Номер 4, страница 199 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Повторите материал главы 8 по следующему плану. Параграф 59. Силы взаимодействия молекул. Строение газообразных, жидких и твёрдых тел. Глава 8. Основы молекулярно-кинетической теории - номер 4, страница 199.

Условие.

Решение.

Решение 3.

Опыт, подтверждающий второй закон Ньютона

Второй закон Ньютона, утверждающий, что ускорение тела прямо пропорционально равнодействующей всех приложенных к телу сил и обратно пропорционально его массе ($ \vec{a} = \frac{\vec{F}}{m} $), можно проверить экспериментально с помощью воздушной дорожки или тележки на рельсах для минимизации трения.

Цель опыта: Показать зависимость ускорения тележки от приложенной силы и от ее массы.

Оборудование: Горизонтальная воздушная дорожка (или трибометр), тележка, набор грузов, нить, блок, датчики времени (фотоворота) или датчик движения.

Ход опыта:

1. Зависимость ускорения от силы при постоянной массе. Масса системы ($M$) состоит из массы тележки ($m_{т}$) и массы грузов на ней. Эта масса остается постоянной. К тележке через нить, перекинутую через блок, подвешивают грузы. Сила, приводящая систему в движение, равна весу этих подвешенных грузов ($F = mg$), где $m$ - масса подвешенных грузов. Измеряя ускорение ($a$) для различных значений силы $F$ (изменяя массу $m$ подвешенных грузов, но при этом перекладывая их с тележки в подвес так, чтобы общая масса системы $M=m_т+m_{грузов}$ оставалась постоянной), строят график зависимости $a(F)$. График представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат, что подтверждает прямую пропорциональность: $a \propto F$.

2. Зависимость ускорения от массы при постоянной силе. В этой части опыта движущая сила $F$ (вес подвешенного груза) остается постоянной. Массу системы ($M$) изменяют, добавляя на тележку дополнительные грузы. Измеряют ускорение ($a$) для различных значений общей массы системы $M$. Строят график зависимости ускорения от обратной массы ($a(1/M)$). Этот график также является прямой линией, проходящей через начало координат, что подтверждает обратную пропорциональность: $a \propto 1/M$.

Вывод: Объединяя результаты, получаем, что $a \propto F/M$, или $F = kMa$. В системе СИ коэффициент пропорциональности $k=1$, что приводит нас ко второму закону Ньютона: $F = Ma$.

Ответ: Эксперимент с тележкой на воздушной дорожке, где измеряется ускорение в зависимости от приложенной силы и массы системы, демонстрирует прямую пропорциональность ускорения силе и обратную пропорциональность массе, что подтверждает второй закон Ньютона.

Опыт, подтверждающий закон сохранения импульса

Закон сохранения импульса гласит, что векторная сумма импульсов всех тел, составляющих замкнутую систему, остается постоянной. Этот закон можно проверить на опыте со столкновением двух тележек на воздушной дорожке.

Цель опыта: Показать, что суммарный импульс системы двух тележек до столкновения равен суммарному импульсу после столкновения.

Оборудование: Воздушная дорожка, две тележки (возможно, с липучками для абсолютно неупругого удара или с упругими бамперами для упругого удара), датчики для измерения скорости (фотоворота или датчики движения), весы.

Ход опыта:

1. Измеряют массы тележек $m_1$ и $m_2$.

2. Размещают тележки на воздушной дорожке. Тележке массой $m_1$ сообщают начальную скорость $v_1$, направленную к покоящейся тележке $m_2$ ($v_2 = 0$). Скорости измеряются с помощью датчиков.

3. Вычисляют суммарный импульс системы до взаимодействия: $p_{до} = m_1 v_1 + m_2 v_2 = m_1 v_1$.

4. После столкновения тележки движутся со скоростями $v'_1$ и $v'_2$ (в случае неупругого удара они движутся вместе с общей скоростью $v'$). Эти скорости также измеряются.

5. Вычисляют суммарный импульс системы после взаимодействия: $p_{после} = m_1 v'_1 + m_2 v'_2$.

Вывод: Сравнивая вычисленные значения, в пределах погрешности измерений получают, что $p_{до} = p_{после}$. Это подтверждает, что в замкнутой системе (где внешними силами, такими как трение и сопротивление воздуха, можно пренебречь) полный импульс сохраняется.

Ответ: Опыт со столкновением двух тележек на воздушной дорожке, в ходе которого измеряются их массы и скорости до и после столкновения, показывает, что суммарный импульс системы сохраняется, подтверждая закон сохранения импульса.

Опыт, подтверждающий закон всемирного тяготения (опыт Кавендиша)

Закон всемирного тяготения Ньютона ($ F = G \frac{m_1 m_2}{r^2} $) описывает силу притяжения между любыми двумя телами. Поскольку гравитационное взаимодействие очень слабое, его прямое измерение для тел небольшой массы требует очень чувствительного прибора. Таким прибором являются крутильные весы, использованные Генри Кавендишем в 1798 году.

Цель опыта: Прямое измерение силы гравитационного притяжения между телами в лабораторных условиях и определение гравитационной постоянной $G$.

Оборудование: Крутильные весы — лёгкое коромысло с двумя маленькими свинцовыми шарами на концах, подвешенное на тонкой упругой нити. Рядом с маленькими шарами располагаются два больших свинцовых шара. Вся установка помещается в защитный кожух для устранения влияния воздушных потоков.

Ход опыта:

1. Большие шары (масса $M$) подносят к маленьким шарам (масса $m$). Сила гравитационного притяжения между парами шаров создает вращающий момент, который закручивает нить подвеса.

2. Коромысло поворачивается до тех пор, пока момент силы упругости закрученной нити не уравновесит момент гравитационных сил.

3. Угол закручивания нити ($\theta$) измеряется с помощью светового луча, отраженного от зеркальца, прикрепленного к нити.

4. Зная модуль кручения нити ($k$), который определяется по периоду свободных крутильных колебаний коромысла, можно найти момент сил упругости $\tau_{упр} = k\theta$.

5. Этот момент равен моменту гравитационных сил $\tau_{грав} = 2F \cdot L$, где $F = G \frac{Mm}{r^2}$ — сила притяжения между одним большим и одним маленьким шаром, $r$ — расстояние между их центрами, а $L$ — плечо силы (половина длины коромысла).

6. Из равенства $k\theta = 2 \cdot G \frac{Mm}{r^2} \cdot L$ можно вычислить значение гравитационной постоянной $G$.

Вывод: Опыт Кавендиша позволил не только качественно подтвердить существование гравитационного притяжения между обычными телами, но и количественно измерить его, определив значение $G$. Это стало решающим подтверждением универсальности закона всемирного тяготения.

Ответ: Опыт Кавендиша с использованием крутильных весов позволяет измерить слабую силу гравитационного притяжения между массивными шарами, подтверждая справедливость закона всемирного тяготения и позволяя определить значение гравитационной постоянной.

Опыт, подтверждающий явление электромагнитной индукции (опыты Фарадея)

Явление электромагнитной индукции, открытое Майклом Фарадеем, заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур.

Цель опыта: Продемонстрировать возникновение индукционного тока в катушке при изменении магнитного поля.

Оборудование: Катушка-моток (солеоноид), подключенная к чувствительному гальванометру, полосовой магнит.

Ход опыта:

1. Внесение магнита в катушку. Когда в катушку вносят магнит (например, северным полюсом), стрелка гальванометра отклоняется, указывая на появление в цепи электрического тока. Это индукционный ток.

2. Магнит неподвижен внутри катушки. Если оставить магнит неподвижным внутри катушки, стрелка гальванометра возвращается к нулевому положению. Ток в цепи отсутствует.

3. Вынимание магнита из катушки. При вынимании магнита из катушки стрелка гальванометра снова отклоняется, но уже в противоположную сторону. Это означает, что индукционный ток возник снова, но его направление изменилось.

4. Изменение скорости движения магнита. Если двигать магнит быстрее, стрелка гальванометра отклоняется на больший угол, что свидетельствует о большей силе индукционного тока.

Вывод: Опыт показывает, что электрический ток в катушке возникает только тогда, когда происходит изменение магнитного потока, пронизывающего её. Ток не возникает, если магнитный поток постоянен (магнит неподвижен). Направление тока зависит от того, увеличивается или уменьшается магнитный поток, а его величина — от скорости изменения магнитного потока. Эти наблюдения лежат в основе закона электромагнитной индукции Фарадея: $\mathcal{E}_{i} = - \frac{\Delta\Phi}{\Delta t}$.

Ответ: Опыты с движением магнита относительно катушки, подключенной к гальванометру, демонстрируют, что изменение магнитного потока через контур порождает в нем электрический ток, что подтверждает явление и основные закономерности электромагнитной индукции.