Номер 4, страница 30 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

4. Опишите основные опыты, подтверждающие справедливость законов.

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

Законы Ньютона являются основой классической механики. Их справедливость можно продемонстрировать на следующих опытах.

• Первый закон Ньютона (закон инерции):

  Опыт можно провести с тележкой на воздушной подушке, которая минимизирует трение. Если тележка находится в покое, она будет оставаться в этом состоянии, пока на нее не подействует внешняя сила. Если же придать тележке начальную скорость, она будет двигаться практически равномерно и прямолинейно. Классической демонстрацией инерции также является опыт, в котором со стола резким движением выдергивают скатерть, а стоящая на ней посуда остается на месте благодаря своей инерции.

• Второй закон Ньютона:

  Этот закон, выражаемый формулой $F = ma$, связывает силу, массу и ускорение. Для его проверки используют установку, состоящую из тележки на воздушной подушке, к которой через блок прикреплен груз. Сила натяжения нити $F$ (приблизительно равная весу груза) сообщает тележке массой $m$ ускорение $a$. Ускорение измеряется с помощью датчиков движения.
  1. Изменяя массу подвешенного груза (изменяя силу $F$) при постоянной массе тележки $m$, можно показать, что ускорение прямо пропорционально силе ($a \propto F$).
  2. Изменяя массу тележки $m$ (добавляя на нее грузы) при постоянной силе $F$, можно показать, что ускорение обратно пропорционально массе ($a \propto 1/m$).
  Объединение этих наблюдений подтверждает справедливость второго закона Ньютона.

• Третий закон Ньютона:

  Закон утверждает, что силы взаимодействия двух тел равны по модулю и противоположны по направлению ($ \vec{F}_{12} = -\vec{F}_{21} $). Для проверки этого закона можно использовать две тележки, оснащенные датчиками силы (динамометрами). При столкновении тележек датчики в любой момент времени показывают равные по величине и противоположные по знаку значения сил. Другой пример — взаимодействие двух людей на роликовых коньках: отталкиваясь друг от друга, они разъезжаются в противоположные стороны с ускорениями, обратно пропорциональными их массам.

Ответ: Основные опыты, подтверждающие законы Ньютона, включают демонстрацию инерции с помощью резкого выдергивания скатерти, измерение ускорения тележки под действием постоянной и переменной силы на воздушной подушке, а также измерение сил взаимодействия при столкновении двух тележек с помощью датчиков силы.

Закон сохранения импульса гласит, что векторная сумма импульсов всех тел замкнутой системы есть величина постоянная. Этот закон особенно наглядно демонстрируется в опытах со столкновениями.

Используются две тележки на воздушной подушке. С помощью датчиков измеряются скорости тележек до и после столкновения.
1. Упругое столкновение: Тележки оснащены упругими бамперами. Измерив массы $m_1$, $m_2$ и скорости тележек до ($ \vec{v}_1 $, $ \vec{v}_2 $) и после ($ \vec{u}_1 $, $ \vec{u}_2 $) столкновения, можно убедиться, что суммарный импульс системы сохраняется: $m_1\vec{v}_1 + m_2\vec{v}_2 = m_1\vec{u}_1 + m_2\vec{u}_2$.
2. Неупругое столкновение: Тележки оснащены, например, пластилином или липучкой, чтобы после столкновения двигаться как единое целое. В этом случае, зная массы и начальные скорости, можно рассчитать и затем измерить их общую конечную скорость $ \vec{u} $. Эксперимент подтверждает выполнение равенства: $m_1\vec{v}_1 + m_2\vec{v}_2 = (m_1 + m_2)\vec{u}$.

Ответ: Экспериментальным подтверждением закона сохранения импульса служат опыты по изучению упругих и неупругих столкновений тел (например, тележек на воздушной подушке), в которых измерения показывают, что полный импульс системы до взаимодействия равен полному импульсу системы после взаимодействия.

Закон всемирного тяготения ($F = G \frac{m_1 m_2}{r^2}$) был подтвержден и гравитационная постоянная $G$ была впервые измерена в эксперименте Генри Кавендиша в 1798 году.

В опыте используются крутильные весы — коромысло с двумя маленькими свинцовыми шарами на концах, подвешенное на тонкой упругой нити. К этим шарам подносят два больших свинцовых шара. Силы гравитационного притяжения между большими и малыми шарами заставляют коромысло поворачиваться, закручивая нить. Угол закручивания нити измеряется по смещению светового зайчика, отраженного от зеркальца, закрепленного на нити. Зная упругие свойства нити, по углу закручивания можно определить величину силы притяжения. Измерив массы шаров и расстояние между их центрами, Кавендиш смог вычислить гравитационную постоянную $G$ и тем самым подтвердить справедливость закона Ньютона.

Ответ: Основным опытом, подтверждающим закон всемирного тяготения, является опыт Кавендиша, в котором измеряется сила гравитационного притяжения между массивными телами в лабораторных условиях с помощью крутильных весов. Это позволяет не только проверить сам закон, но и определить значение гравитационной постоянной $G$.

Закон Ома для участка цепи ($I = U/R$) устанавливает связь между силой тока $I$, напряжением $U$ и сопротивлением $R$.

Для его проверки собирают электрическую цепь, состоящую из источника напряжения (с возможностью регулировки), исследуемого проводника (резистора), амперметра для измерения силы тока и вольтметра для измерения напряжения на проводнике.
1. Поддерживая сопротивление $R$ постоянным, изменяют напряжение $U$ на источнике и измеряют соответствующую силу тока $I$. Построив график зависимости $I$ от $U$, получают прямую линию, проходящую через начало координат. Это доказывает прямую пропорциональность силы тока и напряжения ($I \propto U$).
2. Поддерживая напряжение $U$ постоянным, изменяют сопротивление цепи (используя реостат или набор различных резисторов). Измерения показывают, что сила тока обратно пропорциональна сопротивлению ($I \propto 1/R$).

Ответ: Справедливость закона Ома подтверждается экспериментально путем измерения силы тока и напряжения на участке цепи. Опыты показывают, что сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению участка цепи, что доказывается линейной вольт-амперной характеристикой для металлических проводников.

Явление электромагнитной индукции, открытое Майклом Фарадеем, заключается в возникновении электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через него. Закон Фарадея количественно описывает это явление: $\mathcal{E}_{i} = - \frac{\Delta\Phi}{\Delta t}$.

Классические опыты Фарадея:
1. Движение магнита и катушки: Используются катушка, замкнутая на гальванометр (чувствительный амперметр), и постоянный магнит. Когда магнит вдвигают в катушку или выдвигают из нее, стрелка гальванометра отклоняется, указывая на наличие индукционного тока. Если магнит неподвижен относительно катушки, ток не возникает. Направление тока зависит от направления движения магнита и от того, какой полюс (северный или южный) приближается к катушке.
2. Изменение тока в первичной катушке: Две катушки надевают на общий железный сердечник. Первую катушку (первичную) подключают к источнику тока через ключ, а вторую (вторичную) — к гальванометру. В моменты замыкания или размыкания цепи первичной катушки в ней возникает или исчезает магнитное поле. Это изменяющееся поле создает переменный магнитный поток через вторичную катушку, что приводит к возникновению в ней кратковременного индукционного тока, регистрируемого гальванометром.

Ответ: Основные опыты, подтверждающие закон электромагнитной индукции Фарадея, демонстрируют возникновение электрического тока в замкнутом контуре при любом изменении магнитного потока через этот контур. Это может быть достигнуто путем относительного движения магнита и катушки, либо путем изменения силы тока в соседней катушке (электромагните).