Тексты с описанием технических устройств

№1. Текст по разделу «Электродинамика»

Короткое замыкание. Плавкие предохранители

Любое электрическое устройство рассчитывают на определённую силу тока. Во время эксплуатации прибора, если произойдёт увеличение силы тока больше допустимого значения, может возникнуть короткое замыкание. Возрастание силы тока в цепи может произойти при соединении оголённых проводов, при ремонте электрических цепей под током. В любом случае короткое замыкание возникает тогда, когда соединяются концы участков цепи проводником, сопротивление которого мало по сравнению с сопротивлением самого участка цепи. При коротком замыкании резко возрастает сила тока в электрической цепи, что может стать причиной пожара. Чтобы этого не случилось, применяют плавкие предохранители. Плавкие предохранители при возникновении короткого замыкания отключают электрическую цепь.

Главная часть предохранителя – свинцовая проволока, находящаяся в фарфоровой пробке. В зависимости от толщины проволоки, она выдерживает ту или иную силу тока, например, 10 А. Если сила тока превысит допустимое значение, проволока в пробке расплавится, и электрическая цепь разомкнётся. Если перегоревшую проволоку заменить, то плавкий предохранитель можно использовать снова.

Ответьте на вопросы к тексту:

  1. Почему в плавких предохранителях применяют именно свинцовую проволоку?
  2. Где в квартире устанавливают плавкие предохранители?
  3. Имеют ли автономные электрические устройства, например телевизоры, предохранители?
  4. Существуют ли другие конструкции предохранителей?

№3. Текст по разделу «Молекулярная физика»

Тепловая машина
В современной технике механическую энергию в основном получают за счет внутренней энергии топлива. Устройства, в которых происходят преобразование внутренней энергии в механическую, получили название тепловых двигателей. Если в цилиндре есть поршень, который может свободно перемещаться, то можно заставить перемещаться этот поршень за счет расширения газа, т.е. газ совершает работу. В этом случае газ называют рабочим телом. Чтобы двигатель работал непрерывно, необходимо, чтобы поршень после расширения газа каждый раз возвращался в исходное положение, сжимая газ до первоначального положения. Сжатие газа может происходить только под действием внешней силы, который при этом совершает работу. После этого вновь могут происходить процессы расширения сжатия газа. Следовательно, работа теплового двигателя должна состоять из периодически повторяющихся процессов расширения и сжатия.
Рассмотрим принцип работы поршневого двигателя. В таком двигателе рабочим телом является газ, который давит на поршень, вследствие чего поршень перемещается. При расширении газа возникает движение поршня, которое передается валу двигателя с укрепленным на ним маховиком. для сжатия газа поршень должен переместиться под действием внешней силы в противоположном направлении. Это движение совершается за счет кинетической энергии, запасенной маховиком в процессе расширения газа. Билет №3 Тепловая машина
Если работа сжатия газа меньше работы расширения газа, то мы получим полезную работу, т.е. каждому значению объема газа при сжатии должно соответствовать меньшее давление, чем при расширении. давление газа при одном и том же объеме тем меньше, чем ниже его температура. Поэтому газ перед сжатием должен быть охлажден. для этого его необходимо привести в контакт с телом, имеющим более низкую температуру. Это тело называют холодильником.
Нагреватель, рабочее тело и холодильник — основные части теплового двигателя. В координатных осях pV  графически представлен процесс расширения газа (линия АВ) и сжатия до первоначального объема (линия СD).

Ответьте на вопросы:
1. Чему численно равна площади фигуры АВЕF?
2. Чему численно равна площадь фигуры DCEF?
3. Чему численно равна площадь фигуры АВСD?
4. Может ли коэффициент полезного действия тепловой машины быть больше единицы? Ответ обоснуйте.

№7. Текст по разделу «Электродинамика»

Какое хочу, такое и получу

При практическом использовании энергии электрического тока очень часто возникает необходимость изменять напряжение, даваемое каким-либо генератором. В одних случаях нужны напряжения в тысячи или даже сотни тысяч вольт, в других необходимы напряжения в несколько вольт или несколько десятков вольт. Осуществить такого рода преобразования можно в устройствах, которые называются трансформаторами. В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции. Трансформатор состоит из двух обмоток, надетых на магнитомягкий стальной сердечник. Сердечник собран из пластин. Одна из обмоток, называемая первичной, подключается к источнику переменного тока. Вторая обмотка, к которой подсоединяется «нагрузку», называют вторичной.Билет №7 трансформатор

Для трансформаторов, работающих на холостом ходу, справедливо соотношение U₁⁄U₂=N₁⁄N₂=K, где U₁ и U₂ — напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора, а N₁ и N₂ — число витков на первичной и вторичной обмотках трансформатора. Величину K называют коэффициентом трансформации. Трансформатор преобразует переменный электрический ток таким образом, что произведение силы тока на напряжение приблизительно одинаково в первичной и вторичной обмотках.

Электрическая энергия – самая универсальная и удобная форма энергии для передачи на большие расстояния. Удвоение потребления электроэнергии происходит в среднем за 10 лет. Это означает, что роль трансформаторов, как повышающих, так и понижающих будет возрастать.

Ответьте на вопросы:

  1. В чем заключается явление электромагнитной индукции?
  2. Может ли трансформатор работать от постоянного тока?
  3. Каковы потери передаваемой мощности в трансформаторах?
  4. Почему сердечник трансформатора набирается из пластин?

№9. Текст по разделу Механика»

От Галилея до современности

Маятник обладает удивительным свойством – оно казалось удивительным Галилею, измерявшему время по числу биений пульса, оно кажется таким же и современному человеку, пользующемуся секундомером. Заключается оно в том, что колебания маятника и с малой амплитудой и с большей амплитудой совершаются практически за одно и то же время. Если сначала колебания происходят с очень большим отклонением, скажем на 80º от вертикали, то при затухании колебаний до 60…40…20º период уменьшится лишь на несколько процентов; а при уменьшении отклонений от 20º до едва заметного период изменяется меньше чем на 1%. При отклонениях меньше 5º период остаётся неизменным с точностью до 0,05%.

Это свойство маятника оказалось не только удивительным, но и полезным. Галилей предложил использовать маятник в качестве регулятора в часах. Лишь столетие спустя после Галилея часы с маятниковым регулятором вошли в обиход. Однако мореплаватели нуждались в точных часах для измерения долготы на море. Была объявлена премия за создание морских часов, которые позволяли бы измерять время с достаточной точностью. Премию получил Гариссон за хронометр, в котором для регулирования хода использовалось маховое колесо (баланс) и специальная пружина.

Свойство независимости периода колебаний маятника от амплитуды называется изохронностью.

Ответьте на вопросы:

  1. Одинакова ли скорость движения маятника?
  2. Постоянно ли ускорение при движении маятника?
  3. От чего зависит период маятника?
  4. В чем заключается свойство изохронности?

№10. Текст по разделу «Электродинамика»

Действие магнитного поля на проводник с током

Воспользуемся магнитным полем дугообразного магнита, а электрическую цепь соберём согласно рисунку.Билет №10 к тексту Действие магнитного поля на проводник с током

Проводник АВ представляет собой прямолинейный участок цепи, находящийся в магнитном поле дугообразного магнита. При пропускании электрического тока наблюдается отклонение проводника с током в магнитном поле. Меняя направление тока, можно наблюдать изменение направления отклонения проводника с током в магнитном поле.

В 1820г. французский физик Ампер экспериментально установил, от каких физических величин зависит эта сила.

Сила, с которой магнитное поле действует на помещенный в него отрезок проводника с током, равна произведению силы тока, модуля вектора магнитной индукции, длины отрезка проводника и синуса угла между направлениями тока и магнитной индукции: F=IBΔℓsinα.

Существует правило, по которому определяется направление силы Ампера. Если в магнитном поле будет находиться рамка с током, то на неё действует пара сил, которая создаёт вращающий момент для рамки: М=ISBsinα.Билет №10 к тексту Действие магнитного поля на проводник с током..

Поворот рамки с током в магнитном поле используют в электроизмерительных приборах магнитоэлектрической системы, например в амперметрах. В магнитном поле между постоянным магнитом и цилиндром из мягкого железа располагается катушка, способная вращаться вокруг горизонтальной оси. При такой конструкции вращающий момент, действующий на катушку, максимален. Вращающий момент пропорционален силе измеряемого тока и числу витков в катушке. Измеряемая сила тока прямо пропорциональна углу отклонения стрелки.

Ответьте на вопросы:

  1. Почему магнитное поле действует на проводник с током?
  2. Правило левой руки для силы Ампера?
  3. В каких единицах измеряют магнитную индукцию?
  4. Можно ли использовать поворот рамки с током в магнитном поле? Как называют эти приборы?

№11. Текст по разделу «Квантовая физика и элементы астрофизики»

Пока еще не доступная энергия

При слиянии лёгких ядер выделяется энергия. Как научиться управлять этой энергией? Задача состоит в том, чтобы, преодолев электрическое отталкивание, сблизить лёгкие ядра на достаточно близкое расстояние друг от друга, где уже начинают действовать между ними ядерные силы притяжения. Если бы можно было заставить два протона и два нейтрона объединиться в ядро атома гелия – или же четыре протона с соответствующими превращениями, — то при этом выделилась бы огромная энергия. Заставить сблизиться ядра можно с помощью нагревания до высоких температур, когда в результате обычных столкновений ядра могут сблизиться на столь малые расстояния, чтобы ядерные силы вступили в реакцию, и произошёл синтез. Начавшись, процесс синтеза, по-видимому, сможет дать такое количество теплоты, которое нужно для поддержания высокой температуры, необходимых для дальнейших слияний ядер. Этот многостадийный процесс «горения» водорода, в результате которого происходит синтез ядер гелия, является источником непрерывного потока солнечной радиации. Проблема использования синтеза ядер в мирных целях, например для производства электрической энергии, упирается в очень трудную проблему удержания реакции. Газ должен быть раскалён до температуры порядка 50 000 000ºС, и любая твёрдая оболочка, соприкоснувшись с ним, обратится в пар. Если к тому же при синтезе выделяется полезное тепло, то задача удержания реакции ещё более усложняется.

В настоящее время ведутся исследования по удержанию реагирующих веществ с помощью электромагнитного поля. Можно подвешивать в воздухе магнит с помощью других магнитов, хотя такое равновесное положение и является неустойчивым. Если пропускать ток достаточно большой силы через газ, то образуются потоки электронов и положительных ионов, движущихся навстречу друг другу. Под действием магнитного поля, которое окружает ток, такой поток движущихся зарядов будет сжиматься в узкий шнур. В этом заключается так называемый пинч-эффект. Пинч-эффект и силы, создаваемые магнитными полями, меняющимися по определённому закону, можно использовать для удержания плазмы – смеси быстро движущихся ядер и электронов в «магнитной бутылке», где происходит реакция синтеза.

Ответьте на вопросы:

  1. Что означает слово синтез?
  2. Всегда ли при ядерной реакции выделяется энергия?
  3. Что такое плазма?
  4. Каковы проблемы управления термоядерным синтезом?

№15. Текст по разделу «Механика»

Опыт Джоуля.

В начале прошлого века английский учёный д.Джоуль впервые установил закон сохранения энергии. Ему удалось экспериментально доказать, что механическая энергия переходит в тепловую, тепловая в механическую в эквивалентных соотношениях. Баланс сходится всюду: химическая энергия превращалась в тепловую или сначала в электрическую, а затем в тепловую, электрическая энергия в химическую, а затем в тепловую. Многочисленные опыты проверялись и перепроверялись. Перед вами описание опыта, проведённого Джоулем, по измерению перехода потенциальной энергии силы тяжести в тепловую при падении свинцовой дроби. Горсть свинцовой дроби помещалась в закрытую картонную трубку и быстро переворачивалась так, чтобы дробь пролетела всю высоту трубки. Трубку резко переворачивали подряд порядка 50 раз. После этого дробь высыпали в картонный стаканчик. Ртутным термометром измеряли температуру дроби до и после опыта. При каждом переворачивании трубки дробь приобретает потенциальную энергию за счёт переворачивания. При падении  дроби её потенциальная энергия превращается в кинетическую, которая при неупругом ударе о дно картонной трубки переходит в теплоту.

Можно рассчитать полную потенциальную энергию и количество теплоты, полученное дробью в конце опыта. Это очень неточный эксперимент и его можно усовершенствовать. В промышленности используют потенциальную энергию поднятого молота при штамповке деталей из металла и пластмасс, а также при ковке деталей на кузнечных молотах.

Ответьте на вопросы к тексту:

  1. Почему не обязательно в этом опыте измерять массу дроби?
  2. Когда дробь заканчивает своё движение, почему дно трубки должно находиться на твёрдой поверхности?
  3. Почему Джоуль пришёл к выводу, что оптимальное число переворотов трубки 50?
  4. Как можно усовершенствовать опыт?

№19. Текст по разделу «Квантовая физика и элементы астрофизики»

Центрифугирование

Разделение изотопов (например, извлечение Li-6, U-235, D) всегда сопряжено  со значительными трудностями, так как изотопы, представляющие собой чуть различающиеся по массе вариации одного элемента, химически ведут себя практически одинаково. Но скорость прохождения некоторых реакций отличается в зависимости от изотопа элемента. Но различия в поведении изотопов настолько малы, что за одну стадию разделения вещество обогащается за сотые доли процента и повторять процесс разделения приходится огромное число раз.

На производительность подобной каскадной системы влияют две причины: степень обогащения на каждой из ступеней и потери искомого изотопа в отходном потоке. Поясним второй фактор. На каждой из стадий обогащения поток разделяется на две части – обогащённую и обеднённую нужным изотопом. Поскольку степень обогащения крайне низка, суммарная масса изотопа в отработанной породе может легко превысить его массу в обогащённой части. Для исключения такой потери ценного сырья обеднённый поток каждой последующей ступени попадает снова на вход предыдущей. Существует несколько методов разделения изотопов. В любом случае количество произведённого обогащенного материала зависит от желаемой степени обогащения и обеднения выходных потоков. Если исходное вещество имеется в большом количестве и дёшево, то производительность каскада можно увеличить за счёт отбрасывания вместе с отходами и большого количества неизвлечённого полезного элемента (пример – производство дейтерия из обычной воды). Эффективность различных методов разделения зависит также от свойств исходного вещества. Технология газового центрифугирования впервые была разработана в Германии во время второй мировой войны и в начале 60-х годов получила промышленное применение. Если газообразную смесь изотопов пропускать через высокоскоростные центрифуги, то при вращении произойдёт разделение изотопов по массе: лёгкие и тяжёлые частицы будут вращаться в разных слоях, где их можно будет собрать. Центрифуга одинаково хорошо работает и с лёгкими и с тяжёлыми элементами. Степень разделения пропорциональна квадрату отношения скорости вращения к скорости молекул в газе.

Поэтому желательно, как можно быстрее раскрутить центрифугу. Типичные скорости вращения центрифуг от 250 до 600 м/с. Этот метод имеет уменьшенное энергопотребление, большую лёгкость в наращивании мощности. В настоящее время газовое центрифугирование – основной метод разделения изотопов.

Ответьте на вопросы к тексту:

  1. Где находят применение изотопные технологии?
  2. Как используют изотопы в медицине?
  3. За счёт какого действия происходит разделение изотопов в центрифуге?
  4. Какие методы разделения изотопов вы ещё знаете?

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *