Основные физические явления и законы, используемые в произведениях Ж. Верна

Муниципальное общеобразовательное учреждение города Джанкоя

Республики Крым « Школа – гимназия №6 »

Основные физические явления и законы, используемые в произведениях Ж. Верна

Работу выполнила

Кобылинская Нина Константиновна

учитель физики, специалист высшей категории, учитель методист,

Соросовский учитель

г. Джанкой – 2015 г.

Содержание:

1. Введение

2. Основные физические явления и законы, используемые в произведениях Ж.Верна

1. Законы гидро- и аэростатики

2. Тепловые двигатели

3. Прочность материалов и конструкций, способы обработки

4. Электромагнитные явления

5. Физические приборы, используемые героями путешествий

6. Объяснение явлений природы и поведения животных на основе физических законов

1. Некоторые ошибки, допущенные Ж.Верном

2. Проектное задание

3. Экспериментальная работа

4. Заключение

5. Список использованных источников

6. Приложения

Воспетая музой наука была для героев

Жюль Верна порукой, что все фантазии,

Самые смелые претворятся в жизнь

Испытателями умелыми.

И мы желаем с наукой быть на «ты»,

Как кратер «Жюль Верн» на луне

Примыкает к Морю Мечты.

1. ВВЕДЕНИЕ

Жюль Верн (1828-1905 гг.) был и остался неумирающим спутником юности. В Жюль Верне соединились как бы три писателя. Он был зачинателем научной фантастики, основанной на научном правдоподобии и нередко на научном предвидении, замечательным мастером романа путешествий и приключений, страстным пропагандистом науки и ее грядущих завоеваний.

Целью данной работы является классификация физических явлений, которые описываются в нескольких романах Ж. Верна, вошедшим в серию «Необыкновенные путешествия».

В условиях гуманитаризации науки и образования, в частности физики, считаю целесообразным показать, как научные предвидение писателя, опирающееся на искания научной мысли, часто совпадали с его последующим воплощением в жизнь.

1. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И ЗАКОНЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ПРОИЗВЕДЕНИЯ Ж.ВЕРНА

1. Законы гидро- и аэростатики

Основными законами гидро- и аэростатики являются:

а) Закон Паскаля: внешнее давление, производимое на жидкость или газ, передается во все точки без изменения величины [9, 131]

б) Закон сообщающихся сосудов: в сообщающихся сосудах любой формы свободная поверхность однородной жидкости находится на одном уровне [9, 134] (Приложение, рис.1)

в) Закон Архимеда и условия плавания тела: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной жидкости или газа.

F_a = m_выт х g = ρV_погр х g

где ρ – плотность жидкости или газа

V_погр – объем погруженной части тела

g = 9.8 м/с² – ускорение свободного падения

Вес плавающего тела равен весу вытесненной жидкости (газа) если

F_a mg – тело всплывает, если F_a mg – тело тонет

mg = Fт – сила тяжести, действующая на тело

Fт = mg - тело плавает Fa mg – тело всплывает F_a mg – тело тонет [12, 87 - 88]

В романе Ж.Верна «Двадцать тысяч лье под водой» капитан Немо дает такое описание строения Наутилуса: «Составляя план судна, предназначенного для подводного плавания, я исходил из того расчета, что при спуске в воду девять десятых его объема были бы погружены в море и одна десятая выступало из воды. При таких условиях судно должно было вытеснить 1356,48 куб. метров воды и весить столько же тонн. Конструкция Судна не допускала нагрузки свыше этого веса.»

По условию плавания m_тела = m _выт.ж.

m _тела = ρ_в V_погр = 1000 кг/м³ х1356,48 м³ = 1356480 кг = 1356,48 т

Машины, балласт и прочее оборудование – все это вместе взятое весит 961,62 т. Внешняя обшивка – 394,96 т, внутренняя обивка – 62 т. Таким образом общий вес судна составляет 1356,48 т. (в этих расчетах мы видим ошибку, т.к. суммарный вес на 62,1 т превышает указанный). [1, 90-91]

Если же заполнить резервуары, имеющиеся в трюме «Наутилуса» водой, открыв краны, корабль погружается в море в уровень с поверхностью воды. Корабль, погруженный полностью в воду вытесняет 1500,2 м³ воды.

Таким образом для полного погружения резервуары, заполняющиеся водой должны иметь емкость не меньше 150,72 м³ (расчеты приближенные). Для погружения на большую глубину имелись запасные резервуары – емкость 100 м3. Для подъема до уровня моря было достаточно выкачать воду из этих запасных резервуаров. Таким образом обеспечивались погружение и подъем «Наутилуса» с использованием закона Архимеда и условия плавания.

В романе «Таинственный остров» описано путешествие беглецов на воздушном шаре. В следствие неисправности и утечки газа он сжимался, архимедова сила уменьшалась и шар опускался над бушующим океаном, что грозило путешественникам гибелью. Для уменьшения веса они сбросили балласт, все, вплоть до провизии и мелких вещей, находящихся в их карманах. Для своего спасения аэронавты вынуждены были выбросить 10 тыс. франков золотом, а затем обрубили канаты и выбросили гондолу. [4, 8] Сами же взобрались на кольцо и уцепились за петли сетки. Аэростат, плавающий в атмосфере, подобен точным весам: освобожденный от сколько-нибудь значительной тяжести, он делает скачок вверх. Использование законов воздухоплавания дало возможность путешественникам спастись.

1. Тепловые двигатели

Тепловым двигателем называется устройство, преобразующее внутреннюю энергию, выделенную в процессе сгорания топлива в механическую энергию.

При этом совершается полезная работа А_п= ηQ_зат А_п=Q₁-Q₂

Q_зат =Q₁

η – КПД теплового двигателя

Q_зат= qm_т – количество теплоты, выделенное в процессе сгорания топлива.

Любой тепловой двигатель, независимо от его конструктив­ных особенностей, состоит из трех основных частей: рабочего тела, нагревателя и холодильника (рис.). Рабочее тело — газ или пар— при расширении совершает работу, получая от на­гревателя некоторое количество теплоты Q₁. Температура Т₁ нагре­вателя остается при этом постоянной за счет сгорания топлива. При сжатии рабочее тело передает некоторое количество теплоты Q₂ холодильнику — телу постоянной температуры Т₂, меньшей, чем Т₁. Давление газа при сжатии ниже, чем при расширении и это обеспечивает полезную работу двигателя. Холодильником может служить и окружающая среда (двигатели внутреннего сгора­ния, реактивные двигатели).

Коэффициент полезного действия теп­лового двигателя вычисляется по формуле

Q₁ - Q₂

η =

Q₁

Вот как описывает Ж.Верн работу двигателя корабля «Авраам Линкольн» в романе «Двадцать тысяч лье под водой». Это был превосходный фрегат, оборудованный самыми совершенными машинами, которые работали при давлении пара до 7 атмосфер ≈ 700 кПа. При таком давлении достигалась средняя скорость 18,3 мили/час.

Команды передавались в машинное отделение по аппарату, приводимому в действие сжатым воздухом. «Механики повернули пусковой рычаг. Поршни привели во вращение гребной вал. Лопасти винта стали вращаться со все возрастающей скоростью.» [1, 20]

Так описывается работа одного из видов тепловых двигателей – паровой машины.

Принцип действия паровой машины.

В цилиндре паровой машины нельзя осуществить полностью весь цикл. Поэтому различные его процессы протекают в разных частях паросиловой установки: испарение воды – в паровом котле, расширение пара и преобразование его внутренней энергии в механическую — в цилиндре машины, конденсация па­ра — в конденсаторе и на­гревание полученного кон­денсата до температуры парообразования — в котле. Таким образом, реальный цикл, происходящий только в цилиндре паровой маши­ны, является разомкнутым, так как масса рабочего тела (пара) в течение цикла ме­няется, а в конце полностью обновляется. Этот цикл стре­мятся приблизить к теоретическому циклу, графическое изобра­жение которого приведено на рисунке.

Изохора 1—2 графически изображает на нем почти мгновен­ное повышение давления пара в цилиндре при соединении его с котлом от давления, равного давлению в холодильнике, до дав­ления в котле.

Изобара-изотерма 2—3 соответствует наполнению цилиндра свежим паром (через впускной клапан а) при постоянных темпе­ратуре и давлении, равных давлению и температуре пара в котле. Пар движет поршень вправо, совершая «работу наполнения». Затем происходит отсечка пара (точка 3 на графике; клапаны а, б закрыты), и начинается его адиабатное расширение (адиа­бата 3—4). При этом пар совершает над поршнем работу за счет своей внутренней энергии, и его температура и давление умень­шаются. Когда поршень достигнет правой мертвой точки, откры­вается выпускной клапан б и давление пара быстро падает до давления в холодильнике (изохора 4—5). При обратном движе­нии поршень выталкивает отработавший пар в холодильник, причем давление в цилиндре все время остается равным давле­нию в холодильнике (изобара 5—1). Затем все процессы повто­ряются. Полезная работа за цикл численно равна площади фигуры 1—2—3—4—5—1.

Рабочий процесс, протекающий в паровой машине, из-за теп­ловых потерь отличается от только что описанного идеального процесса. Этот реальный процесс графически изображается дру­гой кривой (пунктирная кривая на рис.), которая ограничива­ет меньшую площадь. Следовательно, и работа паровой машины за цикл при той же разности температур нагревателя и холо­дильника меньше теоретически вычисленной работы для идеаль­ной паровой машины.

Главное достоинство паровой машины состоит в простоте устройства, надежности работы, неприхотливости в отношении топлива, широкой приспособляемости к изменениям, нагрузки, возможности легко изменять направление движения.

Первая поршневая машина была построена в 1690 г. французским изобретателем Дени Папеном. Она не получила практического применения, т.к. котел нагревателя одновременно был и конденсатором.

В 1698 году англичанин Томас Севери создал безпоршневой пароатмосферный подъемник, где впервые применил отдельный паровой котел.

В 1711 году английский механик Томас Ньюкомен сконструировал паровой поршневой насос. Его усовершенствовал русский механик И.И.Ползунов в 1766 году.

Патент на изобретение в 1784 году получил английский изобретатель Джеймс Уатт.

В романе «Дети капитана Гранта» на паровой яхте «Дункан» водоизмещением 200 тонн была паровая машина, снабженная перегревателями. Это была машина высокого давления мощностью 160 лошадиных сил (1 л.с. = 735 Вт), приводившая в движение двойной винт. [2, 39] Идя на всех парах «Дункан» развил скорость, отмеченную патент-лагом до 17 морских миль в час ≈ 31,5 км/ч (1 морская миля = 1852 м).

1. Прочность материалов и конструкций, способы обработки

Подводное судно «Наутилус» было предназначено для глубоководных плаваний и должно было выдерживать давление воды во много раз превышающее атмосферное. Прочность обеспечивалась строением корабля.

Подводное судно «Наутилус» было предназначено для глубоководных плаваний и должно было выдерживать давление воды во много раз превышающее атмосферное. Прочность обеспечивалась строением корабля цилиндрической формы, который имел два корпуса: наружный и внутренний, соединенные между собой железными балками, имеющими двутавровое сечение, которые придают судну чрезвычайную прочность.

Благодаря такой конструкции судно противостоит любому давлению, подобно монолиту. Крепостью своего корпуса «Наутилус» обязан отнюдь не заклепкам обшивки: монолитность его конструкции достигнута путем сварки и обеспечена однородностью материалов. Толщина наружной обшивки не менее пяти сантиметров.

Иллюминаторы рубки «Наутилуса» изготовлены из толстого черепицеобразного стекла. Хрусталь, при всей своей ломкости при падении, оказывает значительное сопротивление давлению воды. Хрустальные пластинки толщиной в семь миллиметров выдерживали давление в 16 атмосфер. Стекла же на «Наутилусе» имеют толщину 21 см. [1, 94] На «Наутилусе» нечего бояться прогиба в корпусе, ибо двойная обшивка судна крепче железа.

В романе «Таинственный остров» описан способ получения проволоки с использованием пластической обработки применяемой на заводах и в настоящее время и получившей название «волочение проволоки».

Сайрус Смит изготовил волочильню – стальную доску с отверстиями разного диаметра, проходя сквозь которые железный прут все больше утончается, пока не достигнет требуемого диаметра. Волочильню инженер закалил «сколько было мочи» как он сам выразился, и закрепил неподвижно на столбах, глубоко вкопанных в землю недалеко от водопада, т.к. силой падения воды приводился во вращение вал, чтобы протягивать проволоку через волочильню, наматывая ее на себя.

Тонкие полосы мягкого железа, заостренные с одного конца, вставлялись в самые крупные отверстия волочильни и протягивались через них вращающимся валом. Намотавшаяся на вал лента в 25-30 фунтов в длину разматывалась и снова протягивалась через отверстие меньшего диаметра. Эту проволоку использовали для изготовления электрической проводки при установке телеграфа. [4, 312]

1. Электрические и магнитные явления

Электрические и магнитные явления неразрывно связаны друг с другом: электрический ток создает магнитное поле, а переменное во времени магнитное поле создает ЭДС индукции и наводит электрический ток в проводниках. Эти явления широко используются в работе генераторов, электрических машин. Кроме того для создания постоянного тока используются гальванические элементы и аккумуляторы, которые при соединении в батарею последовательно могут значительно увеличить ЭДС

Е = Е₁ + Е₂ + … + Е_п

Электрическая энергия легко трансформируется, передается по проводам на большие расстояния, преобразуется в тепловую, механическую энергию, энергию магнитного поля.

Этим свойством пользуются герои романов Ж.Верна.

Так, в романе «Двадцать тысяч лье под водой» капитан Немо, объясняя принцип управления «Наутилусом», говорит, что в природе есть могущественная сила, послушная, простая в обращении. На «Наутилусе» все подчинено ей, от нее исходит все! Она освещает, отапливает, приводит в движение машины. Эта сила – электрическая энергия. [1, 85-86]

Мощные источники тока капитан создавал, используя натрий, полученный при разложении морской воды. В соединении с ртутью он образует альмагаму, заменяющую цинк. Натриевые элементы в два раза сильнее цинковых. Океан снабжает «Наутилус» электричеством, а электричество дает тепло, свет, способность двигаться, одним словом – жизнь! Капитан Немо сконструировал электрический хронометр, измеряющий точно время, с помощью электрического лага измерялась скорость корабля. Шлюпку возвращали на «Наутилус», подавая кораблю сигнал подняться на поверхность по электрическому кабелю. Провода, включенные в аппаратуру в виде платиновых пластинок, раскаляли их добела, поддерживая в плите температуру, нужную для приготовления пищи. На электричестве работал дистилляционный аппарат, снабжавший судно пресной водой. Возле камбуза помещалась ванная комната, комфортабельно оборудованная, с кранами для горячей и холодной воды. [1, 88]

Машинное отделение состояло из двух половин. В первой находились батареи, вращавшие винт корабля. Электрическая энергия, выработанная батареями, передается в машинное отделение, приводит в действие электромоторы, которые через сложную систему трансмиссий сообщает вращательное движение гребному валу. Несмотря на то, что винт в диаметре равен шести метрам, скорость его вращения доходит до 120 об/секунду, что позволяет развить скорость 50 миль/час (92,6 км/ч). Во мраке вод «Наутилус» ориентировался, освещая путь с помощью мощного электрического рефлектора, который освещает море на расстояние полмили (≈ 600 м).

В романе «Таинственный остров» описано устройство электрической батареи для питания электрического телеграфа.

Ему нужно было получить батарею постоянного тока. Инженер решил устроить самую простую батарею, подобную той, которую изобрел в 1820 году Беккерель. Для нее нужно было иметь цинк, азотную кислоту и поташ. Всё это у инженера было под руками.

Вот как была устроена эта батарея. Сайрус Смит заготовил несколько стеклянных банок и наполнил их азотной кислотой. Затем он закрыл банки пробками с прорезанными посередине отверстиями. В эти отверстия были вставлены стеклянные трубки, закрытые снизу глиняными пробочками. Через верхнюю, открытую часть трубок в них был налит раствор поташа (карбонат калия). Таким образом, азотная кислота и поташ вступали во взаимодействие через глиняную пробочку. После этого инженер взял 2 полоски цинка и погрузил одну, через пробку, в азотную кислоту, а другую - в раствор поташа. Когда обе пластинки были соединены проволочкой, возник электрический ток, текущий от отрицательного полюса, погруженного в азотную кислоту, к положительному, погруженному в раствор поташа. Оставалось последовательно соединить между собой отдельные элементы, чтобы получить батарею, достаточную для питания электрического телеграфа.

Е = Е₁ + Е₂ + … + Е_п = nЕ₁ - ЭДС батареи

6 февраля колонисты начали устанавливать снабженные стеклянными изоляторами столбы для проводов.

Через несколько дней проводка была готова к передаче электрических сигналов со скоростью 300 тысяч километров в секунду.

Инженер изготовил 2 батареи - одну для Гранитного дворца, другую для кораля, так как хотел наладить двустороннюю связь.

Приёмный и передающий аппараты были очень просты. На обоих концах линий изолированная проволока наматывалась на брусок мягкого железа. Получался электромагнит. Когда в цепь включался ток, он шел от положительного полюса батареи к электромагниту, намагничивал его и через землю возвращался к отрицательному полюсу. Как только подача тока прекращалась, электромагнит размагничивался. Пластинка из мягкого железа, закрепленная подле электромагнита, притягивалась к нему, когда он был намагничен, и возвращалась в исходное положение, как только ток прерывался. К этой пластинке было прикреплено острие графита, чертившее на бумажной полоске линии и точки, в зависимости от того, какой подавался сигнал -долгий или короткий. Комбинации из черточек и точек, известные под названием азбуки Морзе, делали возможным передачу букв, слов и целых фраз этим способом.

Передающий аппарат состоял из ключа, при нажиме на который в цепь включался ток, действовавший на электромагнит, пока ключ не отпускали в исходное положение. [4, 313-314] (Приложение, рис.2)

Описанное ниже событие произошло с героями романа «Пятнадцатилетний капитан». Португалец Негоро подкравшись к компасу, подложил под нактоуз какой-то тяжелый предмет. Это был железный брусок, под влиянием которого показания компаса изменились [3, 85]

Известно, что железо является ферромагнетиком и намагничивается по внешнему полю. [11, 218] То есть своим магнитным полем при определенной ориентации он отклоняет положение подвижной магнитной стрелки компаса на 4 румба (румб – 1/32 доли окружности, т.е 11º 15´), что соответствовало отклонению курса на 45º. Так как второй компас был выведен из строя (упал), то «Пилигрим» продолжал идти вперед, но уклонился от заданного курса на 45º (половину прямого угла). В результате вместо Америки корабль попал в экваториальную Африку (Анголу) – страну работорговцев и рабов, что и было целью Негоро.

1. Физические приборы, используемые героями путешествий

Вот термометр для измерения температуры воздуха на "Наутилусе"; барометр - прибор, определяющий атмосферное давление, благодаря этому мы имеем возможность предвидеть изменение погоды; гигрометр - один из приборов для измерения степени влажности в атмосфере; storm-glass сигнализирует о приближении бури; компас указывает путь; секстан позволяет по высоте солнца определить широту; хронометры дают возможность установить долготу; и, наконец, зрительные трубы, дневные и ночные, которыми я пользуюсь, осматривая горизонт, когда "Наутилус" поднимается на поверхность океана. Манометр, служит для измерения давления воды и тем самым указывает, на какой глубине находится мое подводное судно. Термометрические зонды. Ими измеряют температуру в различных слоях воды. [1, 83]

1) Ртутный барометр — жидкостной барометр, в котором атмосферное давление измеряется по высоте столба ртути в запаянной сверху трубке, опущенной открытым концом в сосуд с ртутью.

Ртутные барометры — наиболее точные приборы, ими оборудованы метеорологические станции, по ним проверяется работа других видов барометров.

2) Термометр — прибор для измерения температуры воздуха, почвы, воды и так далее. Существует несколько видов термометров:

жидкостные

механические

электрические

оптические

газовые

3) Гигрометр — прибор для измерения влажности воздуха. Существует несколько типов гигрометров, действие которых основано на различных принципах: весовой, волосной, плёночный и др.

4) Компас (в профессиональной речи моряков: компас) — устройство, облегчающее ориентирование на местности. Существуют три принципиально различных вида компаса: магнитный компас, гирокомпас и электронный компас. (Приложение, рис.7)

5) Секстант (секстан) — это измерительный инструмент, используемый для измерения величины угла между двумя видимыми объектами. Обычно секстант используется для измерения возвышения астрономического объекта над горизонтом с целью определения географических координат. Например, измерив угол возвышения Солнца в полдень, можно вычислить широту.

6) Хронометр — механические часы с особо точным ходом (погрешность составляет всего несколько секунд в сутки).

7) Скафандр (от греч. σκάφoς — лодка, судно + άνδρoς — родительный падеж от άνηρ — человек. Буквально – «лодкочеловек». В Древней Греции "скафандрами" называли хороших пловцов и ныряльщиков) — специальное снаряжение, предназначенное для изоляции человека (или животного) от внешней среды. Части снаряжения образуют оболочку, непроницаемую для компонентов внешней среды (жидкостей, газов, излучений). Скафандры в основном подразделяются на авиационные, водолазные и космические.

8) Термометрические зонды. Ими измеряют температуру в различных слоях воды.

9) Зрительные трубы

10) Storm-glass сигнализирует о приближении бури.

11) Лаг – прибор, предназначенный для измерения скорости движения судна.

12) Манометр – прибор для измерения давления в жидкости или газе и оценки глубины погружения в жидкость (Приложение, рис.8).

Барометры

Барометр (от греч. baros - тяжесть, вес и metreo - измеряю), прибор для измерения атмосферного давления. Наиболее распространены: жидкостные барометры, основанные на уравновешивании атмосферного давления весом столба жидкости; деформационные барометры, принцип действия которых основан на упругих деформациях мембранной коробки; гипсотермометры, основанные на использовании зависимости точки кипения некоторых жидкостей, например воды, от внешнего давления.

Наиболее точными стандартными приборами являются ртутные барометры: ртуть благодаря большой плотности позволяет получить в барометре сравнительно небольшой столб жидкости, удобный для измерения. Ртутные барометры представляют собой два сообщающихся сосуда, наполненных ртутью; одним из них служит запаянная сверху стеклянная трубка длиной около 90 см, не содержащая воздуха. За меру атмосферного давления принимается давление столба ртути, выраженное в мм рт. ст. или в мбар.

Для определения атмосферного давления в показания ртутного барометра вводят поправки: 1) инструментальную, исключающую погрешности изготовления; 2) поправку для приведения показания барометра к 0°С, т.к. показания барометра зависят от температуры (с изменением температуры меняется плотность ртути и линейные размеры деталей барометра); 3) поправку для приведения показаний барометра к нормальному ускорению свободного падения (g = 9,80665 м/с²), она обусловлена тем, что показания ртутных барометров зависят от географической широты и высоты над уровнем моря места наблюдений.

В зависимости от формы сообщающихся сосудов ртутные барометры подразделяют на 3 основных типа: чашечные, сифонные и сифонно-чашечные. Практически применяют чашечные и сифонно-чашечные барометры. На метеорологических станциях пользуются станционным чашечным барометром.

Он состоит из барометрической стеклянной трубки, опущенной свободным концом в чашу. Вся барометрическая трубка заключена в латунную оправу, в верхней части которой сделана вертикальная прорезь; на краю прорези нанесена шкала для отсчёта положения мениска ртутного столба. Для точной наводки на вершину мениска и отсчёта десятых долей применяется особый визир, снабженный нониусом и перемещаемый винтом. Отсчёт высоты ртутного столба производят по положению ртути в стеклянной трубке, а изменение положения уровня ртути в чашке учитывается применением компенсированной шкалы так, что отсчёт по шкале получается непосредственно в миллибарах. При каждом барометр имеется небольшой ртутный термометр для введения температурной поправки. Чашечные барометры выпускаются с пределами измерения 810-1070 мбар и 680-1070 мбар; точность отсчёта 0,1 мбар.

В качестве контрольного применяется сифонно-чашечный барометр. Он состоит из двух трубок, опущенных в барометрическую чашу. Одна из трубок закрыта, а другая сообщается с атмосферой. При измерении давления винтом поднимают дно чашки, подводя мениск в открытом колене к нулю шкалы, а затем отсчитывают положение мениска в закрытом колене. Давление определяют по разности уровней ртути в обоих коленах. Предел измерения этого барометра 880-1090 мбар, точность отсчёта 0,05 мбар.

Все ртутные барометры - абсолютные приборы, т.к. по их показаниям непосредственно измеряют атмосферное давление. (Приложение, рис.3)

Гигрометры

Весовой (абсолютный) гигрометр состоит из системы U-образных трубок, наполненных гигроскопическим веществом, способным поглощать влагу из воздуха. Через эту систему насосом протягивают некоторое количество воздуха, влажность которого определяют. Зная массу системы до и после измерения, а также объём пропущенного воздуха, находят абсолютную влажность.

Действие волосного гигрометра основано на свойстве обезжиренного человеческого волоса – изменять свою длину при изменении влажности воздуха, что позволяет измерять относительную влажность от 30 до 100 %. Волос натянут на металлическую рамку. Изменение длины волоса передаётся стрелке, перемещающейся вдоль шкалы. Плёночный гигрометр имеет чувствительный элемент из органической плёнки, которая растягивается при повышении влажности и сжимается при понижении. Изменение положения центра плёночной мембраны передаётся стрелке. Волосной и плёночный гигрометр в зимнее время являются основными приборами для измерения влажности воздуха. Показания волосного и плёночного гигрометра периодически сравниваются с показаниями более точного прибора — психрометра, который также применяется для измерения влажности воздуха.

В электролитическом гигрометре пластинку из электроизоляционного материала (стекло, полистирол) покрывают гигроскопическим слоем электролита — хлористого лития — со связующим материалом. При изменении влажности воздуха меняется концентрация электролита, а следовательно, и его сопротивление; недостаток этого гигрометра — зависимость показаний от температуры.

Действие керамического гигрометра основано на зависимости электрического сопротивления твёрдой и пористой керамической массы (смесь глины, кремния, каолина и некоторых окислов металла) от влажности воздуха.

Конденсационный гигрометр определяет точку росы по температуре охлаждаемого металлического зеркальца в момент появления на нём следов воды (или льда), конденсирующейся из окружающего воздуха. Конденсационный гигрометр состоит из устройства для охлаждения зеркальца, оптического или электрического устройства, фиксирующего момент конденсации, и термометра, измеряющего температуру зеркальца. В современных конденсационных гигрометрах для охлаждения зеркальца пользуются полупроводниковым элементом, принцип действия которого основан на Пельтье эффекте, а температура зеркальца измеряется вмонтированным в него проволочным сопротивлением или полупроводниковым микротермометром.

Всё большее распространение находят электролитические гигрометры с подогревом, действие которых основано на принципе измерения точки росы над насыщенным соляным раствором (обычно хлористым литием), которая для данной соли находится в известной зависимости от влажности. Чувствительный элемент состоит из термометра сопротивления, на корпус которого надет чулок из стекловолокна, пропитанный раствором хлористого лития, и двух электродов из платиновой проволоки, намотанных поверх чулка, на которые подаётся переменное напряжение.

Компас

Простейший гирокомпас состоит из гироскопа, подвешенного внутри полого шара, который плавает в жидкости; вес шара с гироскопом таков, что его центр тяжести располагается на оси шара в его нижней части, когда ось вращения гироскопа горизонтальна.

Предположим, что гирокомпас находится на экваторе, а ось вращения его гироскопа совпадает с направлением запад — восток; она сохраняет свою ориентацию в пространстве в отсутствие воздействия внешних сил. Но Земля вращается, совершая один оборот в сутки. Так как наблюдатель, находящийся рядом, вращается вместе с планетой, он видит, как восточный конец оси гироскопа поднимается, а западный опускается; при этом центр тяжести шара смещается к востоку и вверх. Однако сила земного притяжения препятствует такому смещению центра тяжести, и в результате ее воздействия ось гироскопа поворачивается так, чтобы совпасть с осью суточного вращения Земли, то есть с направлением север — юг (это вращательное движение оси гироскопа под действием внешней силы называется прецессией). Когда ось гироскопа совпадет с направлением север — юг (N — S), центр тяжести окажется в нижнем положении на вертикали и причина прецессии исчезнет. Поставив метку «Север» (N) на то место шара, в которое упирается соответствующий конец оси гироскопа, и соотнеся ей шкалу с нужными делениями, получают надежный компас. В реальном гирокомпасе предусмотрены компенсация девиации компаса и поправка на широту места. Действие гирокомпаса зависит от вращения Земли и особенностей взаимодействия ротора гироскопа с его подвесом.

Электронный компас

Принцип действия такого компаса весьма прост:

l. Ha основании сигналов со спутников определяются координаты приёмника системы спутниковой навигации (и, соответственно, объекта)

2. 3асекается момент времени, в который было сделано определение координат.

3.Выжидается некоторый интервал времени.

4.Повторно определяется местоположение объекта.

5.На основании координат двух точек и размера временного интервала вычисляется вектор скорости движения и из него:

направление движения

скорость движения

Осуществляется переход к шагу 2.

Секстант

Секстан — это измерительный инструмент, используемый для измерения величины угла между двумя видимыми объектами. Обычно секстант используется для измерения возвышения астрономического объекта над горизонтом с целью определения географических координат. Например, измерив угол возвышения Солнца в полдень, можно вычислить широту.

Длина шкалы секстанта составляет 1/6 от полного круга или 60°, название секстанта происходит с латыни (sextans, — tis — шестая часть). Октант — похожий прибор, но с более короткой шкалой (1/8 круга или 45°), который использовался до 1767, пока его не заменил секстант. В 1767 первое издание навигационного альманаха собрало в своих таблицах лунные расстояния, что позволило навигаторам вычислять текущее время, зная угол между Солнцем и Луной. Однако, этот угол иногда больше 90°, и поэтому не может быть измерен с помощью октанта.

В секстанте используется принцип совмещения изображений двух объектов при помощи двойного отражения одного из них. Этот принцип был изобретён Исааком Ньютоном в 1699 году, но не был опубликован. Два человека независимо изобрели секстант в 1730: английский математик Джон Хадли и американский изобретатель Томас Годфри. Секстант вытеснил астролябию как главный навигационный инструмент.

Части секстанта смонтированы на раме образованной двумя радиусами и дугой, которая называется лимбом. С помощью секстанта можно измерять углы до 140° влево от нулевого индекса и до 5° вправо, эти деления находятся на лимбе. На левом радиусе неподвижно установлены малое зеркало и светофильтры. Половина поверхности малого зеркала прозрачна. В вершине рамы на подвижном радиусе, называемом алидадой, укреплено большое зеркало. На другом конце алидады укреплён отсчётный барабан, разделённый на 60-минутные деления. Труба вставляется в специальную стойку на раме секстанта.

Хронометр

Хронометр — механические часы с особо точным ходом (погрешность составляет всего несколько секунд в сутки).

Разработанный английским плотником, изобретателем, часовщиком-самоучкой Гаррисоном в 1734 — 1768 годах, хронометр стал неотъемлемой частью оборудования морского судна. Он служил для определения долготы. Долготу можно было вычислить по разнице между местным временем астрономического события (например, восхода или захода Солнца), и временем данного астрономического события на долготе одной из обсерваторий, например Гринвичской.

За прошедшие 250 лет конструкция хронометра Гаррисона мало изменилась (изменилась технология изготовления и применяемые материалы). В настоящее время такой хронометр выпускается Первым Московским часовым заводом под маркой 8МХ.

Зрительные трубы

Зрительная труба- совокупность объектива и лупы, расположенных на одной оптической оси и используемых для рассматривания удаленных предметов.

Зрительные трубы предназначены для наблюдения удаленных предметов и объектов и могут использоваться туристами, охотниками, любителями спортивных состязаний, учёными и т.д. Лёгкость, компактность, простота в обращении и уходе в сочетании с прекрасными оптическими качествами делают зрительные трубы одними из самых популярных приборов для наблюдения.

Принцип действия: наблюдатель направляет зрительную трубу на предмет, который его интересует, аккомодирует глаз на ясное видение репера (шкалы указателя, т. е. всего того, что размещено в фокальной плоскости окуляра), а затем передвигает окуляр до тех пор, пока в поле зрения не увидит четкое изображение предмета. Ход лучей через зрительную трубу от предмета до сетчатки глаза представлен на рисунке 1. Через зрительную трубу мы рассматриваем предметы значительных размеров, но удаленных от наблюдателя, при этом увеличиваются на размеры предметов, а угол зрения, под которым мы рассматриваем изображение предмета, т. е .зрительная труба как бы приближает предмет (например Луну), позволяя рассмотреть отдельные детали. (Приложение, рис.4)

Ход лучей в зрительной трубе, в которой объектив является собирающей, а окуляр – рассеивающая линза

Лаг (корабельный лаг)

Лаг — прибор, предназначенный для измерения скорости движения судна.

В древности в качестве лага использовался (и используется по сей день на небольших судах) ручной, или секторный лаг. Он представляет собой доску треугольной формы (сектор) с привязанной к ней верёвкой (линем, лаглинем) и грузом. На лине на определённом расстоянии друг от друга завязываются узлы. Доска выбрасывается за корму и пересчитывается количество узлов, ушедших за борт за определенное время (обычно 15 секунд или 1 .минуту). Отсюда пошло измерение скорости судна в узлах, 1 узел численно равен 1 морской миле в час.

К началу XII столетия отмечаются первые попытки создать измеритель скорости, в основу которого был бы положен принцип вертушки или винта, вращающегося на ходу судна от набегающего потока воды. Практическое применение получил вращающийся, или винтовой лаг, изобретенный Э. Массеем в 1802 г. Конструктивно он состоял из вертушки с лаглинем и коробки с часовым механизмом и циферблатом, показывающим число пройденных миль и кабельтовых.

С 1933 г. на судах нашего флота получил применение механический лаг типа "ГО марки 3", использующий также принцип вертушки. С 1940 г. на судах стали устанавливаться гидродинамические лаги, в разработку которых внес большой вклад русский ученый Даниил Бернулли. В середине XX века был разработан индукционный лаг, позволяющий измерить скорость судна как на переднем, так и на заднем ходах.

Принцип работы современных приборов основан на измерении напора воды, или гидролокации морского дна. Самый распространенный лаг представляет собой вертушку, вращающуюся под напором воды. Число оборотов вертушки за единицу времени определяется с помощью электронного или механического устройства. Обычно вертушка лага закрепляется на корпусе судна, но на небольших судах используют портативный вариант лага, в котором вертушка выбрасывается за корму на тросе, а измерительный механизм находится в руках у матроса. (Приложение, рис.5)

В настоящее время на судах морского транспортного флота применяются индукционные, гидродинамические и радиодоплеровские лаги, измеряющие скорость относительно воды.

Манометр

Манометр – прибор для измерения давления в жидкости или газе и оценки глубины погружения в жидкость В состав манометра часто входит U-образная трубка, заполненная ртутью, водой или какой-либо другой жидкостью; эта трубка открыта с одного конца, а другой ее конец опущен в жидкость, находящуюся под некоторым давлением. Измеряемое давление может быть легко определено по имеющейся на манометре градуированной шкале.

Принцип работы манометров и вакуумметров основан на разгибании и сжатии соответственно пружины бурдона с одной стороны взаимодействующей со средой измерения, а с другой стороны запаянной. При возникновении избыточного давления нутри пружины бурдона, она стремится выпрямиться. Это изменение ее формы передается через трибко-секторный механизм на стрелку, которая, в свою очередь, указывает на значение градуированной шкалы манометра. (Приложение, рис.8)

1. Объяснение явлений природы и поведения животных на основе физических законов

Герои романа «Дети капитана Гранта» поднимались в горы. На высоте девяти тысяч фунтов и выше от огромных глыб блестящего, местами синеватого льда отражались первые лучи восходящего солнца. Спутники поднимались вслед за главой отряда, старались идти точно по следам, избегая повышать голос, т.к. малейший шум, сотрясая воздух, мог вызвать обвал снегов, нависавших футах в семистах или восьмистах над их головами. (Передача давления газами, Колебания давления возникают от колебаний источника звука). На высоте одиннадцати тысяч футов исчезли кустарники. Около двух часов пополудни между оголенными остроконечными вершинами развернулось огромное, без всяких следов растительности, плоскогорье, похожее на пустыню. Воздух был здесь сухой, а небо ярко-голубого цвета. На этой высоте дождей не бывает: испарения здесь превращаются в снег или град. [2, 88]

Эти явления объясняются следующим образом: чистый воздух не содержит взвесей, рассеивающих длинноволновую часть спектра. Поэтому небо имеет ярко-голубой цвет. На молекулах рассеивается коротковолновая часть спектра, соответствующая фиолетовому, синему и голубому цвету. (λ≈380-500нм)

Из-за низкого атмосферного давления происходит быстрое испарение с поверхности суши. (В безвоздушном пространстве вода мгновенно испаряется при любой температуре). При адиабатном расширении пара по первому закону термодинамики ΔV= - A, т.к. работа при расширении положительна А0, то изменение внутренней энергии отрицательно ΔVt ≤ 0 ºС, поэтому пар замерзает. Осадков в виде дождя (воды) нет, а выпадает снег или град.

Обваливающиеся куски разрушавшегося от выветривания кварца или гнейса при ударе почти не издавали звука, т.к. разреженный воздух не передает звук.

Разжечь огонь и поддержать его - было делом нелегким, т.к. в разреженном воздухе мало кислорода, чтобы поддержать горение. Воде, чтобы закипеть не понадобится нагреваться до 100 ºС и тому, кто любит кофе, сваренный на воде в сто градусов придется обойтись без него, т.к. вода на этой высоте кипит при t , 93] (Понижение точки кипения на 1ºС происходит при подъеме приблизительно на 324 метра). Так, термометр позволяет оценить высоту подъема по температуре кипения воды.

Ночью путешественники услышали шум и вой перепуганных зверей. На плоскогорье обрушилась лавина – сотни, тысячи живых существ обезумевших от страха. [2, 94]

Какое явление природы могло так испугать этих животных и погнать их из мест обитания? Бег животных был вызван надвигающимся землетрясением. Это одно из стихийных бедствий, часто повторяющихся в одной местности на гористой границе Чили. [2, 97] Землетрясению предшествуют низкочастотные колебания ν

На берегу в Новой Зеландии Роберт заметил, что тюлени едят гальку! Животные с жадностью глотали валяющиеся на берегу камешки. «Странная пища, и переваривать ее трудно» - заметил Роберт.

Паганель объяснил, что тюлени не питаются камнями, а глотают их, чтобы легче опускаться на дно. Вернувшись на берег, они просто-напросто выплюнут камни.

В романе «Пятнадцатилетний капитан» мать рассказывала маленькому Джеку о собаке Мунито, которая составляла слова из кубиков с буквами.

Секрет «учености» состоял в том, что она обладала острым слухом, который развил дрессировщик. И когда, во время выступления, она подходила к кубику с нужной буквой, дрессировщик щелкал зубочисткой, спрятанной в кармане. Собака слышала щелчок, неслышимый зрителями и брала зубами кубик, ставила его рядом с предыдущим, постепенно составляла слово. На улавливании неслышимых ультразвуков собаками основаны и современные способы дрессировки в цирках.

Герои романа «Пятнадцатилетний капитан», спасаясь от ливня, спрятались в конусе из глины, выстроенном термитами. [3, 206-212] Во время наводнения вода проникла внутрь и стала заливать термитник, поднявшись до высоты пяти футов. Вода проникла снизу во входное отверстие, закрыв доступ свежего воздуха. Сжатый воздух между поверхностью воды и конуса временно прекратил подъем воды. Чем это грозило путешественникам? Из-за выдыхаемого углекислого газа воздух вскоре мог стать не пригодным для дыхания. В этом конусе они оказались как в водолазном колоколе. Выход из положения был один: пробивать боковое отверстие в глиняной стене термитника для доступа свежего воздуха. Если же уровень воды снаружи будет выше уровня воды в конусе, то вода внутри будет подниматься по закону сообщающихся сосудов. Подъем будет продолжаться до тех пор, пока его не остановит более сжатый воздух. Ливень продолжался, вода прибывала, сильнее сжимала воздух, что говорило о подъеме уровня ее снаружи. Дик Сэнд сверлил боковые отверстия шомполом от ружья, но в них врывалась вода. Отверстие быстро закрывали глиной. Дыхание становилось затрудненным. Фонарь погас из-за недостатка кислорода. Спасло путешественников то, что вершина конуса не была затоплена и в отверстие, проделанное в ней, вырвался сжатый воздух, и проникли первые лучи восходящего солнца. Уровни воды внутри и снаружи сравнялись. Верхушка конуса поднималась над водой. В термитнике раздалось радостное «Ура!», т.к. невольные пленники были спасены от удушья и утопления.

Подъём воды в термитнике объясняется законом сообщающихся сосудов.(см. гл. II, раздел 1, б)

1. НЕКОТОРЫЕ ОШИБКИ, ДОПУЩЕННЫЕ Ж. ВЕРНОМ

Рассмотрим путешествие в пушечном снаряде на Луну, описанное в романах «С Земли на Луну» и «Вокруг Луны» (в переводе Марко Вовчка «Из Пушки на Луну»).

Члены Пушечного Клуба Балтимора решили отлить исполинскую пушку, зарядить ее огромным полым снарядом и, посадив внутрь пассажиров, выстрелом отправить снаряд-вагон на Луну.

Фантастична ли эта мысль? Из закона всемирного тяготения и теории космических полётов следует, что для полёта телу нужно сообщить в горизонтальном направлении скорость ≈ 8 км/с, V=√GM/R=√gR; V=√10 м/с*6.4*10⁶ м ≈ 8*10³ м/с = 8 км/с называемую первой космической скоростью.

Проведем некоторые расчеты. Как добиться, чтобы снаряд, выпущенный пушкой, шел по пути, менее искривленному, чем земная поверхность? (Приложение, рис. )

На горе А стоит пушка. Снаряд, выпущенный из нее через 1 с, падает в точку С, находящуюся ниже точки Б на 5 м (т.к. притяжение Земли смещает за 1с свободно падающее тело на высоту h=gt²/2; h= 10м/с² * 1с² = 5 м).

2

Если, опустившись на 5 м, снаряд не приблизится к Земле, а окажется над уровнем Земли на том же расстоянии, что и в точке А, то он движется вокруг Земли по окружности. Вычислим длину отрезка АВ – путь, пройденный по окружности за 1 с.

ОА=ОС=R₃=6370 км=6,37 *10⁶ м

ВС = 5 м

ОВ = 6,370005*10⁶ м

По теореме Пифагора ОВ²=АВ²+ОА²

АВ = √ОВ2-ОА2 АВ = √(6,370005*10⁶)² – (6,37*10⁶)² = √63,70025*10⁶ ≈ ≈ 8*10³ м = 8 км

Этот расчет совпадает с первой космической скоростью

V 8 км/с , но меньше 11,2 км/с (11,2 км/с – вторая космическая скорость) снаряд будет двигаться по эллипсу. (Приложение, рис. )

Чтобы космический корабль, двигаясь по эллипсу, облетел Луну, ему необходима скорость 11, 1 км/с. То есть теоретически этот полет возможен.

Рассмотрим, возможно ли такой полет осуществить средствами, которые придумал Ж.Верн.

Члены Пушечного Клуба отливают гигантскую пушку длиной в четверть километра, отвесно врытую в землю. Огромный снаряд, который внутри представляет собой каюту для пассажиров, имеет массу 8 тонн. Заряжают пушку хлопчатобумажным порохом – пироксилином – в количестве 160 тонн.

В результате взрыва снаряд приобретает скорость 16 км/с, которая вследствие трения о воздух уменьшается до 11 км/с, достаточной чтобы долететь до Луны. Так описывается в романе. Что же говорит об этом физика?

Во-первых, пороховые пушки не могут сообщить снарядам скорости больше 3 км/с, что явно недостаточно. Кроме того, автор не учитывает сопротивление воздуха, которое при такой огромной скорости совершенно изменит картину полета.

Большие опасения вызывает участь пассажиров. Во время полета в горловине пушки они будут испытывать огромные перегрузки, которые не может выдержать человек, даже кратковременно.

Проведем расчет времени полета: при равноускоренном движении внутри ствола L = Vt/2 t = 2L/V

L= 210 м – длина ствола, не занятого снарядом,

V= 16*10³ м/с – скорость, приобретенная снарядом внутри ствола

Время полета t= 420 м/16*10³ м/с = 26,25*10^-3 м/с t ≈ 1/49 с

Ускорение снаряда при движении в канале а=V/t а= 16*10^-3м/с = 0,6*10⁶ м/с²

26,25*10^-3 с

a=V²/2L а= 256*10⁶ м²/с² = 0,6*10⁶ м/с²

420 м

а = 600000 м/с² ≈ 60000g !!! (в шестьдесят тысяч раз больше ускорения свободного падения).

В результате вес тела увеличился бы в 60000 раз! Одна шляпа (цилиндр) мистера Барбикена имела бы вес, эквивалентный массе 15 тонн! (масса груженого вагона). Этого больше чем достаточно, чтобы раздавить владельца.

Меры, которые предлагает автор для ослабления удара: ядро снабжено буферными пружинами и двойным дном с водою, заполняющей пространство в нем, что растягивает продолжительность удара и уменьшает ускорение, совсем не значительно, и уменьшает силу, прижимающую пассажиров к полу (вес тела) на ничтожную долю.

Человек может без ущерба для здоровья выдержать ускорение а=3g . Но даже, если предположить, что кратковременно человек может выдержать десятикратное увеличение веса, т.е. ускоренных а=10g = 100 м/с², то при необходимой скорости V= 11 км/с длина пушки должна быть равной L= V²/2a L= (11*10³м/c)² / 200 м/с² =

= 0,6*10⁶ м = 600000 м длина пушки должна быть 600 км!!!

Эти расчеты позволяют сделать неутешительный вывод: подобное сооружение лежит за пределами возможного! Эти расчеты разрушают заманчивые планы героев Ж.Верна. [10, книга 1, 40-42, книга 2, 84-87]

1. ПРОЕКТНОЕ ЗАДАНИЕ

1. Проложить по карте маршрут, пройденный Филеасом Фоггом вокруг света за 80 дней.

2. Выяснить, какие виды транспорта использовал Ф.Фогг в своем путешествии.

3. Оценить скорости во времена Фогга и время затраченное на путешествие.

4. Представить что это путешествие осуществляется в наше время, и оценить время такого кругосветного путешествия с использованием современных видов транспорта:

а) теплоход, автомобиль

б) теплоход, поезд

в) самолет

г) космический корабль

Средства передвижения

Пакетботы, железные дороги, коляски, яхты, торговые, суда, сани, слон.

Расчёт времени путешествия, составленный «Морнинг Кроникл»

Из Лондона в Суэц, через Мон-Сенис и Бриндизи (поезд и пакетбот) …….……7 дней

Из Суэца в Бомбей (пакетбот)………………………………………………………13 дней

Из Бомбея в Калькутту (поезд)………………………………………………………..3 дня

Из Калькутты в Гонконг (пакетбот)………………………………………………..13 дней

Из Гонконга в Йокогаму (пакетбот)………………………………………………...6 дней

Из Йокогамы в Сан-Франциско (пакетбот)…………………………………………22 дня

Из Сан-Франциско в Нью-Йорк (поезд)…………………………………………….7 дней

Из Нью-Йорка в Лондон (пакетбот и поезд)………………………………………..9 дней

Итого ……………………………………………………………………………..….80 дней

Маршрут кругосветного путешествия, совершённого Филеасом Фоггом

1870-е гг.

Скорость пакетбота приблизительно равна 20 км/ч

Скорость поезда (1870-е гг.) приблизительно равна 50 км/ч

Маршрут	Расстояние между точками маршрута, км	Время путешествия, ч
Лондон-Париж (поезд)	450	9
Париж-Турин (поезд)	550	11
Турин – Бриндизи (поезд)	1000	20
Бриндизи – Суэц (пакетбот)	1800	90
Суэц-Аден (пакетбот)	2400	120
Аден-Бомбей (пакетбот)	3200	160
Бомбей-Калькутта (поезд)	1600	32
Калькутта-Сингапур (пакетбот)	2900	145
Сингапур-Гонконг (пакетбот)	2500	125
Гонконг-Шанхай (пакетбот)	1600	80
Шанхай – Йокогама (пакетбот)	1800	90
Йокогама - Сан-Франциско (пакетбот)	8200	410
Сан-Франциско – Солт-Лейк-Сити (поезд)	1000	20
Солт-Лейк-Сити – Чикаго (поезд)	2000	40
Чикаго – Нью-Йорк (поезд)	1200	24
Нью-Йорк – Ливерпуль (пакетбот)	5400	270
Ливерпуль – Лондон (поезд)	300	6
Итого	37900	1652 ≈ 69 суток

Это расчёт минимального времени путешествия Филеаса Фогга. Филеас Фогг не выиграл бы пари, если бы учитывались плохая погода, кораблекрушения и т.д. На его пути встретились препятствия: недостроенная железная дороги, задержка в тюрьме, нападение на поезд индейцев и т.д.

Современные средства передвижения

Скорость автомобиля – 90 км/ч

Скорость поезда – 190 км/ч

Скорость теплохода – 35 км/ч

Скорость «Конкорда» - 2100 км/ч

Расчёт минимального времени путешествия с использованием теплохода и автомобиля

Маршрут	Расстояние между точками маршрута, км	Время путешествия, ч
Лондон-Париж (автомобиль)	450	5
Париж-Турин (автомобиль)	550	6
Турин – Бриндизи (автомобиль)	1000	11
Бриндизи – Суэц (теплоход)	1800	51
Суэц-Аден (теплоход)	2400	69
Аден-Бомбей (теплоход)	3200	91
Бомбей-Калькутта (автомобиль)	1600	18
Калькутта-Сингапур (теплоход)	2900	83
Сингапур-Гонконг (теплоход)	2500	71
Гонконг-Шанхай (теплоход)	1600	46
Шанхай – Йокогама (теплоход)	1800	51
Йокогама - Сан-Франциско (теплоход)	8200	234
Сан-Франциско – Солт-Лейк-Сити (автомобиль)	1000	11
Солт-Лейк-Сити – Чикаго (автомобиль)	2000	22
Чикаго – Нью-Йорк (автомобиль)	1200	13
Нью-Йорк – Ливерпуль (теплоход)	5400	149
Ливерпуль – Лондон (автомобиль)	300	6
Итого	37900	937 ≈ 39 суток

Расчёт минимального времени путешествия с использованием теплохода и поезда

Маршрут	Расстояние между точками маршрута, км	Время путешествия, ч
Лондон-Париж (поезд)	450	2
Париж-Турин (поезд)	550	3
Турин – Бриндизи (поезд)	1000	5
Бриндизи – Суэц (теплоход)	1800	51
Суэц-Аден (теплоход)	2400	69
Аден-Бомбей (теплоход)	3200	91
Бомбей-Калькутта (поезд)	1600	8
Калькутта-Сингапур (теплоход)	2900	83
Сингапур-Гонконг (теплоход)	2500	71
Гонконг-Шанхай (теплоход)	1600	46
Шанхай – Йокохама (теплоход)	1800	51
Йокохама - Сан-Франциско (теплоход)	8200	234
Сан-Франциско – Солт-Лейк-Сити (поезд)	1000	5
Солт-Лейк-Сити – Чикаго (поезд)	2000	11
Чикаго – Нью-Йорк (поезд)	1200	6
Нью-Йорк – Ливерпуль (теплоход)	5400	149
Ливерпуль – Лондон (поезд)	300	5
Итого	37900	890 ≈ 37 суток

Если полёт вокруг Земли осуществить на самолёте «Конкорд»

l маршрута ≈ 40 000 км – длина маршрута

h полёта ≈ 24 км – высота полёта

v _max ≈ 3 200 км/ч – максимальная скорость

m_{топлива} (l ≈ 4 800 км, t ≈ 1,5 ч.) ≈ 36 300 кг

m_{топлива} (l ≈ 40 000 км, t ≈ 12 ч. 30 мин.) ≈ 296 000 кг

Кол-во посадок для заправки – 8

Длительность заправки – 1 ч.

Общая длительность заправки – 8 ч.

Минимальное время путешествия – 8 ч. + 12 ч. 30 мин ≈ 20 ч. 30 мин.

Искусственный спутник Земли

Если бы вблизи Лондона был космодром, то самое быстрое кругосветное путешествие – это полёт на ИСЗ по круговой орбите. Проведём расчет времени полёта без учёта времени выхода на орбиту и приземления с помощью спускаемого аппарата или пилотируемого корабля. Период обращения по круговой орбите

,

где - первая космическая скорость

- радиус Земли

- высота полёта ИСЗ

- гравитационная постоянная

- масса Земли

; ;

;

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ РАБОТА

В романе Ж.Верна «Таинственный остров» [4, 88, 91-92, 94] инженер Сайрес Смит изготовил угломер наподобие секстанта, принцип действия которого описан в данной работе (гл. II, 5). Так как секстанта у него не было, он выстругал две плоские линейки, соединил их концы шипом акации так, чтобы они могли двигаться и раздвигаться, как циркуль. Ночью он направил одну ножку на горизонт, а вторую – на Альфу Южного Креста (в южном полушарии она находится вблизи Южного Полюса Мира, удалена от него на α =27 º). Угол между линейками, с учетом поправки 27º давал географическую широту местности. Угловая высота Полюса Мира над плоскостью горизонта равна географической широте места наблюдения. (Приложение, рис. )

1

. В северном полушарии вблизи Северного Полюса Мира находится Полярная звезда (Альфа Малой Медведицы). Мы взяли циркуль, совместив его центр с центром транспортира, одну ножку расположили вдоль основания транспортира. В ночное время мы расположили т

ранспортир вертикально. Таким образом нижняя ножка циркуля располагалась горизонтально.

Установив прибор у глаза так, что луч зрения совпадал со второй ножкой транспортира, направленной на Полярную, мы получили ее угловую высоту над плоскостью горизонта, равную географической широте города Джанкоя φ = 44º.

1. В дневное время, в истинный полдень определили полуденную высоту Солнца над плоскостью горизонта описанным способом h = 29 º h = 90º – φ + δ (Приложение, рис. ) По таблице и карте звездного неба склонение Солнца 12.11.08 δ = - 17 º , тогда географическая широта φ = 90º + δ – h φ = 90º - 17º - 29º = 44º

2. Д

   
   

   
   

   ля определения истинного полдня (момента верхней кульминации Солнца) мы взяли метровую линейку, установили ее наклоном к северу (т.к. Солнце движется в южной части неба, что делает тень более длинной) и наблюдали уменьшение ее длины. Момент, когда длинна тени стала минимальной, был истинным полднем – Солнце пересекало небесный меридиан. Установив шест вертикально, измерили длину тени ВС в истинный полдень tgα = AB/ BC AB = 1 м – высота шеста, ВС= 1,8 м – длина тени tgα = 1м / 1,8 м ≈ 0,555

Полуденная высота Солнца 12.11.08 h = α ≈ 29º (по таблице Брадиса). Тогда географическая широта г. Джанкоя φ = 90º – 29º – 17º = 44º h + |δ| + φ = 90º φ = 90º - h - |δ| φ = 44º

1. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На примере исследования нескольких произведений как основные физические законы позволили героям романов Ж.Верна выбраться из сложных жизненных ситуаций:

• Законы гидростатики позволили выполнить путешествие на воздушном шаре и глубоко под водой на «Наутилусе»

• Способы обработки материалов позволили создать провода из железа для прокладки телеграфного кабеля

• С учетом прочности материалов и конструкций был построен «Наутилус», который глубоко под водой выдерживал огромное гидростатическое давление

• Использование теории тепловых машин привело к созданию мощных паровых двигателей

• Электромагнитные явления были применены для создания сильных электрических батарей, создающих большую электродвижущую силу, электромагнитный телеграф

Физические законы позволяют объяснить интереснейшие явления природы, поведение животных, позволяют героям выбраться из критических ситуаций (спасение от падения на воздушном шаре, от наводнения в термитнике).

Научные фантазии Ж.Верна гениальны: он предвидел подводный корабль, авиацию, звуковое кино, дальнобойную артиллерию, полеты в космос и многое другое. Стремление описать в художественных произведениях в увлекательной форме явления с научной точки зрения делает его романы популярными и в наше время.

Недаром, когда советская космическая ракета 4 октября 1959 года впервые облетела Луну и передала на Землю фотографии ее обратной стороны, одному из лунных кратеров было присвоено имя «Жюль Верн». Кратер «Жюль Верн» примыкает к Морю Мечты.

Эта работа может быть использована на уроках обобщения и систематизации знаний , при проведении бинарных уроков ( физика – биология , физика – математика ), на внеклассных занятиях по физике .

IV. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Жюль Верн «Двадцать тысяч лье под водой», Москва, Издательство «Правда», 1990 г.

2. Жюль Верн «Дети капитана Гранта», Киев, «Веселка», 1979 г.

3. Жюль Верн «Пятнадцатилетний капитан», Харьков, «Прапор», 1987 г.

4. Жюль Верн «Таинственный остров», Москва, «Московский рабочий», 1956 г.

5. Жюль Верн «Вокруг света за 80 дней», Москва, Издательство «Правда», 1991 г.

6. Билимович Б.Ф. «Тепловые явления в технике», Москва, «Просвещение», 1981 г.

7. Блудов М.И. «Беседы по физике», 1 ч, Москва, «Просвещение», 1984 г.

8. Воронцов – Вельяминов Б.А. «Астрономия», Москва, «Просвещение», 1979 г.

9. Гурский И.П. «Элементарная физика», Москва, «Наука», 1973 г.

10. Перельман Я.И. «Занимательная физика», Москва, «Наука», 1965 г.

11. Тульчинский М.Е. «Качественные задачи по физике», Москва, «Просвещение», 1972 г.

12. Яворский В.М., Селезнев Ю.А. «Справочное руководство по физике», Москва, Наука, 1984 г.

V. ПРИЛОЖЕНИЯ

Английский фут 30,479 см

Морская миля 1852 м

Кабельтов 185,2 м = 0,1 мили

Морское лье 5,555 м

Узел 1 миля/час

Скорость 30 узлов = 30 миль/час ≈ 55,6 км/ч

Румб 1/32 доля окружности = 4º 15´

33