Физика занимает одно из первых мест среди наук, дающих понимание о биосфере как целостной динамической системе, о влиянии загрязнений на нее и оптимизации взаимодействия между ней и человеческим обществом.
Учебный процесс по физике весьма напряжен решением большего числа дидактических задач на каждом занятии, имеются возможности для ознакомления студентов с необходимыми экологическими сведениями. Одним из компонентов экологического образования, на наш взгляд, является решение расчетных задач с экологическим содержанием.
Покажем это на конкретных примерах раздела I. (Раздел 1 “Физика с элементами экологии”)
Механика
Силы в природе
Ученые всего мира ищут способы помочь природе в ее вековечном стремлении сопротивляться неразумному на нее натиску. Так на образование верхнего плодородного слоя почвы толщиной до 20 см природа затратила 2 до 7 тыс. лет, а безрассудное хозяйничанье человека последствие военных конфликтов и в том числе бесчисленные войны могут вызвать процесс деформации плодородного слоя почвы. Процесс эрозии может полностью уничтожить этот слой за 20-30 лет.
Эрозия почвы при движении (времен ВОВ) техники.
Вес танка Т-34 составляет 314000 Н, длина гусеницы, соприкасающейся с дорогой 3,5 м, а ее ширина 50 см. Вычислить давление танка на грунт.
P = 
= 
= 
= 89, 7 кПа.
Ответ. 89,7 кПа.
Вопрос. Обеспечивает ли высокую проходимость трактору Т-130Б (13945 кг) уширенные гусеницы (0,92 м) при длине каждой гусеницы (2,9 м). Максимальное давление не должно превышать 200 кПа на заболоченную почву.
Ответ. Выдерживает, т.к. давление трактора менее 200 кПа.
Шумовое воздействие на окружающую среду
Все живое в природе чувствует нормально в тишине или при мелодичных приятных звуках. В районе чрезмерного шума и грохота не обитают птицы и звери. Шум, грохот, визг и скрежет вредно действует не только на слух, но и на состояние нервной и сердечнососудистой систем, вызывая гипертонические нервные и другие тяжелые заболевания.
Звук от грузовика создает давление 2 Н/м2, от самолета – 100 Н/м2. Барабанные перепонки у человека могут разорваться при звуковом давлении 5000 Н/м2, а давление 100000 Н/м2 может повредить легкие. Давление 50-100 Н/м2 вызывает мелкие повреждения зданий.
Вредными для здоровья человека являются инфразвуки с частотой 8 Гц.
1. Определить длину волны этого инфразвука в воздухе, если скорость звука в воздухе 340 м/с.
Длина волны – 42,5 м
2. Интенсивность звука легкового автомобиля, воспринимаемого человеком на обочине дороги 0,01 Вт/м2 . Определить звуковое давление и уровень звука, если скорость звука 330 м/с, плотность среды 1,3 кг/м3. Как влияет этот уровень звука на человека?
Тепловые явления
Транспортные средства оказывают негативное влияние на окружающую среду. Их использование сопровождается выделением в атмосферу более 200 химических соединений, большая часть которых токсична.
Выбросы выхлопных газов причина ухудшения экологии города, негативно влияет на здоровье человека (снижает интеллект, ухудшает память и т.д.). Россияне страдают больше от выхлопных газов, чем от ДТП.
1. Авиационный мотор мощностью 300 кВт имеет кпд 30%. Определить, сколько бензина надо на перелет Москва-Петербург (650 км) при скорости полета 180 км/час и какова стоимость перелета. Определить: суммарный объем выхлопных газов, если 1 л сжигаемого бензина приводит к образованию 16 кубометров смеси различных газов; токсичность по количественным показателем ЕВРО-3 (CH до 0,2 г/км; CO до 2,1 г/км; NOx до 0,15 г/км)
Выбросы газов VG =375
= 6000 м3
2. Определить расход бензина в двигателе автомобиля при проезде 300 км, если при средней мощности 210 кВт, скорость его движения 20 км/ч, а коэффициент полезного действия 16%. Определить объем выхлопных газов?
Экологичное топливо – древесные гранулы (паллеты). В России 2010 г. их было произведено 1 млн. тонн (древесина и лузга). Снижает зольность до 1%. Большая часть экспортируется в Европу. При сжигании гранул в атмосферу выбрасывается CO2, сколько было поглощено растением во время роста.
3. Со двора, площадь которого 20 м2, хотят убрать снег с помощью снеготаялок с кпд 30%. Рассчитать, сколько дров нужно будет для этого, если толщина снежного покрова 70 см, а температура снега -100С. Удельный вес снега 0,6 г/см3, удельная теплоемкость 0,4 кал/г•град. Определить количество образовавшейся золы при сгорании дров.
Количество дров - 73,5•103 кг
Количество образовавшейся золы - 220 кг
4. Для поддержания комнатной температуры в комнате требуется в сутки 2400 ккал. Комната на даче отапливается ночью с коэффициентом полезного действия 30%. Сколько березовых дров нужно ежедневно расходовать на отопление? Определить количество образовавшейся золы при полном сгорании дров. 1 кал = 4,19 Дж.
Количество дров – 25 кг
Количество образовавшейся золы - 0,75 кг
5. Дачная комната размерами 4м х 5м х 3м теряет через холодные стены и окна 6 ккал в минуту. Какое количество дров нужно сжечь в печи с коэффициентом полезного действия 20%, чтобы в течение суток поддержать температуру комнатного воздуха без изменений? Сколько дров нужно сжечь, чтобы дополнительно нагреть воздух на 100С. Определить количество образовавшейся золы при полном сгорании дров.
Количество дров - 13,5 кг
Дополнительно количество дров - 0,29 кг
Количество образовавшейся золы - 0,405 кг
Основную часть природного газа составляет метан (CH4) – 92-98%. Чистый природный газ не имеет цвета и запаха. Чтобы можно было определить утечку по запаху, в газ добавляют одоранты 16 г на 1000 м3. Для газовых горелок содержание примесей при использовании природного газа не должно превышать 1%. КПД горения газа около 90%.
6. Мартеновская печь работает на природном газе.
Сколько газа надо израсходовать для выплавки 50 т
стали, если кпд печи 40%? Начальная температура
стали 200С, ее удельная теплоемкость 0,463 Дж/кг
0К, удельная теплота
плавления 2,7•105 Дж/кг, температура
плавления 1500 0С, теплота сгорания газа 4,4•107
Дж/кг. Определить количество примесей
образованных при горении газа.
Количество газа - 2700 кг
Количество примесей - 270 кг
Данные для составления задач взяты из интернета.