Читать книгу "Озадачник. 133 вопроса на знание логики, математики и физики - Николай Полуэктов"

108. Подвижная пластина

Биметаллическая пластина[16] при нагреве искривляется в определенную сторону. А при охлаждении что с ней будет происходить?

Варианты ответов

1. В противоположную сторону искривится.

2. Ничего, никаких деформаций.

3. В ту же сторону искривится.

Правильный ответ: 1

Температурное расширение в первом приближении линейно по температуре, т. е. с достаточной точностью можно писать Δx = kΔT, где Δx – удлинение, ΔT – изменение температуры, k – некий коэффициент, зависящий от свойств материала. Биметаллическая пластина состоит из двух материалов, у которых эти коэффициенты, скорее всего, различны – значит, один расширяется сильнее, чем другой, – за счет чего и будет происходить искривление (та сторона, что расширяется быстрее, будет выпуклой, а вторая – вогнутой). Но при понижении температуры она же будет и быстрее сжиматься – значит, она уже станет вогнутой, а противоположная сторона выпуклой, т. е. деформация пойдет в противоположном направлении.

109. Лазерный холодильник

[17]

Лазерный луч, проходя через поглощающий газ, передает ему энергию и тем самым его нагревает. А можно ли представить ситуацию, когда газ будет лазером, напротив, охлаждаться?

Варианты ответов

1. Да, при определенном подборе частоты лазерного излучения.

2. Нет, это противоречит как закону сохранения энергии, так и Третьему началу термодинамики.

3. Зависит от направления лазерного луча: при проходе в одну сторону он нагревает газ, при проходе в обратную – охлаждает.

Правильный ответ: 1

Атом может поглощать фотоны с последующим рассеянием: грубо, глотает и выплевывает. Но не всякие, а только определенной частоты (так называемая частота перехода), или, что то же самое, энергии (частота фотона ω и его энергия E связаны через постоянную Планка, E = ħω). Вспомним эффект Доплера: частота приближающегося к нам источника света выше, чем в случае, если бы он покоился. Настроим лазер так, чтобы его частота была ниже частоты перехода, и будем облучать им газ – тогда поглощать будут только те атомы, которые летят навстречу лазерному лучу (с достаточной скоростью – чтобы измененная за счет эффекта Доплера частота фотона совпала с частотой перехода), а после испускать свет на частоте перехода – т. е. на большей частоте, нежели поглотили. Значит, немного энергии мы у таких атомов отобрали – а это как раз энергия теплового движения, никакой другой же нет. Получается, охладили.

110. Хаотические резисторы

Есть 1000 одинаковых резисторов, которые случайным образом (какие-то последовательно, какие-то параллельно) соединяются друг с другом. А как друг к другу относятся максимальное и минимальное сопротивление такой цепи?

Варианты ответов

1. Как 1000: 1.

2. Как ∞ (минимальное сопротивление ноль).

3. Как 1 000 000: 1.

Правильный ответ: 3

Задачка с подвохом, который состоит в том, что никакого подвоха нет! Пусть сопротивление одного резистора – r. Когда оно будет максимальным? Когда все они включены в цепь последовательно – здесь все сопротивления складываются, Rmax = 1000 r. А минимальным когда? Когда они включены параллельно, тогда складываются обратные сопротивления, 1/Rmin = 1000/r. Отсюда Rmax/Rmin = 1000 × 1000 = 1 000 000.

111. Неожиданный диполь

[18]

Трехатомная молекула углекислого газа (CO2) не имеет дипольного момента, а молекула воды (H2O) имеет, почему так?

Варианты ответов

1. Вода всегда находится в диссоциированном[19] состоянии, HO− и H+.

2. У CO2 есть дипольный момент, но, поскольку все положения молекулы равновероятны, в среднем он равен нулю.

3. В молекуле CO2 все атомы расположены на одной прямой, а в молекуле H2O – нет.

Правильный ответ: 3

В молекуле CO2 атомы расположены на одной прямой в цепочке O−C−O. Из соображений симметрии ясно, что дипольного момента у нее не может быть: если бы он и был, то он обязан был бы находиться в параллели с осью молекулы; но если молекулу перевернуть на 180°, то направление диполя сменится на противоположное, притом что это будет та же молекула, точно так же расположенная, как первоначальная. Вектор (диполя) равен самому себе с обратным знаком – значит, он равен нулю. Другое дело молекула воды – атомы в ней не лежат на одной линии, а образуют треугольник; при этом кислород оттягивает электроны от водорода – отсюда и дипольный момент.

112. Чернобыльский след

Во время аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 г. вышедшая наружу радиоактивность составила 5 × 1018 Бк (Бк – это Беккерель, или один распад в секунду), в основном она пришлась на изотопы с периодом полураспада 30 лет (Cs-137, Sr-90 и др.). Какой будет эта радиоактивность к 2286 г.?