Номер 2, страница 289 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Динамика. Глава 4. Неинерциальные системы отсчёта. Силы инерции. Параграф 4.5. Примеры решения задач. Вопросы - номер 2, страница 289.

Условие.

2. Соберите видеоколлекцию различных неинерциальных систем отсчёта.

Решение.

Неинерциальная система отсчёта (НСО) — это система отсчёта, движущаяся с ускорением относительно инерциальной системы отсчёта. В таких системах законы Ньютона в их привычной форме не выполняются. Для описания движения тел в НСО вводятся так называемые фиктивные силы, или силы инерции. Видеоколлекция может наглядно продемонстрировать проявления этих сил.

Видео 1: Поездка в автомобиле

Сценарий: Камера установлена внутри автомобиля, который сначала разгоняется по прямой, затем движется с постоянной скоростью, затем поворачивает и, наконец, тормозит.

Наблюдения:
• При разгоне пассажиров и свободно висящие предметы (например, освежитель воздуха на зеркале) «вжимает» в спинку сиденья, они отклоняются назад.
• При движении с постоянной скоростью по прямой никаких необычных сил не наблюдается. Система отсчета временно становится инерциальной.
• При повороте пассажиров и предметы «сносит» в сторону, противоположную повороту.
• При торможении все тела внутри салона по инерции продолжают движение вперёд.

Физическое объяснение: Система отсчёта, связанная с автомобилем, является неинерциальной во время разгона, поворота и торможения, так как она движется с ускорением. Наблюдаемые эффекты объясняются силами инерции. При разгоне с ускорением $ \vec{a} $ действует сила инерции $ \vec{F}_{ин} = -m\vec{a} $, направленная против ускорения. При повороте действует центробежная сила инерции, направленная от центра поворота.

Видео 2: В лифте

Сценарий: Камера показывает человека, стоящего на пружинных весах в лифте, который начинает движение вверх, движется равномерно, а затем замедляется и останавливается. Затем то же самое при движении вниз.

Наблюдения:
• Когда лифт начинает ускоряться вверх, показания весов увеличиваются (вес тела становится больше).
• Когда лифт движется равномерно, весы показывают обычный вес.
• Когда лифт замедляется вверху (ускорение направлено вниз), показания весов уменьшаются.
• Когда лифт начинает ускоряться вниз, показания весов уменьшаются.
• Когда лифт замедляется внизу (ускорение направлено вверх), показания весов увеличиваются.

Физическое объяснение: В системе отсчета «лифт» на тело, помимо силы тяжести $ m\vec{g} $, действует сила инерции $ \vec{F}_{ин} = -m\vec{a} $, где $ \vec{a} $ — ускорение лифта. Вес тела $ P $ равен силе реакции опоры $ N $. В НСО лифта сумма всех сил, включая силу инерции, равна нулю. В проекции на вертикальную ось, направленную вверх: $ N - mg - ma = 0 $. Отсюда вес $ P = N = m(g + a) $. Если лифт ускоряется вверх ($ a > 0 $), вес увеличивается. Если ускоряется вниз ($ a < 0 $), вес уменьшается. В предельном случае свободного падения ($ a = -g $), наступает невесомость ($ P = 0 $).

Видео 3: Карусель

Сценарий: Камера закреплена на вращающейся карусели. Один человек сидит неподвижно, а другой пытается прокатить мяч от центра к краю карусели.

Наблюдения:
• Камера показывает, что окружающий мир вращается.
• Человек, сидящий на карусели, чувствует, что его «отбрасывает» от центра. Чтобы не упасть, он должен держаться.
• Мяч, который катят от центра к краю, отклоняется в сторону, противоположную направлению вращения карусели. Он движется не по прямой, а по кривой траектории.

Физическое объяснение: Вращающаяся система отсчёта является неинерциальной. На тела в ней действуют две основные силы инерции: центробежная сила, направленная от центра вращения, и сила Кориолиса, которая действует на движущиеся тела и направлена перпендикулярно их скорости. Именно центробежная сила «отбрасывает» человека, а сила Кориолиса отклоняет катящийся мяч.

Видео 4: Маятник Фуко

Сценарий: Замедленная съёмка (time-lapse) маятника Фуко в большом зале (например, в Исаакиевском соборе или в планетарии).

Наблюдения:
• Маятник колеблется в одной плоскости.
• Однако за длительное время видно, что плоскость колебаний маятника медленно поворачивается относительно здания.

Физическое объяснение: Система отсчёта, связанная с Землёй, является неинерциальной, так как Земля вращается вокруг своей оси. По законам инерции, плоскость колебаний маятника сохраняет своё направление в пространстве (относительно звёзд, т.е. в инерциальной системе отсчёта). А поскольку Земля (и здание на ней) поворачивается «под» маятником, наблюдателю на Земле кажется, что плоскость колебаний поворачивается. Этот эффект является проявлением силы Кориолиса, действующей на колеблющийся маятник.

Ответ:

Для создания видеоколлекции неинерциальных систем отсчёта следует снять или смоделировать следующие ситуации:
1. Движение в транспортном средстве с ускорением, торможением и на поворотах для демонстрации линейных сил инерции и центробежной силы.
2. Движение в лифте с ускорением вверх и вниз для демонстрации изменения веса тела.
3. Вращение на карусели для наглядной демонстрации центробежной силы и силы Кориолиса.
4. Движение маятника Фуко для демонстрации неинерциальности системы отсчёта, связанной с вращающейся Землёй.