Продолжение. См. № 3, 4/07

М.А.СНЕГИРЁВА, О.Л.ЩЕЛЫКАЛОВА,
СОШ № 58, г. Иваново

Задачи к экзаменационным билетам

Выпускные экзамены, базовый уровень. 11-й класс

Билет № 11

2. Наблюдение явления электромагнитной индукции

В вашем распоряжении имеется оборудование для исследования явления электромагнитной индукции: магнит, проволочная катушка, миллиамперметр. Подключите миллиамперметр к катушке, исследуйте возможные способы получения индукционного тока в катушке. Сделайте вывод об условиях, при которых возникает электрический ток.

Ответ. Индукционный ток возникает при введении и выведении магнита из катушки; направление тока зависит от полярности магнита и направления движения магнита относительно катушки.

3. Использование фотоэффекта. Начало исследований было положено в 1887 г. немецким физиком Г.Герцем. Он установил, что при УФ-излучении электрическая искра между двумя металлическими стержнями-электродами проскакивает при меньшей разности потенциалов, чем в отсутствие излучения. Детально фотоэффект изучался с 1888 г. Первыми исследователями были русский физик А.Г.Сто-летов, немецкий физик В.Гальвакс и итальянский физик и инженер А.Риги (именно Риги и назвал это явление фотоэффектом – возникновением тока в цепи при освещении). Другой немецкий физик, Ф.Ленард, вскоре понял, что фотоэффект – это испускание электронов веществом под действием света, причём максимальная кинетическая энергия этих электронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности. Теоретическое объяснение этого явления дал А.Эйнштейн в 1905 г.

При внешнем фотоэффекте электроны выбиваются из освещаемой металлической пластины, помещённой в вакуум и служащей фотокатодом, и летят под действием приложенного внешнего электрического напряжения к другому электроду – аноду. В результате во внешней цепи возникает электрический ток. На этом типе фотоэффекта работают фотоэлементы – устройства, преобразующие световой поток в электрический сигнал. Электрический сигнал можно усилить с помощью электронных устройств и использовать для управления какой-либо системой, например, турникетом в метро.

Другой тип фотоэлементов, с внутренним фотоэффектом (перераспределением под действием света электронов по энергетическим состояниям в твёрдых телах и жидкостях), – фоторезисторы. Под действием света они изменяют своё электрическое сопротивление, благодаря чему меняется и ток в цепи. Фоторезисторы в отличие от фотоэлементов с внешним фотоэффектом могут реагировать на инфракрасное (длинноволновое) излучение. С их помощью измеряют распределение температуры слабо нагретых тел. Специальные приборы позволяют, например, снять карту температуры поверхности человеческого тела и по ней сделать вывод о здоровье человека. Солнечные батареи обеспечивают энергией космические корабли. Они составлены из множества полупроводниковых фотодиодов, преобразующих свет в электрическую энергию. При освещении фотодиода один его электрод заряжается положительно, а другой – отрицательно. Если между электродами включить резистор, то через него потечёт ток.

Вопросы и задания к тексту

– Что называют фотоэффектом?

– Кто из учёных занимался исследованием фотоэффекта?

– В каких приборах используется явление фотоэффекта?

– Запишите основное уравнение фотоэффекта.

Билет № 12

1. Найдите число протонов и нейтронов, входящих в состав трёх изотопов магния:

Ответ. Протонов 12, нейтронов 12; протонов 12, нейтронов 13; протонов 12, нейтронов 14.

3. Открытие животного электричества. Днём рождения науки электробиологии по праву считается 26 сентября 1786 г. В этом году итальянский врач и учёный Луиджи Гальвани начинает новую серию опытов, решив изучить действие на мышцы лягушки «спокойного» атмосферного электричества. Поняв, что лапка лягушки является в некоторым смысле чувствительным элементом, он решил попробовать обнаружить с её помощью это атмосферное электричество. Повесив препарат на решётке своего балкона, Гальвани долго ждал результатов, но лапка не сокращалась ни при какой погоде.

И вот 26 сентября лапка наконец сократилась. Но это произошло не от изменения погоды, а оттого, что, будучи подвешенной к железной решётке балкона на медном крючке, она свисающим концом случайно коснулась решётки.

Гальвани проверяет: оказывается, всякий раз, как образуется цепь «железо–лапка–медь», тут же происходит сокращение мышц независимо от погоды. Учёный переносит опыты в помещение, использует разные пры металлов и регулярно наблюдает сокращение мышц лапки лягушки. Так был открыт источник тока, который впоследствии был назван гальваническим элементом.

Как же можно было объяснить эти наблюдения? Во времена Гальвани учёные считали, что электричество не может возникать в металлах, что они могут играть только роль проводников. Отсюда Гальвани заключает: источником электричества в этих опытах являются сами ткани лягушки, а металлы только замыкают цепь.

Вопросы к тексту

– Какую гипотезу пытался проверить Л.Гальвани, начав в 1786 г. новую серию опытов с лапкой лягушки?

– Какой вывод сделал Л.Гальвани на основании своих опытов? В чём состояла ошибочность его вывода?

– Из каких основных частей должен состоять гальванический элемент?

– Если бы вы проводили опыты, аналогичные опытам Л.Гальвани, то какие бы дополнительные исследования (кроме проверки разных пар металлов) вы бы осуществили?

Билет № 13

2. Измерение влажности воздуха с помощью психрометра

В вашем распоряжении имеется прибор для измерения влажности воздуха. Рассмотрите его устройство. Подготовьте прибор к работе. Определите влажность воздуха в классе и объясните своё решение. Как можно определить влажность воздуха, если у вас нет психрометра?

Ответ. С помощью психрометрической таблицы по температурам сухого и влажного термометров.

3. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды. В цилиндрах двигателя происходит окисление мелкораспылённого и испарённого топлива кислородом воздуха с образованием углекислого газа и воды и выделением тепла. За тысячные доли секунды, отведённые на этот процесс при каждом такте работы двигателя, часть топлива не успевает сгореть. Продукты неполного сгорания выбрасываются в атмосферу из выхлопной трубы. Дизели выбрасывают ещё и сернистый ангидрид, образующийся при горении топлива в цилиндрах. В США, Японии, а также в России были установлены предельно допустимые нормы выброса для различных категорий автомобилей.

Из-за загрязнения изменяется климат. Одна из гипотез состоит в том, что изменение климата в ХХ в. является следствием повышения среднеглобальной приземной температуры воздуха (она повысилась примерно на 0,5 °С). В атмосфере возросла концентрация парниковых газов, углекислоты, метана, хлорфторуглерода, оксида азота. Молекулы этих газов поглощают тепловое излучение поверхности Земли и частично излучают его обратно, создавая так называемый парниковый эффект. Из-за изменения климата исчезают отдельные виды животных и птиц, например, исчезла реликтовая чайка. Уже так много видов животных занесено в Красную книгу!

Ведётся борьба и с шумовыми загрязнениями, которые наблюдаются в больших городах с огромным количеством автомобилей: запрещаются звуковые автомобильные сигналы, сирены.

Сейчас создаются различные природозащитные движения. Гринпис – это экологическое движение, созданное в 1971 г. Его задача – охрана окружающей среды. Штаб-квартира находится в США. По заявлениям руководства организации, Гринпис абсолютно не получает государственного финансирования, а его огромный бюджет складывается из частных пожертвований и взносов.

Вопросы к тексту

– Что называется тепловым двигателем?

– Каков КПД двигателей внутреннего сгорания?

– По какой формуле определяется КПД машины Карно?

– Каким образом можно уменьшить загрязнение окружающей среды, продолжая использовать автомобили?

Билет № 14

1. а) Почему существование красной границы фотоэффекта говорит в пользу корпускулярной теории света и против волновой?

Ответ. Не любой свет способен вырывать электроны, всё зависит от частоты света, а следовательно, и от энергии квантов.

б) Зависит ли спектр испускания атомов от степени их ионизации?

Ответ. Зависит.

3. Очистка газовых выбросов. Борьба с загрязнением атмосферы – одна из серьёзнейших проблем современности. Ежегодно на земном шаре в воздух выбрасывается 250 млн т золы, десятки миллионов тонн сернистого газа, оксидов азота и других веществ, способных сделать большие территории непригодными для жизни людей, животных и растений, вызвать коррозию машин, строений и аппаратов. Наиболее радикальная защита – совершенствование производственных процессов. Например, недавно в нашей стране разработана технология использования диоксида серы, выбрасываемого предприятиями цветной металлургии. Технология позволяет не только ликвидировать этот источник загрязнения воздуха, но и получить дешёвую серную кислоту.

В любом случае необходимо газовые выбросы очищать. Вредные вещества в газообразном состоянии удаляют путём абсорбции и адсорбции или же подвергают каталитической реакции, в результате которой они превращаются в неопасные соединения. Очистку газов от твёрдых примесей (пыли, дымов и туманов) проводят с помощью гидромеханических процессов в фильтрах. Например, высокоэффективные электрофильтры на крупных современных тепловых электростанциях и на теплоэлектроцентралях нашей страны, сжигающих твёрдое топливо, обеспечивают очистку дымовых газов от золы на 99%. А ведь недавно ТЭЦ были основным источником загрязнения воздуха.

Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа, способного поглощать тепловое инфракрасное излучение поверхности Земли. Рост концентрации углекислого газа в атмосфере приводит к повышению её температуры. Ежегодно температура атмосферы Земли повышается на 0,05 °С. Этот эффект может создать угрозу таяния ледников и катастрофическое повышение уровня Мирового океана.

Продукты сгорания топлива существенно загрязняют окружающую среду. Углеводороды, вступая в реакцию с озоном, находящимся в атмосфере, образуют химические соединения, неблагоприятно воздействующие на жизнедеятельность растений, животных и человека.

Потребление кислорода при горении топлива уменьшает содержание кислорода в атмосфере.

Для охраны окружающей среды широко используют очистные сооружения, препятствующие выбросу в атмосферу вредных веществ, резко ограничивают использование соединений тяжёлых металлов, добавляемых в топливо, разрабатывают двигатели, использующие водород в качестве горючего, создают электромобили и автомобили, использующие солнечную энергию.

Вопросы к тексту

– В чём состоит отрицательное воздействие тепловых двигателей на окружающую среду?

– Какие методы защиты окружающей среды используют в настоящее время?

– Что такое парниковый эффект?

– Какие методы охраны окружающей среды можете предложить вы?

Билет № 15

2. а) К какому виду излучения (тепловому или люминесцентному) относится свечение: А) раскалённой отливки металла; Б) лампы дневного света; В) звёзд; Г) некоторых глубоководных рыб?

Ответ. А) тепловое; Б) люминесцентное; В) тепловое; Г) люминесцентное.

б) Почему медицинская лампа, дающая ультрафиолетовое излучение, называется «горным солнцем»?

Ответ. В горах воздух разрежен, ультрафиолетовое излучение интенсивное, поэтому в горах опасно находиться без солнцезащитных очков, можно быстро не только загореть, но и сгореть. Медицинские лампы оказывают аналогичный эффект.

3. Тормоз. Представьте себе, что произошло бы на улице, если бы автомобили, троллейбусы и автобусы не имели тормозов! Не менее важны тормоза для грузоподъёмных и технологических машин. Как замедлить машину. Как удержать её от самопроизвольного движения? Как быстро остановить? В этих случаях помогает трение, – на нём основано устройство всех механических тормозов.

Наибольшее распространение получили тормоза колодочного типа. На вращающемся валу машины – стальной барабан. К нему при торможении снаружи или изнутри прижимаются колодки из чугуна или другого материала, который в паре со сталью барабана имеет высокий коэффициент трения. Обычно колодки прижимают к барабану с помощью рычагов, электромагнитных устройств или сжатого воздуха. В автомобилях, например, для этого в тормозной цилиндр под давлением нагнетается масло.

Вместо колодочных часто применяют дисковые тормоза. Они тормозят за счёт трения между вращающимся и неподвижным дисками. Можно встретить и ленточные тормоза. У них вместо колодок к барабану прижимается охватывающая его лента, покрытая усиливающим трение материалом.

Часто тормозные колодки или ленты постоянно прижимаются к барабану весом груза, подвешенного на рычаге, и отжимаются при помощи электромагнита только на время работы механизма. Такие тормоза называются грузовыми и применяются в подъёмных кранах и различных лебёдках для предотвращения самопроизвольного опускания подвешенного на тросе груза.

В некоторых механизмах, например редукторах, для предотвращения самопроизвольного вращения ведомого вала применяют самотормозящуюся червячную передачу. Она отличается от обычных червячных передач меньшим углом наклона винтовой линии червяка. Благодаря этому трение, возникающее между зубьями колеса и червяком при передаче движения от колеса к червяку, надёжно препятствует вращению механизма, а вращение от червяка к колесу передаётся свободно.

В ряде случаев применяют храповое устройство. Оно состоит из храпового (зубчатого) колеса и стопорящего приспособления (собачки). Собачка допускает вращение храпового колеса в одну сторону и надёжно удерживает его при попытке повернуть в обратную. Такое устройство есть почти в любом пружинном механизме, например в часах. Оно позволяет свободно заводить пружину, но не даёт ей самопроизвольно раскручиваться.

Вопросы к тексту и задания:

– Перечислите виды тормозных устройств.

– Сравните колодочные и ленточные тормоза.

– Какое торможение применяется на электротранспорте, кроме перечисленных в тексте?

– Что нужно знать для того, чтобы рассчитать тормозной путь?

Билет № 16

2. Объясните происхождение цвета синей бумаги.

Ответ. Все составляющие белого света поглощаются, кроме синего, а синий проходит (в стекле) или отражается.

3. Ледяная магия. Между внешним давлением и точкой замерзания (плавления) воды наблюдается интересная зависимость. С повышением давления до 2200 атм температура плавления понижается на 0,0075 °С на каждую атмосферу. При дальнейшем увеличении давления точка замерзания воды начинает расти: при давлении 3530 атм вода замерзает при –17 °С, при 6380 атм – при 0 °С, а при 20 670 атм – при 76 °С (получается горячий лёд).

При давлении 1 атм объём воды при замерзании резко возрастает – примерно на 11%. В замкнутом пространстве такой процесс приводит к возникновению громадного избыточного давления. Вода, замерзая, разрывает горные породы, дробит многотонные глыбы.

В 1872 г. англичанин Боттомли впервые экспериментально обнаружил явление режеляции льда. Проволоку с подвешенными на обоих её концах грузами кладут на кусок льда (температура 0 °С). Проволока постепенно разрезает лёд, однако после прохождения проволоки разрез затягивается льдом, и в результате проволока проходит насквозь, а кусок льда остаётся целым.

Долгое время думали, что лёд под лезвиями коньков тает потому, что испытывает сильное давление: температура плавления льда понижается, и лёд плавится. Однако расчёты показывают, что человек массой 60 кг, стоя на коньках, оказывает на лёд давление примерно 15 атм. Это означает, что под коньками температура плавления льда уменьшается только на 0,11 °С. Такого понижения температуры плавления явно недостаточно для того, чтобы лёд стал плавиться под давлением конькобежца, например, при –10 °С.

Вопросы к тексту и задания

– Как зависит температура плавления льда от внешнего давления?

– Приведите два примера, которые иллюстрируют возникновение избыточного давления при замерзании воды.

– Попробуйте объяснить своими словами, что может означать термин режеляция.

– При протекании какого процесса может выделяться теплота, которая идёт на плавление льда при катании на коньках? (Ответ. В 1936 г. Бауден и Хьюз показали, что при катании на коньках или лыжах большое значение имеет плавление льда под действием теплоты, выделяющейся при трении.) [А совсем недавно было установлено, что кристаллический лёд под давлением может переходить в аморфную жидкую фазу, тонкая плёнка которой играет роль смазки. – Ред.]

Билет № 17

2. Наблюдение явления подъёма жидкости в капилляре

В вашем распоряжении имеются фильтровальная бумага, чернила, кусок сахара, стакан подкрашенной жидкости, капиллярные трубки, молочная бутылка, тонкая палочка. Рассмотрите, как движется жидкость по капиллярам, и объясните наблюдаемые явления.

Ответ. Жидкость по капиллярам поднимается; высота подъёма зависит от диаметра капилляра и от свойств жидкости.

3. Ау, вы меня слышите? В 1938 г. американские исследователи Г.Пирс и Д.Гриффин, применив специальную аппаратуру, установили, что великолепная ориентировка летучих мышей в пространстве связана с их способностью воспринимать эхо. Оказалось, что во время полёта мышь излучает короткие УЗ-сигналы на частоте около 8•104 Гц, а затем воспринимает эхо-сигналы, которые приходят к ней от ближайших препятствий и от пролетающих вблизи насекомых. Гриффин назвал способ ориентировки летучих мышей по ультразвуковому эху эхолокацией. УЗ-сигналы, посылаемые летучей мышью в полёте, представляют собой серию очень коротких импульсов, своеобразных щелчков. Длительность каждого щелчка (1–5)•10^–3 с; ежесекундно мышь производит их около десяти.

Американские учёные обнаружили, что тигры используют для коммуникации друг с другом не только рёв, рычание и мурлыканье, но также и инфразвук. Они проанализировали частотные спектры рычания представителей трёх подвидов тигра – уссурийского, бенгальского и суматранского – и обнаружили в каждом из них мощную ИЗ-компоненту. По мнению учёных, инфразвук позволяет животным поддерживать связь на расстоянии до 8 км, поскольку распространение ИЗ-сигналов менее чувствительно к помехам, вызванным рельефом местности.

Вопросы к тексту и выполните задания:

– В чём отличие ультразвука и инфразвука от звуковых волн, воспринимаемых человеком?

– Почему Г.Пирс и Д.Гриффин назвали способ ориентировки летучих мышей эхолокацией? Где ещё используется подобный принцип обнаружения объекта?

– Объясните своими словами, как вы понимаете словосочетание «частотный спектр».

– Почему инфразвук, в отличие от обычного звука, позволяет тиграм общаться на столь далёких расстояниях? Какие известные вам свойства волн проявляются в данном случае?

Продолжение в № 6