Номер 4, страница 220 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Повторите материал главы 9 по следующему плану. Параграф 65. Примеры решения задач по теме «Энергия теплового движения молекул». Глава 9. Молекулярно-кинетическая теория идеального газа - номер 4, страница 220.

Условие.

Решение.

Решение 3.

Справедливость физических законов подтверждается многочисленными экспериментами. Ниже описаны некоторые ключевые опыты, лежащие в основе фундаментальных разделов физики.

Законы Ньютона

Справедливость трех законов Ньютона демонстрируется набором классических экспериментов.

Первый закон (закон инерции) подтверждается опытами, где минимизируется трение. Например, шайба на аэрохоккейном столе или тележка на воздушной дорожке, получив начальный толчок, движется практически с постоянной скоростью, так как равнодействующая внешних сил близка к нулю.

Второй закон ($ \vec{F}=m\vec{a} $) проверяется с помощью той же тележки на воздушной дорожке. К тележке через блок прикрепляют груз, создающий постоянную силу тяги $ F $. Измеряя ускорение $ a $ (например, с помощью фотодатчиков) при изменении массы тележки $ m $ или массы груза (силы $ F $), экспериментально устанавливают прямую пропорциональность $ a \propto F $ и обратную пропорциональность $ a \propto 1/m $.

Третий закон (равенство сил действия и противодействия) демонстрируется при столкновении двух тележек, оснащенных динамометрами или датчиками силы. В любой момент взаимодействия датчики показывают равные по модулю и противоположные по направлению силы.

Ответ: Опыты с тележками на воздушной дорожке и взаимодействующими телами с датчиками силы напрямую демонстрируют пропорциональность ускорения силе и его обратную пропорциональность массе, а также равенство по модулю и противоположность по направлению сил действия и противодействия.

Закон всемирного тяготения

Основным экспериментом, подтвердившим закон всемирного тяготения Ньютона ($ F = G \frac{m_1 m_2}{r^2} $) и позволившим измерить гравитационную постоянную $ G $, является опыт Генри Кавендиша (1798 г.). В его установке использовались крутильные весы: на тонкой упругой нити подвешивалось легкое коромысло с двумя маленькими свинцовыми шарами на концах. К этим шарам подносили два больших свинцовых шара. Сила гравитационного притяжения между большими и малыми шарами заставляла коромысло поворачиваться, закручивая нить. По углу закручивания нити и ее упругим свойствам Кавендиш смог вычислить силу притяжения $ F $. Зная массы шаров ($ m_1 $, $ m_2 $) и расстояние между ними ($ r $), он впервые рассчитал значение гравитационной постоянной $ G $.

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

Закон Кулона

Для установления закона взаимодействия неподвижных электрических зарядов Шарль Кулон в 1785 году использовал установку, очень похожую на установку Кавендиша, — крутильные весы. На коромысле, подвешенном на упругой нити, был закреплен маленький заряженный шарик. К нему подносили другой заряженный шарик. Сила электростатического взаимодействия (притяжения или отталкивания) вызывала поворот коромысла. Измеряя угол закручивания нити, Кулон определял силу взаимодействия. Систематически изменяя расстояние между шариками и величину их зарядов (например, деля заряд пополам путем соприкосновения с таким же незаряженным шариком), он установил, что сила взаимодействия прямо пропорциональна произведению величин зарядов ($ |q_1 q_2| $) и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними ($ r^2 $).

Ответ: Эксперимент Кулона с крутильными весами показал, что сила электростатического взаимодействия между двумя точечными зарядами подчиняется закону обратных квадратов и пропорциональна величине каждого из зарядов.

Закон электромагнитной индукции

Открытие явления электромагнитной индукции Майклом Фарадеем в 1831 году было результатом серии опытов.

1. Фарадей обнаружил, что если вдвигать или выдвигать постоянный магнит в катушку из проволоки, замкнутую на гальванометр (прибор для обнаружения тока), то стрелка гальванометра отклоняется, указывая на возникновение электрического тока в катушке. Ток существовал только во время движения магнита.

2. В другом опыте он использовал две катушки. При замыкании или размыкании цепи первой катушки, подключенной к источнику тока, во второй катушке, находящейся рядом и подключенной к гальванометру, возникал кратковременный индукционный ток.

Эти опыты показали, что переменное магнитное поле (точнее, изменение магнитного потока, пронизывающего контур) порождает электрический ток.

Ответ: Опыты Фарадея с движущимся магнитом и катушками продемонстрировали, что необходимым и достаточным условием для возникновения ЭДС индукции в замкнутом контуре является изменение магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром.

Законы геометрической оптики

Закон отражения света проверяется с помощью источника узкого луча (например, лазера), плоского зеркала и транспортира. Луч направляется на зеркало. Экспериментально устанавливается, что: 1) падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости; 2) угол падения равен углу отражения.

Закон преломления света (закон Снеллиуса) исследуется с помощью аналогичной установки, где вместо зеркала используется прозрачная среда с плоской границей (например, стеклянная пластина или кювета с водой). Направляя луч света под разными углами падения $ \alpha $ на границу раздела двух сред, измеряют соответствующие углы преломления $ \beta $. Опыт показывает, что отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред: $ \frac{\sin \alpha}{\sin \beta} = n $, где $ n $ — относительный показатель преломления.

Ответ: Простые опыты с источником света, зеркалом, прозрачными средами и транспортиром позволяют напрямую проверить и подтвердить законы отражения и преломления света, лежащие в основе геометрической оптики.

Законы фотоэффекта

Фундаментальные законы внешнего фотоэффекта были экспериментально установлены Александром Столетовым (1888-1890 гг.). В его опытах вакуумный баллон с двумя электродами (катодом и анодом) использовался для исследования тока, возникающего при освещении катода светом. Столетов установил:

1. Сила фототока насыщения (число вырываемых светом электронов в секунду) прямо пропорциональна интенсивности падающего света.

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности света, а линейно растет с увеличением его частоты.

3. Для каждого вещества существует минимальная частота света («красная граница»), ниже которой фотоэффект не происходит.

Эти законы не могли быть объяснены классической волновой теорией света и были позже объяснены Альбертом Эйнштейном на основе квантовой гипотезы, что послужило одним из ключевых подтверждений квантовой природы света.

Ответ: Опыты Столетова по изучению фотоэффекта выявили закономерности (пропорциональность фототока интенсивности света, зависимость энергии электронов от частоты, существование "красной границы"), которые стали экспериментальной основой для корпускулярной теории света и развития квантовой физики.