Эксперимент, страница 88 - гдз по физике 9 класс учебник Закирова, Аширов

Эксперимент

1. Измерьте силы, действующие:

а) на брусок, который движется равномерно по поверхности стола;

б) на груз, подвешенный к пружине;

в) на тело, погруженное в сосуд с водой.

2. Изобразите на рисунке измеренные силы в выбранном вами масштабе.

а) на брусок, который движется равномерно по поверхности стола;

Для измерения сил, действующих на брусок, используется динамометр. На брусок при равномерном движении по горизонтальной поверхности действуют четыре силы.

1. Силы в горизонтальном направлении:
- Сила тяги $F_{тяги}$: создается при помощи динамометра, которым тянут брусок. Чтобы измерить ее, нужно прикрепить динамометр к бруску и тянуть его так, чтобы он двигался с постоянной скоростью. Показания динамометра будут равны силе тяги.
- Сила трения скольжения $F_{тр}$: направлена против движения. Поскольку движение равномерное, ускорение равно нулю. Согласно второму закону Ньютона, равнодействующая сил равна нулю. Следовательно, сила тяги равна по модулю силе трения: $F_{тяги} = F_{тр}$. Таким образом, измерив силу тяги, мы находим и силу трения.

2. Силы в вертикальном направлении:
- Сила тяжести $F_{тяж}$: направлена вертикально вниз. Ее можно измерить, подвесив брусок к динамометру в состоянии покоя. $F_{тяж} = mg$.
- Сила нормальной реакции опоры $N$: направлена вертикально вверх, перпендикулярно поверхности стола. Так как в вертикальном направлении движения нет, эта сила уравновешивает силу тяжести: $N = F_{тяж}$.

Изображение сил на рисунке:
Допустим, измерения дали следующие результаты: $F_{тяги} = 2$ Н и $F_{тяж} = 5$ Н. Тогда $F_{тр} = 2$ Н и $N = 5$ Н. Выберем масштаб, например, 1 см : 2 Н. Тогда векторы сил будут иметь следующие длины:
- $F_{тяги}$ и $F_{тр}$: $2 \text{ Н} / (2 \text{ Н/см}) = 1$ см.
- $F_{тяж}$ и $N$: $5 \text{ Н} / (2 \text{ Н/см}) = 2,5$ см.
На рисунке из центра бруска рисуют четыре вектора: $F_{тяж}$ (длиной 2,5 см вниз), $N$ (длиной 2,5 см вверх), $F_{тяги}$ (длиной 1 см в сторону движения) и $F_{тр}$ (длиной 1 см против движения).

Ответ: Сила тяги и равная ей по модулю сила трения измеряются динамометром при равномерном горизонтальном движении бруска. Сила тяжести и равная ей сила реакции опоры измеряются путем взвешивания бруска на динамометре.

б) на груз, подвешенный к пружине;

Когда груз подвешен к пружине и находится в состоянии покоя, на него действуют две силы, которые уравновешивают друг друга.

1. Сила тяжести $F_{тяж}$: направлена вертикально вниз и равна произведению массы груза $m$ на ускорение свободного падения $g$: $F_{тяж} = mg$.
2. Сила упругости $F_{упр}$: возникает в растянутой пружине и направлена вертикально вверх. Согласно закону Гука, она пропорциональна удлинению пружины.

Для измерения этих сил достаточно использовать динамометр (пружину со шкалой). При подвешивании груза к динамометру он показывает силу, с которой груз растягивает пружину. В состоянии равновесия эта сила равна силе упругости пружины и силе тяжести груза.
$F_{упр} = F_{тяж}$
Таким образом, показание динамометра напрямую дает значение обеих сил.

Изображение сил на рисунке:
Предположим, динамометр показывает 4 Н. Это значит, что $F_{тяж} = 4$ Н и $F_{упр} = 4$ Н.
Выберем масштаб, например, 1 см : 1 Н. Длины векторов будут по 4 см.
Из центра масс груза рисуют два вектора одинаковой длины (по 4 см): $F_{тяж}$ — направленный вниз, и $F_{упр}$ — направленный вверх.

Ответ: На груз действуют сила тяжести (вниз) и сила упругости пружины (вверх). Их модуль можно измерить с помощью динамометра, подвесив к нему груз. В состоянии покоя эти силы равны по модулю.

в) на тело, погруженное в сосуд с водой.

На тело, полностью погруженное в воду и удерживаемое в равновесии (например, на нити динамометра), действуют три силы.

1. Сила тяжести $F_{тяж}$: направлена вертикально вниз. Для ее измерения необходимо взвесить тело в воздухе с помощью динамометра. Показание динамометра $P_{воздуха}$ будет равно силе тяжести: $F_{тяж} = P_{воздуха}$.
2. Выталкивающая сила (сила Архимеда) $F_{A}$: действует со стороны жидкости, направлена вертикально вверх.
3. Сила натяжения нити $P_{воды}$: сила, с которой динамометр удерживает тело в воде. Направлена вертикально вверх. Для ее измерения нужно опустить тело, подвешенное на динамометре, в воду и зафиксировать показания.

Тело находится в равновесии, значит, сила тяжести уравновешена суммой силы Архимеда и силы натяжения нити:
$F_{тяж} = F_{A} + P_{воды}$
Отсюда выталкивающую силу можно рассчитать как разность веса тела в воздухе и в воде:
$F_{A} = F_{тяж} - P_{воды} = P_{воздуха} - P_{воды}$

Изображение сил на рисунке:
Допустим, измерение веса в воздухе дало $P_{воздуха} = 6$ Н, а в воде — $P_{воды} = 4$ Н. Тогда силы равны: $F_{тяж} = 6$ Н, $P_{воды} = 4$ Н.
Выталкивающая сила: $F_{A} = 6 \text{ Н} - 4 \text{ Н} = 2$ Н. Выберем масштаб 1 см : 2 Н. Тогда длины векторов будут:
- $F_{тяж}$: $6 \text{ Н} / (2 \text{ Н/см}) = 3$ см.
- $P_{воды}$: $4 \text{ Н} / (2 \text{ Н/см}) = 2$ см.
- $F_{A}$: $2 \text{ Н} / (2 \text{ Н/см}) = 1$ см.
Из центра тела рисуют вектор $F_{тяж}$ (длиной 3 см вниз), а также векторы $P_{воды}$ (длиной 2 см вверх) и $F_{A}$ (длиной 1 см вверх). Суммарная длина векторов, направленных вверх (2 см + 1 см = 3 см), равна длине вектора, направленного вниз.

Ответ: На погруженное и удерживаемое тело действуют сила тяжести (вниз), выталкивающая сила (вверх) и сила натяжения подвеса (вверх). Сила тяжести измеряется как вес тела в воздухе, сила натяжения - как вес тела в воде. Выталкивающая сила рассчитывается как разность этих двух измерений.