Номер 4, страница 349 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Повторите материал главы 14 по следующему плану. Параграф 105. Примеры решения задач по теме «Электроёмкость. Энергия заряженного конденсатора». Глава 14. Электростатика - номер 4, страница 349.

Условие.

Решение.

Решение 3.

Справедливость физических законов подтверждается множеством экспериментов. Ниже описаны некоторые из ключевых опытов, лежащих в основе фундаментальных разделов физики.

Опыты, подтверждающие законы Ньютона

Законы Ньютона являются основой классической механики. Их справедливость можно продемонстрировать на следующих примерах.

Первый закон Ньютона (закон инерции) утверждает, что тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют другие тела или действие этих тел скомпенсировано. Для демонстрации этого закона используют воздушную дорожку или стол для аэрохоккея, где трение сведено к минимуму. Шайба или тележка, получив начальный толчок, движется с практически постоянной скоростью, так как равнодействующая внешних сил (сила тяжести и сила реакции опоры компенсируют друг друга, а сила трения очень мала) близка к нулю.

Второй закон Ньютона устанавливает связь между силой, массой и ускорением. Его можно проверить с помощью установки, состоящей из тележки на горизонтальных рельсах, соединенной нитью, перекинутой через блок, с грузом. Сила, действующая на систему, — это сила тяжести груза. Ускорение измеряется с помощью датчиков движения. Варьируя массу груза (изменяя силу $F$) и массу тележки (изменяя массу системы $m$), можно экспериментально убедиться, что ускорение прямо пропорционально силе и обратно пропорционально массе: $a = F/m$. Это подтверждает формулу $F_{net} = ma$.

Третий закон Ньютона гласит, что силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по модулю и противоположны по направлению. Простейший опыт — сцепить два динамометра и растягивать их в противоположные стороны. Оба динамометра покажут одинаковое значение силы. Другой пример — взаимодействие двух тележек на рельсах, отталкивающихся друг от друга (например, с помощью пружины или магнитов). Измерив их массы и ускорения в момент взаимодействия, можно убедиться, что отношение ускорений обратно пропорционально отношению масс ($a_1/a_2 = -m_2/m_1$), что эквивалентно равенству сил $m_1a_1 = -m_2a_2$.

Ответ: Перечисленные опыты наглядно демонстрируют фундаментальные принципы классической механики, сформулированные в трех законах Ньютона: существование инерциальных систем отсчета, прямую зависимость ускорения от силы и обратную от массы, а также равенство и противоположную направленность сил действия и противодействия.

Опыт, подтверждающий закон сохранения импульса

Закон сохранения импульса утверждает, что векторная сумма импульсов всех тел, составляющих замкнутую систему, остается постоянной. Этот закон проверяется в экспериментах со столкновениями.

На воздушной дорожке, минимизирующей трение, сталкивают две тележки с известными массами $m_1$ и $m_2$. С помощью датчиков измеряют их скорости до и после столкновения.

1. Неупругий удар: тележки сцепляются после столкновения и движутся как единое целое. Эксперимент показывает, что суммарный импульс до столкновения $p_{до} = m_1v_1 + m_2v_2$ равен импульсу после столкновения $p_{после} = (m_1+m_2)u$.

2. Упругий удар: тележки сталкиваются с помощью упругих бамперов. Измерения показывают, что суммарный импульс системы до столкновения $p_{до} = m_1v_1 + m_2v_2$ равен суммарному импульсу после столкновения $p_{после} = m_1v'_1 + m_2v'_2$.

Ответ: Опыты со столкновениями тел в условиях, близких к изолированной системе, подтверждают, что полный импульс системы сохраняется как при упругих, так и при неупругих взаимодействиях.

Опыт, подтверждающий закон сохранения механической энергии

Закон сохранения механической энергии гласит, что в системе, где действуют только консервативные силы (например, сила тяжести и сила упругости), полная механическая энергия системы сохраняется.

Классическим примером является математический маятник или шарик, скатывающийся с горки. Рассмотрим маятник. В крайнем верхнем положении (точка 1) маятник останавливается, его скорость равна нулю, а высота максимальна. Вся механическая энергия является потенциальной: $E_1 = E_p = mgh_{max}$. При прохождении положения равновесия (точка 2) высота минимальна (можно принять за ноль), а скорость максимальна. Энергия в этот момент является кинетической: $E_2 = E_k = \frac{1}{2}mv_{max}^2$. Экспериментально измеряя высоту подъема и максимальную скорость, можно убедиться, что $mgh_{max} \approx \frac{1}{2}mv_{max}^2$. Небольшое расхождение объясняется действием сил сопротивления воздуха и трения в точке подвеса, из-за которых часть механической энергии переходит во внутреннюю (тепловую) энергию.

Ответ: Эксперимент с маятником демонстрирует взаимопревращение потенциальной и кинетической энергии и подтверждает, что их сумма, полная механическая энергия, остается постоянной в системе, где пренебрежимо малы неконсервативные силы.

Опыты, подтверждающие законы Кулона и Ома

Эти опыты лежат в основе учения об электричестве.

Закон Кулона описывает силу взаимодействия между двумя точечными неподвижными зарядами. Для его проверки используют крутильные весы, изобретенные Шарлем Кулоном. На весах измеряется сила взаимодействия $F$ между двумя заряженными шариками. Изменяя расстояние $r$ между шариками и величины их зарядов $q_1$ и $q_2$, Кулон установил, что сила прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними: $F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$.

Закон Ома для участка цепи устанавливает связь между силой тока $I$, напряжением $U$ и сопротивлением $R$. Для его проверки собирают простую электрическую цепь, состоящую из источника напряжения, резистора (проводника), амперметра (для измерения силы тока) и вольтметра (для измерения напряжения на резисторе). Изменяя напряжение, подаваемое от источника, измеряют соответствующие значения силы тока. Построив график зависимости силы тока от напряжения (вольт-амперную характеристику), получают прямую линию, проходящую через начало координат. Это доказывает, что сила тока прямо пропорциональна напряжению: $I = U/R$.

Ответ: Опыт с крутильными весами подтверждает справедливость закона Кулона для электростатического взаимодействия, а исследование вольт-амперной характеристики проводника подтверждает линейную зависимость между током и напряжением, выраженную в законе Ома.

Опыты, подтверждающие газовые законы

Газовые законы описывают поведение идеального газа при изменении его макроскопических параметров: давления $P$, объема $V$ и температуры $T$.

Закон Бойля-Мариотта (изотермический процесс, $T=const$): Берут стеклянный сосуд с поршнем (например, медицинский шприц), содержащий воздух. К сосуду подключен манометр. Медленно изменяя объем газа под поршнем (чтобы его температура успевала выровняться с температурой окружающей среды), записывают показания объема и соответствующего давления. Эксперимент показывает, что произведение давления на объем остается практически постоянным: $P \cdot V = \text{const}$.

Закон Гей-Люссака (изохорный процесс, $V=const$): Газ в закрытом сосуде постоянного объема (колбе) соединяют с манометром. Сосуд помещают в воду, температуру которой можно изменять и контролировать термометром. Нагревая или охлаждая воду, измеряют давление газа при различных температурах. Опыт показывает, что отношение давления к абсолютной температуре является постоянной величиной: $P/T = \text{const}$.

Ответ: Экспериментальные исследования процессов с постоянной температурой (изотермического) и постоянным объемом (изохорного) подтверждают справедливость законов Бойля-Мариотта и Гей-Люссака, которые являются фундаментальными для описания состояния газов.