Эксперимент в классе, страница 192 - гдз по физике 7 класс учебник Закирова, Аширов

Эксперимент в классе

Накручивая нить на ось, поднимите диск (рис. 179), затем отпустите его. Объясните наблюдаемое явление. Какие превращения энергии происходят в поставленном опыте. Обсудите и выскажите свои предположения, почему высота подъема диска с каждым разом становится меньше.

Рис. 179. Маятник Максвелла

Решение:

Объясните наблюдаемое явление.

Описанный в задаче прибор называется маятником Максвелла. Когда диск, поднятый на максимальную высоту, отпускают, он начинает опускаться под действием силы тяжести. При этом нити, на которых он подвешен, раскручиваются, заставляя диск вращаться. Таким образом, диск совершает одновременно поступательное и вращательное движение. Достигнув самой нижней точки, где нити полностью размотаны, диск по инерции продолжает вращаться. В результате этого нити начинают наматываться на ось в обратном направлении, и диск начинает подниматься вверх. Поднявшись на некоторую высоту, он на мгновение останавливается, и цикл повторяется. Это колебательное движение продолжается до тех пор, пока вся энергия не будет потеряна.

Ответ: Наблюдаемое явление — это колебательное движение диска (маятника Максвелла), которое состоит из повторяющихся циклов падения с вращением и последующего подъема за счет инерции вращения.

Какие превращения энергии происходят в поставленном опыте.

В ходе движения маятника Максвелла происходят взаимные превращения различных видов механической энергии, что является демонстрацией закона сохранения энергии.
1. В самой верхней точке траектории, на высоте $h_{\text{max}}$, диск неподвижен. Его полная механическая энергия является исключительно потенциальной: $E = E_p = mgh_{\text{max}}$, где $\text{m}$ — масса диска, $\text{g}$ — ускорение свободного падения.
2. Во время движения вниз высота диска уменьшается, что приводит к уменьшению его потенциальной энергии. Эта энергия преобразуется в кинетическую энергию, которая складывается из энергии поступательного движения $E_{k, \text{пост}} = \frac{1}{2}mv^2$ и энергии вращательного движения $E_{k, \text{вращ}} = \frac{1}{2}I\omega^2$. Таким образом, происходит превращение $E_p \to E_{k, \text{пост}} + E_{k, \text{вращ}}$.
3. В самой нижней точке траектории (при $h=0$) потенциальная энергия минимальна (равна нулю), а кинетическая энергия (сумма поступательной и вращательной) достигает своего максимального значения.
4. При подъеме диска происходит обратный процесс: за счет накопленной кинетической энергии диск поднимается вверх. Кинетическая энергия уменьшается и преобразуется обратно в потенциальную энергию: $E_{k, \text{пост}} + E_{k, \text{вращ}} \to E_p$.

Ответ: В опыте происходят циклические превращения потенциальной энергии в кинетическую (поступательную и вращательную) при движении вниз и обратное превращение кинетической энергии в потенциальную при движении вверх.

Обсудите и выскажите свои предположения, почему высота подъема диска с каждым разом становится меньше.

В идеальной физической системе без потерь полная механическая энергия сохранялась бы, и диск каждый раз поднимался бы на исходную высоту. Однако в реальных условиях высота подъема диска с каждым циклом уменьшается. Это явление называется затуханием колебаний и обусловлено наличием неконсервативных сил, которые совершают работу и приводят к потере механической энергии.
Основные причины потерь энергии:
1. Сопротивление воздуха: При движении и вращении диск испытывает сопротивление со стороны воздуха. Работа силы сопротивления воздуха превращает часть механической энергии системы во внутреннюю энергию (тепло), нагревая сам диск и окружающий воздух.
2. Трение в системе: Существует трение в точках крепления нитей к опоре и трение скольжения между нитями и осью диска при их наматывании и разматывании. Работа сил трения также приводит к диссипации (рассеянию) энергии в виде тепла.
3. Внутреннее трение в нитях: При деформации (скручивании и раскручивании) нитей возникают внутренние силы трения, которые также вызывают потерю энергии.
Из-за этих потерь полная механическая энергия маятника с каждым циклом уменьшается. Так как максимальная высота подъема $\text{h}$ напрямую связана с максимальной потенциальной энергией $E_p = mgh$, уменьшение полной энергии системы приводит к тому, что с каждым последующим подъемом диск достигает все меньшей высоты.

Ответ: Высота подъема диска с каждым разом становится меньше из-за неизбежных потерь механической энергии на преодоление сил трения и сопротивления воздуха. Эта потерянная энергия превращается во внутреннюю энергию (тепло), что приводит к затуханию колебаний.