Fizyka współczesna w zadaniach

FOTON 77, Lato 2002
37
Fizyka współczesna w zadaniach
Maria Fiałkowska, Krzysztof Fiałkowski
Poniżej przedstawiono przykładowo (wraz z rozwiązaniami) zadania rachunkowe
„z interesującym wynikiem” oraz zadania, w których szacuje się wartości wielkości
fizycznych, wybrane z podręcznika Fizyka dla szkół ponadgimnazjalnych, prezentowanego w tym zeszycie.
Strona 202, zadanie 1
Deuter stanowi ok. 0,015% naturalnego wodoru. Powierzchnia oceanów na Ziemi
wynosi ok. 360 milionów, a ich średnia głębokość 3,8 km. Przyjmując, że wodór
stanowi ok. 11% masy wody, oblicz, ile deuteru można uzyskać z wód oceanów.
Rozwiązanie:
S  360 000 000 km2 = 3,6 · 1014 m2,
h  3,8 · 103 m
Objętość wody w oceanach:
V = S · h,
V  13,7 · 1017 m3
Masa wody w oceanach:
kg
 13,7  1017 m3  13,7  1020 kg
m3
Masa wodoru zawarta w wodach oceanów:
M H 2  11  13,7  1020 kg  1,5  1020 kg
100
M =  · V,
M H 2 O  103
Masa deuteru zawarta w wodach oceanów:
M d  0,015  102 M H 2  1,5  104 M H 2  2,3  1016kg
Strona 201, zadanie 2
Słońce zużywa ok. 700 milionów ton deuteru na sekundę. Na jak długi czas wystarczyłyby mu „dostawy deuteru z Ziemi”?
Rozwiązanie:
z  700  10 3
kg
kg
 7  1011
s
s
38
FOTON 77, Lato 2002
t
2,3  1016 kg
,
kg
7  1011
s
t  0,3  105 s
1 h = 3,6 · 103s
t
0,3 105

h,
3,6 103
t  8,3 h
Strona 80, zadanie 3
Przy odzyskiwaniu metalu z rudy (tlenku metalu) musimy dostarczyć na każdą
tonę materiału energii rzędu 109 J. O ile większa będzie masa otrzymanego metalu
i tlenu od masy rudy M, jeśli M = 10 t?
Rozwiązanie:
m = mmetalu + mtlenu – Mrudy
m 
Ew
c2
m 
10 109 J  1010 J  1,110 7 kg
2
2
 3 108 m 
9 1016 m2
s
s

m  0,11 mg
Strona 226, zadanie 1
Wartość drugiej prędkości kosmicznej wyraża się wzorem:
  2MG
R
Jeśli promień obiektu maleje, wartość tej prędkości wzrasta, a gdy przekroczy c,
nawet światło nie będzie mogło obiektu opuścić. Staje się on czarną dziurą.
a) Jaki byłby promień Ziemi, Słońca, gdyby skurczyły się tak, że byłyby czarnymi
dziurami?
b) Ile razy większa byłaby wówczas gęstość Ziemi, Słońca?
Do obliczeń przyjmij:
2
G  6,7 10 11 Nm2 ,
kg
M Z  6 10 24 kg,
M S  2 1030 kg
FOTON 77, Lato 2002
39
c  3  108 m ,
s
RZ  6,37  106 m,
RS  0,75  109 m
Rozwiązanie:
  2MG ,
R
a)
2MG ,
R
C
R  2MG
c2
Dla Słońca
Dla Ziemi
2
2
2  6,67  10 11 Nm2  6  10 24 kg
kg
RZ 
2
16 m
9  10
2
s
2  6,67  10 11 Nm2  2  1030 kg
kg
RS 
2
16 m
9  10
2
s
RZ  9  103 m
RS  3  103 m
RZ  0,9 cm
RS  3 km
Dla Ziemi
Dla Słóńca
b)
Z 
MZ
,
VZ
VZ  4  RZ3
3
S 
MS
,
VS
VS  4  RS3
3
 Z' 
MZ
,
VZ'
VZ'  4  RZ'3
3
 S' 
MS
,
VS'
VS'  4  RS'3
3
 Z' VZ  RZ


 Z VZ'  RZ'
3



3
 S' VS  RS 



 S VS'  RS 
 Z'  6,37  106 m 

  3,5 1026
 Z  9  10 3 m 
3
3
 S'  0,75 109 m 

  1,6 1016
 S  3 103 m 
Strona 78, zadanie 4
Zakładając, że energia jonizacji atomu wodoru jest równa około 2,2 · 10–18 J, a masa
elektronu około 1030 kg, oblicz rząd wielkości szybkości elektronu na orbicie atomowej.
Rozwiązanie:
Ejon = Ew  2.2 · 10–18 J
(jest rzędu 10–18 J),
me 10–30 kg
40
FOTON 77, Lato 2002
E w = | E p | – E k,
Ek 
Ep
2
,
2
Ek  mv ,
2
mv 2  ke 2 ,
r
r2
Ep
Ep
Ew  E p 

 Ek
2
2
mv 2  2,2 10 18 J,
2
czyli
v2 
4,4 10 18
,
10 30 kg
mv 2  ke 2
2
2r
 v jest rzędu 1012 m 
s

v  10 6 m
s
Strona 190, zadanie 1
W jądrze atomu ołowiu jest ponad 200 nukleonów, a deficyt masy stanowi ponad
0,5% masy jądra. Czy znając masę jądra, możemy poprawnie obliczyć, ile nukleonów jest w jądrze, jeśli zapomnimy o deficycie masy?
Rozwiązanie:

mΖmp  Α  Z mn  Μ j 
Czy liczba nukleonów 
Mj
?
m
Dla ołowiu
m > 0,5 · 10–2 · 200 m
m > m
m p  mn  m,
Nie, jeśli m  m
m  A  m  M j 