Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Инфоурок / Физика / Другие методич. материалы / Школьный задачник для внеклассной работы по физике

Школьный задачник для внеклассной работы по физике


До 7 декабря продлён приём заявок на
Международный конкурс "Мириады открытий"
(конкурс сразу по 24 предметам за один оргвзнос)

  • Физика

Поделитесь материалом с коллегами:
















Конкурс контрольных и обучающих заданий «Школьный задачник»



Номинация: задания для внеклассных мероприятий.



































Рекомендации для использования в работе:



Представленная работа (в материале на конкурс используется шестая часть имеющихся задач) состоит из трех частей, в состав которых входят более трехсот задач, большинство из которых носят авторский характер. Основой для их состаления стали личные наблюдения за окружающим миром, изучение специальной литературы и соответствующих журналов и даже газетные статьи. Примером такой задачи, материалы которой были заимствованы из газетной статьи в «Комсомольской правде», является задача №161. В мае 2010г. по центральному телевидению было показано уникальное явление: колебание моста через Волгу. Названный материал лег в основу следующей задачи - №217. Для иллюстрации физических явлений зачастую используются произведения художников, писателей, поэтов. Это не удивительно, так как великие мастера кисти и пера были внимательными наблюдателями различных явлений природы. Так в задаче №93,158 используются стихи А.С. Пушкина, М.Ю. Лермантова, И.С. Тургенева, Н.А. Некрасова, И.А Бунина. Если прочитать внимательно их, то поражает та наблюдательность великих художников, с которой они могли проникать в суть физических явлений. Другое произведение великого мастера кисти художника–мариниста И.Айвазовского «Девятый вал»является иллюстрацией к существующему поверью о силе девятой волны(задачи №223). Основой для сотавления задачи №246стало произведение американского писателя Джека Лондона «Белое безмолвие». Много материалов для составления задач можно найти в произведениях Л.Н.Толстого (материалы задач по его произведениям не вошли в данную подборку). Само по себе использование произведений великих мастеров, не говоря уже о физической сути наблюдаемых ими явлений природы, полезно и поучительно для обучаемых. И еще один тип задач, которые составлялись на основе так называемых народных примет, многие из которых основываются на строгих физических законах (задачи № 244,264). Приведенные в подборке задачи №230 и 292 имеют не только важные теоретические выводы, но и имеют интереснейшие и необычные экспериментальные выводы. Но основным источником для составления задач стал журнал «Наука и жизнь», который был проштудирован за, почти, прятьдесят лет. Задачи носят так называемый качественный характер и, как правило, не требуют сложных математических расчетов, хотя не без этого. Большинство задач «обкатывалось» на учащихся школы №44 г. Томска, Богашевской средней школы Томского района. Технология применения задачника проста и надежна. Одна или несколько задач в соответствии с возрастными возможностями детей, а также уровнем подготовленности их по предмету «вбрасывается» в класс, как правило, на уроке физики. Задание не является обязательным, но правильный ответ или близкий к нему должен поощряется. Из класса всегда находится 3-4-5 учеников, которые начинают «копать» и зачастую находят правильный ответ. Бывали случаи, когда ученики старших классов давали более оригинальный ответ, чем учитель или вносили

предложения в формулировку задачи. Таким образом, они становились, порой, соавторами той или иной задачи. Нужно отметить, что отвечают на поставленные вопросы не только штатные «отличники», но и дети, которые не имеют больших успехов в учебе по разным причинам, имея при этом творческие наклонности. Как правило, вопросы задачи формулируются в начале урока в так называемой пятиминутке. Учащиеся же дают ответы на следующий урок или через урок в зависимости от успешности рассмотрения вопроса. Ответы учащихся на виду у всего класса имеют большое воспитательгное и познавательное значение как для отвечающего, так и для всего класса. Наличие огромного количества задач позволяет в течение учебного года их не повторять. Применение указанной методики позволяет использовать предложенные материалы при минимуме технического оснащения учебного прцесса, хотя использование компьютера, проэктора и другого оборудования предпочтительнее. В части задач предложенные варианты ответов могут носить дискуссионный характер. Если указанная работа носит системный характер, то дети могут привлекаться к составлению текстов авторских качественных задач и ответов на них. Более того при отлаженной работе с детьми по указанной методике можно выходить за пределы урока и проводить работу с элементами известной телепередачи «Умники и умницы».
















Сенчик Максим Максимович.

Учитель физики МОУ Богпшевская СОШ.

Разработка: «Качественные задачи по физике».







Сенчик М. М.

hello_html_1cc7a419.pnghello_html_4789c742.pnghello_html_m31cce7fc.png


Качественные


hello_html_m58729fc.pnghello_html_m18b2033e.pnghello_html_m59c75d68.pnghello_html_7eee8129.png


hello_html_71282e75.png



Управление образования Томского района.

МОУ »Богашевская вечерняя (сменная) общеобразовательная школа» Томского района.


2011г.








93.Каждому человеку не раз приходилось наблюдать такое удивительное явление природы как туман. Не обошли его вниманием даже поэты:


М.Ю.Лермонтов.

«Одели темные поляны

И скрылся день; клубясь, туманы

Широкой белой пеленой»


« Белеет парус одинокий

В тумане моря голубом…»


А.С.Пушкин.

«Туман над озером дымился,

И красный месяц в облаках

Тихонько по небу катился…»


Э. Вернхарн.

« Сплошными белыми пластами

Туман залег между домов …

Туман сырой, туман холодный,

Туман, как белый войлок плотный,

Окутал низкие челны.

Они, закинув якоря,

Туман, кровавя нимбом фонаря,

В безумье тихое сейчас погружены…

Седая ночь миры в тумане прячет

И в тусклых душах монотонно плачет.»


И.С.Тургенев.

« Утро туманное, утро седое,

Нивы печальные, снегом покрытые,

Нехотя вспомнишь и время былое,

Вспомнишь и лица, давно позабытые.»


Цвет тумана молочно-белый, белесоватый для относительно плотных туманов и голубоватый (даже синий) для менее плотных. Кроме того Солнце, Луна, уличные фонари, наблюдаемые сквозь туман кажутся красноватыми. Указанные факты как раз и подметили поэты. Как объяснить указанное явление?



ОТВЕТ:

93.Цвет тумана определяется световыми волнами, которые рассеиваются на мельчайших капельках воды. Капельки тумана, превосходящие 1мкм в несколько раз, рассеивают световые лучи всего видимого спектра практически одинаково. Отсюда молочно – белый или белесоватый цвет тумана. Капельки менее 1-го мкм. рассеивают преимущественно более короткие световые волны (закон Рэлея). Как правило это не слишком плотные туманы, которые еще называют туманной дымкой. К короткой части видимого спектра относятся волны из голубой и синей части спектра. Отсюда голубоватый цвет туманной дымки.

Поскольку из воспринимаемого человеческим глазом спектра на частичках тумана рассеиваются волны преимущественно короткого диапазона, читай как сине-голубая часть спектра, то видимый спектр обедняется им и смещается в красную часть. Отсюда цвет Солнца, Луны и фонарей, рассматриваемые сквозь туман, видятся нам в красноватом свете, что подметили также поэты.



103.Лед в только что замерзшей луже темный. В то же время там, где подо льдом оказался воздушный пузырь, он белый. Почему?



ОТВЕТ:

103.Объясняется указанное явление просто. Солнечный свет, проходя в лед, попадает на границу раздела лед-вода и, почти не отражаясь, поглощается средой. В этом случае наш глаз воспринимает его (лед) темным.

Для случая «воздушного пузыря», когда свет идет по пути лед-«воздушный пузырь» создаются условия полного внутреннего отражения. Иначе говоря, почти весь падающий свет отражается и возвращается в глаз наблюдателя, который воспринимает его как белый свет.




110.Размешаем ложечкой чай в стакане, наблюдая за поведением чаинок после прекращения размешивания. Когда вынем ложечку из стакана, и чай в стакане успокоится, чаинки окажутся на дне в центре стакана. Почему?


ОТВЕТ:

110. При размешивании чая ложечкой он начинает вращаться по окружности и при этом чай по краям приподнимается, а чаинки собираются, как уже было сказано, в центре стакана на дне. Мы рассматриваем случай, когда ложечка после размешивания удаляется. Почему же образуется изгиб поверхности с повышением уровня чая по краям? Рассмотрим рисунок.


hello_html_m5d93bcbf.jpg

Рис.1

Выделим мысленно в воде, вращающейся с угловой скоростью кубик массой m, находящийся на расстоянии R от оси вращения. Центростремительное ускорение R кубика обеспечиваются силой (Р12)S, где S площадь грани кубика, а Р1 и Р2 давление воды на противоположные его боковые грани. Разность давлений определяется разным уровнем воды от центра боковых граней до поверхности, соответственно h1 и h2.

Р1 – Р2= ρg(h1h2), где ρ - плотность воды. Учитывая, что m R=(Р1 – Р2)S получаем m R= ρ g S (h1h2). Если h1 и h2 равны друг другу, то угловая скорость равна нулю. В этом случае движение кубика по окружности невозможно. Следовательно, изгиб поверхности размешиваемого чая необходим для совершения вращательного движения.

Чем больше R, тем больше должно быть h1h2, hello_html_m53d4ecad.gifа следовательно подъем жидкости по краям. Но движение частичек воды и чаинок в стакане на самом деле более сложное. Объясняется это следующим образом. Оказывается частицы воды наряду с вращением по окружности перемещаются в вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения ( см. рис. ).


.hello_html_m1967282d.png

Рис2


Усложнение движения частичек воды в стакане связано с трением воды о стенки и дно стакана, а также с трением между слоями воды. Рассмотрим частицы воды 1,2,3 (см. рис.), находящиеся на одинаковом расстоянии от оси вращения, но на разных расстояниях от дна. У дна трение о стенки и дно больше, поэтому скорость будет меньше. Частицы воды, а соответственно чаинки, будут прижиматься к центру дна стакана. Верхние частицы воды отбрасываются к краю стакана – об этом говорит хотя бы воронка на поверхности стакана с образованием повышения уровня чая по краям. Можно предположить, что частица чая 2 будет вращаться по окружности, т.к. для нее созданы условия для вращательного движения. В итоге частицы чая в стакане будут совершать движение в вертикальной плоскости (как указано на рис.) Это и объясняет «сбор» чаинок в центре дна стакана.



115.Вальс является самым известным и романтичным из бальных танцев. Тема вальса присутствует в творчестве Ф.Шопена, Ф.Листа, П.И.Чайковского. Его черты присутствуют в сочинениях выдающихся композиторов М.И.Глинки, А.К.Глазунова, Я.Сибелиуса, М.Ровеля, С.С. Прокофьева. Только Иоганн Штраус написал 152 вальса, в том числе «Вальс Венской души». Венский вальс родился в Вене (Австрия) в 1780годах, быстро распространился по Европе, всему миру и стал излюбленным развлечением светской публики. Достоинство «Венского вальса» заключается в стремительном кружении, что нас и интересует с точки зрения физики. Оказывается этот замечательный танец можно, идеализировав, описать с помощью физических законов. Что общего между «Венским вальсом» и законами физики?



ОТВЕТ:

115.Танцующих условно можно изобразить в виде тел А и В, вращающихся вокруг общего центра тяжести, может не так красиво как в танце, поскольку мы идеализировали ситуацию, но все же…

hello_html_m209c8097.png



Танцующая пара вращается вокруг оси проходящей через общий центр тяжести. Партнеры (А и В), вращаясь, тянут друг к другу вовнутрь. Эта тяга является центростремительными силами системы (А и В). Согласно 3-му закону Ньютона они (силы) равны друг другу, хотя массы партнеров (что естественно) разные. Для соблюдения этого условия у каждого партнера должен быть свой радиус вращения. И, надо сказать, танцующие это условие автоматически выполняют, не задумываясь о физической необходимости соблюдения этого условия. Предположим, что масса первого партнера m1 и 2-го m2. Радиус вращения соответственно R1 и R2. Линейная скорость партнеров соответственно V1 и V2. Оба совершают полный оборот вокруг оси за время Т.

Тогда V1= 2hello_html_1bfc1af9.gifR1 / T (1) и V2hello_html_m53d4ecad.gif= 2hello_html_1bfc1af9.gifR2/T (2)

hello_html_m53d4ecad.gif

Разделим (1) на (2). Получим:

V1 / V2 = R1/R2hello_html_m53d4ecad.gif


Обе центростремительные силы, действующие на партнеров, равны друг другу. Исходя из этого, а также 2-го закона Ньютона получаем:


m1V21hello_html_m2d5ca586.gifR1 = m2V22hello_html_m2d5ca586.gifR2 hello_html_m53d4ecad.gifhello_html_m53d4ecad.gif hello_html_m53d4ecad.gif

Учитывая(1) и (2), получаем:


m1(2hello_html_1bfc1af9.gifR1/T)2/R1 = m2(2hello_html_1bfc1af9.gifR2/T)2/R2


Отсюда следует: m1 R1=m 2 R2 .Из уравнения видно, что если m1hello_html_m53d4ecad.gifhello_html_3b008c03.gifm2hello_html_m53d4ecad.gif, то R1hello_html_2354b435.gifR2. Т.о. с большей массой должен танцевать вокруг общей оси ближе к ней (к оси) и наоборот. Так оно и происходит на интуитивном уровне у танцующей пары.


пальцах или носке ноги вокруг вертикальной оси с достаточно высокой угловой скоростью. При этом руки и ноги расположены близко к телу. В нужный момент танцовщик выбрасывает в сторону ногу и руки, продолжая вращаться на одной ноге. При этом скорость его вращения резко падает и более того он может остановиться. Опишите данный факт с точки зрения физики. Почему, вращаясь достаточно быстро, танцовщик вдруг резко останавливается?



118.В балете есть такое понятие как пируэт, когда танцовщик вращается на пальцах или носке ноги вокруг вертикальной оси с достаточно высокой угловой скоростью. При этом руки и ноги расположены близко к телу. В нужный момент танцовщик выбрасывает в сторону ногу и руки, продолжая вращаться на одной ноге. При этом скорость его вращения резко падает и более того он может остановиться. Опишите данный факт с точки зрения физики. Почему, вращаясь достаточно быстро, танцовщик вдруг резко останавливается?



ОТВЕТ:

118.Вращаясь с большой угловой скоростью, когда руки и ноги расположены вдоль тела, он имеет достаточно большую угловую скорость и минимальный момент инерции I= mr. Момент количества движения определяется величиной Iw, где w угловая скорость. Если учесть, что Iw=I1w1 =Const.(1) и Iw момент количества движения до выброса ноги и рук, а I1w1 момент количества движения после «выброса», то после совершения сказанного момент инерции I1=mr1 возрастает, а угловая скорость вследствие (1)падает. Это мы и наблюдаем – танцор замедляет вращение или полностью останавливается. Уравнение (1) является законом сохранения момента количества движения для системы без внешнего воздействия.



Обе центростремительные силы, действующие на партнеров, равны друг другу. Исходя из этого, а также 2-го закона Ньютона получаем:


m1V21hello_html_m2d5ca586.gifR1 = m2V22hello_html_m2d5ca586.gifR2 hello_html_m53d4ecad.gifhello_html_m53d4ecad.gif hello_html_m53d4ecad.gif

Учитывая(1) и (2), получаем:


m1(2hello_html_1bfc1af9.gifR1/T)2/R1 = m2(2hello_html_1bfc1af9.gifR2/T)2/R2


Отсюда следует: m1R1=m2R2 .Из уравнения видно, что если m1hello_html_m53d4ecad.gifhello_html_3b008c03.gifm2hello_html_m53d4ecad.gif, то R1hello_html_2354b435.gifR2. Т.о. с большей массой должен танцевать вокруг общей оси ближе к ней (к оси) и наоборот. Так оно и происходит на интуитивном уровне у танцующей пары.






121.Кошка, падающая с высоты, не будем уточнять с какой и по какой причине, приземляется всегда на 4-ре лапы. Почему? Как ей это удается ?



ОТВЕТ:

121.Этот вопрос людей почему-то волновал давно. Изучением его занимались ученые. По этому поводу высказывались различные мнения. Для изучения применялась даже скоростная съемка. Почему же такое пристальное внимание к кошке, к ее феномену? Я думаю, что это связано с особенностью этого животного лазить по деревьям, падать с балкона (даже с приличной высоты) и при этом зачастую оставаться живым. По крайней мере, статистика обращений в ветеринарные клиники и заставила задуматься над указанным вопросом. Прежде чем перейдем к физике падения необходимо подчеркнуть физиологические особенности кошек, которые способствуют «успешности» ее падения.

Во-первых, этому способствует особое строение позвоночника и мышц тела.

Во-вторых, амортизирующие особенности подушечек лап.

В-третьих, при падении она использует свой хвост, лапы и даже тело как аэродинамические рули.

Так вот в начальный момент кошка получает начальный импульс при отделении от рук экспериментатора, дерева, подоконника примерно так, как это происходит у прыгунов в воду с вышки и у спортсмена на батуте. В случае со спортсменами внутренние силы системы (спортсмена) не могут изменить момента количества движения. Поэтому, управляя телом, он меняет скорость его вращения, направление вращения и, скажем, вхождение в воду головой вперед

Но вернемся к кошке. Так или иначе, она, оторвавшись от точки опоры, становится замкнутой системой с физической точки зрения. А поскольку внутренние силы в этом случае не могут, как уже говорилось, изменить момент количества движения, то кошке остается, управляя своим телом, менять направление вращения, прекращение вращения и выбор позиции для приземления. Надо полагать у нее больше возможностей по управлению телом, чем у того же спортсмена (возьмем этот же хвост). За счет начального импульса она может себе придать вращательное движение. Падая, кошка прижимает лапы и хвост к туловищу, ускоряя вращение. Как только она займет положение вниз лапами, она отводит конечности в сторону и, вращая хвостом, сводит вращение (вокруг оси голова хвост) к нулю и падает на лапы. Таким образом, «зная» правило постоянства момента количества движения для замкнутой системы и, управляя своим телом, кошка благополучно приземляется на четыре лапы. Она успешно использует веками те приемы, которыми на сегодня пользуются фигуристы, спортсмены по прыжкам в воду и на батуте. На ниже приведенном снимке приведена реальная фотография падения кошки с высоты. Выше названные моменты на ней хорошо просматриваются (в частности поведение хвоста).


hello_html_19c78cc3.png



127.На наклонной плоскости на одной высоте находятся сплошной деревянный и полый металлический цилиндры одинаковой массы m, одинаковой длины, одинакового диаметра. Отпустим оба цилиндра одновременно. При этом массивный деревянный цилиндр скатывается вниз гораздо быстрее, чем полый металлический. Как объяснить происходящее?


ОТВЕТ:

127.Дадим математическое обоснование явлению:

hello_html_m3fb48536.png

Известно, что полый (см. нижний рисунок) цилиндр имеет I2 = 1/2m ( R12+ R2). Отсюда I2 > I1. Так как ωуск.=Fd/I, то ω1уск. = Fd/I1 = F d/1/2 m R2. Соответственно ω2уск.= Fd/I2 = F d/1/2 m (R21+ R2).Следовательно ω1уск.> ω2уск. Т.к. ω = V/R,то V1>V2. То есть скорость цилиндра из дерева больше скорости полого цилиндра, о чем свидетельствует выше приведенное математическое доказательство.

hello_html_52529bd.png


Есть и второй способ доказательства:

Ek= mV2/2 + Iω2/2 = 1/2 (m +I/R2) V2. Так как Ep = mgh, то 1/2 (m + I/R2)V2 = mgh. Следовательно V = hello_html_m6ec185eb.gif2 т.к. I2 > I1то V1 > V2




132.Звуковая волна, как, впрочем, и любая, переносит энергию. Этот перенос может быть большим и маленьким. Скажем, энергия звуковой волны, создаваемой шелестом листьев, мала, а звуковая волна, образующаяся от мощного взрыва, достаточно велика. Представим себе ситуацию, что мы находимся у стакана воды на расстоянии 2м. от него и ведем непрерывно разговор. Поскольку энергия переносится звуковой волной естественно предположить, что часть ее «достается» стакану с водой. А это значит, что вода в стакане начнет нагреваться (стакан из рассуждений для упрощения отбрасываем). В связи со сказанным возникает вопрос: как оценить время необходимое для нагревания воды в стакане от комнатной температуры до кипения?



ОТВЕТ:







132.Для упрощения будем считать, что вся энергия принимаемая водой, не рассеивается в пространство, а накапливается в виде внутренней энергии воды. Одной из характеристик звука является его громкость, которая измеряется в Беллах. Например, громкость обычного разговора человека составляет 70 дБел.

Известно, что

I- интенсивность звука.

I0- минимальная интенсивность звука воспринимаемого ухом =10-13 Вт /м2. Используя формулу громкости из справочной литературы, получим:


70 =10 lg I/10-13 hello_html_1b730b13.giflg I-lg 10-13 = 7 Далее lg I = 7 – 13 hello_html_1b730b13.gif lg I = -6 hello_html_1b730b13.gifI = 10 -6 Вт/м2.

Чтобы нагреть воду от комнатной температуры до кипения необходимо:

Q = m c hello_html_mc77ff6d.gif= 0,2кг. 4200 Дж/кг.0 С 800С = 67200 Дж


А теперь подсчитаем сколько секунд в календарном году:


365дн.*24ч*3600с.=31536000с.

Эти данные нам потребуются при определении времени необходимого для нагревания воды в стакане до кипения.

Поскольку I = W/Shello_html_mc77ff6d.gif,где W – энергия волны;S = 10см2 =10-5 м2 (площадь воздействия волны на стакан, т.е.площадь сечения стакана). Отсюда:


hello_html_mc77ff6d.gif= W/IS = 67200 Дж./ 10-6 Вт/м2 10-5м2hello_html_m3132e3c.gif7* 104/10-11hello_html_m3132e3c.gif7*1015с.

Тогда можно подсчитать количество лет необходимых для нагревания воды в стакане:


N = 7*1015c./ 31536000 hello_html_m3132e3c.gif7*1015/3*107 hello_html_m3132e3c.gif2*108лет.

135.Я заметил, что в морозные ночи (при этом небо всегда чистое) над уличными светильниками возникают некие светящиеся столбы. Какова причина их возникновения?


ОТВЕТ:

135.Проведем аналогию между известным в природе явлением образования светящихся столбов над Солнцем в момент захода или восхода.

Учеными были проведены специальные опыты, которые показали, что в случае Солнца в этом принимают участие кристаллики льда в виде шестигранных призм плавающих в горизонтальном положении (замечу, что среди огромного количества кристаллов в атмосфере там есть и вертикальные и промежуточные, но в указанном процессе принимают участие только горизонтальные). Лучи Солнца, которое ушло за горизонт, падают на колеблющиеся нижние грани этих кристаллов, отражаются и попадают в глаза наблюдателя. Кристалликов в воздухе много, поэтому отраженные от них лучи сливаются в одно и мы видим растянутое изображение Солнца (мы воспринимаем его как светящийся столб). На фоне вечерней зари он может казаться красноватым. Каждому из нас не раз приходилось видеть на поверхности пруда в ночное время «лунную дорожку». Это множество отражений Луны сливающихся в одно в виде растянутой, как я назвал, «лунной дорожки». Между солнечным столбом и «лунной дорожкой» в части фиксируемого глазом изображения полная аналогия. Со светящимися столбами над фонарями происходит подобное солнечным столбам. Поскольку мороз, то взвесь кристалликов существует не только высоко над поверхностью земли, но и вблизи ее. Таким образом, отражаясь от граней кристалликов, свет фонаря сливается в искаженное вытянутое изображение фонаря, воспринимаемое нашим глазом как столб. В первом и втором случаях источник света находится на линии горизонта. Доказательством наличия кристалликов льда около земли может служить следующее обстоятельство: после морозной ночи на дорожках и других доступных местах видна снежная крупа, которая является не чем иным как смерзшимися кристалликами льда, выпавшими на поверхность земли.




144.На велосипедах, на столбах ограждения дорог, автомобилях устанавливают отражатели, которые начинают светиться тогда, когда на них падает направленный пучок света. Причем отражение происходит именно туда, откуда пришел свет. Их называют еще катафоты. Что это? Каково их назначение?



ОТВЕТ:

144.Катафоты - это отражатели света. Работают они, как правило, в вечернее или ночное время. Движется, скажем, автомобиль, в вечернее время с включенными фарами и нагоняет задержавшегося до позднего времени велосипедиста. На заднем крыле велосипеда, в его спицах, боковых гранях педалей закреплены так называемые катафоты, которые отражают свет фар независимо от направления падения световых лучей. Отраженный свет должен насторожить водителя о возможном препятствии. Напомню, что велосипед габаритных огней не имеет. Катафоты, закрепленные на столбах ограждения, позволяют видеть в ночное время контуры ограждения, что также немаловажно для безопасности движения.

В науке подобные отражатели называют уголковыми и используют их не только в области видимого излучения. Так в начале 70-х годов на Луне была посажена космическая станция « Луна-17», на которой были установлены уголковые отражатели. С помощью мощных лазеров в сторону Луны посылались импульсы электромагнитного излучения и фиксировали отраженный сигнал. Зная скорость света и время прохождения сигнала от Земли до Луны и обратно, определяли точное расстояние до Луны. Кстати это могла делать любая страна мира, т.к. уголковый отражатель работает независимо от места нахождения источника сигналов. Важно то, что возвращается он в ту точку, откуда пришел. Как же действует уголковый отражатель?

Если поставить два плоских зеркала, образующих друг с другом угол в 90 градусов (см.рис.),то можно наглядно увидеть, что отраженный луч будет параллелен падающему не зависимо от угла падения.



hello_html_2b458dae.png

hello_html_m5b0206a0.png


Но это мысленный эксперимент в одномерном пространстве. Окружающий мир- это трехмерное пространство. Поэтому добавим мысленно к уже имеющимся двум зеркалам третье расположенное также под углом 90 градусов к 2-м предыдущим. На следующем рисунке хорошо видно направление лучей уже в трехмерном пространстве. Параллельность падающего и отраженного лучей хорошо видна.


hello_html_2068ef5e.png


Именно это устройство и называют уголковым отражателем. Для применения в технике их объединяют в батареи тем самым, увеличивая до нужных размеров площадь отражения. При этом используют не зеркала, а стекло и другие прозрачные материалы, которые создают условия для полного внутреннего отражения света. Таким образом, катафот из стекла это фигура, состоящая полностью из стекла. Такие фигуры получили название в геометрии тетраэдры. Чтобы получить более полное представление о тетраэдре посмотрим на следующий рисунок

hello_html_m37fc1b9c.png


Если взять куб из прозрачного материала, скажем, стекла, и отрезать от него часть, как показано на рисунке, то получим тетраэдр. Если множество тетраэдров объединить в одной прозрачной пластинке, то получим катафот. Его внешний вид приведен на следующем рисунке.


hello_html_m39574ddc.png





148.В ветреную погоду нередко начинают гудеть провода линий электропередач и линий связи. Почему это происходит?

ОТВЕТ:

148.Для начала изобразим сечение провода и перпендикулярно ему огибающий провод поток воздуха (ветер).

hello_html_m52c90c6d.png


Линии тока воздуха огибают провод. Такой поток воздуха называется ламинарным. Воздействие ветра на провод в этом случае описывается законом Стокса F=6hello_html_1bfc1af9.gifr Vhello_html_m428def4d.gif

Где hello_html_m428def4d.gif-вязкость воздуха(табличные данные)

r – радиус сечения провода.

V- скорость ветра.

На следующем рисунке скорость ветра значительно увеличилась. За проводом появились вихри (сеть круговых движений потока воздуха). Сила сопротивления в этом случае пропорциональна квадрату скорости. Эту закономерность определил еще Ньютон: F= hello_html_m6994a4e1.gifP V 2S

V- скорость ветра.

ρ - плотность воздуха.

S- сечение провода перпендикулярно направлению скорости.

Образующаяся за проводом цепочка вихрей, срывается с провода и возбуждает звучание провода подобно тому, как пальцы руки заставляют звучать струны гитары в момент касания их пальцами.

hello_html_m672429a4.png

Надо полагать это не единственная причина, которая заставляет звучать провода. Если бы ветер имел постоянную величину воздействия на провод, то он бы отклонил провод и оставил его в этом положении. Но ветер постоянно меняет свою силу. На этом фоне провод то откланяется, то возвращается. Это также может быть причиной колебаний провода.



149.В детстве я, как и многие в моем возрасте и тогда, и сегодня, лихо катался на велосипеде, включая варианты езды без рук. Как можно объяснить с физической точки зрения езду без рук на велосипеде? Что удерживает велосипедиста на велосипеде? Почему велосипедист так же лихо не может сидеть на велосипеде, если велосипед стоит на месте?


ОТВЕТ:

149.В своей книге Р.В.Поль «Механика. Акустика и учение о теплоте» приводит следующий эксперимент. Для его проведения была изготовлена уменьшенная копия велосипеда с присущими ему качествами. Оба колеса этой модели раскручивали до высоких скоростей, прижимая к диску, установленному на оси электродвигателя. Затем этот велосипед руками (колеса при этом вращались с приличной скоростью) поворачивали в вертикальной плоскости вправо затем влево. При этом переднее колесо поворачивалось соответственно вправо и влево. Поставленная на пол модель свободно двигалась прямо. Как видим велосипед (его модель) движется «без рук» и велосипедиста. В данном случае (при большой скорости вращения колес) срабатывает так называемый «гироскопический эффект». Он же (велосипед) без вращающихся колес падает. Это одна из причин, но не единственная, удерживающая велосипед в вертикальном положении. Она эффективна при больших скоростях вращения колес.

Второй причиной удерживающей велосипед в вертикальном положении является сам велосипедист. Он (велосипед) будет находиться в вертикальном положении, если сила тяжести, приложенная к центру тяжести, будет проходить через линию соединяющую точки касания с землей переднего и заднего колеса. При нарушении равновесия велосипедист инстинктивно отталкивается от велосипеда в сторону противоположную первоначальному отклонению, перенося центр тяжести так, чтобы сила тяжести проходила через уже названную прямую. Здесь велосипедист действует также как цирковой артист на натянутой проволоке.

Регулировать положение равновесия велосипедист может также поворотом руля в сторону падения. В этом случае меняется положение прямой за счет переднего колеса при неизменном положении центра тяжести. Это будет, пожалуй, третья причина.

И, наконец, 4-я причина: это конструкция передней вилки велосипеда и угол наклона оси рулевой колонки.

Они обеспечивают точку опоры переднего колеса впереди от точки пересечения прямой проходящей через ось колонки и поверхности дороги. Такая конструкция позволяет велосипедисту регулировать свое вертикальное положение во время движения, с легкостью перенося центр тяжести слева направо в зависимости от ситуации. С другой стороны при больших скоростях движения конструкция вилки позволяет лучше срабатывать «гироскопическому эффекту». Подводя итог можно сказать, что езда без рук на велосипеде возможна (это доказывает повседневная практика). Причин способствующих этому 4-е. При конкретной езде на велосипеде они действуют вероятнее всего в совокупности.



150.Почему при кипячении молока оно как всегда неожиданно «убегает» (с водой, например, такого не происходит).



ОТВЕТ:

150.По мере нагревания кастрюли с молоком ее стенки и дно покрываются мелкими газовыми пузырьками (точнее паровыми), которые образуются, прежде всего, на дне и прилегающих к нему стенках кастрюли (они появляются на стенках и дне в местах мелких царапин, выступов). Пузырьки образуются, как и в воде при ее кипячении, за счет выделения газа растворенного в молоке. Температура у дна естественно выше, чем на поверхности, поэтому молоко будет интенсивно испаряться, прежде всего, у дна. Испарение молока происходит внутрь газовых пузырьков. С повышением температуры количество водяного пара в пузырьках растет. Вследствие этого пузырек будет увеличиваться в размерах и в какой-то момент, выталкивающая сила Архимеда, отрывает его от стенок и дна. Он начинает всплывать, увеличиваясь в размерах, т.к. давление внутри растет, а внешнее давление наоборот падает (слой молока над пузырьком уменьшается) При приближении температуры молока к температуре кипения количество таких пузырьков резко возрастает - начинается процесс кипения. Кроме того на поверхности молока образуется достаточно прочная пленка-пенка из полимеризировавшихся молекул молока. Она-то и не дает пузырькам пара выходить на поверхность. В какой-то момент скопившиеся под пленкой пузырьки прорывают ее. На поверхности кипящего молока образуется резко «шапка», состоящая из прорвавшихся из плена пленки пузырьков. Поскольку их количество все увеличиваются, молоко, точнее пена из пузырьков, «убегает». Прорыв пленки и обеспечивает внезапность «убегания» молока. В воде процесс кипения происходит предсказуемо.



158.Непонятно почему, но падающие капли дождя (если дождь не особенно обильный) на спокойную поверхность лужи или, скажем, озера почему-то привлекают внимание людей. Они обладают, образно говоря, завораживающим действием. Во всяком случае, падение капель дождя наблюдал каждый. Процесс падения, а нас именно это интересует, почти мгновенный, поэтому видение картины каждым может несколько отличаться. Вот что сказали о падении капель воды на воду разные, но явно творческие люди:


«…Дождя косые линии

Весь мир перечеркнули,

И водяные лилии

По лужам вверх взметнули…»

Леонид Темин.


«…Итак, приезжайте к нам завтра, не позже,

У нас васильки собирай хоть охапкой,

Вчера здесь прошел замечательный дождик-

Серебряный гвоздик с алмазною шляпкой…»

Дмитрий Кедрин.


«…Светлые, словно из стали,

Тысячью мелких гвоздей

Шляпками вниз поскакали…»

Н.А. Некрасов.


«…Вот капля, как шляпка гвоздя,

упала, и сотнями игл

затоны прудов бороздя,

сверкающий ливень запрыгал…»

И.А.Бунин.


А вот, что увидел самый тонкий наблюдатель природы писатель К.Г.Паустовский: «…особенно хорош спорый дождь на реке. Каждая капля выбивает в воде круглое углубление, маленькую водяную чашу, подскакивает, снова падает, снова падает и несколько мгновений, прежде чем исчезнуть, еще видна на дне этой водяной чаши. Капля блестит и похожа на жемчуг…»

Удивительная наблюдательность, которая была подтверждена физическими экспериментами и скоростной съемкой со скоростью две тысячи кадров в секунду.

Попытайтесь пронаблюдать явление, опишите его и сравните с ответом.


ОТВЕТЫ:

158.Экспериментами с применением скоростной камеры, как уже было сказано, было доказано следующее. В момент падения капли на поверхность воды возникает симметричный водяной цветок – водяная лилия, как назвал его поэт Леонид Темин. Этот цветок через мгновение увядает и на его месте вырастает водяной столбик, вершина которого имеет форму сферической капли («серебряный гвоздик с алмазною шляпкой», смотри фотографию).





hello_html_2697f8c4.png



В этой капле бегают блики, поэтому капля напоминает жемчужину, увиденную Паустовским. Затем этот столбик погружается в воду и на его месте вырастает вновь столбик, но меньше 1-го. Таким образом, правы были названные поэты. Поскольку они сумели увидеть, логично было бы сделать заключение, что и мы это можем сделать.



161.В 1913г. в Киеве над Сырецким полем наш выдающийся соотечественник П.Н.Нестеров сделал свою знаменитую «мертвую петлю» на самолете «Ньюпор-4» с двигателем «Гном» в 70л.с. Вот, что рассказал про это выдающийся летчик в своих воспоминаниях:

«27августа (по старому стилю) вечером, привязавшись предварительно ремнем к сиденью, я поднялся на высоту 1000м., с которой решил планировать. Я последний раз посмотрел на анероид, и мне пришло в голову, что в случае неправильного поворота, этот приборчик должен будет выпасть из кармана куртки, когда я буду летать вверх ногами. Но …я решил им рискнуть для большей убедительности….Было жутко лишь решиться, а как только я закрыл бензин, чтобы перейти на планирование, мне стало легко, и я занялся своей работой. Наклонив «Ньюпор» почти вертикально, я начал планировать, следя за высотой, чтобы иметь запас высоты на случай неудачи. Примерно в 600-х метрах я начал выравнивать аппарат и, когда он стал переходить горизонт, открыл бензин. Мотор очень хорошо заработал, аппарат полез в небо и начал ложиться на спину. Моя левая рука находилась на бензиновом кране, чтобы точнее регулировать работу мотора, хотя мне очень хотелось рукой опереться, как при спуске, о кожух. Одно мгновение мне показалось было, что я слишком долго не вижу землю, но чуть больше потянул за ручку и увидел ее. Закрыл бензин опять и, выровняв аппарат, начал планировать к ангарам. За все время этого 10-ти секундного полета я чувствовал себя так же, как при горизонтальном повороте с креном градусов в 70-80, ощущая всем телом поворот аэроплана.

Мой анероид не выпал из кармана куртки, и инструменты в открытых ящиках остались на своих местах. В общем, все это доказывает, что аэроплан сделал обыкновенный поворот, только в вертикальной плоскости. С этим только поворотом воздух побежден человеком.»

Летчик предварительно, как он сказал, привязался ремнем к сиденью, у него не выпал анероид из кармана, инструменты из открытых ящиков. Возможно ли такое?


ОТВЕТ:

161.На представленном снимке схематически показано исполнение «мертвой петли» самолетом:

hello_html_678bfd0.png

Нижний рисунок выполнен рукой П.Н.Нестерова после осуществления им полета:

hello_html_72fb4d8d.png


И, наконец, реальный самолет, который выполняет знаменитую петлю, находясь в самой верхней точке. Именно об этом участке полета беспокоился Нестеров в части потери анероида, инструментов и, наконец, сможет ли сам удержаться в кресле пилота (он привязался ремнем к сидению пилота). Будем считать, что радиус петли (смотри первый рисунок) равен R, сила тяжести, действующая на летчика в верхней точке и направленная вниз Fт, сила действия сидения на летчика N. Согласно 2-го закона Ньютона Fт + N = ma, где а является центростремительным ускорением. Так как a = V2/R, то написанное ранее уравнение будет иметь вид: mg + N = mV2/R. Для того чтобы сидение не давило на летчика (также карман на анероид и ящик на инструменты) сила реакции опоры (так назовем эту силу, окрестив ее вторым именем) будет равным N = 0.Отсюда mg = mV2/R. Следовательно V =hello_html_21853ca3.gifhello_html_m53d4ecad.gif При этом значении скорости и заданными условиями (N = 0) летчик будет находиться в невесомости. Поэтому он не выпадет из кабины, анероид не выпадет из кармана, инструменты остаются на месте.


hello_html_m1a047671.png



166.Что такое кнут пастуха знает, наверное, каждый. Во всяком случае, если не в жизни, так в фильмах, художественных произведениях другого плана Вам приходилось встречаться с понятием кнута и пастуха (смотри на ниже приведенные фотографии). Особенно прославился так называемый «цыганский кнут» и прежде всего по советскому многосерийному фильму о тяжелых буднях цыгана Будулая Романова (Будулая). Сегодня кнут еще можно увидеть на селе, а в остальном он остается экзотикой и вряд ли получит широкое распространение. Хотя в последние годы на территории России стали проводиться соревнования пастухов с включением в эти соревнования умения владеть кнутом пастуха ( умения издавать с помощью кнута громкий звук и сбивать легкие предметы)

Какова же природа издаваемого кнутом звука?


hello_html_9e1a13b.png




hello_html_3ab666d1.png


hello_html_m2956bf74.png



ОТВЕТ:

166.Кнут имеет короткую ручку, плетется из лент кожи с уменьшением толщины (его можно сравнить с длинным, гибким конусом). В длину он достигает двух-четырех метров. Пастуху нужен именно длинный кнут, чтобы приводить к послушанию непослушных буренок. Секрет хорошего кнута заключается в следующем. По мере удаления от ручки кнута он становится все тоньше и в итоге заканчивается легкой кисточкой. После умелого, натренированного и сильного взмаха кнутовищем по гибкому телу кнута побежит короткая волна – изгиб. При этом кинетическая энергия «волны – изгиба» будет неизменной по всей длине пробега. Но к концу кнут тоньше, масса «изгиба» уменьшается, кинетическая энергия постоянна, следовательно скорость будет очень быстро и очень сильно возрастать, достигая сверхзвуковых значений( Wк = mV2/2 при значительном уменьшении m,постоянстве Wк скорость естественно возрастает). В результате значительной скорости конца кнута(кисточки)воздух занимает освобождающееся пространство (схлопывается; как при проскакивании молнии) - возникает мощная ударная звуковая волна (резкий и оглушительный как выстрел, звук). Этот-то звук и приводит буренок в чувство.

На одном из соревнований пастухов в России был достигнут наилучший результат по громкости в 125 децибел. Для сравнения приведу справочные данные:

1.Реактивный самолет излучает звук в 150дбел.

2.Сирена издает звук в 130дбел.

3.Болевой порог -120 дбел.

4.Смертельная громкость звука-180дбел.



174.Почему журчит ручей?


ОТВЕТ:

174.Ручей, как правило, быстро бегущий и часто бурлящий поток воды. Струи воды захватывают частицы воздуха и погружают их в воду. В результате подобного «захвата» образуются пузырьки воздуха, которые вырываются из плена воды, лопаются на ее поверхности и издают характерный звук, воспринимаемый нашим ухом как журчание.




183.Сегодня известно всем, не смотря на то, что мы живем далеко от моря, что в природе существует такое уникальное, я бы сказал, явление как приливы и отливы. Приведенная ниже фотография лишь небольшая иллюстрация к этому. Хозяева наверняка не просто бросили свои красивые суденышки - они их закрепили на якоря и ждут приливной воды, когда можно будет сесть в них и плыть прямо от берега. Это всего лишь один пример использования приливов в интересах человека. Каковы же причины появления приливов и отливов? На этот вопрос также ответит любой школьник – притяжение Луны и Солнца.


hello_html_m1bbe6c53.png


Казалось бы солнечные приливы должны быть значительно сильнее лунных уже в силу того, что масса Солнца 27 000 000 раз больше массы Луны, хотя в то же время Солнце в 390 раз дальше Луны от Земли. В итоге земные предметы притягиваются к Солнцу в 27 000 000/(390)2 hello_html_m3132e3c.gif180 раз сильнее чем к Луне. И, тем не менее, лунные приливы заметнее солнечных. Почему?


hello_html_m53d4ecad.gifОТВЕТ:

183.Дело в том, что величина приливов определяется не столько силой притяжения к Солнцу или Луне, сколько разностью сил, с которой притягиваются к небесным светилам тела, находящиеся вблизи центра Земли и тело такой же массы, расположенное на его поверхности.

Если бы они притягивали с одинаковыми силами, то придавали бы и Земле, и океанским водам одинаковые ускорения так, что они двигались бы как единое целое и hello_html_m53d4ecad.gifприливы не возникали бы. Но центр Земли и частицы воды находятся от Луны (Солнца) на разном расстоянии. Поэтому их ускорения будут различаться на величину: ∆a = hello_html_368a497d.gifM/(dR)2 - hello_html_368a497d.gifM/ d2 = hello_html_368a497d.gifM* d2-(dR)2 / d2 *(dR)2 (смотри рисунок).


hello_html_51e6865d.png

Где М – масса небесного тела (в нашем случае Луны), d – расстояние между центрами Луны и Земли.

R- радиус Земли, hello_html_368a497d.gif – гравитационная постоянная.

В обоих случаях R<< d , ∆ а = hello_html_368a497d.gifM(d2-d2+2dR-R2)/d2*(d-R)2 =hello_html_368a497d.gifМ2Rd/d2*d2hello_html_m3132e3c.gif2Rhello_html_368a497d.gifМ/d3. Отношение ∆a к «нормальному» ускорению g силы тяжести составит :


a / g = 2R hello_html_368a497d.gif М/ d3 : hello_html_368a497d.gif Мз/ R2 = 2М/ Мз * (R/d)3


Мз – масса Земли.

Для Луны М/Мз = 1/81 и R/d = 1/60. Отсюда:


а/g = 2/ 81*603 ~ 1/ 9000000


Для Солнца ( это же соотношение составит):

М/Мз = 332400 и R/d = 1/ 23500


Т.е.∆а/ghello_html_m3132e3c.gif1/ 19000 000 т.е.солнечные приливы действительно в два раза должны быть слабее лунных



212*.Природа снабдила полярных медведей белым мехом удобным для маскировки во льдах и снегах, но этот цвет противоречит логике с энергетических позиций: ведь полярное солнце еле-еле греет и чтобы полнее использовать его тепло, медведю следовало бы иметь черную шкуру, которая наилучшим образом поглощает солнечные лучи; белый -же мех их отражает. Не может же природа так нерационально отнестись к полярному медведю. В чем причина этого парадокса? Ваши предположения?


hello_html_m768f431b.png



ОТВЕТ:

212. Во–первых, белого медведя от холода спасает хорошая шкура и достаточно толстый слой жира.

Во–вторых, доказано, что природа указанный парадокс разрешила весьма оригинальным способом. Оказывается волосы шкуры медведя пустотелые, имеют шероховатую внутреннюю поверхность. Видимый свет, попадая внутрь, отражается от неровностей внутри волоса и частично рассеивается, поэтому шкура кажется белой. Остальная часть доходит до шкуры. Как известно в Заполярье значительная часть ультрафиолетового излучения проходит через атмосферу земли. Оно свободно проходит через пустотелые волоски почти без потерь. А под ними оказывается шкура, которая имеет совершенно черный цвет (нос, лишенный волос, как раз имеет такой цвет). Она – то и воспринимает все солнечные лучи, подведенные к ней через пустотелые волоски. Поскольку мех по всему телу медведя расположен равномерно это позволяет воспринимать солнечные лучи всем телом, включая отраженный свет снегом и льдом. Получается, что организм животного прогревается со всех сторон и даже снизу. Более того следует сказать, что теплоизоляция белого медведя настолько совершенна, что при съемках медведя в инфракрасном свете он (свет) не фиксируется.



217*.По центральному телевидению и средствам массовой информации в мае 2010г. прошло сообщение, которое как удачу с точки зрения физических явлений нельзя расценивать. Дело в том, что в Волгограде в конце 2009г. был пущен через Волгу семикилометровый (с подъездами) мост. Телевидение показало его раскачивающимся с амплитудой до одного метра. Колебания происходили в вертикальной плоскости. Машины подбрасывало и разворачивало почти на 180 градусов. Уникальное, как уже было сказано, явление. Хорошо, что никто не пострадал. Мост выдержал серьезные нагрузки. Что это? Каковы причины этого удивительного физического явления?



ОТВЕТ:

217.Вероятно, что это резонанс, который может возникнуть при совпадении собственной частоты колебаний (в данном случае моста) с частотой вынуждающей силы (видимо это ветер). Дело в том, что парусность моста так велика, что силе ветра удалось его раскачать (на фотографии волгоградский мост на завершающемся этапе строительства).


hello_html_mf9499ed.png


Резонансные явления могут вызвать необратимые разрушения в различных механических сиcтемах, например, в неправильно спроектированных мостах. Случай в Волгограде не единственный в мире. Так в 1905г. рухнул Египетский мост в Санкт – Петербурге, когда по нему проходил конный эскадрон. С тех пор стали свято соблюдать правило: строй солдат при переходе моста не должен идти в ногу. В 1940г. история подобная Волгоградской произошла с только что построенным Такомским мостом в США (см. фотографию). На ней хорошо видно, что под действием ветра он колеблется. Урок не пошел в прок поскольку наши инженеры наступили на те же грабли, что и американские. Для предотвращения подобных ситуаций по мосту в Волгограде предложено установить так называемые рассекатели ветра.

hello_html_2c120a6a.jpg




218.Замечено, что на берегу моря с мелководьем (смотри первый рисунок) ветер, дующий под углом к берегу или даже параллельно ему (смотри второй рисунок), создает волны, которые он гонит, накатываются на отмель почти под прямым углом. Почему так происходит? Что заставляет волны на первый взгляд самопроизвольно поворачивать к берегу?



hello_html_22208c23.jpg

Подсказка: Скорость волны, если соблюдается условие H < λ равна V = hello_html_m24e43e7a.gif , где H глубина.

Скорость волны, если соблюдается условие H> λ равна V = hello_html_m7d667fcb.gif .


ОТВЕТ:

218. Странное на первый взгляд явление объясняется особенностями движения волн по поверхности воды на мелкой воде. Скорость воды на мелководье (глубина меньше расстояния между горбами соседних волн) равна V =hello_html_m24e43e7a.gif, где H глубина (H<λ) . Вдали от берега волна движется со скоростью V = hello_html_m64d01770.gif ,для H>λ. Из этих формул следует, что скорость волн вдали от берега будет больше, чем на мелководье. Поскольку волна неразрывна волновой фронт (см. второй рис.) станет изгибаться за счет разных скоростей пока не станет направленным прямо на береговую линию.



223*.Среди моряков прошлого существовал термин «девятый вал». Девятый вал — это символ непреодолимой силы, основывающийся на поверье, что девятая волна во время шторма самая сильная и опасная. Всемирно известный российский художник-маринист Иван Айвазовский посвятил этому явлению одну из самых знаменитых своих картин «Девятый вал». На ней он изображает море после сильнейшего ночного шторма и людей, потерпевших кораблекрушение. Лучи солнца освещают громадные волны. Самая большая из них — девятый вал, готова обрушиться на людей, пытающихся спастись на обломках мачты. Всё говорит о величии и мощи морской стихии и беспомощности перед ней человека. Тёплые тона картины делают море не таким суровым и дают зрителю надежду, что люди будут спасены (см. фотографию). Как образуется «девятый вал»? Какие физические основы возникновения таких волн?



hello_html_4865bd9a.png



ОТВЕТ:

223.Если над водой начинается ветер, то на ее поверхности образуются складки, которые под воздействием этого же ветра начинают разгоняться в виде волн. Над гребнем волны скорость ветра будет выше (закон Бернулли), а давление меньше. Появляются силы, стремящиеся увеличить высоту горба. При этом увеличивается парусность волны. Поэтому ветер будет ее гнать с большей скоростью.

hello_html_13edd42f.jpg

На больших глубинах скорость возникающей волны (на поверхности) будет зависеть только от длины волны V =hello_html_m7d667fcb.gif.

Короткие волны перемещаются по морю медленнее (см. формулу), т.к. меньше λ.

У более длинных волн скорость будет выше, т.к. длина волны будет больше (см. формулу). Они догоняют медленные волны и при совпадении вершин горбов амплитуда суммарной волны возрастает в разы. Так возникает во время шторма наиболее сильная волна, которую моряки назвали «девятый вал», который вовсе не означает, что это девятая волна, но обозначает совершенно точно периодичность возникновения усиленной волны при совпадении горбов коротких и длинных волн.



226*.Известно, что в воздухе содержится значительное количество воды. Учеными подсчитано, что в земной атмосфере содержится десять в тринадцатой степени тон водяных паров. Содержание их (паров) зависит от температуры окружающего воздуха. Если бы указанную массу воды равномерно распределить по поверхности земли, то она покрыла бы землю толщиной 2,4см. Это значило бы, что с каждого квадратного метра можно было бы собрать 24 литра чистой воды (при условии полной отдачи влаги из воздуха). Известно также, что при охлаждении воздуха из него начинает конденсироваться водяной пар, превращаясь в воду. Температура, при которой это происходит, называется точкой росы. Располагая указанной информацией, предложите практический способ добывания воды из воздуха для наших условий, если Вы оказались в экстремальной ситуации в лесу, где нет источника воды, а пить и готовить пищу нужно.



ОТВЕТ:

226.Есть два способа решения этой проблемы:

Нужно найти естественное углубление в земле диаметром около метра и глубиной до 0,5 м. с естественной мелкой растительностью. Указанную яму закрываем полиэтиленовой пленкой, прижав ее края камнями или другими подручными средствами. В центре пленки положим еще один груз, чтобы пленка прогнулась (см. рисунок). На дно ямы ставим котелок. Почва всегда содержит влагу, а растения ее испаряют. Влага скапливается под пленкой и в конечном итоге начинает конденсироваться на ней, стекая в котелок. Конденсация происходит вследствие понижения температуры в ночное время (смотри рисунок).

hello_html_m3a0bbc63.jpg

Второй способ хоть и менее эффективен, но чрезвычайно прост: берется в пучок несколько веточек дерева или кустарника и на него надевается полиэтиленовый мешок, завязав его при этом. В этом случае пары начинают конденсироваться при тех же условиях, что и в предыдущем случае и вода начнет стекать на дно пакета.



227*.Почему мотыльки и другие насекомые летят на огонь?

Каковы Ваши предположения?


ОТВЕТ:

227.За миллионы лет эволюции у многих насекомых выработался способ ориентации по Солнцу и Луне. Чтобы поддерживать выбранное направление полета, бабочка следует по такой линии, чтобы угол на источник света сохранялся постоянным. Пока этот источник света удален, находится практически в бесконечности, как наше небесное светило, все в порядке. Сколько бы он не летел, угол остается постоянным (см. рисунок).


hello_html_5d734771.jpg


Но если за ориентир принять электрическую лампочку, то для поддержания постоянного угла на этот ориентир насекомому приходится искривлять свой путь в спираль, которая приводит прямо к огню (см. 2-ой рисунок). Моль и муха так не поступают, т.к. живут при человеке и в процессе эволюции освободились от этой привычки.


hello_html_m760ec741.jpg



230*.Проведем эксперимент, доступный каждому. Возьмем волейбольный мяч (это не принципиально) и, положив на него маленький мячик из упругой резины или пластика, уроним их на пол одновременно, разжав удерживающие их руки. На рисунке условно показана картина происходящего:


hello_html_7ac6a44f.jpg


При этом мы увидим удивительную картину - маленький мячик после удара волейбольного мяча о пол подпрыгнет на большую величину, чем H(высота волейбольного мяча над полом). Причем, если делать подобное с каждым из них в отдельности, ни один из них не подпрыгнет даже на высоту H. При одновременном падении большой мяч также не поднимется на эту высоту. Более того (подсказка на рисунке) маленький мячик подпрыгнет в описанной ситуации, приобретая скорость в 3-и раза большую, чем скорость падения большого мяча. Чем можно объяснить странное на первый взгляд поведение малого мяча?



ОТВЕТ:

230.Объясянить это можно так: маленький мячик при упругом соударении мячей в момент падения «отобрал» у большого мяча часть его энергии и за счет этого приобрел более высокую скорость, что обеспечило подъем его на большую высоту. Более того при экспериментировании с массой мяча, можно добиться его «прыжка» на высоту до 9H. Попробуем разобраться с ситуацией математически.

При упругом соударении тел справедлив закон сохранения энергии и количества движения (импульса).

Итак, в момент соударения с полом мы имеем:

m1V1 + m2V2 = m1U1 + m2U2 ( до взаимодействия и после).

( 1 )

m1V12/2 + m2V22/2 = m1U12/2 + m2U22/2

Преобразуем уравнения (1):

m1(U1V1) = m2(V2U2)

(2)

m1(U12V12) = m2(V22U22



Поделим уравнения: m1(U1V1)/ m1(U12V12) = m2(V2U2)/ m2(V22U22) (3)


Из полученного соотношения (3) находим:

U1 + V1 = V2 + U2 отсюда следует:


U1 = V2 + U2V1


Подставим полученное уравнение в 1-е уравнение системы (2) и получим значения U2 и U1:


U2 = (m2– m1)V2 +2m1V1/ m1+m2 (4)



U1 = (m1m2)V1 + 2m2V2 / m1 + m2 (5)


Поскольку нас интересует поведение 2-го мяча, рассмотрим выражение для скорости U2.

Так как m1>>m2, примем m2 = 0.

Вначале оба мяча падали с одной скоростью V1, но ударившись о пол нижний мяч тут же менял направление скорости на противоположное. Будем считать положительным направлением движение снизу вверх. Отсюда V2 = -V1.

Подставляя эти величины в уравнение (4) получаем:


U2 = - m1(-V1) + 2m1V1 / m1 = 3V1.


Таким образом, маленький мячик отскочит вверх с утроенной скоростью. Поскольку H = V / 2g = 9V1 / 2g.

Это значит, что мячик поднимется на высоту в 9 раз выше, чем первоначальная высота.




232*.Как Вы думаете, видит ли рыба окружающий мир из под воды и каким, если видит?


ОТВЕТ:

232.Если посмотреть с высокого берега пруда на чистую гладь воды, мы увидим дно водоема почти без искажений и довольно четко. Не таким ли будет окружающий мир, если смотреть из воды?

Представим условно, что наблюдатель находится под водой. Ему будет видна зеркальная поверхность, отражающая все, что плавает в водоеме и лежит на дне. Прямо над головой будет некое круглое «отверстие», сквозь которое будет виден надводный мир от горизонта до горизонта, но сжатый в круг (люди, машины, здания, стоящие вокруг водоема). Все это будет находиться в круге, а значит искажено и непривычно для нас жителей «берега». К слову сказать зеркальная поверхность, о чем говорилось ранее, будет полупрозрачной и поэтому она будет одновременно отражать предметы на дне и плавающие в воде и вместе с тем пропускать свет падающий от предметов над водой. Объяснить происходящее реально можно так. Свет падает из менее плотной среды (воздух) в более плотную (вода). При этом угол падения ( L ) меньше угла преломления (ß). Луч скользящий (почти) по поверхности (L=90) войдет в воду под острым углом!. Это особый угол и для воды он равен почти 48 градусов. Именно этот угол является первопричиной появления «отверстия» над головой, так как световые лучи в водоем будут попадать от всех точек поверхности земли, предметов, что находятся вокруг водоема, но все они входят в водоем, преломляются под углом 48 градусов и так по кругу. Глаз видит по прямой, поэтому картина из водоема будет видеться в рамках круга или точнее воронки, которая якобы находится у нас над головой и ограничивает видимость за пределами воронки (стороны воронки по понятным причинам будут расположены под углом, если быть точными 97,6 градуса = 2*48 град, так как угол ß на самом деле чуть больше 48 градусов).См. рисунок.

hello_html_m43b06220.jpg



На самом деле глаз человека не способен видеть из воды. Это связано с анатомией особенностей человеческого глаза. В лучшем случае изображение для человека будет сильно размытым. Указанную выше картину видит как раз рыба. Ученым удалось сконструировать фотоаппараты способные видеть окружающий мир из под воды так как видит его рыба. Эксперименты подтвердили то, что было сказано выше. Приведенный ниже рисунок как нельзя лучше иллюстрирует сказанное.На ней изображено то, что видит рыба из воды.



hello_html_5534bdf5.png





237.Оказавшись случайно на берегу Томи в июне 2010г., я увидел удивительную для меня картину, изучение вопроса которой привело к составлению настоящей задачи. А увидел я человека, стоящего на каком-то предмете с парусом и плавающего в любом направлении по реке под воздействием ветра, имеющего постоянное направление. Указанный вид спорта называется виндсерфинг - водный вид развлечений и спорта в виде небольшой доски с парусом, который благодаря специальному шарниру может поворачиваться в любом направлении в пределах плоскости доски. Манипулируя парусом, человек управляет доской с парусом. Схематический вид «парусной доски» представлен на рисунке1.



hello_html_m301ae72e.png

Как можно объяснить движение «парусной доски» под воздействием ветра? Ваши предположения?


ОТВЕТ:

237.Рассмотрим самый простой случай, когда ветер дует на «парусную доску» в попутном ей направлении (рис. 3).


hello_html_m1ad43bb5.png

В этом случае сила давления на парус возникает в результате одновременного давления на наветренной стороне паруса и разрежения на подветренной стороне. Она–то и тянет его вместе с доской в направлении движения.

Когда «парусная доска» идет встречным ветром, то парус повернут относительно оси доски так, как указано на рисунке 4 (вид сверху).

hello_html_55c9efda.png

Сила R очевидно не будет совпадать с направлением движения доски. Экспериментально выяснено, что она направлена примерно перпендикулярно к плоскости паруса. Эта сила будет вызывать не только движение доски вперед, но и значительный снос ее в сторону ветра, или как говорят, дрейф под ветер. Можно разложить силу R по правилу параллелограмма на две силы, направленные соответственно по направлению движения доски и перпендикулярно к нему. Полученная в результате разложения сила Т будет тянуть доску в своем направлении. Эту силу называют силой тяги. Сила Dвызывает снос (дрейф) доски в сторону ветра и называется силой дрейфа. Как мы видим из рис. 4 сила D графически имеет большее значение, чем сила Т. Тем не менее на практике доска движется в направлении силы Т, а не дрейфует в направлении силы D. Это объясняется наличием большого бокового сопротивления, создаваемого швертом (см. рис.1) и особенностями формы корпуса.

У «парусной доски» существует центр бокового сопротивления (ЦБС) и центр паруса (ЦП) (см. рис. 5).

hello_html_7dae653d.png

При наклоне мачты к носу доски и соответственно смещении центра паруса к ее носу, доска будет уваливаться (поворачивать по часовой стрелке в нашем случае), при смещении центра паруса к корме доска будет соответственно приводиться (поворачивать против часовой стрелки) по отношению к ветру. Это объясняется появлением вращающего момента, который разворачивает виндсерфер в ту или иную сторону. Таким образом, наклонами мачты к корме или носу можно изменять направления движения виндсерфера в довольно больших пределах.

Если парусная доска движется курсом галфвинд (перпендикулярно ветру), то маневрирование можно осуществлять наклонами мачты на ветер и под ветер (см. рис. 6).


hello_html_m3436a70.png


Свои особенности при маневрировании, когда ветер дует с кормы (см. рис.7)


hello_html_6453c38d.png

Существует целая наука в движении «парусной лодки». Более того каждый курс движения имеет свое название:


hello_html_18261d51.png

Из приведенного рисунка видно, что при ветре, имеющем определенное направление (на рисунке это сверху вниз) «парусная лодка» непременно движется кроме одного случая, когда ось лодки и направление ветра совпадают, но противоположны по направлению (курс левентин). Вот такая интересная история происходит с «парусной лодкой». История, возведенная в ранг развлечений и спорта, где участвует физика. Итак «парусная доска» движется за счет использования силы ветра при изменении ориентации паруса, при которой появляется составляющая силы в направлении движения устройства.



244*.Народная примета гласит: «пузыри на лужах – к затяжному дождю». Как объяснить с точки зрения физики справедливость этой народной мудрости?


ОТВЕТ:

244.Для возникновения пузырей на воде необходимым условием является наличие крупных капель дождя, падающих на поверхность воды. При этом на поверхности воды образуются относительно глубокие воронки, которые «схлопываются» выплескиваемой вверх водой. Под образующейся пленкой из воды остается воздух. Стенки пузыря держатся благодаря силам поверхностного натяжения. Сферическая форма пузырей объясняется тем, что сфера из всех объемных тел имеет наименьшую площадь. А наименьшей площади требует принцип минимума потенциальной энергии (всякая система при равновесии находится при минимуме энергии). Сферическая форма и поверхностное натяжение влияют на избыточное давление в пузыре, которое образует воздух внутри пузыря по сравнению с атмосферным. При этом со стенок пузыря все время идет испарение воды. При пасмурной погоде, приближении дождя испарение затруднено, что продлевает жизнь пузырей. И наоборот, если влажность небольшая, испарение происходит быстро и соответственно пузыри лопаются быстрее. Таким образом, народная мудрость имеет под собой объяснимую физическую основу.



245*.Во многих современных квартирах оборудованных стеклопакетами (пластиковые окна) невозможно наслаждаться фантастической картиной узоров, которые рисует мороз на стекле. Наблюдать явление можно в квартирах, где установлены классические для наших сибирских условий рамы. Поэт А.Майков (1821 – 1897г.) писал по этому поводу:



Люблю я сквозь стекла

Блистательный узор

Картиной новою

Увеселять свой взор»



В этой связи вопросы:

1.Почему морозные узоры образуются на стекле?

2.Узор образуется на внутренней или внешней стороне стекла?

3.Почему узоры столь разнообразны и причудливы (см. рис.)?

4.Почему они не похожи на идеальные кристаллы льда, если узор это фактически лед?

hello_html_6d86b98c.jpg



hello_html_757f2b8d.jpg



hello_html_m4ec8c045.jpg



hello_html_491c77a7.jpg




ОТВЕТ:


245.Узор на стекле появляется на внутренней стороне стекла в том случае, если температура внутренней части стекла понижается до отрицательной. На стекле всегда присутствует сеть мелких царапин и множество следов от капель и насекомых, покрыто частицами пыли и грязи. Все они являются центрами начала построения ледяных образований и определяют, в целом, направление роста ледяных кристаллов. Полноценные кристаллы образовываться здесь не могут, т.к. рост кристалла идет не в трехмерном пространстве, а в двухмерном (плоскость стекла)




246*. Американский писатель Джек Лондон в своем произведении «Белое безмолвие» пишет:

«День клонился к вечеру, и подавленные величием Белого Безмолвия путники, молча прокладывали себе путь. У природы много способов убедить человека в его смертности: непрерывное чередование приливов и отливов, ярость бури, ужасы землетрясения, громовые раскаты небесной артиллерии. Но всего сильнее, всего сокрушительнее — Белое Безмолвие в его бесстрастности. Ничто не шелохнется, небо ярко, как отполированная медь, малейший шепот кажется святотатством, и человек пугается собственного голоса. Единственная частица живого, передвигающаяся по призрачной пустыне мертвого мира, он страшится своей дерзости, остро сознавая, что он всего лишь червь. Сами собой возникают странные мысли, тайна вселенной ищет своего выражения. И на человека находит страх перед смертью, перед богом, перед всем миром, а вместе со страхом — надежда на воскресение и жизнь, и тоска по бессмертию — тщетное стремление плененной материи; вот тогда-то человек остается наедине с богом.»

О чем это? Что за белое безмолвие увидел автор, надо полагать на Аляске, так как описываемые события для Американского континента характерны именно для этих мест? Какова на Ваш взгляд физическая причина безмолвия, т.е. тишины? Ваши предположения?




ОТВЕТ:

246.Объяснить указанное явление с учетом моих личных наблюдений во время прохождения службы в Заполярье под Норильском можно так. Дело в том, что в условиях Заполярной тундры при полном безветрии, отсутствии облаков тихо, как на парашютах, падают пушистые снежинки, покрывая все вокруг, быть, может, не толстым и уплотненным слоем, но рыхлым и тонким «покрывалом». Это «покрывало» без остатка поглощает все звуки, что и назвал очень метко, интуитивно понимая законы физики, знаменитый писатель - «Белым безмолвием». Наша тундра, полагаю, не так сильно отличается от Американской Аляски.


251*.Как, Вы, думаете, почему купаться вблизи водопадов, водосбросов, в водоемах с выходом подземных газов опасно?


ОТВЕТ:

251.Дело в том, что вода там насыщена пузырьками воздуха. При этом ее плотность сильно уменьшается. Вспомним, чему равна сила Архимеда – F= ρ g Δ h S.Она зависит от плотности воды при прочих равных показателях. Т.о. сила Архимеда при уменьшении плотности убывает. А, следовательно, убывает возможность пловца держаться на плаву.



253*.Если набрать в пригоршню воды и начать выпускать ее из ладоней тонкой струйкой, то можно заметить, что она к моменту падения на землю плавно сужается. Каким образом можно объяснить этот факт?


ОТВЕТ:

253.Как известно струя является неразрывной, во всяком случае, в нашей ситуации. Исходя из этого, в единицу времени через ее поперечное сечение и внизу, и вверху должен проходить одинаковый объем воды. Но вода падает с увеличивающейся скоростью. Следовательно внизу она (скорость) будет больше, чем вверху. Поскольку скорость падения струи растет, а объемы жидкости и внизу, и вверху проходят одинаковые, то внизу струя должна быть тоньше. Падающую струю можно представить в виде цилиндров одинакового объема. Только вверху цилиндр будет коротким и сечение иметь больше, а внизу соответственно длиннее и сечение меньше.



264*.Известны народные приметы: «Дым от трубы и костра поднимается столбом кверху – к хорошей погоде»; « Дым расстилается по земле без ветра – к ненастью»; «Ясный день будет, если дым из заводских труб поднимается столбом»; « Приближается непогода, когда дым от костра не поднимается кверху, ест глаза, клубится, стелется по земле, угли тлеют ярко» Все указанные приметы объединяет одно: дым столбом вверх – хорошая погода, клубится – к плохой. Почему?



ОТВЕТ:

264*.Объяснить ситуацию можно так. При приближении хорошей погоды давление воздуха повышается, а,следовательно, и плотность. Создаются благоприятные условия для интенсивного подъема воздуха (дым) при нагревании его. Теплый воздух стремительно поднимается вверх, а на его место заходит холодный. Столб теплого воздуха поднимается далеко вверх - отсюда термин «дым столбом». В ненастье давление меньше, а, следовательно, и невысокая плотность воздуха. Разница между плотностью нагретого воздуха и холодного невелика. Отсюда невелика тяга и дым клубится над землей.



265*. Посмотрите на красивейший снимок самолета, который был сделан в 1999г. над океаном. Известно, что самолет в этот момент преодолел звуковой баръер. Как Вы думаете, в чем причина образования яйцеобразного белого облака?


hello_html_m560a2d28.png


ОТВЕТ:

265.Наблюдатель, находящийся на поверхности земли в случае преодоления звукового баръера, услышит резкий громовой раскат. В нашем случае в океанском воздухе, насыщенном влагой, возникает еще один, видимый эффект. Самолет, повысив скачком свою скорость до превышения скорости звука, оставляет после себя некоторый объем пространства, куда воздух не успел ворваться сразу. Образуется область пониженного давления, что приводит к резкому понижению температуры и как следствие конденсации водяных паров, которые мы воспринимаем как туман.




273.Птицы машут крыльями в вертикальной плоскости, а летят горизонтально. Почему? Более того известная своими малыми размерами птичка калибри может летать вперед, назад, «висеть» на месте. Другая часть птиц славится своей маневренностью. Среди них можно назвать ласточек, например. С чем связана такая маневренность?



ОТВЕТ:

273.Типичный пример машущего полета - полет утки (см. верхнюю часть рис.)

hello_html_m2d33d651.jpg

Маховые перья на конце крыла при его опускании изгибаются и работают как пропеллеры, то есть создают тягу вперед (я бы еще сравнил с движением двухвесельной лодки). Птица, махая крыльями в вертикальной плоскости, поддерживает себя в воздухе и в то же время отталкивается от воздуха в горизонтальном направлении. За счет махов крыла вниз она летит в горизонтальном направлении. А вверх? Перья крыла при подъеме его вверх раздвигаются и затем цикл повторяется. Таким образом при движении крыла вверх возможный обратный эффект нейтрализуется.

На втором снимке изображен Бурый пеликан – представитель планирующих птиц. На снимке видно, что перья на кончике левого крыла повернуты вверх с наклоном (с шагом подобно пропеллеру). Когда крыло опускается вниз, такой поворот перьев создает тягу вперед.

Таким образом, горизонтальный полет обеспечивается поворотом перьев крыла под углом к вертикали с определенным шагом как у пропеллера.

hello_html_m31dffd72.jpg


Калибри можно сравнить (см. вторую строку верхнего рисунка) с вертолетом, который может зависать, лететь вперед и назад. Ее крылья устроены так, что могут свободно вращаться в плечевом суставе. Причем так, как ни у одной другой птицы. Так, зависая над какой - нибудь точкой, она машет крыльями, описывая «восьмерку». Получается как на лодке веслом – и вперед, и назад.

Маневренность птицы зависит от строения крыла. Те, что живут в лесах и на земле имеет строение крыла подобно тетереву (см. нижний рис.) Для морских парящих птиц характерны крылья длинные как у альбатроса. Орлы, канюки имеют в меру длинные крылья с множеством щелей между перьями, что позволяет парить в восходящих потоках и в то же время иметь высокую маневренность при преследовании добычи.

hello_html_m78c9e10b.jpg




277. Оказывается, что различных насекомых мы слышим во время полета благодаря маханию крыльями с определенной частотой. Всякое колебание, и крыла тоже, наше ухо воспринимает как звук, если эти колебания укладываются в частоту воспринимаемую нашим ухом (20 – 20000 Гц.). Тогда возникает вопрос: почему полет комара мы воспринимаем как назойливый высокий звук, полет майского жука воспринимаем как некое басовое жужжание, а бабочку совсем не слышим?




ОТВЕТ:

277.Установлено, что бабочка совершает в секунду всего несколько взмахов. Такие колебания наше ухо не способно воспринимать (см. текст задачи). Майский жук делает в секунду уже 200 взмахов. Наше ухо воспринимает колебание его крыльев как некое басовое жужжание. В свою очередь комар совершает 600 взмахов ( количество колебаний будет в два раза больше). Такую частоту колебаний наше ухо воспринимает как высокий звук. Его назойливость относится к субъективной категории, поскольку разными людьми воспринимается по - разному.


278.Почему звучит скрипичная струна, если водить по ней смычком?


ОТВЕТ:

278.На приведенном графике показана экспериментально установленная зависимость силы трения от относительной скорости трущихся деталей. Верхняя часть графика показывает увеличение силы трения с увеличением относительной скорости, а нижняя наоборот уменьшения силы трения с увеличением относительной скорости.

Верхняя или нижняя характеристики зависят от вида смазки или другой субстанции между трущимися поверхностями. Возьмем скрипичную струну и смычок ( см. рис.) Пусть смычок движется направо. Струна при этом оттягивается тоже направо за счет сил трения. В какой-то момент начнется проскальзывание смычка и струны, т.к. силы упругости струны и силы трения направлены в разные стороны, а указанные величины не безграничны. При возрастающей характеристике проскальзывание приводит к увеличению относительной скорости и соответственно силы трения (см. график).

hello_html_m5c98090e.png

hello_html_3afddb61.jpg

Таким образом, струна отклонилась до какого–то предела. Колебание струны в таких условиях невозможно.

При падающей характеристике дело происходит так. При проскальзывании сила трения уменьшается, струна начинает двигаться в обратном направлении, т. е. к первоначальному состоянию. Скорость между трущимися поверхностями увеличивается (смычок в одну сторону, струна в другую), а сила трения падает. При этом струна, двигаясь обратно, по инерции проскочит через исходное состояние и станет отклоняться влево. В какой – то момент скорость уменьшится до нуля и струна от крайнего левого положения начнет двигаться вправо за счет сил упругости. Относительные скорости струны и смычка уменьшатся, а это приведет к увеличению силы трения и струна будет отводиться смычком вправо. Далее процесс будет повторяться, а мы будем слышать колебания скрипичной струны в виде красивого звучания.



279.Во всех автомобильных двигателях существует ременная передача. В части из них при помощи ее вращаются вентилятор, водяная помпа, генератор тока и прочее. Так или иначе, периодически под капотом появляется свист или писк ремня. Какова причина его возникновения?



ОТВЕТ:

279.Сам по себе писк никакой угрозы не представляет и очень просто удаляется (1 – 2 капли тормозной жидкости под ремень). А причина появления писка следующая. На вращающиеся шкивы иногда попадает пыль или мелкий песок особой структуры. Он-то и создает на них трение с падающей характеристикой (смотри задачу № 278).Это своего рода особая смазка. Одна–две капли тормозной жидкости переводит трение с падающей характеристикой в возрастающую. При увеличении относительной скорости ремня ременной передачи и шкива начинают возрастать силы трения так, что всякое проскальзывание исчезает, а вместе с ним и писк ремня.




286.Как Вы думаете, что общего между скорпионом и сейсмоприемником?


Подсказка:1. Информацию о механизме ловли добычи скорпионом получите в литературе по биологии.

2.Внешний вид сейсмоприемника и принцип действия его таков:



hello_html_738a9c89.jpghello_html_3a659ebc.jpg


1.-магнит.

2 -магнитопровод.

3.-пружина.

4.-подвешенная на пружине катушка.

5.- корпус.



ОТВЕТ:

286. В земле непрерывно возникают и затухают волны, которые называются сейсмическими. Причем источником их бывают не только катастрофические землетрясения. Волны в земле бывают разными: поперечные или P-волны. Они при землетрясениях и взрывах приходят первыми. Поперечные волны или S-волны приходят позже.

Распространяется и еще один тип волн: поверхностные (2-х типов: одни путем колебаний в вертикальной плоскости, другие - в горизонтальной). Волны 1-го типа называются волнами Рэлея. У Фенимора Купера индейцы слушают приближение всадников, прикладывая ухо к земле – это Рэлеевские волны. На приведенном ниже рисунке изображены как раз указанные волны и показано как они распространяются при появлении источника.

hello_html_m77fe29c4.jpg

Проведенный ликбез необходим нам для понимания ответа на задачу.

Вернемся к Скорпиону. Учеными для исследования был взят песчаный Скорпион, размеры которого до 8см. Они подслеповаты, хотя имеют от 6 до 12 глаз. Охотятся они ночью, хватая мелких насекомых. Он может часами неподвижно ждать свою жертву. Но стоит ночной бабочке присесть на песок как следует точный и мгновенный бросок и жертва оказывается в клешнях охотника. Все сказанное можно было бы не говорить, если бы оно не являлось ключевым для понимания проблемы. А ключевым является следующее: он подслеповат, а жертву видит хорошо (вспомните точный и молниеносный бросок). Оказалось, что скорпион чувствует прикосновение жертвы к почве причем каким бы оно слабым не было с расстояния до 30см, а на расстоянии до 10см его оценки по направлению и дистанции настолько точны, что первый же бросок оказывается успешным. Заклеивание глаз скорпиона не повлияли на результат. Значит в его охоте глаза не главное. В ящик насыпали песку и разделили щелью как показано на следующем рисунке:

hello_html_2e7cf50d.jpg


Прикосновение к песку палочкой создает в песка различные волны: продольные, поперечные, поверхностные. Такие же волны возникают при движении насекомых. Если палочкой коснуться песка с той стороны, где находится скорпион, он моментально реагирует. Если же прикоснуться к участку песка за разделительной щелью, то никакой реакции не будет. Учеными было установлено, что продольные волны распространяются по песку со скоростью 200 м/с, а поверхностные (Рэлеевские) - 40-50м/с. На ногах скорпиона имеются волоски, воспринимающие первые (продольные) и щелевидные органы чувств, воспринимающие вторые (поверхностные) волны. Расстояние до жертвы скорпионы определяют по запаздыванию сигнала от указанных 2-х типов волн. Направление определяется по сигналам доходящим до разных ног. Этому скорпион научился еще миллионы лет назад, постепенно совершенствуя свое мастерство в процессе эволюции.

Сейсмоприемник фактически копирует скорпиона с той лишь разницей, что там используются природные линии доставки сигнала, а в приборе электромагнитные. Это и есть то общее, между ними, о чем ставится в задаче вопрос.



290. Вы никогда не задумывались, почему у некоторых животных, включая кошек, ночью глаза светятся?

Посмотрите на приведенные ниже снимки в качестве примера светящихся глаз. На первом из них фотография была сделана на одной из речек Флориды в лучах заходящего Солнца (оно находится за спиной фотографа). Так вот на черно-белой фотографии невысокого качества видны светящиеся глаза плывущих аллигаторов.



hello_html_m66ca0bb8.jpg


На второй снимке светящиеся глаза ночного животного-лемура.


hello_html_28fee06c.jpg



И, наконец, третье животное, которое нам хорошо известно – кошка. Посмотрите на ее глаза – они тоже светятся.


hello_html_d4c1ecb.png


Впрочем, Вы это и сами наблюдали. Тогда вопрос: почему глаза части животных светятся в темноте?

P.S. Для ответа на указанный вопрос попробуйте почитать литературу по биологии.



ОТВЕТ:

290.У многих животных и особенно у тех, которые ведут ночной образ жизни, под сетчаткой глаза лежит отражательная оболочка ( слой серебристых кристалликов, что придают цвет, например, чешуе рыбы). Цвет отражательной оболочки может быть синеватым, зеленоватым, желтоватым. Этот цвет зависит от различных пигментов.

В обычном глазе свет проходит через хрусталик глаза и попадает на сетчатку без последствий. Отражательная оболочка при тех же условиях отражает попадающий в глаз свет. В этом случае свет служит дважды, что повышает чувствительность глаза. Например, кошка способна ясно видеть окружающий мир при освещении в 6-ть раз меньше, чем нужно человеку. Поэтому глаза животных не излучают свет, а отражают. Более того эффект отражения усиливается вогнутостью отражающей поверхности и природной линзы (хрусталика). Благодаря оптическим свойствам глаза сильный свет, например, фотовспышка, может заметно отразиться даже при отсутствии отражающей поверхности в глазе. В этом случае отблеск глаз будет красного цвета (благодаря цвету кровеносных сосудов сетчатки). По этой причине при фотовспышке не рекомендуется делать фотографии крупным планом, т.к. на цветной пленке будут красные глаза (наверняка Вам приходилось видеть «светящиеся» глаза на части фотографий).



292.В журнале «Наука и жизнь» № 11 за 2008 год под рубрикой «Физпрактикум» было рассказано о двух экспериментах, которые проделал Николай Егорович Жуковский, выдающийся отечественный основоположник гидро – и аэромеханики, «отец русской авиации», как его еще называли. А эксперимент заключался в следующем: он начал вращать руками веревку, на которой были прикреплены первоначально кольцо, а потом палочка. К удивлению слушателей при достаточной скорости вращения вначале кольцо, а потом и палочка начали подниматься и устойчиво вращаться так, что плоскость их вращения стала параллельной земле (см. рисунок).


hello_html_m5c2f1253.jpg


Возникает вопрос: как такое стало возможным?


Подсказка: ответ на вопрос требует дополнительного изучения литературы, выходящей за пределы школьного курса.

Требует дополнительного изучения такие понятия:

  1. Вращательное движение твердого тела.

  2. Понятие свободной оси вращения (главные оси инерции)

  3. Понятие момента инерции вращающегося тела.

  4. Как гимнаст делает прыжок сальто-мортале (см. рисунок), балерина делает пируэт, фигурист вращается с разной угловой скоростью, падающая с высоты кошка приземляется всегда на ноги.




hello_html_m1514f584.jpg


hello_html_mfba19f8.jpg



ОТВЕТ:

292.В любом теле произвольной формы существует 3 взаимно перпендикулярные оси, проходящие через центр масс, как, впрочем, и центр тяжести, которые могут служить свободными осями вращения (их еще называют главными осями инерции). Для тела правильной формы типа параллелепипеда они (оси) выглядят так:


hello_html_m61b9ddbf.jpg

Для однородных тел вращения главные оси инерции представляют собой оси геометрической симметрии.

Так эллипсоид имеет 3-и свободных оси, совпадающие с малой и большой осью эллипсоида (см. рисунок).


hello_html_2d19c272.jpg

Устойчивость вращения вокруг главных осей инерции можно продемонстрировать, вращая различные тела с помощью центробежной машины.

Например, палочка подвешенная за один из концов при малых скоростях вращения вращается в вертикальном положении, т. е. вокруг оси с наименьшим моментом инерции (см. рис.). При возрастании скорости палочка вопреки действию силы тяжести располагается горизонтально и устойчиво вращается вокруг оси с наибольшим моментом инерции (опять см. рис.).

hello_html_1b060251.jpg


Аналогично ведут себя конус и кольцо (см. рис.)


hello_html_b25bdc5.jpg


Установлено, что вращение с наибольшим моментом инерции, наиболее устойчиво (см. описание вращения палочки, кольца и конуса). Это связано с влиянием внешних сил, в частности сил трения, которые создают момент сил относительно центра тяжести. Так вот действие этого момента сил в случае вращения вокруг оси с наибольшим моментом инерции оказывается меньшим.

Ось с наименьшим моментом инерции интересна тем, что относительно ее легче всего создать вращение (см. ситуацию вращения палочки, кольца, конуса в вертикальной плоскости).

Установлено (вспомните 3 свободных оси любого предмета), что при отсутствии внешних сил вращение вокруг главных осей инерции, соответствующих наибольшему и наименьшему моментам инерции, устойчиво. Вращение вокруг главной оси соответствующей среднему моменту инерции неустойчиво. Примером сказанного является следующий рисунок,


hello_html_m63cd9d83.jpg



I 1 I 2 I3

I1= 1,2 кг* м ; I2 = 8 кг* м ; I3 = 2,3кг*м . На приведенных рисунках стрелками указаны оси вращения (иначе говоря, они вращаются вокруг вертикальной оси). Поскольку I3 имеет промежуточное или среднее значение, то вращение это будет наиболее неустойчивым.



293.Почему в грязной луже лед чистый и прозрачный?


ОТВЕТ:

293.Чтобы понять причины явления проведем эксперимент. В пластмассовые стаканчики нальем воды и закрасим ее чернилами, акварельными красками или чайной заваркой. Выставим их на мороз. После великих трудов через некоторое время мы вправе ждать образования в стаканчиках цветного льда. Однако после замерзания воды наши ожидания не оправдаются, так как ледяной цилиндрик будет выглядеть так: в его нижней части образуется абсолютно чистый лед, в его верхней части лед примет окраску воды, но более интенсивный. Дело заключается в следующем. Кристаллы льда с энергетической точки зрения стремятся вырасти правильными, симметричными, без примесей. «Правильная» структура кристалла соответствует минимуму его энергии. А любые примеси искажают кристаллическую решетку и увеличивают ее (энергию). Минимум энергии для любого тела является наиболее устойчивым. Это общеизвестный факт в физике. Стремясь к минимуму энергии, растущие кристаллы вытесняют любые посторонние атомы и молекулы, стараясь строить идеальную решетку пока это возможно. Именно поэтому морской лед пресный, а даже самые грязные лужи покрываются прозрачным и чистым льдом. Как раз на этом свойстве льда основан метод очень качественной очистки воды. Это метод замораживания. Используя его в лабораторных условиях, можно получить воду с чистотой 99,9999% (речь идет о замораживании воды с последующим превращением ее в воду). Если же, используя этот метод, медленно охладить до замерзания сосуд с водой, то получим лед и соответственно воду чистотой уже до 6-ти девяток после запятой (99, 999999%).




















hello_html_m57c561d2.png




hello_html_f07795a.png



57 вебинаров для учителей на разные темы
ПЕРЕЙТИ к бесплатному просмотру
(заказ свидетельства о просмотре - только до 11 декабря)

Автор
Дата добавления 02.10.2015
Раздел Физика
Подраздел Другие методич. материалы
Просмотров176
Номер материала ДВ-026657
Получить свидетельство о публикации

Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.
Специальное предложение
Вверх