Номер 2, страница 45 - гдз по физике 7 класс учебник Закирова, Аширов

2. Проведите аналогичный опыт в домашних условиях. Сделайте маленькое отверстие в крышке пластмассовой бутылки. Струю воды направьте на неподвижную поверхность. Повторите опыт, при этом поверхность приведите в движение. Можно ли добиться того же результата движением пластмассовой бутылки? Сделайте выводы.

При проведении описанного опыта мы наблюдаем взаимодействие струи воды и поверхности. Сначала, когда струя воды из отверстия в крышке бутылки направлена на неподвижную поверхность, вода просто растекается по ней из точки удара, образуя характерные брызги.

Когда мы повторяем опыт, приводя поверхность в движение (например, двигая поднос под струей), результат меняется. Вместо точки мы видим, что на поверхности остается мокрая линия. Это происходит потому, что пока вода летит и ударяет в поднос, сам поднос смещается, и следующие порции воды попадают на новые участки поверхности.

Можно ли добиться того же результата движением пластмассовой бутылки?

Да, абсолютно того же результата можно добиться, если оставить поверхность неподвижной, а вместо нее двигать саму бутылку с водой. Физика этого явления объясняется принципом относительности движения. Результат взаимодействия (в данном случае, форма мокрого следа на поверхности) зависит не от того, какой из объектов «на самом деле» движется, а от их относительной скорости.

Введем обозначения: пусть $ \vec{v}_{воды} $ — скорость струи воды, а $ \vec{v}_{пов} $ — скорость поверхности, обе скорости измерены относительно земли. Относительная скорость воды по отношению к поверхности, которая и определяет характер их взаимодействия, равна $ \vec{v}_{отн} = \vec{v}_{воды} - \vec{v}_{пов} $.

В первом случае (неподвижная бутылка, движущаяся поверхность): скорость воды $ \vec{v}_{воды} $ постоянна, а поверхность движется со скоростью $ \vec{v}_{пов} $.

Во втором случае (движущаяся бутылка, неподвижная поверхность): поверхность неподвижна ($ \vec{v}_{пов} = 0 $), а бутылка движется со скоростью $ \vec{v}_{бут} $. Скорость струи воды относительно земли теперь будет складываться из скорости ее истечения из бутылки ($ \vec{v}_{воды} $) и скорости самой бутылки: $ \vec{v'}_{воды} = \vec{v}_{воды} + \vec{v}_{бут} $. Тогда относительная скорость будет $ \vec{v'}_{отн} = \vec{v'}_{воды} - \vec{0} = \vec{v}_{воды} + \vec{v}_{бут} $.

Чтобы результат был одинаковым, относительные скорости должны быть равны: $ \vec{v}_{отн} = \vec{v'}_{отн} $.
$ \vec{v}_{воды} - \vec{v}_{пов} = \vec{v}_{воды} + \vec{v}_{бут} $
Из этого следует, что $ \vec{v}_{бут} = - \vec{v}_{пов} $.

Это означает, что если мы будем двигать бутылку со скоростью, равной по величине, но противоположной по направлению скорости движения поверхности в первом опыте, мы получим абсолютно идентичный мокрый след.

Сделайте выводы.

Основной вывод, который можно сделать из этого опыта, — это демонстрация принципа относительности движения. Механические явления и их результаты зависят не от абсолютных скоростей тел, а от их скоростей относительно друг друга. Нет никакой возможности по характеру взаимодействия определить, движется ли источник струи относительно поверхности или поверхность относительно источника струи. Ситуации, когда поверхность движется со скоростью $ \vec{v} $ относительно неподвижной струи, и когда источник струи движется со скоростью $ -\vec{v} $ относительно неподвижной поверхности, физически эквивалентны.

Ответ: Да, можно добиться того же результата, если двигать бутылку со скоростью, равной по модулю и противоположной по направлению скорости движения поверхности. Главный вывод из опыта заключается в демонстрации принципа относительности движения: результат взаимодействия тел зависит только от их относительной скорости.