Единицей громкости служит фон. Например, звук в 100 дБ с частотой 10 000 Гц имеет ту же громкость, что и звук в 40 дБ и частотой 1000 Гц. Следовательно, громкость этого звука в 100 дБ равна 40 фонам.

См. также статьи «Волновое движение 1 и 2».

ДИНАМИКА

Пройденным путем называется перемещение тела на определенное расстояние в определенном направлении. Тело может перемещаться быстрее или медленнее по сравнению с другими телами. Средней скоростью называется отношение пройденного пути к промежутку времени, за который он пройден. Единица измерения скорости — м/с. Скорость — величина векторная, имеющая направление. Ускорение — это степень изменения скорости за единицу времени. Скорость может изменять как направление, так и свою абсолютную величину. Единица измерения ускорения — м/с2.

Формулы равноускоренного движения

Если тело движется по прямой линии с постоянным ускорением а, значит, его скорость изменяется на постоянную величину за единицу времени. Если начальная скорость равна u, то скорость ν через промежуток времени t вычисляется по формуле v = и + at.