Вопрос 3 к экзаменационным билетам №2, 13 на выпускном экзамене по физике. 11-й класс

р.п. Мокшан, Пензенская обл.

Вопрос 3 к экзаменационным билетам № 2, 13 на выпускном экзамене по физике. 11-й класс

Билетам № 2

Эксперимент и формула. Вернёмся к Резерфорду и его альфа-частицам. В Манчестерском университете работал немецкий физик-экспериментатор Иоганнес Гейгер, который стал основным помощником Резерфорда. В 1909 году он сказал шефу, что старшекурсник Эрнест Марсден ищет тему дипломного исследования. Резерфорд вспомнил о своём канадском замысле и предложил Марсдену заняться отражением альфа-частиц от металлических поверхностей.

Казалось, что результаты полностью соответствуют ожиданиям: частицы-снаряды легко пронизывали фольгу, незначительно изменяя направления (позже Гейгер вычислил, что наиболее вероятный угол рассеяния при толщине фольги 0,4 микрона составляет 0,87 градуса). На этом эксперимент мог бы закончиться, но Резерфорд предложил посмотреть, не уходят ли альфа-частицы на большие углы. Позже он вспоминал, что не слишком верил в эту возможность. Как бы то ни было, вскоре произошло то, что Резерфорд назвал самым невероятным событием своей жизни. Оказалось, что некоторые альфа-частицы не только рассеиваются перпендикулярно первоначальному направлению пучка (для золотой фольги толщиной 0,4 микрона примерно одна из двадцати тысяч), но даже отбрасываются назад. Модель Томсона такого практически не допускала. По словам Резерфорда, это было всё равно как если бы пятнадцатидюймовый снаряд отразился от бумажной салфетки.

Результаты Гейгера и Марсдена были опубликованы в научных журналах, но сенсации не произвели. А вот Резерфорд погрузился в раздумья. В течение всего 1910 года он пытался подобрать для них объяснение, но задача оказалась трудной. Однако в декабре Резерфорд написал американскому исследователю радиоактивности Бертраму Болтвуду, что рассчитывает вскоре предложить новую модель атома, много лучшую, нежели томсоновская. Уже через четыре месяца он отправил в журнал Philosophical Magazine статью с подробным анализом результатов своих сотрудников и других учёных, полученных при исследовании рассеяния альфа-частиц и электронов на различных металлах. В конце этой работы он констатирует: «При рассмотрении данных в целом, по-видимому, наиболее простым является предположение, что атом имеет центральный заряд, распределённый по очень малому объёму». Это и была первоначальная формулировка резерфордовской модели атома. О том, что электроны обращаются вокруг ядра наподобие планет, здесь нет и речи, этот вопрос Резерфорд оставил открытым – и не случайно. Согласно электродинамике Максвелла, любой вращающийся заряд обязан излучать электромагнитные волны, а этого атом в невозбуждённом состоянии всё же не делает. Такое излучение должно вызывать потерю энергии и, следовательно, дезинтеграцию атома, что тоже не происходит. В эти дебри Резерфорд лезть не захотел, ведь его гипотеза и так уже опрокинула общепринятые представления о структуре атома.

Объединив уравнения ньютоновской механики с законом Кулона, Резерфорд вычислил, с какой вероятностью движущаяся в поле точечного покоящегося заряда заряженная частица отклоняется на определённый угол от первоначального направления. Это и была знаменитая формула Резерфорда, впервые опубликованная в этой же статье. Точный её вид приводить не обязательно, достаточно сказать, что искомая вероятность обратно пропорциональна четвёртой степени синуса половины угла рассеяния. Данные Гейгера и Марсдена прекрасно укладывались в эту математическую зависимость. Ни одна из конкурирующих моделей атома не смогла предложить столь же сильного доказательства своей справедливости.

Но всё хорошо в определённых пределах. Негромкий однообразный шум даже навевает покой, вызывает сонливость, таким шумом лечат, например, бессонницу. Слишком же громкий шум, напротив, способен вызывать не только неприятные ощущения, но и психические и даже физические расстройства. Между тем развитию. техники сопутствует появление источников всё более интенсивного шума. Его создают современные станки, транспортные средства и другие установки, в которых используются высокие скорости вращения, поступательного движения, шипение газовых потоков при истечении продуктов сгорания. Во многих случаях источником шумов является турбулентное движение воздуха и других газов.

Наше ухо более чувствительно к высокочастотному, нежели к низкочастотному звуку (шум от электрической плиты громкостью, например, 80 дБ воспринимается намного болезненнее, чем звук гудка громкостью 120 дБ).

Создающие шум технические установки можно условно разделить на два вида: один создают шум преимущественно в закрытых помещениях (станки, механизмы, двигатели), другие – на открытом воздухе (автомобильный и авиационный транспорт). В закрытых помещениях применяются индивидуальные и групповые средства защиты от шума. К индивидуальным средствам относятся звукопоглощающие ушные вкладыши «беруши» («берегите уши»), а к групповым – заключение источника шумов в звукопоглощающую оболочку.

В последние годы при проектировании заводских цехов начинают всё шире использовать принципы архитектурной акустики. Конечно, превращение цеха в заглушённую камеру существенно удорожает его строительство, но всё же, если учесть, в какой степени шум влияет на производительность труда, не говоря уже о здоровье, то эта мера в ряде случаев вполне оправдана. Хотя и известно, что человек довольно быстро привыкает к профессиональному шуму и перестаёт его замечать, всё же на этот счёт не надо обманываться: спустя годы кажущаяся привычка к шуму оборачивается профессиональной глухотой.

В последние десятилетия всё более угрожающий здоровью людей характер приобретает шум от автомобильного и авиационного транспорта. Борьба с этим шумом представляет трудную проблему. Все современные автомобили оборудованы глушителями (включение составляют только гоночные машины). Глушители работают на принципе уменьшения скорости потока выхлопных газов. Этим снижается средняя частота и громкость шума. Они довольно эффективны, хотя вместе с тем и снижают полезную мощность двигателя, нередко более чем на 10%. И всё же, кроме выхлопных газов, сильными источниками шума являются двигатель (особенно работающий в форсированном режиме, когда автомобиль трогается с места и разгоняется) и трение колёс о дорогу. Естественно, эти шумы усиливаются с увеличением скорости или темпа разгона автомобиля.

Авиационные двигатели ставят другие проблемы. Главный источник шума на самолёте – выхлопные газы. Но этот шум команде и пассажирам почти не слышен, а для сверхзвуковых самолётов он вообще не составляет проблемы. Современный турбореактивный самолёт очень сильно шумит именно на взлёте и при посадке.

Для уменьшения шума реактивных двигателей применяются глушители. Простейший глушитель представляет собой просто гофрированное сопло. Но остаётся проблема, которая для самолёта даже ещё более остра, чем для автомобиля: глушитель сильно снижает мощность двигателя.

Но вернёмся к проблеме борьбы с шумом наземного транспорта. Здесь на помощь приходит архитектурная акустика. Только понимается она теперь широко – не только как внутренняя планировка театральных и концертных залов, но и как планировка звукоизолирующих перекрытий в промышленных и жилых зданиях, и как специальное расположение зданий по отношению к транспортным магистралям, и как конструирование самих этих магистралей (их следует прокладывать в земляных выемках, отгороженных от жилых зданий массивами густолиственных деревьев). Но важно, чтобы от шума не страдали и пассажиры. Уже существуют многочисленные проекты и даже опытные образцы пневматического транспорта, поездов на магнитной подушке и другие.
Задания: 1) Как шум влияет на человека?

2) Какие меры можно предпринять для снижения шумового воздействия на человека?