Урок-лекция
Скачать 1.2 Mb.
|
| Тема для обсуждения 1. Рождение атомной энергетики было стимулировано военными разработками. Однако производство электроэнергии атомными электростанциями оказалось выгодным. В настоящее время атомные электростанции эксплуатируются во многих странах, не обладающих ядерным оружием. Оказывается, у атомных электростанций существует много достоинств по сравнению с другими типами электростанций. В частности, малый вес топлива незаменим для атомных электростанций на подводных лодках. Какова доля АЭС в производстве электроэнергии в нашей стране и в других странах? Каковы перспективы развития АЭС? Тема для обсуждения 2. Чернобыльская катастрофа была неожиданной и с серьезными глобальными последствиями. В чем причины этой катастрофы? Кто виноват в том, что она произошла? Правильно ли ликвидировались ее последствия? Полностью ли они ликвидированы в настоящее время? Какие выводы были сделаны из анализа Чернобыльской катастрофы? Тема для обсуждения 3. Как производить электроэнергию в достаточном количестве и с меньшими отрицательными последствиями для экологии? Оказывается, любые мощные электростанции наносят в той или иной степени вред экологии. В чем заключается вред различных электростанций? Какие электростанции оказываются предпочтительными в тех или иных условиях? Тема для обсуждения 4. Проблема ввоза и захоронения ядерных отходов активно обсуждалась общественностью. С одной стороны это немалый доход для государства. Кроме того, будучи переработаны определенным образом, отходы могут дать дополнительное ядерное топливо. С другой стороны, при различных непредвиденных «сбоях» существуют определенные опасности. В чем они заключаются? Насколько они серьезны? Возможно это просто проявление так называемой радиофобии? Подведение итогов. Проблема развития атомной энергетики далеко проста. С одной стороны, несомненно, существуют опасности, связанные с эксплуатацией атомных электростанций и не до конца решенной проблемой захоронения ядерных отходов. С другой стороны, при правильной эксплуатации современные атомные электростанции надежно обеспечивают электроэнергией многие районы, причем экологически оказываются даже более предпочтительными по сравнению с электростанциями больших мощностей других типов. Как часто бывает со сложными проблемами, однозначных решений быть не может, однако в ближайшие десятилетия развитые страны не смогут обойтись без атомных источников энергии. Естественно, для проектирования, строительства и эксплуатации АЭС необходимы высококвалифицированные специалисты. Ошибки и просчеты в данной области могут дорого обойтись человечеству. §41. Проблема управляемого термоядерного синтеза и энергетика будущего. (Урок-лекция). Нам тайны нераскрытые раскрыть пора — Лежат без пользы тайны, как в копилке, — Мы тайны эти скоро вырвем у ядра, На волю пустим джинна из бутылки. В. Высоцкий. ? К ! аким образом была осуществлена неуправляемая термоядерная реакция? В чем состоит основная сложность осуществления управляемой термоядерной реакции? Что представляет собой «горючее» для термоядерных реакций? Какие способы удержания высокотемпературной плазмы предполагается использовать в термоядерных реакторах? Дейтерий, тритий. Магнитные ловушки. С * остав атомного ядра. Энергия связи атомных ядер. Ядерные реакции. Источники энергии Солнца и звезд. Ядерная энергетика. (Физика 7-9 кл). Общее представление о строении атомов: ядро (протоны и нейтроны) и электроны. Изотопы. (Химия, основная школа). Естествознание 10 § 2, 25, 26, 28, 65, 75. Неуправляемая и управляемая термоядерные реакции. Практическое использование ядерных реакций распада началось с пуска ядерного реактора, в котором воспроизводилась управляемая реакция. Лишь спустя три года появилась возможность провести ядерный взрыв – мощную неуправляемую реакцию ядерного распада. Совершенно по-другому происходило (и происходит) освоение реакции ядерного синтеза. Первая неуправляемая термоядерная реакция – взрыв водородной бомбы был произведен в 1952 г. А вот управляемую реакцию термоядерного синтеза, в результате которой выделялась бы энергия, не удалось осуществить до сих пор. Правда, в настоящее время большинство ученых считают, что остающиеся проблемы носят уже не научный, а технический и коммерческий характер, однако, конкретной даты пуска управляемого термоядерного реактора, пока не называется. Как уже говорилось в § 38, трудности, связанные с созданием самоподдерживающейся реакции ядерного синтеза, заключаются в необходимости создания высоких плотностей и высоких температур термоядерного горючего. Например, в центре Солнца, где происходят подобные реакции, температура оценивается в 13 млн. градусов, а плотность вещества такова, что 1 см3 имеет массу около 100 г. На Солнце и на звездах такие условия возникают вследствие огромных сил гравитационного взаимодействия, сжимающих вещество. Чтобы создать такие плотности на Земле, необходимо обеспечить давление в 1031 раз больше атмосферного, что пока не представляется возможным. При тех же давлениях, которые можно создать, для инициирования термоядерных реакций нужны температуры в несколько раз больше, чем в центре Солнца. Создать подобные внеземные условия пока удалось лишь при использовании самого мощного из доступных человеку средств – атомного взрыва. В водородной бомбе термоядерное горючее «поджигается» в результате проведения атомного взрыва. Мощности водородных бомб существенно выше, чем мощности атомных бомб. Если типичная атомная бомба, например, бомба, сброшенная на Хиросиму эквивалентна обычной тротиловой бомбе весом 20 000 тонн, то мощности водородных бомб достигают сотни миллионов тонн в тротиловом эквиваленте. Что такое термоядерное горючее. Чтобы понять, почему на создание управляемого реактора термоядерного синтеза возлагаются большие надежды, необходимо разобраться, что может служить термоядерным горючим. Существует множество различных реакций термоядерного синтеза, происходящих с выделением тепла, многие из которых, по-видимому, происходят на звездах. Однако, чем тяжелее ядра, тем больше силы отталкивания между ними, и, следовательно, более высокие температуры необходимы для термоядерного синтеза. Поэтому в качестве возможных претендентов на термоядерное горючее рассматриваются самые легкие ядра – изотопы водорода, гелия и лития. Одной из самых «низкотемпературных» является реакция: 2H + 3H 4He + n + 17,6 МэВ . В этой реакции участвуют два различных изотопа водорода – дейтерий (2H) и тритий (3H). У реакции есть определенные недостатки. Во-первых, изотоп трития радиоактивен. Период полураспада трития около 12 лет. Следовательно, необходима защита от радиации. Во-вторых, из короткого периода полураспада следует, что тот изотоп отсутствует в природе, (все, что было, уже распалось). Необходимо предусмотреть получение трития в самом термоядерном реакторе из дейтерия. А вот дейтерия в природе много. Правда в общей массе водорода на Земле дейтерия содержится всего 0,015%. Однако, поскольку объем водорода в океанской воде огромен, а сама вода легко «добывается», то запасы дейтерия на Земле практически неограниченны. Получение дейтерия из воды тоже не представляет проблемы, для этого используется электролиз. Другого подобного дешевого и распространенного источника энергии на Земле нет В связи с доступностью дейтерия рассматриваются также возможности использования реакции между двумя ядрами дейтерия, которая может идти по двум каналам: 2H + 2H 3H + 1H + 4,0 МэВ, 2H + 2H 3He + n + 3,25 МэВ. В первой из этих реакций вырабатывается радиоактивный тритий, так что проблема защиты от радиоактивности остается. Существует и наиболее приемлемая с точки зрения радиоактивности реакция: 2H + 3He 4He + 1H + 18,3 МэВ. Как исходные продукты, так и продукты реакции не радиоактивны. Однако для этой реакции необходим легкий изотоп гелия, состоящий из двух протонов и нейтрона. На Земле количество этого изотопа ничтожно, он имеет процентное содержание 1,4·10-4 % в гелии, который и так является редким элементом. Имеются данные о том, что 3He достаточно много на Луне, уже появлялись сообщения о том, что оценивается возможность доставки его с Луны на Землю. Магнитные ловушки для плазмы. Самая сложная проблема, которую нужно решить при конструировании термоядерного реактора, проблема удержания плотной горячей плазмы в течение достаточно длительного времени – порядка одной секунды. Любое вещество при температурах в десятки миллионов градусов превращается в плазму, поэтому каких-либо стенок для удержания термоядерного горючего создать невозможно. Выход нашли в использовании электромагнитного поля. Вспомните, на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила Лоренца. Сила Лоренца закручивает частицу и не дает ей двигаться с постоянной скоростью перпендикулярно силовым линиям магнитного поля. В хорошем приближении движение частицы можно представить как движение по спирали, «накрученной» на линию магнитного поля. Поскольку линии магнитного поля всегда замкнуты, движение заряженной частицы становится ограниченным некоторой областью пространства (Рис. 1).
Для создания магнитного поля могут использоваться электромагниты различной формы. В настоящее время существующие проекты предусматривают создание камеры для термоядерного горючего в виде тороида («бублика»). На поверхность тороида наматываются обмотки электромагнита. Создаваемое ими магнитное поле представляет собой замкнутые линии, проходящие внутри тороида. Поскольку скорости частиц огромны, для их «закручивания» необходимы сильные поля, а значит большие токи. Чтобы избежать потерь энергии на нагрев проводов, предполагается использовать обмотки катушек из сверхпроводников, для чего их необходимо охлаждать до температур порядка десяти Кельвинов. Таким образом, сверхвысокие температуры будут «соседствовать» со сверхнизкими. Магнитные ловушки прекрасно удерживали бы заряженные частицы, если бы эти частицы не сталкивались между собой. В результате столкновений частицы уходят из ловушки, и пока еще проблема удержания до конца не решена. Для создания подобных устройств в настоящее время привлекаются самые современные технологии. Соответствующие проекты оказываются настолько дорогими, что для их осуществления объединяют усилия ученые нескольких государств, включая Россию. В настоящее время первый реактор, вырабатывающий энергию, однако не в промышленных, а в исследовательских целях, предполагается построить в Японии. Рассматриваются и другие способы осуществления управляемой реакции термоядерного синтеза. Одна из возможностей – получение энергии в результате последовательности микроскопических термоядерных взрывов. Для этого термоядерное горючее предполагается заключить в небольшие капсулы (размеры порядка нескольких миллиметров). Для создания огромных давлений и температур эти капсулы предполагается «обстреливать» с разных сторон мощными лазерами, число которых может достигать сотни. Лазерные лучи производят нагрев вещества и создают давление. В результате этого процесса может произойти термоядерный взрыв, энергию которого предполагается использовать. Для осуществления самоподдерживающейся термоядерной реакции необходимо достижение в плазме термоядерного горючего огромных температур и давлений. В настоящее время подобные условия реализованы в водородной бомбе при помощи предварительного атомного взрыва. Термоядерным горючим может случить тяжелый водород – дейтерий, запасы которого на Земле практически неисчерпаемы. В связи с этим ученые многих стран объединяют усилия для создания управляемых термоядерных реакторах. Для удержания плазмы в этих реакторах предполагается использовать магнитные поля. 1. Почему термоядерные реакции с более тяжелыми ядрами требуют более высоких температур? 2. ○ Как предполагается добывать термоядерное горючее? 3. * Юпитер, как и Солнце, в основном состоит из водорода. Почему в недрах Юпитера не протекают реакции термоядерного синтеза? 4. Объем гидросферы приблизительно равен миллиарду кубических километров. Какова масса дейтерия в гидросфере? § 42. Информация и электрические сигналы. (Урок-лекция). Наступив на острый камешек, мы мгновенно узнаем об этом: что-то нам о том говорит, какая-то информация поднимается вверх по ноге. Р. Фейнман. П ? очему в современных устройствах информация преобразуется в электрические сигналы? Что такое аналоговые и цифровые сигналы? Как преобразуется информация? А ! налоговый сигнал. Цифровой сигнал. Датчики. Усилители. Аналого цифровые преобразователи. Цифро-аналоговые преобразователи. * Закон Ома для участка электрической цепи. (Физика 7-9 кл). Информация, информационные объекты различных видов. Информационные процессы: хранение, передача и обработка информации. Дискретная форма представления информации. Сигнал, кодирование и декодирование, искажение информации при передаче. (Информатика, основная школа). Естествознание 11 § 26, 27. Наш век иногда называют веком информационных технологий. Под информационными технологиями понимают в широком смысле все, что связано с обработкой, передачей, хранением, воспроизводством информации. Конечно же, все эти процессы использовались человеком с древнейших времен. Человек, как и любое существо, воспринимает информацию и воспроизводит ее, а также хранит ее в своей памяти. Еще в древности человек научился искусственному сохранению информации, например, в виде наскальных рисунков, а также кодированию информации – древние письмена. Изобретение книгопечатания можно считать началом использования устройств для воспроизводства информации. Однако лишь во второй половине 20 века появилось то, что в настоящее время называют информационными технологиями. Электрический сигнал – универсальный переносчик информации. Процессы, связанные с информацией могут иметь самую различную природу. Однако в настоящее время все они обрабатываются на общей основе. Для обработки информации используются электрические сигналы, которые являются в некотором смысле посредником между устройствами, воспринимающими информацию, устройствами, воспроизводящими информацию, и устройствами, сохраняющими информацию. Универсальная роль электрических сигналов обусловлена удобством их обработки. Что же называют электрическим сигналом? Проще всего объяснить на примере угольного микрофона – устройства, которое до недавнего времени входило во все телефонные аппараты (Рис. 1).
Устройство представляет собой коробочку с угольным порошком, закрытую гибкой мембраной, к которой прикреплен диффузор. Диффузор воспринимает изменение давления (звуковая волна). Чем больше давление, тем с большей силой диффузор давит на мембрану, которая, прогибаясь, сжимает угольный порошок. Чем больше сжимается угольный порошок, тем меньше его сопротивление. Если на диффузор падает звуковая волна, то при подключении к угольной коробочке проводов и источника тока по цепи пойдет ток, зависимость от времени которого повторяет зависимость давления звуковой волны от времени. Этот ток и является электрическим сигналом, несущим информацию о звуковой волне. Электрическим сигналом является также падение напряжения на сопротивлении (см. рисунок), которое пропорционально току, а значит, также повторяет форму давления в звуковой волне. Такой электрический сигнал, который аналогичен изменению во времени некоторой физической величины (давление температура, скорость и т.д.) называется аналоговым сигналом. Устройство, преобразующее изменение некоторой физической величины в электрический сигнал, называется датчиком. Описанный микрофон является простейшим датчиком давления воздуха. Датчики преобразуют самую разнообразную информацию в электрические сигналы. Существуют датчики температуры, датчики, регистрирующие элементарные частицы, датчики влажности. Примером, преобразующим световой сигнал в электрический, являются фотоэлементы и многочисленные устройства, в состав которых входят фотоэлементы – электронно-лучевые трубки, ПЗС-матрицы и др. Преобразование электрических сигналов. Как и зачем преобразуется электрический сигнал? Очень часто необходимо усилить сигнал, не искажая его. Примером является акустическая система концертного зала. Микрофоны преобразуют звук голоса и музыкальных инструментов в электрический сигнал. Далее этот сигнал усиливается, затем громкоговорители осуществляют обратное преобразование электрического сигнала в звук. Устройство, усиливающее электрический сигнал называется усилителем. Электрические сигналы можно складывать. Примером является сложение сигналов, идущих от различных музыкальных инструментов в концертном зале. На Рис. 2 изображен сигнал, получающийся в результате сложения двух синусоидальных сигналов.
В некоторых случаях возникает необходимость преобразовать сигнал, искажая его определенным образом. Так, например, получают новые искусственные тембры музыкальных инструментов. Иногда необходимо уметь перемножать два сигнала. Именно таким образом возникает модулированный сигнал, приведенный на Рис. 2 к § 27. Преобразование аналоговых сигналов осуществляется, в частности при радиовещании и телевещании. Например, в современном телевизионном сигнале определенным образом смешиваются три сигнала: звуковой, яркостной и цветовой, которыми модулируется радиоволна. В телевизионном приемнике происходит обратное преобразование – из радиосигнала выделяются звуковой, яркостной и цветовой сигналы. Далее цветовой и яркостной сигналы подаются на телевизионную трубку, а звуковой на громкоговорители. Цифровые сигналы. В последнее время аналоговые сигналы все чаще заменяются на цифровые сигналы, в частности планируется в ближайшие десятилетия ввести цифровое телевидение. Что такое цифровой сигнал? Покажем это на примере. Пусть аналоговый сигнал представляет собой синусоиду. Рассмотрим кусок такой синусоиды, равный одному периоду (Рис. 3).
Нанесем на этот сигнал сетку, разделив сигнал по величине, например, на 8 частей (вертикальная ось) и по времени (горизонтальная ось) на 10 частей. Далее формируем 10 чисел, каждое из которых равно целому числу от величины сигнала в начале соответствующего интервала времени. В данном случае – это совокупность следующих чисел: 4, 6, 7, 7, 6, 4, 1, 0, 0, 1. Это и есть цифровой сигнал, соответствующий исходному аналоговому. Приборы, осуществляющие преобразование аналогового сигнала в цифровой называются аналого-цифровыми преобразователями. Обычно аналого-цифровые преобразователи формируют цифровой сигнал в двоичном коде, так что десяти приведенным выше цифрам соответствуют следующие двоичные числа: 100, 110, 111, 111, 110, 100, 001, 000, 000, 001. Аналого-цифровой преобразователь это электронный прибор, и, естественно, цифровой сигнал выдается не в виде нулей или единиц, а в виде электрического сигнала, в котором закодированы нули и единицы. Например, нулю может соответствовать короткий импульс, а единице – длинный импульс (точка и тире в азбуке Морзе). При передаче такого сигнала потребуются еще и специальные импульсы – синхроимпульсы, отделяющие одно двоичное число от другого. Естественно, существуют устройства, осуществляющие обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый – цифро-аналоговые преобразователи. В результате восстановления сигнала, соответствующего десяти вышеприведенным числам, мы получим сигнал, изображенный на Рис. 4.
Конечно же, этот сигнал искажен по сравнению с исходным аналоговым. Однако, очевидно, что, если сетку, накладываемую на исходный сигнал сделать мельче, то искажения станут менее заметными. Недостаток, связанный с искажениями при преобразовании аналогового сигнала в цифровой и обратно, компенсируются огромным выигрышем, связанным с возможностью преобразования цифровых сигналов. Цифровые сигналы поступают на компьютер, и его преобразование определяется закладываемой в компьютер программой. Конечно же, имеются в виду не отдельные компьютеры, а компьютеры, встроенные в тот или иной прибор. Фактически такие компьютеры есть в большинстве современных устройств – в телевизорах, радиоприемниках, видеомагнитофонах, автомобилях, стиральных машинах и т.д. Удобство преобразования цифрового сигнала связано с легкостью изменения программы, осуществляющей такое преобразование. Кроме того цифровой сигнал оказывается удобнее хранить. Например, «закачивая» мелодию звонка в мобильный телефон, пользователь записывает в память, имеющуюся в мобильном телефоне, последовательность двоичных чисел, которую далее цифро-аналоговый преобразователь переводит в звук. Огромные возможности, благодаря цифровой технологии, открываются в искусстве. Например, создавая различные программы, можно получать самые разнообразные звуковые тембры, не существующие в природных инструментах, создавать искусственную окраску голоса. При съемках фильмов с помощью цифровой технологии можно достигать самых разнообразных видеоэффектов, ограниченных лишь фантазией художника. Еще одним достоинством цифровых сигналов является их помехоустойчивость. При передаче сигнала при помощи радиоволн или линий связи на передаваемый сигнал неизбежно накладываются помехи. При передаче аналогового сигнала эти помехи проникают на экран телевизора или в громкоговоритель. Если же передается цифровой сигнал, то при помощи специальных методов удается до некоторой степени контролировать сигнал и убирать накладываемые на него помехи. В современных приборах информация о самых различных физических величинах преобразуется в электрические сигналы (токи и напряжения в зависимости от времени). Аналоговые сигналы полностью повторяют изменение некоторой физической величины от времени. Цифровые сигналы – последовательность электрических импульсов, содержащих закодированную в виде двоичных чисел информацию. Цифровые сигналы позволяют осуществить преобразование информации компьютерами. 1. В современной медицине существует множество приборов, позволяющих непрерывно осуществлять контроль состояния больного. Какая информация при этом преобразуется в электрические сигналы? 2. Проводимость воды увеличивается при увеличении концентрации растворенных в ней солей. Предложите, исходя из этого свойства, конструкцию датчика концентрации солей, который мог бы осуществлять контроль сточных вод некоторого предприятия. 3. До недавнего времени существовала только аналоговая фотография, связанная с засветкой фоточувствительных материалов и последующей их химической обработкой. В настоящее время все большее развитие получает цифровая фотография. В чем ее суть, чем она отличается от обычной фотографии? |
Похожие:
 | Урок формирования знаний Конференция, урок-диспут, урок-лекция, урок-экскурсия,, урок-поиск, урок снежный ком и др | | Лекция I и проблема языка и сознания лекция II 31 слово и его семантическое... Монография представляет собой изложение курса лекций, про* читанных автором на факультете психологии Московского государственного... |
| «Давление газа» Данный урок является развивающим, так как он проводится с использованием новых технологий (интерактивная лекция). Лекция сопровождается... |  | Лекция религии современных неписьменных народов: человек и его мир... Редактор Т. Липкина Художник Л. Чинёное Корректор Г. Казакова Компьютерная верстка М. Егоровой |
| Урок конференция. Доклады и выступления учащихся по следующим темам Расцвет реализма в литературе, живописи, музыке, театральном искусстве. Урок лекция с элементами беседы | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Урок 1-й. Урок – лекция «Эвенки Забайкалья: общая характеристика. Традиционное жилище эвенков» |
| Урок информатики на тему: «Знакомство с графическим редактором Paint.» Тип урока по форме проведения: урок – лекция с элементами исследования и имитации деятельности компьютерных художников на этапе выполнения... | | Лекция №5 Лекция №5 Вредные вещества и их воздействие на человека. Основы промышленной токсикологии |
| Урок патриотизма Урок лекция, основанный на использовании технологий развивающего обучения Новицкий И. Б. Римское право: учеб для юрид высш учеб заведений и фак. 2011. 298 с. 30 экз | | Урок изучения нового Урок изучения нового традиционный (комбинированный), лекция, экскурсия, исследовательская работа, учебный и трудовой практикум. Имеет... |
| Урок-лекция Назначение и использование компас-график. Гост оформления конструкторской документации | | Урок-лекция Рассмотрите изображение странного объекта. Выскажите версии относительно его предназначения |
| Урок изучения нового материала Лекция 12. Основные вопросы управления образованием и организации учебного процесса 72 | | Урок Русская литературно-критическая и философская мысль второй половины... Рабочая программа по предмету «Литература» в 10 классе создана на основе федерального компонента государственного стандарта основного... |
| Урок 114. «Мятежный человек, полный бунтующих страстей». Слово о... Урок посвящается биографии писателя и обзору его творчества. Лекция учителя и сообщения заранее подготовленных учеников о личности... | | Лекция. Проектирование графического интерфейса пользователя Лекция №11 Комплексная программа «Программа воспитания и обучения в детском саду» под редакцией М. А васильевой, В. В. Гербовой, Т. С. Комаровой... |
