Номер 4, страница 278 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Глава 10. Световые кванты. Параграф 73. Примеры решения задач по теме «Световые кванты. Фотоэффект». Повторите материал главы 10 по следующему плану - номер 4, страница 278.

Условие.

4. Опишите основные опыты, подтверждающие справедливость законов.

Решение.

Решение 2.

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

Опыты, подтверждающие законы Ньютона

Законы Ньютона являются основой классической механики. Их справедливость можно проверить на опыте.

Проверка второго закона Ньютона ($F=ma$): Для проверки этого закона часто используют установку, состоящую из тележки, движущейся по горизонтальной поверхности с малым трением (например, по воздушной дорожке). Тележка массой $m$ соединена нитью, перекинутой через блок, с грузом массой $m_{груз}$. Сила, приводящая систему в движение, — это сила тяжести, действующая на груз, $F = m_{груз}g$. Ускорение системы $a$ измеряется с помощью датчиков движения (например, фотоворот).

Проводят две серии опытов:
1. Изменяют движущую силу $F$, сохраняя общую массу системы ($m_{сист} = m + m_{груз}$) постоянной. Для этого перекладывают грузы с тележки на подвес. Измерения показывают, что ускорение прямо пропорционально силе: $a \propto F$.
2. Изменяют массу системы $m_{сист}$, оставляя движущую силу $F$ постоянной (масса $m_{груз}$ не меняется). Для этого на тележку добавляют дополнительные грузы. Измерения показывают, что ускорение обратно пропорционально массе: $a \propto 1/m_{сист}$.

Проверка третьего закона Ньютона: Для демонстрации этого закона можно использовать два датчика силы, соединенных друг с другом. Когда два человека тянут датчики в противоположные стороны, подключенные к компьютеру приборы показывают, что в любой момент времени силы, с которыми они действуют друг на друга, равны по модулю и противоположны по направлению: $\vec{F}_{12} = -\vec{F}_{21}$. Другой наглядный пример — взаимодействие двух тележек. Если на одной из них закрепить упругую пластину (пружину) и столкнуть их, то тележки разъедутся с ускорениями, обратно пропорциональными их массам, что также следует из равенства сил взаимодействия.

Ответ: Эксперименты с тележкой на воздушной дорожке подтверждают прямую пропорциональность ускорения силе и обратную пропорциональность массе ($a=F/m$). Опыты с датчиками силы или взаимодействующими тележками доказывают, что силы взаимодействия двух тел всегда равны по модулю и противоположны по направлению.

Опыт, подтверждающий закон сохранения импульса

Закон сохранения импульса гласит, что векторная сумма импульсов всех тел, входящих в замкнутую систему, есть величина постоянная.

Экспериментальная проверка: Опыт также удобно проводить на воздушной дорожке для минимизации внешних сил (трения). Используются две тележки массами $m_1$ и $m_2$. С помощью фотоворот измеряются скорости тележек до и после их столкновения.
Например, рассмотрим неупругое столкновение: тележка $m_1$ движется со скоростью $v_1$ навстречу покоящейся тележке $m_2$ ($v_2=0$). После столкновения они сцепляются (например, с помощью пластилина или липучки) и движутся вместе со скоростью $u$.

Импульс системы до столкновения равен $P_{до} = m_1 v_1 + m_2 \cdot 0 = m_1 v_1$.
Импульс системы после столкновения равен $P_{после} = (m_1 + m_2)u$.
Измерив массы и скорости, можно убедиться, что в пределах погрешности измерений выполняется равенство $P_{до} = P_{после}$.

Ответ: Опыты по столкновению тел (например, тележек на воздушной дорожке) показывают, что суммарный импульс системы тел до взаимодействия равен суммарному импульсу после взаимодействия, что подтверждает закон сохранения импульса.

Опыт, подтверждающий закон всемирного тяготения

Закон всемирного тяготения ($F = G \frac{m_1 m_2}{r^2}$) был экспериментально подтвержден и уточнен в опыте Генри Кавендиша в 1798 году. Этот опыт позволил впервые измерить гравитационную постоянную $G$.

Установка (крутильные весы): На тонкой упругой нити подвешено лёгкое коромысло с двумя маленькими свинцовыми шариками на концах. К этим шарикам подносят два больших свинцовых шара. Силы гравитационного притяжения между большими и малыми шарами создают вращающий момент, который закручивает нить. Угол закручивания нити измеряется по смещению светового зайчика, отражённого от зеркальца, прикреплённого к нити. Зная упругие свойства нити (её модуль кручения), можно определить величину силы притяжения.

Измерив массы шаров ($m_1$ и $m_2$), расстояние между их центрами ($r$) и силу их притяжения ($F$), Кавендиш смог вычислить значение гравитационной постоянной $G$.

Ответ: Опыт Кавендиша с крутильными весами позволил измерить слабую силу гравитационного притяжения между телами в лабораторных условиях и вычислить гравитационную постоянную, тем самым подтвердив справедливость закона всемирного тяготения.

Опыт, подтверждающий закон Ома для участка цепи

Закон Ома устанавливает, что сила тока $I$ на участке цепи прямо пропорциональна напряжению $U$ на этом участке и обратно пропорциональна его сопротивлению $R$.

Экспериментальная проверка: Собирается электрическая цепь, состоящая из источника постоянного тока с регулируемым напряжением, исследуемого проводника (резистора), амперметра для измерения силы тока (включается последовательно) и вольтметра для измерения напряжения (включается параллельно резистору).

Изменяя напряжение на источнике, снимают несколько пар показаний силы тока $I$ и напряжения $U$. Затем строят график зависимости силы тока от напряжения (вольт-амперную характеристику). Для металлических проводников (при постоянной температуре) этот график представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат. Это означает, что отношение $U/I$ остаётся постоянным. Эта постоянная величина и есть сопротивление проводника $R$.

Ответ: Экспериментальное измерение силы тока и напряжения на участке цепи при их изменении показывает, что их отношение $U/I$ является постоянной величиной (сопротивлением), а вольт-амперная характеристика линейна, что подтверждает закон Ома.

Опыты, подтверждающие законы геометрической оптики

Фундаментальными законами геометрической оптики являются закон отражения и закон преломления света.

Проверка закона отражения: На горизонтальный диск с нанесенной шкалой углов (оптический диск) помещают плоское зеркало. С помощью источника узкого пучка света (например, лазерной указки или осветителя с щелью) направляют луч на зеркало. Наблюдают падающий и отражённый лучи. Измеряют угол падения $\alpha$ (угол между падающим лучом и перпендикуляром к зеркалу в точке падения) и угол отражения $\beta$ (угол между отражённым лучом и тем же перпендикуляром). Опыт показывает, что при любом угле падения угол отражения равен углу падения ($\alpha = \beta$), а падающий луч, отражённый луч и перпендикуляр лежат в одной плоскости.

Проверка закона преломления: В аналогичном опыте зеркало заменяют на плоскопараллельную стеклянную пластину или полуцилиндр. Луч света направляют на границу раздела двух сред (воздух-стекло). Измеряют угол падения $\alpha$ и угол преломления $\gamma$ (угол между преломлённым лучом и перпендикуляром). Проводя измерения для разных углов падения, можно установить, что отношение синусов этих углов остаётся постоянным: $\frac{\sin \alpha}{\sin \gamma} = n$, где $n$ — показатель преломления второй среды относительно первой.

Ответ: Опыты с использованием оптического диска и источников света наглядно демонстрируют выполнение законов отражения (равенство углов падения и отражения) и преломления (постоянство отношения синусов углов падения и преломления) света на границе раздела двух сред.