Номер 3, страница 48 - гдз по физике 10 класс учебник Хижнякова, Синявина

Механика. Глава 2. Основы кинематики. Параграф 9. Ускорение. Вопросы - номер 3, страница 48.

Условие.

3. Какой опыт свидетельствует о том, что все тела вблизи поверхности Земли падают с одинаковым ускорением?

Решение.

Опыт, который доказывает, что все тела вблизи поверхности Земли в отсутствие других сил падают с одинаковым ускорением, — это наблюдение за их падением в вакууме. В обычных условиях на Земле проведению такого опыта мешает сопротивление воздуха, из-за которого легкие предметы с большой площадью поверхности (например, перо) падают медленнее, чем тяжелые и компактные (например, камень).

Классическим лабораторным экспериментом, демонстрирующим этот принцип, является опыт с трубкой Ньютона. Это длинная запаянная стеклянная трубка, в которую помещают тела разной массы и формы, например, свинцовую дробинку и птичье перо. Сначала опыт показывают при наличии воздуха в трубке: при переворачивании дробинка падает быстро, а перо медленно планирует. Затем из трубки откачивают воздух, создав в ней вакуум, и опыт повторяют. В вакууме оба предмета — и дробинка, и перо — достигают дна трубки одновременно. Это наглядно доказывает, что ускорение их падения одинаково.

Теоретически это объясняется тем, что сила тяжести, действующая на тело ($F_{тяж}$), пропорциональна его массе ($\text{m}$), а ускорение ($\text{a}$), которое эта сила сообщает телу, согласно второму закону Ньютона, обратно пропорционально массе. Сила тяжести определяется как $F_{тяж} = m \cdot g$, где $\text{g}$ — ускорение свободного падения. Второй закон Ньютона записывается как $F = m \cdot a$. В вакууме единственной действующей силой является сила тяжести, поэтому $F = F_{тяж}$. Приравнивая выражения, получаем $m \cdot a = m \cdot g$. Сократив массу $\text{m}$ в обеих частях уравнения, приходим к выводу, что ускорение падения $\text{a}$ не зависит от массы тела и равно ускорению свободного падения: $a = g \approx 9,8 \, м/с^2$.

Знаменитой публичной демонстрацией этого принципа стал эксперимент, проведенный астронавтом Дэвидом Скоттом на Луне во время миссии «Аполлон-15» в 1971 году. В условиях лунного вакуума он одновременно уронил геологический молоток и соколиное перо, и оба предмета достигли поверхности одновременно.

Ответ: Опыт с падением различных по массе и форме тел (например, монеты и пера) в вакууме, например, в трубке Ньютона. При отсутствии сопротивления воздуха все тела падают с одинаковым ускорением и достигают поверхности одновременно.