Ответьте на вопросы, страница 63 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему законы сохранения выполняются только для замкнутых систем?

2. Почему при стрельбе из ружья происходит отдача в плечо? Что необходимо сделать, чтобы отдача уменьшилась?

1. Почему законы сохранения выполняются только для замкнутых систем?

Законы сохранения (импульса, энергии, момента импульса) являются фундаментальными принципами физики. Они формулируются для замкнутых, или изолированных, систем. Замкнутой системой называется совокупность тел, которые не взаимодействуют с телами, не входящими в эту систему. Иными словами, на тела системы не действуют внешние силы, либо их векторная сумма равна нулю.

Рассмотрим, например, закон сохранения импульса. Он является следствием второго и третьего законов Ньютона. Изменение суммарного импульса системы тел $ \vec{P}_{общ} $ за промежуток времени $ dt $ равно сумме всех внешних сил $ \vec{F}_{внеш} $, действующих на систему: $ \frac{d\vec{P}_{общ}}{dt} = \vec{F}_{внеш} $. Внутренние силы, согласно третьему закону Ньютона, попарно равны по модулю и противоположны по направлению, поэтому их сумма всегда равна нулю, и они не могут изменить суммарный импульс системы.

Если система замкнутая, то $ \vec{F}_{внеш} = 0 $. Следовательно, $ \frac{d\vec{P}_{общ}}{dt} = 0 $, что означает, что суммарный импульс системы не изменяется со временем, то есть сохраняется ($ \vec{P}_{общ} = const $).

Если же система не замкнута, на нее действуют внешние силы ($ \vec{F}_{внеш} \neq 0 $). Эти силы передают системе импульс, изменяя ее общее состояние. Аналогично, внешние силы могут совершать работу, изменяя полную механическую энергию системы. Таким образом, наличие внешних воздействий нарушает условие сохранения, и именно поэтому законы сохранения в их строгой формулировке применимы только к замкнутым системам.

Ответ: Законы сохранения являются прямым следствием отсутствия или взаимной компенсации внешних воздействий на систему. В незамкнутых (открытых) системах внешние силы и поля изменяют физические величины, характеризующие систему (импульс, энергию), поэтому эти величины не сохраняются.

2. Почему при стрельбе из ружья происходит отдача в плечо? Что необходимо сделать, чтобы отдача уменьшилась?

Отдача при выстреле – это яркая демонстрация закона сохранения импульса. Рассмотрим систему, состоящую из ружья и пули.

Дано:

Система тел: ружье и пуля.
$m_р$ – масса ружья.
$m_п$ – масса пули.
$\vec{v}_р$ – скорость ружья после выстрела (скорость отдачи).
$\vec{v}_п$ – скорость пули после выстрела.

Найти:

Причину отдачи и способы ее уменьшения.

Решение:

До выстрела и ружье, и пуля покоятся, поэтому их суммарный импульс равен нулю. В момент выстрела пороховые газы с огромной силой действуют на пулю, выталкивая ее вперед, и с точно такой же по модулю, но противоположной по направлению силой действуют на ружье, толкая его назад (третий закон Ньютона).

Внешние силы (сила тяжести, сопротивление воздуха) за короткое время выстрела пренебрежимо малы по сравнению с внутренними силами взрыва. Поэтому систему "ружье-пуля" в момент выстрела можно считать замкнутой. Согласно закону сохранения импульса, суммарный импульс системы после выстрела также должен остаться равным нулю:

$ m_р \vec{v}_р + m_п \vec{v}_п = 0 $

Из этого уравнения следует, что импульс ружья равен по модулю и противоположен по направлению импульсу пули:

$ m_р \vec{v}_р = - m_п \vec{v}_п $

Это движение ружья в сторону, противоположную движению пули, и называется отдачей. Скорость отдачи ружья можно выразить как $ \vec{v}_р = - \frac{m_п}{m_р} \vec{v}_п $. Так как масса ружья $ m_р $ значительно больше массы пули $ m_п $, скорость отдачи ружья намного меньше скорости пули, но импульс отдачи $ p_р = m_р v_р $ достаточно велик, чтобы стрелок ощутил сильный толчок в плечо.

Чтобы уменьшить ощущаемую отдачу, необходимо либо уменьшить импульс отдачи, либо уменьшить силу, с которой этот импульс передается плечу стрелка. Сила $F$ связана с изменением импульса $ \Delta p $ и временем его передачи $ \Delta t $ соотношением $ F = \frac{\Delta p}{\Delta t} $. Существует несколько способов уменьшить отдачу:

1. Увеличить массу ружья ($m_р$). Из формулы $ v_р = \frac{m_п v_п}{m_р} $ видно, что при увеличении массы ружья его скорость отдачи уменьшается. Следовательно, уменьшается и кинетическая энергия отдачи $ E_р = \frac{p_р^2}{2m_р} $. Поэтому тяжелые ружья и пулеметы имеют меньшую ощущаемую отдачу.

2. Использовать амортизирующий затыльник на прикладе. Мягкий резиновый или гелевый затыльник не уменьшает полный импульс отдачи, но он деформируется при ударе, увеличивая время $ \Delta t $, за которое импульс передается плечу стрелка. Поскольку время взаимодействия увеличивается, средняя сила удара $ F $ уменьшается, и отдача ощущается как более мягкий толчок, а не резкий удар.

3. Плотно прижимать приклад к плечу. Когда стрелок плотно прижимает ружье, его тело становится частью отдающей системы. Фактически, масса $ m_р $ увеличивается на часть массы тела стрелка. Это, как и в первом пункте, приводит к уменьшению скорости отдачи.

Ответ: Отдача возникает вследствие закона сохранения импульса: чтобы суммарный импульс системы "ружье-пуля" оставался равным нулю, ружье получает импульс, равный по величине и противоположный по направлению импульсу пули. Для уменьшения отдачи можно увеличить массу ружья, использовать на прикладе мягкий затыльник-амортизатор (чтобы увеличить время передачи импульса плечу) или плотно прижимать ружье к плечу.