Номер 4, страница 115 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

4. Опишите опыты, подтверждающие основные закономерности.

Основные физические закономерности могут быть подтверждены множеством экспериментов. Ниже описаны некоторые из них, которые часто демонстрируются в курсе физики.

Опыт, подтверждающий второй закон Ньютона

Этот опыт предназначен для проверки зависимости ускорения тела от приложенной к нему силы и его массы ($F = ma$).

Оборудование: тележка, горизонтальная направляющая с низкой силой трения (например, воздушная дорожка), нить, блок, набор грузов, датчики для измерения времени и расстояния (например, фотоворота или датчик движения).

Ход опыта:

1. Тележку массой $m_т$ устанавливают на горизонтальную направляющую. К тележке привязывают нить, которую перекидывают через блок на краю направляющей. К другому концу нити подвешивают груз массой $m_г$.
2. Сила, приводящая систему в движение (сила натяжения нити), создается весом груза $F = m_г g$, где $g$ – ускорение свободного падения. Общая масса системы, которая ускоряется, равна $M = m_т + m_г$.
3. Исследование зависимости $a(F)$ при $M = \text{const}$:
   Перемещая грузы с тележки на подвес, изменяют действующую силу $F$, сохраняя при этом общую массу системы $M$ постоянной. Для каждого значения силы измеряют ускорение $a$ системы. Строят график зависимости ускорения от силы $a(F)$. График представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат, что доказывает прямую пропорциональность: $a \propto F$.
4. Исследование зависимости $a(M)$ при $F = \text{const}$:
   Оставляют массу подвешенного груза $m_г$ постоянной (сила $F$ постоянна), а на тележку добавляют дополнительные грузы, изменяя общую массу системы $M$. Для каждого значения массы измеряют ускорение $a$. Строят график зависимости ускорения от обратной массы $a(1/M)$. График также представляет собой прямую линию, что доказывает обратную пропорциональность: $a \propto 1/M$.

Совокупность этих наблюдений экспериментально подтверждает второй закон Ньютона.

Ответ: Опыт показывает, что ускорение тела прямо пропорционально равнодействующей приложенных к нему сил и обратно пропорционально его массе, что является экспериментальным подтверждением второго закона Ньютона.

Опыт, подтверждающий закон сохранения импульса

Цель опыта – продемонстрировать, что в замкнутой системе суммарный импульс тел до взаимодействия равен суммарному импульсу после взаимодействия.

Оборудование: две тележки, направляющая с низким трением, датчики скорости (фотоворота или датчик движения), весы. Тележки могут быть оснащены пружинными буферами (для упругого удара) или пластилином/липучкой (для неупругого удара).

Ход опыта (для абсолютно неупругого удара):

1. Измеряют массы тележек $m_1$ и $m_2$ с помощью весов.
2. Тележку 2 устанавливают на направляющей в состоянии покоя ($v_2 = 0$).
3. Тележке 1 сообщают некоторую начальную скорость $v_1$ в направлении тележки 2. Скорость $v_1$ измеряется датчиком.
4. Происходит столкновение, в результате которого тележки сцепляются и продолжают движение вместе как единое целое с некоторой общей скоростью $u$, которую также измеряют.
5. Вычисляют суммарный импульс системы до столкновения: $p_{до} = m_1 v_1 + m_2 v_2 = m_1 v_1$.
6. Вычисляют суммарный импульс системы после столкновения: $p_{после} = (m_1 + m_2)u$.
7. Сравнивают полученные значения. В пределах погрешности измерений оказывается, что $p_{до} = p_{после}$.

Опыт можно повторить для упругого столкновения, где $p_{до} = m_1 v_1 + m_2 v_2$ и $p_{после} = m_1 u_1 + m_2 u_2$. Результат будет аналогичным.

Ответ: Опыт доказывает, что векторная сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, не изменяется с течением времени при любых взаимодействиях тел этой системы между собой.

Опыт, подтверждающий закон Ома для участка цепи

Данный опыт проверяет линейную зависимость силы тока $I$ на участке цепи от напряжения $V$ на этом участке при постоянном сопротивлении $R$.

Оборудование: источник постоянного тока с регулируемым напряжением, резистор (проводник с постоянным сопротивлением), амперметр, вольтметр, соединительные провода.

Ход опыта:

1. Собирают электрическую цепь: последовательно соединяют источник тока, амперметр и резистор. Параллельно резистору подключают вольтметр.
2. Изменяя напряжение на выходе источника тока, снимают несколько пар показаний вольтметра ($V$) и амперметра ($I$).
3. Данные заносят в таблицу. Для каждой пары значений вычисляют отношение $R = V/I$. Это отношение остается практически постоянным.
4. Для наглядности строят график зависимости силы тока от напряжения (вольт-амперную характеристику), откладывая по оси ординат силу тока $I$, а по оси абсцисс — напряжение $V$.

Полученный график представляет собой прямую линию, выходящую из начала координат. Это означает, что сила тока прямо пропорциональна напряжению.

Ответ: Эксперимент подтверждает закон Ома, согласно которому сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника ($I = V/R$).

Опыт, подтверждающий закон Бойля–Мариотта

Этот опыт демонстрирует связь между давлением и объемом газа при постоянной температуре (изотермический процесс).

Оборудование: стеклянный сосуд (например, шприц большого объема с герметично закрытым носиком), манометр для измерения давления (или датчик давления), грузы известной массы.

Ход опыта:

1. В шприц набирают определенный объем воздуха $V_1$ и герметизируют его. Поршень шприца находится под действием атмосферного давления. Начальное давление $P_1$ равно атмосферному (можно измерить барометром).
2. На поршень кладут груз, увеличивая внешнюю силу. Поршень опускается, сжимая газ до нового объема $V_2$, который считывают по шкале шприца. Давление газа $P_2$ теперь уравновешивает атмосферное давление и давление, создаваемое грузом. $P_2 = P_{атм} + mg/S$, где $S$ - площадь поршня.
3. Повторяют эксперимент, добавляя еще грузы и записывая новые пары значений объема $V$ и давления $P$.
4. Эксперимент следует проводить медленно, чтобы температура газа успевала выровняться с температурой окружающей среды и оставалась постоянной.
5. Для каждой пары значений $(P, V)$ вычисляют их произведение.

В результате вычислений обнаруживается, что произведение давления на объем для всех измерений остается приблизительно постоянным: $P_1V_1 \approx P_2V_2 \approx \text{const}$.

Ответ: Опыт подтверждает закон Бойля–Мариотта, который утверждает, что для данной массы газа при постоянной температуре произведение давления на объем есть величина постоянная.