Номер 4, страница 298 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Глава 11. Атомная физика. Параграф 77. Примеры решения задач по теме «Атомная физика». Повторите материал главы 11 по следующему плану - номер 4, страница 298.

Условие.

4. Опишите основные опыты, подтверждающие справедливость законов.

Решение.

Решение 2.

Решение

Справедливость фундаментальных законов физики, в частности законов механики Ньютона, подтверждается множеством экспериментов. Ниже описаны некоторые из них.

Опыты, подтверждающие Первый закон Ньютона (закон инерции)

Первый закон Ньютона гласит, 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 с воздушной дорожкой:

Установка: Используется воздушная дорожка (трек) — длинный металлический профиль с множеством мелких отверстий, через которые под давлением подается воздух. На трек помещается специальная тележка (глайдер). Слой воздуха между треком и глайдером действует как смазка, практически полностью устраняя силу трения.

Проведение опыта:
1. Глайдер помещается на горизонтально установленную воздушную дорожку. Если его не трогать, он остается в покое. Это демонстрирует первую часть закона — сохранение состояния покоя при скомпенсированных силах (сила тяжести уравновешена силой реакции воздушной подушки).
2. Глайдеру сообщают небольшую начальную скорость. После толчка на глайдер не действуют горизонтальные силы (сила трения и сопротивление воздуха пренебрежимо малы). В результате глайдер движется вдоль дорожки с практически постоянной скоростью, что подтверждает вторую часть закона — сохранение состояния равномерного прямолинейного движения.

Вывод: Опыт показывает, что в отсутствие внешних сил (или при их компенсации) тело действительно сохраняет свою скорость неизменной, подтверждая закон инерции.

Ответ: Эксперимент с движением глайдера по воздушной дорожке, где благодаря минимизации трения наблюдается сохранение состояния покоя или равномерного прямолинейного движения, подтверждает первый закон Ньютона.

Опыты, подтверждающие Второй закон Ньютона

Второй закон Ньютона устанавливает связь между силой, действующей на тело, его 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 с тележкой на треке:

Установка: Тележка массой $M$ находится на горизонтальном треке (для чистоты эксперимента — воздушном). К тележке привязана нить, перекинутая через блок на краю трека. К другому концу нити подвешен груз массой $m$. Движущая сила — это сила тяжести груза $F = mg$. Ускоряемая масса системы равна $m_{общ} = M+m$.

Проведение опыта:
1. Проверка зависимости ускорения от силы. Масса системы $M+m$ поддерживается постоянной. Этого можно достичь, перекладывая грузы с тележки на подвес. Таким образом, изменяется движущая сила $F=mg$, а общая масса остается неизменной. Ускорение $a$ измеряется для разных значений силы $F$ (например, с помощью датчика движения или фотоворот). Построив график зависимости $a(F)$, получают прямую линию, проходящую через начало координат. Это доказывает, что $a \sim F$.
2. Проверка зависимости ускорения от массы. Движущая сила $F=mg$ поддерживается постоянной (масса подвешенного груза $m$ не меняется). Общая масса системы $m_{общ}$ изменяется путем добавления грузов на тележку $M$. Измеряется ускорение $a$ для разных значений общей массы $m_{общ}$. Построив график зависимости ускорения от обратной массы $a(1/m_{общ})$, также получают прямую линию. Это доказывает, что $a \sim 1/m$.

Вывод: Опыт подтверждает обе части второго закона Ньютона: прямую пропорциональность ускорения силе и обратную пропорциональность массе.

Ответ: Эксперимент с тележкой, движущейся под действием груза по горизонтальному треку, позволяет измерить зависимость ускорения от приложенной силы и массы, подтверждая формулу второго закона Ньютона $F=ma$.

Опыты, подтверждающие Третий закон Ньютона

Третий закон Ньютона 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 с двумя датчиками силы:

Установка: Два электронных датчика силы (динамометра) сцепляют друг с другом крючками. Один датчик закрепляют неподвижно, а за другой тянут. Или два человека тянут датчики в разные стороны.

Проведение опыта: В процессе растяжения датчики в любой момент времени показывают одинаковые по модулю значения силы, независимо от того, как изменяется усилие. Это демонстрирует, что сила действия равна по модулю силе противодействия.

Опыт со взаимодействующими тележками:

Установка: Две тележки на воздушном треке, на каждой из которых установлен датчик силы. Тележки приводятся в соприкосновение (например, с помощью пружинных буферов или отталкивающихся магнитов).

Проведение опыта: Тележки сталкиваются. Датчики силы, подключенные к компьютеру, записывают показания во время столкновения. Графики зависимости силы от времени для обеих тележек получаются зеркальным отражением друг друга относительно оси времени. Это означает, что в любой момент взаимодействия сила, действующая на первую тележку со стороны второй, равна по величине и противоположна по направлению силе, действующей на вторую тележку со стороны первой.

Вывод: Опыты напрямую демонстрируют, что силы взаимодействия между телами всегда парные, равны по величине и противоположны по направлению.

Ответ: Эксперименты со сцепленными динамометрами или сталкивающимися тележками, оснащенными датчиками силы, показывают, что силы взаимодействия между телами в любой момент времени равны по модулю и противоположны по направлению, что подтверждает третий закон Ньютона.

Опыты, подтверждающие Закон сохранения импульса

Закон сохранения импульса является следствием законов Ньютона и утверждает, что векторная сумма импульсов всех тел замкнутой системы есть величина постоянная.

Опыт со столкновением тележек на воздушной дорожке:

Установка: Две тележки с известными массами $m_1$ и $m_2$ на воздушной дорожке. Скорости тележек до и после столкновения измеряются с помощью фотоворот (датчиков, фиксирующих время прохождения тележкой определенного расстояния).

Проведение опыта:
1. Первая тележка массой $m_1$ движется со скоростью $v_1$ навстречу покоящейся второй тележке ($v_2 = 0$).
2. Происходит столкновение. Если на тележках есть липучки, столкновение будет абсолютно неупругим, и они будут двигаться вместе как единое целое со скоростью $u$. Если на них упругие буферы — упругим, и они разъедутся со скоростями $u_1$ и $u_2$.
3. Измеряются скорости после столкновения.

Расчет и вывод: Рассчитывается суммарный импульс системы до столкновения $p_{до} = m_1 v_1 + m_2 v_2$ и после столкновения $p_{после}$. Для неупругого удара $p_{после} = (m_1 + m_2) u$. Для упругого $p_{после} = m_1 u_1 + m_2 u_2$. Сравнивая полученные значения, убеждаются, что в пределах погрешности измерений $p_{до} = p_{после}$. Это подтверждает, что в замкнутой системе (где внешними силами, такими как трение, можно пренебречь) полный импульс сохраняется.

Ответ: Наблюдение за столкновениями тележек на воздушной дорожке с измерением их масс и скоростей до и после взаимодействия показывает, что суммарный импульс системы остается неизменным, что доказывает справедливость закона сохранения импульса.