Номер 4, страница 294 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Повторите материал главы 13 по следующему плану. Параграф 89. Примеры решения задач по теме «КПД тепловых двигателей». Глава 13. Основы термодинамики - номер 4, страница 294.

Условие.

Решение.

Решение 3.

Справедливость фундаментальных физических законов подтверждается множеством экспериментов. Ниже описаны некоторые из ключевых опытов.

Законы Ньютона

Первый закон Ньютона (закон инерции):

Опыт: На гладкую горизонтальную поверхность (например, воздушную дорожку, где трение минимально) помещают тележку. Если тележку не трогать, она остается в покое. Если придать ей небольшой толчок, она начинает двигаться с почти постоянной скоростью.

Этот опыт показывает, что при отсутствии или компенсации внешних сил (сила тяжести скомпенсирована силой реакции опоры, а сила трения очень мала) тело сохраняет свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Это и есть содержание первого закона Ньютона.

Второй закон Ньютона:

Опыт: Используется установка, состоящая из тележки известной массы $m$, движущейся по горизонтальной дорожке, и груза массой $M$, привязанного к тележке через нить, перекинутую через блок. Сила, действующая на тележку, равна силе натяжения нити, которая примерно равна силе тяжести груза $F = Mg$. Ускорение тележки $a$ измеряется с помощью датчиков движения.

Проводят две серии измерений:

1. Изменяют массу груза $M$, сохраняя общую массу системы ($m+M$) постоянной (перекладывая грузы с тележки на подвес). Измерения показывают, что ускорение прямо пропорционально действующей силе: $a \propto F$.

2. Изменяют массу тележки $m$ (добавляя на нее грузы), сохраняя действующую силу $F$ постоянной. Измерения показывают, что ускорение обратно пропорционально массе: $a \propto 1/m$.

Объединение этих результатов приводит к формулировке второго закона Ньютона: $a = F/m$ или $F=ma$.

Третий закон Ньютона:

Опыт: Два динамометра (силовых датчика) сцепляют крючками и растягивают в противоположные стороны. В любой момент времени показания обоих динамометров одинаковы по модулю. Это означает, что сила, с которой первый динамометр действует на второй, равна по модулю и противоположна по направлению силе, с которой второй динамометр действует на первый ($ \vec{F}_{12} = - \vec{F}_{21} $).

Другой пример — реактивное движение. Надутый воздушный шарик, из которого выходит воздух, движется в сторону, противоположную направлению выходящей струи воздуха. Сила, с которой шарик действует на воздух, выталкивая его, равна по модулю и противоположна по направлению силе, с которой воздух действует на шарик, заставляя его двигаться.

Ответ: Опыты с движением тел на поверхностях с малым трением, с тележками под действием силы и с взаимодействующими силовыми датчиками подтверждают соответственно первый, второй и третий законы Ньютона.

Закон сохранения импульса

Опыт: Используется воздушная дорожка для минимизации трения. Две тележки с известными массами $m_1$ и $m_2$ движутся навстречу друг другу или одна догоняет другую. Их скорости до и после столкновения ($ \vec{v}_{1i}, \vec{v}_{2i} $ и $ \vec{v}_{1f}, \vec{v}_{2f} $) измеряются с помощью фотоворот или датчиков движения.

Рассчитывается суммарный импульс системы до столкновения: $ \vec{p}_{i} = m_1 \vec{v}_{1i} + m_2 \vec{v}_{2i} $.

Рассчитывается суммарный импульс системы после столкновения: $ \vec{p}_{f} = m_1 \vec{v}_{1f} + m_2 \vec{v}_{2f} $.

Опыт проводится как для упругого столкновения (тележки с пружинными бамперами), так и для неупругого (тележки с липучками или пластилином, после столкновения они движутся вместе). В обоих случаях в пределах погрешности измерений оказывается, что $ \vec{p}_{i} = \vec{p}_{f} $. Это подтверждает, что в замкнутой системе суммарный импульс тел сохраняется.

Ответ: Опыты по столкновению тележек на воздушной дорожке показывают, что суммарный импульс системы тел до взаимодействия равен суммарному импульсу после взаимодействия, что доказывает справедливость закона сохранения импульса.

Закон всемирного тяготения

Опыт: Классическим экспериментом является опыт Кавендиша (1798 г.). В этом опыте используются крутильные весы — легкое коромысло с двумя маленькими свинцовыми шариками на концах, подвешенное на тонкой упругой нити. К этим шарикам подносят два больших свинцовых шара. Силы гравитационного притяжения между большими и малыми шарами заставляют коромысло поворачиваться, закручивая нить.

Зная угол закручивания нити и ее упругие свойства (модуль кручения), можно определить величину силы притяжения $F$. Зная массы шаров ($m_1, m_2$) и расстояние между их центрами $r$, можно проверить справедливость закона $F = G \frac{m_1 m_2}{r^2}$ и вычислить гравитационную постоянную $G$. Результаты опыта Кавендиша и его современных аналогов с высокой точностью подтверждают закон всемирного тяготения.

Ответ: Опыт Кавендиша с крутильными весами позволяет напрямую измерить слабую силу гравитационного притяжения между телами и подтверждает количественную зависимость этой силы от масс тел и расстояния между ними, выраженную в законе всемирного тяготения.

Закон Кулона

Опыт: Эксперимент, аналогичный опыту Кавендиша, был проведен Шарлем Кулоном с помощью крутильных весов для измерения силы взаимодействия электрических зарядов. Один маленький заряженный шарик закреплялся неподвижно, а другой, такой же, крепился на конце легкого коромысла, подвешенного на упругой нити.

При сближении заряженных шариков сила электростатического взаимодействия (притяжения или отталкивания) вызывала поворот коромысла. По углу закручивания нити Кулон определял величину этой силы. Он систематически изменял величину зарядов на шариках (например, касаясь заряженного шарика таким же незаряженным, он делил его заряд пополам) и расстояние между ними.

В результате измерений было установлено, что сила взаимодействия $F$ прямо пропорциональна произведению величин зарядов ($ |q_1 q_2| $) и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними ($ r^2 $), что полностью соответствует формуле закона Кулона: $F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$.

Ответ: Опыты Кулона с крутильными весами продемонстрировали, что сила взаимодействия двух точечных зарядов прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, что является экспериментальным подтверждением закона Кулона.

Законы геометрической оптики

Закон отражения света:

Опыт: На оптический диск, на котором нанесена угловая шкала, помещают плоское зеркало. С помощью источника узкого пучка света (например, лазера или осветителя с щелью) направляют луч на зеркало.

Измеряют угол падения $ \alpha $ (угол между падающим лучом и перпендикуляром к поверхности зеркала в точке падения) и угол отражения $ \beta $ (угол между отраженным лучом и тем же перпендикуляром). Повторяя опыт для разных углов падения, убеждаются, что каждый раз $ \alpha = \beta $. Также наблюдают, что падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр лежат в одной плоскости (плоскости оптического диска).

Закон преломления света (закон Снеллиуса):

Опыт: На тот же оптический диск помещают плоскопараллельную стеклянную пластину или стеклянный полуцилиндр. Луч света направляют на границу раздела двух сред (воздух-стекло) под некоторым углом падения $ \alpha $.

На выходе из стекла луч преломляется. Измеряют угол преломления $ \gamma $ (угол между преломленным лучом и перпендикуляром к границе раздела). Повторяя измерения для разных углов падения $ \alpha $, можно проверить, что отношение синуса угла падения к синусу угла преломления остается постоянной величиной: $ \frac{\sin \alpha}{\sin \gamma} = n $. Эта постоянная величина $n$ является показателем преломления второй среды относительно первой. Это и есть закон преломления света.

Ответ: Опыты с использованием оптического диска, источника света, зеркала и преломляющих сред позволяют экспериментально установить, что угол падения равен углу отражения, а отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная, подтверждая законы отражения и преломления света.