Министерство образования и науки Российской Федерации
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ петра великого
Н.А. ЛЕОНОВА, Т.Т. КАВЕРЗНЕВА, А.И. УЛЬЯНОВ
ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
В ПРИМЕРАХ И ЗАДАЧАХ ПО ФИЗИКЕ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
Издательство Политехнического университета
2015
УДК 53.06
ББК
Л
Леонова Н.А., Каверзнева Т.Т., Ульянов А.И. Техносферная безопасность в примерах и задачах по физике: учеб.пособие / Н. А. Леонова, Т. Т. Каверзнева, А.И. Ульянов.- СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2015. -184 с.
Рецензенты:
Доктор технических наук, профессор ФГАОУ ВО «СПбПУ» В. В. Яковлев.
Доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой
«Физика» ФГБОУ ВПО «ПГУПС» Е.Н. Бодунов.
Учебное пособие соответствует содержанию разделов дисциплин «Физика» и «Безопасность жизнедеятельности» федеральных государственных образовательных стандартов по направлению подготовки бакалавров 20.03.01 «Техносферная безопасность».
Пособие имеет учебно-методическое назначение для проведения практических занятий по дисциплине «Физика» и «Безопасность жизнедеятельность». В пособии помимо традиционных расчетных задач рассматриваются задачи качественного характера, решения которых основаны на теоретических обобщениях и логических умозаключениях.
Задачи, рассмотренные в пособии, посвящены решению профессионально значимых проблем в области обеспечения техносферной безопасности и безопасности жизнедеятельности. В учебное пособие включены задачи по всему курсу технической физики.
Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров 20.03.01 «Техносферная безопасность», для проведения практических занятий по дисциплинам «Физика» и «Безопасность жизнедеятельность» дневной, очно-заочной, заочной формам обучения.
Научная специальность 05.26.01«Охрана труда» (по отраслям).
Табл. 28. Ил. 50. Библиогр.: 11 назв.
Печатается по решению Совета по издательской деятельности Ученого совета Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.
© Леонова Н. А., Каверзнева Т. Т., Ульянов А. И., 2015
ISBN © Санкт-Петербургский политехнический
университет Петра Великого, 2015
Оглавление
Предисловие 6
Введение 8
1. Механика 11
1.1. Основные положения, определения и допущения в разделе «Механика» 11
1.2. Задачи качественного характера 16
2. Молекулярная физика и Термодинамика 27
2.1. Основные положения, определения и допущения в разделе «Молекулярная физика и термодинамика» 27
m 27
Масса газа, кг 27
- 27
γ 27
Удельный вес, кг/ м3 27
где P – вес тела, V - объем 27
V 27
Объем, м3 27
где a,b,c – характерный линейный размер 27
р 27
Давление, Па 27
Т 27
Температура, градусы Кельвины 27
, 27
ρ 27
Плотность, кг/м3 27
где m – масса вещества, V – объем вещества 27
H 27
Энтальпия, Дж 27
, 27
где U – внутренняя энергия, p – давление, V – объем 27
S 27
2.2. Задачи качественного характера 32
3. Свойства жидкостей, газов и твердых тел 39
3.1. Основные положения, определения и допущения в разделе «Свойства жидкостей, газов и твердых тел» 39
39
Поверхностное натяжение тел, Дж/м2 39
F 39
Сила поверхностного натяжения, Н 39
- 39
39
Краевой угол (угол между касательными к поверхностям жидкости и твердого тела) 39
- 39
39
Разность давлений, Па 39
- 39
h 39
Высота столба жидкости, м 39
- 39
3.2. Задачи качественного характера 44
4. Электростатика 51
4.1. Основные положения, определения и допущения в разделе «Электростатика» 51
4.2. Задачи качественного характера 56
5. Постоянный и переменный электрический ток 65
5.1. Основные положения, определения и допущения в разделе «Постоянный и переменный электрический ток» 65
5.2. Задачи качественного характера 76
6. Магнитостатика 99
6.1. Основные положения, определения и допущения в разделе «Магнитостатика» 99
6.2. Задачи качественного характера 101
7. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ 110
7.1. Основные положения, определения и допущения в разделе «Колебания и волны. Звук» 110
7.2.Задачи качественного характера 122
8. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ 133
8.1. Основные положения, определения и допущения в разделе «Электромагнитные колебания и волны» 133
8.2.Задачи качественного характера 142
9. Оптика 146
9.1. Основные положения, определения и допущения в разделе «Оптика» 146
9.2. Геометрическая и волновая оптика 152
Практикум 169
Справочный материал 184
Библиографический список 193
Предисловие
Учебное пособие соответствует программе по общему курсу физики и включает все её разделы. В кратких «введениях» ко всем разделам приведены основные понятия и формулы, необходимые для решения поставленных задач. Тематическая связь физических задач с проблемами техносферной безопасности обусловливает их прикладной характер и даёт возможность при изучении курса физики приобретать профессиональные знания, познавать основы введения в специальность.
Особое внимание посвящено вопросам электродинамики и включает соответствующие задачи по электростатике, магнитным полям, переменному току. Опасность поражения человека электрическим током существует не только в производственных условиях, но и в быту. Бытовая техника, повседневно используемая нами в домашних условиях, при нарушении правил техники безопасности является потенциальным источником опасности при включении человека в электрическую цепь. При определенных параметрах электрической цепи через тело человека может идти ток, который является для него смертельным. В результате прохождения тока через человека может произойти нарушение его жизнедеятельных функций. Опасность поражения электрическим током усугубляется тем, что ток не имеет «внешних» признаков и без специальных приборов его не обнаружить. Органы чувств человека не могут заранее предупредить о грозящей ему опасности поражения электрическим током, природа не сформировала у человека защиты от данного источника опасности. Спасти человека могут только приобретенные им знания и соблюдение соответствующих правил безопасности.
Настоящее пособие призвано помочь учащимся приобрести и закрепить необходимые знания в области электродинамики, опираясь на которые можно предвидеть опасность поражения человека электрическим током и разрабатывать соответствующие защитные мероприятия.
Остальные физические факторы и явления, рассмотренные в пособии в рамках общей физики, при определенных условиях также могут представлять для человека опасности, защититься от которых могут помочь только знания.
Предлагаемое учебное пособие может быть полезно студентам при самостоятельном решении задач, а также преподавателям при подготовке и проведении практических занятий по дисциплинам «Физика» и «Безопасность жизнедеятельности».
Авторы выражают признательность заведующему кафедрой «Безопасность жизнедеятельности» доценту С.В. Ефремову, профессору В.Б. Улыбину и заведующему кафедрой «Управление и защита в чрезвычайных ситуациях» профессору В.И. Гуменюку за оказанную авторам помощь в подготовке пособия, профессору В.В. Яковлеву за ряд ценных указаний при рецензировании рукописи.
Авторы.
Введение
Современному инженеру в своей деятельности необходимо знание определенных законов физики, чтобы успешно трудиться с соблюдением норм безопасности. В данном учебном пособии собраны физические задачи прикладного характера, учитывающие проблемы, связанные с обеспечением безопасности человека в быту и на производстве. Показано, как, зная физические законы, можно объяснить те или иные требования безопасности, предъявляемые к работающему персоналу на машинах, механизмах, приспособлениях. В пособии устанавливается междисциплинарная связь между дисциплинами «Физика» и «Безопасность жизнедеятельности». Демонстрация этой связи призвана сформировать чувство ответственности у каждого человека, имеющего отношение к бытовым и производственным процессам.
Современный мир характеризуется не только стремительным ростом достижений в сфере науки и техники, мощностей в энергетике, но и, к сожалению, масштабностью аварий и катастроф. Анализ причин техногенных аварий свидетельствует о том, что в основе их лежит, так называемый, «человеческий фактор», то есть ошибочные действия людей. Сложная техника при своей эксплуатации требует от людей своевременных и грамотных действий при нештатных режимах работы, оценки значимости ошибочных действий человека. Помочь человеку совершать как можно меньше ошибок в условиях повышенной ответственности за результат выполняемой работы может его опыт, профессиональная грамотность.
В настоящем учебном пособии собраны физические задачи прикладного характера, направленные на проблемы, связанные с обеспечением безопасности человека в быту и на производстве. Показано, как физическими законами можно объяснить те или иные требования безопасности, предъявляемые к обслуживающему персоналу при работе на машинах, механизмах, приспособлениях. Эти знания помогут принять верное решение в экстремальной (аварийной) ситуации. Выпускник университета должен обладать необходимыми знаниями, умениями и навыками в сфере безопасности жизнедеятельности, чтобы предотвращать аварийные ситуации и грамотно действовать при их реализации. Пособие устанавливает междисциплинарные связи между дисциплинами «Физика» и «БЖД».
Одна из серьёзных проблем современности – печальная статистика роста ДТП, в результате которых гибнут люди. Причины ДТП разнообразны – это и превышение скоростного режима движения, невнимательность или недостаточные навыки вождения водителей, нарушение правил перехода дорог пешеходами, лихачество, агрессивная манера вождения, плохие погодные условия, плохая видимость и т.д. В результате ДТП гибнут не только нарушители правил, но и ни в чем неповинные люди. Растет доля молодых водителей, которым необходимо вместе с водительскими Правами прививать чувство ответственности за жизни как своих пассажиров, так и пешеходов. Расчет тормозного пути автомобиля в результате экстренного торможения убедит молодого водителя в том, что нельзя забывать перед поворотом осуществлять торможение для предотвращения возможного аварийного заноса машины. Демонстрация связи физических законов с безопасностью человека призвана сформировать чувство ответственности людей за действия в бытовых, производственных и иных условиях. Пособие включает два типа задач: качественного и расчетного характера. В задачах качественного характера акцентируется внимание на физическую модель реальных явлений, математические вычисления при этом не делаются. Решение данных задач основывается на теоретических обобщениях и логических умозаключениях, развивает техническое мышление, готовит к профессиональной деятельности. Еще в 1923 году в работе «Техническое мышление и творчество. Введение в современную технику» профессор Ганфштенгель отмечал, что «основные понятия и простейшие приемы мышления должны стать для инженера теми обычными орудиями, которыми он владеет в совершенстве. Часто поражаешься, к какому сравнительно ничтожному количеству простейших элементов можно свести сложные задачи бесконечно многосторонней техники» [3 с.12].
Пособие включает в себя задачи, в которых акцентируется внимание на профессионально значимых проблемах в области обеспечения безопасной жизнедеятельности человека, относящиеся ко всем разделам физики.
Каждый раздел начинается с небольшого описания основных законов и формул, используемых для решения задач, и содержит принятые обозначения. В решениях дается соответствующая трактовка физических явлений и обосновывается выбор соответствующей модели процессов. Также рассматриваются вопросы, имеющие непосредственное отношение к электробезопасности. Электрическая энергия, повсеместно используемая, как на производстве, так и в быту, при неумелом обращении с ней может стать потенциальным источником смертельной опасности для людей, эксплуатирующих электроустановки или иную электрическую технику. Чтобы не оказаться под воздействием электрического тока, нужно научиться с соблюдением правил безопасности эксплуатировать электрооборудование, иметь представление о физических процессах, происходящих в носителях электрического тока. Задачи, рассматриваемые в пособии, призваны помочь понять, почему электрический ток опасен для человека, осознать необходимость защитных мероприятий при эксплуатации электрооборудования.