Номер 4, страница 164 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Повторите материал главы 5 по следующему плану. Параграф 50. Примеры решения задач по теме «Динамика вращательного движения абсолютно твёрдого тела». Глава 5. Динамика вращательного движения абсолютно твёрдого тела - номер 4, страница 164.

Условие.

Решение.

Решение 3.

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

Опыты, подтверждающие законы классической механики (законы Ньютона)

1. Первый закон Ньютона (закон инерции)

Суть закона: Существуют такие системы отсчета, называемые инерциальными, относительно которых тело движется равномерно и прямолинейно или покоится, если на него не действуют другие тела или действие этих тел скомпенсировано.

Экспериментальное подтверждение: Для демонстрации этого закона используют воздушную дорожку или стол для воздушного хоккея, чтобы максимально уменьшить силу трения. Шайбе на такой поверхности сообщают начальную скорость. Наблюдения показывают, что после первоначального толчка шайба движется с практически постоянной скоростью по прямой линии. Небольшое замедление вызвано остаточным трением о поверхность и сопротивлением воздуха. Экстраполируя эти наблюдения к идеальному случаю (полное отсутствие внешних сил), можно заключить, что в отсутствие сил тело сохраняло бы свою скорость неизменной.

Ответ: Опыт с движением тела (например, шайбы) по поверхности с малым трением (воздушная дорожка) демонстрирует, что при минимальном внешнем воздействии тело стремится сохранить состояние своего движения (покоя или равномерного прямолинейного движения), что подтверждает закон инерции.

2. Второй закон Ньютона

Суть закона: Ускорение, приобретаемое телом, прямо пропорционально равнодействующей всех приложенных к телу сил и обратно пропорционально его массе. Математически это выражается формулой $ \vec{F} = m\vec{a} $.

Экспериментальное подтверждение: Используется установка, состоящая из тележки на рельсах (для минимизации трения), к которой через блок перекинута нить с грузом. Сила, действующая на тележку, создается весом груза ($ F = P_{груза} $). Ускорение тележки $ a $ измеряется с помощью датчиков движения (например, фотоворот) или видеоанализа.

• Зависимость ускорения от силы: Масса системы (тележка + груз) поддерживается постоянной, но сила тяги изменяется путем перекладывания грузов с тележки на подвес. Измерения показывают, что ускорение прямо пропорционально приложенной силе ($ a \propto F $).
• Зависимость ускорения от массы: Сила тяги (вес груза на подвесе) поддерживается постоянной, а общая масса системы изменяется путем добавления грузов на тележку. Измерения показывают, что ускорение обратно пропорционально массе ($ a \propto 1/m $).

Совокупность этих наблюдений подтверждает справедливость второго закона Ньютона.

Ответ: Опыты с тележкой, движущейся под действием груза через блок, позволяют измерить зависимость ускорения от приложенной силы и массы тела. Результаты подтверждают прямую пропорциональность ускорения силе и обратную пропорциональность массе, что соответствует второму закону Ньютона.

3. Третий закон Ньютона

Суть закона: Тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению ($ \vec{F}_{12} = -\vec{F}_{21} $).

Экспериментальное подтверждение: Два динамометра сцепляют крючками и тянут в разные стороны. В любой момент времени оба динамометра показывают одинаковые по модулю значения силы. Более точный опыт — столкновение двух тележек, на каждой из которых установлен датчик силы. Датчики, подключенные к компьютеру, регистрируют силы взаимодействия в реальном времени. Графики показывают, что в каждый момент столкновения силы, с которыми тележки действуют друг на друга, равны по величине и противоположны по знаку. Простым примером также является реактивное движение: воздух, выходящий из воздушного шарика в одном направлении, толкает сам шарик в противоположном.

Ответ: Эксперименты со взаимодействием двух динамометров или столкновением тележек с датчиками силы показывают, что силы взаимодействия между двумя телами всегда равны по модулю и направлены в противоположные стороны, что доказывает третий закон Ньютона.

Опыты, подтверждающие законы электромагнетизма

1. Закон Кулона

Суть закона: Сила взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Формула: $ F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2} $.

Экспериментальное подтверждение: Шарль Кулон использовал для проверки этого закона крутильные весы. Установка представляет собой лёгкое коромысло, подвешенное на тонкой упругой нити. На одном конце коромысла закреплен заряженный шарик. К нему подносят другой заряженный шарик. Сила электрического взаимодействия заставляет коромысло поворачиваться, закручивая нить. По углу закручивания нити можно определить силу взаимодействия. Измеряя силу при различных значениях зарядов (которые можно изменять, приводя шарики в соприкосновение с другими телами) и на разных расстояниях $ r $ между ними, Кулон установил указанные в законе зависимости.

Ответ: Опыт с крутильными весами, измеряющий силу взаимодействия между заряженными шариками, позволяет установить, что эта сила пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, что подтверждает закон Кулона.

2. Закон электромагнитной индукции Фарадея

Суть закона: ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Формула: $ \mathcal{E}_{i} = - \frac{d\Phi}{dt} $.

Экспериментальное подтверждение: Опыт заключается в следующем: берётся катушка, подключенная к чувствительному гальванометру (или вольтметру).

• Когда постоянный магнит вносят в катушку или вынимают из нее, стрелка гальванометра отклоняется, указывая на возникновение электрического тока (а значит, и ЭДС индукции).
• Чем быстрее движется магнит, тем больше отклонение стрелки, что свидетельствует о зависимости ЭДС от скорости изменения магнитного потока ($ d\Phi/dt $).
• Если использовать катушку с большим числом витков, ЭДС индукции при той же скорости движения магнита будет больше.
• Направление индукционного тока зависит от того, каким полюсом и в каком направлении (вносится или вынимается) движется магнит, что согласуется с правилом Ленца (знак «минус» в формуле).

Ответ: Опыты с движением магнита относительно катушки, подключенной к гальванометру, демонстрируют возникновение индукционного тока, величина которого зависит от скорости изменения магнитного потока, а направление — от характера этого изменения. Это является экспериментальным подтверждением закона Фарадея.

Опыты, подтверждающие корпускулярно-волновой дуализм

1. Опыт Юнга (волновая природа света)

Суть явления: Свет обладает волновыми свойствами, в частности, способен к интерференции.

Экспериментальное подтверждение: В классическом опыте Томаса Юнга пучок света направлялся на экран с двумя близко расположенными параллельными щелями. Проходя через щели, световые волны дифрагировали и начинали взаимодействовать друг с другом (интерферировать). На экране, расположенном за щелями, наблюдалась характерная интерференционная картина — чередование светлых и темных полос. Светлые полосы соответствуют областям, где волны от двух щелей приходят в одинаковой фазе и усиливают друг друга (конструктивная интерференция). Темные полосы — областям, где волны приходят в противофазе и гасят друг друга (деструктивная интерференция). Такую картину невозможно объяснить, если считать свет потоком частиц, движущихся по прямым линиям.

Ответ: Наблюдение интерференционной картины (чередующихся светлых и темных полос) при прохождении света через две близкие щели доказывает его волновую природу.

2. Опыты по изучению фотоэффекта (корпускулярная природа света)

Суть явления: Свет обладает и корпускулярными свойствами; он излучается и поглощается порциями (квантами или фотонами).

Экспериментальное подтверждение: Явление фотоэффекта — это выбивание электронов из вещества под действием света. Экспериментальная установка состоит из вакуумной колбы с двумя электродами (фотокатодом и анодом). Свет падает на катод, выбивая из него электроны. Основные закономерности, установленные экспериментально:

1. Сила тока насыщения (т.е. число выбитых электронов в секунду) прямо пропорциональна интенсивности падающего света.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности.
3. Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта — минимальная частота света, при которой фотоэффект еще возможен. Если частота света меньше этой границы, фотоэффект не происходит, какой бы ни была интенсивность света.
4. Фотоэффект практически безынерционен (электроны начинают вылетать сразу после начала освещения).

Эти законы не могли быть объяснены волновой теорией света, но получили объяснение в 1905 году благодаря гипотезе Альберта Эйнштейна о световых квантах (фотонах). Энергия фотона равна $ E=h\nu $, и при поглощении фотона эта энергия передается электрону. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта: $ h\nu = A_{вых} + E_{кин}^{макс} $, где $ A_{вых} $ — работа выхода, $ E_{кин}^{макс} $ — максимальная кинетическая энергия электрона.

Ответ: Экспериментально установленные закономерности фотоэффекта (наличие красной границы, зависимость энергии электронов от частоты света, а не от его интенсивности) доказывают, что свет взаимодействует с веществом как поток частиц (фотонов), что подтверждает его корпускулярную природу.