Номер 4, страница 228 - 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 для фундаментальных законов физики.

Законы механики

Опыты, подтверждающие законы Ньютона

Законы Ньютона являются основой классической механики, и для их проверки используются установки, позволяющие минимизировать силы трения, например, воздушная дорожка (трек) или стол для воздушного хоккея.

• Первый закон Ньютона (закон инерции): Тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют другие тела или действие других тел скомпенсировано. Для демонстрации шайбу на воздушной дорожке приводят в движение коротким толчком. После этого она движется с почти постоянной скоростью, что подтверждает закон. Небольшое замедление вызвано остаточным трением о воздух. В пределе, при отсутствии трения, скорость была бы постоянной.

• Второй закон Ньютона: Ускорение тела прямо пропорционально равнодействующей сил, приложенных к телу, и обратно пропорционально его массе ($ \vec{a} = \frac{\vec{F}}{m} $). Опыт проводится на воздушной дорожке. Тележку известной массы $m$ тянет постоянная сила $F$ (создаваемая, например, грузом, перекинутым через блок). Ускорение $a$ измеряется с помощью датчиков движения. 1) Изменяя силу $F$ при постоянной массе $m$, устанавливают, что ускорение прямо пропорционально силе ($a \propto F$). 2) Изменяя массу тележки $m$ при постоянной силе $F$, устанавливают, что ускорение обратно пропорционально массе ($a \propto 1/m$). Эти наблюдения в совокупности подтверждают второй закон Ньютона.

• Третий закон Ньютона: Силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по модулю и противоположны по направлению ($ \vec{F}_{12} = -\vec{F}_{21} $). Для проверки этого закона можно использовать два датчика силы (динамометра), сцепленных вместе. Когда два человека тянут за динамометры в противоположные стороны, их показания всегда одинаковы. Другой опыт — столкновение двух тележек на рельсах, оснащенных датчиками силы. В момент столкновения датчики фиксируют силы, равные по величине и противоположные по направлению.

Ответ: Справедливость законов Ньютона подтверждается опытами на установках с малым трением (воздушная дорожка), где измеряется зависимость ускорения от силы и массы, а также прямым измерением сил взаимодействия двух тел с помощью датчиков силы.

Опыт, подтверждающий закон сохранения импульса

Закон сохранения импульса гласит, что векторная сумма импульсов всех тел, входящих в замкнутую систему, есть величина постоянная. Для экспериментальной проверки этого закона используются столкновения тел.

Опыт проводится на воздушной дорожке для минимизации внешних сил. Используются две тележки с известными массами $m_1$ и $m_2$. Их скорости до и после столкновения ($v_1, v_2$ и $u_1, u_2$ соответственно) измеряются с помощью фотоворот или датчиков движения. Рассчитывается суммарный импульс системы до столкновения $p_{до} = m_1 v_1 + m_2 v_2$ и после столкновения $p_{после} = m_1 u_1 + m_2 u_2$. Опыт повторяют для разных типов столкновений:

• Упругое столкновение (например, с использованием пружинных бамперов): измерения показывают, что $p_{до} \approx p_{после}$.

• Неупругое столкновение (тележки сцепляются и движутся вместе после удара с общей скоростью $u$): измерения показывают, что $m_1 v_1 + m_2 v_2 \approx (m_1 + m_2)u$.

В обоих случаях в пределах погрешности измерений импульс системы сохраняется.

Ответ: Закон сохранения импульса подтверждается в опытах по столкновению тел (например, тележек на воздушной дорожке), где измерения показывают, что полный импульс системы до взаимодействия равен полному импульсу системы после взаимодействия.

Опыт, подтверждающий закон всемирного тяготения

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

В опыте используются крутильные весы — лёгкое коромысло с двумя маленькими свинцовыми шариками на концах, подвешенное на тонкой упругой нити. К этим шарикам подносят два больших свинцовых шара. Сила гравитационного притяжения между большими и малыми шарами заставляет коромысло поворачиваться, закручивая нить. Угол закручивания измеряется по смещению светового луча, отраженного от зеркальца, закрепленного на нити. Зная упругие свойства нити (ее модуль кручения), можно по углу поворота определить величину силы притяжения. Измерив массы шаров и расстояние между их центрами, Кавендиш смог вычислить гравитационную постоянную $G$. Этот опыт напрямую продемонстрировал существование гравитационного притяжения между телами в лабораторных условиях и позволил проверить количественные соотношения закона.

Ответ: Справедливость закона всемирного тяготения подтверждается опытом Кавендиша, в котором с помощью крутильных весов напрямую измеряется слабая сила притяжения между телами известной массы на известном расстоянии.

Законы электродинамики

Опыт, подтверждающий закон Ома для участка цепи

Закон Ома гласит, что сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению ($ I = \frac{U}{R} $).

Для проверки закона собирают электрическую цепь, состоящую из источника постоянного напряжения с возможностью регулировки, резистора (проводника), амперметра для измерения силы тока и вольтметра для измерения напряжения на резисторе. Амперметр включается в цепь последовательно с резистором, а вольтметр — параллельно ему. Изменяя напряжение источника, снимают показания вольтметра ($U$) и амперметра ($I$). Затем строят график зависимости силы тока от напряжения (вольт-амперную характеристику). Для металлических проводников (при условии, что их температура не меняется) этот график представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат. Это доказывает прямую пропорциональность между силой тока и напряжением, что и утверждает закон Ома.

Ответ: Закон Ома подтверждается экспериментом, в ходе которого измеряется сила тока через проводник при различных значениях напряжения на нем. Полученная линейная зависимость силы тока от напряжения (вольт-амперная характеристика) доказывает справедливость закона.

Опыты, подтверждающие закон электромагнитной индукции Фарадея

Закон Фарадея утверждает, что ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром ($ \mathcal{E}_i = \left| \frac{\Delta\Phi}{\Delta t} \right| $).

Справедливость этого закона демонстрируется серией опытов Майкла Фарадея. В простейшем опыте катушка из проволоки подключается к чувствительному гальванометру.

• Когда в катушку вносят или из нее выносят постоянный магнит, стрелка гальванометра отклоняется, указывая на возникновение индукционного тока. Это показывает, что изменяющееся магнитное поле порождает ток. Направление тока зависит от направления движения магнита и его полюса.

• Чем быстрее движется магнит, тем больше отклонение стрелки, что свидетельствует о зависимости ЭДС индукции от скорости изменения магнитного потока.

• Если использовать катушки с разным числом витков, то при прочих равных условиях ЭДС индукции оказывается пропорциональной числу витков.

• Индукционный ток возникает также при изменении тока в соседней (первичной) катушке, что показывает, что любое изменение магнитного потока, независимо от его причины, приводит к возникновению ЭДС индукции.

Ответ: Закон электромагнитной индукции подтверждается опытами, в которых наблюдается возникновение электрического тока в замкнутом контуре при любом изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур (например, при движении магнита относительно катушки или при изменении тока в соседней катушке).