КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ





КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

(ОТКРЫТИЯ В ФИЗИКЕ: ИХ МИРОВОЗЗРЕНЧЕСКОЕ,

ЭКОНОМИЧЕСКОЕ И ГУМАНИТАРНОЕ ЗНАЧЕНИЕ)

(«Физика глазами «гуманитариев»)

 

Курс для спец. ф-тов: МиМ, ИВТ, УК, М (гр. 1-37-1 и 1-41-1,2; 2-18-1; 2-48-1,2; 2-14-1 и др.)

Количество часов: лекц. – от 17 до 54 час.; упр. – от 7 до 17 час. + л.р. от 17 до 34 (зачеты, экз.)

Всего: от 34 до 80 час.

 

П Р О Г Р А М М А

Раздел 1. (8/4 час.). Образование, экономика, культура. Роль образования в обеспечении экономической безопасности страны. Необходимость образовательных реформ в мире и России. Классификация наук. Какие науки важные для подготовки «гуманитариев»?

Раздел 2. (24/6 час.). Роль физики в формировании научного мировоззрения. Развитие представлений о строении Вселенной. Критика лженаучных теорий и представлений (астрология, полтергейст, религия, НЛО, экстрасенсы и т.п.).

Раздел 3. (22/8 час.). Физика и научно-техническая революция. Социальные, политические и экономические последствия великих открытий в физике (РАИ, АЭС, ядерное оружие, ФТТ, лазеры, ЭВМ, неразрушающие методы контроля качества изделий; физика и квалиметрия).

Практические занятия типа семинаров: выступления с реферативными докладами по разделам 2 и 3 (образцы рефератов в каб. 422 кор.2).

Лабораторные работы – для двухсеместрового курса.

 

Составитель программы и лектор – к.ф.-м.н., д-р пед.н., профессор, Засл. деятель науки УАССР, Почетный работник ВПО РФ, зав.каф. профессиональной педагогики ИжГТУ Черепанов Вячеслав Сергеевич (кор.2, каб.421, тел. 2-33; учебный мастер – 1-429А; тел. 1-27).

31.08.2006 г.


Концепции современного естествознания (КСЕ)

 

Концепция (от лат. conceptio – понимание, система) – определенный способ понимания, трактовки какого-либо предмета, явления, процесса; основная точка зрения на объект; руководящая идея для систематического освещения.



Термин «концепция» употребляется также для обозначения ведущего замысла, конструктивного замысла в научных, технических, политических и других видах деятельности [БСЭ, т.13, с.94].

Ведущие концепции:

1. Измеримость свойств объектов (параметризация).

2. Контролируемость воздействий (силы, энергия, виды взаимодействий в природе).

3. Квантованность состояния систем (дискретность, квантовая механика, спектры).

4. Принцип неопределенности Гейзенберга.

5. Микросостояния объектов (атомы, молекулы, элементарные частицы).

6. Макросостояния объектов (твердое тело, жидкость, газ, плазма, планеты, звезды, Галактики).

7. Моделирование объектов (натурное, физическое, математическое, мысленное, компьютерное).

8. Флуктуации в системах (Броуновское движение, бифуркации, синэнергетика, зарождение планет, звезд, Галактик; цвет неба).

9. Единое пространство – время (специальная и общая теории относительности Эйнштейна).

10. Эволюционность (в биологии; астрофизике: звезды, Галактики, модели Вселенной).

11. Вероятностный характер процессов.

12. Законы сохранения (массы, энергии, электрического заряда, количества движения, момента количества движения и др.).

13. Неуничтожимость материи (вещество, поля, «темная материя», «темная энергия»).

14. Материальность мира (лженауки, религия).

15. Познаваемость мира (роль философии, научный подход, классификация наук).

Естествознание – это область знаний о природе, исследующая трансдисциплинарные отношения между естественными науками, к которым относятся: физика, химия, астрономия, биология, математика.

КСЕ изучает трансдисциплинарные естественнонаучные идеи, модели, обобщенные представления о природе на основе классической и неклассической стратегий естественнонаучного мышления.

 


Экзаменационные вопросы по курсу КСЕ

1. Влияние образования на экономику и культуру. Необходимость образовательных реформ.

2. Классификация наук. Дифференция и интеграция наук. Какие науки «важные» и для кого?

3. Открытия и события, определившие начало и ход современной НТР.

4. Характерные признаки современной НТР.

5. Характерные особенности современной НТР.

6. Структура физики как науки, ее разделы.

7. Роль физики в современном естествознании.

8. Физика и технические науки.

9. Физика и научное мировоззрение.

10. Физика и вооружение.

11. Великие открытия в физике и их экономические последствия.

12. Неразрушающие методы контроля качества продукции.

13. Современные прогрессивные технологии.

14. Энергосберегающие технологии.

15. Задачи российской науки и техники на ближайшие 10-20 лет.

16. Перспективы компьютеризации (в мире и РФ).

17. Проблема НЛО и внеземных цивилизаций.

18. Изменение естественнонаучной картины мира (на примерах изучения микромира).

19. То же – макромира.

20. То же – мегамира.

21. Значение курса КСЕ для квалитологии и квалиметрии.

22. То же – для гуманитарных наук.

23. То же – для изучения экономических наук.

24. То же – для технических наук.

25. То же – для формирования научного мировоззрения.

 

 

Составитель – к.ф.-м.н., д.п.н., проф. Черепанов В.С.

 

Утверждены на заседании кафедры «Физика» 19.05.2003 г. (протокол № 8).

 

 


Тематика рефератов для студентов, изучающих КСЕ

 

№ п/п Тема реферата или доклада Фамилии студентов
Особенности современной НТР  
Роль физики в современном естествознании  
Физика и технические науки  
Физика и научное мировоззрение  
Физика и экономика  
Физика и квалитология  
Физика и квалиметрия  
Физика и астрономия  
Физика и биология  
Физика и астрология  
Физика и религия  
Физика и НТР  
Физика и оккультизм  
Физика и проблема НЛО  
Проблема внеземных цивилизаций  
Современные прогрессивные технологии  
Энергосберегающие технологии  
Неразрушающие методы контроля качества продукции  
Перспективы компьютеризации  
Физика и химия  
Физика и вооружение  
Физика и политика  

 

Реферативное сообщение делается на практическом занятии (10-15 мин.) каждым докладчиком. Объем реферата 8-10 стр. машинописного текста (А4) с библиографией 5-10 работ. Одну тему могут выбрать не более 2-х человек.

Рефераты, выполненные ранее, и некоторая литература имеется в каб. 425 корп. 1 (обращаться в большие перерывы по понедельникам и четвергам)
Физические принципы функционирования современных

технических систем (тематика рефератов по курсу КСЕ)

 

№ п/п Название объекта Ф.И.О. студента
Цветной телевизор  
Телефон (обычный и сотовый)  
Радиоприемник (обычный и переносной)  
Видеомагнитофон  
Видеокамера  
Стиральная машина (с программным управлением)  
Холодильник (стационарный)  
Ракета для запуска ИСЗ  
Международная космическая станция  
Марсоход, луноход и т.п.  
Судно на воздушной подушке  
Поезд на магнитной подушке  
Лазерное оружие  
Персональная ЭВМ  
Электротранспорт  
Самолет, вертолет  
Интернет  
Подводная атомная лодка  
Компьютерные роботы  
Электроинструменты  
АЭС  
Ускорители элементарных частиц  
Радиотелескопы  
Крупнейшие телескопы  
Спутниковые системы связи  


Рефераты по курсу КСЕ

Проблемы современной НТР

 

№ п/п Название реферата Автор Группа
Особенности современной НТР Исламгулов Д.А. 1-41-2
Киселева А.С. 1-37-1
Модели атомного ядра Залалутдинов А.А. 1-41-1
Роль физики в развитии естествознания. От античности до наших дней. Борисова А.Л. 2-48-1
Физика и технические науки Баталов М.Ю. 2-48-1
Подотрасль экономики (электроэнергетика) и физика Нелюбина А.С. 2-48-1
Физика и научное мировоззрение Гаврилова М.В. 1-37-1
Кибернетика и синергетика – науки о самоорганизующихся системах Имамутдинов К.А. 1-41-1
Физика и экономика Тулупова О.В. 2-48-2
Физика и квалиметрия Межуева О.А. 1-37-1
Физика и астрономия Голикова Ю.А. 1-41-1
Коровина А.А. 1-41-1
Задачи и проблемы взаимодействия наук на примере физики и биологии Новоселов А.А. 3-18-1
Физика и биология Гордин Д.А. 1-37-1
Физика и астрология Яковенко Е.Г., Мазунова Ю.Ш. 7-27-1
Физика и религия Загребина А.В. 1-41-2
Буранова В. 1-41-1
Физика и НТР Валеева К. 1-41-2
Татару В.С. 1-37-1
Физика и оккультизм Никитин М.А. 1-41-2
НЛО – легенда, ставшая реальностью Губин Д.С., Ботников А.В. 6-27-1
Обсуждение гипотез о НЛО Мацко Н.С. 2-48-1
НЛО и физика Ведерникова Е.А., Логунова Е.И. 1-37-1
Проблемы внеземных цивилизаций Маточкина О. 1-37-1
Проблема внеземных форм жизни во вселенной и ее решение Сарвилина Е.А. 1-41-1
Современные прогрессивные технологии Исаева К.Н. 1-37-1
Энергосберегающие технологии и энергоэффективность Ратушная А.С. 1-41-1
Естественнонаучные проблемы энергетики Глухова С.В. 6-27-1
Неразрушающие методы контроля качества продукции Белоцерковец В.А. 2-48-2
Гавшина А.В. 2-48-1
Перспективы компьютеризации Миннебаева Г.М. 1-41-2
Новокрещенова М.О. 1-41-1
Физика и химия Перевощикова А.О 1-41-2
  Сыресина С.В. 1-37-1
Ядерное оружие Хазиев Р.М. 1-41-1
Залалутдинов А.А. 1-41-1
Физика и политика Деменко А.Н. 1-41-1
  Сапожникова Ю.А 1-37-1

 


Рефераты по курсу КСЕ

Задачи по курсу КСЕ

1. Численность людей на Земле через 1000, 5000 лет.

2. Перелет Земля – α Центавра + эффект СТОТ.

3. Д.З. Перелет земля – звезда «х» с = 0,9… или на одну из планет Солнечной системы.

4. Мощность звездолета с учетом зад. № 2.

5. Орбитальная скорость Земли, Солнца и как часто происходит встреча с другими звездами.

6. Д.З. Определение g на одной из планет или vI, vII.

7. Линейная скорость городов (φ).

8. Д.З. Гравитационное воздействие на человека планет и звезд.

9. Воздействие Луны на Землю и человека.

10. НЛО в пустыне Калахари в ЮАР.

11. Д.З. Высота Солнца в полдень в городах Удмуртии в дни равноденствий, солнцестояний и в свой день рождения.

12. Д.З. Показания часов в новогоднюю ночь и в момент своего рождения в городах УР.

13. Феномен Чумака.

14. Гроб Магомета.

15. Кулоновские и гравитационные силы.

16. Д.З. Разряд молнии.

17. Запасы энергии (ТЯР) в океанах Земли.

18. Эволюция Солнца.

19. Расход ядерного топлива на АЭС.

20. Взрыв над Хиросимой.

21. Защита от радиации (α, β, γ).

22. Д.З. Закон радиоактивного распада (Булатова - Бондарева).

23. Нейтринные потоки.

24. Купание в озере п/о «Маяк» (РАИ).

В.С.Черепанов

 

Сборник задач по курсу

Часть 1. ФИЗИКА

 

 

Ижевск 2005


УДК 5 (075.8)

 

 

Составитель:

Кандидат физико-математических наук и доктор педагогических наук,

профессор Черепанов В.С.

 

 

Рецензент:

Кандидат физико-математических наук, доцент Булатова Е.Г.

 

 

Сборник задач по курсу «Концепции современного естествознания». Часть 1. «Физика»/Сост. Черепанов В.С..-Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2005.-25 с.

 

 

Сборник задач предназначен для студентов 1-го курса гуманитарных специальностей, изучающих курс «Концепции современного естествознания» по разделу «Физика».

 

 

УДК 5 (075.8)

 

©ФГОУ ВПО ИжГТУ,2005

©Черепанов В.С.,сост.,2005


Рис.3

 

На экваторе ЭЭ′ получаем: VЭ = Vu/cosφ = 464 м/с.

Поэтому в зоне экватора выгодней запускать ИСЗ, т.к. «выигрыш» может составить до 200 м/с (для Байконура).

Раздел 3. Электричество и магнетизм

3.1. А.Чумак утверждает, что выступая по телевидению, он сможет «заряжать» воду в сосуде перед экраном телевизора. Возможно ли это?

Ответ (аргументированный). Частота телевизионного канала в метровом диапазоне а частота звука (речи человека) не более 20 Кгц (средняя около 1 Кгц), т.е. в несколько тысяч раз меньше и поэтому речь человека не может модулировать электромагнитные волны (в любом диапазоне). Кстати, видеокамере все равно кто перед ней находится: телеведущий или экстрасенс. Процесс трансляции одинаков.

Термин «заряжать воду» означает, что в ней появились дополнительные заряды (ионы или электроны), что возможно только при ионизации молекул Н2О. А.Чумак утверждает, что он может изменить проводимость воды на 10 микроампер, даже находясь на своей даче, а вода – за несколько километров. В прессе были сообщения о его последователях, которые, якобы, изменяли проводимость воды на 7200 микроампер! Возможно ли такое?

Известно, что электрический ток – это направленное движение зарядов и 1 мкА = 10-6А, а 1А = 1 Кул/сек. Заряд в 1 Кулон создают 1/1,6 ∙ 10-19 = 6,2 ∙ 1018 электронов, заряд одного из них и равен 1,6 ∙ 10-19К. Таким образом, для увеличения проводимости на 10 мкА необходимо ежесекундно генерировать 6 ∙ 1013 = 60 триллионов электронов! А для величины в 7200 мкА – 7,2 ∙ 10-3 ∙ 6,2 ∙ 1018 = 450 ∙ 1014 = 45000 триллионов!

Для освобождения из молекулы воды одного электрона требуется энергия 4,77 Эв (энергия связи электрона в атоме водорода) и чтобы создать 4,5 ∙ 1016 электронов нужно воде сообщить энергию 4,5∙1016 ∙ 4,77 ∙1,6 ∙ 10-19дж=3,4∙10-2дж/с, т.е. иметь мощность около 0,03 вт = 30 мвт, что соизмеримо с мощностью радиотелефонов. Если эту энергию выделяет мозг человека (А.Чумака или его учеников), то за год работы (31,5 млн. сек) он выделяет энергию в 3,4 ∙ 10-2 ∙ 31,5 ∙ 106 ≈ 106 дж, что хватило бы для нагревания его мозга (80% массы мозга – это вода; масса мозга человека около 1,5 кг; воды в нем около 1,2 кг; удельная теплоемкость воды 4200 дж/кг) на ∆Т = Q/с ∙ m = 106/4200 · 1,2 ≈ 2000 (!), а за неделю его работы – на ≈ 40, что было бы заметно!

Таким образом, по законам биологии и на основании расчетов «феномена Чумака» нет! Световое же излучение экрана не способно ионизировать воду и тем более изменять структуру мазей в тюбиках, куда свет и не проникает. Легко показать, что энергия световых лучей (средняя длина их около (3900 + 7500) : 2 = 5700 А (ангстрем) = 5,7 ·103 · 10-10м = 5,7 · 10-7м, а средняя частота = 3 · 108/5,7 ∙ 10-7· 5 ·1014Гц. Тогда средняя энергия равна: - hv = 6,62 · 10-34 · 5 ·1014 ≈ 3 ·10-19дж = 3 · 10-19/1,6 · 10-19 ≈ 2 эв, а энергия связи электронов около 5 эв, т.е. фотоэффект невозможен.

«Мягкое» рентгеновское излучение, возникающее в телевизионной трубке (ускоряющая разность потенциалов между катодом и анодом в цветном телевизоре около 20 кэв и электроны приобретают энергию E = q ∆U ≈ 1,6 ∙ 10-19 ∙ 20 · 103 ≈ 3 ∙ 10-15 дж = 3 ∙ 10-15/1,6 ∙ 10-19 ≈ 2000 эв; λ = с/ν = hc/Е = 6,6 ∙ 10-34 ∙ 3 ∙ 108/3 ∙ 10-15 ≈ 6,6 ∙ 10-11м = 0,7 Ангстрема) легко поглощается стеклом экрана и воздухом.

Для сравнения – энергия излучения медицинского рентгена около 200 Кэв,

т.е. в 200 раз больше (см. также задачу 4).

3.2. Насколько реален «гроб Магомета»? (гробом Магомета называют металлический гроб, висящий в воздухе).

Решение. Если по гробу длиной ℓ пропускать ток в I A в поле с индукцией B, то возникает сила Ампер величиной F = L ∙ ℓ ∙ B sin α, (1) где α – угол между векторами I и B (будем считать, что α = 900). Сила Ампера должна уравновесить вес гроба P = mq (2). Из равенства соотношений (1) и (2) следует: IB = mq/ℓ(3).

Если положить, что ℓ = 2 м, а m = 100 кг, то I B = 500 А ∙ Тл (4).

Допустим, что по гробу идет ток I = 100 A. Тогда в зазоре Δh = 2 м (высота пещеры, где, якобы, висел гроб Магомета), точнее на расстоянии х = 1м (от пола или потолка) необходимо создать индукцию В = 5,0 Тл (Тесла).

Если гроб поместить под соленоидом радиуса R = 0,5 м (1 м – ширина гроба), то при пропускании через него тока IC на расстоянии х от его торца возникает индукция (5)

Здесь: μо = 4П ∙ 10-7гн/м; R = 0,5 м, х = 1 м.

Тогда (6)

Из (6) следует: 10-7LC · μотн = 5,0. Тогда LC μотн = 5 · 107. (7)

Если LC = 100 A, то μотн должно быть не менее 0,5 · 106.

Это возможно, если гроб будет сделан из супермаллоя (5 % молибдена, 79% - никеля, остальное – чистое железо; для такого сплава μотн ≈ 106).

Таким образом, в наше время создать такой эксперимент технически возможно, но вряд ли это было сделано 1000 лет назад.

3.3. Во сколько раз «куловские силы» больше гравитационных?

Решение. Сопоставим эти силы, возникающие в атоме водорода (заряд ядра и электрона q = 1,6 ∙ 10-19К; масса электрона me = 9 ∙ 10-31кг, протона – в 1836 раз больше; радиус атома

r = 10-10м; γ = 6,67 · 10-11м3/кг · сек2; εо = 8,85 · 10-12 ф/м).

Сравнивая выражения и получаем:

(!)

3.4. Каково отталкивание двух шаров, заряженных по 1 Кулону на расстоянии в 1 м?

Решение.

3.5. Какая энергия может быть заключена в грозовом облаке?

Решение. Будем считать, что система «облако – поверхность Земли» образуют обкладки плоского конденсатора площадью S с зазором в h (высота тучи), а разряд молнии длится τ ≈ 0,001 с. Задаваясь значениями S ≈ 10км х10км = 108м2 и h ≈ 1000 м, по ф-ле С = εε0 S/h (ε0 = 8?85 · 10-12 ф/м) находим, что С = 8,85 · 10-12 · 108/103 ≈ 10-6 ф. (ε = 1 для воздуха; 8,85 ≈ 10).

Зная пробивное напряжение воздуха, равное 30 Кв/см, находим, что «предпробивное» напряжение между тучей и землей составляет Uпр = 3 ∙ 106 ∙ 103 ≈ 3 ∙ 109 в. Величина тока в канале молнии составляет IM = Q/τ, где Q можно найти по ф-ле С = Q/ Uпр. Получаем. Что Q = С · Uпр = 10-6 · 3 · 109 ≈ 3000 Кулон.

Тогда IM = 3 ∙ 103/10-3 ≈ 3 ∙ 106 A. Мощность P = IMUм = 3 ∙ 106 ∙ 3 ∙ 109 ≈ 10,0 ∙ 1012 Квт = 10 триллионов киловатт! (На Земле ежегодно происходят десятки тысяч гроз).

Примечание. Если считать, что разряд молнии растекается и «уходит» в землю в радиусе 10 м, то поверхностная плотность тока составит величину I/πR2 ≈ 3 ∙ 106/300 ≈ 104 A/м2. Если площадь ступней человека (25 х 8) ∙ 2 см2 = 400 см2, то через них пройдет ток ~ 104 ∙ 400 ∙ 10-4 ≈ 400 А, что является смертельной величиной. Даже в радиусе 100 м от места удара молнии он будет ≈ 4 А, что также опасно для жизни.

Раздел 4. Ядерная физика

Известно, что источником энергии звезд, в т.ч. и Солнца, являются термоядерные реакции слияния легких ядер, например, водорода в гелий и т.д.

4.1. Каковы запасы энергии в водах мирового океана? (Общая масса воды на Земле составляет М = 1,5 ∙ 1015 т.; выделенные из стакана воды ядра дейтерия при их слиянии выделяют столько же энергии, что и при сжигании бочки бензина, теплотворная способность которого 11000 ккал/кг).

Решение. 1) Бочка бензина (200 л) при сгорании даст Фо = 200 ∙ 0,8 ∙ 11000 ∙ 4200 = 1,6 ∙11 ∙ 4,2 ∙ 108 дж = 74∙ 108 дж (здесь учтено, что плотность бензина 0,8 кг/л).

2) Кол-во стаканов воды в мировом океане составляет 1,5 ∙1018/0,2 = 75 ∙1017 (1 стакан – 200 г).

3) Общее кол-во энергии может составить:75 ∙ 1017 ∙ 74 ∙ 108 = 5,5 ∙ 1028 дж.

Если считать, что энергопотребление на Земле каждые 100 лет удваивается, то через n ∙ 100 лет оно составит: Qn = Qo 2n-1, где Qo = 3 ∙ 1021дж (см.задачу 1.6).

Задаваясь значением Q = 5,5 ∙ 1028, определим n – число столетий.

5,5 ∙ 1028 = 3 ∙ 1021 ∙ 2 n-1 ; 2 n-1 ≈ 2 ∙ 107. Отсюда n = 8 , т.е. запасов энергии в водах мирового океана хватит как минимум на 1000 лет, а энерговооруженность планеты возрастет в 10 млн. раз! Если n – число тысячелетий, то запасов энергии хватит на 8 – 10 тыс. лет.

4.2. За сколько лет интенсивность излучения Солнца уменьшится на 10 %? (Постоянная солнечной радиации в современную эпоху составляет 2 кал/см2.мин – это на границе земной атмосферы; расстояние от Земли до Солнца около 150 млн. км; современное значение массы Солнца около 2 ∙ 1027тонн).

Решение. 1) Значение постоянной солнечной радиации в системе СИ равно : 2 ∙ 4,2/10-4 ∙ 60 = 1400 дж/м2сек.

2) Площадь сферы с радиусом «Земля - Солнце» равна:

S = 4π ∙ (150∙ 109)2м2 = 4π ∙ 225 ∙ 1020 = 2,8 ∙ 1023м2.

3) Общий поток энергии составляет (в сек.):

2,8 ∙ 1023 ∙ 1400 ≈ 2,8 ∙ 1,4 ∙ 1026 ≈ 4 ∙ 1026 дж/с.

4) По ф-ле Е = шс2 найдем «потерю» массы Солнца (в 1 сек.):

Δm = 4 · 1026/(3 ∙ 108)2 = 4,4 ∙ 109кг/с = 4,4 ∙ млн.т/сек.

5) Потеря 10 % нынешней массы Солнца произойдет за

Если учесть, что возраст Солнца оценивается около 10 млрд.лет, то его еще «хватит» 1000 таких циклов.

4.3.Определить годовой расход U–235 на 1-й в мире АЭС (P=5000 квт, к.п.д.=17 %, при распаде одного ядра U–235 выделяется 200 мэв:1 эв =1,6·10-19 дж

Решение. Выделяемая энергия в реакторе АЭС составляет (Р/к.п.д.) · Т, где Т = 31,5 · 106сек (это год).

Получаем: Для ее получения должно распадаться 9,3 · 1014/200 · 106 · 1,6 · 10-19 = 2,9 · 1025 ядер U – 235. Известно, что 1 г-атом U – 235, содержащий число Авагардо атомов (6 · 1023), имеет массу 235 г Тогда получаем:

Если учесть, что в природном U – 238 всего 0,7 % U – 235 и его для АЭС обобщают до 5 %, то масса загружаемого ядерного топлива составит 11,36/0,05 =227 кг.

Для современной АЭС мощностью 1000 Мвт (106квт, что в 200 раз больше 1-й АЭС) потребуется 227 · 200 = 45 т, т.е. одного вагона – на год работы.

4.4. При взрыве 1-й АБ над Хиросимой мощностью 5 Кт успело разделиться всего 1 г U – 235. Сколько людей могло испариться, если считать, что на их нагревание ушло около 1% выделенной энергии? (Массу человека принять равной 70 кг, долю воды в нем – 65%).

Решение. По формуле E-mc2 находим: Е = 10-3 · (3 · 108)2 = 1014дж. Q = 0,01 E = cm ΔT + mλ, где m = 0,65 · 70N = 45N (N - ?), с = 4200 дж/кг град, λ = 540 кал/г = 540 · 103 кал/кг = 5,4 · 105 · 4,2 дж/кг = 2,3 ·105дж/кг ΔТ = 100о – 20о = 80о.

Подставляя исходные данные, получаем:

0,01 · 1014 = 4200 · 45 N · 80 + 45 N · 2,3 · 106 = N (1,5 · 108 + 108) ≈ 2,5 ∙ 108N = 1012. Отсюда: N = 1012/2,5 ∙ 108 ≈ 104/2,5 = 4000 чел.

Если считать только ожоги (∆Т = 80о – 20о = 60о), то 1012 = 4200 ∙ 45 N ∙ 60 = 1,13 ∙ 107N, т.е. N ≈ 105 (Действительно, в Хиросиме пострадало 140 тыс. чел.).

4.5. Как защититься от α – излучения?

Решение. Пробег α–частиц с энергией от 2 до 8 Мэв в веществе с плотностью ρ(г/см3) определяется по формуле: (см), где Еα - энергия α – частиц в Мэв, ρ - плотность в г/см3 А – массовое число (определяется по табл. Менделеева).

Известно, что ρ(воздух) = 1,3 · 10-3 г/см3, ρ (Н2О) = 1 г/см3, ρ (Аℓ) = 2,7 г/см3, ρ (Fe) = 7,8 г/см3, ρ (Рв) = 11,3 г/см3, ρ (Аи) = 18 г/см3. Массовые числа для приведенных материалов соответственно равны: 14,5; 18, 27, 56, 208, 197.

Например, для воздуха получаем (для α – частиц с энергией 8 Мэв, что довольно редко):

см

Для воды в ρводывозд. раз меньше, т.е. 12/5555 ≈ 0,02 мм. Видно, что в других материалах эта величина еще меньше. Таким образом, от α – излучения может защитить обычный лист бумаги или воздушный зазор в ≈ 10 см.

4.6. Как защититься от β – излучения?

Решение. Под β – излучением понимается поток электронов, т.к. позитроны в веществе (любом) аннигилируют по схеме: е- + е+ → 2γ.

Пробег электронов с энергиями от 0,15 до 0,8 Мэв определяется по формуле L = RЭ/ρ [см], где ρ - плотность вещества экрана в г/см3, а RЭ = 0,41 , где EЭ – энергия электронов в Мэв.

Для Е = 0,8 Мэв имеем: RЭ = 0,29 г/см2. Если экран сделать из алюминия, то L(Аl) = 0,29/2,7 = 1 мм. Для железа – 0,1 мм.

4.7. Как защититься от γ – излучения?

Решение. Падающий на экран поток I0 (частиц/сек.), пройдя d (см) ослабевает по закону: Iх = Iо е-μх, где μ - коэффициент ослабления (см-1), зависящий от энергии γ - лучей. Значения μ приводятся в справочной литературе (см., например: Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов.-М.: Наука,1974.-с.845).

Энергия, Мэв Воздух Вода Свинец
0,1 0,0002 0,17 6,0
0,5 0,0001 0,10 1,7
1,0 0,00008 0,07 0,75

Отношение обозначим через к – кратность ослабления. Тогда к = еμd или ℓnк = μd . Отсюда : d = [см].

Если к = 10, то ℓn10 = 2,3 u d = . Для Е = 1 Мэв (у кобальта – 60 Е = 1,3 Мэв) получаем, что воздух ослабляет γ - излучение незначительно (dвозд. ≈ 300 м). Для воды d ≈ 33 см, свинца – 3 см. Поэтому для γ - излучения экраны делают из тяжелых элементов, чаще свинца.

4.8. Вычислить дефект массы, энергию связи и удельную энергию связи ядра с заданными значениями числа протонов (определяется по таблице Менделеева - Z), нейтронов (А – Z, где А – массовое число, приведенное в табл. Менделеева) и массы ядра – МЭ (определенное экспериментально: приводится в таблицах, указанных преподавателем, или в табл. Менделеева).

Возможный вариант: номер элемента в табл. Менделеева Z + 1 (исключая водород) приравнять номеру студента в списке по схеме: 1-му студенту 1 + 1 = 2 – Гелий; 2-му 2 + 1 = 3 – Литий и т.п. Таким образом, у каждого студента будет «свое» ядро. Так как в таблице Менделеева их более 100, а в справочниках по ядерной физике – более 1000 изотопов, то вариантов получается достаточно, даже если в потоке много групп.

Решение. Дефект массы (∆m) любого ядра с известным числом протонов (Z – порядковый номер в таблице Менделеева) и нейтронов (N) определяется по формуле: ∆m = Мрасч – Мэкс,

где Мэкс – масса ядра (экспериментальная), указанная в таблицах в атомных единицах массы (а. е. м. = 1,67 ∙10-27кг), Мрасч - расчетная, определяемая по формуле:

Мрасч = Zmp + (А - Z)mn,

где А – массовое число (сумма числа протонов и нейтронов); mp – масса протона, равная 1,00728 а.е.м.; mn – масса нейтрона, равная 1,00867 а. е. м.; (А - Z) – число нейтронов.

Зная дефект массы (∆m), можно найти энергию связи: Есв = ∆m ∙ с2, причем, ∆m=1 а.е.м. эквивалентна 931 Мэв (1,67 ∙ 10-27 ∙ 9 ∙1016дж=15∙10-11дж/1,6 ∙10-19дж/эв = 9,3 ∙108эв = 930 Мэв).

Поэтому, выражая Мрасч и Мэкс в а. е. м., можно сразу ∆m перевести в Мэв (1 а.е.м. = 930 Мэв).

Удельная энергия связи находится по формуле:

Eуд = Есв/А,

т.е. это энергия связи одного нуклона (для большинства ядер Eуд ≈ 8 Мэв/нуклон). [см.: Булатова Е.Г., Бондарева С.В. Концепции современного естествознания: Методические рекомендации для студентов специальностей гуманитарного и экономического профилей. –Ижевск:Изд-во ИжГТУ.-33с.].

4.9. Вычислить энергию ядерной реакции Q типа X + a → Y + в, где Х – исходное ядро, а – «бомбардирующая» частица (р, n, α, легкие ядра и т.д.), Y – конечное ядро, в – испускаемая частица, например:

3Li7 + 1H24Be8 + on1 + Q

Для определения Q необходимо:

1) Подсчитать энергию связи (Y+ в), т.е. «правой части» реакции (в нашем примере только для бериллия, т.к., Eсв для нейтрона равно «О»). Обозначим ее Eсв(Y,в).

2) То же для «левой» части: Есв(Х,а).

3) Найти их разность: Q = Есв(Y,в) – Есв(Х,а).

Если Q > 0, то реакция «экзотермическая» (с выделением энергии); при

Q < 0 – «эндотермическая» (с поглощением энергии).

Варианты заданий можно составить по схеме: 1) Х (исходное ядро) выбрать по таблице Менделеева Z = N + 2 (N – номер студента в списке).

2) а («снаряд») выбрать из множества: n, p, α, 1H2 [это нейтрон, протон, альфа-частица, дейтрон (тяжелый водород)]. (См. варианты ядерных реакций в пособии Булатовой – Бондаревой на стр. 12, а также в учебниках по физике для любого учебного заведения)

4.10. Записать в общем виде схемы распада радиоактивных ядер: α – распад, β – распад (электронный), β – распад (позитронный), K – захват, изомерный ( γ – распад). Подобрать примеры из таблицы Менделеева или других источников, например, из справочников по физике (см. Физический энциклопедический словарь, т.4, с.276-279, статья «Радиоактивные семейства»).

Примечание. Использовать законы сохранения массы и заряда. Различные задания (тип распада, исходное ядро) подобрать из таблицы изотопов (см.: Справочник по ядерной физике.-М.:Физматгиз, 1963.-632 с; Извлечения из него приведены ниже в таблице).

№ п/п Изотоп Z А Тип распада Энергия частиц Период полураспада Масса (в а.е.м.)
Лития е- 13 Мэв 0,8 сек 8,025018
Берилия K-захват - 53 дня 7,019150
Бора е- 13,4 Мэв 0,03 сек 12,018162
Углерода е+ 2,2 Мэв 19сек 10,020605
Углерода е+ 1 Мэв 20,4 мин 11,014916
Углерода е- 0,16 Мэв 55,6 лет 14,007682
Азота е+ 1,2 Мэв 10 мин 13,009858
Азота е- 6 Мэв 7,4 сек 16,010740
Азота е- 3,7 Мэв 4 сек 17,014035
Кислорода е+ 1,8 Мэв 72 сек 14,013016
Натрия е- 1,4 Мэв 15 час 23,998651
Алюминия е+ 3,2 Мэв 6,7 сек 25,996294
Фосфора е- 1,7 Мэв 14,3 дня 31,984091
Калия е- 3,6 Мэв 12,5 час 41,975881
Железа е+ 2,5 Мэв 8,9 мин 52,96238
Кобальта е- 0,3 Мэв 5,2 года 59,95250
Меди е+ 1,2 Мэв 3,3 час 60,95168
Цинка е+ 4,9 Мэв 1,5 мин  
Брома е- 2,5 Мэв 3 мин  
Стронция е- 1,4 Мэв 28 лет  
Циркония е+ 0,9 Мэв 79 час  
Молибдена е+ 3,7 Мэв 15,5 мин  
Серебра е+ 2 Мэв 24 мин  
Серебра е- 1,2 Мэв 2,3 мин  
Йода е- 0,8 Мэв 8 дней  
Бария е- 0,8 Мэв 85 мин  
Золота е- 2,2 Мэв 48 мин  

4.11. Определить долю количества ядер радиоактивного изотопа, которое распалось за время t с известным периодом полураспада Т0,5.

Решение. Из формулы Nt = Noet следует, что

где к = t/Т0,5 – время, кратное в «к» раз периоду полураспада.

Если, например, к = 1, то еn2 = 2, т.е. число ядер уменьшилось в 2 раза, если к = 2, то е2ℓu2 = eu4 = 4, т.е. в 4 раза и т.д.

Если к = 10, то е10ℓu2 = 210 ≈ 1000 и Nt/N0 ≈ 0,001. (это считается безопасным уровнем радиации).

Задачи для самостоятельного решения приведены в разработке Булатовой-Бондаревой на стр. 15 – 16 (номер студента в списке приравнять номеру задачи, а для N > 14 использовать номера задач (N - 14), (N - 28) и т.д.).

4.12. Как долго можно купаться в озере около предпри









Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2018 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.