Дополнительные задания, страница 33 - гдз по физике 7 класс тетрадь для лабораторных работ Генденштейн, Булатова

Лабораторная работа № 4. Исследование равномерного движения тела - страница 33.

Условие.

Дополнительные задания

1. Наберите пипеткой кипячёную воду и капните в бутылку с растительным маслом¹. Проверьте, является ли движение капли воды равномерным. Сделайте необходимые измерения и запишите вывод.

¹ Вместо бутылки с маслом можно использовать запаянную стеклянную трубку с глицерином (или другой вязкой жидкостью), в котором всплывает пузырёк воздуха. Можно также налить растительное масло в пробирку и плотно закрыть пробирку резиновой пробкой.

2. На торцевую поверхность цилиндра нанесите точку, как показано на рисунке 3 (вид сбоку). Прокатите этот цилиндр по столу, наблюдая за движением отмеченной точки. Нарисуйте примерную траекторию этой точки: относительно цилиндра; относительно стола.

Рис. 3

3. Используя график зависимости пути от времени для велосипедиста (рис. 4), заполните таблицу.

Рис. 4

Путь, км	10	20	30	40	60
Время, ч	0,5	1	1,5	2	3

Чему равна скорость велосипедиста?

Решение.

1. Это задание представляет собой физический эксперимент для наблюдения за движением тела в вязкой среде.

Ход эксперимента:
1. В высокую прозрачную бутылку или пробирку наливается растительное масло (или другая вязкая жидкость, например, глицерин).
2. С помощью пипетки в масло аккуратно капается капля подкрашенной кипяченой воды. Плотность воды больше плотности масла, поэтому капля начнет тонуть.
3. На стенке сосуда делаются две метки на некотором расстоянии друг от друга (например, A и B). Расстояние между ними ($\text{s}$) измеряется линейкой. Важно, чтобы первая метка (A) находилась ниже уровня масла, чтобы к моменту ее достижения движение капли стало установившимся.
4. С помощью секундомера измеряется время ($\text{t}$), за которое капля проходит расстояние между метками A и B.
5. Для проверки равномерности движения можно сделать несколько таких участков (AB, BC, CD и т.д.) одинаковой длины и измерить время прохождения каждого.

Физическое обоснование и вывод:
На каплю воды в масле действуют три силы:

• Сила тяжести ($F_т$), направленная вниз.
• Выталкивающая сила (сила Архимеда, $F_А$), направленная вверх.
• Сила вязкого трения (сопротивления, $F_с$), направленная вверх, против движения.

Поскольку плотность воды больше плотности масла, сила тяжести превышает выталкивающую силу ($F_т > F_А$), и капля начинает двигаться вниз с ускорением. Однако, сила сопротивления зависит от скорости капли — чем больше скорость, тем больше сопротивление. В какой-то момент сила сопротивления становится настолько большой, что уравновешивает разность силы тяжести и силы Архимеда: $F_с = F_т - F_А$. С этого момента сумма всех сил, действующих на каплю, становится равной нулю, и капля, согласно первому закону Ньютона, продолжает движение с постоянной скоростью, то есть равномерно. Этот начальный период ускоренного движения обычно очень короткий.

Измерения и вывод:
Если измерения времени прохождения равных участков пути дадут примерно одинаковые результаты, то можно сделать вывод, что движение капли является равномерным (после короткого начального участка).

Ответ: Движение капли воды в растительном масле, после короткого начального периода разгона, является равномерным. Это происходит потому, что сила сопротивления масла уравновешивает действующую на каплю равнодействующую силы тяжести и выталкивающей силы, в результате чего суммарная сила становится равной нулю, и капля движется с постоянной скоростью.

2. Траектория движения точки зависит от выбора системы отсчета.

Траектория точки относительно цилиндра:
В системе отсчета, связанной с центром цилиндра, сам цилиндр неподвижен. Отмеченная точка находится на его ободе и, следовательно, движется по окружности.

Траектория точки относительно стола:
В системе отсчета, связанной со столом, движение точки является сложным. Оно складывается из поступательного движения центра цилиндра вдоль стола и вращательного движения точки вокруг центра. Такая траектория называется циклоидой. Точка, начиная с левой стороны, движется вниз и вперед до касания со столом, затем вверх и вперед до максимальной высоты (равной диаметру цилиндра), а затем снова вниз.

Ответ: Траектория точки относительно цилиндра — окружность. Траектория точки относительно стола — циклоида. Примерные траектории показаны на рисунках выше.

3. График зависимости пути ($\text{l}$) от времени ($\text{t}$) представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат. Это означает, что движение велосипедиста является равномерным, то есть его скорость постоянна.

Для заполнения таблицы определим значения пути, соответствующие указанным моментам времени, по графику. Масштаб осей: по оси времени (горизонтальной) одно деление равно 0,25 ч, по оси пути (вертикальной) — 5 км.

• При $t = 0,5$ ч, $l = 10$ км.
• При $t = 1$ ч, $l = 20$ км.
• При $t = 1,5$ ч, $l = 30$ км.
• При $t = 2$ ч, $l = 40$ км.

Для $t = 3$ ч значение можно найти, продолжив закономерность. Сначала найдем скорость.

Заполненная таблица:

Путь, км	10	20	30	40	60
Время, ч	0,5	1	1,5	2	3

Чему равна скорость велосипедиста?

Дано:

Из графика: при времени $t = 2$ ч, велосипедист проехал путь $l = 40$ км.
$t = 2$ ч
$l = 40$ км
Перевод в систему СИ:
$t = 2 \text{ ч} = 2 \times 3600 \text{ с} = 7200 \text{ с}$
$l = 40 \text{ км} = 40 \times 1000 \text{ м} = 40000 \text{ м}$

Найти:

$\text{v}$ — скорость велосипедиста.

Решение:

Скорость при равномерном движении находится по формуле: $v = \frac{l}{t}$
Подставим значения в удобных для расчета единицах (км и ч): $v = \frac{40 \text{ км}}{2 \text{ ч}} = 20 \text{ км/ч}$
Теперь, когда мы знаем скорость, мы можем найти путь для $t = 3$ ч: $l_3 = v \cdot t_3 = 20 \text{ км/ч} \cdot 3 \text{ ч} = 60 \text{ км}$.
Это значение мы и внесли в последний столбец таблицы.
Переведем скорость в систему СИ (м/с): $v = 20 \frac{\text{км}}{\text{ч}} = 20 \cdot \frac{1000 \text{ м}}{3600 \text{ с}} = \frac{200}{36} \frac{\text{м}}{\text{с}} \approx 5,56 \text{ м/с}$

Ответ: Скорость велосипедиста равна 20 км/ч (или примерно 5,56 м/с).