ИСКУССТВЕННЫЕ СПУТНИКИ ЗЕМЛИ

При каких условиях движущееся тело становится ИСЗ ?

Как обычный камень превратить в искусственный спутник Земли?
Брось камень с силой вперед! - он пролетит некоторое расстояние и упадет на землю.

Брось еще раз , но размахнись сильнее!- камень пролетит дальше, но все равно упадет на землю.

Если бы не мешало сопротивление воздуха, и ты смог бы придать камню достаточную скорость то, обогнув Землю, он стукнул бы тебя в спину!

Значит, чтобы тело стало искусственным спутником Земли, необходимо вывести (поднять) его за пределы плотных слоев атмосферы, и придать ему достаточную начальную скорость.

При отсутствии сопротивления воздуха и достаточной начальной скорости брошенное тело будет описывать круговую траекторию вокруг Земли на одной и той же высоте и станет ИСЗ.

Движение ИСЗ -свободное падение, т.е. движение только под действием силы тяжести

Минимальная высота подъема ИСЗ над Землей, где отсутствует сопротивление воздуха -около 300 км

1-ая космическая скорость - около 7,9 км/c - ИСЗ вращается по орбите вокруг Земли.
2-ая космическая скорость - около11,2 км/с - ИСЗ покидает орбиту Земли и начинает вращение вокруг Солнца( становится спутником Солнца).
3-ья космическая скорость - около 16,7 км/с - ИСЗ покидает пределы Солнечной

КРИВОЛИНЕЙНОЕ ДВИЖЕНИЕ

Траекторию криволинейного движения чаще всего можно представить как совокупность отрезков дуг окружностей разного радиуса.

Криволинейное движение - это всегда движение с ускорением под действием силы, при этом вектор скорости непрерывно меняется по направлению.

Условие криволинейного движения: вектор скорости тела и действующей на него силы направлены вдоль пересекающихся прямых.

В то время, как при прямолинейном движени, вектора скорости и силы сонаправлены.

РАВНОМЕРНОЕ ДВИЖЕНИЕ ТЕЛА ПО ОКРУЖНОСТИ

Различают:

- криволинейное движение с постоянной по модулю скоростью;
- движение с ускорением , т.к. скорость меняет направление.

Центростремительное ускорение - ускорение, с которым тело движется по окружности с постоянной по модулю скоростью, всегда направлено вдоль радиуса окружности к центру.

Центростремительная сила - сила, действующая на тело при криволинейном движении в любой момент времени, всегда направлена вдоль радиуса окружности к центру ( как и центростремительное ускорение)

ТЕРМОЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ

Реакция слияния легких ядер при очень высокой температуре, сопровождающаяся выделением энергии, называется термоядерной реакцией.

Для слияния необходимо, чтобы расстояние между ядрами приблизительно было равно 0,000 000 000 001 см. Однако этому препятствуют кулоновские силы. Они могут быть преодолены при наличии у ядер большой кинетической энергии. Особенно большое практическое значение имеет то, что при термоядерной реакции на каждый нуклон выделяется намного больше энергии, чем при ядерной реакции, например, при синтезе ядра гелия из ядер водорода выделяется энергия, равная 6 МэВ, а при делении ядра урана на один нуклон приходится »0,9 МэВ.
Управляемая термоядерная реакция - энергетически выгодная реакция. Однако она может идти лишь при очень высоких температурах (порядка несколько сотен млн. градусов). При большой плотности вещества такая температура может быть достигнута путем создания в плазме мощных электронных разрядов. При этом возникает проблема - трудно удержать плазму. Самоподдерживающиеся термоядерные реакции происходят в звездах.

В настоящее время в России и ряде других стран ведутся работы по осуществлению управляемой термоядерной реакции.

___

Энергетический кризис стал реальной угрозой для человечества. В связи с этим ученые предложили добывать изотоп тяжелого водорода - дейтерий - из морской воды и подвергать реакции ядерного расплава при температурах около 100 миллионов градусов Цельсия. При ядерном расплаве дейтерий, полученный из одного килограмма морской воды будет способен произвести столько же энергии, сколько выделяется при сжигании 300 литров бензина

ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР

Ядерный реактор - это установка, в которой осуществляется управляемая цепная реакция деления тяжелых ядер. При этом высвобождается огромное количество ядерной энергии.

Ядерный реактор состоит из активной зоны и отражателя. Активная зона содержит ядерное топливо и замедлитель. Топливные элементы обычно имеют вид стержней. Вдоль топливных элементов двигается теплоноситель - вода, которая забирает выделяемое тепло.Внутренняя энергия атомных ядер переходит во внутреннюю энергию окружающей среды. Нагретая в активной зоне вода двигается по первичному контуру циркуляции за счет работы насосов и, проходя через теплообменник, либо парогенератор, отдает тепло во вторичный - внешний контур.
Вода во вторичном контуре, получившая энергию в теплообменнике и доведенная до сотояния пара (температура такого пара может достигать 540 градусов), крутит турбину.Турбина вращает ротор генератора, превращая внутреннюю энергию пара в электрическую энергию. Перенос тепла можно представить в виде простой схемы:

Ядерное топливо - это природный изотоп урана - 235 или искусственно получаемые в ядерном реакторе изотопы плутония-239 и урана -233.

Итак, в активной зоне ядерного реактора идет управляемая ядерная реакция с выделением большого количество энергии.

ЭТО ИНТЕРЕСНО !

Топливом ядерных реакторов является либо естественный уран, в котором концентрация урана-235 составляет 0,7 % либо "обогащенный" уран т.е. уран, в котором концентрация изотопов урана-235 достигает 2 - 4 или более процентов. Обогащение урана осуществляется на специальных заводах..

___

Первый ядерный реактор был построен в 1942 году в США под руководством Э. Ферми.
В нашей стране первый реактор был построен в 1946 году под руководством И. В. Курчатова

ЯДЕРНАЯ ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ

В основе работы ядерного реактора на атомных электростанциях лежит возможность цепной реакции деления ядер урана.Цепная реакция - процесс при котором определенная реакция вызывает последующие реакции
такого же типа, т.е. возникает лавинообразный процесс.
Почему ЦЕПНАЯ ?
При делении ядер урана образующиеся нейтроны встречают в куске урана на своем пути другие ядра урана и реакция продолжается .

Цепная реакция может:1. нарастать лавинообразно ( характер взрыва) - в атомной бомбе;
2. может прекратиться ( затухнуть) -мала масса урана;
3. может быть управляемой - на атомных электростанциях.
Что же необходимо предпринять, чтобы управлять ходом цепной реакции?
1. контроль массы урана ( должна быть = критической массе);
2. использование отражающей оболочки;
3. использование замедлителя нейтронов;
4. контроль примесей других хим. элементов в массе урана.
Критическая масса - наименьшая масса при которой возможно протекание ядерной реакции.
При массе урана ниже критической цепная реакция невозможна.
Итак, в активной зоне ядерного реактора идет управляемая ядерная реакция с выделением большого количество энергии.

ЗНАЕШЬ ЛИ ТЫ ?

Ядерная энергетика деления основана на делении тяжелых ядер нейтронами. В природе есть лишь один изотоп урана, способный делиться под действием нейтронов любых энергий - уран 235.
В природном уране уран 235 составляет лишь 0,7%, а уран238 поглощает нейтроны без деления.

При делении ядер урана выделяется 200 Мэв. При полном делении всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется такая же энергия, как и при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти.

ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ И ДЕФЕКТ МАСС

1. Для расщепления ядра атома на отдельные свободные нуклоны ему необходимо сообщить дополнительную энергию.
2. При образовании ядра атома из свободных нуклонов энергия выделяется..

ДЕФЕКТ МАСС

Запомни! Масса ядра всегда меньше суммы масс свободных нуклонов.
Дефект масс - недостаток массы ядра по сравнению с суммой масс свободных нуклонов

Расчетная формула для дефекта масс:

где М я - масса ядра
( Z x m p + N x mn ) - сумма масс свободных нуклонов, сливающихся в ядро
Z- число протонов
mp -масса свободного протона
N - число нейтронов
mn - масса свободного нейтрона

ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ

- минимальная энергия, необходимая для расщепления ядра на свободные нуклоны;
или
- энергия, выделяющаяся при слиянии свободных нуклонов в ядро.

Расчетная формула для энергии связи:

(с - скорость света в вакууме)
Справочные данные, необходимые для расчета энергии связи и дефекта масс
( смотри параграф учебника и кл. тетрадь, а также таблицу на стр. 165 зад.Рымкевича):
масса свободного протона,
масса свободного нейтрона,
масса ядра атома,
коэффициент перевода 1 а.е.м.

 

СОСТАВ АТОМНОГО ЯДРА

Ядро атома состоит из нуклонов, которые подразделяются на протоны и нейтроны.

Символическое обозначение ядра атома:

А- число нуклонов, т.е. протонов + нейтронов ( или атомная масса )
Z- число протонов ( равно числу электронов )
N- число нейтронов ( или атомный номер )
N = A - Z

ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ

- действуют между всеми нуклонами в ядре;
- силы притяжения;
- короткодействующие.
Нуклоны притягиваются друг к другу ядерными силами, которые совершенно непохожи ни на гравитационные, ни на электростатические. . Ядерные силы очень быстро спадают с расстоянием. Радиус их действия порядка 0,000 000 000 000 001 метра.
Для этой сверхмалой длины, характеризующей размеры атомных ядер, ввели специальное обозначение - 1 Фм ( в честь итальянского физика Э. Ферми, 1901-1954). Все ядра имеют размеры нескольких ферми. Радиус ядерных сил равен размеру нуклона, поэтому ядра - сгустки очень плотной материи. Возможно, самой плотной в земных условиях.
Ядерные силы - сильные взаимодействия. Они многократно превосходят кулоновскую силу (на одинаковом расстоянии). Короткодействие ограничивает действие ядерных сил. С ростом числа нуклонов ядра становятся неустойчивыми, и поэтому большинство тяжелых ядер радиоактивны, а совсем тяжелые вообще не могут существовать.
Конечное число элементов в природе - следствие короткодействия ядерных сил.

ЗНАЕШЬ ЛИ ТЫ ?

В середине XX века теория ядра предсказала существование стабильных элементов с порядковыми номерами Z = =110 -114.
В Дубне был получен 114-й элемент с атомной массой А = 289, который "жил" всего 30 секунд, что невероятно долго для атома с ядром такого размера.
Сегодня теоретики уже обсуждают свойства сверхтяжелых ядер массой 300 и даже 500.
___
Атомы с одинаковыми атомными номерами называют изотопами: в таблице Менделеева
они расположены в одной клеточке (по-гречески изос - равный, топос - место).
Химические свойства изотопов почти тождественны.
Если элементов всего в природе - около 100, то изотопов - более 2000. Многие из них неустойчивы, то есть радиоактивны, и распадаются, испуская различные виды излучений.
Изотопы одного и того же элемента по составу отличаются лишь количеством нейтронов в ядре.

Изотопы водорода.

___
Если удалить пространство из всех атомов человеческого тела, то то, что останется, сможет пролезть в игольное ушко.

РАДИОАКТИВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ

Э. Резенфорд вместе с с английским радиохимиком Ф. Содди доказал, что радиоактивность сопровождается самопроизвольным превращением одного химического элемента в другой.
Причем в результате радиоактивного излучения изменения претерпевают ядра атомов химических элементов.

ОБОЗНАЧЕНИЕ ЯДРА АТОМА

ИЗОТОПЫ

Среди радиоактивных элементов были обнаружены элементы, неразличимые химически, но разные по массе. Эти группы элементов были названы "изотопами" ("занимающими одно место в табл. Менделеева") . Ядра атомов изотопов одного и того же химического элемента различаются числом нейтронов.
В настоящее время установлено, что все химические элементы имеют изотопы.
В природе все без исключения химические элементы состоят из смеси нескольких изотопов, поэтому в таблице Менделеева атомные массы выражены дробными числами.
Изотопы даже нерадиоактивных элементов могут быть радиоактивны.

Кстати, а помнишь ли ты таблицу Менделеева?
Если нет "под рукой", смотри здесь - нажми!

АЛЬФА - РАСПАД

-альфа-частица (ядро атома гелия)
- характерен для радиоактивных элементов с порядковым номером больше 83.- обязательно выполняется закон сохранения массового и зарядового числа.
- часто сопровождается гамма-излучением.

Реакция альфа-распада:

При альфа-распаде одного химического элемента образуется другой химический элемент, который в таблице Менделеева расположен на 2 клетки ближе к её началу, чем исходный.
Физический смысл реакции:
в результате вылета альфа-частицы заряд ядра уменьшается на 2 элементарных заряда
и образуется новый химический элемент.

Правило смещения:

При бета-распаде одного химического элемента образуется другой элемент, который расположен в таблице Менделеева в следующей клетке за исходным (на одну клетку ближе к концу таблицы).

БЕТА - РАСПАД

- бета-частица (электрон).
- часто сопровождается гамма-излучением.
- может сопровождаться образованием антинейтрино
( легких электрически нейтральных частиц, обладающих большой проникающей способностью).
- обяэательно должен выполняться закон сохранения массового и зарядового числа.

Реакция бета-распада:

Физический смысл реакции:

нейтрон в ядре атома может превращаться в протон, электрон и антинейтрино,
в результате ядро излучает электрон.

Правило смещения:

РАДИОАКТИВНОСТЬ

В 1896 г. французский физик А. Беккерель, изучая явление люминесценции солей урана,
установил, что уран испускает лучи неизвестного типа.
Таким образом, А.Беккерель обнаружил явление радиоактивности, т.е. способность некоторых химических элементов самопроизвольно испускать радиоактивные лучи.
1897-98 г.физик Мария Склодовская-Кюри обнаружила аналогичное излучение у тория и, исследуя урановые руды, открыла новые радиоактивные химические элементы: полоний, радий.
Позднее было установлено, что все химические элементы, начиная с порядкового номера 83, являются радиоактивными.
1899г. - Английский физик Э.Резерфорд в результате проведенных опытов открыл
неоднородность радиоактивного излучения.

Опыт Резерфорда.

В магнитном поле поток радиоактивного излучения распадается на 3 составляющих: альфа- лучи, бета-лучи и гамма-лучи.

Явление радиоактивности свидетельствовало о сложном строении атома.

СТРОЕНИЕ АТОМА

Модель атома Томсона.

1896г. -Дж.Дж.Томсон - выдающийся ученый, директор знаменитой Кавендишской лаборатории,
лауреат Нобелевской премии. открыл электрон.

1903г. - Дж.Дж.Томсон выдвинул гипотезу о том, что электрон находится внутри атома.
Но атом в целом нейтральный, поэтому ученый предположил, что отрицательные электроны окружены в атоме положительно заряженным веществом. Атом, по мысли Дж. Томсона, очень похож на "пудинг с изюмом", где "каша" - положительно заряженное вещество атома., а электроны- " изюм" в ней.
( см. эдесь)

Опыт Резерфорда по рассеянию альфа-частиц.

3.1911г. - Э. Резерфорд ставит опыт по рассеянию альфа-частиц. Пучок aльфа-частиц пропускался через тонкую золотую фольгу.

Золото было выбрано как очень пластичный материал, из которого можно получить фольгу толщиной практически в один атомный слой.

Некоторые альфа-частицы проходили сквозь фольгу, образуя на экране размытое пятно, а следы от других альфа-частиц были зафиксированы на боковых экранах.

Опыт показал, что положительный заряд атома сконцентрирован в очень малом объеме - ядре,
а между ядрами атомов существуют большие промежутки.
Резерфорд показал, что модель Томсона находится в противоречии с его опытами.

Ядерная ( планетарная ) модель строения атома Резерфорда.

1911г. - Резерфорд предложил современную ядерную (планетарную) модель строения атома

Резерфорд шел к своему открытию строения атома в течение 5 лет. Долгих пять лет проводил он опыты по исследованию строения атома.

Резерфорд установил, что:
Атом имеет в центре ядро, размеры которого во много раз меньше размеров самого атома .
Вокруг ядра по орбитам движутся электроны.
Почти вся масса атома сконцентрирована в его ядре.
Суммарный отрицательный заряд всех электронов равен суммарному положительноиу заряду ядра атома и компенсирует его.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ

- это порождающие друг друга переменные электрические и магнитные поля.
Теория электромагнитного поля создана Джеймсом Максвеллом в 1865 г.
Он теоретически доказал, что:
любое изменение со временем магнитного поля приводит к возникновению изменяющегося электрического поля, а всякое изменение со временем электрического поля порождает изменяющееся магнитное поле.
Если электрические заряды движутся с ускорением, то создаваемое ими электрическое поле периодически меняется и само создает в пространстве переменное магнитное поле и т.д.
Источниками электромагнитного поля могут быть:
- движущийся магнит;
- электрический заряд, движущийся с ускорением или колеблющийся ( в отличие от заряда движущегося с постоянной скоростью, например, в случае постоянного тока в проводнике, здесь создается постоянное магнитное поле).
Электрическое поле существует всегда вокруг электрического заряда, в любой системе отсчета, магнитное – в той, относительно которой электрические заряды движутся,
электромагнитное – в системе отсчета, относительно которой электрические заряды движутся с ускорением.

ПОПРОБУЙ РЕШИ !

Кусок янтаря потёрли о ткань, и он зарядился статическим электричеством. Какое поле можно обнаружить вокруг неподвижного янтаря? Вокруг движущегося?
___

Заряженное тело покоится относительно поверхности земли. Автомобиль равномерно и прямолинейно движется относительно поверхности земли. Можно ли обнаружить постоянное магнитное поле в системе отсчета, связанной с автомобилем?
___

Какое поле возникает вокруг электрона, если он: покоится; движется с постоянной скоростью; движется с ускорением?
___

В кинескопе создаётся поток равномерно движущихся электронов. Можно ли обнаружить магнитное поле в системе отсчёта, связанной с одним из движущихся электронов?

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

- это электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью,
зависящей от свойств среды.


Свойства электромагнитных волн:-распространяются не только в веществе, но и в вакууме;
- распространяются в вакууме со скоростью света ( С = 300 000 км/c);
- это поперечные волны;
- это бегущие волны (переносят энергию).

Источником электромагнитных волн являются ускоренно движущиеся электрические заряды.
Колебания электрических зарядов сопровождаются электромагнитным излучением, имеющим частоту, равную частоте колебаний зарядов.

ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

Все окружающее нас пространство пронизано электромагнитным излучением. Солнце, окружающие нас тела, антенны передатчиков испускают электромагнитные волны, которые в зависимости от их частоты колебаний носят разные названия.
Метры

Радиоволны—это электромагнитные волны (c длиной волны от более чем 10000м до 0,005м), служащие для передачи сигналов (информации) на расстояние без проводов.
В радиосвязи радиоволны создаются высокочастотными токами, текущими в антенне.
Радиоволны различной длины распространяются по-разному.
___
Электромагнитные излучения с длиной волны, меньшей чем 0,005м, но большей чем 770 нм, т. е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением (ИК).Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источниками инфракрасного излучения служат печи, батареи водяного отопления, электрические лампы накаливания. С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображения нагретых предметов в полной темноте. Инфракрасное излучение применяется для сушки окрашенных изделий, стен зданий, древесины.
___
К видимому свету относят излучения с длинной волны примерно от 770нм до 380нм, от красного до фиолетового света. Значения этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения. Свет является обязательным условием для развития зеленых растений и, следовательно, необходимым условием для существования жизни на Земле.
___
Невидимое глазом электромагнитное излучение с длиннной волны меньше, чем у фиолетового света, называют ультрафиолетовым излучением (УФ).. Ультрафиолетовые излучение способно убивать белезнетворных бактерий, поэтому его широко применяют а медицине. Ультрафиолетовое излучение в составе солнечного света вызывает биологические процессы, приводящие к потемнению кожи человека – загару. В качестве источников ультрафиолетового излучения в медицине используются газоразрядные лампы. Трубки таких ламп изготовляют из кварца, прозрачного для ультрафиолетовых лучей; поэтому эти лампы называют кварцевыми лампами.
___
Рентгеновские лучи (Ри) невидимы глазом. Они проходят без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света. Обнаруживают рентгеновские лучи по их способности вызывать определенное свечение некоторых кристаллов и действовать на фотопленку. Способность рентгеновских лучей проникать через толстые слои вещества используется для диагностики заболеваний внутренних органов человека.

В технике рентгеновские лучи применяются для контроля внутренней структуры различных изделий, сварных швов. Рентгеновское излучение обладает сильным биологическим действием и применяется для лечения некоторых заболеваний.
___
Гамма-излучением называют электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными ядрами и возникающее при взаимодействии элементарных частиц.

ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Английский ученый Майкл Фарадей проводил свои опыты в течение 10 лет, прежде чем утвердительно ответил на этот вопрос и пришел к выводу о существовании явления э/м индукции.

Его опыт обобщил и перевел на язык формул Дж.Максвелл, т.к. в книге Фарадея не было ни одной формулы!
___

1831 г. - Фарадей обнаружил, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля возникает индукционный ток.

Явление электромагнитной индукции:При всяком изменении магнитного потока, пронизывающего контур замкнутого проводника, в этом проводнике возникает индукционный (или наведенный) электрический ток, существующий в течение всего процесса изменения магнитного потока.
ОПЫТЫ ФАРАДЕЯ

по обнаружению явления электромагнитной индукции:

-движение магнита относительно катушки (или наоборот);

-движение катушек относительно друг друга;

-изменение силы тока в цепи первой катушки
( с помощью реостата или замыканием и размыканием выключателя);

- вращением контура в магнитном поле;

- вращением магнита внутри контура.