Номер 4, страница 63 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Повторите материал главы 1 по следующему плану. Параграф 17. Примеры решения задач по теме «Кинематика твёрдого тела». Глава 1. Кинематика точки и твёрдого тела - номер 4, страница 63.

Условие.

Решение.

Решение 3.

Справедливость физических законов подтверждается многочисленными экспериментами. Ниже описаны некоторые из ключевых опытов, которые лежат в основе современной физики.

Законы механики Ньютона

Второй закон Ньютона

Второй закон Ньютона устанавливает связь между силой, приложенной к телу, массой этого тела и его ускорением: $F = ma$. Для его экспериментальной проверки можно использовать воздушную дорожку (для минимизации трения), тележку известной массы $m$, нить, блок и набор грузов.

Ход опыта:

1. Тележку массой $m$ устанавливают на горизонтальную воздушную дорожку. К тележке привязывают нить, которую перекидывают через блок на краю дорожки. К другому концу нити подвешивают груз массой $M$.
2. Сила натяжения нити, приводящая тележку в движение, примерно равна силе тяжести, действующей на груз: $F \approx Mg$. Эта сила сообщает системе (тележка + груз) ускорение $a$.
3. С помощью датчиков движения (например, фотоворот) измеряют ускорение тележки $a$.
4. Проводят две серии опытов:
   • Изменяют массу подвешенного груза $M$, сохраняя массу тележки $m$ постоянной. При этом наблюдают, что ускорение $a$ прямо пропорционально приложенной силе $F$.
   • Изменяют массу тележки $m$ (например, добавляя на нее грузы), сохраняя массу подвешенного груза $M$ постоянной. При этом наблюдают, что ускорение $a$ обратно пропорционально массе системы $m+M$.

Результат: Опыт показывает, что ускорение тела прямо пропорционально равнодействующей всех приложенных к нему сил и обратно пропорционально его массе, что полностью подтверждает формулу $a = F/m$.

Ответ: Опыт с тележкой на воздушной дорожке, приводимой в движение грузом через блок, позволяет измерить зависимость ускорения от силы и массы, подтверждая справедливость второго закона Ньютона.

Третий закон Ньютона

Третий закон Ньютона гласит, что силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по модулю и противоположны по направлению ($ \vec{F}_{12} = -\vec{F}_{21} $).

Ход опыта:

1. Берут две тележки, на которых установлены датчики силы.
2. Тележки приводят во взаимодействие: их можно столкнуть друг с другом или соединить датчики силы крючками и растянуть в разные стороны.
3. Датчики силы, подключенные к компьютеру, в реальном времени измеряют и отображают силы взаимодействия.

Результат: В любой момент времени показания датчиков силы равны по величине и противоположны по знаку. Это доказывает, что сила действия равна силе противодействия.

Ответ: Эксперимент со взаимодействующими тележками, оснащенными датчиками силы, наглядно демонстрирует, что силы взаимодействия между телами всегда равны по модулю и направлены в противоположные стороны, подтверждая третий закон Ньютона.

Закон всемирного тяготения

Опыт Кавендиша (1798 г.)

Этот опыт был поставлен для измерения гравитационной постоянной $G$ и, как следствие, подтверждения закона всемирного тяготения Ньютона $ F = G \frac{m_1 m_2}{r^2} $ для тел лабораторных размеров.

Ход опыта:

1. Установка представляет собой крутильные весы: на тонкой упругой нити подвешено лёгкое коромысло с двумя маленькими свинцовыми шариками на концах.
2. К этой системе подносят два больших свинцовых шара так, чтобы они находились рядом с маленькими шариками.
3. Силы гравитационного притяжения между большими и малыми шарами заставляют коромысло поворачиваться, закручивая нить.
4. По углу закручивания нити, зная ее упругие свойства (модуль кручения), можно определить величину гравитационной силы.
5. Зная массы шаров и расстояние между их центрами, можно вычислить гравитационную постоянную $G$.

Результат: Опыт Кавендиша впервые позволил измерить слабую силу гравитационного притяжения между обычными предметами и с высокой точностью определить значение $G$. Это стало мощным подтверждением универсальности закона тяготения.

Ответ: Опыт Кавендиша с использованием крутильных весов позволил измерить силу гравитационного притяжения между телами в лабораторных условиях и вычислить гравитационную постоянную, подтвердив тем самым справедливость закона всемирного тяготения.

Закон сохранения импульса

Закон сохранения импульса утверждает, что векторная сумма импульсов всех тел, составляющих замкнутую систему, остается постоянной.

Ход опыта:

1. На воздушной дорожке размещают две тележки известных масс $m_1$ и $m_2$. Их скорости до и после столкновения измеряются с помощью датчиков.
2. Тележке $m_1$ сообщают начальную скорость $v_1$, и она движется к покоящейся тележке $m_2$ ($v_2 = 0$).
3. Происходит столкновение (упругое или неупругое, если тележки сцепляются).
4. Измеряются скорости тележек $u_1$ и $u_2$ после столкновения.
5. Вычисляется суммарный импульс системы до столкновения ($ p_{до} = m_1 v_1 + m_2 v_2 $) и после столкновения ($ p_{после} = m_1 u_1 + m_2 u_2 $).

Результат: Расчеты показывают, что в пределах погрешности измерений суммарный импульс системы до взаимодействия равен суммарному импульсу после взаимодействия ($p_{до} = p_{после}$).

Ответ: Опыты по столкновению тележек на воздушной дорожке показывают, что полный импульс системы тел до взаимодействия равен полному импульсу после взаимодействия, что является экспериментальным подтверждением закона сохранения импульса.

Закон электромагнитной индукции

Этот закон, открытый Майклом Фарадеем, гласит, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока через него возникает электрический ток.

Ход опыта:

1. Берут катушку из проволоки и подключают ее к гальванометру (чувствительному прибору для обнаружения тока).
2. Вносят в катушку постоянный магнит. В момент движения магнита стрелка гальванометра отклоняется, показывая наличие тока (индукционного тока).
3. Когда магнит останавливается внутри катушки, стрелка гальванометра возвращается к нулю — ток исчезает.
4. Вынимают магнит из катушки. Стрелка гальванометра снова отклоняется, но уже в противоположную сторону.
5. Чем быстрее движется магнит, тем сильнее отклоняется стрелка, что говорит о большей величине индукционного тока.

Результат: Опыт наглядно показывает, что электрический ток возникает только тогда, когда изменяется магнитный поток, пронизывающий контур катушки. Это является прямым подтверждением явления и закона электромагнитной индукции.

Ответ: Опыт с движением магнита относительно катушки, подключенной к гальванометру, демонстрирует возникновение индукционного тока при изменении магнитного потока, подтверждая закон электромагнитной индукции Фарадея.