Номер 1, страница 44 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

1. На столе в равномерно и прямолинейно движущемся поезде стоит легкоподвижный игрушечный автомобиль. При торможении поезда автомобиль без внешнего воздействия покатился вперёд, сохраняя свою скорость относительно земли.

Выполняется ли закон инерции:

а) в системе отсчёта, связанной с землёй;

б) в системе отсчёта, связанной с поездом, во время его прямолинейного и равномерного движения; во время торможения?

Можно ли в описанном случае считать инерциальной систему отсчёта, связанную с землёй; с поездом?

Для ответа на вопросы задачи необходимо понимать, что такое закон инерции (первый закон Ньютона) и инерциальная система отсчёта (ИСО).

Закон инерции гласит: существуют такие системы отсчёта, относительно которых тело движется равномерно и прямолинейно или покоится, если на него не действуют другие тела (силы) или действие этих тел скомпенсировано.

Инерциальная система отсчёта (ИСО) — это система отсчёта, в которой выполняется закон инерции. Любая система отсчёта, которая движется относительно ИСО с постоянной скоростью (равномерно и прямолинейно), также является инерциальной. Система отсчёта, движущаяся с ускорением относительно ИСО, является неинерциальной.

а) в системе отсчёта, связанной с землёй:

Согласно условию, при торможении поезда автомобиль "сохраняя свою скорость относительно земли". Это означает, что его скорость в системе отсчёта, связанной с землёй, постоянна ($ \vec{v}_{земля} = \text{const} $). При этом на автомобиль действуют скомпенсированные силы: сила тяжести и сила реакции опоры. Горизонтальные силы отсутствуют (пренебрегаем трением, так как автомобиль "легкоподвижный"). Таким образом, равнодействующая всех сил, приложенных к автомобилю, равна нулю ($ \sum \vec{F} = 0 $). Поскольку тело при нулевой равнодействующей сил сохраняет свою скорость (движется равномерно и прямолинейно), закон инерции в системе отсчёта, связанной с землёй, выполняется.

Ответ: Да, закон инерции в системе отсчёта, связанной с землёй, выполняется.

б) в системе отсчёта, связанной с поездом, во время его прямолинейного и равномерного движения; во время торможения?

Во время прямолинейного и равномерного движения поезда:

В этом случае система отсчёта, связанная с поездом, движется с постоянной скоростью относительно системы отсчёта, связанной с землёй (которую мы считаем инерциальной). Следовательно, система отсчёта поезда также является инерциальной. Относительно поезда автомобиль покоится ($ \vec{v}_{поезд} = 0 $), и равнодействующая сил, действующих на него, равна нулю. Таким образом, закон инерции выполняется.

Во время торможения поезда:

Когда поезд тормозит, он движется с ускорением относительно земли (ускорение направлено против скорости). Такая система отсчёта, связанная с поездом, является неинерциальной. Для наблюдателя в поезде автомобиль, на который не действуют никакие внешние горизонтальные силы, вдруг начинает двигаться с ускорением вперёд. То есть тело меняет свою скорость, хотя равнодействующая приложенных к нему сил равна нулю. Это является прямым нарушением закона инерции.

Ответ: Во время равномерного движения закон инерции выполняется. Во время торможения закон инерции не выполняется.

Можно ли в описанном случае считать инерциальной систему отсчёта, связанную с землёй; с поездом?

Система отсчёта, связанная с землёй:

Да, можно. Как было показано в пункте "а", в этой системе отсчёта выполняется закон инерции. В физике систему отсчёта, связанную с Землёй, принято считать инерциальной с высокой степенью точности для решения большинства задач.

Система отсчёта, связанная с поездом:

Эту систему отсчёта можно считать инерциальной только в тот период, когда поезд движется равномерно и прямолинейно. В момент торможения (а также разгона или поворота) поезд движется с ускорением, и связанная с ним система отсчёта становится неинерциальной.

Ответ: Систему отсчёта, связанную с землёй, можно считать инерциальной. Систему отсчёта, связанную с поездом, можно считать инерциальной только во время его равномерного прямолинейного движения, но не во время торможения.