Номер 1, страница 140 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

Проекты и исследования. Итоги главы 1. Глава 1. Законы движения и взаимодействия тел - номер 1, страница 140.

1. «Экспериментальное подтверждение справедливости условия криволинейного движения тел» (возможная форма: презентация, опыт).

1. «Экспериментальное подтверждение справедливости условия криволинейного движения тел»

Теоретическое обоснование

Движение тела называется криволинейным, если его траектория представляет собой кривую линию. Основное условие, при котором движение тела становится криволинейным, заключается в следующем: вектор ускорения тела $\vec{a}$ не должен быть коллинеарен вектору его мгновенной скорости $\vec{v}$.

Согласно второму закону Ньютона, ускорение тела прямо пропорционально равнодействующей всех сил, приложенных к нему, и совпадает с ней по направлению: $\vec{F}_{net} = m\vec{a}$. Следовательно, условие криволинейного движения можно сформулировать через силы: траектория движения тела является кривой, если вектор равнодействующей силы $\vec{F}_{net}$ не параллелен и не антипараллелен вектору скорости $\vec{v}$.

Вектор ускорения (и силы) можно разложить на две составляющие: тангенциальную (касательную) $\vec{a}_{\tau}$, которая направлена вдоль вектора скорости и отвечает за изменение ее величины (модуля), и нормальную (центростремительную) $\vec{a}_{n}$, которая направлена перпендикулярно вектору скорости и отвечает за изменение ее направления. Для криволинейного движения обязательно наличие нормальной составляющей ускорения: $\vec{a}_{n} \neq 0$.

Для экспериментального подтверждения этого условия достаточно провести опыты, в которых на движущееся тело будет действовать сила, направленная под углом к его скорости, и зафиксировать, что траектория движения является кривой.

Эксперимент 1: Движение тела, брошенного горизонтально

Цель опыта: Продемонстрировать, что при действии силы, перпендикулярной начальной скорости, тело движется по криволинейной траектории.

Оборудование: Небольшой шарик (например, металлический или от пинг-понга), ровная горизонтальная поверхность (стол).

Ход опыта:

1. Поместить шарик на край стола.

2. Сообщить шарику начальную скорость $\vec{v}_0$ в горизонтальном направлении, например, щелчком или скатив его по короткому наклонному желобу, установленному на столе.

3. Наблюдать за траекторией полета шарика после того, как он покинет стол, до момента падения на пол.

Анализ и результаты:

• В момент отрыва от стола шарик имеет только горизонтальную составляющую скорости $\vec{v}_0$.

• Сразу после отрыва на шарик начинает действовать сила тяжести $\vec{F}_g$, направленная вертикально вниз (пренебрегаем сопротивлением воздуха).

• Вектор силы $\vec{F}_g$ и вызванное ею ускорение свободного падения $\vec{g}$ перпендикулярны вектору начальной скорости $\vec{v}_0$.

• Наблюдаемая траектория полета шарика — это кривая линия (ветвь параболы), а не прямая. Шарик одновременно движется вперед по инерции и падает вниз под действием силы тяжести.

Вывод: Поскольку на тело действовала сила, не коллинеарная его скорости, направление вектора скорости постоянно менялось, что привело к искривлению траектории. Опыт подтверждает основное условие криволинейного движения.

Эксперимент 2: Движение тела по окружности

Цель опыта: Показать, что для движения по окружности (частный случай криволинейного движения) необходима постоянная сила, перпендикулярная вектору скорости.

Оборудование: Небольшой груз (пробка, гайка), прочная нить.

Ход опыта:

1. Привязать груз к нити.

2. Удерживая свободный конец нити, раскрутить груз так, чтобы он двигался по окружности в горизонтальной плоскости с постоянной по модулю скоростью.

Анализ и результаты:

• Груз движется по криволинейной траектории — окружности.

• В любой точке траектории вектор мгновенной скорости $\vec{v}$ направлен по касательной к окружности.

• Силой, заставляющей груз отклоняться от прямолинейного пути, является сила натяжения нити $\vec{F}_T$. Эта сила всегда направлена вдоль нити к центру окружности (к руке).

• Таким образом, вектор силы $\vec{F}_T$ (и соответствующее ему центростремительное ускорение $\vec{a}_n$) в каждый момент времени перпендикулярен вектору скорости $\vec{v}$.

• Если отпустить нить, сила натяжения исчезнет ($\vec{F}_T=0$), и груз, согласно первому закону Ньютона, полетит по прямой — по касательной к окружности в той точке, где он находился в момент отпускания.

Вывод: Движение по окружности возможно только при наличии силы, постоянно действующей перпендикулярно скорости. Эта сила непрерывно изменяет направление движения тела, не меняя (в данном случае) его скорость по модулю. Это также является ярким подтверждением условия криволинейного движения.

Ответ: Для экспериментального подтверждения справедливости условия криволинейного движения (неколлинеарность векторов скорости $\vec{v}$ и ускорения $\vec{a}$) можно провести два простых опыта. Первый опыт — наблюдение за полетом тела, брошенного горизонтально. Начальная скорость $\vec{v}_0$ горизонтальна, а сила тяжести $\vec{F}_g$ вертикальна; в результате тело летит по параболе. Второй опыт — вращение груза на нити. Скорость $\vec{v}$ направлена по касательной к окружности, а сила натяжения нити $\vec{F}_T$ — к центру. В обоих случаях сила (и ускорение) не параллельна скорости, и траектория движения является кривой, что и доказывает исходное утверждение.