Проектная деятельность, страница 60 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

Подготовьте оборудование и продемонстрируйте опыт, который иллюстрировал бы поведение тел в инерциальной и неинерциальной системах отсчёта. Вы сможете убедиться сами и убедить своих одноклассников в существовании ещё одной силы, называемой силой Кориолиса.

Для демонстрации опыта вам, несомненно, понадобится помощь учителя. Заготовьте основные элементы установки: сосуд объёмом примерно 200 мл с небольшим отверстием у дна и держатель сосуда, форма которого показана на рисунке.

Полученное устройство поместите на диск вращения, который имеется в каждом кабинете физики.

Прежде всего посмотрите, какой будет форма струи воды в случае, если диск неподвижен. А затем убедитесь, что форма струи существенно изменится, если диск будет вращаться с некоторой скоростью.

Попробуйте найти в природе примеры проявления обнаруженной вами силы. Сделайте об этих явлениях краткое сообщение.

Подготовьте оборудование и продемонстрируйте опыт, который иллюстрировал бы поведение тел в инерциальной и неинерциальной системах отсчёта.

Решение

Этот опыт наглядно демонстрирует существование силы Кориолиса, которая является одной из сил инерции, проявляющихся в неинерциальных (в данном случае, вращающихся) системах отсчёта.

1. Эксперимент в инерциальной системе отсчёта (ИСО).

Сначала рассмотрим поведение струи воды, когда диск неподвижен. Лаборатория, в которой проводится опыт, является инерциальной системой отсчёта. Когда вода вытекает из отверстия в сосуде, она под действием силы тяжести движется вниз. Если не учитывать начальную скорость струи и сопротивление воздуха, траектория каждой капли будет близка к вертикальной прямой. След от струи на поверхности неподвижного диска будет представлять собой прямую линию, направленную от точки под отверстием к краю диска (если есть радиальное движение) или просто точку (если сосуд прямо над центром).

2. Эксперимент в неинерциальной системе отсчёта (НСО).

Теперь приведём диск во вращение с некоторой постоянной угловой скоростью $ \omega $. Система отсчёта, связанная с вращающимся диском, является неинерциальной. Для наблюдателя, находящегося на диске, траектория струи воды будет искривляться. Вода, вытекая из сосуда, будет двигаться не по прямой, а по кривой линии. Это искривление траектории и объясняется действием силы Кориолиса.

3. Объяснение явления.

В инерциальной системе отсчёта (лаборатории) частица воды, вылетевшая из сосуда, стремится сохранить свою скорость по направлению и величине (согласно первому закону Ньютона). Пока она падает, диск под ней поворачивается. Поэтому для наблюдателя в лаборатории частица движется по прямой (в горизонтальной проекции), а на диске остаётся криволинейный след.

В неинерциальной системе отсчёта (вращающемся диске), чтобы объяснить это искривление, вводят фиктивную силу — силу Кориолиса. Она действует на любое тело массы $\text{m}$, движущееся со скоростью $\vec{v}$ относительно вращающейся системы отсчёта. Сила Кориолиса вычисляется по формуле:

$ \vec{F}_{Кор} = 2m[\vec{v} \times \vec{\omega}] $ или, в другой записи, $ \vec{F}_{Кор} = -2m[\vec{\omega} \times \vec{v}] $

где $ \vec{\omega} $ — вектор угловой скорости вращения системы отсчёта. Эта сила всегда перпендикулярна вектору скорости $ \vec{v} $ и вектору угловой скорости $ \vec{\omega} $. В нашем опыте скорость воды $ \vec{v} $ направлена радиально от центра к краю диска. Если диск вращается против часовой стрелки (если смотреть сверху), то сила Кориолиса будет направлена вправо по ходу движения воды, отклоняя струю в сторону, противоположную направлению вращения диска.

Ответ: В системе отсчёта, связанной с неподвижным диском (ИСО), струя воды оставляет прямой след. В системе отсчёта, связанной с вращающимся диском (НСО), траектория струи искривляется. Это искривление объясняется действием силы инерции — силы Кориолиса, которая возникает в неинерциальных системах отсчёта и доказывает их отличие от инерциальных.

Попробуйте найти в природе примеры проявления обнаруженной вами силы. Сделайте об этих явлениях краткое сообщение.

Решение

Сила Кориолиса, возникающая из-за вращения Земли вокруг своей оси, оказывает значительное влияние на многие крупномасштабные процессы на нашей планете.

1. Влияние на погоду: циклоны и антициклоны.

Воздушные массы, движущиеся к области низкого давления (циклон) или от области высокого давления (антициклон), отклоняются силой Кориолиса. В Северном полушарии это отклонение происходит вправо, что закручивает потоки воздуха в циклонах против часовой стрелки, а в антициклонах — по часовой стрелке. В Южном полушарии отклонение происходит влево, и направления вращения меняются на противоположные.

2. Океанические течения.

Сила Кориолиса является одной из главных причин формирования гигантских круговых течений в океанах, называемых круговоротами или гирами. Например, тёплое течение Гольфстрим в Атлантическом океане является частью Северо-Атлантического круговорота, направление которого определяется силой Кориолиса.

3. Подмыв берегов рек (закон Бэра).

Сила Кориолиса, действуя на текущую воду в реках, приводит к тому, что в Северном полушарии сильнее подмывается правый берег (если смотреть по течению), а в Южном — левый. Этот эффект наиболее заметен на крупных реках, текущих в меридиональном направлении (с севера на юг или с юга на север), таких как сибирские реки.

4. Маятник Фуко.

Это один из самых известных и наглядных экспериментов, доказывающих вращение Земли. Плоскость качания длинного маятника медленно поворачивается относительно поверхности Земли. Этот поворот как раз и вызван силой Кориолиса, действующей на маятник. В Северном полушарии плоскость вращается по часовой стрелке, в Южном — против.

5. Баллистика.

При стрельбе на большие расстояния (например, из артиллерийских орудий или при запуске баллистических ракет) необходимо учитывать отклонение снаряда под действием силы Кориолиса, чтобы точно поразить цель.

Ответ: Основными примерами проявления силы Кориолиса в природе являются: закручивание циклонов и антициклонов, формирование глобальных океанических течений, асимметричный подмыв берегов рек (закон Бэра), а также вращение плоскости колебаний маятника Фуко. Эти явления служат прямым доказательством вращения Земли.