Номер 4, страница 88 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Повторите материал главы 2 по следующему плану. Параграф 26. Принцип относительности Галилея. Инвариантные и относительные величины. Глава 2. Законы механики Ньютона - номер 4, страница 88.

Условие.

Решение.

Решение 3.

Справедливость фундаментальных физических законов подтверждается множеством экспериментальных наблюдений. Ниже описаны некоторые ключевые опыты, лежащие в основе важнейших разделов физики.

Опыты, подтверждающие законы классической механики (законы Ньютона)

Законы Ньютона являются фундаментом классической механики. Их справедливость демонстрируется следующими опытами:

• Первый закон Ньютона (закон инерции): Этот закон утверждает, что тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют другие тела или действие этих тел скомпенсировано. На Земле трудно полностью устранить силы (трение, сопротивление воздуха), но опыты с минимальным трением подтверждают закон. Например, шайба на воздушной подушке (стол для аэрохоккея) или тележка на воздушной дорожке, получив начальный толчок, движется с почти постоянной скоростью, что демонстрирует инерцию.
• Второй закон Ньютона: Этот закон устанавливает связь между силой, массой и ускорением ($ \vec{F} = m\vec{a} $). Классический опыт для его проверки — это движение тележки по горизонтальной поверхности под действием силы натяжения нити, к которой подвешен груз. Массу тележки ($m$) можно изменять, добавляя на нее грузы, а действующую силу ($F$) — изменяя массу подвешенного груза. Ускорение ($a$) измеряется с помощью датчиков движения. Опыты показывают, что ускорение прямо пропорционально силе ($ a \propto F $) при постоянной массе и обратно пропорционально массе ($ a \propto 1/m $) при постоянной силе.
• Третий закон Ньютона: Этот закон гласит, что силы взаимодействия двух тел равны по модулю и противоположны по направлению ($ \vec{F}_{12} = -\vec{F}_{21} $). Его можно продемонстрировать с помощью двух тележек, оснащенных датчиками силы. При их столкновении датчики в любой момент времени показывают равные по величине и противоположные по знаку значения сил. Другой пример — реактивное движение: когда из сопла ракеты выбрасываются газы, ракета движется в противоположном направлении под действием силы, равной по модулю силе, с которой она толкает газы.

Ответ: Справедливость законов Ньютона подтверждается опытами на воздушной дорожке (первый закон), экспериментами с тележкой и грузом для измерения зависимости ускорения от силы и массы (второй закон), а также измерениями сил взаимодействия при столкновении тел (третий закон).

Опыты, подтверждающие закон всемирного тяготения

Закон всемирного тяготения ($ F = G \frac{m_1 m_2}{r^2} $) описывает силу гравитационного притяжения между любыми двумя телами. Поскольку эта сила очень слаба для тел с небольшой массой, ее прямое измерение требует высокой точности.

• Опыт Кавендиша (1798 г.): Генри Кавендиш впервые смог измерить гравитационную силу между объектами в лабораторных условиях. Он использовал крутильные весы — лёгкое коромысло с двумя маленькими свинцовыми шарами на концах, подвешенное на тонкой упругой нити. К этим шарам подносили два больших свинцовых шара. Сила гравитационного притяжения между большими и малыми шарами заставляла коромысло поворачиваться, закручивая нить. Зная упругие свойства нити и измерив угол закручивания, Кавендиш смог вычислить силу притяжения. Этот эксперимент позволил не только подтвердить закон Ньютона, но и определить значение гравитационной постоянной $G$, а затем и массу Земли.

Ответ: Ключевым экспериментом, подтверждающим закон всемирного тяготения, является опыт Кавендиша с крутильными весами, который позволил измерить слабую силу притяжения между лабораторными массами и вычислить гравитационную постоянную.

Опыты, подтверждающие законы сохранения

Законы сохранения (импульса, энергии) являются одними из самых фундаментальных в физике.

• Закон сохранения импульса: Этот закон утверждает, что векторная сумма импульсов всех тел замкнутой системы есть величина постоянная. Он проверяется в опытах со столкновениями тел. Например, на воздушной дорожке сталкивают две тележки с известными массами. Измеряя их скорости до и после столкновения, можно показать, что суммарный импульс системы ($ \vec{p}_{общ} = m_1\vec{v}_1 + m_2\vec{v}_2 $) остается неизменным как при упругих, так и при неупругих соударениях.
• Закон сохранения энергии: Этот закон гласит, что энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а лишь переходит из одной формы в другую.
  • Для механической энергии это демонстрируется на примере математического маятника или шарика, скатывающегося с горки. В верхней точке траектории тело обладает максимальной потенциальной энергией ($ E_p = mgh $) и нулевой кинетической, а в нижней — максимальной кинетической ($ E_k = \frac{1}{2}mv^2 $) и нулевой потенциальной. Измерения показывают, что их сумма ($ E_{мех} = E_p + E_k $) остается постоянной, если пренебречь трением.
  • Сохранение полной энергии было доказано в опытах Джоуля. Он показал, что механическая работа может переходить во внутреннюю (тепловую) энергию. В его установке падающие грузы вращали лопасти в калориметре с водой, вызывая ее нагревание. Джоуль установил количественное соотношение между совершенной работой и выделившимся количеством теплоты, доказав, что энергия сохраняется.

Ответ: Законы сохранения подтверждаются опытами со столкновениями тел на воздушной дорожке (сохранение импульса) и экспериментами с маятником или аппаратом Джоуля, демонстрирующими сохранение механической и полной энергии соответственно.

Опыты, подтверждающие законы электромагнетизма

Законы, описывающие электрические и магнитные явления, также имеют прочную экспериментальную базу.

• Закон Кулона: Аналогично опыту Кавендиша, Шарль Кулон использовал крутильные весы для измерения силы взаимодействия между двумя заряженными шариками. Он установил, что сила взаимодействия прямо пропорциональна произведению величин зарядов ($ F \propto |q_1 q_2| $) и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними ($ F \propto 1/r^2 $).
• Закон электромагнитной индукции Фарадея: Майкл Фарадей обнаружил, что изменяющееся магнитное поле порождает электрический ток. В простом опыте катушку из проволоки подключают к гальванометру. Когда в катушку вносят или из нее выносят постоянный магнит, стрелка гальванометра отклоняется, указывая на появление индукционного тока. Это доказывает, что изменение магнитного потока через контур создает в нем ЭДС индукции.

Ответ: Экспериментальными подтверждениями законов электромагнетизма служат опыт Кулона с крутильными весами, доказывающий закон взаимодействия точечных зарядов, и опыты Фарадея по наблюдению индукционного тока в катушке при движении магнита.