Номер 9, страница 436 - гдз по физике 10 класс учебник часть 1 Генденштейн, Дик

Примеры заданий для индивидуальной и групповой проектной деятельности - номер 9, страница 436.

Условие.

9. Изготовьте модель маятника Фуко.

Решение.

Маятник Фуко — это устройство, наглядно демонстрирующее вращение Земли. Он представляет собой тяжелый груз, подвешенный на очень длинной нити, который может свободно колебаться в любой плоскости. С точки зрения наблюдателя на Земле, плоскость колебаний маятника медленно поворачивается. На самом деле, плоскость колебаний сохраняет свое направление в инерциальной системе отсчета (относительно звезд), а Земля поворачивается под ним. Изготовление действующей модели — интересный физический эксперимент.

Необходимые материалы и инструменты
1. Груз: Тяжелый, симметричный предмет массой от 1 до 5 кг. Идеально подойдет металлический шар, но можно использовать и гирю, гантель или плотно набитую песком/дробью бутылку.
2. Подвес: Прочная, тонкая и нерастяжимая нить или стальная проволока (леска). Длина должна быть максимально возможной для вашего помещения (от 2-3 метров и более). Чем длиннее подвес, тем дольше маятник будет колебаться и тем заметнее будет эффект.
3. Точка подвеса: Это самый критичный элемент. Она должна обеспечивать свободное вращение с минимальным трением. Можно использовать:

• Простейший вариант: крюк в потолке и петля из лески, смазанная густой смазкой.
• Продвинутый вариант: карданный подвес или небольшой радиальный шарикоподшипник, закрепленный на опоре.

4. Опора: Надежное и высокое место для крепления точки подвеса (например, потолочная балка, прочный крюк в потолке, верхний косяк высокой двери).
5. Маркеры для наблюдения: Небольшие предметы (фишки, кубики) или лист бумаги с нарисованной шкалой для фиксации изменения плоскости колебаний.

Пошаговая инструкция по сборке
1. Подготовка груза. Надежно и строго по центру прикрепите нить к грузу. Любая асимметрия приведет к тому, что маятник будет колебаться не в плоскости, а по эллипсу, что испортит эксперимент.
2. Монтаж точки подвеса. Закрепите выбранный вами механизм подвеса на опоре. Убедитесь, что он выдержит вес груза и позволяет нити свободно вращаться вокруг вертикальной оси.
3. Сборка маятника. Проденьте нить через точку подвеса и прикрепите к ней груз. Отрегулируйте длину так, чтобы груз находился в нескольких сантиметрах от пола.
4. Проверка. Убедитесь, что в состоянии покоя маятник висит строго вертикально. Под точкой равновесия на полу разместите лист бумаги со шкалой или начальный маркер.

Проведение эксперимента и наблюдение
1. Запуск маятника. Это очень важный этап. Нельзя просто толкнуть груз. Чтобы избежать боковых импульсов и эллиптического движения, нужно отвести маятник в сторону, зафиксировать его тонкой ниткой, дождаться полной остановки всех паразитных движений, а затем аккуратно пережечь фиксирующую нить. Маятник начнет движение строго в одной плоскости.
2. Начало наблюдения. Заметьте начальное положение плоскости колебаний относительно маркеров на полу.
3. Фиксация результатов. Наблюдайте за маятником в течение длительного времени (минимум 30-60 минут). Вы заметите, что плоскость его колебаний медленно поворачивается. В Северном полушарии поворот будет происходить по часовой стрелке, в Южном — против.
4. Наглядная демонстрация. Можно расставить по кругу на небольшом расстоянии от траектории маятника легкие предметы (например, домино). Через некоторое время маятник, изменив плоскость колебаний, начнет их сбивать.

Теоретическое объяснение
Скорость вращения плоскости колебаний маятника Фуко зависит от географической широты $ \phi $ места проведения эксперимента. Угловая скорость этого вращения $ \omega_F $ определяется формулой:
$ \omega_F = \Omega_E \sin \phi $
где $ \Omega_E $ — угловая скорость вращения Земли (один оборот за звездные сутки).
Период полного оборота плоскости колебаний $ T_F $ равен:
$ T_F = \frac{T_E}{\sin \phi} $
где $ T_E $ — период вращения Земли (звездные сутки, примерно 23 часа 56 минут). На Северном полюсе ($ \phi = 90^\circ, \sin \phi = 1 $) маятник совершит полный оборот за одни сутки. На экваторе ($ \phi = 0^\circ, \sin \phi = 0 $) плоскость колебаний вращаться не будет.

Ответ: Для изготовления модели маятника Фуко необходимо взять тяжелый симметричный груз и подвесить его на длинной нерастяжимой нити к точке подвеса, обеспечивающей свободное вращение с минимальным трением. Маятник следует запускать без бокового толчка, например, пережигая удерживающую нить. Наблюдая за маятником в течение длительного времени, можно зафиксировать медленный поворот плоскости его колебаний, что является прямым доказательством вращения Земли.