105. Закон Джоуля-Ленца

     1. Расстояние от Жигулевской ГЭС до г. Самара около 50 км.

        1. Чему равно сопротивление алюминиевых проводов, передающих энергию электростанции на 50 км? Площадь сечения провода 3 см².

        2. Какое количество теплоты выделяется в этих проводах за одну секунду, если сила тока равна 500 А?

        3. Приведите примеры электростанций, энергия которых передается на значительно бóльшие расстояния.

        4. Почему сейчас в мире стремительно растет число небольших электростанций, расположенных рядом с потребителями?

     2. При разряде молнии напряжение между землей и облаком может достигать 1 ГВ, а сила тока 20 кА. Длится разряд около 1 мс.

        1. Какой заряд протекает между землей и облаком?

        2. Какое количество энергии содержится в одной молнии?

        3. Вся ли эта энергия превращается в теплоту? Что нагревается при разряде молнии?

        4. Сколько «стóит» одна молния по цене за 1 кВт*ч в вашем городе?

        5. Какие проблемы возникают при попытке создать электростанцию, собирающую энергию молнии?

        6. Найдите информацию о проектах таких электростанций.

106. Опыт Эрстеда

     1. Вблизи высоковольтных линий электропередач обязательно должна быть «зона отчуждения», на которой нельзя строить жилые дома.

        1. Что является причиной этого запрета?

        2. Почему запрет перестает действовать на некотором расстоянии от ЛЭП?

        3. Где еще мы можем столкнуться с аналогичной опасностью?

     2. Утюг мощностью 1800 Вт подключен к электрической розетке сетевым шнуром, в котором два проводника.

        1. Какова сила тока, идущего по одному проводнику? По двум проводникам?

        2. Как ведут себя магнитные поля, создаваемые этими токами?

        3. В каких случаях магнитное поле тока может иметь значительную величину?

107. Магнитное поле тока

     1. На основании массовых эпидемиологических обследований населения, проживающего вблизи ЛЭП, шведские и американские специалисты независимо друг от друга рекомендовали величину плотности потока магнитной индукции 0,2-0,3 мкТл.

        1. Пользуясь формулой для величины магнитного поля прямого тока, рассчитайте безопасное расстояние от различных линий электропередач.

        2. Чем отличаются магнитные поля, создаваемые проводами воздушной линии электропередач, от магнитных полей, создаваемых подземной кабельной линией?

        3. Чье магнитное поле будет сильнее при одинаковой силе тока в линиях и на одинаковом расстоянии от них?

     2. Найдите информацию о российских нормах, которые регулируют защиту людей от опасного уровня магнитного поля и основных источниках такой опасности. Выполняются ли эти нормы для тех линий электропередач, которые проходят недалеко от вашего дома или школы?

108. Электромагнит

     1. Приведите примеры используемых вами устройств, в которых есть электромагниты.

        1. Представляют ли они опасность как источники магнитных полей?

        2. Как можно уменьшить возможный вред от магнитного поля лично для вас?

109. Взаимодействие магнитов

     1. Одним из перспективных направлений развития экологически чистого транспорта является создание «махомобилей», движущихся за счет энергии быстро вращающегося маховика.

        1. Почему раскрученный маховик со временем останавливается, даже если не отнимать у него энергию на движение автомобиля?

        2. Как изменится время вращения маховика, если поместить его в металлическую оболочку, из которой будет откачан воздух?

        3. Что в этом случае будет причиной остановки маховика?

        4. Как можно уменьшить почти до нуля трение в подшипниках с помощью магнитов?

     2. Найдите информацию о поездах на магнитной подвеске. Является ли такой транспорт лучшим с экологической точки зрения по сравнению с обычными поездами?

     3. Вы уже знаете, что неравномерность потребления энергии требует способов ее запасать и использовать в нужное время. Сейчас единственными электростанциями, способными вырабатывать переменную мощность, являются ГЭС. Но ту же роль может играть большой маховик, расположенный глубоко под землей в вакуумной оболочке.

        1. Почему маховик приходится делать очень прочным?

        2. Какие силы действуют на быстро вращающийся маховик?

        3. Почему при повышении скорости вращения маховик может разорваться?

        4. Как применение сильных магнитов может помочь увеличить допустимую скорость вращения маховика и запасаемую в нем энергию?

110. *Магнитное поле Земли

     1. Найдите информацию о защитной роли магнитного поля Земли для живых существ.

        1. От чего защищает нас магнитное поле Земли?

        2. Есть ли магнитные поля у Венеры и Марса?

        3. Как, скорее всего, выглядела бы жизнь на Земле, если бы у нее не было магнитного поля?

     2. Все вы знаете о почтовых голубях, которых раньше использовали для доставки срочных сообщений.

        1. Какая способность голубей использовалась для доставки почты?

        2. Если надеть почтовому голубю легкий магнитный браслет на шею и затем выпустить его в незнакомом месте, он не сможет найти дорогу домой. Что доказывает этот эксперимент?

        3. Как могла появиться у птиц такая способность в процессе эволюции?

     3. Вы уже знаете, что жизнь возникла в воде и только через сотни миллионов лет, насытив атмосферу кислородом, смогла выйти на сушу.

        1. Почему для выхода на сушу был нужен кислород в атмосфере, даже если эти живые существа ( растения) сами им не пользовались?

        2. Какие живые существа в море так же мигрируют на большие расстояния, как и птицы на суше?

        3. Как могут морские жители определять свое местонахождение в океанах при перемещениях на большие расстояния?

        4. Какие предположения вы можете сделать о том, почему в последние десятилетия все чаще наблюдаются случаи выбрасывания на берег стай китов?

111. Действие магнитного поля на проводник с током

     1. В задании 110.2 мы уже рассматривали вопрос о том, что почтовые голуби возвращаются домой, ориентируясь по магнитному полю Земли. Мы до сих пор не знаем, каким именно органом голуби могут так точно чувствовать не просто наличие магнитного поля Земли, а еще и определять отличия этого поля в разных местах.

        1. Что обязательно должно быть в этом органе у птиц или других мигрирующих животных, чтобы этот орган мог чувствовать магнитное поле Земли?

        2. Много миллионов лет магнитное поле Земли либо не менялось совсем, либо менялось очень медленно, так что эти животные успевали адаптироваться к изменениям. Чем отличается сегодняшняя ситуация?

        3. К чему могут привести (или приводят) многочисленные технические устройства, создающие магнитные поля примерно такой же величины, как и поле Земли?

     2. Магнитное поле Земли защищает всех нас от потоков заряженных частиц, которые время от времени выбрасывает Солнце.

        1. Летящий от Солнца поток заряженных частиц – это тоже электрический ток. Объясните, как действие магнитного поля Земли отклоняет эти частицы так, что они улетают в полярные районы.

        2. Как называют метеорологи взаимодействие потока солнечных частиц и магнитного поля Земли?

        3. Какое явление происходит в полярных районах, когда в верхние слои атмосферы попадает поток таких частиц?

112. *Электродвигатель

     1. Электродвигатели одинаково хорошо работают и на низких, и на высоких оборотах.

        1. Почему им это удается?

        2. Какой механизм, имеющийся в обычных автомобилях, не нужен в электромобилях благодаря этой особенности электродвигателей?

        3. Почему серийный Tesla Roadster с электродвигателем разгоняется быстрее, чем более мощные Ferrari или Lamborghini с двигателями внутреннего сгорания?

     2. Вы, наверное, слышали о таком виде судов, как дизель-электроходы. У них дизельный двигатель вращает не винт, а генератор, вырабатывающий электрический ток. Винты судна приводятся в движение электродвигателями.

        1. Почему такая усложненная конструкция оказалась более экономичной, чем вращение винтов непосредственно дизелем?

        2. Чем можно заменить двигатель внутреннего сгорания на таком судне, чтобы сделать его экологически чистым?

     3. Уже созданы первые электромобили, у которых электродвигатели встроены непосредственно в колеса (рис. 11 на обложке).

        1. Какие особенности электродвигателей позволили сделать такую конструкцию автомобиля?

        2. Какие узлы обычного автомобиля становятся при этом ненужными?

        3. Какие преимущества перед обычным будет иметь такой автомобиль?

        4. В сколько колес нужно будет вставить электродвигатели в электромобилях разных классов?

113. Электромагнитная индукция

     1. Объясните, как вырабатывает электроэнергию поплавковый волновой генератор (рис. 21 на обложке).

     2. Когда выброшенный Солнцем поток заряженных частиц приходит к Земле, у некоторых людей ухудшается самочувствие.

        1. Чем является направленно движущийся поток заряженных частиц?

        2. Какое влияние оказывает поток заряженных частиц на магнитное поле Земли? Почему?

        3. Благодаря каким физическим явлениям люди могут чувствовать изменение магнитного поля Земли?

        4. Предложите свои гипотезы, какие органы человека могут «чувствовать» изменение магнитного поля. Обсудите эти гипотезы на уроке биологии.

114. Опыты Фарадея

     1. Рассказывают, что когда Майкл Фарадей продемонстрировал получение электрического тока с помощью электромагнитной индукции на заседании Королевского научного общества, один из высокопоставленных государственных деятелей спросил его «Неужели от этого явления может быть какая-то польза?»

        1. Как бы вы ответили на этот вопрос сегодня?

        2. Как вы думаете, какая часть электроэнергии вырабатывается сегодня благодаря этому явлению?

        3. Как изменилась бы наша жизнь, если бы мы не научились вырабатывать электрический ток с помощью электромагнитной индукции?

        4. Как сказалось бы отсутствие электрогенераторов на окружающей среде?

115. *Электрогенератор

     1. Электромобили в несколько раз экономичнее бензиновых еще и потому, что при торможении аккумулятор подзаряжается.

        1. Почему и как при торможении электромобиля энергия его движения (как она называется?) возвращается обратно в аккумулятор?

        2. Полностью или частично она возвращается в аккумулятор? Почему?

        3. В какую форму переходит энергия движения при торможении обычного автомобиля с ДВС?

     2. Объясните по схеме (рис. 19 на обложке), какие превращения энергии происходят в индивидуальной мини-теплоэлектростанции, в которой двигатель внутреннего сгорания вращает электрогенератор, а выбрасываемые им продукты сгорания нагревают воду.

        1. Какие преимущества имеет такое устройство перед обычными системами централизованного отопления и электрификации?

        2. Приведите примеры электрогенераторов, которые вы используете в жизни.

     3. На примере аварии на Саяно-Шушенской ГЭС проанализируйте преимущества и недостатки крупных электростанций перед небольшими или даже индивидуальными, такими как в задаче 115.2.

116. Переменный ток

     1. Какой ток течет по проводам высоковольтных ЛЭП – постоянный или переменный?

        1. Какое магнитное поле (постоянное или переменное) создается вокруг ЛЭП?

        2. Чем отличается воздействие на человека постоянного и переменного магнитного поля?

     2. Практически все генераторы большой мощности, расположенные на крупных электростанциях, вырабатывают переменный ток.

        1. Какой ток вырабатывают солнечные батареи?

        2. Нужно ли преобразовывать его в переменный для того, чтобы использовать для отопления дома?

        3. А если он будет предназначаться для питания домашних электроприборов, таких как телевизор или компьютер?

     3. Во многих странах владельцы солнечных батарей продают излишки электричества государству.

        1. Как можно забирать излишки электричества из индивидуальных домов?

        2. Какой ток (постоянный или переменный) забирают из домов?

        3. Почему цена 1 кВт*ч покупаемого «солнечного» электричества установлена государством значительно выше цены, по которой продают электроэнергию обычные электростанции?

117. *Трансформатор

     1. Почему «гудят» крупные трансформаторы и линии электропередач? Звук какой частоты они издают?

     2. На крупных электростанциях генератор электрического тока соединен с трансформатором не проводами, а специальными толстыми медными лентами (шинами). После трансформатора электрический ток передается дальше уже по проводам.

        1. Какой трансформатор применяется на электростанции: повышающий или понижающий?

        2. Почему крупные трансформаторы всегда помещают в емкость, заполненную специальным трансформаторным маслом?

118. *Передача электрической энергии на расстояние

     1. Найдите информацию о том, сколько электроэнергии теряется в России и в мире при передаче ее на большие расстояния. Сделайте несколько расчетов на основе найденной информации:

        1. Сколько таких семей, как ваша, могли бы снабжаться этой потерянной энергией?

        2. Сколько угля пришлось сжечь, чтобы выработать эту энергию? КПД электростанций 35%.

        3. Сколько углекислого газа выделилось при сжигании этого угля?

        4. Над какой площадью земной поверхности содержится столько СО₂? Над 1 м² его 6 кг.

        5. Какую часть площади России составляет найденная площадь?

119. Колебательный контур

     1. Сейчас в мире мощность солнечных электростанций увеличивается ежегодно на 40-50%. Это больше, чем для любых других способов выработки электроэнергии.

        1. Какой ток (постоянный или переменный) вырабатывает солнечная батарея в ясный день? А в пасмурный день?

        2. Как можно решить проблему передачи этого тока на большое расстояние?

        3. Как может помочь в этом колебательный контур?

        4. Как можно использовать ток, выработанный солнечной батареей, без его преобразования в переменный?

     2. В странах с жарким климатом есть солнечные электростанции без солнечных батарей.

        1. Какой принцип лежит в основе действия таких электростанций?

        2. Какой ток (постоянный или переменный) они вырабатывают?

        3. Нужен ли в них колебательный контур для преобразования тока?

        4. Можно ли передавать ток, выработанный такими электростанциями, на большие расстояния? Как это можно сделать?

120. Электромагнитные колебания

     1. Какой должна быть частота колебаний колебательного контура, с помощью которого постоянный ток преобразуется в переменный? Почему?

     2. Являются ли колебания молекул воды в микроволновой печи свободными или вынужденными? Почему?

121. Электромагнитные волны

     1. Вернитесь к описанию парникового эффекта в задании 70.1.

        1. Какую роль играют в парниковом эффекте электромагнитные волны разных частот и длин волн?

        2. От чего зависит количество электромагнитной энергии, излучаемой и поглощаемой разными телами? (Солнцем, поверхностью суши, поверхностью воды, атмосферой).

        3. Напишите короткое (в нескольких предложениях) рассуждение о связи между парниковым эффектом и процессами испускания и поглощения электромагнитных волн.

     2. Сейчас мы активно пользуемся только одним прибором, выполняющим передачу с помощью электромагнитных волн значительной мощности.

        1. Как он называется?

        2. Какие опасности для живых организмов несет электромагнитное излучение большой мощности?

     3. Проделайте следующий эксперимент с микроволновой печкой.

     4. Налейте в тонкостенный стакан 200 мл воды, измерьте ее температуру и нагревайте в микроволновой печи на полной мощности 30 с. Выньте стакан, перемешайте воду и снова измерьте ее температуру.

        1. Сколько энергии потребовалось на нагревание воды?

        2. Какую мощность развивала печь в это время?

        3. Попробуйте проделать этот эксперимент с другими значениями массы воды и времени ее нагревания, каждый раз рассчитывая мощность.

        4. Совпадают ли значения мощности в разных опытах?

        5. Почему они отличаются?

     5. Один из вариантов получения энергии – строить в космосе гигантские солнечные батареи и передавать электроэнергию на Землю с помощью электромагнитных волн.

        1. Какие недостатки такой «космической СВЧ-печи» вы можете назвать?

        2. Нужно ли тратить средства на исследования в этом направлении или лучше использовать более «земные» варианты?

122. Принципы радиосвязи и телевидения

     1. Сегодня на крышах многоэтажных домов можно встретить ретрансляторы сотовой связи.

        1. Что общего и в чем различие между ретранслятором сотовой связи и антенной радиовещания?

        2. Для чего служат эти устройства – для приема или передачи радиоволн?

        3. Какие радиоволны имеют бóльшую мощность в районе ретранслятора: принимаемые или испускаемые им?

        4. Какова длина волны радиоволн, принимаемых и испускаемых ретрансляторами?

        5. Что необходимо сделать для того, чтобы убедиться в безвредности ретранслятора для проживающих поблизости людей?

Оптика