Номер 5, страница 58, часть 1 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

5. На рисунке 8.4, а показаны две тележки: на одной находится стальная наковальня, а на другой — сильный полосовой магнит. На рисунке 8.4, б показана тележка со стальной наковальней и к ней же подвешен полосовой магнит. В каком случае тележка с наковальней придет в движение?

Рис. 8.4

Дано:

Рассматриваются две ситуации:

Случай а: Две отдельные тележки. На одной находится стальная наковальня, на другой — сильный полосовой магнит.

Случай б: Одна тележка, на которой одновременно находятся и стальная наковальня, и прикрепленный к ней же полосовой магнит (рисунок 8.4, б).

Найти:

В каком случае тележка с наковальней придет в движение.

Решение:

Для ответа на этот вопрос необходимо проанализировать силы, действующие в каждой из ситуаций, и применить законы Ньютона, различая внутренние и внешние силы системы.

Анализ случая а (две тележки)

В этом случае мы имеем два отдельных объекта (две тележки). Если мы рассматриваем тележку с наковальней как отдельную систему, то сила притяжения со стороны магнита (который находится на другой тележке) является для этой системы внешней. Согласно второму закону Ньютона, любая нескомпенсированная внешняя сила вызывает ускорение. Таким образом, под действием этой внешней магнитной силы тележка с наковальней начнет двигаться в сторону магнита.

Аналогично, тележка с магнитом начнет двигаться навстречу тележке с наковальней, так как на нее действует сила притяжения со стороны наковальни, которая для нее является внешней.

Анализ случая б (одна тележка)

В этом случае тележка, наковальня и магнит составляют единую систему. Магнит притягивает наковальню с некоторой силой $\vec{F}_{1}$. Согласно третьему закону Ньютона, наковальня притягивает магнит с силой $\vec{F}_{2}$, которая равна по модулю и противоположна по направлению силе $\vec{F}_{1}$ (то есть, $\vec{F}_{1} = -\vec{F}_{2}$).

Обе эти силы, $\vec{F}_{1}$ и $\vec{F}_{2}$, являются внутренними силами для системы «тележка-наковальня-магнит», поскольку они действуют между частями одной и той же системы. Векторная сумма всех внутренних сил в любой системе всегда равна нулю ($\vec{F}_{1} + \vec{F}_{2} = 0$).

Внутренние силы не могут изменить положение центра масс системы и, следовательно, не могут заставить систему двигаться как единое целое. Для начала движения необходима внешняя сила. Поскольку в данном случае никакие внешние горизонтальные силы на тележку не действуют, она останется в покое.

Ответ: Тележка с наковальней придет в движение только в первом случае (обозначенном в тексте как "рисунок 8.4, а"), когда магнит и наковальня находятся на разных тележках. Во втором случае (рисунок 8.4, б) тележка останется неподвижной, так как силы взаимодействия между магнитом и наковальней являются внутренними для этой системы.