Мощность

1. Если листок бумаги формата А4 установить перпендикулярно яркому солнечному свету, то за одну минуту на него упадет около 3 кДж солнечной энергии.

   1. Какая «солнечная мощность» падает на 1 м² поверхности?

   2. Если использовать эту мощность для движения автомобиля, с какой скоростью он будет двигаться? Сила, требующаяся для движения автомобиля, равна 300 Н.

   3. Мощность крупной электростанции 1000 МВт. Найдите площадь поверхности, на которую падает такая же мощность от Солнца.

   4. Посчитайте мощность солнечной энергии, падающей на весь земной шар. Его радиус 6400 км.

   5. За счет сжигания всех видов топлива человечество потребляет сейчас мощность 10¹⁷ Вт. Во сколько раз бóльшая мощность приходит на Землю от Солнца?

   6. Радиус орбиты Земли – 150 млн. км. Посчитайте мощность Солнца.

2. Человек способен продолжительное время развивать мощность 150 Вт. Какова должна быть масса автомобиля, который сможет ехать в пробке на мускульной тяге, без запуска двигателя? Коэффициент трения качения равен 0,02. Скорость движения в пробке оцените сами.

3. В гибридном автомобиле Тойта Приус бензиновый двигатель запускается только при движении с большой скоростью. Для малых скоростей и тем более в пробках используется электродвигатель.

   1. Оцените, какую мощность должен иметь электродвигатель. Недостающие данные возьмите из предыдущих задач.

   2. Почему в последнее время почти все крупные автомобильные фирмы уже разработали гибридные модели?

4. Сила трения, преодолеваемая автомобилем при езде со скоростью 60 км/ч, составляет 350 Н.

   1. Какая мощность требуется автомобилю, чтобы ехать с такой скоростью?

   2. Выразите ее в л.с. и сравните с мощностью реальных автомобильных двигателей.

   3. Выскажите предположения, почему реальные двигатели гораздо мощнее полученной вами величины.

Кинетическая энергия

1. Плотность воздуха равна 1,2 кг/м³.

   1. Какую кинетическую энергию имеет 1 м³ воздуха, если скорость ветра составляет 10 м/с?

   2. Сколько энергии проносит ветер через площадку в 1 м² каждую секунду?

   3. Как можно взять у воздуха его кинетическую энергию?

   4. Когда и как люди впервые начали ее использовать?

2. Автомобиль массой 1200 кг, движущийся со скоростью 60 км/ч, затормозил у светофора.

   1. Чему была равна его кинетическая энергия и куда она делась?

   2. Если бы ее удалось запасти и затем использовать на равномерное движение автомобиля, какое расстояние он смог бы проехать? Сила трения равна 300 Н.

3. По данным таблицы из упражнения 16.2 определите, чему была равна кинетическая энергия автомобиля массой 1200 кг при его равномерном движении (участки № 3, 7, 11, 13)

   1. В какую форму переходит кинетическая энергия при торможении автомобиля?

   2. Можно ли «вернуть» энергию из этой формы обратно и вновь использовать ее для движения автомобиля? Почему?

   3. Сколько энергии было потеряно при всех торможениях автомобиля на одном «городском цикле»?

4. Можно оснастить автомобиль устройством, которое запасает в себе энергию при торможении, а затем использует для движения автомобиля.

   1. Сколько энергии запасет такое устройство за один «городской цикл»? Масса автомобиля 1000 кг.

   2. Если использовать всю эту накопленную в устройстве энергию для ускорения автомобиля, до какой скорости он разгонится?

   3. Если использовать всю накопленную в устройстве энергию для движения автомобиля, какой путь он сможет проехать? Сила трения 300 Н.

5. Автобус в городе тратит в 1,5-2 раза больше бензина на каждый км пути, чем автомобиль с двигателем такой же мощности.

   1. Почему так происходит?

   2. Как можно уменьшить расход бензина автобусами?

   3. Найдите в интернете примеры таких автобусов. Где был создан первый из них?

6. За время существования Земли в нее несколько раз попадали крупные метеориты, вызывая взрывы огромной силы. В атмосферу при таких взрывах выбрасывались миллиарды тонн пыли и пепла.

   1. Посчитайте кинетическую энергию «небольшого» по космическим меркам метеорита диаметром 1 км, летящего со скоростью 10 км/с.

   2. Сравните ее с энергией атомного взрыва в Хиросиме, который был эквивалентен 30 килотоннам тротила. При взрыве 1 г тротила выделяется 4,2 кДж.

   3. Какое влияние могли оказывать такие взрывы на климат нашей планеты и за счет каких процессов он восстанавливался снова?

Потенциальная энергия взаимодействующих тел

1. Вместо традиционных ГЭС с огромными плотинами и водохранилищами можно строить бесплотинные электростанции (рис. 14 на обложке), которые не мешают проходу рыбы.

   1. Какую мощность имеет такая электростанция, если в ней 1 м³ воды в секунду падает с высоты 1,5 м?

   2. В каких местах такие электростанции могут быть необходимы?

   3. Какую скорость будет иметь вода, падающая с высоты 1,5 м?

   4. В чем отличие такой электростанции от традиционной ГЭС?

2. Селевой поток – очень опасное природное явление, приносящее огромные разрушения.

   1. Оцените запас энергии, сосредоточенной в сéле или лавине площадью 10 000 м², толщиной 10 м, спускающейся с высоты 500 м.

   2. Выразите эту энергию в тротиловом эквиваленте.

   3. Как может сказываться глобальное потепление на количестве лавин и селевых потоков?

   4. Для каких районов мира и России сели и лавины представляют наибольшую опасность? Обсудите этот вопрос на уроках географии.

3. Все знают, что моря, особенно северные, очень редко бывают спокойными.

   1. В каком случае вода имеет бóльшую потенциальную энергию: когда волны есть или когда их нет? Почему?

   2. Допустим, высота волн в море 3 м. Оцените потенциальную энергию, содержащуюся в 1 км² поверхности моря. Выразите ее в киловатт-часах.

   3. Найдите информацию об имеющихся и строящихся волновых электростанциях.

   4. Какие преимущества имеют такие станции?

Закон сохранения механической энергии

1. Как правило, даже услышав гул приближающегося селя, люди не успевают спастись от него.

   1. Почему лавины и сели движутся с такой большой скоростью?

   2. Оцените скорость селевого потока из задачи 41.2.

   3. Сколько времен займет у такого потока спуск с горы, если длина пути составляла 1,5 км? Движение можно считать равноускоренным.

2. На Жигулевской ГЭС высота падения воды около 20 м.

   1. С какой скоростью вода падает на лопасти турбины?

   2. Почему большинство живых существ погибают, попадая в водовод обычной ГЭС?

3. Для снабжения потребителей электроэнергией в часы пик ее стараются запасать впрок. Для этого строят ГАЭС (гидроаккумулирующие электростанции), в которых избыточную электроэнергию используют для закачивания воды в водохранилище, а в нужный момент эту воду используют для вращения турбин, вырабатывая электричество.

   1. Объясните, какие превращения энергии происходят в такой электростанции. В каких процессах происходят потери механической энергии? В какие виды она переходит?

   2. Вода в ГАЭС поднимается на высоту 25 м, мощность насоса-генератора – 3 МВт. Сколько воды поднимает такая ГАЭС за 1 с?

   3. Диаметр водовода 2 м. С какой скоростью движется вода в трубе?

   4. Какую кинетическую энергию имеет 1 м³ воды во время движения? В какие виды энергии она переходит? Сколько энергии теряется?

   5. Какие экологические проблемы создает ГАЭС для обитателей водохранилища? Почему экологи считают, что превращение ГЭС в ГАЭС приведет к резкому уменьшению количества рыбы?

   6. Какие экологически чистые электростанции вырабатывают больше энергии именно днем, когда она особенно нужна промышленности?

*Условия равновесия тел

1. Во многих странах целые регионы не электрифицированы, и электроэнергию (для освещения комнаты или для связи) производят с помощью велогенераторов.

   1. Если человек давит на педаль с силой 150 Н, а длина рычага педали 20 см, чему равен момент этой силы? Какая еще сила действует на педаль? Чему равен ее момент?

   2. Если моменты сил равны по величине, означает ли это, что педаль находиться в покое?

   3. Оцените вырабатываемую генератором мощность, если человек делает 2 оборота педалей в секунду.

   4. Какие способы выработки электроэнергии, не требующие кручения педалей, вы посоветовали бы использовать жителям этих районов?

   5. Какие из них более эффективны именно в жарких странах? В холодных странах? На морских и океанских побережьях?

Простые механизмы

1. Приведите примеры простых механизмов в живой природе. Как живые существа используют свойства простых механизмов?

КПД

1. Если использовать для освещения комнаты обычные лампы накаливания, их общая мощность должна быть около 200 Вт. При использовании люминесцентных энергосберегающих ламп (ЭСЛ) потребляемая мощность будет 50 Вт, а светодиодных (СДЛ) – всего 10 Вт.

   1. Чему равен КПД ламп накаливания и ЭСЛ, если у светодиодов он почти 100%?

   2. У кого из вас дома применяются ЭСЛ или СДЛ?

   3. Имеет ли смысл сейчас строить новые заводы по производству ЭСЛ?

2. КПД ветроэлектростанций (ВЭС) обычно около 1%.

   1. По какой формуле рассчитывается КПД ВЭС?

   2. Почему он получается таким маленьким?

   3. Как можно его увеличить?

3. Найдите КПД ДВС (двигателя внутреннего сгорания) во время работы на холостом ходу, когда автомобиль стоит у светофора.

4. Почему КПД ДВС зависит от режима его работы и максимален при полной мощности?

5. В некоторых странах используются поезда с маховиковыми накопителями энергии. Для раскручивания маховика используют имеющийся в поезде ДВС. При установке маховика в дополнение к двигателю масса поезда увеличивается.

   1. Почему такой поезд оказывается в пять раз экономичнее обычного, в котором двигатель приводит в движение колеса?

   2. Что общего между маховиковым поездом и гибридным автомобилем?

   3. Нужно ли добиваться того, чтобы в маховике такого поезда запасалось как можно больше энергии, например, на несколько часов пути?

   4. Если такой поезд имеет массу 100 тонн и движется со скоростью до 20 м/с, какое минимальное количество энергии должен запасать маховик? Почему?

Давление

1. Одним из перспективных способов использования солнечной энергии является создание плавающих в океане «солнечных островов» диаметром до 5 км. Общий вид такого острова изображен на рис. 7 обложки. Для того, чтобы не строить прочную опору для тяжелых солнечных преобразователей, насосы будут закачивать воздух под палубу и поддерживать повышенное (на 10 000 Па) давление под палубой такого острова.

   1. Какую массу может иметь оборудование, установленное на таком острове?