Задание 18. Работа с текстом физического содержания

Эхолот

Чтобы измерить глубину под судном, пользуются эхолотом. Прибор посылает вниз короткий звуковой импульс и засекает время до возвращения отражённого сигнала. Звук в морской воде распространяется со скоростью около 1500 м/с — примерно вчетверо быстрее, чем в воздухе. За время между посылкой и приёмом импульс успевает пройти путь до дна и обратно, поэтому глубина вдвое меньше этого пути. Точность эхолота падает там, где вода неоднородна: слои разной солёности и температуры имеют разную скорость звука, и импульс частично преломляется. На мелководье прибор мешает сам себе — отражённый сигнал приходит раньше, чем закончился посланный.

Биметаллическая пластина

Биметаллическая пластина — это две тонкие полоски разных металлов, сваренные по всей длине. При нагревании металлы расширяются неодинаково: один удлиняется сильнее другого. Разъединиться полоски не могут, поэтому пластина изгибается в сторону того металла, который расширяется меньше. Чем сильнее нагрев, тем больше изгиб. На этом основаны тепловые реле: изогнувшаяся пластина размыкает контакт и выключает нагреватель, а остыв, распрямляется и включает его снова. Так работает терморегулятор утюга и защитное реле в электрочайнике. Если пластину охладить ниже начальной температуры, она изогнётся в противоположную сторону.

Плавкий предохранитель

Плавкий предохранитель — короткий отрезок тонкой проволоки, включённый в цепь последовательно с нагрузкой. Сопротивление этого отрезка заметно больше, чем у остальной проводки, а сечение намного меньше. По закону Джоуля — Ленца количество теплоты, выделяемое участком цепи, пропорционально квадрату силы тока и сопротивлению участка. Поэтому при перегрузке проволочка нагревается быстрее всей остальной цепи и расплавляется, разрывая её. Ток прекращается раньше, чем успевает загореться изоляция проводов. Номинал предохранителя подбирают чуть выше рабочего тока нагрузки: слишком «толстый» не сработает вовремя, слишком «тонкий» будет перегорать без причины.

Термос

Термос состоит из двух колб, вставленных одна в другую. Воздух из промежутка между ними откачан, а обращённые внутрь поверхности колб зеркальные. Теплопроводность через откачанный промежуток почти нулевая: передавать энергию от частицы к частице там просто нечему. Конвекция тоже невозможна — нет вещества, которое двигалось бы струями. Остаётся излучение, и с ним борется зеркальный слой: он отражает тепловые лучи обратно внутрь. Колбы соприкасаются только у горлышка, и через эту узкую перемычку уходит небольшая часть энергии. Пробку делают из пластмассы с низкой теплопроводностью.

Оптическое волокно

Оптическое волокно — тонкая стеклянная нить из сердцевины и оболочки с меньшей оптической плотностью. Луч, вошедший в сердцевину под небольшим углом к её оси, доходит до границы с оболочкой и полностью отражается обратно внутрь: при переходе в среду с меньшей оптической плотностью, начиная с некоторого угла падения, преломлённого луча не возникает вовсе. Отражаясь от стенок сотни тысяч раз, свет проходит по волокну десятки километров и почти не теряет яркости. Волокно можно изгибать: пока изгиб плавный, угол падения остаётся достаточно большим. На резком перегибе часть света всё же выходит наружу, и сигнал слабеет.

Гидравлический тормоз

В гидравлическом тормозе автомобиля усилие от педали передаётся к колёсам жидкостью. Педаль давит на поршень небольшой площади в главном цилиндре, и в жидкости возникает давление. По закону Паскаля жидкость передаёт это давление во все стороны без изменения, поэтому на поршни у колёс действует то же самое давление. Площадь этих поршней больше площади главного, и создаваемая ими сила во столько же раз больше силы на педали. Выигрыша в работе при этом нет: большой поршень проходит меньший путь. Попавший в систему воздух делает тормоз мягким и опасным — газ, в отличие от жидкости, заметно сжимается.

Радиационный фон

Естественный радиационный фон есть везде. Его создают космические лучи, радиоактивные ядра в горных породах и строительных материалах, а также радон — тяжёлый газ, который просачивается из земли и накапливается в подвалах и плохо проветриваемых помещениях. Регистрируют излучение счётчиком Гейгера: попавшая в него частица ионизирует газ, и в счётчике проскакивает разряд, который прибор считает. Альфа-излучение задерживается листом бумаги и снаружи до счётчика почти не доходит, зато опасно при попадании внутрь организма. Гамма-излучение проникает сквозь метровый слой бетона, и защищаются от него толстым слоем свинца.

Магнитное поле Земли

Земля ведёт себя как огромный магнит: вблизи географического северного полюса находится южный магнитный полюс, и именно поэтому северный конец стрелки компаса указывает на север. Линии магнитного поля выходят из одного полюса и входят в другой, образуя вокруг планеты защитную оболочку. Заряженные частицы, летящие от Солнца, в этом поле отклоняются и не попадают прямо на поверхность. У полюсов линии поля почти вертикальны, частицы уходят по ним вглубь атмосферы и заставляют воздух светиться — так возникает полярное сияние. Вблизи залежей железной руды стрелка компаса отклоняется от обычного направления: местное поле накладывается на земное.

Соль на зимней дороге

Зимой дороги посыпают технической солью. Растворяясь в плёнке воды на асфальте, соль понижает температуру замерзания раствора: чистая вода превращается в лёд при 0 °C, а насыщенный солевой раствор остаётся жидким и при −20 °C. Лёд, оказавшийся в контакте с солью, начинает плавиться, а на плавление нужна энергия — её забирают у самого льда и асфальта, и они слегка остывают. При очень сильном морозе соль перестаёт помогать: раствор нужной концентрации уже не образуется, и вода просто замерзает вместе с солью. Поэтому в северных районах вместо соли используют песок и гранитную крошку, которые лёд не плавят, а лишь увеличивают трение.

Ветрогенератор

Ветрогенератор превращает кинетическую энергию движущегося воздуха в электрическую. Лопасти раскручиваются набегающим потоком и вращают ротор генератора, в обмотках которого при изменении магнитного потока возникает индукционный ток. Кинетическая энергия потока зависит от квадрата скорости ветра, поэтому вдвое более сильный ветер несёт вчетверо больше энергии на каждый килограмм воздуха. Именно из-за этого площадки для ветроэлектростанций ищут в открытых местах: холм или лес перед установкой снижают скорость потока. При слишком сильном ветре генератор останавливают: нагрузка на лопасти растёт быстрее, чем полезная мощность.

Подводная лодка

Подводная лодка погружается и всплывает, меняя собственный вес. Внутри прочного корпуса есть балластные цистерны: чтобы уйти под воду, их заполняют забортной водой, и вес лодки становится больше выталкивающей силы. Чтобы всплыть, воду вытесняют из цистерн сжатым воздухом, вес уменьшается, и архимедова сила поднимает лодку. Объём корпуса при этом почти не меняется, значит не меняется и выталкивающая сила при полном погружении — она зависит только от объёма вытесненной воды и от плотности воды. На большой глубине давление воды достигает десятков атмосфер, и корпус делают из толстой стали.

Громоотвод

Громоотвод — это заострённый металлический стержень на крыше, соединённый толстым проводником с закопанной в землю пластиной. Заряды, накопившиеся на здании и на остриё, стекают с острия в воздух, поэтому разность потенциалов между тучей и зданием растёт медленнее. Если разряд всё-таки происходит, он идёт по пути наименьшего сопротивления — по металлическому стержню и проводнику в землю, минуя стены и проводку. Сечение проводника берут с запасом: ток молнии достигает десятков тысяч ампер, и тонкий провод просто испарился бы. Заземляющая пластина должна лежать во влажном грунте: сухая земля проводит ток плохо.