Номер 1, страница 435 - гдз по физике 10 класс учебник часть 1 Генденштейн, Дик

Примеры заданий для индивидуальной и групповой проектной деятельности - номер 1, страница 435.

Условие.

1. Сконструируйте и постройте прибор, с помощью которого можно продемонстрировать состояние невесомости.

Решение.

Решение

Для демонстрации состояния невесомости можно сконструировать простой прибор, основанный на явлении свободного падения. Невесомость — это состояние, при котором вес тела, то есть сила его воздействия на опору или подвес, равен нулю. Такое состояние возникает, когда на тело и его опору (или подвес) действует только сила тяжести, и они движутся с одинаковым ускорением — ускорением свободного падения $\text{g}$.

Предлагается построить прибор, в котором груз, подвешенный на эластичном элементе (резинке), будет находиться внутри падающего прозрачного сосуда.

Необходимые материалы:

1. Прозрачная пластиковая бутылка с крышкой (объемом 1-2 литра).

2. Небольшой, но достаточно тяжелый груз (например, металлическая гайка или рыболовное грузило).

3. Канцелярская резинка или небольшая пружина.

4. Шило или гвоздь для проделывания отверстия в крышке.

5. Скрепка или кусок проволоки для фиксации резинки.

Инструкция по сборке:

1. Возьмите крышку от пластиковой бутылки и с помощью шила проделайте в ее центре небольшое отверстие.

2. Привяжите груз к одному концу резинки.

3. Проденьте другой конец резинки через отверстие в крышке изнутри наружу.

4. Закрепите конец резинки с внешней стороны крышки с помощью скрепки, завязав узел или любым другим надежным способом, чтобы резинка не проскальзывала обратно в бутылку.

5. Длина резинки должна быть такой, чтобы в подвешенном состоянии груз свободно висел внутри бутылки, не касаясь ее дна, а сама резинка была заметно растянута под действием веса груза.

6. Плотно закрутите крышку на бутылке. Прибор готов.

Демонстрация и объяснение:

1. Статичное состояние: Удерживайте собранный прибор в руке. Вы увидите, что резинка растянута. Это происходит потому, что на груз действует сила тяжести $F_{тяж} = mg$, направленная вниз. Поскольку груз находится в покое, со стороны растянутой резинки на него действует уравновешивающая сила упругости $F_{упр}$. Сила, с которой груз растягивает подвес (резинку), и есть его вес. В состоянии покоя вес равен силе тяжести: $P = F_{упр} = mg$.

2. Свободное падение: Поднимите прибор на небольшую высоту и отпустите его, позволив ему свободно падать (даже короткого падения будет достаточно для наблюдения эффекта).

3. Наблюдение и объяснение: В момент падения вы увидите, что резинка мгновенно сжимается (перестает быть растянутой), а груз как бы "парит" внутри бутылки. Это происходит потому, что и бутылка, и все ее содержимое (включая груз и подвес) начинают падать с одинаковым ускорением $a = g$. Груз и точка его подвеса (крышка) движутся вниз одновременно, поэтому грузу больше не нужно "висеть" на резинке. Он перестает ее растягивать, сила упругости в резинке становится равной нулю. Следовательно, вес груза $\text{P}$ в системе отсчета, связанной с падающей бутылкой, также становится равным нулю ($P = F_{упр} = 0$). Это и есть состояние невесомости.

Математически, согласно второму закону Ньютона, уравнение движения для груза в момент падения выглядит так: $mg - F_{упр} = ma$. Поскольку ускорение системы $\text{a}$ равно ускорению свободного падения $\text{g}$, получаем: $mg - F_{упр} = mg$. Из этого уравнения следует, что сила реакции подвеса (сила упругости) $F_{упр} = 0$. Так как вес $\text{P}$ по определению равен силе воздействия тела на подвес, то $P = F_{упр} = 0$.

Ответ: Предложен прибор для демонстрации состояния невесомости, состоящий из прозрачной пластиковой бутылки, внутри которой на резинке (или пружине), закрепленной на крышке, подвешен груз. При свободном падении прибора резинка перестает быть растянутой, что наглядно показывает исчезновение веса груза. Это происходит потому, что и груз, и его подвес движутся с одинаковым ускорением свободного падения, и груз перестает оказывать воздействие на подвес.

<--between_edition_2-->