Номер 3, страница 353 - гдз по физике 10 класс учебник часть 1 Генденштейн, Дик

Лабораторные работы. 6. Измерение ускорения свободного падения с помощью маятника - номер 3, страница 353.

Условие.

3. Отклоните шарик от положения равновесия на 5–10 см и отпустите его.

Решение.

Данное действие является инструкцией к проведению физического эксперимента, целью которого, как правило, является изучение колебательного движения. Система, состоящая из шарика, подвешенного на нити, называется маятником. Отклонение шарика от положения равновесия и его последующее освобождение приводят к возникновению механических колебаний. Рассмотрим этот процесс подробнее.

1. Начальное состояние. Когда шарик отклоняют от положения равновесия (самой низкой точки), его приподнимают на некоторую высоту h. Это сообщает ему дополнительную потенциальную энергию $E_p = mgh$, где m — масса шарика, а g — ускорение свободного падения. В этой крайней точке его скорость равна нулю, и, следовательно, кинетическая энергия $E_k$ также равна нулю.

2. Начало движения. После того как шарик отпускают, он начинает двигаться под действием силы тяжести. Силу тяжести можно разложить на две составляющие: одну, направленную вдоль нити (она компенсируется силой натяжения нити), и вторую, направленную по касательной к траектории движения в сторону положения равновесия. Эта вторая составляющая является возвращающей силой. Она заставляет шарик ускоряться в направлении положения равновесия.

3. Прохождение положения равновесия. По мере движения шарика к положению равновесия его высота h уменьшается, а скорость v растет. Потенциальная энергия переходит в кинетическую ($E_k = \frac{mv^2}{2}$). В момент прохождения положения равновесия высота шарика минимальна (принимается за ноль), поэтому потенциальная энергия также минимальна (равна нулю). При этом скорость и кинетическая энергия достигают своего максимального значения.

4. Движение после положения равновесия. Пройдя положение равновесия, шарик, по инерции, продолжает двигаться дальше, поднимаясь с другой стороны. Теперь возвращающая сила направлена в противоположную сторону движению, замедляя шарик. Его кинетическая энергия начинает преобразовываться обратно в потенциальную.

5. Достижение крайней точки. Шарик останавливается, когда вся его кинетическая энергия полностью перейдет в потенциальную. В идеальной системе без потерь энергии (трения о воздух и в точке подвеса) он достигнет той же высоты, с которой был отпущен. Затем процесс повторяется в обратном направлении.

Это повторяющееся движение туда и обратно называется колебаниями. Время одного полного колебания называется периодом. Для малых углов отклонения (что обычно и подразумевается при смещении на 5–10 см для маятника стандартной длины) период колебаний практически не зависит от амплитуды (начального отклонения) и массы шарика. Он определяется по формуле: $T = 2\pi\sqrt{\frac{l}{g}}$, где l — длина нити.

В реальных условиях из-за сопротивления воздуха и трения в подвесе полная механическая энергия маятника будет постепенно уменьшаться, поэтому амплитуда колебаний со временем будет убывать. Такие колебания называются затухающими.

Ответ:Если отклонить шарик от положения равновесия на 5–10 см и отпустить его, он начнет совершать колебательные движения. Шарик будет качаться из стороны в сторону, проходя через положение равновесия. Это движение обусловлено периодическим превращением потенциальной энергии (в крайних точках траектории) в кинетическую (в нижней точке) и обратно под действием силы тяжести. В реальных условиях эти колебания будут затухающими из-за потерь энергии на трение и сопротивление воздуха.