Номер 4, страница 218 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

4. На рисунке показана схема опыта Штерна по определению скорости молекул. Пунктиром обозначена траектория атомов серебра, летящих от проволоки в центре установки через щель во внутреннем цилиндре к внешнему цилиндру при неподвижных цилиндрах. Чёрным отмечено место, куда попадали атомы серебра при вращении цилиндров. Какое утверждение верно? Пятно образовалось, когда

1) только внешний цилиндр вращался по часовой стрелке

2) только внутренний цилиндр вращался по часовой стрелке

3) оба цилиндра вращались по часовой стрелке

4) оба цилиндра вращались против часовой стрелки

Решение

В данном эксперименте атомы серебра, испаряясь с центральной проволоки, проходят через узкую щель во внутреннем цилиндре и движутся к внешнему цилиндру.

1. Случай неподвижных цилиндров: Атомы летят по прямой радиальной траектории. Они проходят через щель и попадают в точку на внешнем цилиндре, находящуюся точно напротив щели. Эта траектория показана на рисунке пунктирной линией.

2. Случай вращающихся цилиндров: Атомам требуется некоторое время $t$, чтобы пролететь расстояние между внутренним и внешним цилиндрами. За это время вращающиеся цилиндры успевают повернуться на некоторый угол $\Delta\phi$. Из-за этого поворота атомы попадают не в исходную точку, а в точку, смещенную по поверхности внешнего цилиндра.

3. Определение направления вращения: На рисунке видно, что пятно от атомов серебра (отмечено чёрным) смещено относительно первоначального положения (пунктирной линии) по часовой стрелке.

Рассмотрим движение с точки зрения наблюдателя в лаборатории. Атом, вылетев из щели, движется по прямой. Цилиндр вращается "под" ним. Чтобы пятно сместилось по часовой стрелке, та часть цилиндра, на которую попал атом, должна была "подъехать" к месту столкновения. Это означает, что эта часть изначально находилась позади (по направлению вращения) от прямой траектории. Такое возможно, только если сам цилиндр вращается в противоположном направлении, то есть против часовой стрелки. Пока атом летит, точка на цилиндре, бывшая напротив щели, смещается против часовой стрелки, а на её место приходит точка, которая была правее (по часовой стрелке).

Для того чтобы эксперимент дал чёткий результат в виде смещённого пятна, а не размытой полосы, необходимо, чтобы оба цилиндра вращались как единое целое с одинаковой угловой скоростью.

Таким образом, смещение пятна по часовой стрелке произошло, когда оба цилиндра вращались против часовой стрелки.

Ответ: 4) оба цилиндра вращались против часовой стрелки