Номер 103, страница 23 - гдз по физике 9 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Законы движения и взаимодействия тел. Относительность движения - номер 103, страница 23.

Условие.

103. Во время равномерного движения поезда с верхней полки падает мяч. Будет ли он падать вертикально? Одинаково ли ответят на этот вопрос наблюдатели, находящиеся в вагоне и на платформе?

Решение.

Решение

Этот вопрос рассматривает принцип относительности движения. Ответ зависит от выбора системы отсчета, то есть от того, относительно чего мы наблюдаем движение мяча.

Будет ли он падать вертикально?

В момент, когда мяч начинает падать, он уже обладает горизонтальной скоростью, равной скорости поезда. По первому закону Ньютона (закону инерции), тело стремится сохранить свою скорость при отсутствии внешних сил. В горизонтальном направлении на мяч не действуют силы (пренебрегая сопротивлением воздуха), поэтому его горизонтальная скорость остается постоянной и равной скорости поезда.

Одновременно на мяч действует сила тяжести, направленная вертикально вниз. Эта сила придает мячу ускорение свободного падения $g$, направленное вертикально вниз.

Таким образом, движение мяча является сложным: он одновременно движется равномерно по горизонтали и равноускоренно по вертикали. Траектория такого движения зависит от системы отсчета наблюдателя.

Ответ: Вопрос о том, падает ли мяч вертикально, не имеет однозначного ответа без указания системы отсчета, в которой ведется наблюдение.

Одинаково ли ответят на этот вопрос наблюдатели, находящиеся в вагоне и на платформе?

Нет, наблюдатели дадут разные ответы, так как они находятся в разных системах отсчета.

Наблюдатель в вагоне:

Наблюдатель, находящийся в вагоне, движется вместе с поездом. Его горизонтальная скорость равна горизонтальной скорости мяча. Относительно вагона (и наблюдателя в нем) горизонтальная скорость мяча равна нулю. Наблюдатель будет видеть только вертикальное перемещение мяча, вызванное силой тяжести. Для него траектория падения мяча будет прямой вертикальной линией.

Наблюдатель на платформе:

Наблюдатель, стоящий на платформе, находится в системе отсчета, связанной с землей. Он видит, что поезд, вагон и мяч в начальный момент времени имеют горизонтальную скорость $v$. После начала падения мяч сохраняет эту горизонтальную скорость $v$ и одновременно начинает падать вертикально вниз с ускорением $g$. Сложение равномерного горизонтального движения и равноускоренного вертикального движения дает в результате параболическую траекторию. Для этого наблюдателя мяч будет двигаться по дуге параболы.

Ответ: Наблюдатели ответят на вопрос по-разному. Для наблюдателя в вагоне мяч будет падать вертикально. Для наблюдателя на платформе мяч будет двигаться по параболе.