Эксперимент в классе, страница 85 - гдз по физике 7 класс учебник Закирова, Аширов

Эксперимент в классе

Повторите опыт Галилея. Скатывая шарик (брусок) с наклонной плоскости, не меняя ее высоту, направляйте его на различные по покрытию горизонтальные поверхности. Сравните расстояния, пройденные шариком (бруском) в каждом случае. По результату эксперимента сделайте выводы.

Цель эксперимента

Целью данного эксперимента, являющегося упрощенной версией опытов Галилео Галилея, является исследование движения тела на горизонтальной поверхности в зависимости от свойств этой поверхности, и на основе этого формулирование вывода о природе движения при отсутствии внешних сил (в частности, силы трения).

Проведение эксперимента и наблюдения

1. Устанавливаем наклонную плоскость. С одной и той же высоты $\text{h}$ скатываем шарик (или брусок) без начальной скорости.

2. Шарик, достигнув основания наклонной плоскости, продолжает движение по горизонтальной поверхности. Важно, что поскольку высота $\text{h}$ постоянна, то и скорость $\text{v}$, которую шарик приобретает у основания наклонной плоскости, будет одинаковой в каждом опыте (согласно закону сохранения энергии).

3. В качестве горизонтальной поверхности последовательно используем покрытия с разной степенью шероховатости, например:

а) Поверхность, посыпанная песком.

б) Ворсистый ковер.

в) Гладкая деревянная доска.

г) Лед (в качестве мысленного или реального эксперимента).

4. В каждом случае измеряем расстояние $\text{s}$, которое шарик проходит по горизонтальной поверхности до полной остановки.

Наблюдения показывают, что пройденные расстояния будут различными. Шарик пройдет наименьшее расстояние по песку, большее — по ковру, еще большее — по деревянной доске и максимальное — по льду. Таким образом, можно записать соотношение для пройденных путей:

$s_{песок} < s_{ковер} < s_{дерево} < s_{лед}$

Анализ результатов

Причиной остановки шарика является сила трения $F_{тр}$, действующая на него со стороны горизонтальной поверхности и направленная против движения. Эта сила совершает отрицательную работу $A_{тр} = -F_{тр} \cdot s$, которая приводит к уменьшению кинетической энергии шарика до нуля.

Согласно теореме о кинетической энергии, работа силы трения равна изменению кинетической энергии тела:

$A_{тр} = \Delta E_k = 0 - E_{k0}$

где $E_{k0}$ — начальная кинетическая энергия шарика на горизонтальном участке. Отсюда:

$-F_{тр} \cdot s = -E_{k0}$

$s = \frac{E_{k0}}{F_{тр}}$

Поскольку начальная скорость $\text{v}$ и, следовательно, начальная кинетическая энергия $E_{k0}$ во всех случаях одинаковы, то пройденный путь $\text{s}$ обратно пропорционален силе трения $F_{тр}$:

$s \propto \frac{1}{F_{тр}}$

Чем меньше сила трения (чем более гладкая поверхность), тем большее расстояние проходит тело до остановки. Наши наблюдения полностью подтверждают этот вывод: сила трения о песок максимальна, а о лед — минимальна из рассмотренных поверхностей.

Выводы

Проведенный анализ позволяет сделать следующий шаг в рассуждениях, как это сделал Галилей. Если мы будем и дальше уменьшать силу трения, выбирая все более и более гладкие поверхности, то пройденный телом путь будет все больше и больше. Логично предположить, что если бы можно было создать идеальную горизонтальную поверхность, на которой сила трения полностью отсутствует ($F_{тр} \to 0$), то тело, получив начальную скорость, двигалось бы по ней бесконечно долго ($s \to \infty$) с постоянной скоростью.

Этот вывод представляет собой формулировку закона инерции: тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют другие тела (силы) или действие этих сил скомпенсировано.

Ответ: Эксперимент показывает, что расстояние, проходимое телом по горизонтальной поверхности до остановки, обратно пропорционально силе трения. Уменьшение силы трения ведет к увеличению проходимого пути. Это позволяет сделать вывод (закон инерции), что при полном отсутствии трения и других внешних сил тело, имеющее начальную скорость, будет двигаться с этой скоростью равномерно и прямолинейно бесконечно долго.