Задание 19. Применение информации из текста: все задания

С давних времён и по сей день на морских и речных судах команды с капитанского мостика в машинное отделение передаются при помощи так называемой переговорной трубы. Затухание звука в воздухе при распространении по такой трубе очень мало. Переговорная труба является ярким примером акустического волновода – канала, в котором звуковые волны распространяются в определённом направлении практически без ослабления.

Оказывается, аналоги таких волноводов при определённых условиях могут возникать в морях и океанах. Учёные назвали такие «волноводы» «подводными звуковыми каналами» (сокращённо – ПЗК). Распространяющиеся по таким каналам звуковые волны могут быть приняты за тысячи километров от их источника.

Каков же механизм образования такого волновода, и что в нём служит отражающими границами? Поверхность океана и его дно служить такими границами не могут из-за того, что звук на них сильно рассеивается или поглощается. Исследователи выяснили, что границами гигантского подводного волновода служат слои воды, которые на разных глубинах обладают разными свойствами, благодаря чему скорость звука в океане зависит от глубины.

С глубиной увеличивается гидростатическое давление, что, в свою очередь приводит к росту скорости звука. При понижении температуры скорость звука убывает. В океане температура воды сначала довольно быстро падает по мере удаления от поверхности, а на большой глубине температура воды становится практически постоянной. Совместное влияние этих факторов приводит к сложной зависимости скорости звука от глубины, которая показана на графике (рис. 1).

Вначале вблизи поверхности океана преобладающее влияние оказывает быстрое падение температуры – поэтому в верхних слоях воды скорость звука с уменьшается с ростом глубины z. По мере погружения температура меняется всё медленнее, а гидростатическое давление продолжает возрастать. На некоторой глубине z_m влияние этих двух факторов уравновешивается – на данной глубине скорость звука минимальна. При дальнейшем погружении скорость звука начинает возрастать за счёт роста гидростатического давления.

Чтобы понять, как распространяются звуковые лучи в океане, обратимся к оптической аналогии. Из закона преломления света следует, что в среде с изменяющимся показателем преломления (т.е. при изменении скорости света в среде) световой луч искривляется. Точно по такому же закону происходит искривление «звуковых лучей» при распространении звука в неоднородной среде, в которой скорость звука меняется. Частный случай такой среды и представляет собой вода в море.

Предположим, что источник звука находится на глубине z_m. Луч, идущий вдоль горизонтали z = z_m, будет прямолинейным. А те лучи, которые выходят под некоторыми углами к этой горизонтали, будут искривляться согласно закону преломления. Это явление называют рефракцией звука. Поскольку и выше, и ниже уровня z_m скорость звука возрастает, звуковые лучи будут (в соответствии с законом преломления) искривляться в направлении горизонтали z = z_m. В какой-то момент луч станет «параллельным» этой горизонтали, и, «отразившись», повернёт обратно к ней.

Итак, рефракция звука в море приводит к тому, что некоторые звуковые волны, испускаемые источником, могут распространяться, не выходя на поверхность воды и не доходя до дна. А это и означает, что в такой среде реализуется волноводный механизм распространения звука – подводный звуковой канал. Роль «стенок» этого волновода выполняют слои воды на тех глубинах, где происходит «поворот» звукового луча.

Знаменитый итальянский физик Алессандро Вольта в конце 18-го века установил, что в электрической цепи, составленной только из металлических проводников (относящихся к так называемым проводникам первого рода, в которых электрический ток не вызывает химических превращений), электрический ток не возникает. Это верно, однако, только в том случае, если все спаи, то есть места соединения проводников, находятся при одинаковой температуре.

В 1821 году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек, проводя опыты с металлическими проводниками, заметил, что в замкнутой цепи, составленной из двух разных металлов, возникает электрический ток всякий раз, когда места контакта проводников имеют различные температуры.

Так, если взять железную проволоку и к её концам в точках а и b прикрутить по куску медной проволоки, а свободные медные концы присоединить к чувствительному гальванометру, то в полученной замкнутой цепи, тока не будет (рис. 1).

Совсем иная картина будет наблюдаться, если нагреть какое-нибудь место соединения проволок (например, точку а), поднеся к нему горелку (рис. 2). В этом случае амперметр фиксирует в цепи электрический ток, который протекает в цепи всё то время, пока существует разность температур между точками а и b. Если переместить горелку так, чтобы нагревалась точка b, а точка а оставалась холодной, то амперметр тоже будет показывать ток, но обратного направления.

Описанное явление, открытое Зеебеком, получило название термо-электричества, а всякую комбинацию разнородных проводников первого рода, образующих замкнутую цепь, называют термоэлементом.

Термоэлемент можно рассматривать как термоэлектрический генератор электрического тока, который, не имея движущихся частей превращает часть тепловой энергии, нагревающей место соединения проволок a, в электрическую энергию; при этом остальная часть теплоты отдаётся в окружающую среду через контакт b. Опыт показывает, что таким способом можно получить напряжение, не превышающее нескольких милливольт. При этом коэффициент полезного действия (КПД) термоэлементов, составленных из металлических проводников, не превышает 0,5%. Всё дело в том, что из-за большой теплопроводности металлов теплота, переходящая путём теплопроводности от горячего контакта к холодному, значительно больше, чем теплота, которая превращается в электрическую энергию. Кроме того, часть электрической энергии, создаваемой термоэлементом, превращается в теплоту внутри самого же термоэлемента, и она также не может быть использована. Эти бесполезные траты большей части теплоты, передаваемой горячему контакту, настолько велики, что термоэлементы, изготовленные из металлических проволок, совершенно не пригодны как технические генераторы электроэнергии.

Однако если в качестве термоэлементов использовать специально изготовленные полупроводники в контакте с металлами, то создаваемое ими напряжение в десятки раз превышает напряжение, которое создают чисто металлические термоэлементы. Кроме того, КПД полупроводниковых термоэлементов значительно выше. Поэтому полупроводники позволяют решить вопрос о непосредственном получении электроэнергии из тепловой энергии.

Значение силы тока, протекающего в цепи, приблизительно пропорционально разности температур спаев. Направление тока зависит от того, какой из спаев находится при более высокой температуре. Если спай a не нагревать, а охлаждать (поместить, например, в сухой лёд), то ток потечёт в обратном направлении.

Описанное явление было открыто в 1821 г. немецким физиком Зеебеком и получило название термоэлектричества, а всякую комбинацию проводников из разных металлов, образующих замкнутую цепь, называют термоэлементом.

Важным применением металлических термоэлементов является их использование для измерения температуры. Термоэлементы, используемые для измерения температуры (так называемые термопары), обладают перед обычными жидкостными термометрами рядом преимуществ: термопары можно использовать для измерения как очень высоких (до 2000°С), так и очень низких температур. Более того, термопары дают более высокую точность измерения температуры и гораздо быстрее реагируют на изменение температуры.

Для изучения состояния Мирового океана используют разнообразные приборы и методы. Наиболее эффективный инструмент для «просвечивания» глубин океана даёт акустика. Только звуковые волны могут распространяться в воде на значительные расстояния.

В 1946 году советские учёные при проведении исследований в Японском море обнаружили очень интересное явление. Звуковые волны от взрывов (подрывались противолодочные мины на глубине 100 метров) распространялись без заметного ослабления на очень большие расстояния – на многие сотни километров. Было выяснено, что это происходит из-за своеобразной зависимости скорости звука в океане от его глубины.

Скорость звука в морской воде, вообще говоря, меняется с изменением температуры, солёности и гидростатического давления. Во время работ в Японском море солёность изменялась с глубиной незначительно, и её влияние не сказывалось. При погружении с поверхности до глубины примерно 300 метров скорость звука уменьшалась из-за падения температуры.

При дальнейшем погружении температура изменялась мало (всего лишь на 0,3−0,5 °С). Однако по мере увеличения глубины (максимальная глубина в Японском море около 3700 м) существенно росло гидростатическое давление. Это приводило к возрастанию скорости звука.

В результате формировалась сложная зависимость скорости звука от глубины (см. рис. 1). Как видно из графика, минимум скорости звука соответствует глубине 300 м. Выше и ниже этого уровня скорость звука больше. К чему приводит такой профиль скорости звука?

Ответ на данный вопрос можно найти с помощью оптической аналогии. Из закона преломления света следует, что в среде с изменяющимся показателем преломления (т.е. при изменении скорости света в среде) световой луч искривляется. Точно по такому же закону происходит искривление «звуковых лучей» при распространении звука в неоднородной среде, в которой скорость звука меняется. Частный случай такой среды и представляет собой вода в море.

На рис. 2 изображён ход нескольких «звуковых лучей», выходящих в направлении морского дна из излучателя (И), помещённого на глубине 100 м. Лучи попадают в приёмник (П), который находится на глубине 300 м на расстоянии 184 км от излучателя. Вследствие непрерывного «преломления» в воде звуковые лучи искривляются – они снова и снова возвращаются к горизонтальному уровню, который соответствует минимуму скорости звука. При этом целое семейство звуковых лучей (как показано на рис. 2) не достигает дна, где звуковые сигналы могли бы поглотиться, и не выходит на волнующуюся поверхность воды, на которой они могли бы рассеяться. В результате звук приходит в приёмник, всё время распространяясь в толще воды, или, как говорят, по «подводному звуковому каналу» (сокращённо – ПЗК) почти без затухания. Это позволяет регистрировать звуковые сигналы за многие тысячи километров от источника звука.

В основе действия индукционной плиты лежит явление электромагнитной индукции – явление возникновения электрического тока в замкнутом проводнике при изменении магнитного потока через площадку, ограниченную контуром проводника. Индукционные токи при изменении магнитного поля возникают и в массивных образцах металла, а не только в проволочных контурах. Эти токи обычно называют вихревыми токами, или токами Фуко, по имени открывшего их французского физика. Направление и сила вихревого тока зависят от формы образца, от направления вектора магнитной индукции и скорости его изменения, от свойств материала, из которого сделан образец. В массивных проводниках вследствие малости электрического сопротивления токи могут быть очень большими и вызывать значительное нагревание.

Принцип работы индукционной плиты показан на рисунке. Под стеклокерамической поверхностью плиты находится катушка индуктивности, по которой протекает переменный электрический ток, создающий переменное магнитное поле. Частота тока составляет 20–60 кГц. В дне посуды наводятся токи индукции, которые нагревают его, а заодно и помещённые в посуду продукты. Нет никакой теплопередачи снизу вверх, от конфорки через стекло к посуде, а значит, нет и тепловых потерь. С точки зрения эффективности использования потребляемой электроэнергии индукционная плита выгодно отличается от всех других типов кухонных плит: нагрев происходит быстрее, чем на газовой или обычной электрической плите, а КПД нагрева у индукционной плиты выше, чем у этих плит.

Индукционные плиты требуют применения металлической посуды, обладающей ферромагнитными свойствами (к посуде должен притягиваться магнит). Причём чем толще дно, тем быстрее происходит нагрев.

Средняя скорость поездов на железных дорогах не превышает 150 км/ч. Сконструировать поезд, способный состязаться по скорости с самолетом, непросто. При больших скоростях колёса поездов не выдерживают нагрузки. Выход один: отказаться от колёс, заставив поезд лететь. Один из способов «подвесить» поезд над рельсами – использовать отталкивание магнитов.

В 1910 году бельгиец Э. Башле построил первую в мире модель летающего поезда и испытал её. 50-килограммовый сигарообразный вагончик летающего поезда разгонялся до скорости свыше 500 км/ч! Магнитная дорога Башле представляла собой цепочку металлических столбиков с укреплёнными на их вершинах катушками. После включения тока вагончик со встроенными магнитами приподнимался над катушками и разгонялся тем же магнитным полем, над которым был подвешен.

Практически одновременно с Башле в 1911 году профессор Томского технологического института Б. Вейнберг разработал гораздо более экономичную подвеску летающего поезда. Вейнберг предлагал не отталкивать дорогу и вагоны друг от друга, что чревато огромными затратами энергии, а притягивать их обычными электромагнитами. Электромагниты дороги были расположены над поездом, чтобы своим притяжением компенсировать силу тяжести поезда. Железный вагон располагался первоначально не точно под электромагнитом, а позади него. При этом электромагниты монтировались по всей длине дороги. При включении тока в первом электромагните вагончик поднимался и продвигался вперёд, по направлению к магниту. Но за мгновение до того, как вагончик должен был прилипнуть к электромагниту, ток выключался. Поезд продолжал лететь по инерции, снижая высоту. Включался следующий электромагнит, поезд опять приподнимался и ускорялся. Поместив свой вагон в медную трубу, из которой был откачан воздух, Вейнберг разогнал вагон до скорости 800 км/ч!