Страница 6 - гдз по физике 9 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

7. Что является телом отсчёта, когда говорят, что Солнце восходит и заходит?

Когда говорят о восходе и заходе Солнца, имеют в виду его видимое движение на небесной сфере. Наблюдатель, находящийся на поверхности Земли, видит, как Солнце появляется из-за горизонта, поднимается, а затем опускается и скрывается за горизонтом.

В такой ситуации система отсчета связана с наблюдателем и поверхностью Земли. Наблюдатель считает себя и окружающие его предметы (горы, дома, деревья, линию горизонта) неподвижными. Движение Солнца описывается относительно этих неподвижных объектов, то есть относительно Земли.

Хотя с точки зрения астрономии именно Земля вращается вокруг своей оси, вызывая смену дня и ночи, для описания явлений восхода и захода телом отсчета выбирается Земля. Это так называемая геоцентрическая система отсчета (в данном локальном, а не космологическом смысле).

Ответ: Телом отсчета является Земля.

8. Пассажир сидит в купе поезда, движущегося из Москвы в Санкт-Петербург. Укажите, относительно каких тел отсчёта пассажир находится в покое, а относительно каких — в движении.

Понятие движения и покоя в физике является относительным. Это значит, что состояние тела (движется оно или покоится) зависит от выбора другого тела, относительно которого это состояние рассматривается. Такое тело называется телом отсчета.

Относительно каких тел пассажир находится в покое

Пассажир будет находиться в состоянии покоя относительно тех тел, взаимное расположение с которыми у него не меняется с течением времени. Поскольку пассажир сидит в купе, он неподвижен относительно самого купе, вагона и поезда в целом. Также он находится в покое относительно других пассажиров, сидящих в этом же поезде, и предметов интерьера (столик, кресло и т.д.).

Ответ: Пассажир находится в покое относительно поезда, вагона, своего кресла, столика и других пассажиров, находящихся в этом же поезде.

Относительно каких тел пассажир находится в движении

Пассажир будет находиться в состоянии движения относительно тех тел, взаимное расположение с которыми у него изменяется с течением времени. Так как поезд едет из Москвы в Санкт-Петербург, он движется относительно поверхности Земли. Следовательно, пассажир вместе с поездом движется относительно Земли, железнодорожного полотна, станций, деревьев и зданий за окном, а также относительно самих городов (Москвы и Санкт-Петербурга).

Ответ: Пассажир находится в движении относительно Земли, железнодорожных путей, станций, деревьев и домов вдоль дороги, городов Москвы и Санкт-Петербурга.

9. Человек, сидящий на вращающейся карусели, видит, что относительно неё он неподвижен, а окружающие его предметы и деревья на поверхности Земли движутся. Что в данном случае является телом отсчёта?

Решение

Тело отсчёта — это тело, относительно которого рассматривается движение других тел. В данной задаче движение описывается с точки зрения человека, находящегося на карусели.

В условии сказано, что человек видит себя неподвижным относительно карусели. Это ключевой момент, который указывает на выбор системы отсчёта. Когда мы выбираем тело отсчёта, мы условно считаем его неподвижным. Все движения других тел мы рассматриваем относительно этого "неподвижного" тела.

Поскольку человек на карусели считает себя и карусель неподвижными, а окружающий мир (деревья, предметы на земле) — движущимся, это означает, что в качестве тела отсчёта выбрана именно карусель.

Ответ: Телом отсчёта в данном случае является вращающаяся карусель.

10. Укажите, что принимают за тело отсчёта, когда говорят: а) скорость бревна, плывущего по реке, равна нулю; б) скорость плывущего по реке плота равна скорости течения воды.

а) скорость бревна, плывущего по реке, равна нулю;

По определению, скорость тела равна нулю в той системе отсчёта, в которой это тело покоится. Бревно, плывущее по реке, увлекается течением и движется вместе с водой. Следовательно, относительно воды (если принять её за тело отсчёта) бревно будет неподвижно. Таким образом, его скорость будет равна нулю именно в системе отсчёта, связанной с водой.

Ответ: Телом отсчёта является вода в реке.

б) скорость плывущего по реке плота равна скорости течения воды.

Скорость течения воды обычно измеряется относительно неподвижных объектов, таких как берега или дно реки. В этой системе отсчёта (связанной с Землёй) вода движется с определённой скоростью. Плот, плывущий по реке без собственного двигателя, движется вместе с водой. Поэтому его скорость, измеренная относительно берега, будет равна скорости течения воды. Таким образом, утверждение "скорость плота равна скорости течения" подразумевает, что обе скорости измеряются в системе отсчёта, связанной с берегом.

Ответ: Телом отсчёта является берег реки (или любой другой объект, неподвижный относительно Земли).

11. Воздухоплаватель на воздушном шаре оказался в тумане. Может ли воздухоплаватель, не пользуясь приборами, определить направление полёта?

Решение

Нет, воздухоплаватель не может определить направление своего полёта в тумане, не пользуясь приборами. Это объясняется принципом относительности движения.

Воздушный шар не имеет собственного двигателя для горизонтального перемещения, он дрейфует вместе с воздушной массой, в которой находится. Его скорость и направление движения относительно земли полностью определяются скоростью и направлением ветра.

Когда шар находится в тумане, он движется вместе с этим туманом как единое целое. Для наблюдателя в корзине шара (воздухоплавателя) окружающий его воздух и капли тумана будут казаться неподвижными. Относительная скорость шара и воздуха равна нулю, поэтому воздухоплаватель не будет ощущать ветер.

Кроме того, туман скрывает все внешние ориентиры (поверхность земли, солнце, звезды), по которым можно было бы судить о перемещении. Таким образом, у воздухоплавателя нет никакой информации, чтобы определить, в каком направлении он движется относительно земли. Он может определить только своё вертикальное движение (подъём или спуск), например, бросив лёгкий предмет за борт и наблюдая за его движением вниз.

Ответ: Нет, воздухоплаватель не может определить направление полёта, так как он движется вместе с окружающим его воздухом (туманом) и не имеет внешних ориентиров.

12. Пассажир сидит в одном из вагонов поезда и смотрит в окно на стоящий рядом состав. Когда соседний состав начинает двигаться, то пассажиру кажется, что начинает двигаться его поезд. Почему? Наблюдалось бы такое явление, если бы пассажир мог одновременно видеть соседний состав и здание вокзала?

Почему пассажиру кажется, что начинает двигаться его поезд?

Это явление объясняется принципом относительности движения. Движение любого тела можно определить только по отношению к другим телам (системе отсчета). Когда пассажир смотрит в окно и видит только соседний поезд, этот поезд становится для него основной системой отсчета. Он наблюдает относительное движение двух поездов. Поскольку сам пассажир неподвижен внутри своего вагона и привык ассоциировать движение с собственным поездом, его мозг интерпретирует изменение взаимного расположения как движение собственного поезда в сторону, противоположную движению соседнего состава. Это зрительная иллюзия, которая возникает из-за отсутствия неподвижного ориентира.

Ответ: Пассажиру кажется, что движется его поезд, из-за относительности механического движения. Когда единственным видимым объектом является соседний состав, он становится телом отсчета, и мозг интерпретирует их относительное движение как движение собственного поезда.

Наблюдалось бы такое явление, если бы пассажир мог одновременно видеть соседний состав и здание вокзала?

Нет, в этом случае такое явление, скорее всего, не наблюдалось бы. Здание вокзала, неподвижное относительно земли, стало бы для пассажира надежной, "истинной" системой отсчета. Видя, что соседний поезд движется относительно здания вокзала, а его собственный вагон остается на месте по отношению к тому же зданию, пассажир смог бы однозначно определить, какой именно поезд пришел в движение. Наличие неподвижного ориентира (здания вокзала) разрушает иллюзию, предоставляя мозгу достаточно информации для правильной оценки ситуации.

Ответ: Нет, если бы пассажир мог одновременно видеть соседний состав и здание вокзала, иллюзия движения бы не возникла, так как здание вокзала служило бы неподвижной системой отсчета, относительно которой можно было бы правильно определить движущийся объект.

13. Любознательный мальчик Алёша совершает различные путешествия: а) поднимается в лифте; б) стоит на эскалаторе метро, движущемся вверх; в) едет в автомобиле; г) тренируется на велотренажёре; д) сидит на вращающейся карусели; е) находится в каюте идущего по морю теплохода. Укажите, относительно каких тел он находится в движении, а относительно каких покоится. Что является в каждом случае телом отсчёта?

Понятия движения и покоя относительны. Это означает, что состояние тела (движется оно или покоится) зависит от выбора другого тела, называемого телом отсчёта, относительно которого это состояние рассматривается.

а) поднимается в лифте

Алёша находится в движении относительно здания (стен, пола, потолка этажей) и Земли. В этом случае телом отсчёта, относительно которого рассматривается движение, является здание или Земля.
Алёша находится в состоянии покоя относительно кабины лифта, в которой он едет (её пола, стен, потолка). Здесь телом отсчёта является кабина лифта.

Ответ: Движется относительно здания (тело отсчёта — здание/Земля), покоится относительно кабины лифта (тело отсчёта — кабина лифта).

б) стоит на эскалаторе метро, движущемся вверх

Алёша движется относительно стен станции метро, пола вестибюля, людей, стоящих на платформе, и Земли. Телом отсчёта в данном случае является станция метро (или Земля).
Алёша покоится относительно ступеней и поручней эскалатора, а также других людей, неподвижно стоящих на том же эскалаторе. Телом отсчёта является эскалатор.

Ответ: Движется относительно станции метро (тело отсчёта — станция), покоится относительно ступеней эскалатора (тело отсчёта — эскалатор).

в) едет в автомобиле

Алёша движется относительно дороги, придорожных деревьев, зданий и Земли. Телом отсчёта является Земля или любой неподвижный объект на ней (например, дерево).
Алёша покоится относительно самого автомобиля (сиденья, приборной панели, водителя). В этом случае телом отсчёта является автомобиль.

Ответ: Движется относительно дороги (тело отсчёта — Земля), покоится относительно автомобиля (тело отсчёта — автомобиль).

г) тренируется на велотренажёре

В этом случае части тела Алёши находятся в разных состояниях. Его ноги, вращающие педали, находятся в движении относительно рамы велотренажёра, пола комнаты и его собственного туловища. Однако его тело в целом (центр масс) остаётся на месте.
Алёша (как единое целое) покоится относительно комнаты, в которой он находится, здания и Земли. Телом отсчёта здесь является комната или Земля.

Ответ: Части тела (ноги) движутся, но в целом Алёша покоится относительно комнаты (тело отсчёта — комната/Земля).

д) сидит на вращающейся карусели

Алёша движется (по окружности) относительно Земли, окружающих аттракционов и людей, стоящих на земле. Телом отсчёта является Земля.
Алёша покоится относительно сиденья, на котором он сидит, и других частей самой карусели. Телом отсчёта является карусель.

Ответ: Движется относительно Земли (тело отсчёта — Земля), покоится относительно сиденья карусели (тело отсчёта — карусель).

е) находится в каюте идущего по морю теплохода

Алёша находится в движении относительно воды (если считать её неподвижной), берега, маяков и Земли. Телом отсчёта является берег или Земля.
Алёша покоится относительно каюты, в которой он находится, мебели в ней и самого теплохода. Телом отсчёта является теплоход.

Ответ: Движется относительно берега (тело отсчёта — берег/Земля), покоится относительно теплохода (тело отсчёта — теплоход).

14. a) Что определяет пассажир автобуса по цифрам на километровых столбах, установленных вдоль шоссейных дорог, — перемещение автобуса или пройденный им путь? б) Какую скорость показывает спидометр автомобиля?

а) Пассажир автобуса по цифрам на километровых столбах определяет пройденный автобусом путь. Километровые столбы измеряют расстояние вдоль дороги, то есть длину траектории движения, а не кратчайшее расстояние (вектор перемещения) между начальной и конечной точками. Если дорога извилистая, то пройденный путь будет больше модуля перемещения.

Ответ: пройденный путь.

б) Спидометр автомобиля показывает мгновенную скорость. Это скорость движения транспортного средства в данный конкретный момент времени. Она отличается от средней скорости, которая вычисляется как отношение всего пройденного пути ко всему времени движения.

Ответ: мгновенную скорость.