Номер 4, страница 52 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

4. Опишите основные опыты, подтверждающие справедливость законов.

Справедливость многих фундаментальных физических законов может быть продемонстрирована с помощью наглядных экспериментов. Ниже описаны некоторые из них, подтверждающие справедливость законов механики, электродинамики и оптики.

Законы Ньютона

Первый закон Ньютона (закон инерции)
Этот закон утверждает, что существуют такие системы отсчета, называемые инерциальными, в которых тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют другие тела или действие этих тел скомпенсировано.
Опыт: На край стакана кладется картонка, а на нее — монета. Если резким щелчком выбить картонку, она улетит, а монета, благодаря инерции, почти не сдвинется с места в горизонтальном направлении и упадет в стакан. Тело (монета) стремилось сохранить свое состояние покоя. Другой пример — демонстрация с тележкой на воздушной подушке. После первоначального толчка тележка движется по треку с почти постоянной скоростью, так как сила трения минимальна. Это иллюстрирует сохранение состояния движения.
Ответ: Опыты показывают, что при отсутствии или компенсации внешних сил тело стремится сохранить свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, что и является утверждением первого закона Ньютона.

Второй закон Ньютона
Этот закон устанавливает связь между силой, массой и ускорением. Ускорение тела прямо пропорционально равнодействующей всех сил, приложенных к телу, и обратно пропорционально его массе: $ \vec{a} = \frac{\vec{F}}{m} $.
Опыт: Используется динамометр, тележка известной массы $m$ и секундомер (или датчик движения). Тележка устанавливается на горизонтальную поверхность.
1. Прикладываем к тележке с помощью динамометра постоянную силу $F_1$ и измеряем ускорение $a_1$. Затем прикладываем силу $F_2 = 2F_1$ и измеряем ускорение $a_2$. Эксперимент показывает, что $a_2 \approx 2a_1$, подтверждая прямую пропорциональность ускорения и силы ($a \propto F$).
2. Увеличиваем массу тележки вдвое (например, положив на нее груз массой $m$), и снова прикладываем силу $F_1$. Измеренное ускорение $a_3$ оказывается примерно в два раза меньше первоначального ($a_3 \approx a_1/2$), что подтверждает обратную пропорциональность ускорения и массы ($a \propto 1/m$).
Ответ: Экспериментально подтверждается, что ускорение тела прямо пропорционально приложенной силе и обратно пропорционально массе, в полном соответствии с формулой второго закона Ньютона $F=ma$.

Третий закон Ньютона
Этот закон гласит, что силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по модулю и противоположны по направлению: $ \vec{F}_{12} = -\vec{F}_{21} $.
Опыт: Два динамометра сцепляют крючками и растягивают в противоположные стороны. В любой момент времени оба динамометра будут показывать одинаковые по модулю значения силы. Другой опыт: две тележки на рельсах, оснащенные датчиками силы, сталкиваются друг с другом. Графики зависимости силы от времени, полученные с обоих датчиков, будут зеркальным отражением друг друга, что доказывает равенство модулей и противоположность направлений сил взаимодействия в каждый момент времени.
Ответ: Опыт демонстрирует, что силы взаимодействия между двумя телами всегда равны по величине и направлены в противоположные стороны вдоль одной прямой.

Закон сохранения импульса

В замкнутой системе векторная сумма импульсов всех тел, входящих в систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой.
Опыт: На воздушном треке (для минимизации трения) устанавливают две тележки известных масс $m_1$ и $m_2$. С помощью датчиков (например, фотоворот) измеряют их скорости до и после столкновения.
Рассмотрим случай, когда тележка $m_1$ движется со скоростью $\vec{v}_1$ и налетает на покоящуюся тележку $m_2$ ($\vec{v}_2=0$). После столкновения (например, неупругого, когда они сцепляются) они движутся вместе со скоростью $\vec{u}$. Измеряя скорости, можно проверить равенство: $m_1\vec{v}_1 = (m_1+m_2)\vec{u}$. Результаты измерений в пределах погрешности подтверждают это равенство.
Ответ: Эксперимент показывает, что суммарный импульс системы тел до взаимодействия равен суммарному импульсу после взаимодействия, если система замкнута (внешние силы пренебрежимо малы).

Закон Ома для участка цепи

Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению: $I = \frac{U}{R}$.
Опыт: Собирается электрическая цепь, состоящая из источника постоянного напряжения (с возможностью регулировки), резистора, амперметра (включенного последовательно) и вольтметра (включенного параллельно резистору).
Изменяя напряжение на источнике, снимают показания вольтметра ($U$) и амперметра ($I$). Данные заносят в таблицу и строят график зависимости силы тока от напряжения ($I$ от $U$). Для металлического проводника (резистора) при постоянной температуре этот график представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат. Это доказывает, что сила тока прямо пропорциональна напряжению. Рассчитав отношение $U/I$ для каждой точки, можно убедиться, что оно остается постоянным. Эта постоянная величина и есть сопротивление $R$.
Ответ: Опыт подтверждает линейную зависимость силы тока от напряжения на участке цепи при постоянном сопротивлении, что является сутью закона Ома.

Законы геометрической оптики

Закон отражения света
Опыт: На лист бумаги кладут плоское зеркало. С помощью оптического диска или простого источника узкого пучка света (лазерной указки) направляют на зеркало падающий луч. Отмечают на бумаге ход падающего и отраженного лучей. В точке падения луча на зеркало восстанавливают перпендикуляр (нормаль) к поверхности зеркала. С помощью транспортира измеряют угол падения $ \alpha $ (между падающим лучом и нормалью) и угол отражения $ \beta $ (между отраженным лучом и нормалью). Опыт показывает, что $ \alpha = \beta $. Также видно, что падающий луч, отраженный луч и нормаль лежат в одной плоскости.
Ответ: Эксперимент доказывает, что угол падения равен углу отражения, а падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным в точке падения.

Закон преломления света
Опыт: На лист бумаги кладут стеклянную пластину с параллельными гранями или полуцилиндр. Направляют на нее луч света под некоторым углом к поверхности. Отмечают ход падающего луча и преломленного луча (внутри стекла). В точке входа луча в стекло восстанавливают нормаль. Измеряют угол падения $ \alpha $ (в воздухе) и угол преломления $ \beta $ (в стекле). Повторяют опыт для нескольких разных углов падения. Для каждой пары углов вычисляют отношение синусов: $\frac{\sin\alpha}{\sin\beta}$. Результаты показывают, что это отношение остается постоянной величиной, равной показателю преломления стекла $n$.
Ответ: Опыт подтверждает справедливость закона преломления света (закона Снеллиуса): отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред.