Тест «Вопросы и задачи с экологическим содержанием при изучении различных тем школьного курса физики» по физике

Вопросы и задачи с экологическим содержанием при изучении различных тем школьного курса физики

• Сколько кубических метров светильного газа нужно сжечь, чтобы повысить температуру 150 литров воды от 10⁰С до 95⁰С? Теплота сгорания светильного газа 178,1кДж/м³, КПД нагревателя 25%.

Ответ.

составив уравнение теплового баланса

ηV_гq= ρV_вc(t₂-t₁)

Выражаем искомый объём газа в виде формулы:

V_г=ρV_вс(t₂-t₁)/ηq

Эту формулу подвергаем анализу.

Отмечаем, что если бы КПД ( или теплота сгорания газа q) был в 2 раза больше, то для нагревания воды газа потребовалось бы в 2 раза меньше. Но при уменьшении затрат топлива на достижение того же эффекта уменьшается и вред для природы связанный с выбросом в окружающую среду продуктов сгорания и с добычей топлива. Следовательно , для защиты природы важно увеличивать КПД тепловых установок и пользоваться эффективно сгорающим топливом, дающим как можно меньше вредных продуктов сгорания. В этом и заключаются в общем случае основы рационального использования природных энергетических ресурсов.

• На одном из заводов для охлаждения стали требовалось 340 м³ воды. Попробовали охлаждать кипятком – расход воды уменьшился в 22 раза. Почему?

Ответ. Необходимо, чтобы охлаждающая вода как можно быстрее превратилась в пар, поскольку теплота парообразования значительно больше количества теплоты, идущего на нагревание воды до точки кипения. К тому же на это требуется время.

• Питьевой воды на Земле во многих местах не хватает. Её приходится получать из морской воды – либо выпариванием, либо вымораживанием. Какой способ выгоднее?

Ответ. Зимой – вымораживанием, летом – выпариванием.

• Как объяснить такое достаточно грозное природное явление, как сползание снежных лавин с гор?

Ответ. Так как температура плавления вещества с увеличением давления повышается, то в первую очередь весной начинает плавиться подошва лавины, и последняя устремляется по склону горы вниз с большой скоростью.

• В цехе завода всегда должен быть свежий воздух. Где нужно установить вытяжной вентилятор: ближе к полу или к потолку, если в цехе возможно скопление водяного пара, хлора, аммиака? Есть ли смысл открывать форточки, если за окнами холодно и идёт дождь?

Ответ. Вытяжной вентилятор устанавливается в зависимости от плотности удаляемого вещества: для пара и аммиака – ближе к потолку, для хлора – ближе к полу. Форточки открывать целесообразно: давление пара в цехе всегда больше (температура выше), поэтому он будет выходить, и воздух станет суше.

• Д.И.Менделеев говорил, что сжигать нефть и бензин – всё равно что сжигать ассигнации. Сейчас на улицах появились автомобили «на водороде». Каковы преимущества этого горючего?

Ответ. Водород дешевле, добывается из воды, которой на Земле много, при сгорании не даёт ядовитых отходов, его можно хранить в больших количествах в специальных баках и перекачивать по трубопроводам на значительные расстояния.

• Почему ветровые и солнечные электростанции не получили пока широкого распространения в нашей энергетике? Присущи ли экологически нежелательные факторы гидроэлектростанциям?

Ответ. Ветровые и солнечные электростанции маломощны и работают нестабильно: первые зависят от силы ветра, вторые – от яркости светила и не работают ночью или в пасмурную погоду. Отрицательные факторы при сооружении ГЭС: под водохранилище отводится большая площадь пахотной земли; осложняется воспроизводство рыбы – плотина мешает её свободному передвижению по реке; искусственное море изменяет местный климат, при этом не всегда в лучшую сторону.

• При сообщении по телевидению информации о погоде на экране иногда показывают земной шар и облако циклона на его фоне. Как метеорологи получают такое изображение?

Ответ. При помощи инфракрасной съёмки с ИСЗ; излучательные способности Земли и циклона различны (различна их температура).

• Несколько дней в 1952г.Лондон был окутан столь густым и чёрным туманом (смогом),что видимость была минимальной и в городе погибло около 4тыс. человек. За последние 10 лет лондонские туманы стали относительно слабыми .Одна из причин этого заключается в том, что сейчас там для отопления очень редко используют уголь. Объясните этот факт.

Ответ. Туман образуется тогда ,когда влажный воздух ,излучая тепло в пространство, охлаждается, и избыток водяного пара конденсируется. Когда в воздухе содержится большое количество центров конденсации( например, частичек угольной пыли), то происходит интенсивная конденсация при влажности 100% и образуется густой туман; если к тому же слой тёплого воздуха располагается над слоем холодного, то промышленные загрязнения с капельками влаги удерживаются вблизи земли, порождая смог. Уменьшение числа котельных, выбрасывающих в атмосферу твердые продукты сгорания угля, заметно снижают количество центров конденсации, и туманы ослабевают.

• Технология многих промышленных предприятий ( например, бумажных и текстильных фабрик) требует большого количества воды. Поэтому их строят на берегах рек, озер или морей. Взятая из водоема вода, участвуя в процессе производства, возвращается в водоемы загрязненной. Как спасти водоемы?

Ответ. Рекомендуется загрязненную воду очищать непосредственно на промышленном предприятии в специальной системе очистных сооружений и после этого её снова пускать в производство; отходы очистки не выбрасывать, а использовать в качестве сырья для получения возможного и необходимого продукта.

• Стекло, хорошо пропуская видимый свет, не пропускает теплового излучения. Объясните на основе этого устройство парников и теплиц.

Ответ. Стеклянное покрытие парника, пропуская солнечный свет, не « выпускает» из него внутреннюю энергию в виде теплового излучения. Возникает так называемый парниковый эффект, благоприятный для растений: обеспечивающий им свет и тепло.

• Будут ли затоплены материки Мировым океаном, если весь плавающий в нем лёд по каким-нибудь причинам растает?

Ответ. Нет. Вес льда равен весу воды, получившейся из него при таянии, следовательно (по закону плавания тел), вода займет объем погруженной части льда. Поэтому, если плавающий лед растает, уровень Мирового океана не изменится.

• Японская фирма “Mazda” еще в первой половине 90-х годов сконструировала и испытала первый в мире автомобиль с водородным двигателем. Он может преодолевать без дозаправки 230 км и развивать скорость 170 км/ч. Автомобиль снабжен не обычным а роторным двигателем мощностью в 130 л.с. В 1996 году автомобиль на водородных топливных элементах выпустил германский автомобильный концерн “Daimler-Benz”. В чем преимущество водорода по сравнению с остальными видами топлива?

Ответ. Удельная теплота сгорания водорода в несколько раз выше, чем у обычных углеводородов и горючих веществ. При сгорании водорода не выделяются вредные вещества.

• Загрязнение атмосферы отходами промышленности приводит к уменьшению ледников в горах. Почему ? Каковы возможные нежелательные последствия этого?

Ответ .Промышленные отходы в виде пыли оседают на поверхности ледников, что ускоряет их таяние под действием солнечных лучей. А уменьшение льда может привести к изменению климата.

• Почему необходима побелка плодовых деревьев ?

Ответ. Белое покрытие хорошо отражает солнечные лучи, уменьшая их поглощение, предохраняя деревья от ожогов.

• Промышленные центры, расположенные в зоне влажного климата, сильно загрязняют атмосферу. Почему?

Пылинки промышленных отходов, частицы дыма при большой влажности воздуха служат центрами конденсации водяных паров, в результате чего масса таких частиц увеличивается, уменьшается скорость их диффузии. Поэтому пылинки создают вокруг промышленного центра дымовые облака.

• В России есть два моря, представляющие собой сообщающиеся сосуды, – Азовское и Чёрное, причём одно почти пресное, а другое солёное. Не может ли вода, перетекающая из одного моря в другое через Керченский пролив, пагубно отзываться на жизни морских обитателей?

Ответ. Азовское море пополняют пресной водой реки Дон и Кубань, но перетекание из него воды в случае подъёма её уровня не представляет опасности для обитателей Чёрного моря. В засушливые же годы это пополнение ослабевает, уровень воды в Азовском море понижается, солёная вода из Чёрного моря частично перетекает в Азовское и губит в нём пресноводную рыбу.

• Почему, чтобы река была полноводной, по её берегам должно расти много деревьев?

Ответ. Корни деревьев, благодаря принципу капиллярности, накапливают и хранят запасы подпочвенной влаги, питающей реку. Чтобы сберечь воду, надо беречь и выращивать лес.

• Как на основе молекулярно-кинетической теории обьяснить механизм всасывания питательных веществ из почвы волосками корней растений?

• Как изменяется высота подъема воды в капиллярах почвы с повышением температуры?

• Как во время засухи и суховеев сохранить влагу в полях, чтобы спасти посевы от гибели?

Ответ. При обсуждении этих задач во время изучения поверхностного натяжения жидкостей и капиллярных явлений важно отметить, что плодородие почв представляет результат длительной эволюции; свойства почвы зависят главным образом от деятельности населяющих её организмов. Нерациональное (без строгой дозировки) использование минеральных удобрений и ядохимикатов, загрязнение земель промышленными отходами, неправильная агротехника приводят к подавлению биологической активности почвы и её деградации. Поэтому все формы интенсификации сельскохозяйственного производства, связанные с нарушением естественного плодородия почвы и её капиллярных систем, должны тщательно исследоваться на возможные экологические последствия и применятся осторожно, совместно с нейтрализующими отрицательные факторы мерами.

• Электростатические фильтры, применяемые на тепловых эл.станциях и других предприятиях для улавливания твердых частиц из дыма, представляют собой металлические трубы с протянутой вдоль их оси проволокой. Проволока заряжена положительно, а труба отрицательно. Как действует такой фильтр?

Ответ. Частицы дыма несут положительный заряд, поэтому они движутся под действием электрического поля к внутренней поверхности трубы где и оседают.

• Прилипание мокрого снега к проводам линий электропередачи может привести к их обрыву, что создаст опасность для жизни. Можно ли быстро избавиться от прилипшего снега?

Ответ. Можно, пропустив кратковременно по проводу сильный ток, чтобы расплавить снег.

• Для удаления льда с электрических проводов железнодорожной магистрали, образующегося во время гололёда, по проводу пропустили ток силой 450 А. Сколько льда при t=0 °С плавилось каждую минуту? Напряжение в линии 600 В. КПД приведённого способа очистки провода 50%.

Ответ. Примерно 24 кг.

• Длина взлетной полосы на аэродроме 675 метров. Каково ускорение самолета, если он, двигаясь по ней равноускоренно, взлетел через 15 секунд?

Ответ. Пользуясь при решении формулами

a=2S/t² и V=at

Ученики получают: а=6 м/с² и V=90 м/с.

Обращаем внимание, что движение такого массивного самолета с таким ускорением требует, чтобы его двигатели при взлете развивали большую мощность, а это предопределяет значительный расход энергии. Таким образом, авиация, обладая многими преимуществами по сравнению с другими транспортными средствами, не лишена главного недостатка: она тоже (и в значительных количествах) загрязняет атмосферу. Так, в результате сжигания в самолетных двигателях горючего в воздух попадают более 200 химических соединений, часть из которых вредные. Среди них, например, сернистый ангидрид, который соединяясь с атмосферной влагой , образует сернистую и серную кислоты, выпадающие затем на землю вместе с осадками («кислотные дожди»). И хотя главный источник сернистого ангидрида- промышленные выбросы, чтобы ограничить его попадание в атмосферу, надо думать и о совершенствовании авиационных двигателей, создании новых их конструкций, менее загрязняющих атмосферу. Самолеты издают еще и интенсивный шум, особенно при взлете и посадке, что тоже является отрицательным экологическим фактором.

• Почему искусственный шум (например, шум работающих машин) оказывает отрицательное действие на живой организм, а природные звуки (шум дождя, шелест листьев) действуют на него благотворно?

Ответ. Научные исследования показали, что во всех природных шумах определяющими являются одни и те же частоты – порядка 100Гц. Они относятся к зоне наилучшего восприятия для слухового аппарата, этим и объясняется вызванное ими приятное чувство успокоения и равновесия. Искусственные шумы, как правило, связаны со звуками более высоких тонов, поэтому приводят организм в угнетенное состояние.

• Шум – только враг или он может приносить пользу?

Ответ. Известно, что звуковые волны «шумового» типа способны рассеивать и осаждать пыль. Это свойство используется, в частности, для очистки воздуха в заводских цехах.

• Что можно сделать для решения проблемы ослабления городского шума?

Ответ. Многое. Например: следить за тем, чтобы дома излишне громко не звучали телевизоры, проигрыватели и т.д.; сажать деревья и кустарники . ведь правильно посаженные зелёные насаждения могут значительно снизить городской шум; летом его рассеивают и поглощают листья, а зимой – снег на ветках.

• Одна выкуренная сигарета сокращает жизнь на 15 мин. Кроме того, человек, выкуривающий каждый день 20 сигарет, получает такую же дозу облучения, как при ежедневном рентгеновском облучении лёгких. Какую дозу облучения получает курильщик за неделю, за месяц, за год? Превышает ли это значение среднее допустимое значение для человека?

Ответ. За неделю – 0,00105 Гр, за месяц – 0,00420 Гр, за год – 0,0504 Гр. Если брать суммарную дозу облучения в течение года, то это значение превышает допустимую общую дозу облучения.

• Как вы считаете, в чём положительное экологическое значение перехода от химической энергетики к ядерной?

Ответ. Ядерные реакторы не потребляют кислорода, не выделяют дыма и выхлопных газов.

• Допустим, что в атмосферу попали в равных количествах атомы радиоактивных веществ с разными периодами полураспада. Какое из них таит в себе наибольшую биологическую опасность?

Ответ. Для современников опаснее ядра с меньшим периодом полураспада, а для потомков – с большим.