Номер 3, страница 211 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Вопросы. Параграф 2.14. Примеры решения задач. Глава 2. Законы механики Ньютона. Динамика - номер 3, страница 211.

Условие.

3. Подготовьте доклад «Развитие представлений об инерции: учёные, опыты».

Решение.

Введение: Понятие инерции

Инерция — это фундаментальное свойство материи, заключающееся в способности тел сохранять свою скорость (как по величине, так и по направлению), когда на них не действуют внешние силы или когда действие этих сил скомпенсировано. Представление об этом явлении прошло долгий путь развития, от античных заблуждений до современных теорий, связывающих инерцию со структурой самой Вселенной. В этом докладе мы проследим ключевые этапы этого пути, отметив вклад великих учёных и их гениальные опыты.

Ответ: Инерция — это свойство тел сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения при отсутствии внешних воздействий.

1. Представления Аристотеля (IV век до н.э.)

Древнегреческий философ Аристотель считал, что естественным состоянием любого тела является покой. Для того чтобы тело двигалось, на него должна постоянно действовать какая-либо сила. Как только действие силы прекращается, тело останавливается. Он разделял движение на два типа: «естественное» (например, падение камня на землю) и «насильственное» (например, толкание телеги). Согласно его учению, для поддержания насильственного движения необходим постоянный контакт движущего тела с «движителем». Например, воздух, раздвигаемый брошенным камнем, должен был подталкивать его сзади, чтобы он продолжал лететь. В этой картине мира не было места для понятия инерции, так как движение само по себе требовало причины.

Ответ: Аристотель ошибочно полагал, что для поддержания любого движения необходима постоянная сила, а естественное состояние тел — покой.

2. Теория импетуса (Средние века)

Учение Аристотеля господствовало почти два тысячелетия, но постепенно подвергалось критике. В XIV веке французский философ Жан Буридан развил идею «импетуса» (от лат. impetus — «толчок, импульс»). Согласно его теории, при броске рука передает телу некую «вложенную силу» — импетус, которая и заставляет его двигаться дальше. Этот импетус постепенно иссякает под действием сопротивления воздуха и «тяжести» тела, что приводит к его остановке. Теория импетуса была важным шагом вперед, поскольку она переносила причину движения в само тело, а не во внешнюю среду (как у Аристотеля), но она все еще предполагала, что для движения нужна некая внутренняя сила, которая со временем исчерпывается.

Ответ: Теория импетуса предполагала, что телу при движении сообщается внутренняя сила (импетус), которая и поддерживает его движение, постепенно иссякая.

3. Революция Галилео Галилея (XVI-XVII века)

Итальянский учёный Галилео Галилей считается «отцом» современного понятия инерции. Он первым пришёл к выводу, что тело не нуждается в силе для поддержания движения, а сила нужна лишь для изменения его скорости, то есть для ускорения. К этому выводу он пришел благодаря мысленным и реальным экспериментам.

Мысленный опыт с наклонными плоскостями: Галилей представил идеально гладкий шарик, скатывающийся с наклонной плоскости на другую. Он заключил, что шарик поднимется по второй плоскости на ту же высоту, с которой начал движение. Если уменьшать угол наклона второй плоскости, шарику придется прокатиться дальше, чтобы достичь исходной высоты. В предельном случае, когда вторая плоскость горизонтальна, шарик никогда не сможет достичь первоначальной высоты и, следовательно, будет двигаться по ней вечно с постоянной скоростью.

Этот простой, но гениальный мысленный эксперимент показал, что при отсутствии трения и сопротивления воздуха тело, получившее начальную скорость, будет сохранять её сколь угодно долго.

Ответ: Галилей через мысленные эксперименты установил, что тело, на которое не действуют силы (или их действие скомпенсировано), сохраняет свою скорость неизменной. Сила необходима не для поддержания движения, а для его изменения.

4. Закон инерции Исаака Ньютона (XVII век)

Английский учёный Исаак Ньютон обобщил и математически точно сформулировал идеи Галилея в своём первом законе движения, известном как закон инерции. Он был опубликован в его фундаментальном труде «Математические начала натуральной философии» в 1687 году.

Первый закон Ньютона гласит: Всякое тело продолжает удерживаться в своём состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.

Математически для тела с постоянной массой это можно выразить так: если равнодействующая всех внешних сил, приложенных к телу, равна нулю, то его ускорение также равно нулю, а скорость остается постоянной:
Если $ \sum \vec{F} = 0 $, то $ \vec{a} = 0 $ и $ \vec{v} = \text{const} $.

Ньютон также ввёл понятие массы как количественной меры инерции тела. Чем больше масса тела, тем труднее изменить его скорость, тем большей инерцией оно обладает.

Ответ: Ньютон сформулировал первый закон механики (закон инерции), установив, что тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если сумма всех действующих на него сил равна нулю, и ввёл массу как меру инертности.

5. Современные взгляды: Альберт Эйнштейн

В XX веке Альберт Эйнштейн в своей Общей теории относительности (ОТО) предложил более глубокий взгляд на природу инерции. Согласно ОТО, гравитация не является силой в ньютоновском смысле, а представляет собой проявление искривления пространства-времени под действием массы и энергии. Тела, на которые не действуют никакие силы, кроме гравитации (например, планеты, вращающиеся вокруг Солнца), на самом деле движутся по «прямым» линиям в этом искривлённом пространстве-времени. Эти линии называются геодезическими. Таким образом, инерция — это свойство тел следовать этим естественным путям в пространстве-времени. Тело сопротивляется не самому движению, а отклонению от своей геодезической линии, которое может быть вызвано только негравитационной силой.

Ответ: В Общей теории относительности Эйнштейна инерция трактуется как свойство тел двигаться по геодезическим линиям в искривлённом пространстве-времени. Отклонение от этого «естественного» пути требует приложения силы.