101 ключевая идея: Физика - Страница 5

В реакторе на быстрых нейтронах последние, испускаемые плутонием -239, поддерживают реакцию без замедлителей. Плутоний-239 представляет собой искусственный изотоп, получаемый в результате поглощения ураном-238 нейтрона и его распада. Таким образом, реактор на быстрых нейтронах сам вырабатывает свое топливо в виде плутония — 239 из слоя урана-238, окружающего активную зону. Если применять такой процесс в широком масштабе, то срок использования мировых запасов урана увеличивается в 50 раз.

См. также статьи «Атомная энергия», «Ядерная модель атома».

Звук представляет собой колебания, т. е. периодические возмущения в твердых, жидких и газообразных средах. Любая колеблющаяся поверхность в воздухе создает волны, распространяющиеся от нее во все стороны. Звуковые волны в воздухе представляют собой периодические сжатия и расширения молекул воздуха. Частотой звуковых волн называется количество таких сжатий в единицу времени, а интенсивностью — средний поток энергии, проходящий через единицу площади в единицу времени.

Звуковые волны заставляют колебаться наши барабанные перепонки. Чем сильнее колебания, тем громче нам кажется звук. Наше ухо воспринимает звуки одинаковой частоты, но разной громкости согласно логарифмической шкале, т. е. равномерному увеличению воспринимаемой громкости соответствует все большее увеличение интенсивности. Так, если интенсивность звуковой волны сначала увеличить в два раза, а затем еще в два раза и т. д., то громкость каждого последующего звука будет восприниматься как повышение на одну ступень по сравнению с громкостью предыдущего.

Громкость звука зависит как от частоты, так и от его интенсивности. Максимальная чувствительность определяется частотой в 3400 Гц. Мы не можем воспринимать звуковые колебания частотой выше 18 000 Гц.

Уровень интенсивности I в децибелах (дБ) выражается формулой

I= 10 log (I/I ₀),

где I ₀=10 ^-12Вт/м ²— наименьшая воспринимаемая интенсивность звука с частотой 1000 Гц для человека с нормальным слухом. Громкость звука заданной частоты принято определять через уровень интенсивности звука частотой 1000 Гц, воспринимаемого как звук такой же громкости. Единицей громкости служит фон. Например, звук в 100 дБ с частотой 10 000 Гц имеет ту же громкость, что и звук в 40 дБ и частотой 1000 Гц. Следовательно, громкость этого звука в 100 дБ равна 40 фонам.

См. также статьи «Волновое движение 1 и 2».

Пройденным путем называется перемещение тела на определенное расстояние в определенном направлении. Тело может перемещаться быстрее или медленнее по сравнению с другими телами. Средней скоростью называется отношение пройденного пути к промежутку времени, за который он пройден. Единица измерения скорости — м/с. Скорость — величина векторная, имеющая направление. Ускорение — это степень изменения скорости за единицу времени. Скорость может изменять как направление, так и свою абсолютную величину. Единица измерения ускорения — м/с ².

Формулы равноускоренного дви жения

Если тело движется по прямой линии с постоянным ускорением а, значит, его скорость изменяется на постоянную величину за единицу времени. Если начальная скорость равна u, то скорость νчерез промежуток времени tвычисляется по формуле v= и+ at.

Поскольку изменение скорости постоянно, то средняя скорость ν _cp— ¹/ ₂( и+ ν). Отсюда вычисляется пройденное расстояние s,равное произведению средней скорости на время, т. е. s = ¹/ ₂ (и+ ν)t. Объединив эти формулы, получаем s = ut + ¹/ ₂at ²(исключив ν) и ν ²= и ²+ 2as(исключив t).

График зависимости скорости от времени

(для прямолинейного движения)

Откладывая по оси узначения скорости, а по оси x значения времени, получаем график зависимости скорости от времени. Положительная часть оси усоответствует движению в одном направлении, а отрицательная часть — движению в противоположном направлении.

• Угол наклона (коэффициент приращения) графика меняется в зависимости от ускорения. Если значения скорости уменьшаются по мере увеличения значений времени, то ускорение отрицательно.

• Площадь, ограниченная линией графика и осью х, равна пройденному пути; при этом если она находится ниже линии графика, то тело двигалось в одном направлении, а если выше — то тело двигалось в противоположном направлении.

См. также статью «Сила и движение».

Дифракция (огибание волнами препятствий) происходит в том случае, когда волны проходят через щель или рядом с краем какого-либо препятствия. Явление дифракции применяется в таких оптических устройствах, как микроскопы и телескопы, а также в средствах связи. Из начальной точки волна равномерно распространяется во все стороны. В определенный промежуток времени все точки, находящиеся на равном удалении от центра (на окружности или сфере), совершают одинаковые колебания, т. е. находятся в одной фазе. На большом удалении от источника волн и на малом участке можно считать, что фронт волны становится плоским.

В XVII веке Христиан Гюйгенс предложил свою теорию распространения волн, согласно которой каждая точка волны служит вторичным распространителем волн, идущих в одном направлении с основной волной. Вторичные, в свою очередь, порождают волны третьего порядка и т. д. С помощью этой теории Гюйгенс объяснял явления отражения и преломления.

Дифракция волн, проходящих через щель, усиливается по мере уменьшения размера последней или увеличения длины волны. Через щель проходит только часть волны. Каждый ее фронт, пройдя через щель, становится короче. Вторичные волны на концах фронта увеличивают его длину. Чем больше сокращен фронт волны, тем большее значение приобретают вторичные волны и тем больше увеличивается он после преодоления щели. Если на пути волн находится препятствие, волны распространяются за ним в том случае, когда размеры препятствия соответствуют длине волны.

Дифракция световых волн, проходящих через отверстия и линзы в оптических приборах, уменьшает точность наблюдаемого изображения. При большой дифракции соседние черты изображения накладываются друг на друга и их становится труднее рассмотреть. С помощью более широких линз можно сократить дифракцию и увеличить точность получаемого изображения.

См. также статьи «Волновое движение 1 и 2», «Оптические изображения 2».

Жидкие кристаллы состоят из молекул, располагающихся в определенном порядке и не жестко между собой связанных. Такое вещество может течь, даже если молекулы в нем упорядочены как в кристалле. Основным признаком кристаллов служит упорядоченность их молекулярной решетки. Поэтому они имеют легко узнаваемую симметричную внешнюю форму. Но жидкие кристаллы не имеют четкой формы, хотя при этом их молекулы демонстрируют некоторую степень упорядоченности. Широко распространены жидкокристаллические дисплеи, поскольку они требуют меньших затрат энергии, чем другие системы дисплеев. Переносные компьютеры, карманные электронные игры и калькуляторы — вот лишь немногие примеры использования жидкокристаллических дисплеев.

Жидкокристаллический дисплей состоит из матрицы пикселов, каждый из которых представляет собой отдельную ячейку. Каждая ячейка содержит небольшое количество жидкого кристалла между двумя слоями прозрачного проводника, расположенными параллельно друг другу. Поверхность проводника, контактирующая с жидкостью, покрыта тончайшими параллельными линиями, перпендикулярными линиям на поверхности другого проводника. В результате общее направление молекул поворачивается вдоль ячейки на 90°, что воздействует на вращение плоскости поляризации поляризованного света, проходящего перпендикулярно к поверхности. Ячейка расположена между двумя поляроидами на верхней части зеркала. Если нет разности потенциалов между поверхностями, то свет не может пройти сквозь ячейку и она снаружи выглядит темной. Однако если создать разность потенциалов между поверхностями, то молекулы жидкого кристалла выстроятся параллельно линиям поля и не будут влиять на плоскость поляризации света, который теперь пройдет через поляроиды. В результате ячейка снаружи уже не выглядит темной, потому что свет, проходящий через нее, отражается зеркалом. Каждый пиксел кажется темным или светлым в зависимости от приложенной к нему разности потенциалов. Жидкокристаллические дисплеи по сравнению с традиционными медленно реагируют на изменение разности потенциала. Это происходит потому, что скорость реакции молекул не такая быстрая, как скорость пучка электронов в электронно-лучевой трубке.