Эксперимент в классе, страница 18 - гдз по физике 8 класс учебник Закирова, Аширов

Эксперимент в классе

Исследуйте зависимость изменения внутренней энергии монеты при трении о деревянную поверхность от величины силы трения и пройденного пути. Для измерения пройденного пути совершайте монетой возвратно-поступательное движение по заранее отмеченному отрезку. Силу трения можно изменить, уменьшив или увеличив силу давления на монету.

Сделайте вывод: подтверждает ли полученный вами результат теорию.

Решение

Данный эксперимент ставит своей целью исследование зависимости изменения внутренней энергии тела от работы, совершаемой силой трения. С точки зрения физики, при трении механическая работа переходит во внутреннюю энергию. Этот процесс описывается следующими теоретическими положениями.

Изменение внутренней энергии $\Delta U$ тела равно работе $A$, совершенной над ним. В данном случае работа совершается силой трения, поэтому $\Delta U = A_{тр}$. Работа силы трения определяется по формуле: $A_{тр} = F_{тр} \cdot s$, где $F_{тр}$ — это сила трения, а $s$ — пройденный путь. Таким образом, теоретическая зависимость, которую предстоит проверить, имеет вид: $\Delta U = F_{тр} \cdot s$.

Из этой формулы следует, что изменение внутренней энергии (которое в данном опыте будет проявляться как нагрев монеты) должно быть прямо пропорционально как величине силы трения, так и пройденному пути.

В ходе эксперимента мы можем управлять этими двумя переменными:

1. Пройденный путь $s$ можно изменять, совершая разное количество возвратно-поступательных движений монетой по заранее отмеченному отрезку.

2. Силу трения $F_{тр}$ можно изменять, увеличивая или уменьшая силу давления на монету. Согласно формуле силы трения скольжения $F_{тр} = \mu N$ (где $\mu$ — коэффициент трения, а $N$ — сила нормальной реакции опоры), увеличение силы давления приводит к увеличению силы $N$, а следовательно, и силы трения $F_{тр}$.

План эксперимента и ожидаемые результаты:

1. Изучение зависимости от пройденного пути.

Сохраняя силу давления на монету постоянной (стараемся давить одинаково), проведем два опыта. В первом протрем монетой по поверхности небольшое расстояние (например, 10 движений туда-обратно). Во втором — значительно большее расстояние (например, 50 движений). После каждого опыта оценим температуру монеты на ощупь. Ожидается, что после прохождения большего пути монета станет ощутимо горячее. Это покажет, что $\Delta U$ растет с увеличением $s$.

2. Изучение зависимости от силы трения.

Теперь будем сохранять пройденный путь постоянным (например, 30 движений туда-обратно). В первом опыте будем тереть монету, лишь слегка прижимая ее к поверхности (малая сила трения). Во втором — будем сильно давить на монету (большая сила трения). Ожидается, что во втором случае монета нагреется значительно сильнее. Это покажет, что $\Delta U$ растет с увеличением $F_{тр}$.

Таким образом, результаты, полученные в ходе эксперимента, подтвердят теоретические выводы.

Ответ: Да, полученный результат подтверждает теорию. Экспериментально наблюдаемый нагрев монеты (свидетельствующий об увеличении ее внутренней энергии) оказывается тем сильнее, чем больше пройденный монетой путь и чем больше сила давления на нее (а значит, и сила трения). Это полностью согласуется с теоретической формулой, согласно которой изменение внутренней энергии тела в результате трения равно работе силы трения: $\Delta U = A_{тр} = F_{тр} \cdot s$.