Номер 2, страница 164 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Динамика. Глава 2. Законы механики Ньютона. Параграф 2.3. Первый закон Ньютона - номер 2, страница 164.

Условие.

2. Придумайте и проведите эксперимент, устанавливающий существование инерциальных систем отсчёта.

Решение.

Решение

Для доказательства существования инерциальных систем отсчёта (ИСО) можно провести следующий мысленный или реальный эксперимент.

Цель эксперимента: Продемонстрировать, что существуют системы отсчёта, в которых выполняется первый закон Ньютона (закон инерции), и системы, в которых он не выполняется.

Оборудование: Любое транспортное средство (например, автобус, автомобиль или вагон поезда), небольшой гладкий предмет (например, шарик), два наблюдателя (один внутри транспортного средства, другой — на земле).

Ход эксперимента и анализ:

Эксперимент заключается в наблюдении за поведением шарика, лежащего на ровном полу транспортного средства, при различных режимах движения.

1. Система отсчёта движется с постоянной скоростью (или покоится)

Разместим шарик на полу транспортного средства. Рассмотрим два случая: а) транспортное средство стоит на месте; б) транспортное средство движется по прямой дороге с постоянной скоростью.

Наблюдение: В обоих случаях шарик остаётся неподвижным относительно пола транспортного средства.

Анализ: В вертикальном направлении на шарик действуют сила тяжести и сила реакции опоры, которые компенсируют друг друга. В горизонтальном направлении силы отсутствуют. Равнодействующая всех сил, действующих на шарик, равна нулю ($ \sum \vec{F} = 0 $). При этом ускорение шарика относительно транспортного средства также равно нулю ($ \vec{a} = 0 $). Это означает, что в данной системе отсчёта выполняется первый закон Ньютона. Следовательно, система отсчёта, связанная с покоящимся или равномерно и прямолинейно движущимся транспортным средством, является инерциальной (или близкой к ней).

2. Система отсчёта движется с ускорением

Теперь пусть транспортное средство начинает ускоряться (разгоняться), тормозить или поворачивать.

Наблюдение:
а) При разгоне шарик катится назад, против направления движения.
б) При торможении шарик катится вперёд, по направлению движения.
в) При повороте шарик смещается в сторону, противоположную направлению поворота.

Анализ: Рассмотрим случай разгона с точки зрения наблюдателя внутри транспортного средства. Наблюдатель видит, что шарик начинает двигаться с ускорением, хотя никакие реальные горизонтальные силы на него не действуют. Таким образом, в этой системе отсчёта первый закон Ньютона ($ \vec{a} = 0 $ при $ \sum \vec{F} = 0 $) нарушается. Чтобы формально применить второй закон Ньютона ($ \vec{F}_{рез} = m\vec{a} $), пришлось бы ввести фиктивную силу — силу инерции, направленную против ускорения системы отсчёта. Появление таких фиктивных сил является признаком неинерциальной системы отсчёта.

С точки зрения наблюдателя на земле (в ИСО), поведение шарика объясняется его инертностью: он стремится сохранить свою скорость, в то время как пол под ним ускоряется. Никаких нарушений законов Ньютона здесь нет.

Вывод:

Эксперимент наглядно показывает, что существуют системы отсчёта (ИСО), в которых закон инерции выполняется, и неинерциальные системы отсчёта, в которых он не выполняется. Сам факт того, что мы можем найти систему отсчёта, где тело при отсутствии внешних воздействий сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, доказывает существование инерциальных систем отсчёта.

Ответ: Эксперимент с шариком на полу транспортного средства демонстрирует существование инерциальных систем отсчета. Когда транспортное средство движется равномерно и прямолинейно (или покоится), шарик остается неподвижным относительно него — в этой системе отсчета выполняется закон инерции, и она является инерциальной. Когда транспортное средство движется с ускорением (разгоняется, тормозит, поворачивает), шарик приходит в движение относительно него без действия видимых сил, что указывает на неинерциальность такой системы отсчета. Это различие в поведении объекта и подтверждает существование инерциальных систем отсчёта.