Конкурсні задачі з фізики на стиках із еколого-географічними проблемами Одеси й Одещини

(екофізика Одещини).

Передмова.

Викладену збірку задач (класифікованих за темами курсу фізики для середньої школи) розроблено Одеським міським методичним об’єднанням учителів фізики й астрономії на прохання постійної депутатської комісії Одеської міської ради, яка нещодавно опікувалася екологічною безпекою міста Одеси. Дані задачі (як продукт відповідної процедури їх рекомендації) можна було би використовувати при вивченні курсу «Одеса – моє рідне місто» [1] у якості варіативної складової шкільних навчально-виховних програм (у середній школі). До того ж, ці задачі можуть стати одним із засобів для проведення міського конкурсу проектів «Одеса – моє рідне місто» в екологічній номінації (з захистом на форумі соціального партнерства). Також такі задачі згодилися б і для інших подібних конкурсів з історії та культури міст Одещини й України взагалі.

Задачі запропоновано наступним авторським колективом. Бордіян Л.І., Боровікова Н.С., Денисюк Т.В., Коваль В,О., Крилова І.О., Лазурко А.Б., Нєдова М.М., Руденя О.В., Савусін В.П., Савусін М.П., Собяніна Л.М., Станєва О.М., Токаренко В. І., Фролова С.М., Школьник Т.В., Щербакова Т.П., Юрганова І.В.

Вступ.

Передумови фізики. Фізика - наука про природу. Наукові методи вивчення природи. Фізичні величини. Вимірювання фізичних величин.

1. Загальна площа Одещини складає приблизно 33,3 тис. км². Це, приблизно, дещо більше, ніж 5 % території України. У наші часи, кожний рік на Землі, в деяких її районах, спустошується приблизно 60 тис. км ² площі. 1.1. Скільки таких територій, як Одещина вибувають щорічно з числа родючих земель? 1.2. Через скільки років Земля може перетворитися на пустку? Площа всієї Землі 1778 Мга. 1.3. А за скільки років спустошується десь на Землі така територія, як територія України?

1.1. Відповідь: 1,8. 1.2. Відповідь: приблизно, - за 300 років, якщо людство не змінить свого відношення до довкілля. 1.3. Відповідь: приблизно, - за 11 років.

2. Населення США викинуло 5 млрд. жерстяних банок з-під консервів, 30 млрд. скляних банок і пляшок, 4 млн. тон пластмаси за рік. У містах нашої країни за рік накопичується до 30 млн. тон побутового сміття. Основними складовими побутового сміття є : папір, пакувальні матеріали, пластмасові пляшки, скло. Оцініть частку вашої особистої участі в забруднені довкілля.

2. Розв’язання. Для потрібної оцінки складіть докладне обрахування того, що ви викинули після користування на протязі 24 годин, помножте отримані числа на 365 – і ви отримаєте приблизну оцінку частки вашої участі в забруднені довкілля за рік.

3. Колосальні збитки популяції дельфінів у Чорному морі наніс їх великомасштабний спеціалізований промисел, який активізувався в кінці 20-х років ХХ століття. У розпал промислу здобич сягала 200 тис. голів на рік, а в цілому було здобуто 5 млн. осіб. В кінці 80-х років чисельність дельфінів оцінювалась уже в 120 – 140 тис. осіб. 3.1. Який відсоток від числа здобутих дельфінів приблизно складає їх нинішня чисельність?

3.1. Відповідь: 2,6 %.

4. В Одеській області дуже розповсюджені зсувні процеси (зсуви ґрунтів). Усього розвивається 4 757 зсувів, 60 % із них знаходиться в північно-західному (Ананьївський) зсувному районі. Скільки це – зсувів?

4. Відповідь: Приблизно 2854 зсува.

5. В Одеській області в останні роки спостерігається тенденція погіршення здоров’я населення. Зокрема, в 1998 році природний приріст населення становив 5,9 на 1000 чоловік, а спад – 19 на 1000 чоловік. У скільки разів смертність перевищувала народжуваність?

5. Відповідь: Приблизно, - у 3, 2 рази, адже 19 : 5,9 ≈ 3, 2.

6. Одеська агломерація поселень розташована між Тілігульським та Дністровським лиманами. Тут зосереджено близько 1,3 млн. постійного населення. На території Одеської області (що складає більш, ніж 5 % території України) розміщено біля 5000 підприємств, які забруднюють довкілля, а в Одеській агломерації 250 таких підприємств. 6.1. Який відсоток шкідливих для довкілля підприємств Одещини містить ця агломерація? Середньодобове вживання питної води в агломерації часто перевищує 250 – 300 л на 1 жителя. У той же час, для Європи цей показник тримається на рівні 200 л і навіть - 100 л на людину за добу. 6.2. На скільки відсотків цей показник у Європі нижче?

6.1. Відповідь: 5 % , адже 250 : 5000 = 0, 05.

6.2. Відповідь: нижче – на 33 % і, навіть, на 60 % .

7. Річка Дністер є єдиним джерелом питного водопостачання міст Одеси, Іллічівська, Б. Дністровська та декількох районів Одеської області з населенням біля 1,5 млн. людей. В Дністер у 1990 роки щорічно поступало в середньому 1 км³ – 1,5 км³ неочищених стічних вод при загальному об’ємі річного стоку Дністра 6 км³. 7.1. Якою є частка неочищених стічних вод від загального обсягу річного стоку Дністра? 7.2. У Дністер за рік тільки з території Молдови вносилося 10, 4 тон токсичних речовин, зокрема, пестицидів. Скільки таких токсичних речовин припадає на 1 людину згаданого населення Одещини?

7.1. Відповідь: від 1/6 – до ¼ .

7.2. Відповідь: близько 7 г на особу. Адже 10, 4 т : 1,5 млн осіб ≈ 7 г / особу.

8. У природне середовище Одеської області скидається більш, ніж 500 млн. м³ стічних вод, серед яких біля 80 млн. м³ скидається в довкілля без очищення. Скільки неочищених стічних вод приходиться на 1 жителя Одещини?

8. Відповідь: 53, 33 м³ на одну особу. Адже 80 млн. м³ : 1,5 млн. осіб = 53, 33 м³ / особу.

9. На Одещині ще 20 років тому накопичилося до 1000 тон заборонених і непридатних до застосування отрутохімікатів. Скільки таких отрутохімікатів приходиться на 1 жителя Одещини?

9. Відповідь: близько 667 г на одну особу. Адже 1000т:1,5 млн осіб ≈ 667г / особу.

10. На Одещині ще чверть століття тому функціонували 114 заповідних територій та об’єктів загальною площею 51,13 тис. га. Вони складали 1,53 % всієї площі Одещини. Але, щоби зупинити руйнацію природи цього краю та вести роботи по відновленню природи, треба було мати 4 % таких заповідних територій.

10.1. Яка ще площа заповідників була потрібна?

10.2. В Одеській області з 1993 року площа заповідних територій зросла на 9974, 8 га, площа зарезервованих для заповідування ділянок складала понад 200 тис. га. На скільки відсотків всієї площі Одещини зросла тоді площа заповідних територій?

10.1. Розв’язання. Із відповідної пропорції видно, що оскільки 4 % : 1,53 % ≈ 2,61 , то потрібно було мати 51,13 тис. га. · 2,61 ≈ 133, 45 тис. га таких заповідних територій. Відповідь: близько 133, 45 тис. га.

10.2. Розв’язання. Загальна площа Одещини складає приблизно 33,3 тис. км² (див. зад. № 1). Тому площа заповідних територій тоді зросла на (9974, 8 га : 3330 тис. га) ≈ 3·10 ^{– 3} . Тобто, - приблизно, на 0,3 % .

11. Лісистість Одеської області на 1995 рік складала приблизно 4,1 %. [4, с. ХХІІІ, 365, 368]. Хоча оптимальною (як для Причорноморського степу) вона була би, як би склала 9 %. Загальна площа Одещини - приблизно 33,3 тис. км². Яку площу займають і повинні займати ліси та лісопосадки Одещини?

11. Відповідь: близько 137 тис. га і близько 300 тис. га.

12. Чому не можна гасити бензин, щ горить, заливаючи його водою?

12. Розв’язання. Бензин має густину, меншу, ніж густина води. Тому плівка бензину спливе над водою до повітря і продовжить горіти, маючи доступ до кисню в повітрі.

13. Площа пляжів Одеси – 42,65 га , протяжність – біля 20 км. 13.1. Сьогодні біля 10 га пляжів Одеси – в оренді у підприємців. Скільки це відсотків? 13.2. Платні пляжі не повинні за законом, перевищувати 10 % площі пляжу. Скільки га можуть зайняти платні пляжі у крайньому випадку? 13.3. Яка ширина пляжів, у середньому?

13.1. Розв’язання. 10 га пляжів – це 23, 45 % від 42,65 га.

13.2. Відповідь. 4,265 га

14. В Одесі щорічно утворюється 1,5 млн. м³ твердих побутових відходів (ТПВ), які скидаються на два міських звалища (смітника). А на морські звалища тільки за 1994 р. було викинуто 3976 тис. м³ ґрунту. Скільки, приблизно таких ТПВ приходиться на одного мешканця Одеси за рік?

14. Розв’язання. Приблизно (1,5 млн. м³ + 3,976 млн. м³): 1 млн. = 5,476 м³

15. У 2012 році із судна під Ліберійським прапором у акваторію Одеського порту потрапило 74 т пального. Визначити товщину плівки, яка вкривала поверхню води, якщо відомо, що кожна тонна такого пального покриває площу 6 км². Густина пального 920 кг/ м³.

15. Розв’язання. Плівка матиме площу 6 км² ·74 = 444 км² = 444 ·10 ⁶ м². Її об’єм – (74 т : 0,920 т/ м³)= 80,435 м³. Тобто, її товщина близько 80,435 м³ : 444·10 ⁶ м² = 0,18 ·10 ^{- 6} м.

16. В Одеській області, за деякими оцінками вчених, є, приблизно, 208 тис. га лісів. Один гектар лісу за рік очищує 1 млн. м³ повітря, насичуючи його киснем (рослини Землі щорічно створюють біля 400 млрд. тон кисню). Яку масу повітря щорічно очищують ліси Одещини?

16. Розв’язання. Об’єм очищеного повітря 1 млн. м³ ·208 тис. = 208 ·10⁹ м³. Нехай, густина повітря така: 1,29 кг / м³. Тоді маса очищеного повітря (1,29 кг / м³)· 208·10⁹ м³ = 268,32 ·10⁹ кг.

17. Переробка на папір 20 кг макулатури зберігає одне крупне дерево, а 1 т макулатури – збереже 0,5 га лісу середнього віку. Визначте кількість лісу, котрий можна зберегти, зібравши 20 тон макулатури, 50 тон , 100 тон її.

17. Розв’язання. 1 т макулатури збереже 50 дерев (1 т : 20 кг = 50). Вони ростуть на 0,5 га площі лісу, тобто, збережеться 0,5 га згаданого лісу. Отже, 20 тон макулатури збережуть 10 га, 50 тон – 25 га, а 100 тон – 50 га.

18. У весняно-літній період коло пірсу Одеського пляжу «Дельфін» знайдено мальків морської голки, приблизно, в кількості 0,02 екземпляра на 1 м³ в шарі води товщиною 5 см. У всій товщі води знайдено таких мальків у кількості приблизно 5 екземплярів на 1 м³. Яка середня глибина моря коло пірсу?

18. Відповідь: 12,5 м.

19. Водорості-макрофіти Куяльницького лиману біля Одеси впливають на карбонатну рівновагу водоймища. Зарості занурених рослин при біомасі 100 кг на протязі 10 годин здатні осадити з розчину лиманської води 2 кг вапна. Скільки сухої біомаси знадобиться , щоби осадити за добу 6 кг вапна? Скільки часу знадобиться, щоби 200 кг сухої біомаси водорості осадили 10 кг вапна?

19. Відповідь: 125 кг. 25 год.

20. Середня біомаса водоростів-макрофітів у Куяльницькому лимані складає: а) в верхів’ї 632 ± 115 г/ м³; б) в низов’ї 518± 112 г/ м³; в) в середній частині 649 ± 114 г/ м³. Якими є абсолютна та відносна похибка цих даних? У яких межах знаходиться точне значення густини водорості в товщі води?

20. Відповідь: а) 115 г/ м³, 18, %, (517 г/ м³– 747 г/ м³); б) 112 г/ м³, 21,6 %, (406 г/ м³– 630 г/ м³); в) 114 г/ м³, 17,6 %, (535 г/ м³– 763 г/ м³).

21. Щорічний об’єм органічних відходів (біомаси) у пострадянських країнах становить 500 млн. тонн. Їхня переробка потенційно дозволяє одержати до 150 млн. тонн умовного палива на рік: за рахунок виробництва біогазу (120 млрд. м³) – 100 – 110 млн. тонн, етанолу – 30 – 40 млн. тонн. Який об’єм біогазу можна отримати з однієї тонни біомаси?

21. Розв’язання: 120 млрд. м³ : 500 млн. тонн = 240 м³ / т.

22. В Україні майже 4 % території займають звалища відходів різного виду (це - більше, ніж 6000 звалищ побутових відходів і полігонів, які займають 9000 га землі). Серед усіх побутових відходів, що попадають на полігони, 40 % - це цінні компоненти, котрі можна переробити: папір, склобій, поліетилен, пляшки, полімерні матеріали. Основна задача – вилучити з побутових відходів цінні компоненти. Понад 90 % звалищ в Україні - несанкціоновані. 22.1. Яку схему процесу переробки побутових відходів на корисні об’єкти можна запропонувати? 22.2. Яка, приблизно, площа згаданих звалищ є несанкціонованою?

22.1. Відповідь: 1. Сортування (зокрема, - виділення металів, каміння тощо). 2. Переробка. Подробиці технології залишаються для творчої роботи учнів. Ясно, що треба буде певні метали виділити шляхом їх намагнічування; легкі предмети прийдеться відокремлювати від важких, наприклад, методом флотації. Також маємо сортувати тіла, просіваючи їх через різні сита, прокручуючи їх на центрифузі в воді тощо. Іноді деякі метали можна виділяти з розчинів завдяки електролізу. Полімери, може, треба буде (для їх виділення) розплавляти, а потім охолоджувати, як і скло.

22.2. Відповідь: 8100 га.

І. Механіка.

1. Кінематика.

1. Верхівку телебашти висотою 200 м над рівнем моря осяяло сонце, що сходить. Оцініть, через який час τ побачить сонце спостерігач, який стоїть на землі під телебаштою. Порада: зважте на те, що для достатньо малих кутів φ маємо sin φ ≈ φ.

1. Розв’язання. Вважаємо, що h << R . Кут ВОА= φ ; φ – достатньо малий кут, тому sinφ ≈ φ. Очевидно, sin φ ≈ ≈ . Тому φ ≈ ≈ .

В

А

h R Промінь

С φ

О

Мал.

до задачі1

Вважаємо також, що АВ ≈ АВ ≈ ≈ СВ. Кутова швидкість обертання Землі ω =(2π/Т), де період її обертання Т=24 год. Шуканий час τ=(φ/ω)= • .

Маємо τ≈109 с.

2. Оцініть, на якій відстані від себе людина середнього росту бачить горизонт на відкритій місцевості, стоячи на березі моря.

2. Розв’язання. З урахуванням задачі 1, та малюнку до неї, маємо наступне. Вважаємо, що АВ = АВ = СВ = (φ/2π) 2πR = φR ≈ •R. Умовно, для h ≈ 2м маємо СВ ≈ 5 км.

3. На Одеському агаровому заводі, на певному етапі очистки стічних вод від мілких твердих домішок (1342 мг на 1 літр), використовували центрифугу при частоті обертання 58 с^-1. За 20 хв. очищалося до 97 % домішок. Яка маса твердих домішок на 1 л очищала центрифуга за 1 оберт.

3. Розв’язання. 97 % від 1342 мг складає 1301,74 мг. Вони очищуються за 20 хв. Але 20 хв = 20·60 с = 1200 с. Тобто, - за 69600 обертів, бо 58·1200 = 69600. Отже, за 1 оберт очищуються 1301,74 мг : 69600 = 16,7 мкг в кожному літрі вод.

4. Автомобілі викидають на міських перехрестях доріг дуже багато шкідливих газів, бо там водії часто гальмують та стартують перед світлофором. Викиди вихлопних газів зменшують, за рахунок того, що автомобіль заставляють проїжджати всі перехрестя даної траси, зустрічаючи на них лише зелене світло світлофора. Як цього можна досягти?

4. Відповідь. Щоби водіям при під’їзді до перехрестя світлофор давав зелене світло, всі світлофори траси працюють за принципом «зеленої хвилі». Для цього вся група автомобілів повинна рухатися на кварталі між світлофорами з однією (позначеною дорожнім знаком) швидкістю, залежно від довжини кварталу між світлофорами.

2. Динаміка.

1. Оцініть приблизно максимальну швидкість (верхню межу, порядок величини) для течії ґрунтових вод із Одеського плато, що витікають у море. Врахуйте, що в Одесі підтоплені (дійсно чи потенційно) більше, ніж 50% території (ґрунтові води залягають на глибині 3 – 5 м). Більше половини міської території мають рівень ґрунтових вод на відмітці 2 – 5 м від поверхні , а на окремих ділянках підземні води піднімаються до 1 – 2 м від поверхні. Що створює реальні загрози руйнації фундаментальних будівель і формування епідеміологічних вогнищ.

1. Розв’язання. Найбільшу висоту h плато (поблизу будівлі Одеської Кірхи) над рівнем моря приблизно вважаймо рівною 70 м. Швидкість найвищої порції води масою m забезпечується переходом потенціальної енергії mgh цієї порції на висоті (70 – 5) м в кінетичну енергію mv² /2. Звідси mgh = (mv² /2). v= . Тому v= . v ≈ 35,7 . В дійсності, звичайно, швидкість потоку значно менша. В основному, - через значно нижчий середній рівень водозбору з плато міста та через тертя потоку об ґрунти. Тобто, швидкість має порядок поблизу десятка метрів за секунду.

2. Величина викидів шкідливих речовин у довкілля становить близько 40 кг на кожного жителя України. Оцініть обсяг шкідливих викидів, що припадає на всіх мешканців Одеси разом з Іллічівськом.

2. Розв’язання. Вважаємо чисельність М населення цих двох міст, разом узятих, за 1 млн. Тоді М= 40 кг •10 ⁶ = 40 тисяч тон.

3. У легенях людини, що викурює протягом року щодня по пачці цигарок, осідає 1 л тютюнової смоли. 3.1. Вважаючи 5 % населення міста курцями, а число мешканців міста мільйоном, обчисліть, скільки тютюнової смоли накопичують в собі жителі міста за рік. 3.2. Рак легень уражає курців у 10 разів частіше, ніж тих, хто не палить. Печінка у всіх курців збільшена в об’ємі через її захворювання. Виразити 1 л в см ³ та в м ³ .

3. Розв’язання. 1 л = 1дм³ = (10 см)³ = 1000 см³ = (0,1м)³ = (1 / 1000) м³.

4. Маса шкідливих викидів у довкілля за рік становить близько 40 кг на кожного жителя України. За рік в Одещині в повітряний басейн на початок ХХI-го століття викидалося більше ніж 0,5 млн. тон забруднюючих речовин. А в Одесі - понад 98 тисяч тон забруднюючих речовин; із них 66 % - від рухомого складу транспорту. Оцініть кількість забруднюючих речовин, що викидав транспорт у повітря на одного мешканця (котрих приблизно 1 мільйон).

4. Відповідь. Близько 65 кг на 1 людину за рік.

5. Направляючи своє тіло в глибину моря могутніми поштовхами хвоста, потужність якого сягає до 0,5 кВт, дельфін, при швидкості 36 км/год, досягає глибини 500 м. Яка виконується при цьому робота?

5. Відповідь. Потужність P = Fv. Звідси F = P/v. Робота A = Fs на шляху s. Тому A = Ps /v. A = 25 кДж.

6. Визначити тиск на дно озера, котре може утворитись у випадку прориву дамби Хаджибейського лиману, яка відділяє його від Одеси. Об’єм води, здатний затопити низину площею 2500 га, оцінюється в 150 млн м ³.

6. Розв’язання. Маса води (вже навіть при її густині 1 т / м³) буде 150 млн тон. А її вага (150·10⁹ кг · 9,81 н /кг) ≈1,5·10¹² н. Далі, 1 га=10 000 м². Тоді 2500 га =25·10⁶ м². Отже, тиск буде дещо більшим, ніж 1,5·10¹² н : 25·10⁶ м ² =6·10⁴ н / м ². Замітимо, що густина води в цьому лимані трохи більша за густину прісної води. Але, - менша, ніж густина морської води (1040 кг/ м³).

7. Індекс забруднення атмосфери (ІЗА) в Одесі становить 21,6 при середньому по Україні 14,8. І це - саме через викиди високо токсичних речовин, що особливо шкідливо впливають на здоров’я населення, стан рослинного та тваринного світу. Одесі в атмосферу ще 20 років тому викидалося біля 200 тис. тон шкідливих речовин, причому – більш, ніж 100 найменувань.

7.1. На скільки відсотків такі викиди в Одесі перевищують середні по Україні? 7.2. Скільки кг шкідливих речовин, в середньому тоді приходилося на 1 одесита?

7.1. Розв’язання. [(21,6 - 14,8) / 21,6] ≈0,31. Отже, перевищення буде на 31 %.

7.2. Розв’язання. Вважаємо, приблизно, що населення Одеси 1 млн. осіб. Отже, очевидно, на 1 особу приходиться біля 200 кг шкідливих речовин на рік, бо 200 тис. тон : 10⁶ = 200 кг.

8. Дельфіни дуже швидко пливуть у воді. Цьому сприяє наявність такого слизу на тілі тварин, який є надзвичайно слизьким мастилом, таким, якого наука досі не може іще створити. До того ж, тіло дельфіна вібрує на траєкторії його руху так, ніби тіло змії, яка повзе по піску. Дельфін відштовхується від води не тільки хвостом і плавниками. А чим і як іще?

8. Відповідь. Іще – всім тілом, як змія.

9. Барабанні перетинки в вусі людини можуть розірватися при звуковому тиску 5000 Н/м², а звуковий тиск 10 ⁶ Н /м ² може пошкодити легені. Пловець пірнає з аквалангом в море в Одеській затоці на глибину 25 м. Густина води в Чорному морі 1050 кг/ м³. Чи можуть при цьому пошкодитись барабанні перетинки в вусі пловця та його легені?

9. Розв’язання. Тиск p=ρgh. p=(1050 кг/ м³)(9,81 Н/кг)·25 м=257 512,5 Н/ м². Отже барабанні перетинки в вусі пловця-пірнача та його легені можуть пошкодитись, якщо пловець пірнає на глибину 25 м без глибоководного водолазного костюму, без захисного шлему.

10. Чому небезпечно знаходитися поблизу місця, біля якого проходить швидкий потяг?

10. Відповідь. Тому, що в шарі повітря поблизу потягу, який швидко рухається, тиск буде значно меншим, аніж тиск на місці пішохода, тобто, трохи далі від потягу. Отже, повітря штовхне пішохода до потягу.

11. Чому при великих швидкостях автомобіль іноді «заносить» на повороті?

11. Відповідь. На повороті діє доцентрова сила F_Ц , яка дає автомобілю доцентрове прискорення, щоби він пройшов по дузі кола. Коли, на крутому повороті, цю силу F_Ц іще не врівноважено занадто малою силою тертя колес об дорогу, тоді автомобіль пересувається на дугу більшого радіусу R (на ній потрібна менша доцентрова сила).

12. Чому на крутих поворотах в автомобілі можуть відкритися погано зачинені двері?

12. Відповідь. Тут розв’язання аналогічне тому, до дано в попередній задачі № 11 (цього ж розділу). Тільки роль автомобіля що заноситься, грають двері, що відкриваються.

13. Чому небезпечно перебігати дорогу перед транспортом, який рухається швидко?

13. Відповідь. Небезпечно, бо тормозний шлях автомобіля може бути довшим, ніж відстань між автомобілем і пішоходом перед ним.

14. Катакомби під Одесою заглиблені приблизно, більш, ніж на 30 м і мають довжину, загалом до 2,5 тис. км, а під Одеською областю – до 4 тис. км. Які проблеми це створює для висотного будівництва над катакомбами?

14. Відповідь. Піж висотними будинком над катакомбою мають бути дуже довгі палі (залізобетонні стрижні), на котрих кріпиться каркас будинку. З катакомб мають бути вилучені ґрунтові води. Пустоти під будинком іноді треба заповняти твердим тілом, наприклад рідким клеєм, що твердіє тощо. Це створює технічні й інші проблеми, робить будівництво дорожчим.

15. Визначити, скільки енергії витрачається під час написання контрольної роботи, якщо під час письма на 1 кг своєї маси людина витрачає 6,3 кДж за годину.

15. Розв’язання. За урок (тобто, - за 45 хв, або за 0,75 год) на 1 кг своєї маси людина витрачає 0,75·6,3 кДж = 4,725 кДж.

16. Пірнати в море в невідомих місцях небезпечно. Визначити силу виштовхування, що діє на пловця масою 40 кг у морі, якщо середня густина тіла людини 1036 кг/ м³, а морської води 1040 кг/ м³. На яку глибину він здатний пірнути, якщо в момент входження в воду його швидкість 2 м/с, а сила опору води 26,7 Н?

16. Розв’язання. Тіло пловця масою 40 кг важить на березі близько 400 Н, а при його густині 1036 кг/ м³, має об’єм V = 40 кг: (1036 кг/ м³) ≈ 0,0386 м³. Маса морської води, що витіснено тілом P= 1040 кг/ м³ · 0,0386 м³ ≈ 40, 15 кг. Вага її близько 401,5 Н. Із такою ж силою (силою Архімеде, F_A) діє на пловця морська вода. До того ж, можна вважати, що впродовж усього його поглиблення в воду, на нього діє сила опору води F_O = 26,7 Н. Врешті, пловець виштовхується догори з силою (401,5 Н - 400 Н ) + 26,7 Н = 28,2 Н. Ця сила 28,2 Н , діючи з боку води, здатна створити тілу пловця від’ємне прискорення 28,2 Н : 40 кг = 0,705 м /с². Таке від’ємне прискорення уповільнить рух тіла з початковою швидкістю 2 м/с – за (2 м/с) : (0,705 м /с²) = 2,84 с вщент. За цей час, до зупинки, пловець заглибиться в море на 2,84 м.

17. Одеса стоїть на цілому «морі» прісної води, котра залягає в землі, в понтійському геологічному горизонті, приблизно, - на глибині 20 – 40 м від поверхні землі і в 3-х – 5 метрах вище рівня моря і має стабільну температуру близько 13^о С у всі пори року. В наші часи такі води мають достатньо високий вміст нітратів та шкідливих бактерій групи кишкової палички. 17.1. Про що говорить цей факт? 17.2. Чи пов’язані води з понтійського горизонту зі зсувами берегів у море? 17.3. Оцініть, приблизно, з якою максимальною швидкістю може витікати вода з понтійського горизонту в море.

17. Розв’язання. 17.1. Це говорить про несправність міської каналізації, води якої змішуються подекуди з водами з понтійського горизонту. 17.2. Води з понтійського горизонту провокують зсуви берегів у море. 17.3. Використаймо умову та формулу v= із задачі № 1. Вважаємо, що, в середньому, висота центра мас у шару води над рівнем моря така: [(70 – 20 - 3)/2] м + 3 м = 26,5 м. Тому v= . v ≈ 23 . В дійсності, звичайно, швидкість потоку значно менша, зокрема, - через тертя потоку об ґрунти. Тобто, швидкість має порядок поблизу десятка метрів за секунду.

ІІ. Молекулярна фізики і термодинаміка.

1. Властивості газів, рідин, твердих тіл.

1. До забруднення атмосфери речовиною відносять накопичення у повітрі пилу (твердих частинок). Він утворюється в Одесі, в основному, при спалюванні твердого палива, переробці мінеральних речовин. За інших рівних умов, атмосфера над сушею (без міст) забруднена в 10 разів більше, ніж над морем; над невеликим містом – в 35 разів; над великим – в 50 разів. Забруднення атмосфери пилом несе шкідливі наслідки для здоров’я людини. Чому?

1. Відповідь. Забруднення атмосфери пилом веде до поглинання від 10 % до 50 % сонячних променів, майже повного поглинання ультрафіолетових променів. На мілких частинках пилу осідає водяна пара, а також молекули двоокису сірки, канцерогенні вуглеводні.

2. При благоустрою терену новобудівель в Одесі часто утворюються застійні калюжі, погано ростуть зелені насадження, особливо в перші роки їх висадки. У чому причина даних явищ?

2. Відповідь. Сміття, залишене на будівельному майданчику, хоча й засипане шаром ґрунту, різко знижує його водопроникність. Із цієї причини і в зв’язку з механічними завадами для розвитку коріння, зелені насадження погано ростуть.

3. Скільки кубометрів газу, забруднюючого місто, викидає автомобіль-таксі, якщо він за день витрачає 20 кг бензину? Густина газу при температурі 0^о С дорівнює 0, 002 кг/м³.

3. Розв’язання. Врахуємо дані з умов задач №№ 4, 5 підрозділу «2. Основи термодинаміки». Густина ρ_Б бензину, як відомо, така: ρ_Б = 710 кг / м ³. Тому, об’єм 20 кг бензину буде V _Б = 20 кг : (710 кг / м ³ ) ≈ 0, 0282 м ³ = 28, 2 л. Відомо також, що 1 л бензину, котрий спалюється, веде до утворення 16 м ³ суміші різних газів. Отже, спаливши 28,2 л бензину, автомобіль викине 28, 2·16 м ³ =451,2 м³ газів. Їх маса m _Γ = 451,2 м ³ ·(0, 002 кг/м³) =0,902 кг . Відповідь: 451,2 м ³ .

4. В Одесі, в районі Лузанівки, з 1936 року і до недавнього функціонувала промивно-пропарювальна станція Одеської залізниці. Вона зосереджувала в ставках накопичувачах площею 4,5 га значну кількість нафтопродуктів. На промивно-пропарювальній залізничній станції поблизу міста із цистерни з негерметичною кришкою за рік може випаруватися 2,5 т нафтопродуктів. Який об’єм повітря отруюється парою бензину при гранично допустимій концентрації 100 мг/м³?

4. Розв’язання. Гранична концентрація (густина) ρ_Г = 100 мг/м³ = 1 · 10 ^{- 4} кг/м³ . Вважаючи приблизно, що випарувалось саме 2,5 т = 2,5 · 10 ³ кг бензину, отримуємо об’єм його пари V_Б =2,5·10 ³ кг / (1·10 ^{- 4} кг/м³ ); V _Б =25·10⁶ м³. Відповідь : 25 000000 м³ за рік із площі 4,5 га.

5. Яка кількість водяної пари міститься в кімнаті з розмірами 4×3×2,5 м³ за найбільш сприятливій (в середньому) для організму людини вологості 50 % – 70 % і температурі 20^о С?

5. Розв’язання. Із урахуванням таблиць відносної вологості повітря, відомо, що за температури 20^о С густина насиченої пари 17,3 г / м³ . За цієї температури та при відносній вологості 50 % – 70 % . фактична густина пари буде від 0, 5·17,3 г / м³ – до 0, 7·17,3 г / м³ , тобто, - від 8,65 г / м³ – до 12,11 г / м³. Об’єм кімнати 30 м³. Отже, там буде від 30·8,65 г – до 30·12,11 г водяної пари. Тобто, - від 259,5 г – до 363,3 г.

6. Одесі та населеним пунктам Одещини загрожують підтоплення та зсуви, чи оповзні через техногенний вплив на геологічне середовище. Території Одеси та Одещини підтоплені фактично чи потенційно. Підтопленість території визначається перезволоженням почво-грунтів за рахунок неглибокого (менше 3-х метрів) залягання рівня ґрунтових вод за умови слабкої природної дренованості. До потенційно підтоплених територій відносяться площі з глибиною залягання рівня ґрунтових вод 3 – 5 м , які за додаткового водонадходження в умовах природної дренованості опиняться в зоні підтоплення за рахунок підйому рівня ґрунтових вод до його критичного положення.

Для підтоплення площі та населених пунктів Одещини маємо таблицю (Табл. 6.1.). На 2000 рік підтопленими було 350 поселень (близько 40 % їх територій). За 25 років до цього кількість підтоплених населених пунктів збільшилася майже вдвічі. На основі даної таблиці складіть таблицю для підтоплення процентної частки площ та процентної частки населених пунктів.

Табл. 6.1.

Загальна площа, тис. км2.	Всього насел. пунктів	Кількість підтопл. насел. пунктів	Площа, тис. км2	Примітка
Повністю	Частково	Підтоплено	Потенційно підтоплено
33,3	1191	316	122	1,08	2,6	м. Одеса – підтоплено більше, ніж 50% території

6. Розв’язання. У відповідних відсотках маємо наступну таблицю. 6.2.

Загальна площа, тис. км2.	Всього насел. пунктів	Відсотки підтопл. насел. пунктів	Відсотки площ, тис. км2	Примітка
Повністю	Частково	Підтоплено	Потенційно підтоплено
33,3	1191	26,5%	10,2%	3,2 %	7,8 %	м. Одеса – підтоплено більше, ніж 50% території

7. У таблиці (Табл.7.1.) наведено дані по хімічному складу атмосферних опадів, випавши на території міста Кишинева в 1999 році. У скільки разів концентрація шкідливих речовин у снігу перевершує їх концентрацію в дощі? На скільки ситуація в Одесі подібна до ситуації в Кишиневі по хімічному складу атмосферних опадів?

Табл.7.1.

Показники, мг/дм3	Осади
Дощ	Сніг
Натрій	2,7	5,8
Калій	0,5	1,2
Кальцій	6,5	7,6
Магній	1,0	1,2
Сульфати (SO4 2- )	8,4	13,0
Хлоріди	8,2	12,3
Фосфати (PO4 3-)	0,2	0,3
Нітрати (NO3 - )	0,4	0,7
Нітріти (NO2 - )	0,0	0,06
Гідрокарбонати (HCO3 - )	8,5	7,4
Зважені речовини	18,4	57,2
Сухий залишок	36,5	45,4

7. Розв’язання. Маємо відповідну Табл.7.2.

Показники, мг/дм3	Осади	Перевищення концентрації в снігу (в рази)
Дощ	Сніг
Натрій	2,7	5,8	2,15
Калій	0,5	1,2	2,4
Кальцій	6,5	7,6	1,17
Магній	1,0	1,2	1,2
Сульфати (SO4 2- )	8,4	13,0	1,55
Хлоріди	8,2	12,3	1,5
Фосфати (PO4 3-)	0,2	0,3	1,5
Нітрати (NO3 - )	0,4	0,7	1,75
Нітріти (NO2 - )	0,0	0,06	Більше, ніж в 6 разів
Гідрокарбонати (HCO3 - )	8,5	7,4	0,87
Зважені речовини	18,4	57,2	3,11
Сухий залишок	36,5	45,4	1,24

8. Як китоподібні, зокрема, дельфіни, використовують закони фізики?

8. Відповідь. Дивись, наприклад, відомості в задачі № 8 (підрозділу І. Механіка. 2. Динаміка) та у відповіді до неї.

9. Майже 30 років тому вчені вивчали забруднення нафтопродуктами акваторії Одеської затоки та зон до Григорівського й Сухого лиманів. Рівень забруднення вод поверхневого горизонту нафтопродуктами, в середньому складає 0,063 мг/л, що перевищує гранично допустиму концентрацію (ГДК) більш, ніж на 25 %. Яким є тут ГДК? Вміст нафтопродуктів складає в червні, в середньому, до 0,078 мг/л , в серпні – 0, 069 і тільки в листопаді рівень забруднення нафтою стає нижче ГДК. Як виглядає ця сезонна мінливість у процентах ГДК ?

9. Розв’язання. Забруднення в 0,063 мг/л – це 125 % від ГДК. Тому ГДК ≈ 0,0504 мг/л. Отже, в червні забруднення буває близько 155 % ГДК, а в серпні близько 137 % ГДК.

10. Експерти ЮНЕСКО підрахували, що в морські акваторії щорічно поступає від 6 до 15 млн. тон нафти. Аналогічною є ситуація і з Чорним морем через яке в останні часи перевозиться до 54 млн. тон нафти на рік. Площа поверхні Чорного моря складає 423 000 км² Об’єм його вод – 547 000 км³. Територіальні води України в Чорному морі займають 24 850 км² . Результати розливу нафтопродуктів у Чорному морі поблизу Одеси призвели до того, що товща піску на дні Одеської затоки забруднена на суттєву глибину.

Найбільш висока місткість нафтопродуктів відмічалася в 1986 – 1989 роках у районі від мису Ланжерон до Сухого лиману. У середньому, по акваторії кожний грам сухого ґрунту містив близько 1 мг нафтопродуктів, що фактично більш, ніж на 4 порядка вище, ніж у морській воді. Максимальне накопичення нафтопродуктів у донних відкладеннях (до 2-х – 3-х мг на грам сухого ґрунту) також було знайдено в прибережній зоні від мису Лонжерон до Сухого лиману.

10.1. Вважаючи густину нафти 800 кг/м³, з’ясуйте, скільки цистерн ємністю 20 м³ знадобилося би, щоб зібрати 10 млн. тон розлитої нафти. 10.2. Якою була би середня товщина такої нафтової плями, якщо би вона покрила всю поверхню територіальних вод України в морі?

10.1. Відповідь. 625 тисяч цистерн.

10.2. Відповідь. Середня товщина плями 0,5 мм, чого достатньо, щоби суттєво зашкодити організмам, що живуть у морі, починаючи з планктону, а особливо, нейстону, що населяє приповерхневу плівку води товщиною менше, ніж 5 см.

11. Одеська міська санепідстанція, одбираючи проби морської води

в 2000 році, знайшли, що 22 % проб мали відхилення від стандарту. Основний показник бактеріального забруднення морської води, - індекс ЛКП, - досягав 24 – 240 тисяч при нормі 5 тисяч. У скільки разів було перевищення норми?

11. Розв’язання. Випадкове перевищення було від 24000: 5000 - до 240000: 5000. Тобто, - від 4,8 разів – до 48 разів.

12. В Одеській затоці в кінці 80-х років ХХ-го століття рівень забруднення вод поверхневого горизонту нафтопродуктами в середньому перевищував ГДК. Найбільш висока місткість нафтопродуктів відмічалася в районі від мису Ланжерон до Сухого лиману. У середньому, по акваторії кожний грам сухого ґрунту містив близько 1 мг нафтопродуктів, що фактично більш, ніж на 4 порядка вище, ніж у морській воді. 12.1. Рівень забруднення вод поверхневого горизонту нафтопродуктами в середньому складав 0,063 мг/л, що перевищує ГДК більш ніж на 25 %. Яким є ГДК? 12.2. Якою була концентрація нафтопродуктів на той час на один грам морської води?

12.1. Розв’язання. Забруднення в 0,063 мг/л – це дещо більше, ніж 125 % від ГДК. Тому ГДК ≈ 0,0504 мг/л.

12.2. Розв’язання. По масі, частка нафтопродуктів у сухому ґрунті була (1 мг: 1 г) = 1·10 ^{- 3}. У морській воді, за своєю масою, частка нафтопродуктів складала 1·10 ^{– 3}: 10 ^{- 4} = 1·10 ^{– 7}.

13. Для контролю забруднення атмосфери в Одесі в різних місцях Одеси розташовують станції контролю забруднення. Де в Одесі було би раціонально (наприклад, доцільно з економічних міркувань) розташувати такі станції контролю?

13. Відповідь. Наприклад, можна вираховувати той збиток, який би нанесло джерело забруднення, якби не врахували внесок цього джерела у сумарне забруднення. Інший шлях: розташувати станції контролю в тих зонах, де складність санітарно-епідеміологічної (екологічної чи соціально-економічної) ситуації згущається.

14. Серед джерел забруднення довкілля умовно виділяють такі джерела, за їх геометричними характеристиками: точкове, лінійне і площинне.

1. Точкове джерело (Мал.14.1.). Ця модель може бути використана, коли характерні геометричні розміри джерела а незначні порівняно з відстанями L, для яких треба визначити концентрації шкідливих домішок; тобто, а L.

2. Лінійне джерело (Мал.14.2). При цьому викид небезпечної речовини здійснюється на деякому лінійному протязі М, який незначно відрізняється від відстаней L , для яких треба визначити концентрації шкідливих домішок, тобто, М ≈ L.

3. Площинне (поверхневе) джерело (Мал.14.3). Це – таке джерело, коли шкідлива домішка потрапляє в атмосферне повітря з деякої досить великої поверхні, характерні лінійні розміри якої М співрозмірні з відстанями L визначення концентрацій, тобто, М ≈ L.

Наведіть приклади реальних джерел забруднення, які можуть описані такими моделями. Бажано, - джерел, характерних для міста Одеса чи для Одещини.

14. Відповідь. 14.1. Приклади реальних джерел забруднення, які можуть описані моделлю точкового джерела: викиди небезпечних речовин із труб підприємств, вихлопи окремих двигунів, викиди хімічних реакторних установок, невеликі розливи (які мають незначні розміри) та ін. Такими є викиди газоповітряної суміші (температурою 137^о С) Одеської ТЕЦ на Пересипі (з труби висотою 120 м). Подібним до точкового джерела був і викид аміаку з цистерни, що розгерметизувалася на початку 80-х років ХХ-го століття на Одеській об’їзній дорозі (на вулиці Академіка Заболотного). У 1998 році в Одеському порту скинуто в воду 96,7 кг нафтопродуктів, в 1999 році – 799,5 кг заліза, в 1997 році – 538, 5 кг завислих речовин. Це – точкові джерела.

3

L

1

2

а

Мал..14.1

Точкове джерело забруднення. 1 – джерело забруднення. 2 – напрям вітру. 3 – лінії постійних концентрацій.

3

L

2 М

Мал..14.2

Лінійне джерело забруднення. 1 – джерело забруднення. 2 – напрям вітру. 3 – лінії постійних концентрацій.

3

2

L

2 М

3

Мал..14.3

Площинне джерело забруднення. 1 – джерело забруднення. 2 – напрям вітру. 3 – лінії постійних концентрацій.

14. 2. Приклади реальних джерел забруднення, які можуть описані моделлю лінійного джерела: викиди небезпечних речовин розривів трубопроводів на значному протязі; викиди автотранспорту на автомагістралі; випаровування шкідливої речовини з озера (лиману тощо), відповідної геометричної форми (а також із урахуванням напрямку вітру відносно розміщення озеру). У межах узбережжя Чорного моря, смуга, що прилягає до промислових підприємств Пересипу та ними забруднюється, така смуга є, приблизно, лінійним джерелом забруднення. В межах узбережжя Малого Аджаликського лиману, смуга, що прилягає до Одеського припортового заводу, та порту «Южний» та ними забруднюється, така смуга є, приблизно, також лінійним джерелом забруднення.

14.3. Приклади реальних джерел забруднення, які можуть описані моделлю площинного (поверхневого) джерела: випаровування шкідливої речовини з поверхні великого озера, яке виникло внаслідок величезного аварійного розливу низькотемпературної небезпечної рідини (аміак, хлор, метан та ін.); шкідливі продукти горіння на великій площі (наприклад, горіння трав у степу, горіння стерні в полях або горіння торф’яного болота-торфовища та ін.). Прикладом площинного (поверхневого) джерела був вилив близько 50 тон нафти у вигляді плями в Одеській нафтогавані 2 березня 1997 р. Нафта вилилася за борт із судна “Athenian Faith” під мальтійським прапором. Викид забруднюючих речовин (нафтопродуктів та отрутохімікатів) в Одеську затоку з затонулого судна «Моздок» 13 січня 1972 року.

Баластні води, що скидаються судами в Одеській затоці містять шкідливі солі. Так у 2002 році 10 перевірених суден з березня по квітень скинули води з концентраціями солей до 34 %_о. У той час, як вміст солей у поверхневих водах відкритої частини Чорного моря складає, в середньому, 18 %_о. Це – іще приклад площинного (поверхневого) джерела.

Баластні води, що скидаються судами в Одеській затоці містять організми, що шкідливі для біоценозу Одеської затоки та й всього Чорного моря.

Це – також приклад площинного (поверхневого) джерела.

15. Прикладом площинного (поверхневого) джерела забруднення був вилив близько 50 тон нафти у вигляді плями в Одеській нафтогавані 2 березня 1997 р. Нафта вилилася за борт із судна “Athenian Faith” під мальтійським прапором. Густина нафти близько 800 кг/м³. Один літр розлитої нафти перекриває доступ кисню до 40 тис. літрів морської води. 68.1. Який, приблизно, об’єм цієї плями? 68.2. До якого об’єму морської води перекрила ця нафта доступ кисню?

15. Відповідь. 15.1. 62,5 м³ . 15.2. 2, 5·10⁹ л.

16. В Чорне море через річні води й міські стоки щорічно поступає біля 50000 тон детергентів. При концентрації вище 0,1 мг на один літр морської води детергенти стають токсичними для живих істот. Площа поверхні Чорного моря складає 423 000 км², а об’єм його вод 547000 км³. Море заселено організмами майже тільки в верхньому 100 – 200 метровому шарі. Личинки риб наповнюють перший раз в житті свій плавальний пухир, заковтуючи повітря прямо з атмосфери. Нафтова плівка може завадити зробити цей перший ковток повітря, і личинка загине.

16.1. Який, приблизно, об’єм морської води забруднила би токсичним чином пляма згаданих детергентів. 16.2. Яку би площу зайняла така токсична пляма, якби вона мала товщину 1 м?

16.1. Розв’язання. Врахуємо наступне. 50000 т =5·10 ⁴ т = 5·10 ⁷ кг. Токсична густина детергентів 0,1 мг на один літр морської води, тобто, 1·10 ^-4 кг / м³ .

Фактично створена густина детергентів (5·10⁷ кг/547000 10⁹ м³)≈1·10^-7 кг/м³. Якби пляма мала токсичну концентрацію детергентів, то її об’єм був би (5·10⁷ кг/ 10 ^-4 кг/м³), тобто, 500 км³.

16.2. Відповідь. Пляма мала би площу 500·10⁹ м² , тобто, мала би приблизно площу всього Чорного моря.

17. З’ясуйте, яка кількість водяної пари міститься в вашій міській кімнаті за найбільш сприятливих для організму людини вологості 50 %– 70 % і температури 20^о С. А скільки при цьому водяної пари вмістила би кімната площею 18 м² і висотою 2,5 м?

17. Розв’язання. Дивись подібну задачу № 5 у даному підрозділі (ІІ.1. Властивості газів, рідин, твердих тіл). Об’єм кімнати, за прикладом, 18 м²·2,5 м = 45 м³. Фактична густина пари буде від 0, 5·17,3 г / м³ – до 0, 7·17,3 г / м³ , тобто, - від 8,65 г / м³ – до 12,11 г / м³.

Отже, в цій кімнаті буде від 45·8,65 г – до 45·12,11 г водяної пари. Тобто, - від 389,25 г – до 544,95 г.

18. На перспективні відкладення південного нафтогазоносного регіону України (куди входить територія Одеської області і її приморської зони) приходиться 9,6 % нафти та 21,5 % газу від суми відповідних початкових потенційних ресурсів у всіх нафтогазоносних басейнах України. Причому, на суші даного регіону 8 % ресурсів приходиться на нафту, 8 % на газоконденсат і 84 % на газ. Скільки відсотків від згаданих ресурсів газу в Україні припадає на родовища газу на суші даного регіону? Які проблеми можуть виникнути при освоєнні даних родовищ у Одеській агломерації.

18. Відповідь. Близько 18,1 %. Можуть виникнути, щонайменше, екологічні проблеми.

19. На весну 1990 р. в підземних водах усіх районів Одещини (у 88 % всіх проб) виявлено пестициди як шкідливі домішки. У 20% проб кількість пестицидів у водах перевищувала гранично допустиму концентрацію (ГДК). Кількість нітратів у підземних водах більшої частини Одещини в 2 – 2, 5 разів перевищувала ГДК. З річковими водами в Чорне море щорічно поступає 4 – 5 км³ стічних вод, тобто, 4 % сумарного стоку рік. Площа території водозбору в 4,4 рази більше, ніж площа акваторії Чорноморського басейну. Море заселено організмами майже тільки в верхньому 100 – 200 метровому шарі. Яким є сумарний стік рік ? Чи є екосистема Чорного моря ранимою через забрудненість такої кількості стічних вод? Чи можна суттєво покращити якість морських вод наступними меліоративними заходами: 1) зміна технології внесень мінеральних добрив у ґрунт; 2) розширення площі плавнів; 3) вирощування молюсків-фільтраторів води та водоростей-фільтраторів води; 4) створення штучних рифів, заселених належними організмами-гідробіонтами?

19.1. Розв’язання. Якщо 4 % сумарного стоку річок – це 4 – 5 км³ вод, то весь сумарний стік річок буде від 100 км³ до 125 км³.

19.2. Відповідь. Екосистема Чорного моря є ранимою через забрудненість такої кількості стічних вод.

19.3. Відповідь Якість морських вод можна суттєво покращити наступними заходами: 1) зміна технології внесень мінеральних добрив у ґрунт; 2) розширення площі плавнів; 3) вирощування молюсків-фільтраторів води та водоростей-фільтраторів води; 4) створення штучних рифів, заселених належними організмами-гідробіонтами тощо.

20. Починаючи з 1965 по 1995 рік родючість земель Одещини падала. Кількість гумусу кожні 10 років знижалася на 10 %. Якою функцією можна описати цю закономірність?

Мал. до

зад. 21

20. Відповідь. Функція y = 100 - x.

21. Іноді в нафтових цистернах і баках для зберігання бензину застосовують плаваючі екрани з вигнутими краями. Яке призначення цих екранів? Як вони впливають на втрати рідини внаслідок випаровування?

21. Відповідь. У зазорі утворюється насичена пара, яка сприяє припиненню подальшого випаровування рідини.

22. Одна тонна нафти утворює на морській поверхні плівку площею 12 км².

Визначте силу поверхневого натягу такої плями, вважаючи, що вона має форму кругу. Коефіцієнт поверхневого натягу для нафти дорівнює 30 мН / м.

22. Розв’язання. Площа S=12 км² = 12·10⁶ м². Але S= π R². Звідси, R ≈ 1955 м. Довжина кола навкруги нафтової плями 2π R ≈ 12277 м. Отже, поверхневий натяг буде близько 368,31 Н.

23. Водорості та інші водяні рослини зберігають у воді вертикальне положення. Чи можуть м’які і слабкі стебла цих рослин підтримувати їх у такому стані в повітрі? Що станеться з рослинами, якщо випустити з водоймища воду?

23. Відповідь. 23.1. Не зможуть. 23.2. Рослини поляжуть на дні.

24. Для людини, що перебуває в стані спокою, комфортні умови такі: температура 18 ^о С, відносна вологість 50 %. 24.1. Чому підвищена або знижена вологість повітря погіршують умови життя? 24.2. Взимку відносна вологість в деяких приміщеннях не досягає 10 %. Як можна підвищити відносну вологість повітря?

24.1. Відповідь. При зниженні вологості повітря висихають слизові оболонки, знижуються захисні функції дихальних шляхів, тріскаються губи. Підвищена вологість повітря також шкідлива. Організм при ній або перегрівається, або переохолоджується.

24.2. Відповідь. Можна тримати в приміщенні відкритий посуд із теплою водою, яка постійно випаровується.

25. У виробничих приміщеннях автотранспортних підприємств спостерігається різна відносна вологість повітря. У сушильній камері – 10 % при температурі 30 ^о С; в шинно-монтажному відділенні – 80 % при температурі 20 ^о С; у гальванічному 96 % при температурі 18 ^о С. Скільки грамів водяної пари міститься в 1 м³ повітря цих приміщень? Наскільки її кількість відрізняється від нормальних умов? Дайте екологічну оцінку умовам праці в таких приміщеннях.

25.1. Відповідь. За температури 25 ^о С - 30 ^о С , нормальні умови праці зберігаються при відносній вологості повітря 40 %– 60 %. У сушильній камері (де відносна вологість 10 %) умови шкідливі для людини. Тут густина насиченої водяної пари була би 30,3 г/ м³. Але фактична густина пари 3,03 г/ м³. Нормальною для людини була би густина 15,15 г/ м³ (тобто, - при відносній вологості повітря 50 %). Та фактична густина менша порівняно з нормальною в 5 разів.

25.2. Відповідь. Підвищена відносна вологість повітря (80 % в шинно-монтажному відділенні) також шкідлива для людини як при високих, так і при низьких температурах. Тут, за температури 20 ^о С , густина насиченої водяної пари була би 17,3 г/ м³. Але фактична густина пари 13,84 г/ м³. Комфортною для людини була би густина 8,65 г/ м³ (тобто, - при відносній вологості повітря 50 %). Отже, фактична густина пари тут складає 62,5 % від комфортної для людини.

25.3. Відповідь. Висока відносна вологість повітря (96 % у гальванічному відділенні) знову ж таки, негативно впливає на організм людини як при високих, так і при низьких температурах. Тут, за температури 18 ^о С , густина насиченої водяної пари була би 15,4 г/ м³. Але фактична густина пари 14,784 г/ м³. Нормальні умови для людини (за температури повітря 18 ^о С ) можливі при відносній вологості 50 %. Тоді в повітрі густина водяної пари 7,7 г/ м³. А фактично, в гальванічному відділенні густина водяної пари перевищує нормальну більше, ніж у 2 рази.

26. Відносна вологість повітря в майстерні об’ємом 100 м³ при температурі 15^о С становить 30 %. Скільки води треба в майстерні випаровувати, щоби при цій же температурі дістатися відносної вологості 50 % ?

26. Розв’язання. Тут, за температури 15 ^о С , густина насиченої водяної пари була би 12,8 г/ м³. Але фактична густина пари 0,3·12,8 г/ м³ = 3,84 г/ м³. Тому в повітрі майстерні (об’ємом 100 м³) міститься 384 г вологи.

Щоби фактична відносна вологість повітря стала 50 %, треба мати густину пари 0,5·12,8 г/ м³ =6,4 г/ м³. Тоді в повітрі майстерні буде 640 г вологи. Отже, в майстерні треба випаровувати додатково ще 256 г води.

27. У водоймищах Одеси та Одещини в теплі пори року можна бачити комах, які швидко бігають по поверхні води. За рахунок якої властивості водної поверхні це стає можливим?

27. Відповідь. Поверхня водоймища характеризується поверхневим натягом води. Цей натяг утворює на поверхні тугу плівку. По ній можуть бігати легкі комахи, лапки яких погано змочуються водою.

2. Основи термодинаміки.

1. Турист на околиці міста спалює дрова, щоби скип’ятити на багатті 3 л води, взятої при температурі 10 ^оС. На нагрів води витрачається лише 15 % енергії, що виділилася при згорянні дров. Скільки дров треба спалити при цьому туристу?

1. Розв’язання. Туристові треба використати щонайменше, як Q _к Дж тепла. Але фактично, від спалювання дров виділиться Q _Ф Дж тепла: Q _к = 0,15· Q _Ф . При цьому, Q _Ф = qm, де m – розшукувана маса дров, а q – їх питома теплота згоряння (q = 10 МДж /кг). Як відомо, Q _к = cm_В ∆t, де c = 4200 Дж /кг· ^оС; ∆t = 90 ^оС; m_В = 3 кг Звідси, 0,15·qm = cm_В ∆t . Отже, m = (cm_В ∆t / 0,15·q) . Відповідь: маса дров m =756 г.

2. Визначте, скільки літрів бензину згоріло даремно, якщо ККД двигуна у автомобіля потужністю 100 кінських сил (100 к.с.) дорівнює 20 %, а витрата бензину на 100 км шляху складає 1 л? З якою швидкістю їхав автомобіль?

2. Розв’язання. Врахуємо, що 100 к.с. = 75 кг×9,81 м/с²× м/с = 735, 75 Вт. А також, що 1 л = 1 дм³ = 1•10^-3 м³ .За визначенням, P = Fv. Робота A = Fs на шляху s. A=Ps /v. Кількість тепла Q при спаленні бензину з питомою теплотою q згоряння такого палива, як бензин, дорівнює Q=qm, де q=46, 0 МДж/кг. Маса m бензину при його густині ρ=710 кг/м^3.дорівнює m=ρV=0,710 кг. Корисна кількість тепла Q_к=0,2•Q=0,2qm, тобто, Q_к=0,2•0,710 кг•46, 0 МДж/кг=6,532 МДж, а втрачена кількість тепла Q_В=0,8•Q=0,8qm=0,8•0,710 кг•46, 0 МДж/кг = 26,128 МДж. Тобто, дарма спалено m_В=0,8•0,710 кг=0,568 кг бензину. Вочевидь, це–0,8•1 л=0,8 л.

При цьому Q_к=A=Ps/v. Отже, v=Ps/Q_к=Ps/0,2qm. Тому v=735,75 Вт•10⁵ м /0,2•0,710 кг•46, 0 МДж/кг≈11,26 м/с ≈ 41 км/год.

3. Флора берегів Хаджибейського лиману поруч із Одесою багата дуже цінними і рідкісними в Україні аборигенними рослинами. Їх біля 30 видів. Однак, ці цінні рослини через руйнування екосистеми лиману, витісняються теми 9-ю видами рослин, які є менш цінними. Але вони виживають навіть при варварській діяльності людей в цій екосистемі. Мірою безладу, чи хаосу, в розподілі рослин по класах (цінних і нецінних рослин) може служити (використовувана також і в термодинаміці) ентропія H, де H=- . Тут i = ; маємо G класів; p_i = ; p_i – це частота зустрічає мості рослин з і-го класу серед усіх N рослин. Отже, H = - =lgN - . Знайдіть, на скільки зросте хаос у екосистемі лиману, якщо 9 нецінних видів рослин витіснять 9 цінних із їх території.

3. Відповідь. Для нашого випадку, число класів цінних і нецінних рослин дорівнює G, де G=2; p₁ = ; p₂ = ; У нас N=30+9=39.

Для випадку незруйнованої екосистеми, ентропія H_о=lgN - . Для випадку зруйнованої екосистеми, з 30-ти цінних рослин залишиться 30 – 9 = 21 цінна рослина, а рештою стануть 39 – 21=18 нецінних рослин. При цьому, ентропія H'_о=lgN - .

Різниця H'_о - H_о= 0,065. Отже, в зруйнованій екосистемі хаосу більше.

4. Викиди вихлопних газів – причина погіршення екології міста, негативного впливу на здоров’я людини (знижує інтелект, погіршує пам’ять тощо. Авіаційний мотор потужністю 300 кВт має ККД 30 %. Визначте, скільки бензину треба на переліт 650 км над Україною при швидкості польоту 180 км/год і яка вартість перельоту. Визначте: сумарний об’єм вихлопних газів, якщо 1 л бензину, котрий спалюється, веде до утворення 16 м ³ суміші різних газів. Токсичність цих газів, за кількісним показником ЄВРО-3 така: СН – до 0,2 г/км; СО – до 2,1 г/км; NО_х – до 0, 15 г/км.

Дано: N=300 кВт .η=0,16. S=650 км. v=180 км/год =50 м/с. q =11000 Дж/кг. ρ = 800 кг/м³. G = 16 м ³ / 1 л .

Знайти: m -? , V_G - ?

4. Розв’язання. m q η =N t. t =(S/ v). t =3,6 год. m=(N S/ v q η). m =300 кг.

V=(m/ ρ). V=0,375 м³ = 375 л. Звідси – викид газів: V_G = 375·16=6000 м³.

5. Визначити витрати бензину в двигуні автомобіля при проїзді 300 км по Одеській області, якщо при середній потужності 210 кВт він розвиває швидкість 20 км/год, а коефіцієнт корисної дії, ККД, 16 %. З’ясуйте об’єм та приблизну масу вихлопних газів. При температурі 0^о С густина газів 0,002 кг/м³. При згорянні бензину, викид газів G = 16 м ³ / 1 л .

Дано: N=210 кВт .η=0,16. S=300 км. v=20 км/год. q =11000 Дж/кг. ρ = 800 кг/м³. G = 16 м ³ / 1 л . ρ_G = 0,002 кг/м³.

Знайти: V -? , V_G - ? m_G - ?

5. Розв’язання. A=Qη. m q η = N(S/ v). Звідси m =167,7 кг. V=(m/ ρ). V=0,21 м³=210 л. Звідси, викид газів: V_G=210·16=3360 м³. m_G=ρ_G·V_G=6,72 кг.

5. Відповідь. Витрати бензину V=210 л. Викид газів: V_G =3360 м³. m_G=6,72 кг.

6. Для кращого згорянні вугілля в топках теплових електростанцій (ТЕЦ) і, отже, й для зменшення забруднення станціями довкілля, винахідник пропонує вугілля дуже мілко (майже - до розміру частинок вугілля в сажі) подрібнювати на млині. А лише потім – підпалювати цей пил газовою горілкою. Який саме ефект дає таке подрібнення? Запропонуйте просту схему такої установки на ТЕЦ.

6. Відповідь. Розпорошуючи вугільний пил, ми (за інших рівних умов) забезпечимо більш повний контакт його з киснем та полум’ям, яке його підпалить. При цьому дуже економиться газ. А повне згоряння розпорошеного вугілля економить і витрати самого вугілля. Найпростіша схема установки така. Великий млин дуже подрібнює вугілля. Далі вугільний порох поступає (вдувається через форсунку) в топку. При виході з форсунки вугілля підпалюється факелом газу. Далі горіння лише підтримується (а іноді, за необхідністю) й відновлюється невеликою кількістю газу. Продукти горіння виводяться з топки, очищуються й відводяться назовні.

7. Чому такі матеріали, як цегла, вата, повсть, можна використати для облаштування житла в якості матеріалів, котрі мають гарні звукоізоляційні та теплоізоляційні властивості?

7. Відповідь. Ці матеріали мають у собі велику кількість пустот, заповнених повітрям.

8. Чому вовняний одяг зберігає тепло краще, ніж бавовняний?

8. Відповідь. За інших рівних умов, волосся вовни має в собі більше пустот, заповнених повітрям, аніж волокна бавовни.

9. Чому опіки від пару набагато небезпечніше за опіки від окропу?

9. Відповідь. Причина цього – наступна. Пара, охолоджуючись до 100 ^оС на тілі, тобто, стаючи окропом, віддає тілу першу порцію тепла Q_П, а до того ж, і окріп, що сконденсувався з пари, знову віддає тілу тепло Q_О (додаткову порцію тепла). Наслідки – очевидні: Q_П + Q_О > Q_О .

10. Спекотне літо та довгі періоди безвітря в Одесі 1994 року сприяли прогріву води коло поверхні до 25 ^оС – 26 ^оС при слабкому вертикальному перемішуванні вод. Які наслідки для придонних тварин це могло викликати?

10. Відповідь. Масові замори придонних тварин через обмаль кисню для них та розмноження патогенних організмів, шкідливих і для людей.

12. Сукупна кількість стічних вод Одеси складала на 1995 рік 597 тис. м³ за добу. Стічні води скидаються в море в районі пляжів Лузанівка та Люстдорф на відстанях 2,3 км – 4,2 км на глибинах біля 20 м (через мілководність Одеської затоки). Станції очистки працюють із перевантаженням (особливо в періоди дощів – у 1,5 рази). У весняно-літній період течія зазвичай має північно-східний напрям і від очисної станції «Південна» все ж достатньо брудні стічні води рухаються в бік Одеської затоки. Як в умовах засушливого клімату Одещини можна було би краще впоратися зі стічними водами?

12. Відповідь. Треба очищені (регенеровані) стічні води використовувати повторно, в оборотному (замкненому) водопостачанні, наприклад, для комунальних, сільськогосподарських та інших потреб.

14. Скільки повітря використовує на дихання клас із 30 учнів за 45 хв. уроку, якщо один учень, у середньому, робить 15 вдихів за хвилину, вдихаючи щоразу 500 мл повітря?

14. Розв’язання. Шуканий об’єм V = 15·45·30·500 мл = 10125·10³ мл·= 10125·л.

15. Які зміни відбулися б на Землі, якби питома теплоємність води була би в 10 разів меншою?

15. Відповідь. У місцях поблизу водойм із аномальною водою було би дуже спекотно влітку (аномальна вода нагріваючись, не відбирала би в тіла так багато тепла, як звичайна). У таких же місцях взимку було би дуже холодно (аномальна вода, охолоджуючись, не віддавала би тілу так багато тепла, як звичайна)… Взагалі, тепловий баланс на Землі настільки би порушився, що життя (у відомому нам сенсі) не могло би тут існувати.

16. За рахунок чого може змінюватися густина ґрунтів в Одесі та в Одещині?

16. Відповідь. Зокрема, - з тієї причини, що простір між частинками ґрунту можуть заповнювати повітря, волога, органічні домішки тощо.

17. На протязі січня в 2015 р. в Одесі зафіксовано найменшу температуру повітря t₁ = - 16 ^оС і найвищу t₂ = + 8^о С. Як при цьому змінювалася внутрішня енергія 1 моля повітря?

17. Розв’язання. Для одного моля повітря, вважаючи його ідеальним газом, маємо рівняння Менделєєва=Клапейрона pV=RT . Будемо мати на увазі, що у січні атмосферний тиск приблизно був сталим: p = const. Тоді об’єм залежав від температури і ∆V=(R/p) ∆T. Отже, роботу, скоєну над молем газу (тобто, - зміну його внутрішньої енергії ∆E_K) знайдемо як p·∆V=1 моль·R·∆T. Оскільки R= 8,31 Дж / (^оК·моль), а ∆T = t₂ - t₁ =24 ^оK, то ∆E_K =8,31·24 Дж =199,44 Дж.

18. Повітря в кімнаті площею 18 м² і висотою 2,7 м нагрілося на 5^о С за 0,5 год. роботи електронагрівача, що має потужність 800 Вт. Питома теплоємність повітря 1,0 кДж/ кг ^оК. Густина повітря 1,29 кг / м³. 18.1. Знайти ККД такого нагрівача. 18.2. Як можна підвищити ККД?

18. Відповідь. 18.1. 21,8 %. 18.2. Кількість корисного тепла (а заодно й - ККД нагрівача) прямо пропорційна теплоємності повітря та густині повітря. Можна підвищити питому теплоємність повітря, насичуючи його вологою. Таким же чином, також можна підвищити й густину повітря. У підсумку, підвищиться й ККД нагрівача.

ІІІ. Електродинаміка.

1. Електричне поле та струм.

1. На Одеському заводі фрезерних верстатів діяла система очистки рідких відходів виробництва від шкідливих речовин і мікроорганізмів, що скидалися заводом у міську каналізацію. Там до розчину, що очищався (200 м³ стічних вод за добу), застосовувався електроліз. Очищувальна установка мала наступні характеристики. Напруга 3 – 3,5 В. Площа електродів 0,5 м². Густина струму – 120 А / м². Від якої кількості цинку (Zn ²⁺) та хлору (Cl ^­ ) очищала стічні води установка за 1 добу? Яку потужність струму споживала установка? Електрохімічний еквівалент цинку k(Zn ²⁺) = 0, 34 . Електрохімічний еквівалент для хлору - k(Cl ^­ ) =0, 37 .

1. Розв’язання.

Дано: j = 120 А / м² . Розв’язок.

S = 0,5 м². I = j S; I = 120 (А / м²)•0,5 м² = 60 А.

______________ Р = IU = 3,5 В•60 А = 210 Вт

Знайти: m (Zn ²⁺); m(Zn²⁺)=0,34 •60 •24•3600 с=1 кг762 г560 мг.

m (Cl ^­ ); Р. m(Cl ^­ )=0,37 •60 •24•3600 с=1 кг918 г80 мг.

1. Відповідь. Р =210 Вт. m(Zn²⁺)=1 762 560 мг. m(Cl ^­ )=1 918 80 мг.

2. Для очищення повітря від пилу в приміщеннях (зокрема – для пиловловлювання на підприємствах) пропонуються фільтри двох типів: 1) фільтри, дія яких базується на електризації пилу та його притягання до пиловловлювачів; 2) фільтри, дія яких базується на завихренні пилу в двох різноспрямованих потоках повітря, наступному зіткненні таких потоків і осіданні пилу з вихору. Запропонуйте прості схеми таких фільтрів.

2. Відповідь. 1-й приклад. Дія електрофільтрів заснована на здатності позитивних іонів притягуватися до негативно заряджених поверхонь. Електрофільтр може являти собою металеву трубу, по осі якої натягнуто металевий дріт Між стінкою труби і дротом створюється електричне поле з дуже великою напруженістю. За такої напруженості в трубі з атомів газу утворюються позитивні іони. Ці іони притягуються до негативно заряджених стінок труби, утворюючи на них шар шкідливих відходів. Під дією періодичних ударів по стінках фільтра відходи падають у спеціальний збірник, з якого їх витягують і відправляють на перероблення або знищують.

3. Дослідження показали, що сила струму 0,1 А вважається небезпечним для життя. Електричний опір тіла людини може змінюватися від 500 кОм до 1 кОм. Якою силою струм може проходити через тіло людини при випадковому попаданні її під напругу 220 В ? Чи є такий струм небезпечним для людини?

3. Відповідь. I = (220 В / 1000 Ом) = 0,22 А. Такий струм є небезпечним для людини.

4. Електромагнітний фон вздовж ліній електропередач, ЛЕП, (особливо – ЛЕП із напругами 750 кВ і 330 кВ в рамках Одеської агломерації) потребує санітарно-захисних смуг вздовж їх проекцій на землю та навколишні будівлі. Якими можуть бути ці смуги?

4. Відповідь. Це можуть бути, наприклад, у найпростішому варіанті лісосмуги чи паркові зони. У складнішому – різні засоби екранування електромагнітних полів (наприклад, через облаштування приміщень, де перебувають люди залізними пластинами тощо).

5. Електризація тіла людини й подальші розряди з людини на землю можуть спричинити небажані больові й інші нервові відчуття, стати причиною різкого руху людини, що може викликати механічну травму. Який при цьому можливий захист від статичної електрики?

5. Відповідь. Заземлення, підвищення поверхневої провідності діелектриків, збільшення вологості повітря, застосування антистатиків.

6. Лінії електропередач (ЛЕП) , які прокладено над вулицями міста, зокрема, Одеси, створюють електромагнітне поле з великою напруженістю. Воно негативно впливає на людей, які знаходяться поблизу ЛЕП. Де під дротами ЛЕП виникає найбільша напруженість електромагнітного поля?

6. Відповідь. Найбільша напруженість електромагнітного поля виникає в місці максимального провисання дротів ЛЕП.

7. Чому при переливанні бензину з однієї посудини в іншу, він може загорітися? Яких заходів безпеки вживають при цьому?

7. Відповідь. Від тертя шарів бензину один об одного та від тертя бензину об стінки посудини, бензин електризується. Якщо при цьому напруженість електричного поля, створеного наелектризованим бензином, значно зросте, то може виникнути іскра й він спалахне. Щоби електричний заряд стікав з бензину на масу посудини, цю посудину (а також і лійку тощо) роблять металевими або металізованими. До того ж, посуд з бензином заземляють. При цьому напруженість згаданого електричного поля падає. Тому й ризик виникнення іскри також спадає.

8. Чому нижній кінець блискавковідводу потрібно закопувати глибше, де шари землі завжди вологі?

8. Відповідь. При такому заземленні опір контакту «нижній кінець – земля» буде достатньо малим, контакт не буде грати ролі ізоляції. З верхнього вістря блискавковідводу (в повітря й до хмар) поступово «стікають» електрони, тобто, відбувається своєрідний електричний розряд. Внаслідок цього зменшується ймовірність удару блискавки в іншому місці.

За великої напруги між хмарою та землею, по цьому контакту пройде великий струм блискавки (іскрового розряду в атмосфері). Блискавка – це короткочасний самостійний газовий розряд. Електричний заряд стече по блискавковідводу, а не по іншим предметам, які мають більший опір, ніж цей блискавковідвід із таким контактом.

9. Чому небезпечно мати при собі увімкнений мобільний телефон , перебуваючи на відкритій місцевості в час грози?

9. Відповідь. Мобільний телефон, підтримуючи зв’язок із станціями його мережі, створює іонізований шар повітря навколо себе; опір такого шару (як каналу зі значною електропровідністю) достатньо малий, порівняно з його середовищем. Тому різко підвищується ймовірність того, що по такому каналу може пройти струм блискавки.

10. Провід, що перебуває під напругою, упав на вогкий ґрунт. Чому поблизу цього місця необхідно робити якомога менші кроки?

10. Відповідь. Електропровідний канал «провід – грунт»знаходиться під достатньо великою напругою. Падіння напруги на протязі короткого кроку буде (за інших рівних умов) достатньо малим. Тому струм через ноги й тіло буде меншим, ніж при довгих кроках.

11. Чому під час грози небезпечно переховуватися під високими деревами?

11. Відповідь. Блискавка частіше вдаряє у відносно високі предмети. Над гострими верхівками дерев (де перед грозою накопичується сильне електричне поле) виникає коронний розряд і навіть електричний пробій повітряного проміжку між наелектризованою хмарою та верхівкою дерева. Тобто, - виникає іскровий розряд. Цей проміжок (що характеризується відстанню між наелектризованою хмарою та верхівкою дерева) менший, ніж проміжок із відстанню між хмарою та землею. За інших рівних умов, напруженість електричного поля між хмарою та верхівкою високого дерева більша, ніж напруженість електричного поля між хмарою та землею. Електричний пробій більш короткого повітряного проміжку є більш імовірним.

12. Електризація через тертя використовується для захисту рослин від шкідників. Річ у тім, що електрично заряджені отрутохімікати тримаються на листі рослин міцніше, ніж за відсутності на них зарядів. Чим це пояснити?

12. Відповідь. Внаслідок електризації через тертя в місцях дотику частинок отрутохімікатів з листям утворюються протилежні за знаком заряди. Це забезпечує міцне електричне притягання між отрутохімікатами і листям.

13. Чому для людини безпечною (за інших рівних умов) вважається напруга 36 В у сухому приміщенні та лише 12 В - у вологому?

13. Відповідь. Врахуємо, що електричний опір тіла людини може змінюватися від 500 кОм до 1 кОм. Зокрема, - в залежності від вологості тіла. Небезпечним для людини вважається струм, який виникає в тілі і перевищує 1 м А. Струм силою 100 мА призводить д серйозних уражень організму. При опорі тіла 1 кОм сила струму в тілі перевищить гранично допустиму силу струму.

14. Яки пристрій можна встановити на електростанціях, що використовують силу морських хвиль, щоби відлякувати риб від турбін електростанцій?

14. Відповідь. Перед турбінами станцій можна встановити захисні решітки, на які подається електрична напруга. Рибу буде відлякувати електричне поле решіток.

15. Великі за розміром риби реагують на значно менші значення електричної напруги на електродах, аніж малі риби. Яки пристрій можна встановити на камерах для сортування риб при їх вилові? Застосування такого пристрою допомогло би зберігати рибне потомство.

15. Відповідь. Подаючи на електроди камер для вилову риби різні значення напруги, можна досягти того, що велика риба звільнить камеру, молодь залишиться в ній.

16. Днища суден, котрі перебувають у морях і океанах, інтенсивно обростають водоростями та молюсками, що шкодить морехідним якостям суден. Яки пристрій можна встановити на судні, щоби відлякувати таких шкідливих екобіонтів від днища судна?

16. Відповідь. Наприклад, - джерело напруги, здатне спричинити електричний струм через тіло морських екобіонтів, що пристають до днища судна.

17. Флуоресцентна лампа потужністю в 18 Вт дає стільки ж світла, скільки лампа накалювання в 75 Вт. Заміна такими лампами ламп накалювання дозволяє зменшити споживання електроенергії в 4 рази. Окрім того, такі лампи в 7 разів довговічніші за лампи накалювання. Визначте, у скільки разів флуоресцентна лампа ефективніша за лампу накалювання.

17. Розв’язання. Позначимо енергію світлового випромінювання лампи через E. Енергію електричного струму, яку споживає лампа, позначимо через W , а. її потужність через P. Час довговічності лампи позначимо через t , а час порівняння робіт ламп – через τ . Тоді P_Ф = 18 Вт ; P_Н = 75 Вт ; W_Ф = P_Ф· t_Ф = P_Ф· 7·t_Н ; W_Н = P_Н· t_Н . Відповідно, ККД ламп будуть такими: η_Ф і η_Н . Тут η_Ф = E_τ / τ P_Ф ; η_Н = E_τ / τ P_Н . Відношення η_Ф до η_Н дорівнює приблизно 4,17.

Для подальшого порівнювання ламп, можна вважати, що, приблизно, відношення потужностей світлового випромінювання ламп (флуоресцентної та накалювання) також буде дорівнювати 4,17. За весь свій «час життя» t_Н лампа накалювання випроменить енергію світла E_Н , а флуоресцентна лампа за весь свій «час життя» t_Ф випроменить енергію світла E_Ф = 4,17 · 7·E_Н = 29,19 E_Н.

18. У фізіотерапевтичних кабінетах лікарень користуються методом фарадизації, коли людину піддають дії електричного поля і таким чином лікують деякі хвороби. Під впливом електричного струму відбуваються скорочення м’язів. Як ці факти можна використати для видалення малих твердих тіл (піску, камінчиків) із жовчного пухиря чи нирок пацієнта?

18. Відповідь: Подразнюючи відповідні судини-протоки невеликим змінним струмом, можна заставити їх вібрувати з певною частотою, виштовхуючи з себе зайві тіла.

2. Електромагнітне поле.

1. На протязі 10 років спостережень (1989 – 1998 рр.) зареєстровано 608 випадків викидання дельфінів на чорноморське узбережжя Криму; з них 96 % тварин знайдено мертвими. Періоди підвищеної смертності дельфінів при їх викиданні на берег, спостерігалися в 1989, 1990, 1994, 1995 і в 1997 роках.

Якими, імовірніше, були причини таких викидів?

1. Відповідь. Ймовірніше, - забруднення вод. А також – зміни магнітних полів Землі, на які орієнтуються в своїх міграціях не тільки птахи, але й дельфіни та й, взагалі, китоподібні.

2. Лазерне випромінювання супроводжується електромагнітним полем. Чи дійсно, що люди, які користуються лазерними ліхтариками-указками, наражаються на електромагнітне поле, небезпечне для здоров’я людини?

2. Відповідь. Так.

3. Як можна зменшити шкідливий вплив на людину випромінювання, що створює мобільний телефон?

3. Відповідь. По можливості, зменшуйте час переговорів. Не використовуйте мобільний телефон в місцях із слабким сигналом. Чим менше ви будете користуватися своїм гаджетом в замкнених приміщеннях, тим менше шкоди принесе він вашому здоров’ю. Якщо є така можливість, то використовуйте дротяну гарнітуру. Якщо маєте таку звичку, як відпочинок поруч із трубкою, що лежить поруч, то пора від неї позбавлятися. Чоловікам не рекомендується носити мобільний телефон в кишенях брюк через небезпеку нанесення шкоди репродуктивній системі.

4. Максимальна потужність мобільного телефону при частоті 1800 МГц складає 1 Вт. Яку енергію радіовипромінювання він виділяє за 30 хв. розмов? Якою є довжина хвилі при такій частоті?

4. Відповідь: 1,8 кДж; 1,67 м.

3. Коливання та хвилі.

1. Перехожим на вулиці Пушкінській довго заважали зграї грачів одразу після їх прильоту з вирію. Довго не могли знайти спосіб розсіювання цих зграй. Врешті біологи знайшли такий спосіб і він виявився досить ефективним. Що це за спосіб.

1. Відповідь. Біологи записали на магнітофонний диск тривожні крики грачів, що попереджали зграю про небезпеку, а потім відтворили ці записи, використавши потужні гучномовці.

2. Рибалки з досвідом знають, що плеск весел, стук по борту човна, відлякує багатьох риб, але гучна розмова на березі риб не хвилює. Чому?

2. Відповідь. Звукова хвиля погано проникає з повітря в воду, коливання ж води добре вловлюються рибами.

3. Автомобільний та залізничний транспорт є джерелом інфразвукових коливань у місті. 3.1.Чому люди, які мешкають біля залізничних магістралей або трамвайних колій, доволі часто скаржаться на погане самопочуття? 3.2. Чому собаки злобно кидаються на тих велосипедистів, мотоциклістів, що мимо них проїжджають, а також іноді – на деякі автомобілі?

3. Відповідь. Шкідливими для здоров’я людини є інфразвуки з частотою 8 Гц. На інших тварин також погано діють інфразвуки з частотами 6 – 8 Гц.

4. Радіохвилі в діапазоні 1 – 2 ГГц (ГігаГерц), де випромінюють мобільні телефони, затримуються стінами приміщення, знижуючи гучність сигналу на 10 – 20 дБ (децібел), тобто, знижуючи потужність сигналу в 10 – 100 разів. Тому мобільний телефон значно підвищує свою потужність (Р) для підтримки зв’язку з базовою ретрансляційною станцією. І людина, дзвонячи по мобільному телефону, отримує посилене шкідливе для здоров’я випромінювання. Якою була би початкова, виражена в одиницях «Ват», потужність випромінювання телефону поза приміщенням?

4. Розв’язання. Мінімальна інтенсивність звуку, яка сприймається людським вухом (поріг чутності ω) спочатку (в теорії звуку) вважалась за 2•10 ^{- 4} мкбар (2•10 ^{- 5} Н/м²), або за потужність біля 10 ^{- 16} Вт, яка приходиться на 1 м ² . Основною одиницею для виміру гучності звуку служить децибел (дБ), тобто, 0,1 бела. Звук гучністю в 10 децибел (10 дБ) перевершує поріг чутності в 10 разів. Звуки гучністю в 20 і 100 децибел перевершують поріг чутності в 100 і в 10 ¹⁰ разів. Тобто, гучність у 10 дБ відповідає потужності в 10 - ¹⁵ Вт на 1 м². Ясно, що Б(J)=lg , де J – потужність на 1 м², виражена у Ватах на 1 м². Тому Б(10 - ¹⁵ Вт/ м²)=1 Бел=10 дБ. Взагалі, Б(kω)= = lg k . Якщо k=10, то Б(kω) = 1; 1 Бел = 10 дБ.

Отже, стіни приміщення, знижуючи гучність сигналу на 10 дБ, знижують і потужність цього сигналу в 10 разів. Тому телефон, щоби зв’язатися зі своїм ретранслятором, також посилює своє шкідливе для здоров’я випромінювання у 10 разів – до 10 - ¹⁵ Вт.

5. Уздовж північно-західного узбережжя Чорного моря (у межах Одеської агломерації, на протязі 188 км), включно з узбережжям Одеси (30 км), Одеської затоки, треба встановити башти радіорелейних ретрансляційних станцій, які мають висоту верхівки 100 м над рівнем моря. Станції ретранслюють радіохвилі довжиною до 10 м і створюють випромінювання, шкідливе для здоров’я 1,3 млн. людей – мешканців Одеської агломерації. На якій відстані треба встановлювати станції одна від одної? Скільки, приблизно, їх може бути на протязі Одеської агломерації? Скільки, приблизно, - вздовж узбережжя Одеси?

5. Розв’язання. Ретрансляційні станції, заради мінімізації їх шкідливого впливу, мають бути на максимально можливій відстані одна від одної, щоби їх було щонайменше. Станції випромінюють ультракороткі радіохвилі, а такі хвилі в земних умовах поширюються в межах «прямої видимості». З урахуванням задачі 1 (п.1.1.), та малюнку до неї, а також, задачі 2 (п.1.1.), маємо наступне. Вважаємо, що АВ = АВ = СВ = (φ/2π) 2πR = φR ≈ •R. Умовно, для h ≈ 100 м маємо СВ ≈ 38, 4 км. Отже згадані станції мають бути на відстанях не менше, ніж 38, 4 км одна від одної. На протязі Одеської агломерації їх може бути близько 5 одиниць (щонайменше, - по одній на краях Одеси).

6. Які фізичні методи обеззаражування питної води від патогенних мікроорганізмів та вірусів ви знаєте?

6 Відповідь. Можна вказати наступні фізичні методи. Кип’ятіння, опромінювання ультрафіолетовими променями, вплив ультразвуковими хвилями, дія струмом високої частоти, дія швидкими електронами тощо.

7. Частота радіохвиль стільникового зв’язку складає 1800 МГц. Знайти довжину хвилі, енергію, імпульс і масу квантів електромагнітного випромінювання з даною частотою, які діють на абонента при його переговорах по телефону даного зв’язку.

7. Розв’язання. Скористуємося зв’язками λ = cT ; p=(ε / c)=(hν / c)=(h / λ); T = (1 / ν). У нас ν = 1,8·10 ⁹(1 / с). Вважаємо, що, h = 6,626·10 ^{– 34} Дж·с. ;

приблизно, c = 3·10⁸ м/с . c² = 9·10¹⁶ м²/с² .

Отримаємо наступні результати: λ =1,67 м; ε =hν=6,626·10 ^{– 34} Дж·с·1,8·10 ⁹ (1 / с) =11,9268·10 ^{– 25} Дж; p= 3,9756·10 ^{– 33} ; m = 1,3252·10 ^{– 41} кг.

8. В Одесі маємо кількість мобільних телефонів на одного мешканця – як одну з найбільших по Україні. Потужність опромінювання мозку радіохвилями мобільного телефону обернено пропорційна квадрату відстані від слухавки до кори головного мозку. Це – з причини затухання радіохвиль. Відстань антени телефону, який щільно притиснутий до вуха, від поверхні вуха до мозку - 1 см. Визначте наступне.8.1. У скільки разів зміниться потужність опромінювання, якщо телефон відсунути на 1 см від вуха? 8.2. На скільки см треба відвести від вуха телефон, щоби потужність опромінювання зменшилася в 16 разів?

8. Розв’язання. Потужність опромінювання ділянки тіла зменшується обернено пропорційно квадрату відстані r між опромінювачем і цією ділянкою. Отже, p₁= (а / r²); p₂= [а / (r + Δr)²]; Δr = 0,01 м ; (p₁ / p₂) = [ (r + Δr) ² / r² ].

8.1. Відповідь: в 4 рази.

8.2. Відповідь: на 3 см.

9. При зміні орієнтації слухавки мобільного телефону GSM з вертикальної на горизонтальну, рівень сигналу, що приймається, знижується, в середньому, на 5 дБ (в 3 рази). Яким є рівень сигналу при вертикальній орієнтації телефону?

9. Відповідь. Складаємо систему рівнянь: у = х – 5; 3у = х. Звідси у = 2,5; х = 7,5. Дивись також задачі №№ 4, 11 (п. ІІІ. 3.).

10. У верхній частині мобільного телефону GSM є його антена. Ця антена, прикрита рукою, знижує його ефективність на 10 дБ. При цьому потужність передавача (і опромінювання ним людини) збільшується в 3 рази. Максимальна потужність GSM при частоті 1800 МГц - 1,2 Вт. Якою є його потужність за умови прикриття його рукою?

10. Відповідь. 3,6 Вт.

11. Звук легкового автомобіля впливає на людину, яка стоїть на обочині дороги в місті. Інтенсивність цього звуку J = 0,01 Вт/ м². Визначте звуковий тиск P та гучність (рівень звуку) в децибелах, якщо швидкість звуку v = 330 м / с , а густина ρ повітряного середовища 1,3 кг/м ³ . Як впливає звук такого рівня на людину? Зважте на те, що J = P² / 2ρ·v [4, с. 740], а кількість бел (оскільки 1 бел = 10 дБ) знаходиться за формулою б(J)=lg , коли ω = 10 - ¹⁶ Вт/ м² .

11. Відповідь. P ≈ 3 Н /м² . Рівень звуку 140 дБ. Така гучність викликає дуже неприємні відчуття, шкідливо діє й на стан нервової та серцево-судинної системи, спричиняючи нервові та інші тяжкі захворювання. Звук від літака створює тиск 100 Н /м ². Барабанні перетинки в вусі людини можуть розірватися при звуковому тиску 5000 Н /м ², а тиск 10 ⁶ Н /м ² може пошкодити легені. Тиск 50 - 100 Н /м ² спричиняє мілкі пошкодження будівель.

12. Шкідливими для здоров’я людини є інфразвуки з частотою 8 Гц. На інших тварин також погано діють інфразвуки з частотами 6 – 8 Гц. Такі звуки часто генеруються на терені міста. Визначте довжину λ для хвилі інфразвуку з частотою ν = 8 Гц у повітрі, якщо швидкість V звуку в повітрі 340 м /с.

12. Відповідь. λ = V /ν . λ = 42,5 м.

4. Оптика.

1. У деяких деревовидних рослин у місті молоде листя навесні носить червонувато-фіолетове забарвлення. Яке значення має таке забарвлення для рослин у цю пору?

1. Відповідь. Листя червонуватого забарвлення краще поглинає теплове проміння сонця і тому менше страждає від холоду.

3. Для комфортності мешкання, люди користуються дзеркалами. Якою має бути мінімальна висота вертикального люстерка, щоби людина ростом H могла би бачити в ньому своє зображення у весь свій ріст? На якій висоті повинен знаходитися нижній край цього люстерка?

3. Розв’язання. Нехай відстань від очей до підлоги дорівнює H, а L - відстань людини до люстра, а кут між підлогою та лінією «око – нижній край люстра» дорівнює α. Висоту нижнього краю люстерка над підлогою позначимо h. Очевидно, з малюнка щодо даної ситуації випливає наступне. tg α = H/2 L. H=2 h. Звідси h = H/2. 3. Відповідь. Висота нижнього краю люстра вдвоє менше за відстань H від очей до підлоги.

4. Утилізуючи осади побутових і промислових стічних вод, можна охороняти природу й покращувати економіку. По Україні, на 2000 рік, кількість таких осадів у сухому вигляді – на рівні 60 – 100 млн. тон. Певний Одеський інститут (ФХІ НАН України) проводив аналіз осаду на спектрометрі з дифракційною решіткою 600 штрихів / мм. Осад аналізували спектрофотометричним методом, основаним на вимірюванні світлопоглинання в певній області спектру. Що саме може виявити такий аналіз?

4. Відповідь. У складі хімічної речовини, яка є в осаді, кожна молекула має свій, специфічний для неї спектр поглинання світла. У її спектрі поглинання є сукупність смуг, за набором яких можна отримати інформацію про склад і структуру молекули, стан її електронних оболонок. Тому такий спектр поглинання використовують в хімії, в спектральному аналізі речовини. Дожину світлової хвилі, яка поглинається конкретним атомом молекули, відповідає довжині тієї світлової хвилі, яка ним випромінюється. Довжину хвилі, що випромінюється, вимірюють на спектрометрі з дифракційною решіткою. На базі порівняння спектру поглинання зі спектром випромінювання визначається хімічний склад речовини осаду вод.

5. На жаль, буває, що діти пірнають навіть у прозоре водоймище (такі бувають, наприклад, в Одеських аквапарках), не маючи уяви про його дійсну глибину, а це дуже небезпечно. Доведіть, що глибина водоймища, якщо дивитися по вертикальному напряму, складає ¾ істинної його глибини.

5. Розв’язання. Промені, які виходять із точки А коло дна водоймища, після заломлення в точках Д і Е поверхні водоймища попадають в очі спостерігача, що розташовані в точках В і С.

B C

D G E

h`

A`

h

А

Мал. .№ 73.1.

Спостерігач вважає, ніби промені ДВ і ЕС виходять із точки А`, яка міститься на глибині h`. Покажемо, що h` = h.

Із трикутників АDG і A`DG випливає, що

tg = = , tg = = ,

де і - відповідно, кути падіння і заломлення променів. Ділячи почленно одну рівність на другу, отримаємо

= .

Оскільки спостерігач дивиться вертикально вниз, то кути і малі, і, виходить, відношення тангенсів кутів можна замінити на відношення їх сінусів.

= .

Відношення синусу кута падіння і синусу кута заломлення є величина постійна, яка дорівнює показнику заломлення другого середовища по відношенню до першого. Тому

=n ,

де n – показник заломлення повітря по відношенню до води. Звідси знаходимо показник n`заломлення води по відношенню до повітря:

n` = = 1,33.

Беручи це до уваги, отримуємо

h` = = = 0,75h.

5. Атомна та ядерна фізика.

1. Чорнобильська аварія вплинула й на стан довкілля Одеської області. Після Чорнобильської аварії в довкілля було викинуто радіоактивні ізотопи йоду, цезію, стронцію, плутонію. Активність ізотопів йоду 1,8 ЕБк. Тут 1 ЕБк=10¹⁸ Бк. Активність ізотопів цезію на 1,715 ЕБк менше, ніж у йоду і на 0,075 ЕБк більше, ніж у стронцію. Активність плутонію в 600 разів менше активності йоду. Визначити сумарну активність радіоактивних речовин, викинутих в атмосферу.

1. Розв’язання. Активність ізотопів цезію (1,8 - 1,715) ЕБк = 0,085 ЕБк. Активність ізотопів стронцію (0,085 - 0,075) Ебк = 0,01. ЕБк. Активність ізотопів плутонію (1,8 : 600) ЕБк = 3·10 ^{- 3} ЕБк. Сумарна активність таких радіоактивних речовин 1,898 ЕБк.

2. Довкілля Одеси забруднено свинцем. Ділянки підвищеної концентрації сполук свинцю в атмосферному повітрі приурочені до автомагістралей з потужними транспортними потоками. До цих дуже забруднених ділянок тяжіють і найбільш високі концентрації свинцю в грунтово-рослинному покрові.

Індекс забрудненості одеської атмосфери свинцем ИЗАс = ( / ПДК_сс ) , де - середньорічна концентрація свинцю в повітряному басейні по місту, в мкг /м³; С_і - константа, що дорівнює 1,7 для групи надзвичайно небезпечних речовин. За 1991 р. ИЗАс =0,2 і = =120 мкг/м³. Знайдіть ПДК_сс .

2. Розв’язання. Маємо рівняння 0,2=( /ПДК_сс )^1,7 ; ln 0,2=1,7 ln ( /ПДК_сс).

ln ( /ПДК_сс)= - 0,9467; ( /ПДК_сс)=0,3880. Отже, ПДК_сс = (0,120 /0,3880)=0,31.

3. У Одесі на еколого-геологічну систему (ЕГС) довкілля (Д) сильно впливають мікроелементи, які містяться в місцевому ґрунті та в водопровідній мережі міста. Наближено, ряд найбільш впливових мікроелементів побудовано за зростанням степеню їх шкідливості. Знайти сумарну шкідливість E для 1 кг ґрунту Одеси, вважаючи, що E можна обрахувати за формулою E= , де ε = 0,1,2, …, N. Дивись Табл.3.1.

Табл.3.1.

Елементи	As	Hg	Cd	Pb	Zn	Co	Ni	Cu	Cr	Mn	Sr	Інші (К, Na. Мо, Fe)
Шкідливість	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	0
Середній вміст у ґрунті (мг/кг)	8	0,1	20	80	250	10	500	65	250	625	550	997,6419

3. Розв’язання. E = 1·8 + 2·0,1 + 3·20 + 4·80 + 5·250 + 6·10 + 7·500 + 8·65 + 9·250 + 10·625 + 11·550 = 20268,2 (одиниць).

4. Ви зателефонували до служби прогнозу погоди і дізналися, що в Одесі середній рівень радіації дорівнює 17,5 мкР/год. Чи є такий рівень радіації нормальним? Обчисліть, чому при цьому дорівнює потужність поглинутої дози.

4. Розв’язання. Потужність N дози називається відношення поглинутої дози випромінювання до часу t випромінювання. Одиницею потужності поглинутої дози в системі SІ є грей за секунду: [N]=Гр /с . Одиницею потужності експозиційної дози в системі SІ є Кл/кг за секунду.

При цьому 1 Р = 2,58·10 ^{– 4} Кл/кг. Тобто, 1 мкР = 10 ^{– 6} Р, тому 1 мкР = 2,58·10 ^{– 10} Кл/кг. Звідси 17,5 мкР/год = (17,5·2,58·10 ^{– 10} Кл/кг·3600 с) ≈ 1,25·10 ^{– 12} Кл/кг·с .

6. Для чого лікарі-рентгенологи під час роботи користуються окулярами, рукавичками та фартухом, зробленими з матеріалів, що містять солі свинцю?

6. Відповідь. Солі свинцю добре поглинають жорстке електромагнітне випромінювання, що виходить із рентгенівського апарату.

7. Учені виявили наступні емпіричні закономірності. Помічено зв’язок захворювань ендокринної системи, захворювань системи травлення, порушень обміну речовин та зниження імунітету - із гравітаційними та магнітними аномаліями. Є зв’язок психічних розладів із глибинними тектонічними порушеннями. Існує також і зв’язок між захворюванням системи кровообігу та техногенними токсикантами. Підтверджується залежність виникнення новоутворень із зонами, забрудненими радіоактивними елементами [5, с. 230 - 234]. Врахуйте знайдені закономірності для опису імовірності тих чи інших захворювань в Ананьївському районі Одеської області. Цей район має наступні аномалії. Еколого-геологічна ситуація характеризується потужною магнітною аномалією та посиленим гравітаційним полем. Через територію району проходить Одеська зона тектонічних розломів. У підземних водах фіксується підвищена місткість таких хімічних елементів, як U, Cu, Rn та ін.

7. Відповідь. Серед населення Ананьївського району Одеської області ймовірно виникнення наступних захворювань: захворювань ендокринної системи, захворювань системи травлення, порушень обміну речовин та зниження імунітету, психічних розладів.

8. Будівельні матеріали, які використовують для будівництва житла можуть погано впливати на людину. З яких причин це може статися?

8. Відповідь. Будівельні матеріали можуть містити в собі радіоактивні речовини, отруйні хімічні речовини, намагнічені руди металів тощо. Всі такі домішки негативно впливають на живі організми.

ІV. Узагальнення матеріалу.

1. Дайте відповідь на наступні питання. 1.1. Чому заводські труби-димарі роблять якомога високими? 1.2. Чому нафта розтікається по поверхні води в затоці міста тонкою плівкою? 1.3. Чи можна постійно носити наручний годинник із стрілками, що фосфоресцують (світяться через фосфоресценцію)? 1.4. Питної води на Землі у багатьох місцях не вистачає. Її приходиться отримувати з морської води або випаровуванням, або виморожуванням. Який спосіб вигідніший? 1.5. У місті ми бачимо плодові дерева побіленими вапном. Чому така побілка необхідна?

1. Відповідь. 1.1. Газоподібні продукти горіння в топці печі з димарем (повітря, отруйні гази, дим, пил тощо) підіймаються вгору, до виходу з димаря, через природну конвекцію. Вона виникає завдяки явищу теплового розширення нагрітого газу та наявності архимедової сили. Теплі шари газу (які мають меншу густину) прямують угору, по димарю в атмосферу, а холодні (більшої густини) опускаються: холодне повітря, насичене киснем, рине до палива в топці. Завдяки значній висоті димаря продукти горіння виносяться в верхні шари атмосфери над житлом і розносяться вітром подалі від пічки. Із цим концентрація забруднюючих речовин у повітрі навколо печі зменшується, шкідливість цього повітря для мешканців навколо печі також зменшуються.

За інших рівних умов, більша висота димаря над землею веде до того, що збільшується об’єм газів у димарі, які мають густину, меншу, ніж густина повітря навколо димаря. Тому згадана архімедова сила збільшується зі збільшенням висоти димаря: «тяга в димарі» посилюється. Отже продукти горіння з більшою швидкістю вилітають у повітря над димарем, а тому й з більшою імовірністю вирвуться на більшу висоту над житлом.

1.2. Густину нафти менша за густину води (а в Одеській затоці вода солона, її густина значно більша за густину нафти). Тому нафта спливає на поверхню води.

На ту поверхню нафти, котра прилягає до поверхні води, діють сили притягання між молекулами води і нафти. Сили притягання між молекулами води та молекулами нафти (на поверхні дотику нафти) переважають ті сили притягання, що є між молекулами всередині нафти. Тому вода «розтягує» нафту по своїй поверхні у вигляді плівки. Сили поверхневого натягу, що діють у плівці нафти, утримують плівку в вигляді, приблизно подібному до форми окремого тонкого шару чи диску, чи об’ємної, але тонкої плями з більш-менш невизначеною формою.

1.3. Випромінювання, що виходить із фосфору, якщо воно постійно діє на одне й те саме місце на руці людини, чинить суттєву шкоду. Воно може викликати захворіння тієї частин руки, над якою кріпиться такий годинник.

1.4. Розглянемо такі усереднені побутові умови, котрі склалися на Землі у багатьох місцях. Очевидно, що за таких умов, буде технічно простіше і тому й дешевше випаровувати солону воду, конденсуючи потім її пару при нормальній температурі (простіше, - ніж виморожувати солону воду в холодильниках). Отже, в широких масштабах, питну воду економічно вигідніше буде отримувати з морської води випаровуванням, аніж виморожуванням.

1.5. Однією з причин побілення вапном дерев є те, що вапно згубно діє на тих шкідників плодових дерев, які намагаються добратися до кори, листя та плодів, щоби ними поживитися. Вапно порівняно доступніше, економічно вигідніше та й безпечніше для людей поруч із деревами, ніж інші речовини, які відлякують шкідників.

2. Зона санітарної охорони (санітарно-захисна зона) для бюветів міста Одеса встановлюється з метою охорони від забруднення джерел водопостачання. Згідно з постановою санітарно-епідеміологічної станції, санітарно-захисна зона для бюветів міста Одеса має становити 50 м. Розміри поясів санітарно-захисної зони розраховується по формулі: R= , де R – радіус поясу санітарно-захисної зони, м; Q – дебіт свердловини, м³ /добу; T – час виживає мості бактерій, яке дорівнює 200 діб для розглядуваного терену; m – потужність продуктивного шару ґрунту, м; n_a – пористість активного шару, м.

Для бюветів міста Одеса, розмір санітарно-захисної зони розраховується при наступних значеннях величин. T = 200 діб; n_a = 0, 75; π = 3,14. Чи виконуються нормативні вимоги для безпечної роботи бюветів Одеси в випадках нинішніх характеристик їх свердловин?

№	Бювет	Q, м3 /добу	m, м	R, м
1	Сквер «Старобазарний»	144	130	9,7
2	Вул.. Академіка Глушко	72	137	6,7
3	Вул.. Іцхака Рабина	120	139	8,6
4	Вул.. Терешкової	96	134	7,8
5	Кінотеатр «Вимпел»	120	122	9,1
6	Парк Перемоги	120	128	8,9
7	Сквер «Космонавтів»	60	115	6,7

2. Відповідь. Середній розмір санітарно-захисної зони свердловин, фактично, складає приблизно 9,5 м замість потрібного 50 м. Найбільш прийнятний стан кювету (з мінімальною часткою антропогенного впливу спостерігається в бюветах, розташованих за адресами: 1) вул. маршала Говорова (парк Перемоги); 2) сквер «Старобазарний». У решті випадків є проїзна частина вулиці та будівлі, розташовані поблизу бювету,

3. Як відомо, Нобелівську премію з фізики за 2014 р. отримано за розробку блакитних оптичних енергозбережувальних діодів. Чи можна тепер, коли вже є енергозбережувальні червоні й зелені світлодіоди, отримати біле світло? Як можна оцінити економію енергії при нічному освітлені міста Одеси за рахунок впровадження яскравих і енергозбережувальних джерел світла?

3. Відповідь. Шляхом синтезу світла із 3-х згаданих світлодіодів можна створити біле світло… Надалі потрібно оцінити, яка заміна звичайних ламп освітлювання на світлодіоди потрібна Одесі.

4. Які електростанції з альтернативної енергетики можна створити поблизу Одеси і де вони можуть розташовуватись?

4 Відповідь. Електростанції - на базі енергії води, вітру (зокрема, - морських хвиль), сонячного світла, хімічних джерел живлення, термоелектрики, п’єзоелектрики тощо. …

5. У Чорному морі живуть і тюлені. Певний вид тюленів було вивчено на предмет того, чи здатні вони узагальнювати інформацію. Ссавці привчалися до того, щоби серед трикутників різноманітних форм і кольорів вибирати явно найбільший. З’ясувалося, що незалежно від інших властивостей трикутників, тварини вибирали явно найбільший за площею. Це – тому, що, натиснувши тільки на найбільший фанерний трикутник, тварина отримувала їжу. На основі яких індуктивних методів дослідження причинних зв’язків, тварини могли б визначити причину того, що саме натискання на найбільший трикутник призводить до появи їжі? Чи могли би тварини для пошуку згаданої причини використовувати метод єдиної схожості, метод єдиної розбіжності, метод супутніх змін, метод залишків? Усі ці методи відомі з класичної логіки.

5. Відповідь. Так. Вчені вважають, що за схемами подібних методів, напевно, діють і такі тюлені, котрі здатні узагальнювати інформацію.

6. Оцінки міграційних здібностей забруднюючих речовин (ЗР) відбиваються через коефіцієнти поглинання (накопичення) ЗР в природному середовищі чи біооб’єкті і коефіцієнти переходів між середовищами або між середовищем і біооб’єктом.

Як визначальні можуть бути використанні наступні два коефіцієнти: КБН (коефіцієнт біологічного накопичення) і КБП (коефіцієнт біологічного поглинання).

КБН = С / С_ф ,

де С – вміст хімічних елементів або забруднювачів у біооб’єкті; С_ф – фоновий вміст елементів для даного об’єкту.

КБП = С / С_х ,

де С – вміст хімічних елементів або забруднювачів у біооб’єкті; С_х - вміст елементів чи забруднювачів у ґрунті (біосубстраті). У чому полягає фізичний зміст даних коефіцієнтів?

6. Відповідь. Зазвичай, в біообєкті містяться зайві та забруднюючі хімічні елементи й забруднювачі речовини в незначних кількостях. Їх вміст вважається фоновим (на фоні їх впливу ці біообєкти живуть, розвиваючи свій імунітет). Коефіцієнт КБН показує те, у скільки разів вміст хімічних елементів або забруднювачів у біооб’єкті перевищує їх фоновий вміст. Коефіцієнт КБП показує те, яку частку складає вміст хімічних елементів або забруднювачів у біооб’єкті порівняно з їх вмістом у ґрунті (біосубстраті).

7. Для визначення походження виявлених у ґрунті металів використовують розрахунковий метод, за яким до реперних металів рекомендується відносити алюміній залізо, скандій або інший метал, який можна визначити в аерозолях і ґрунті високочутливим інструментальним методом.

Звичайно, для розділення цих двох типів елементів використовують метод порівняння вмісту реперного металу (Ме) в приземному шарі аерозолю і ґрунті.

Коефіцієнт збагачення (К_і) визначається за формулою

К_і = ,

де С _Ме – вміст металу в аерозолі чи ґрунті; С _{реп Ме} – вміст реперного металу в аерозолі чи ґрунті.

За величиною К_і класифікують метали природного і техногенного походження.

7.1. До якого класу розумно було би відносити елементи зі значенням К_і від 1 до 10?

7.2. До якого класу логічно відносити елементи зі значенням К_і >10?

7. Відповідь. 7.1. До класу елементів природного походження. 7.2. До класу елементів не природного, а техногенного походження.

8. Чи є перспектива будувати в Одеській області електрогенератори у вигляді: а) сонячних батарей; 2) вітросилових установок; 3) геотермальних електростанцій?

8. Відповідь. Є перспектива для використання сонячної енергії та енергії вітру.

9. Продукування 1 кВт·год. електроенергії на Одеській ТЕС потребує приблизно, 240 г умовного палива (кам’яного вугілля). Співвідношення 1 кВт·год. енергії до палива та вуглекислого газу, що виділяється в атмосферу при цьому, таке: 1 кВт·год. електроенергії → 240 г умовного палива → 0,1056 м³ СО². Енергозбережувальні технології дають можливість одній сім’ї зекономити до 10 кВт·год. електроенергії на неділю. Скільки кам’яного вугілля при цьому буде зекономлено за місяць, за рік? Скільки вуглекислого газу не буде випущено в атмосферу при цьому?

9. Відповідь: 9,6 кг, 115,2 кг; 4,224 м³, 58,69 м³.

10. В Одесі річне надходження сонячного випромінювання становить, у середньому, 4,88 ГДж /м² поверхні території. Тривалість сонячного освітлення в Одесі від квітня до жовтня становить більше, ніж 300 годин на місяць, що дозволяє використовувати сонячні колектори. Площа Одещини – біля 33,3 тис. км²; Одеська агломерація має розміри, приблизно, 188 км 30 км. Скільки, в середньому, енергії сонячного випромінювання приходиться на годину за весь липень 1) на всю Одеську агломерацію; 2) на всю Одещину?

10. Відповідь: 1) 7,65∙10⁶ ГДж / год; 45,14∙10⁷ ГДж / год.

V. Задачі для конкурсів юних фізиків.

1. Зробіть серію спостережень, щоби з’ясувати, яку частину року в Одесі віють вітри кожного з основних географічних напрямів. Створіть розу вітрів для Одеси. Чи дійсно, вітри дують переважно з північного заходу на південний схід? Чи дійсно такі вітри переважно здувають кисень, утворений рослинністю Одеси в Чорне море?

1. Відповідь: так, дійсно, вітри в Одесі дують переважно з північного заходу на південний схід; такі вітри переважно здувають кисень, утворений рослинністю Одеси в Чорне море.

2. Які фізичні чинники здатні змінити якість звичайної води в міському водопроводі, зробивши цю воду шкідливою для вживання її людиною?

2. Відповідь. Наприклад, занадто великі охолодження води чи її перегрів; проходження по водопроводу електричного струму з причини аварії в електропостачанні; опромінення води α-, β-,γ –частинками (скажімо, - через радіоактивне опромінення); вплив на воду значних магнітних полів тощо.

3. Близько 87 % об’єму Чорного моря займає вода, заражена сірчаним воднем (H₂S). Верхня межа сірчано-водневої зони куполоподібна. А саме, в центрі постійних кругових циклонічних течій вона піднімається до 150 м від поверхні моря, а по периферії, біля берегів, опускається до 200 м , місцями, до 250 м. Нижня межа сірчано-водневої зони сягає, приблизно, до 2 000 м глибини. На самому дні є дуже тонкий шар води з дещо підвищеним вмістом кисню.

Запропонуйте ідею технічної установки по очищенню моря від сірчаного водню та добуванню сірчаного водню з моря для потреб промисловості.

3. Відповідь. Розробити й використовувати подібні установки – дуже актуальна задача.

Бельгійські дослідники Льєжського університету встановили, що за останні 60 років кисневий шар у Чорному морі скоротився до глибини 90 метрів. Екологи б’ють на сполох, бо з такої причини кількість мешканців цієї водойми повинна скоротитися на 40 % . А це – екологічна катастрофа. Сірчаний-водень може зірватися, спалахнувши будь-якої хвилини (достатньо, наприклад, кинути там глибоководну бомбу, а приповерхневі спалахи можуть виникнути й через удар блискавки. Зрозуміло, що сірчано-воднева зона захищена товщею води, але вона все зменшується і кисневий шар стрімко руйнується. Цьому сприяє (за бельгійськими вченими) глобальне потепління та евтрифікація. Евтрифікація виникає через насичення водойми азотом і фосфором. Останнє веде до поширення тут ціанобактерій та водорості, що заважають проникненню в води сонячного світла. А тому, - й заважають фотосинтезу рослин з виділенням кисню. Скорочується киснева межа й зростає об’єм сірчаного водню. Тобто, згадана міна уповільненої дії стає все більш потужною та непрогнозованою…

Учні, після відповідних консультацій та пошуків слушної інформації, мають самі запропонувати схему шуканої установки в її найпростішому вигляді. Сірчаний водень можна використати, наприклад, як паливо для потреб у народному господарстві.

4. Чому риби Чорного моря не можуть вільно пересуватись у повітряному океані?

4. Відповідь. В умовах Чорного моря немає риб із крилами, тут нема і таких летючих риб, які існують у деяких теплих водах океанів (де вода - з температурою у 20 ^оС). В основному, це - тропічні та субтропічні води. Але, навіть летючі риби не мають у повітрі значної свободи, вони не керують своїм польотом, вони здатні перелітати на короткі відстані та на малій висоті (вони лише паря´ть у польоті на своїх плавниках).

5. У 1995 році Одеським медичним університетом було проаналізовано медичний огляд 2350 школярів Приморського району Одеси. Лише 1/6 частина дітей виявилась практично здоровою. Патологія вегетативної нервової системи відмічено у 82,3 % дітей. Великими є також частоти захворювання верхніх дихальних шляхів і бронхо-легеневої системи, шлунково-кишкового тракту [4, с. 270]. 5.1. Як. на вашу думку, за останні 20 років, змінилися аналогічні показники у дітей, що мешкають в тих частинах Одеси, де розташовані великі транспортні вузли та шляхи, потужні енергоустановки, діючі переробні підприємства? 5.2. Як. на вашу думку, за останні 20 років, змінилися аналогічні показники у дітей, що мешкають у вашому мікрорайоні Одеси?

5. Відповідь. 5.1. Аналогічні показники у дітей, що мешкають у таких частинах Одеси, напевно, значно не покращились, бо екологічні обставини там також значно не покращились. 5.2. Учні, після відповідних консультацій та пошуків слушної інформації, мають самі визначитись щодо того, як за останні 20 років змінилися аналогічні показники у дітей, котрі мешкають у їх мікрорайоні Одеси.

6. У сучасній науці існує гіпотеза глобального потепління. Якщо через глобальне потепління розтане вся крига, яка плаває в Світовому океані, чи будуть затоплені наступні території: 1) місто Одеса; 2) материки?

6. Відповідь. 6.1. За таких екстремальних умов затопилася би та частина міста, що розташована не високо над сучасним рівнем моря, поза Одеським плато (висота плато не набагато вище за 70 м). 6.2. Затопляться тільки деякі низовинні частини материків.

7. Який міський ландшафт Одеських новобудов сприяв би вашому комфорту - дуже складний чи дуже примітивний?

7. Відповідь. Напевно, що - не дуже складний і не дуже примітивний ландшафт.

8. Як можна спростити процес утилізації міського сміття, що мешканці збирають у контейнери?

8. Відповідь. Можна спростити наприклад, процес сортування відходів. Треба для кожного типу сміття (продовольчі відходи, побутові відходи, будівельні матеріали, папір тощо) треба мати окремого типу контейнер.

9. Хоча антипригарне покриття (наприклад, тефлонове, таке, що використовується на сковорідці, пательні) зручно, але воно може бути й шкідливим при надмірному нагріві. Чому?

9. Відповідь. При високій температурі тефлон виділяє токсичний газ.

10. Наявність токсичних речовин можна знайти в ноутбуках відомих брендів, але багато-хто також стурбований потенційно небезпечним електромагнітним полем, що створюють процесор та екран ноутбуку. Як цій шкідливості можна запобігти?

10. Відповідь. Треба обмежувати час просиджування перед ноутбуком.

11. Ваш мобільний телефон містить свинець, ртуть, миш’як і кадмій, які потенційно небезпечні. Як можна зменшити таку небезпеку?

11. Відповідь. Треба позбавлятися старих телефонів в установленому порядку.

12. В Україні більше, ніж 6000 звалищ побутових відходів і полігонів, які займають 9000 га землі. Із усіх побутових відходів, котрі попадають на полігони, 40 % - це цінні компоненти, котрі можна переробити: папір, скло бій, поліетилен, пляшки й полімерні матеріали. Яке, у зв’язку з цим постає перед державою основне завдання?

12. Відповідь. Доцільно буде переробляти відходи на заводах на корисні чи безпечні продукти: необхідно вилучити з побутових відходів цінні компоненти, треба убезпечити складування чи захоронення решти.

13. Чому, якщо ви пливете на плавальному засобі, то дуже небезпечно знаходитися близько до судна, яке пропливає повз вас?

13. Відповідь. Не можна, знаходитися на плавальному засобі близько до судна, яке пропливає повз вас, бо є загроза, що ваш плавальний засіб буде притиснутий до судна тиском води.

14. Поблизу Одеси відкритий Дністровський лиман має солоність приблизно 2 %₀ – 3 %₀ . А Чорне море, в яке він впадає, має солоність у відкритих водах приблизно 18 %₀ . Місце, де річні води з лиману зустрічаються з морськими називають гідрологічним фронтом, чи гідрофронтом. Перепад солоності створює перепад осмотичного тиску. Використовуючи цей факт, можна побудувати електростанцію. Яку схему її ви можете запропонувати?

14. Відповідь. Учні, після відповідних консультацій та пошуків слушної інформації, мають самі визначитись щодо того, як використати перепад тиску вздовж гідрофронту між водами з різною солоністю.

Осмос – процес дифузії розчинника з менш концентрованого розчину в більш концентрований розчин. Процес осмосу відбувається на напівпроникних мембранах. Напівпроникна мембрана – це мембрана, яка має достатньо високу проникність не для всіх, а лише для деяких речовин, зокрема, для розчинника.

У нашому прикладі прісна вода з річки дифундує в морську воду. Якщо річкову воду частково пустити по окремому потоку, і відгородити його напівпроникною мембраною від морської води, то на цій мембрані піде процес осмосу. Гідрофронт пройде по мембрані. При цьому в шарі морської води, який розташований поблизу мембрани, буде підвищуватися тиск, тобто, виникне осмотичний тиск. Цей тиск можна використати для того, щоби привести в дію електрогенератор.

Упорядники: Савусін Микола, Пеняєв Сергій, методисти ІМЦ

департаменту освіти та науки Одеської міської ради.

Список використаних джерел.

1. Одесса мой город родной: 0417 [Сб] Учебн. пособие для учащихся 8-х кл. / Сост. О. Брындак, О. Левчишина, А. Поспелов; Одеса, ВМВ, 2014. – 378 с.: илл.

2. Царик Л.П. Екологія: Підруч. для 11 кл. загально освіт навч. закл. Рівень стандарту, академічний рівень /Л.П. Царик, П.Л. Царик, І. М. Вітенко. – К.: Ґенеза, 2011. – 96 с.: іл.

3. Хайкин С.Э. Физические основы механики. Изд.-е 2-е, Учебн. Пособие. М.: «Наука». Главн. Ред. физ.-мат. лит.-ры, 1971. – 752 с.

4. Труды международной научно-практической конференции «Экологические проблемы Одесского региона и их решение». 14 – 15 декабря 1994 года. – Одесса: Южный центр Украинского отделения Международного центра научной культуры «Всемирная лаборатория». 1995. – 485 с.

5. Недбаєвська Л.С., Сущенко С.С. Екологічна освіта й культура учнів: роль учителя фізики // Фізика в школах України. Науково-методичний журнал. № 21 – 22. (289 – 290). Листопад 2015 р. С. 14 – 16.

6. Куриленко Н. Проектування навчального процесу з фізики, орієнтованого на формування екологічної компетентності учнів основної школи // Фізика та астрономія в рідній школі. Науково-методичний журнал. № 6 (123). Листопад – грудень 2015. – С. 21 – 27.