Готовые домашние задания к учебнику Перышкина по физике за седьмой класс издательства Дрофа помогут вам освободить время для увлечений и приятных хлопот. Хотя это наука о природе, о законах, по которым мы существуем в мире и с которыми сталкиваемся ежедневно, наука эта довольно сложна, в ней много тонкостей. Именно поэтому стоит уделить ей пристальное внимание с самого первого урока, потому что потом наверстать упущенное будет сложно. Да к тому же при правильном подходе учителя физика - это интересно, это опыты и практические работы, в которых все наглядно и очевидно.

 Но если у вас есть проблемы с домашним заданием по физике, не беда, заглядывайте в готовые домашние задания на 7 гуру, и вы быстрее разберетесь, как отвечать на вопросы и как решать задачи по физическим формулам.

 Со своей стороны можем пожелать внимательности, потому что списывать тоже нужно уметь :)

Ответы на задания к учебнику физика за 7 класс, Перышкин:

 Готовые домашние задания к учебнику Перышкина по физике за седьмой класс издательства Дрофа помогут вам освободить время для увлечений и приятных хлопот. Хотя это наука о природе, о законах, по которым мы существуем в мире и с которыми сталкиваемся ежедневно, наука эта довольно сложна, в ней много тонкостей. Именно поэтому стоит уделить ей пристальное внимание с самого первого урока, потому что потом наверстать упущенное будет сложно. Да к тому же при правильном подходе учителя физика - это интересно, это опыты и практические работы, в которых все наглядно и очевидно.

 Но если у вас есть проблемы с домашним заданием по физике, не беда, заглядывайте в готовые домашние задания на 7 гуру, и вы быстрее разберетесь, как отвечать на вопросы и как решать задачи по физическим формулам.

 Со своей стороны можем пожелать внимательности, потому что списывать тоже нужно уметь :)

Ответы на задания к учебнику физика за 7 класс, Перышкин:

Ответы к §1

ВВЕДЕНИЕ

§1. Что изучает физика

Вопросы

1. Что такое физика?

Ответ:

Физика — одна из наук о природе, изучающая физические явления и свойства тел и веществ.

2. Что изучает физика?

Ответ:

Физика изучает явления природы, а именно - физические явления: механические, электрические, магнитные, тепловые, звуковые и световые. (Учебник стр.4)

3. Приведите примеры физических явлений.

Ответ:

Таяние льда, кипение воды, падение камня, нагревание проволоки током, ветер, гром. (Учебник стр.3)

4. Какие естественные науки вы знаете?

Ответ:

Помимо физики это биология, география, астрономия, химия. (Учебник стр.4)

Задание

• Осенью листья на деревьях желтеют и опадают. Какие процессы при этом можно отнести к биологическим, химическим, физическим явлениям?

Ответ:

Осенью деревьям недостает влаги и поступающих от корней минеральных веществ. Жизненные процессы замирают. Чтобы сэкономить на питании, многие растения приспособились сбрасывать листву перед наступлением холодов. Пожелтение листьев и листопад принято относить к биологическим процессам, так лиственное дерево готовится к зиме. Но листья желтеют вследствие химического процесса - разрушения хлорофилла. В листе становится больше каротиноидов, имеющих желто-красные оттенки. Лист теряет влагу и высыхает - это физический процесс, опадают листья так же по законам физики, виной тому сила тяжести.

§2

§2. Некоторые физические термины

Вопросы

1. Что в физике понимают под термином «Физическое тело»?

Ответ:

В физике любое из окружающих нас тел принято называть физическим телом или просто телом. (Учебник стр.5)

2. Что называют веществом? Приведите примеры физических тел и веществ.

Ответ:

Всё то, из чего состоят физиче­ские тела, называют веществом. Железо, медь, резина, воздух, вода - вещества. Но капля воды - физическое тело. Алюминий - вещество, но алюминиевая ложка - физическое тело.  (Учебник стр.5)

3. В чём сходство и различие тел, изображённых на рисунках 3,4?
Пластилин и пластилиновый слон, маленькая и большая ложки.

Ответ:

Рисунок 3 - тела разной формы, но оди­накового объема. Рисунок 4 - тела одинаковой формы, но разного объема.  (Учебник стр.5-6)

§3

§3. Наблюдения и опыты

Вопросы

1. Как мы получаем знания о явлениях природы?

Ответ:

Знания о явлениях природы получаем из собственных наблюдений. Для изучения какого−либо явления необходимо прежде всего наблюдать его и по возможности не один раз. Если наблюдений недостаточно, проводят опыт. Во время опытов обычно выполняют измерения. (Учебник стр.6)

2. Чем отличаются наблюдения от опытов?

Ответ:

Опыты отличаются от наблюдений тем, что их проводят с определённой целью, по заранее обдуманному плану. Для составления такого плана нужно иметь предварительные догадки о том, как протекает явление, то есть выдвинуть гипотезу.  (Учебник стр.7)

3. Достаточно ли одних опытов, для того чтобы получить научные знания?

Ответ:

Не достаточно. Чтобы получить научные знания необходимо обдумать и объяснить результаты проведённых опытов, найти причины наблюдаемых явлений, сделать выводы.  (Учебник стр.7)

§4

§4. Физические величины

Вопросы

1. Что значить измерить какую−либо величину?

Ответ:

Измерить какую-либо величину – это значит определить ее соотношение с однородной величиной, в условных, принятых единицах измерения. 

2. Каковы единицы длины, времени, массы в СИ?

Ответ:

В СИ (*система интернациональная):
- единица длины метр (1 м)
- единица времени − секунда (1 с)
- единицей массы − килограмм (1 кг).  

3. Как определяется цена деления шкалы измерительного прибора?

Ответ:

1 способ

Для того, чтобы определить цену деления прибора, необходимо:
- взять две ближайшие метки шкалы на приборе с указанием их номинальных величин;
- вычислить путем вычитания из большего значения меньшее;
- если есть другие метки между ними, то поделить на их количество, если нет, то это и будет ценой измерения прибора.   

2 способ
Как правило, на приборах указывается его погрешность. Скажем на весах написано, что погрешность 5 грамм. Так вот, как правило, погрешность прибора в этих случаях равна половине цене измерения самого прибора от номинального измеренного размера. То есть весы будут с шкалой измерения 5 грамм и погрешность 5:2 = ±2,5 грамма. Из погрешности можно в обратном порядке вычислить и шкалу деления. 5 грамм.

Упражнение 1

1. Определите цену деления секундомера (см. рис. 10).


рис. 10

Ответ:

На изображенном секундомере в учебнике мы видим 2 разных циферблата: большой и малый. Для определения цены деления, как мы и писали ранее, необходимо взять 2 метки с указанными номиналами. Далее от большего отнять меньшее и разделить полученное значение на количество меток между выбранными номиналами.
Скажем на большом циферблате возьмём числа 35 и 30, а на малом 3 и 6.
Таким образом, цена каждого деления на большом будет равна
$\frac{35 с -30 с}{10} = \frac{5 с}{10} = 0,5$ с.
Цена деления на малом:
$\frac{6 мин - 3 мин}{3} = \frac{3 мин}{3} = 1$ мин

2. По рисункам 8 и 9 определите цену деления амперметра и вольтметра.

рис. 8                                                           рис. 9

Ответ:

По порядку.
Для определения шкалы цены амперметра.
На амперметре возьмем числа 1,5 и 1. Расстояния между этими штрихами имеют 10 делений.
ТВ итоге получаем, что цена каждого деления амперметра будет равна
$\frac{1,5 А - 1,0 А}{10} = \frac{0,5}{10} = 0,05$ А.

Для определения шкалы цены вольтметра.
На вольтметре возьмем числа 2 и 3. Расстояния между этими штрихами имеют 5 делений.
В итоге получаем, что цена каждого деления вольтметра будет равна
$\frac{3 В - 2 В}{5} = \frac{1 В}{5} = 0,2$ В.

Задание

1. По Интернету найдите прибор для изменения артериального давления – тонометр механический. Определите цену деления шкалы. В каких единицах измеряют артериальное давление?

Ответ:

Тонометр механический - медицинский прибор для измерения артериального давления человека.
Единицей измерения давления является миллиметр ртутного столба или кратко мм рт. ст..
Для того, чтобы определить цену деления тонометра необходимо взять 2 соседних числа и найти их разницу, а после разделить расчетное число на количество делений между взятыми нами числами.

Если реализовать все на практике, то получится так. Возьмем скажем числа 20 и 40. Расстояния между этими штрихами имеют 10 делений.
В этом случае, цена каждого деления тонометра высчитывается следующим образом
$\frac{40 мм рт. ст. - 20 мм рт. ст.}{10} = \frac{20 мм рт. ст.}{10} = 2$ мм рт. ст.

2. На сайте https://mer.kakras.ru найдите старинные меры объёма, используемые в Древней Руси.

Ответ:

Немного справочной информации, так скажем основная русская еще дометрическая мера объема жидкостей – ведро. Оно было равно 1/40 бочки или 10 кружек или 30 фунтов воды или 20 водочных бутылок (0,6 л) или 16 винных бутылок (0,75 л) или 100 чарок или 200 шкаликов или 12 литров (15 л − иногда упоминается эта величина)

 Ведро – металлическая, деревянная, иногда и сделанная из кожи емкость, преимущественно изготавливалась цилиндрической формы, с ручками или дужкой - ручкой для его ношения. Деление на более мелкие меры проводилось по принципу половины: то есть ведро на 2 полуведра, а полуведро на четверти ведра или далее на 8 получетвертей...
До примерно до середины XVII в. в ведре содержалось 12 кружек, а во второй половине XVII в. так называемое казённое ведро уже содержало 10 кружек, а в самой кружке — 10 чарок. В итоге в ведро входило 100 чарок. После, по указу 1652 года чарки сделали в 3 раза больше по сравнению с уже имеющимися ("чарки в три чарки"). В торговое ведро вмещалось 8 кружек. В целом значение ведра было переменным, что не касалось значения кружки, равной 3 фунтам воды (1228,5 грамма). Также объем ведра можно выразить в кубических вершках - 134,297 кубических вершка.

Бочка, как мера объема, применялась в основном в процессе экспортной торговли торговли. Все дело в том, что запрещалось вести розничную торговлю вином, то есть малыми объемами. Бочка была равна 40 ведрам (492 литра). Материал для изготовления бочки выбирали в зависимости от её назначения: дуб − для пива и растительных масел, ель − под воду, липа − для молока и мёда.

А вот в крестьянском быту использовались небольшие бочки и бочонки от 5−и до 120−и литров. Были и большие бочки, которые вмещали до сорока вёдер (так называемые сороковки).

В 15 веке были распространены и другие старинные меры − голважня, лукно и уборок. В 16-17 веках, наряду с довольно распространенными коробьей и пузом часто встречается вятская мера куница (для хлеба), пермская сапца (мера соли и хлеба), старорусские луб и пошев. Вятская куница считалась равной трем московским четвертям, сапца. Составляла 6 пудов соли и приблизительно 3 пуда ржи, луб − 5 пудов соли, пошев − около 15 пудов соли.

 Кроме того, использовались и другие бытовые меры объема: смоленская бочка, боча−селёдовка (8 пудов сельдей; *в полтора раза меньше смоленской).

А вот в житейском обиходе и в торговле употребляли следующие хозяйственные сосуды: котлы, жбаны, корчаги, братины, ендовы. Значение таких бытовых мер в разных местах было различно: скажем, емкость котлов колебалась от полуведра до 20 ведер. В 17 веке уже была введена система кубических единиц на основе 7−футовой сажени, а также введён термин кубический (или "кубичный"). Кубическая сажень содержала 27 кубических аршин или 343 кубических фута; кубический аршин — 4096 кубических вершков или 21952 кубических дюймов.

3. Выразите свой вес в пудах, а рост в аршинах.

Ответ:

Чтобы найти свой вес начнем со справочной информации, так:
Пуд − старая русская мера веса, используемая на Руси. Пуд равен 40 фунтов или 16,3807 кг.
Аршин − русская мера длины, применявшаяся еще до введения метрической системы. Аршин равен 71,12 см.

Теперь посчитаем возможные варианты.
Скажем, при росте ученика в 155 см, рост в аршинах будет равен $\frac{155см}{71,12} = 2,18$ Аршин.
При весе 42 кг, вес в пудах будет равен $\frac{42 кг}{16,3807} = 2,56$ пуда

4. Запишите 2−3 пословицы, поговорки или образные выражения, в которых упоминаются старинные меры длины, массы, объёма и т.п.

Ответ:

Человека узнаешь, когда с ним пуд соли съешь.
Два вершка от горшка, а уже указчик.
Каждый купец на свой аршин меряет.

§5

§5. Точность и погрешность измерений

Вопросы

1. Как понимать выражение "измерить длину с точностью до 1 мм"?

Ответ:

Это значит, что измерение должно проводиться линейкой точность (погрешность) у которой не менее 1 мм,  — при записи результата необходимо указать размер отражающий точность до миллиметров.

2. Можно ли линейкой, имеющей сантиметровые деления, измерить длину с точностью до 1 мм?

Ответ:

Нет. Ведь ее точность не позволяет измерить размер в 1 мм. Все дело в том, что метки на линейке между собой имеют размер превышающий размер измерения. Ведь всем известно, что 1 см > 1 мм. В итоге, мы может только сказать, будет ли тот или иной размер больше или меньше скольки-то сантиметров, но не сможем сказать скольки целым единицам в миллиметрах он будет кратен. 

3. Какова связь точности измерений с ценой деления шкалы прибора?

Ответ:

Во-первых, чем меньше цена деления шкалы на приборе, тем в большем диапазоне измеряемых величин мы можем выразить размер (скажем для размеров: дм, см, мм, мкм). Так как прибор позволит их измерить.
Во-вторых, сам прибор при меньших делениях измерения имеет меньшую погрешность, по-другому более высокую точность.

4. Какой формулой необходимо пользоваться при записи физических величин с учётом погрешности?

Ответ:

Принято, что с учетом погрешности, следует пользоваться формулой отражающей номинальный размер и размер погрешности со знаком ±:
A=a±∆a, где A−измеряемая величина, a−результат измерений, ∆a−погрешность измерений (∆−греч. буква «Дельта»).

Задание

1. Измерьте линейкой с миллиметровыми делениями длину и ширину вашего учебника. Запишите результаты с учётом погрешности измерения.

Ответ:

Длина учебника по физике − 22 см, а ширина − 16,5 см. Погрешность измерений равна половине цене деления шкалы измерительного прибора. Цена деления моей линейки − 1 мм. Значит погрешность измерения равна $\frac{1}{2}$ мм = 0,5 мм = 0,05 см. Длина учебника с учётом погрешности будет равна (22±∆0,05) см, ширина учебника с учётом погрешности − (16,5±∆0,05) см.

2. Пользуясь рисунком 11, б, определите погрешность измерения термометра.

рис. 11, б

Ответ:

Погрешность измерений градусника на рисунке вычисляется как половина от номинала деления градусника.
1) Возьмем скажем отметки 30 и 40. 40 - 30 = 10 отметок.
2) 10 : 10 = 1 градус равен одному делению на термометре. Цена деления термометра − 1°С.
3) Погрешность измерения термометра тогда равна $\frac{1}{2}$°С = 0,5 °С.

3. Измерьте линейкой с миллиметровыми делениями длину и высоту картины Л. да Винчи (рис.15).
Запишите результаты измерений с учётом погрешности. Используя Интернет, найдите название картины, её истинный размер и определите масштаб, в котором картина представлена на учебнике.

рис.15

Ответ:

При измерении картины в учебнике у меня получились результаты: длина 5,1 см, ширина 3,5 см. Погрешность измерений равна половине цены деления линейки. Цена деления моей линейки − 1 мм, а значит погрешность измерения равна $\frac{1}{2}$ мм = 0,5 мм = 0,05 см.
В итоге длина картины с учётом погрешности линейки будет равна (5,1±∆0,05) см, ширина картины с учётом погрешности линейки− (3,5±∆0,05) см. Если посмотреть в интернете, то можно найти информацию о том, что реальный размер картины: длина 77 см, ширина 53 см.

Остается определить масштаб:
$\frac{5,1}{77} ≈ \frac{1}{15}$ .
Получается, что картина в учебнике изображена в масштабе 1:15.

§6

§6. Физика и техника

Вопросы

1. Какое значение имеет физика для техники? Покажите это на примерах.

Ответ:

Переоценить значение физики для развития техники очень сложно.
Изучение полупроводниковых приборов позволило создать радиодетали на которых собраны телефоны, компьютеры, электронные устройства. Они используются для расчетов и бытового назначения. Светодиоды используются для индикации и освещения.
Изучение процессов тепловых процессов позволило создать паровой двигатель, а после двигатель внутреннего сгорания. Сейчас они повсеместно используются на транспорте. 
Изучение механических явлений позволило создать механизмы для передачи крутящего момента (редукторы, коробки передач). а также системы для перемещения и подъема грузов (лебедки, краны).

2. Каких учёных вы знаете? Какие открытия ими были сделаны?

Ответ:

Галилео Галилей изучал движение небесных тел, то есть звезд. Открытие инерционной массы, закона взаимодействия тел.
Исаак Ньютон изложил важнейшие законы механики (3 закона Ньютона), которые были названы его именем (1 закон, кстати был заимствован у Галилео).
Джеймс Максвелл создал общую теорию электромагнитных явлений, которая объяснила природу двойственности света (волновая теория и корпускулярная), она помогла в разработке технических приборов и устройств.
Альберт Эйнштейн разработал несколько монументальных физических теорий: специальная теория относительности, общая теория относительности, явление фотоэффекта а которое получил Нобелевскую премию.

3. Какие естественные науки вам известны? Что они изучают?

Ответ:

Физика − это наука о природе, изучает изменения, происходящие с телами и веществами в окружающем мире.
Биология − это наука о живых организмах. В её рамках изучается всё разнообразие процессов окружающего нас животного и растительного мира, а также особенности строения человеческого тела.
Химия − это наука о веществе, исследует строение и свойства вещества, а также происходящих с ним изменений.
Экология − это наука об организмах в окружающей их среде.
Астрономия − это наука, которая занимается изучением Вселенной, космического пространства, небесных тел и связных с ними явлений.
География − наука, которая изучает поверхность Земли, а также ее слои, которые образуют земную оболочку, а также изучает взаимодействие окружающей природы и человеческого общества.
Геология − наука, которая изучает Землю, ее вещественный состав, структуру коры, процессы и историю.
Экология − это наука об организмах в окружающей их среде.

Задание

1. Используя портал H−cosmos.ru, проведите исследование по теме "Начало космической эры и роль учёных нашей страны в изучении Вселенной". Выполненную работу оформите как презентацию.

Ответ:

1−й слайд.
Начало освоения космоса и Вселенной, а также вклад ученных нашей страны в эти исследования.

2−й слайд.
1957 год − начало эры космоса.
4 октября 1957 года дата запуска первого искусственного спутника Земли. 
Первый спутник Земли был блестящим шаром из легких сплавов − диаметр 58 см, массой − 83,6 кг. На спутнике были установлены усы−антенны, а внутри установлены два радиопередатчика. Скорость спутника на орбите составляла 28800 км/ч. За 1,5 часа аппарат облетел вокруг земли, а за сутки 15 раз.

3−й слайд.
03.11.1957 был запущен уже 2 советский искусственный спутник. Это был первый в мире искусственный спутник с живым существом, - собакой. Собаку звали Лайка.
(15.05.1958) Третий советский искусственный спутник Земли стал опять же первым в своем роде спутником для проведения научных исследований.

4−й слайд.
1961 год – первый в истории человечества полёт человека в космос.
12 апреля 1961 года, в 6:07 утра, с космодрома Байконур стартовала ракета−носитель, позже названная РН «Восток», которая вывела на орбиту Земли советский космический корабль «Восток».
Первым космонавтом стал Юрий Алексеевич Гагарин. 
Запуск первого в мире космического пилотируемого корабля осуществлялся под руководством Главного конструктора Сергея Павловича Королева, а также А.С. Кириллова и Л.А. Воскресенского.

5−й слайд.
О личности Константина Эдуардовича Циолковского.
Именно он задумался о полете в космос в серьез. Был весьма примечательным советским исследователем и изобретателем, ученым−самоучкой, педагогом. Им было выпущено множество трудов, ставшими основой для современной космонавтики, он был автором работ по аэродинамике, воздухоплаванию, астрономии и ракетостроению. Примечательно и его способность к научно−фантастическим романам и собственной теории по философии.
Самым важным его изобретением стал принцип работы ракетного двигателя, за счет сгорания топлива и получения импульса от вырывающихся газов. 

6−й слайд.
Труды Константина Циолковского были развиты Фридрихом Артуровичем Цандером и Юрием Васильевичем Кондратюком.
Здесь необходимо сказать о том, что Ф.А. Цандер оригинально развил идеи К.Э. Циолковского, и именно по его теории расчета создавался жидкостно−ракетного двигатель. 
Что на счет Ю.В. Кондратюк, то это советский теоретик космонавтики, рассчитавший наиболее оптимальную траекторию полёта к Луне (так называемая «трасса Кондратюка»). Вывел основные теории по движению ракет, состава ракетного топлива, выбор оптимальных траекторий полёта, обустройства межпланетных промежуточных баз, идеи для возвращения на Землю.

7−й слайд.
КОРОЛЁВ Сергей Павлович.
Великий организатор и ученый позволивший теорию превратить в практику. Именно под его руководством созданы первый космический комплекс, баллистические и геофизические ракеты, также запущена впервые в мире межконтинентальная баллистическия ракета. Популярный носитель "Восток" и ее различные модификации, искусственный спутник Земли. Также осуществлены полеты КК "Восток" и "Восход", на которых впервые в истории человечества совершены космические полет человека и выход космонавтов в космос. Разработан проект КК "Союз".

8−й слайд.
Человек в космосе.
6 августа 1961 года начался полет советского космического корабля "Восток−2" с Германом Титовым. Длительность полета  1 сутки 1 час 18 минут. За это время была произведена киносъемка нашей планеты Земля из Космоса.
Через 2 года, в 1963 году состоялся первый полет в космос женщины−космонавта (Валентина Владимировна Терешкова).
12 октября 1964 был осуществлен первый в мире полет многоместного космического корабля. При этом космонавты В. Комаров, К. Феоктистов, Б. Егоров совершали полет без скафандров.
18 марта 1965 осуществлен выход человека в открытый космос (Алексей Архипович Леонов).

2. Используя Интернет, подготовьте сравнительную таблицу "Покорители космоса XX − XXI вв." (длительность полёта, число космонавтов, стран).

Ответ:

Дата Количество космонавтов и астронавтов Количество пилотируемых полётов Рекорд продолжительности полёта Страны (участники−космонавты)
60−е годы 20 века 44 35 330 ч. 35 мин. СССР, США
70−е годы 20 века 48 33 4200 ч 36 мин (175 суток 0 ч 36 мин) СССР, США, Чехословакия, Польша, ГДР, Болгария
80−е годы 20 века 130 58 8782 ч 40 м (365 дней 22 ч 40 м) 17
90−е годы 20 века 168 85 10505 ч 58 м (437 дней 17 ч 58 м) 14
2000−е годы 118 58 Постоянное пребывание космонавтов и астронавтов на МКС. 14−й экипаж МКС − 215 дней 8 ч 23 м 18 (Китай начал запуск космонавтов)
2010−е годы 54 48 61−й полет Союза к МКС − 204 дня 15 ч 19 мин 11

3. Проведите исследование по теме: "Спутниковая связь и её роль в жизни человека" и подготовьте презентацию.

Ответ:

Слайд 1.
Возможности спутниковой связи и ее значение в жизни человека.

Слайд 2.
Спутниковая связь — одна из возможностей обеспечивать связь посредством спутников на орбите земли. Как правило это специально предназначенные для этого спутники земли. 
Сам термин спутниковая связь появился в 1945 году, когда была опубликована научный труд английского ученого Артура Кларка под названием «Внеземные ретрансляторы».

Слайд 3.
Главные этапы развития систем спутниковой связи.
−60−е годы: коммерческого использование спутников−ретрансляторов для многоканальной связи, для передачи радио и телепрограмм;
−70−е годы: создание систем спутниковой связи для общения на земле посредством мобильных телефонов, передача сигнала от спутников для коллективного телевещания;
−80−е годы: появление технологии VSAT – технологии малых спутниковых терминалов, устанавливаемых прямо у пользователей, и непосредственного спутникового телевизионного вещания;
− конец 90−х годов: начало эксплуатации глобальных спутниковых систем связи.

Слайд 4.
Как работает спутниковая связь.
Спутник принимает сигнал от наземной станции и передает обратно на другую наземную станцию
Расстояние между наземными станциями может достигать половину Земли.
Земные станции могут быть подвижные и неподвижные

Слайд 5.
Основные задачи систем спутниковой связи.
Три основных вида услуг (класса) спутниковой связи:
−пакетная передача данных (доставки циркулярных сообщений, автоматизированного сбора данных о состоянии различных объектов, в том числе транспортных средств и т. д.);
−речевая связь (радиотелефонной);
−GPS ориентирование, определения местоположения (координат) клиентов.

Слайд 6.
Главные преимущества спутниковой связи перед другими видами связи.
− высокая стабильность. Благодаря широкому покрытию, даже всего одного спутника достаточно для передачи сигнала на огромные расстояния без задействования наземных промежуточных станций;
− относительно низкая стоимость. Цена на использование канала связи не зависит от количества итоговых абонентов. Так существует тенденция к удешевлению услуг спутниковой связи благодаря расширению базы клиентов без дополнительных расходов.
− ширина канала. Использование широкополосного диапазона обеспечивает пропускание большого потока данных за короткое время;
− надежность связи. Вероятность передачи ошибочного пакета информации (искажения и прочее) практически равна нулю благодаря современным технологиям, которые их обнаруживают и исправляют искажения в сигнале.

Слайд 7.
Минусы спутниковой связи.
− Спутники необходимо выводить на орбиту Земли и поддерживать их на ней, это является дорогостоящим процессом.
− Некая задержка распространения сигнала от спутниковых систем, больше чем у наземных систем.
− Низкая ремонтопригодность, если какая−либо проблема возникает в спутниковой системе.
− Потеря свободного пространства больше.
− Возможна перегруженность частот.

Слайд 8.
Значение спутниковой связи в жизни человека.
Использование спутниковой связи позволило получить новые уровень телефонии и других видов коммуникации. Спутниковые интернет, сотовая связь, другая передача данных, телевидение — незначительная часть новых возможностей.
Важным из распространенных у пользователей продуктов спутниковой связи является навигация.
Кроме того, благодаря спутникам, человечество смогло не просто составить точные карты, но и получать наиболее точные данные о перемещении атмосферных фронтов, изменениях в ландшафте земного шара. Это позволяет, как пример, составлять более точные прогнозы погодных явления, а не просто регистрировать данные о перемещении воздушных масс в каком-то локальном месте.

Проверь себя

Итоги главы

Проверь себя

1. В один столбик выпишите понятия, которые обозначают физическое тело, а в другой вещество.
Лёд, ледяная сосулька, древесина, древесный уголь, графит, грифель, мыло, мыльный пузырь.

Ответ:

Физическое тело:
ледяная сосулька
древесный уголь
грифель
мыльный пузырь

Вещество:
лёд
древесина
графит
мыло

2. Каким прибором измеряют время?
А. шагомер.
Б. секундомер.
В. вольтметр.
Г. термометр.

Ответ:

Время можно измерить часами, в которых есть секундомером.

3. Основной единицей длины в СИ является ...
А. мм
Б. м
В. км
Г. кг

Ответ:

Основной единицей длины в СИ (система интернациональная) является метр (м).

4. Измерить физическую величину − это значит...
А. записать её числовое значение
Б. найти погрешность измерений
В. найти ей кратную единицу измерения
Г. сравнить её с однородной величиной, принятой за единицу

Ответ:

Измерение физической величины − это не что иное, как сравнить её с однородной величиной, принятой за единицу измерения.

§7

ГЛАВА 1. Первоначальные сведения о строении вещества

§7. Строение вещества

Вопросы

1. Из чего состоят вещества?

Ответ:

Все окружающие нас вещества состоят из составных частичек (атомов), между которыми имеются промежутки.

2. Какие опыты подтверждают, что вещества состоят из мельчайших частиц?

Ответ:

Один из возможных вариантов проверить наличие отдельных частиц, взаимодействующих друг с другом это опыт с шариком и кольцом. Так первоначально, шарик свободно проходит сквозь кольцо (рис. 18, а), но когда газ в шаре нагрет, частицы ударяются друг о друга с большим усилием и отскакивают опять же друг от друга, тем самым давят и на эластичные стенки шара, он расширяется и уже не проходит через кольцо. (рис. 18, б).


рис. 18

Налить воду до самого верха в сосуд, затем этот сосуд нагреть. При нагревании вода будет вытекать из сосуда (рис. 19).


рис. 19


Это опять же подтверждает тот факт, что при нагревании объём вещества увеличивается, а при охлаждении уменьшается. По факту все вещества состоят из мельчайших частиц, между которыми есть некое расстояние. Если частицы удаляются друг от друга, то объём тела само собой увеличивается. И с точностью наоборот, когда частицы сближаются, объём тела уменьшается. Современная наука доказала, что частицы вещества так малы, что мы их не видим.

3. Как меняется объём тела при изменении расстояния между частицами?

Ответ:

Объём тела может увеличиваться или уменьшаться. При увеличении объема расстояния между частицами увеличиваются, тем самым объём тела увеличивается тоже. И наоборот, когда расстояние уменьшается, объём тела также уменьшается.

4. Какой опыт показывает, что частицы вещества очень малы?

Ответ:

 Это подтвердилось в опыте ботаника Роберта Броуна, который заметил перемещение пыльцы даже "невооруженным глазом", хаотичное перемещение, но так долго и не могли понять, почему же это происходит, что является движущей силой? Не было какой-либо четкой траектории передвижения. Передвижения частиц были хаотичны! Это объясняется тем, что более крупные частица, скажем пыльца, или другие вещества, неравномерно бомбардируются другими более мелкие частицами, обладающие случайным перемещением в объеме. В итоге суммарное давление по периметру не уравновешено и крупная частица перемещается, при этом в микроскоп мы не замечаем движущей силы в виде мелких молекул.

Этот опыт наравне с другими подтверждают гипотезу о том, что вещества состоят из очень маленьких частиц

§8

§8. Молекулы

Вопросы

1. Что такое молекула?

Ответ:

Молекула вещества − это одна мельчайшая частица данного вещества, которая определяет химические свойства самого вещества. Она может состоять из одного атома, но как правило состоит из двух и более атомов, удерживаемых вместе химико - физическими связями.

2. Что вы знаете о размерах молекул?

Ответ:

Реальные размеры молекул малы. Так в качестве наглядного примера можно привести следующее сравнение. Если бы скажем можно было уложить в один ряд друг к другу 10 000 000 (или $10^{7}$) молекул воды, то получилась бы нить длиной всего в 2 мм длиной. Поскольку молекулы очень малы, они невидимы невооружённым глазом или в обычные микроскопы. Однако при помощи высокопроизводительных приборов, скажем электронного микроскопа, можно сфотографировать наиболее крупные из молекул.

3. Из каких частиц состоит молекула воды?

Ответ:

Молекула воды состоит из трёх атомов, а именно одного атома кислорода образующего связи с двумя атомами водорода. Так вода обозначается как  $Н_{2}О$, где Н − атом водорода, О − атом кислорода.

4. Как изображается схематически молекула воды?

Ответ:

Как выяснилось из задания ранее, молекула воды это всего три атома: 2 атома водорода и 1 атом кислорода. Воду обозначают так $Н_{2}О$, где Н − атом водорода, О − атом кислорода.
Смотрим на схематическое отображение молекулы воды. Рисунок 22, а. Итак, если разделить две молекулы воды, то получим два атома кислорода и четыре атома водорода (рис. 22, б).

§9

§9. Броуновское движение

Вопросы

1. Что такое броуновская частица?

Ответ:

Броуновская частица − мелкая частица любой природы происхождения находящаяся в жидкости или газе, при этом совершающая хаотичное движение в том объеме где она находится, под действием еще более мелких молекул жидкости или газа. Само движение этих частиц называют броуновским движением.

2. Что доказывает броуновское движение?

Ответ:

Броуновское движение доказывает:
- что есть мелкие частицы молекулы;
- что их движение хаотично и порой не сбалансировано;
- что молекулы находятся в непрерывном беспорядочном движении;
- что действие сил меняется при изменении температуры.

Задание

• Небольшое количество молока разбавьте водой. Затем капельку раствора поместите между двумя предметными стёклами. Под микроскопом вы должны увидеть капельки жира, которые находятся в постоянном движении. Объясните наблюдаемое явление.

Ответ:

Капельки жира хаотично двигаются. Это не что иное, как броуновское движение. Все дело в том, что на жир действуют более мелкие молекулы вещества, неравномерно его бомбардируя и смещаю то в одну сторону, то в другую. Сами молекулы мы не видим, но видим результат их массового воздействия на более крупный объект, - жировые пятнышки. В итоге, если вода будет вокруг жира, то они будут так двигаться постоянно.

§10

§10. Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах

Вопросы

1. Что такое диффузия?

Ответ:

Диффузия − физическое явление при котором происходит перемешивание, проникновение молекул одного вещества в молекулы другого вещества.

2. Как протекает диффузия в жидкостях? Опишите опыт.

Ответ:

Возьмем мензурку или стакан, другую прозрачную емкость и нальем в нее раствор медного купороса, обладающий темно−голубым цветом. Сверху аккуратно нальем чистой во­ды (рис. 23).

рис. 23. Диффузия в жидкостях

Первоначально будет хорошо заметна граница между водой и медным купоросом, которая через несколько часов и дней станет не размытой. А в итоге жидкость стане однородной на цвет через 2 — 3 не­дели. Это будет однородная жидкость бледно−голубого цвета. Распределение цвета говорит о том, что произошло и распределение молекул. 
Подобное объясняется фактом того, что молекулы воды и медного купороса, меняются местами, распределяются в общем пространстве объема жидкости. (рис.24).

рис. 24. Размывание границы раздела двух жидкостей при диффузии.


Граница раздела стала расплывчатой. Молекулы медного купороса оказались в ниж­нем слое воды, а молекулы воды переместились в верхний слой мед­ного купороса.
Если дать мензурке постоять 2—3 недели, то граница раздела бу­дет еще более расплывчатой и постепенно совсем исчезнет. Вся вода окрасится в голубой цвет. Это происходит потому, что молекулы, двигаясь непрерывно и беспорядочно, распространяются по всему объему. Жидкость в сосуде становится однородной. (учебник 28 страница)

3. Приведите примеры диффузии в окружающем мире.

Ответ:

Распределение газов и как следствие распространение запахов, растворение сахара или молока в чае, соли при консервировании, растворение таблеток в воде или даже в нашем желудке.

4. Воду в некоторых случаях очищают путём озонирования, т.е. насыщение её озоном. На каком явлении основан этот метод очистки?

Ответ:

Озонирование − одна из технологий очистки воды, ее принцип основанная на использовании диффузии, проникновении одного вещества в объем другого.

Задание

1. Налейте в один стакан холодной воды, в другой − тёплой. Опустите в каждый из них несколько кристалликов марганцовки. Объясните наблюдаемое явление.

Ответ:

В том и другом случае кристаллики марганцовки начнут растворяться. В итоге окрашиваемое пятно пятно будет расплываться по объему и бледнеть. Этот и есть диффузия. Надо заметить. что в стакане с тёплой водой диффузия будет происходить несколько быстрее. Это связано с более высокой скоростью молекул участвующих в распространении вещества. В горячей воде их скорость выше, чем в холодной воде.

2. Пользуясь рисунком 24, объясните процесс протекания диффузии в жидкостях.

рис. 24. Размывание границы раздела двух жидкостей при диффузии.

Ответ:

Так на первом рисунке видно чёткую границу между двумя жидкостями. Однако, через определенное время граница постепенно размывается из-за эффекта диффузии (хаотичного проникновения молекул вещества одного в другое). В итоге, обе жидкости смешаются и получится одна жидкость одного цвета.

3. Если у вас дома имеется комнатное растение, проведите его подкормку путём опрыскивания кроны питательным раствором. Пронаблюдайте, как будет развиваться растение. Объясните, на каком явлении основан такой способ подкормки.

Ответ:

Удивительно, что даже при опрыскивания кроны, есть листьев растения питательным раствором, само растение начнёт расти быстрее. Все дело в том, что после опрыскивания происходит взаимное проникновение молекул питательного раствора в плоть растения. В итоге питательный раствор распространяется по всему растению. Вот этот способ подкормки основан также на явлении диффузии.

4. Налейте в стакан воды и поставьте его в кастрюлю с тёплой водой на плиту, поддерживая температуру 50−60 °C. Насыпьте в стакан соль и размешайте, после того как соль растворится, досыпьте её вновь. И так до тех пор, пока не получится насыщенный раствор (т.е. соль не будет растворяться). Теперь раствор перелейте в другую ёмкость, чтобы избавиться от излишков соли на дне. Возьмите самый крупный кристаллик соли, подвесьте его на ниточку и опустите в соляной раствор. Через несколько дней вы увидите, как кристаллик начнёт увеличиваться в размере. На каком явлении основан рост кристаллика?

Ответ:

При испарении влаги из насыщенного раствора получается пересыщенный солевой раствор. Однако в объеме уже есть очаг формирования кристалла соли, именно он и станет тем местом, куда начнет прирастать вся избыточная соль. И такой вот рост кристалла основан на явлении диффузии, перехода соли из одного вещества в другое.

§11

§11. Взаимное притяжение и отталкивание молекул

Вопросы

1. Как взаимодействуют между собой молекулы?

Ответ:

В зависимости от потенциала (заряда), между молекулами может существовать взаимное притяжение и отталкивание.

2. Когда заметнее проявляется отталкивание, а когда притяжение между молекулами?

Ответ:

Наиболее значимо силы притяжения и отталкивания проявляются при незначительно малых расстояниях. То есть если расстояния большие, то и действия межмолекулярных сил практически не наблюдается, а при сближении соизмеримом с размерами самих молекул, они становятся очень большими. Зависимость это не линейная, а экспоненциальная. 

3. Какое явление, наблюдаемое в природе, основано на притяжении молекул твёрдого тела и жидкости?

Ответ:

Когда вода покрывает какой либо из предметов, не стекая с него полностью. Фактически происходит смачивание предмета. 

4. У водоплавающих птиц перья и пух остаются сухими. Какое явление здесь наблюдается?

Ответ:

Это проявляется явление несмачиваемости. Когда молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам того твёрдого тела, которое смочили. В итоге вода просто стекает. Так у водоплавающих птиц имеется сальная железа из которой птицы берут жир и пропитывают им свои перья. В итоге вода скатывается с перьев, так как связь с частичками пера менее слабая, нежели между молекул воды. Перо не промокает, птица легко держится на поверхности воды.

Задание

1. Смочите два листочка бумаги: один − водой, другой − растительным маслом. Слипнутся ли они при соприкосновении? Ответ обоснуйте?

Ответ:

Слипание не произойдет. Все дело в том, что эти два вещества имеют разную внутреннюю силу молекулярного однородного притяжения. Так воде трудно размешаться в масле, как и маслу в воде. Это можно увидеть скажем в супе, когда на его поверхности плавают капли жира. В итоге молекулярные силы незначительны и листочки не слипаются.   

2. Кусок мыла сильно прижмите к тарелке, смоченной водой, и проверните несколько раз. Поднимите мыло вверх. Вместе с мылом поднимается и тарелка. Объясните, почему это произошло.

Ответ:

 По факту это молекулярное притяжение, которое удалось добиться путем сближения двух элементов между собой до расстояния соизмеримого с расстоянием размера молекул. При этом такое возможно при условии, когда либо поверхности идеально ровные и могут вплотную быть прижаты друг к другу, либо с помощью воды, в которой растворяется часть вещества (диффузия) и объект принимает форму ответной поверхности. 
 Такое явление, можно наблюдать даже с металлами, когда две идеально ровные, как уже было сказано. Пластинки будут "липнуть" друг к другу за счет молекулярного притяжения, не имея при этом магнитных свойств.

§12

§12. Агрегатные состояния вещества

Вопросы

1. Какие три состояния вещества вам известны?

Ответ:

Чаще всего в природе вещества встречаются в 3 агрегатных состояниях: в твёрдом, жидком и газообразном.

* - есть еще агрегатное состояние плазма (скажем лава вулкана), но оно не упоминается в школьной программе.

2. Перечислите свойства твёрдых тел.

Ответ:

Твёрдое тело сохраняет свой объем и форму. Практически не меняется при изменении температур.

3. Назовите свойства жидкостей.

Ответ:

Жидкости могут легко меняют свою первоначальную, но также как и твердые вещества практически не меняют объема (несжимаемые). Незначительное расширение при изменении температуры.

4. Какими свойствами обладают газы?

Ответ:

Газы могу менять как форму, так и наиболее подвержены изменению объема. Значительно и заметно меняют объем при изменении температуры.

§13

§13. Различие в молекулярном строении твердых тел, жидкостей и газов

Вопросы

1. Каково расположение молекул газа?

Ответ:

В газообразных веществах расстояние между молекулами по соотношению намного больше самих молекул. В итоге взаимодействие между ними слабее, и газ можно сжать или расширить в объеме. Особенно легко и можно сказать самопроизвольно, происходит при изменении температуры. Само собой и форма и объем здесь непостоянные. 

2. Чем объясняется способность жидкостей сохраняться свой объём?

Ответ:

В жидкостях, по сравнению скажем с газом, расположение молекул в веществе соизмеримо с твердыми телами. В итоге молекулы сохраняют это взаимодействие как при изменении температуры, так и при механическом влиянии. Жидкости практически несжимаемы. В итоге жидкости сохраняют свой объём, но не форму.

3. Как расположены частицы в твёрдых телах?

Ответ:

В твёрдых телах взаимодействие между молекулами и атомами ещё более выражены, чем даже у жидкостей. Силы здесь не только значимые, но и связи имеют строгую кристаллическую решетку. Такое ограничение не позволят менять форму твердым телам. Именно поэтому в обычных условиях твёрдое тело сохраняет и объём и форму.

Задание

1. Налейте в пластмассовую бутылку воды до верху и закройте крышкой. Попытайтесь сжать в ней воду. Затем вылейте воду, снова закройте бутылочку. Теперь попробуйте сжать воздух. Объясните результаты опыта.

Ответ:

Бутылка с водой практически не сжимается. Объем остается неизменным, но вот форма может меняться. А с воздухом может меняться не только форма, но и объем. В итоге бутылка с воздухом легко поддается изменению формы. Здесь проявляется свойства агрегатных состояний веществ, жидкого и газообразного.

2. На блюдце с холодной водой поставьте перевёрнутый очень тёплый стакан. Через 15 − 20 минут проследите за уровнем воды в стакане и блюдце. Объясните результаты опыта.

Ответ:

Через несколько минут воздух в закрытом объеме стакана остынет и газ изменит свой объем. Объем уменьшится. В итоге вода как бы будет всасываться в объем газа, ее уровень поднимется. Этот пример наглядно показывает свойства газообразного вещества менять свой объем под действием внешних воздействий. 

Проверь себя

Итоги главы

Проверь себя

1. Мельчайшей частицей вещества, сохраняющей его свойства, является
А. атом
Б. молекула
В. броуновская частица.
Г. кислород.

Ответ:

Мельчайшей частицей отдельного вещества, имеющей свойства этого самого вещества, является молекула.

2. Броуновское движение − это ...
А. хаотическое движение очень мелких твёрдых частиц, находящихся в жидкости.
Б. хаотическое проникновение частиц друг в друга.
В. упорядоченное движение твёрдых частиц, находящихся в жидкости.
Г. упорядоченное движение молекул жидкости.

Ответ:

Броуновское движение − это беспорядочное движение очень мелких частиц, находящихся в объеме вещества.

3. Диффузия может проходить...
А. только в газах.
Б. только в жидкостях и газах.
В. только в жидкостях.
Г. в жидкостях, газах и твёрдых телах.

Ответ:

Диффузия может проходить во всех агрегатных состояниях вещества: жидкостях, газах и даже твёрдых телах.

4. Не имеют собственной формы и постоянного объёма...
А. жидкости
Б. газы
В. твёрдые тела
Г. жидкости и газы

Ответ:

Газ не имеет ни собственной формы ни постоянного объёма...

5. Между молекулами существует...
А. только взаимное притяжение
Б. только взаимное отталкивание
В. взаимное притяжение и отталкивание
Г. не существует взаимодействия

Ответ:

В любом веществе между молекулами существует как взаимное притяжение так и отталкивание. Что зависит от заряда молекул, от расстояния между ними.

6. Диффузия протекает быстрее
А. в твёрдых телах
Б. в жидкостях
В. газах
Г. во всех телах одинаково.

Ответ:

В газообразных веществах из за более слабых связей, диффузия протекает быстрее.

§14

ГЛАВА 2. Взаимодействие тел

§14. Механическое движение

Вопросы

1. Что называется механическим движением?

Ответ:

Механическое движение − относительное изменение положения тела, если сравнивать его с другими телами, за определенное время.

2. Почему указывают, относительно каких тел движется тело?

Ответ:

Необходимо определиться, относительно каких тел возникает перемещение, чтоб определить такие величины как скорость и направление.

3. Что называют путём, пройденным телом?

Ответ:

Путь это расстояние пройденное телом за какой-то промежуток времени.

4. Приведите примеры тел, движущихся относительно Земли; неподвижных относительно Земли.

Ответ:

Все тела (предметы), которые не движутся относительно поверхности Земле, находятся относительно Земли в покое (скажем стоящий автомобиль, человек, дерево, скамейка, дом).
Все тела (предметы), которые движутся по поверхности Земле с какой−либо скоростью, движутся относительно Земли (автомобиль в движении, летящая птица, идущий человек).

5. Какую траекторию оставляет в небе реактивный самолёт?

Ответ:

Траекторию полета самолёта на высотах можно отследить по его следу. Сама по себе траектория может быть видимой или невидимой, прямой или по кривой. Как правило траектория полета самолёта зависит от начальной и конечной точки перемещения. В основном это дуга над поверхностью земли.

Упражнение 2

1. Самый высокий небоскрёб в России "Триумф−Паллас" − 264 м. Выразите его высоту в км.

Ответ:

Дано:
h = 264 м.
H (км) −?
Решение:
1 км = 1000 м.
$H = \frac{h}{1000}$
$H = \frac{264}{1000}=0,264$ км
Ответ. 0,264 км высота "Триумф−Паллас"

2. Воспользовавшись Интернетом, найдите самый длинный автомобиле в мире. Его длину запишите в м, а затем переведите в км.

Ответ:

Так из книги рекордов Гиннеса можно найти, что длина самого длинного автомобиля (лимузин с 26 колесами) в мире составляет 30,5 м (l).
Дано:
l = 30,5 м;
L−?
Решение
1 км = 1000 м.
$L = \frac{l}{1000}$
$L = \frac{30,5}{1000}=0,0305$ км
Ответ. 0,0305 м длина самого длинного автомобиля

3. С помощью Интернета найдите высоту высоту Исаакиевского собора в Санкт−Петербурге и колокольни Ивана Великого в Москве. Найдите разницу высот и запишите ее значение в единицах СИ.

Ответ:

Дано:
Можно найти, что высота Исаакиевского собора в Санкт−Петербурге равна 101,5 м ($h_{1}$).
При этом высота колокольни Ивана Великого в Москве равна 81 м ($h_{2}$).
Найти:
Δh−?
Решение:
$Δh = h_{1}-h_{2}$
Δh = 101,5 м − 81 м = 20,5 м.
Другие единицы системы СИ:
а) километр (км). 1 км = 1000 м;
$ Δh (м) = \frac{Δh}{1000}$ (км)
$Δh = \frac{20,5}{1000}=0,0205$ км
б) дециметр (дм).
1 дм = 0,1 м или 1 м = 10 дм.
Δh (м) = Δh * 10 (дм);
Δh = 20,5 * 10 = 205 дм
в) сантиметр (см).
1 см = 0,01 м или 1 м = 100 см.
Δh (м) = Δh * 100 (см);
Δh = 20,5 * 100 = 2050 см
г) миллиметр (мм).
1 мм = 0,001 м или 1 м = 1000 мм
Δh (м) = Δh * 1000 (мм);
Δh = 20,5 * 1000 = 20500 мм
Ответ. 20,5м; 0,0205 км; 205 дм; 2050 см; 20500 мм разница высот.

4. Длина капилляров в теле человека составляет около 100 000 км. Запишите их длину в м.

Ответ:

Дано:
L = 100 000 км;
l (м) −?
*Решение: *
1 км = 1000 м.
l = L * 1000 м
l = 100 000 * 1000 = 100 000 000 м или $10^{8}$ м
Ответ. $10^{8}$ м

5. Почему во время снежной метели трудно указать, движется поезд или нет?

Ответ:

Все дело в том, что пролетающий за окном снег уже движется относительно поезда, даже если поезд стоит на месте, при этом через пелену не видно других предметов, чтобы также сделать заключение о движении поезда. В итоге не понятно, движется ли состав или нет. 

Задание

1. Измерьте среднюю длину своего шага. Пользуясь этой мерой, определите путь, который вы проходите от своего дома до ближайшей остановки автобуса.

Ответ:

Предположим, что длина шага (l) равна 45 см.
Количество шагов от дома до ближайшей остановки автобуса (N) − 200.
Расстояние от дома до остановки (S) = l * N;
S = 45 * 200 = 9 000 см = 90 м.
Ответ. 90 м.

2. Зарисуйте траекторию движения звёздочек салюта: в первый момент после выстрела и после вспышки.

Ответ:

Рассмотрим два возможных варианта. Первый, это когда выстрел был строго вертикально, в этом случае до момента вспышки траектория звездочки салюта будет прямолинейной, а после вспышки салют разойдется по траекториям -  параболам.

Второй вариант подразумевает, что выстреле салюта был под углом, вот тогда даже изначально траектория окажется параболической, и после вспышки разлетится на несколько парабол, направленных во все стороны.

3. Используя географическую карту мира, вспомните, как проходил путь путешественника Афанасия Никитина во время его «хождения за три моря» и путь Васко да Гамы во время путешествия в Индию. На глаз оцените, во сколько раз отличаются длины путей, проделанных А. Никитиным и Васко да Гамой.

Ответ:

Длина пути, проделанного Васко да Гамы до Индии примерно в три раза больше, чем длина пути А. Никитина. А. Никитин совершил свой путь по Евразии по рекам, а Васко да Гама обогнул Африку в поисках морского пути до Индии по Атлантическому океану.

§15

§15. Равномерное и неравномерное движение

Вопросы

1. Какое движение называют равномерным?

Ответ:

Равномерное движение, это когда тело проходит за равное время равные промежутки расстояния. 

2. Какое движение называют неравномерным?

Ответ:

Если тело за равные промежутки времени проходит разные пути, то его движение называют неравномерным.

3. Приведите примеры неравномерного движения.

Ответ:

Падающее на землю тело, ускорение автомобиля при начале движения, замедление скорости при попадании тела в более плотную среду, скажем из воздуха в воду (прыжок в воду с вышки). 

Задание

• Запустите игрушечный автомобиль и одновременно мелком на столе отмечайте путь, который пройдёт машинка через каждые 3 с. Сравните пройденные пути и сделайте вывод, как двигался автомобиль: равномерно или неравномерно.

Ответ:

Машинка со временем проходила все меньшие и меньшие промежутки пути, за одно и то же время 3 с. То есть скорость снижалась, движение было неравномерным. 

§16

§16. Скорость. Единицы скорости

Вопросы

1. Что показывает скорость тела при равномерном движении?

Ответ:

Скорость тела при равномерном движении показывает, какой путь она прошла в единицу времени.

2. По какой формуле определяют скорость тела, если известен его путь и время, за которое он пройден?

Ответ:

Чтобы определить скорость при равномерном движении, надо путь пройденный телом за какой−то промежуток времени, разделить на этот промежуток времени.
Скорость обозначают буквой v, путь − S, время − t.
Формула для нахождения скорости будет иметь вид:
$v=\frac{S}{t}$.

3. Какова единица измерения скорости в СИ?

Ответ:

В международной системе (СИ) скорость измеряют в метрах в секунду (м/с).
Это значит, что за единицу скорости принимается скорость такого равномерного движения, при котором за 1 секунду тело проходит путь, равный 1 м.

4. Чем, кроме числового значения, характеризуется скорость тела?

Ответ:

Скорость, кроме числового значения, характеризуется еще и направлением. Величины, которые, кроме числового значения (модуля), имеют ещё и направление, называют векторными.

5. Как определяют среднюю скорость при неравномерном движении?

Ответ:

Чтобы определить среднюю скорость тела ($v_{ср}$) при неравномерном движении надо весь пройденный путь разделить на всё время движения:
$v_{ср}=\frac{S}{t}$.
При неравномерном движении тела средняя скорость характеризует движение тела за весь промежуток времени. Она не поясняет, как двигалось тело в различные моменты времени этого промежутка.

Упражнение 3

1. Выразите скорости тел: 90 км/ч и 36 км/ч в м/с.

Ответ:

1 км = 1000 м; 1 ч = 3600 с.
1 $\frac{км}{ч} = 1 * \frac{1000м}{3600 с}$;
90 $\frac{км}{ч} = \frac{90*1000м}{3600 с} = 25 \frac{м}{с}$;
36 $\frac{км}{ч} = \frac{36*1000м}{3600 с}= 10 \frac{м}{с}$.
Ответ. 25 м/с, 10 м/с.

2. Поезд идёт со скоростью 72км/ч. Выразите его скорость в метрах в секунду.

Ответ:

Дано:
v = 72 км/ч;
v (м/с) − ?
Решение:
1 км = 1000 м; 1 ч = 3600 с.
$1 \frac{км}{ч} = 1 * \frac{1000м}{3600 с}$;
$72 \frac{км}{ч} = \frac{72*1000м}{3600 с} = 20 \frac{м}{с}$.
Ответ. 20 м/с

3. Гоночный автомобиль за 10 мин проезжает путь, равный 50 км. Определите его среднюю скорость.

Ответ:

Дано:
t = 10 мин;
S = 50 км.
$v_{ср}$ − ?
Решение:
$v_{ср}=\frac{S}{t}$
$v_{ср}=\frac{50}{10} =5 \frac{км}{мин}$ или
$v_{ср} = 5 *60\frac{км}{ч} = 300 \frac{км}{ч}$
Ответ. 300 $\frac{км}{ч}$

4. Лучшие конькобежцы дистанцию 1500 м пробегают за 1 мин 52,5 с. С какой средней скоростью они проходят эту дистанцию?

Ответ:

Дано:
S = 1500 м, t = 1 мин. 52,5 с
v − ?
Решение:
t = 60 + 52,5 = 112,5 с
$v_{ср}=\frac{S}{t}$
$v_{ср}=\frac{1500}{112,5} ≈ 13,3 \frac{м}{c}$
Ответ. 13,3 $\frac{м}{c}$

5. Лыжник, спускаясь с горы, проходит 50 м за 5 с. Спустившись с горы и продолжая двигаться, он до полной остановки проходит ещё 30 м за 15 с. Найдите среднюю скорость лыжника за всё время движения.

Ответ:

Дано:
$S_{1}$ = 50 м, $t_{1}$ = 5 с.
$S_{2}$ = 30 м, $t_{2}$ = 15 c
$v_{ср}$ − ?
Решение:
$S=S_{1}+S_{2}$
S = 50 + 30 = 80 м;
$t = t_{1}+t_{2}$
t = 5 + 15 = 20 c
$v_{ср}=\frac{S}{t}$
$v_{ср}=\frac{80}{20} =4\frac{м}{c}$
Ответ. 4$\frac{м}{c}$

Задание

• Найдите с помощью Интернета фамилии советских лётчиков, совершивших впервые в мире беспосадочный перелёт Москва — Северный полюс — США. Известно, что расстояние 8582 км они пролетели за 63 ч 16 мин. Определите, с какой средней скоростью летел самолёт.

Ответ:

Советские лётчики, совершившие беспосадочный полёт Москва−Северный полюс − США: В. П. Чкалов, Г. Ф. Байдуков, А. В. Беляков.
Дано:
S = 8582 км, t = 63 ч 16 мин.
$v_{ср}$ − ?
Решение:
t (мин) = 63 * 60+16 = 3796 мин.
$v_{ср}=\frac{S}{t}$
$v_{ср}=\frac{8582}{3796 } ≈ 2,26 \frac{км}{мин}$
Ответ. 2,26 $\frac{км}{мин}$

§17

§17. Расчет пути и времени движения

Вопросы

1. Как определить путь:
а) при равномерном движении тела;
б) при неравномерном движении тела?

Ответ:

а) Зная время и скорость можно вычислить путь. Ведь путь при равномерной скорости это сама скорость взятая то количество времени, сколько длилось движение. То есть надо скорость умножить на время:
S = vt, где S − путь, v − скорость, t − время.
б) Здесь надо вычислить среднюю скорость, которая станет эквивалентом скорости при равномерном движении. Итак, если тело движется неравномерно, то, зная, его среднюю скорость движения и время, за которое происходит это движение, находят путь:
$S = v_{ср}t$, где S − путь,$ v_{ср}$ − средняя скорость, t − время.

2. Как определить время:
а) при равномерном движении тела;
б) при неравномерном движении тела?

Ответ:

а) Зная пройденный путь и скорость, можно узнать сколько для этого потребовалось времени. Ведь путь это время, которое перемещалось тело с определенной скоростью, тогда надо путь, пройденным телом, разделить на скорость его движения:
$t=\frac{S}{v}$, где t − время, S − путь, v − скорость.
б) Здесь надо вычислить среднюю скорость, которая станет эквивалентом скорости при равномерном движении. Чтобы определить время при неравномерном движении, надо путь, пройденным телом, разделить на среднюю скорость его движения:
$t=\frac{S}{v_{ср}}$, где t − время, S − путь, $v_{ср}$ − средняя скорость.

Упражнение 4

1. Пользуясь таблицей 1, найдите скорости страуса, автомобиля, искусственного спутника Земли. Определите пути, пройденные ими за 5 с.

Таблица 1. Средние скорости движения некоторых тел, скорость звука, радиоволн и света, м/с

Ответ:

Дано:
Скорость страуса $v_{1}$ = 22 м/с;
Скорость автомобиля "Лада" $v_{2} $ = 20 м/с;
Скорость для искусственного спутника Земли $v_{3} $ = 8000 м/с.  (1 космическая скорость)
t = 5 c.
S − ?
Решение:
S = vt;
$S_{1}$ = 22 * 5 = 110 м;
$S_{2}$ = 20 * 5 = 100 м;
$S_{3}$ = 8000*5 = 40000 м.
Ответ. 110 м, 100 м, 40000 м.

2. На велосипеде можно без особого напряжения ехать со скоростью 3 м/с. На какое расстояние можно уехать за 1,5 ч?

Ответ:

Дано:
v = 3 м/с;
t = 1,5 ч.
S − ?
Решение:
t (c) = 1,5 *3600 = 5400 с
S = vt;
S = 3 * 5400 = 16200 м или 16,2 км.
Ответ. 16,2 км.

3. На рисунке 38 показан график зависимости пути равномерного движения тела от времени (s — ось пройденного пути, t — ось времени). По этому графику найдите, чему равен путь, пройденный телом за 2 ч. Затем рассчитайте скорость тела.

рис. 38

Ответ:

По графику получается, что путь пройденный телом за 2 часа, равен 200 км. Решаем задачу. 
Задача.
Дано:
S=200 км, t = 2 ч;
v − ?
Решение:
$v=\frac{S}{t}$
$v=\frac{200}{2} =100 \frac{км}{ч}$
Ответ. 100 $\frac{км}{ч}$ пройденный путь.

4. График зависимости скорости равномерного движения тела от времени представлен на рисунке 39. По этому графику определите скорость движения тела. Рассчитайте путь, который пройдёт тело за 2 ч; 4 ч.

рис. 39

Ответ:

Согласно графику скорость была равномерной и равнялась 8 м/с.
Задача.
Дано
v = 8 м/с;
$t_{1}$ = 2 ч;
$t_{2}$ = 4 ч.
$S_{1}$ − ?
$S_{2}$ − ?
Решение:
1 ч = 3600 с;
$t_{1}$ (с) = 2*3600 =7200 с;
$t_{2}$ (с) = 4 *3600 = 14400 с;
S = vt;
$S_{1}$ = 8 * 7200 = 57600 м или 57,6 км;
$S_{2}$ = 8 * 14400 = 115200 м или 115,2 км;
Ответ. 57,6 км; 115,2 км.

5. По графикам зависимости путей от времени (рис. 40) двух тел, движущихся равномерно, определите скорости этих тел. Скорость какого тела больше?

рис. 40

Ответ:

Дано:
$S_{1}$ = 8 м, $t_{1}$ = 4 c;
$S_{2}$ = 2 м, $t_{2}$ = 2 с.
v − ?
Решение:
$v=\frac{S}{t}$
$v_{1}=\frac{8}{4} =2 \frac{м}{с}$;
$v_{2}=\frac{2}{2} =1 \frac{м}{с}$;
$v_{1}$ > $v_{2}$ . Из полученных значений понятно, что скорость первого тела больше скорости второго тела в 2 раза.
Ответ. $2 \frac{м}{с}$; $1 \frac{м}{с}$. Скорость первого тела больше скорости второго тела.

Задание

• На сайте www//nows.gismeteo.ru найдите информацию о самых крупных цунами за последние 10 лет. Известно, что скорость распространения цунами достигает 500км/ч и волна врывается на сушу на 10 км. Найдите время, за которое цунами может пройти это расстояние.

Ответ:

Дано:
v = 500 км/ч;
S = 10 км;
t − ?;
Решение:
$t=\frac{S}{v}$;
$t=\frac{10}{500} = 0,02$ ч или
t (с) = 0,02 * 3600 = 72 с или
Ответ: 72 с может ворваться на сушу на 10 км.

с сайта ria.ru справочная информация:

Цунами − это такие длинные волны, порождаемые мощным воздействием смещения земной коры, на всю толщу (глубину) воды в океане или другом водоёме.
2018
22 декабря на побережье Зондского пролива на западе Индонезии обрушилось цунами. Число жертв цунами достигло 168 человек, 745 человек пострадали, 30 числятся пропавшими без вести. В результате цунами разрушены сотни домов.
28 сентября утром у побережья индонезийского острова Сулавеси, недалеко от города Палу, произошло землетрясение магнитудой 6,1. Позднее в том же районе было зафиксировано еще одно землетрясение магнитудой 7,4 и ряд афтершоков. На Палу обрушилось цунами высотой до двух метров. Число жертв землетрясения и цунами в Индонезии составило 2010 человек, около 11 тысяч получили ранения. В результате разгула стихии более 67 тысяч жилых домов подверглись разрушению.
2015
17 октября на побережье фьорда Таан на Аляске обрушилось гигантское цунами, высота волн которого достигала 200 метров. Эта местность является незаселенной, поэтому стихийное бедствие не привело к человеческим жертвам и осталось почти незамеченным. Следы цунами были обнаружены позже учеными. Причиной цунами стал огромный оползень, сошедший в море и вызванный таянием ледника Тиндалл.
В ночь на 17 сентября у побережья Чили произошло землетрясение магнитудой 8,4. Эпицентр толчков располагался в 54 километрах к северо−западу от города Ильяпель, в 228 километрах к северу от столицы страны Сантьяго. За землетрясением последовал афтершок магнитудой 6,4. Национальная служба по чрезвычайным ситуациям Чили проинформировала о 4,5−метровых волнах цунами, обрушившихся на город Кокимбо. Около 1 миллиона человек были эвакуированы. В результате стихийного бедствия погибли 13 человек, шесть человек пропали без вести.
2014
В ночь на 2 апреля и еще через день у тихоокеанского побережья Чили произошла серия мощных землетрясений: магнитудой 8,2 и затем два толчка магнитудой 7,6 и 7,4. На побережье в районе Икике было зафиксировано цунами высотой 2 метра 11 сантиметров. Волны около полуметра отмечены и в Перу. Жертвами первого удара в Чили стали шесть человек, девять человек пострадали в Перу.
2013
6 февраля в районе острова Санта−Крус (Соломоновы острова) было зафиксировано землетрясение магнитудой 8,0. Подземные толчки вызвали в регионе цунами. В результате цунами, возникшего в районе Соломоновых островов, были разрушены несколько поселений. Высота волн в пострадавшем регионе достигла 0,9 метра. В результате погибли шесть человек.
2011
11 марта 2011 года на северо−востоке Японии произошло землетрясение магнитудой 9,0, которое получило официальное название "Великое землетрясение Восточной Японии". Стихийное бедствие произошло в 8.48 по московскому времени, эпицентр находился в 373 километрах северо−восточнее города Токио, очаг залегал на глубине 24 километров. Высота цунами, налетевшего на расположенный в префектуре Ивате город Мияко, составляла около 40,5 метра. Высота волны, обрушившейся на деревню Нода в той же префектуре Ивате, составляла 37,8 метра, а высота цунами, разрушившего город Онагава в префектуре Мияги, – 34,7 метра. В результате от гигантского цунами в шести префектурах пострадали 62 города и деревни.
 Стихийное бедствие привело к развитию тяжелой аварии на японской АЭС "Фукусима−1" (Fukushima Daiichi).
Число погибших, по последним данным, составило 15 тысяч 895 человек в 12 префектурах. При этом около 93% всех погибших стали жертвами именно цунами. Пропавшими без вести по данным на март 2018 года считаются 2 тысячи 539 человек в шести префектурах.

§18

§18. Инерция

Вопросы

1. В результате чего меняется скорость тела? Приведите примеры.

Ответ:

Скорость тела может поменяться из за воздействия внешних признаков (сила и направление). Начиная от столкновения с внешним телом, заканчивая трением о среду, в котором или по которому движется тело. Практически все физические явления связаны с воздействием подобных сил. Движение мяча от удара ногой футболиста, скольжение на коньках по льду, катание с горки, бросок камня рукой.

2. Какой опыт показывает, как изменяется скорость тела при возникновении препятствия?

Ответ:

В опыте показано, как воздействие внешних сил влияет на изменение скорости тела. Так скорость тележки меняется не только при изменении наклона горки, но и при влиянии кучи песка.



рис. 41. Изменение скорости движения тела.
Установим наклонно на столе доску. Насыплем на стол, на небольшом расстоянии от конца доски, горку песка. Поместим на наклонную горку тележку. Тележка, скатившись с доски на стол и попав в песок, быстро останавливается (рис. 41,а). На своём пути тележка встречает препятствие в виде горки песка. Скорость тележки уменьшается очень быстро. Её движение неравномерно.
Выровняем песок и вновь опустим тележку с прежней высоты. Теперь тележка пройдёт большее расстояние по столу, прежде чем остановится (рис. 41,б).
Её скорость изменяется медленнее, а движение становится ближе к равномерному.
Если совсем убрать песок с пути тележки, то препятствием её движению будет только трение о стол. Тележка до остановки пройдет ещё большее расстояние (рис. 41,в). В этом случае её скорость уменьшается ещё медленнее, а движение становится еще ближе к равномерному.
Чем меньше действие другого тела на тележку, тем дольше сохраняется скорость её движения и тем ближе оно к равномерному.

3. Что называется инерцией?

Ответ:

Инерция − сохранение направленного движения под влиянием ранее действующей силы, при условии ее исчезновения. 

4. Как движется тело, если на него не действуют другие тела?

Ответ:

Тело изменяет скорость и движение при воздействии на него других тел и сил. Если же на тело не действуют другие силы, то оно либо находится в покое либо в равномерном движении. (*закон Ньютона сформулированный еще Галилеем)

Упражнение 5

1. Встряхните медицинский термометр. Почему показание столбика ртути начинает падать?

Ответ:

Это похоже на встряхивание капель дождя с зонтика, когда жидкость, а в данном случае жидкий металл ртуть, имеют свою инерционную массу. В итоге при резком встряхивании и изменении траектории движения, путем остановки градусника, появляется инерционная сила ртути, она и заставляет металл стекать обратно в носик градусника. Так мы сбрасываем показания термометра. Расширение же обратно металла по шкале возможно только при воздействии температуры.

2. Почему при езде на автомобиле необходимо пристёгивать ремни безопасности?

Ответ:

Как и все физические тела, наше тоже обладает инерционной массой, то есть сохранением скорости и направления движения. В итоге при резком изменении сил, скажем при ДТП, наше тело будет стараться продолжить движение по траектории движения автомобиля. Такую силу надо будет погасить. Фактически ремни и призваны удержать пассажира в кресле при возникновении таких нежелательных сил. Что сохранить пассажира на месте, а как следствие может сохранить жизнь, ведь остановит возможное столкновение.

Задание

• На плотную салфетку положите две монетки, а на них — перевёрнутый стакан. Третью монетку, меньшего размера и толщины, положите между ними. Достаньте маленькую монетку, не прикасаясь к стакану и монетам и не используя других предметов.

Ответ:

Здесь используется свойства инерционной массы, инерции. Чем тяжелее тело, тем сложнее его привести в движение и сложнее остановить. В данном случае нас интересует то, как тела реагируют на приложение сил. Легкие тела всегда менее инерционны, а значит они подвержены более легкому передвижению. При этом, чем выше скорость воздействия (приложение силы за минимальное время), тем меньшее перемещение получится. Скажем можно надавить на кнопку и мы ее нажмем, но если ударить по ней щелчком пальца (*так называемым шелбаном), то можно ее и не продавить. Хотя суммарная энергия будет соизмерима. Это связано с инерцией.
 Так вот, выдергивая салфетку из под стакана стоящего на монетах, сдвинуть его сложнее, чем легкую монету, которая сразу отреагирует на воздействие силы. В итоге она вылетит из под стакана, а стакан практически останется на месте. Так можно будет достать маленькую монету. 

§19

§19. Взаимодействие тел

Вопросы

1. Какие опыты показывают, что тела приходят в движение при взаимодействии с другими телами?

Ответ:

1) Опыт с тележками показывает, что тела приходят в движение при взаимодействии с другими телами.
К тележке прикрепим упругую пластинку. Затем изогнём её и свяжем нитью. Тележка относительно стола находится в покое (рис. 42, а). Если пережмём нить, пластинка выпрямится, тележка останется на прежнем месте (рис. 42, б).

рис. 42. Скорость тележки в отсутствие взаимодействия не меняется.

Изменим условия опыта: теперь вплотную к согнутой нами пластинке поставим другую такую же тележку, с другой стороны (рис. 43, а). Вновь перережем нить. Теперь наши тележки пришли в движение относительно друг друга и стола. Движение тележек разнонаправленное (рис. 43, б).

рис. 43. Изменение скорости движения тележек при взаимодействии.

Что у нас получилось? Для того, чтобы изменить скорость тележки, а в нашем случае сдвинуть, понадобилось нечто, о что можно "опереться", наше вторая тележка. Такой эксперимент показал, что скорость тележки меняется только в результате действия на усилия пружины "сыгравшей" от второй тележки. Также мы можем наблюдать, что в движение пришла и вторая тележка.
В этом случаен получилось, что сила пружины стала силой влияющей как на первую тележку, так и на вторую, то есть можно утверждать, что тележки взаимодействуют через пластину.
2) Скажем пуля, которая первоначально находится в покое относительно ствола ружья перед спуском курка. А вот после, за счет воздействия взрывных газов, энергия передается как пуле, так и ружью. Причем их силы разнонаправленные и скорости прямо пропорциональны массе. При этом отдача ружья и есть не что иное как влияние силы газов равномерно направленное как в ружье, так и приложенная к пуле. 
3) Еще одна схожая ситуация, когда кто-то прыгает с борта плавающей лодки на берег. В итоге получается, что образуется сила как у человека, который оттолкнулся, так и у лодки, но в сторону противоположную прыжку (рис. 45). Такое влияние тел друг на друга позволяет выпрыгнуть из лодки, но придает самой лодке скорость в обратном прыжку направлении.

рис. 45. Взаимодействие человека и лодки.

4) Еще пример. Если человек, сидящий в одной лодке упрется в борт другой лодки и оттолкнет ее от себя, то его лодка и та от которой он оттолкнулся приобретут некую скорость, поплывут. (рис. 44).

рис. 44. Изменение скорости лодок в результате взаимодействия.

2. Какие примеры показывают, что при взаимодействии меняются скорости обоих тел?

Ответ:

Сейчас приведем ряд примеров показывающих взаимодействие тел и изменение их скорости.
Скажем при ДТП, скорость машин мгновенно снижается до нуля, а иногда меняет направление скорости на обратное. 
Если оттолкнуться от борта лодки, спрыгнув скажем на берег, то лодка также получит некую скорость, но в направлении обратном толчку.
При соударении двух бильярдных шаров меняется скорость как первого, так и второго.

3. Опишите явление взаимодействия тел на примере выстрела из ружья (винтовки).

Ответ:

1. Пуля находится в состоянии покоя.
2. Происходит взрыв пороха, образуются газы толкающие пулю по стволу.
3. Пуля получает некую скорость, за счет упругости этих газов, который действую как на пулю, так и на само ружье.
4. В итоге ружье тоже получает скорость, но обратную движению пули.

§20

§20. Масса тела. Единицы массы

Вопросы

1. Как проводился опыт с двумя взаимодействующими тележками?

Ответ:

Из опыта можно узнать, что скорость появляется лишь в результате приложения силы относительно точки опоры. При этом каждому из тел при таком взаимодействии передается часть энергии влияющая на его скорость.
Скажем к тележке прикрепим упругую пластинку. Затем изогнём её и свяжем нитью. К одной тележке приставим другую точно такую же телегу (рис. 43, а). Перережем нитку. В итоге, и та и другая тележка придет в движение относительно поверхности и друг друга. Их движение будет разнонаправленное (рис. 43, б). Такой опыт показывает, что скорость тел может поменяться в результате взаимодействия на них силы, от другого тела, точки опоры. В данном случае второй тележки.

рис. 43. Изменение скорости движения тележек при взаимодействии.

Изменим условия, положив на одну из тележек груз (рис. 46,а ). Теперь после того как перерезаем нить, срабатывает пружина передавая энергию, тележки также разъезжаются в разные стороны, но их скорость стала разной.  (рис. 46, б). Не смотря на равную силу приложенную к тележкам их скорость и конечное расстояние, которое они прошли, будут разными. На это повлияла масса груза тележки.

рис. 46 Изменение скорости движения тележек в зависимости от их массы.

Тележка с грузом пройдет меньший путь. Это значит, что при одинаковых условиях влияющих на гашение скорости, у тележки с грузом было меньшая скорость. И расстояние, которое они прошли прямо пропорционально не только скорости, но и массе тележек. 

В итоге, можно сделать заключение, что если скорости тележек при приложении к ним силы одинаковые, то и массы были равными. Если скорости различны, то и массы тоже. 

2. Каким образом можно установить, что масса одной из тележек больше, а другой меньше?

Ответ:

Если скорости тележек при приложении к ним силы одинаковые, то и массы были равными. Если скорости различны, то и массы тоже. Скорость, расстояние и масса пропорциональны между собой, то есть расстояние на столько меньше, на сколько больше масса или наоборот, настолько больше расстояние, насколько была меньше масса, к которой прилагалась сила.

3. Какие единицы массы, помимо килограмма, также используют на практике?

Ответ:

В жизни можно массу выразить и в других единицах измерения: 
миллиграмм (мг).
грамм (г);
центнер (ц);
тонна (т);

Упражнение 6

1. Выразите в килограммах массы тел: 3 т; 0,25 т; 300 г; 150 г; 10 мг.

Ответ:

1 т = 1000кг;
3 т = 3 * 1000 = 3000 кг;
0,25 т = 0,25 * 1000 = 250 кг;
1 г = 0,001 кг ($10^{-3}$ кг);
300 г = 300 * 0,001 = 0,3 кг;
150 г = 150 * 0,001 = 0,15 кг;
1 мг = 0, 000001 кг ($10^{-6}$ кг);
10 мг = 10 * 0,000001 = 0,00001 кг.
Ответ. 3000 кг; 250 кг; 0,3 кг; 0,15 кг; 0,00001 кг.

2. Из неподвижной лодки, масса которой 80 кг, прыгает на берег мальчик. Масса мальчика 40 кг, скорость его при прыжке 2 м/с. Какую скорость приобрела лодка?

Ответ: Из выше поставленных опытов мы знаем, что расстояние и масса пропорциональны между собой, то есть расстояние на столько меньше, на сколько больше масса или наоборот, настолько больше расстояние, насколько была меньше масса, к которой прилагалась сила.

 

Дано:
$m_{л}$ = 80 кг;
$m_{м}$ = 40 кг;
$v_{м}$ = 2 м/с;
$v_{л}$ −?
Решение:
Высчитаем соотношения масс мальчика и лодки $\frac{m_{м}}{m_{л}}$ = $\frac{80}{40} = 2$
Получается, что мальчик в 2 раза легче лодки, значит во столько раз (2) будет выше его скорость.
$v_{л}=\frac{v_{м}}{2} = 1 м/с.$
Ответ. 1 м/с скорость лодки.

3. Из винтовки вылетает пуля со скоростью 700 м/с. Винтовка при отдаче приобретает скорость 1,6 м/с. Определите массу винтовки, если масса пули 10 г.

Ответ: Из выше поставленных опытов мы знаем, что расстояние и масса пропорциональны между собой, то есть расстояние на столько меньше, на сколько больше масса или наоборот, настолько больше расстояние, насколько была меньше масса, к которой прилагалась сила.

Дано:
$v_{п}$ = 700 м/с;
$v_{в}$ = 1,6 м/с;
$m_{п}$ = 10 к;
$m_{в}$ − ?
Решение:
Находим соотношение скорости пули и скорости отдачи винтовки при выстреле:
$\frac{v_{п}}{v_{в}}=\frac{700}{1,6}$ = 437,5
оно равно 437,5, это значит, что масса пули во столько же раз меньше массы винтовки:
$m_{в}$ = $m_{п}$ * 437,5 = 10 * 437,5 = 4375 г или 4,375 кг
Ответ. 4,375 кг масса винтовки.

§21

§21. Измерение массы тела на весах

Вопросы

1. Как определить массу тела по взаимодействию его с другим телом известной массы?

Ответ:

Из выше поставленных опытов мы знаем, что скорость и масса пропорциональны между собой, то есть скорость на столько меньше, на сколько больше масса или наоборот, настолько больше скорость, насколько была меньше масса, к которой прилагалась сила.

2. Каково условие равновесия учебных весов?

Ответ:

При равных массах на рычажных учебных весах, мы увидим, что чаши стоят друг напротив друга.

3. Как можно определить массу тела при помощи весов?

Ответ:

Необходимо уравновесить чашки весов. На одну чашку кладем измеряемую массу, на вторую гири с известным нам номиналом таким образом, чтобы чашки уравновесились. После подсчитываем массу гирь и получаем измеряемую массу.

Задание

• Налейте в пластиковый стакан холодной воды и взвесьте на кухонных весах. Затем поставьте воду в морозильную камеру и после замерзания вновь поставьте на весы. Изменилась ли масса воды, после того как она превратилась в лёд? Дайте объяснения.

Ответ:

При замерзании воды ее масса не меняется, так как количество молекул остается прежним. Однако при замерзании воды может поменяться плотность. Она уменьшится, а объём при этом увеличится.

§22

§22. Плотность вещества

Вопросы

1. По какой формуле можно рассчитать плотность вещества?

Ответ:

Плотность − характеристика указывающая на отношение массы вещества и его объёма. Формула плотности:
$ρ=\frac{m}{V}$, где:
ρ − плотность вещества,
m − масса,
V − объём.

2. Какова единица плотности в СИ?

Ответ:

В системе СИ килограмм на кубический метр является принятой для обозначения и вычисления величиной ($1\frac{кг}{м^{3}}$).

3. Какие ещё единицы плотности вам известны?

Ответ:

Плотность вещества можно выразить в любом соотношении массы и объема, так бывает, что плотность выражают в граммах на кубический сантиметр ($1\frac{г}{см^{3}}$).

Упражнение 7

1. Плотность редкого металла осмия равна 22 600 $кг/м^{3}$. Что это означает?

Ответ:

Это значит, что в одном кубическом метре 1 $м^{3}$ такого металла 22 600 кг или 22 т 600 кг или 22 т 6ц.

2. Пользуясь таблицами плотностей (табл. 2, 3), определите, плотность какого вещества больше: цинка или серебра; бетона или мрамора: бензина или спирта.
Таблица 2. Плотности некоторых твёрдых тел (при норм. атм. давл., t = 20°C).

Таблица 3. Плотности некоторых жидкостей (при норм. атм. давл., t = 20 °C)

Ответ:

Из таблицы видно, что плотность цинка (7100 $кг/{м^{3}}$), то есть меньше плотности серебра (10500 $кг/{м^{3}}$).
Из таблицы видно, что плотность бетона (2300 $кг/{м^{3}}$), то есть меньше плотности мрамора (2700 $кг/{м^{3}}$).
Из таблицы видно, что плотность бензина (710 $кг/{м^{3}}$), то есть меньше плотности спирта (800 $кг/{м^{3}}$).

3. Три кубика — из мрамора, льда и латуни — имеют одинаковый объём. Какой из них имеет большую массу, а какой — меньшую?

Ответ:

Так плотность мрамора равна 2700 $кг/{м^{3}}$. Это значит, что мрамор объёмом 1 $м^{3}$ имеет массу 2700 кг.
Плотность льда равняется 900$кг/{м^{3}}$. Получается, что лёд объёмом 1 $м^{3}$ имеет массу 900 кг.
Плотность латуни равна 8500 $кг/{м^{3}}$. То есть латунь объёмом 1 $м^{3}$ имеет массу 8500 кг.
Масса у латуни больше, так как она имеет большую плотность.
Масса у льда меньше, так как у него более низкая плотность.

4. Самое лёгкое дерево — бальза. Масса древесины этого дерева равна 12 г при объёме 100 см3. Определите плотность древесины в граммах на сантиметр кубический $(г/см^{3}$) и килограммах на метр кубический ($кг/м^{3}$).

Ответ:

Дано:
m = 12 г;
V = 100 $см^{3}$;
ρ ($г/м^{3}$)−?
ρ ($кг/м^{3}$)−?
Решение:
$ρ=\frac{m}{V}$;
$ρ=\frac{12}{100}$ = 0,12 $г/см^{3}$ или
$ρ=0,12*\frac{10^{-3}}{10^{-6}}кг/м^{3}$ = $0,12*10^{3}кг/м^{3}$ = 120 $кг/м^{3}$
1 г = $10^{-3}$ кг;
1 $см^{3}$= $10^{-6}м^{3}$
Ответ. 120 $кг/м^{3}$ плотность дерево бальза.

5. Кусочек сахара имеет размеры: а = 2,5 см, b = 1 см, с = 0,7 см (рис. 53).

рис. 53.
Его масса равна 0,32 г. Определите плотность сахара. Проверьте полученный результат по таблице 2.
Таблица 2. Плотности некоторых твёрдых тел (при норм. атм. давл., t = 20°C).

Ответ:

Дано:
а = 2,5 см;
b = 1 см;
с = 0,7 см;
m = 0,32 г.
ρ − ?
Решение:
$ρ=\frac{m}{V}$
V = a * b * c;
V = 2,5 * 1 * 0,7 = 1,75 $см^{3}$

$ρ=\frac{m}{V}$;
$ρ=\frac{0,32}{1,75}$ = 0,18 г/$см^{3}$.

Согласно таблице, плотность сахара−рафинада 1,6 г/$см^{3}$. Получилось расхождение в 10 раз.
Ответ. 0,18 г/ $см^{3}$.

Задание

• В вашем распоряжении имеются весы с разновесами, измерительный цилиндр с водой и металлический шарик на нити. Предложите, как определить плотность шарика.

Ответ:

1. Первоначально необходимо найти его объем. Для этого погружаем его в цилиндр и измеряем изменение уровня жидкости. Дале по формуле объема цилиндра можно вычислить объем шарика, он будет равен площади основания цилиндра умноженного на высоту изменения уровня жидкости.
2. Далее находим массу шарика, положив его на весы и уравновесив эквивалентным грузом.
Теперь можно найти плотность шарика.
3. Вычислим плотность по формуле: $ρ=\frac{m}{V}$, где ρ − плотность вещества, m − масса, V − объём.

§23

§23. Расчет массы и объема тела по его плотности

Вопросы

1. Как вычисляется масса тела по его плотности и объёму?

Ответ:

Ранее мы узнали формулу плотности, которая находится как соотношение массы к объему. Из нее же можно вычислить массу тела. Надо плотность умножить на объём.
m = ρV, где m − масса, ρ − плотность, V − объём.

2. По какой формуле можно определить объём тела?

Ответ:

Опять же, по формуле плотности, если нам известны масса тела и плотность, то можно рассчитать и объем:
$V=\frac{m}{ρ}$, где
m − масса,
ρ − плотность,
V − объём.

Упражнение 8

1. Какова масса 0,5 л спирта, молока и ртути?

Ответ:

Дано:
$V_{сп}=V_{мол}=V_{рт}$ = 0,5 л;
$ρ_{сп}$= 800 кг/$м^{3}$;
$ρ_{мол}$ =1030 кг/$м^{3}$;
$ρ_{рт}$ =13600 кг/$м^{3}$.
$m_{сп}$ − ?
$m_{мол}$ − ?
$m_{рт}$ − ?
Решение:
1 л = 0,001 $м^{3}$;
m = ρV;
$m_{сп}$ = 800 * 0,5 * 0,001 = 0, 4 кг;
$m_{мол}$ = 1030 * 0,5 * 0,001 = 0, 515 кг;
$m_{рт}$ = 13600 * 0,5 * 0,001 = 6,8 кг.
Ответ. 0,4 кг; 0,515 кг; 6,8 кг - спирт, молоко и ртуть в объеме 0,5 л.

2. Определите объём льдинки, масса которой 108 г.

Ответ:

Дано:
m = 108 г;
ρ = 0,90 г/$см^{3}$;
V − ?
Решение:
$V=\frac{m}{ ρ}$;
$V=\frac{108}{0,90}$ = 120 $см^{3}$
Ответ. 120 $см^{3}$ .

3. Сколько килограммов керосина входит в пятилитровую бутыль?

Ответ:

Дано:
V = 5 л;
ρ = 800 кг/$м^{3}$.
m − ?
Решение:
1 л = 0,001 $м^{3}$;
m = ρV,
m = 800 * 5 * 0,001 = 4000 * 0,001 = 4 кг
Ответ. 4 кг

4. Грузоподъёмность лифта 3 т. Сколько листов железа можно погрузить в лифт, если длина каждого листа 3 м, ширина 60 см и толщина 4 мм?

Ответ:

Дано:
$m_{maх}$ = 3 т;
а = 3 м;
b = 60 см;
с = 4 мм.
N − ?
Решение:
1 мм = 0,001 м; 4 мм = 0,004 м
1 см = 0,01 м; 60 см = 0,6 м
V = abc
V = 3 * 0,6 * 0, 004 = 0,0072 $м^{3}$;
$ρ_{жел}$ = 7800 кг/$м^{3}$; * справочная информация
m = ρV
Тогда масса одного листа железа будет:
m = 7800*0,0072 = 56,16 кг.
1 т = 1000 кг; 3 т = 3000 кг;
$N = \frac{m_{maх}}{m}$;
$N = \frac{3000}{56,16}$ ≈ 53,4 листов. Берем меньшее целое значение.
Ответ. 53 листа железа можно поднять на лифте.

5. Кружка доверху наполнена молоком. Определите объём кружки, если масса молока в кружке 515 г, плотность молока найдите в таблице.
таблица 3. Плотности некоторых жидкостей (при норм. атм. давл., t = 20 °C)

Ответ:

Дано:
m = 515 г;
ρ = 1,03 г/$см^{3}$
V − ?
Решение:
$V=\frac{m}{ρ}$;
$V=\frac{515}{1,03}$ = 500 $см^{3}$ или 0,0005 $м^{3}$
1 $м^{3}$ = 1000 л
V = 0,5 л
Ответ. 0,5 л.

Задание

• Возьмите баночку из−под мёда. Рассмотрите внимательно этикетку. Найдите на ней, какова масса мёда и объём баночки. Затем рассчитайте плотность мёда. Полученный результат проверьте по таблице 3.
таблица 3. Плотности некоторых жидкостей (при норм. атм. давл., t = 20 °C)

Ответ:

Дано:
m = 400 г;
V = 300 $см^{3}$;
ρ − ?
Решение:
$ ρ=\frac{m}{V}$;
$ ρ=\frac{400}{300}$ ≈ 1,33 г/$см^{3}$.
* справочная информация, плотность мёда равна 1,35 г/$см^{3}$.
Ответ. 1,33 г/$см^{3}$.

§24

§24. Сила

Вопросы

1. В результате чего может меняться скорость тела? Приведите примеры.

Ответ:

Ранее мы рассматривали инерцию тела, которая была связана с воздействием сил и скоростью, которая возникала у тела при приложении сил. Так вот за счет приложения сил как раз и может изменяться скорость. Это удар шарика об шарике в бильярде. Удар (бросок) мяча в спортивных играх. Качение коляски, санок, тележки к которым прикладывают движущую силу.

2. Что такое сила?

Ответ:

Сила является некой мерой взаимодействия между телами. Сила векторная величина, а знает обладает двумя основными признаками. Это номинальное значение, длина вектора и направление силы. Как раз в результате действия силы тела либо изменяют свою скорость, либо деформируются. итоговый результат силы зависит от её модуля (значения), направления и точки приложения.

3. Как изображают силу на чертеже?

Ответ:

На чертежах силу изображают в виде отрезка (вектора) прямой со стрелкой на конце (указывает направление) (рис. 60).

рис. 60. Изображение силы на чертеже

Начало отрезка − точка А есть точка приложения силы. Длина отрезка условно обозначает в определённом масштабе модуль силы.

Упражнение 9

1. Компьютерную мышку двигают по столу с силой 2Н. Изобразите эту силу в масштабе 1 клетка − 1Н.

Ответ:

Схематично нарисуем что происходит. Нашу мышку нарисуем в виде параболы на поверхности. Клетками условно покажем номинальное значение силы, равное 1Н - 1 клетка, 2 Н - это сила порядка 200 г.

Направление силы покажем вектором - стрелкой. Определяющей точку приложения силы, ее значение и направление. 

§25

§25. Явление тяготения. Сила тяжести

Вопросы

1. Почему тела, брошенные горизонтально, падают на землю?

Ответ:

Между телами существует сила притяжения, гравитационная сила. Именно эта сила и притягивает одно тело к другому, а значит тело поднятое над землей притягивается, падает на Землю, если его ничто не удерживает. 

2. Какую силу называют силой тяжести? Как её обозначают?

Ответ:

Сила тяжести − это сила образующая от взаимодействия силы притяжения Земли и тела, зависит от массы тела. Силу тяжести обозначают $F_{тяж}$ .

3. Почему сила тяжести на полюсах Земли несколько больше, чем на экваторе и других широтах?

Ответ:

Дело в том, что Земля это не совсем правильный шар, а шар, который немного сплюснут у полюсов, поэтому тела, который находятся около полюсов, расположены чуть ближе к центру Земли (центру массы). Из за этого сила тяжести на полюсе немного выше, чем на экваторе или других широтах.

4. Как зависит сила тяжести от массы?

Ответ:

Так как силы зависят от массы, то и само значение силы пропорционально массе тела. Получается во сколько раз масса одного тела больше другого тела, во столько же раз и сила, больше.  При равных массах тел и действующие на них силы тяжести одинаковые.

5. Как направлена сила тяжести?

Ответ:

Сила тяжести действует всегда всегда между центрами масс тел, то есть для частного случая тела над землей, оно будет направлена всегда перпендикулярно поверхности земли. 

§26

§26. Сила упругости

Вопросы

1. Когда возникает сила упругости?

Ответ:

Сила упругости возникает при взаимодействии тел, когда образуется упругая деформация, стремящаяся вернуть тело в ее исходное состояние, к первоначальной форме.

2. Что называют деформацией тела?

Ответ:

Деформация - это любые изменения формы, будь то размеров и как следствие объема тела под действием силы.

3. Какие виды деформаций вы знаете?

Ответ:

Виды деформации:
растяжение (растянуть резину),
сжатие (сжать мяч),
сдвиг (при срезе провода кусачками),
изгиб (сгиб листа бумаги, металла и т.д.),
кручение (витые балясины на лестницах часто представляют собой закрученный металлический стержень).

4. Как формулируется закон Гука?

Ответ:

Закон Гука: изменение длины тела на которое воздействуют скажем силой оказывающее растяжение или сжатие, прямо пропорционально модулю (номиналу) силы упругости. Закон Гука:
$F_{упр}=kΔl$, где:
Δl − удлинение тела (изменение его длины),
k − коэффициент пропорциональности (жёсткости).

5. От чего зависит сила упругости?

Ответ:

Из предыдущего материала понятно, что сила упругости зависит, во-первых, от коэффициента жёсткости материала, во-вторых, от его удлинения.
* Этот закон верен лишь для обратимых деформаций, то есть когда тело может вернуться в первоначальную форму. При деформациях вызывающих разрушение, он не работает.

§27

§27. Вес тела

Вопросы

1. Что называют весом тела?

Ответ:

Вес тела − это сила характеризующаяся силой притяжения к Земле. Именно она возникает при взаимном притяжении любого тела и Земли. Сила это как и все другие имеет три основные характеристики, номинал, направление, точку приложения. Она направлена всегда вниз, к центру земли.

2. Чем отличается вес тела от силы тяжести?

Ответ:

Основное различие сил притяжения и силы от веса тела, это точка приложения. Сила тяжести считается что приложена к центру массы тела (рис. 67, а), а вес − к опоре или подвесу (рис. 67, б). Сила тяжести возникает вследствие взаимодействия тела и Земли. Так вот вес тела образует силу взаимодействия тела и опоры (подвеса) вследствие взаимодействия тела и Земли, то есть силы притяжения.

рис. 67. Точки приложения: а — силы тяжести; б — веса тела

§28

§28. Единицы силы. Связь между силой тяжести и массой тела

Вопросы

1. Что значит измерить какую−либо силу?

Ответ:

Измерение силы, как и измерение любой величины, связано с ее сравнением уже какой-либо аналогичной принятой единицей измерения.

2. Что принято за единицу силы?

Ответ:

Одна из принятых сил Ньютон (Н), это сила которая за время 1 с изменяет скорость тела массой 1 кг на 1 м/с. Наименование в честь английского физика И. Ньютона (1 Н).
$1 Н = 1\frac{кг * м}{с^{2}}$

3. Как рассчитать силу тяжести, действующую на тело любой массы?

Ответ:

Сила тяжести

F = mg

F — сила тяжести [Н]

m — масса тела [кг]

g — ускорение свободного падения [м/с2]  *На планете Земля g = 9,8 м/с2

4. По какой формуле можно определить вес тела?

Ответ:

Вес тела равен силе тяжести. $P=F_{тяж}$, если тело и опора неподвижны или движутся равномерно и прямолинейно. Следовательно, вес тела можно определить по формуле
P=gm, где:
m − масса тела,
g − ускорение свободного падения (g= 9,8 м/с2).

Упражнение 10

1. Определите силу тяжести, действующую на тело массой 3,5 кг; 400 г; 1,5 т; 60 г.

Ответ:

Дано:
$m_{1} = 3,5$ кг;
$m_{2} = 400$ г;
$m_{3} = 1,5$ т;
$m_{4} = 60$ г
$F_{тяж}$−?
Решение:
$F_{тяж}=gm$
g = 9,8 м/с2;
$F{1}=9,8 * 3,5 = 34,3$ Н ≈ 34 Н;
$F{тяж}=9,8 * 400 * 0,001$ = 3,92 Н ≈ 4 Н;
$F{тяж}= 9,8 * 1,5 * 1000 $ = 14700 Н ≈ 15 кН;
$F{тяж}=9,8 * 60 * 0,001$ = 0,588 Н ≈ 0,6 Н.
Ответ. 34 Н; 4 Н; 15 кН; 0,6 Н.

2. Найдите вес тела, масса которого 5 кг; 300 г.

Ответ:

Дано:
$m_{1}$ = 5 кг;
$m_{2}$ = 300 г;
P − ?
Решение:
P=gm;
g ≈ 10 м/с2;
$m_{1} = 10 * 5 = 50 $ Н;
$m_{2} = 10 * 300 * 0,001 = 3$ Н.
Ответ 50 Н; 3 Н.

3. Вес человека 700 Н. Определите его массу. Сделайте рисунок и покажите вес тела.

Ответ:

Дано:
P = 700 Н.
m − ?
Решение:
P=gm;
$m=\frac{P}{g}$
g = 9,8 Н/кг (м/с2);
$m=\frac{700}{9,8}$ = 71 кг.
Ответ. 71 кг.

4. Выразите в ньютонах следующие силы: 240 кН, 25 кН, 5 кН, 0,2 кН.

Ответ:

1 кН = 1000 Н;
240 кН = 240 000 Н;
25 кН = 25 000 Н;
5 кН = 5000 Н;
0,2 кН = 200 Н.

5. На столе стоит телевизор массой 5 кг. Определите силу тяжести и вес телевизора. Изобразите эти силы на рисунке.

Ответ:

Дано:
m = 5 кг.
$F{тяж}$ − ?
P − ?
Решение:
$F{тяж}=P=gm$ Эти силы равны, но имеют разные точки приложения силы.
g ≈10 Н/кг;
$F{тяж}=P=10 * 5 = 50 $ Н;
Ответ. 50 Н; 50 Н.

§29

§29. Сила тяжести на других планетах. Физические характеристики планет

Вопросы

1. Сколько планет движется вокруг Солнца?

Ответ:

Вокруг солнца движутся 8 больших планет (рис. 70): планеты земной группы − Меркурий, Венера, Земля, Марс и планеты − гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун.

рис. 70. Движение планет вокруг Солнца

2. Перечислите планеты−гиганты и планеты земной группы.

Ответ:

Планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля, Марс.
Планеты − гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун.

3. Какими силами удерживаются спутники вокруг планет?

Ответ:

Как мы знаем, есть сила притяжения, которая и притягивает спутники, таким образом удерживая их на своей орбите. Здесь важно соблюсти баланс, когда сила притяжения спутника, будет компенсироваться центробежной силой, чтобы спутник не упал на землю и не улетел за пределы действия сил притяжения земли.

4. Какая существует зависимость между массой планеты и силой притяжения?

Ответ:

Сила притяжения прямо пропорциональна массе планеты, чем больше масса, тем  больше сила и наоборот.

Задание

• С помощью Интернета подготовьте презентацию «Самые большие астероиды и их движение»

Ответ:

Слайд 1.
Заголовок "Самые большие астероиды"

Слайд 2.
Астероид (малая планета) — относительно небольшое небесное тело Солнечной системы, движущееся по орбите вокруг Солнца. Любой из астероидов диаметром более 3 километров грозит Земле при столкновении исчезновением цивилизации. Поэтому так важно знать о самых больших астероидах и их движении по орбитах, ведь среди 670 тысяч объектов Солнечной системы попадаются весьма необычные экземпляры. Основная масса крупных небесных тел располагается в так называемом поясе астероидов, далеко от Земли, так что прямой угрозы нам нет. По мере обнаружения их называли женскими именами из римской и греческой мифологии, а затем, с увеличением количества открытий, это правило перестало соблюдаться.



Слайд 3.
Церера
Это немаленькое небесное тело (диаметр 975*909 км) кем только не было с момента открытия: и полноценной планетой Солнечной системы, и астероидом, а с 2006 года приобрела новый статус – карликовая планета. Последнее название самое правильное, так как Церера не главная на своей орбите, а всего лишь самая большая в поясе астероидов. Открыл ее совершенно случайно итальянский астроном Пиацци в 1801 году. Церера имеет сферическую форму (что нехарактерно для астероидов) с каменным ядром и корой из водяного льда и минералов. Расстояние между ближайшей точкой орбиты этого спутника Солнца и Землей – 263 млн километров. Ее путь пролегает между Марсом и Юпитером, но при этом наблюдается некоторая склонность к хаотичному движению (что увеличивает шансы на столкновение с другими астероидами и изменение орбиты). Невооруженным взглядом с поверхности нашей планеты ее не видно – это звезда всего лишь 7 величины.

Слайд 4.
Паллада
Размер 582*556 километров, и она тоже часть пояса астероидов. Угол оси вращения Паллады очень высокий – 34 градуса (у остальных небесных тел не превышает 10). Паллада движется по орбите с большой степенью отклонения, отчего ее расстояние до Солнца все время меняется. Это углеродный астероид, богатый кремнием и представляет интерес в дальнейшем с точки зрения добычи полезных ископаемых.

Слайд 5.
Веста
Это самый тяжелый астероид на сегодняшний момент, хотя и уступает в размерах предыдущим. Из-за состава породы Веста отражает в 4 раза больше света, чем та же Церера, хотя ее диаметр в половину меньше. Получается, что это единственный астероид, движение которого можно наблюдать невооруженным взглядом с поверхности Земли, когда она приближается раз в 3-4 года на минимальное расстояние – 177 миллионов километров. Ее движение осуществляется по внутренней части пояса астероидов и никогда не пересекает нашу орбиту. Интересно, что при длине в 576 километров на ее поверхности находится кратер диаметром 460 километров. Вообще, весь пояс астероидов вокруг Юпитера представляет собой гигантскую каменоломню, где небесные тела сталкиваются между собой, разлетаются на куски и изменяют свои орбиты – но как Веста пережила столкновение со столь крупным объектом и сохранила свою целостность, остается загадкой. Ее ядро состоит из тяжелого металла, а кора – из легких скальных пород.

Слайд 6.
Гигeя
Этот астероид не пересекается с нашей орбитой и вращается вокруг Солнца. Очень тусклое небесное тело, хотя и имеет диаметр 407 километров, было открыто позже остальных. Это самый распространенный тип астероидов, с углеродистым содержимым. Обычно для наблюдения за Гигией требуется телескоп, но в момент наибольшего приближения в Земле ее можно рассмотреть в бинокль. Сегодня астероид, упав на Землю, принесет с собой жертвы, разрушения и катаклизмы. Но, несмотря на то что астрономы называют этот вид небесных тел «космическим мусором», именно им мы обязаны появлением жизни на нашей планете. В 2010 году независимо друг от друга две группы исследователей обнаружили на астероиде Фемида (входящей в 20-ку самых больших) водяной лед, сложные углеводороды и молекулы, изотопный состав которого совпадает с земным.

§30

§30. Динамометр

Вопросы

1. Как называют прибор для измерения силы?

Ответ:

Прибор для измерения силы - динамометр (от греч. динамис − сила, метрео − измеряю).

2. Как изготовить простейший динамометр?

Ответ:

Самый простой динамометр сделан по принципу упругой деформации у тел на которых влияет действующая сила, скажем пружина. (рис. 72, а). Можно сказать по принципу формулы Гука. (проходили ранее)

При растягивании пружины происходит ее удлинение, которое прямо пропорционально приложенной силе. Если разметить область перемещения пружины, то получим прибор для возможности измерять силы.

Рис. 72. Градуировка динамометра

Разметить динамометр можно так. Возьмем бумагу и чёрточкой отметим крайнее положение при нерастянутой пружине. Эта отметка станет нулевой отметкой, без приложения силы (см. рис. 72, а).
После начинаем нагружать пружину и делать отметки. Подвешивать груз массой 1Н, то есть 102 г. Под действием этого груза возникнет сила (1 Н) пружина конечно растянется, а ее край опустится вниз. Отмечаем новое положение на бумаге и ставим цифру 1 (рис. 72, б). После чего подвешиваем груз уже массой 204 г (2Н) и ставим цифру 2. Само собой это будет означать, что в этом положении сила упругости пружины противодействует 2 Н. Подвесив груз массой 306 г, нанесем 3 и т.д.

Опять же, пока пружина упруго деформируется, то исходя из наблюдений и формулы Гука, можно нанести отметки и без дальнейших подвешиваний груза, а замерив деление между двумя метками и продолжив их наносить с тем же интервалом на шкалу. Точно по тому же принципу можно нанести градуировку и на шкалу десятых значений Ньютона. − 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 и т.д. Поделив расстояние между метками на равные части, то есть каждая десятая часть это и будет 10 часть между двумя метками целых значений.

Подобная пружина со шкалой и будет простейшим динамометром.

3. Как нанести на шкалу динамометра деления, соответствующие 0,1 Н?

Ответ:

1−й способ.
Использовать метод применяемый для градуировки динамометра. Используя при этом известные массы, то есть прикладывая известную силу. В итоге. скажем если это были 1 Ньютон, а после 2 H, мы получим шкалу, которую можно будет разбить на десятые доли и нанести деления − 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 и т.д. Все дело в том, что здесь действует закон Гука,  - удлинение пружины Δl увеличивается во столько раз, во сколько увеличивается сила воздействующая на пружину $F_{упр}$.

2−й способ.
Можно подвешивать именно тот груз, прикладывать ту силу, которая нам нужна на шкале. К крючку пружины будем подвешивать груз массой 10,2 г и отметить шкалу − 0,1 Н. Затем груз массой 20,4 г и отметим положение стрелки − 0,2 Н. И так до груза в 102 г, то есть до 1 Н.

4. Какие типы динамометров вам известны?

Ответ:

Существуют следующие типы динамометров: медицинский, ртутный, гидравлический, электрический, тяговый...

Упражнение 11

1. Определите цену деления каждого прибора и силу тяжести, действующую на каждый груз (рис. 75).

рис. 75

Ответ:

Для определения цены деления, нужно:
− взять два ближайших значения на шкале, возле которых указаны значения величин;
− вычесть из большего значения меньшее, а полученное значение разделить на число делений между взятыми шкалами.

В качестве примера посчитаем. На рисунке 75, а возьмем числа 2 и 3. Расстояния между этими штрихами разделены на 10 делений. Таким образом, цена каждого деления динамометра будет равна $\frac{3-2}{10}$ = $\frac{1 }{10}$ = 0,1 Н.
Сила тяжести равна 1 Н.
На рисунке 75, б возьмем числа 4 и 3. Расстояния между этими штрихами разделены на 2 деления. Таким образом, цена каждого деления динамометра будет равна $\frac{4-3}{2}$ = $\frac{1}{2}$ = 0,5 Н.
Сила тяжести равна 6 Н.
Ответ. 0,1 Н; 1 Н; 0,5 Н; 6 Н.

2. Чему равен вес каждого груза (см. рис. 75)? Укажите точку его приложения?

рис. 75

Ответ:

Сила притяжения эквивалентна силе тяжести и равна весу. $P=F_{тяж}$.
Вес груза на рис. 75, а равен 1 Н, на рисунке 75, б − 6 Н.
При этом сила тяжести приложена к центру масс тела, а вес − к опоре или подвесу.
Ответ. 1 Н; 6 Н.

Указываем силу вектором, при этом помним, что вес тела приложен к опоре, к подвесу.

3. Пo рисунку 76 определите, с какой силой растягивается каждая пружина под действием подвешенного к ней груза (масса одного груза 102 г).

рис. 76

Ответ:

Дано:
$m_{1}$=102 г.
$F_{1}$ − ? $F_{2}$ − ?
Решение:
P=gm;
g = 9,8 Н/кг:
1 г = 0,001 кг;
$F_{1} = 9,8 * 102 * 0,001≈ 1$ Н;
$F_{2} = 9,8 * 2* 102 * 0,001≈ 2$ Н.
Ответ: 1 Н; 2 Н.

§31

§31. Сложение двух сил, направленных по одной прямой. Равнодействующая сил

Вопросы

1. Приведите примеры действия на тело нескольких сил.

Ответ:

На висящее на ветке яблоко действует сила его удерживающая и сила тяжести. На качающийся маятник действует центробежная сила и сила притяжения, а также сила удерживающая груз на подвесе.

2. Какую силу называют равнодействующей нескольких сил?

Ответ:

Сила, которая может по своему действию заменить несколько других сил называют равнодействующей.

3. Опишите опыт, в котором определяют равнодействующую двух сил, направленных по одной прямой в одну сторону. Чему равна эта равнодействующая?

Ответ:

Самый распространенный пример это противодействие силе тяжести, когда что-либо подвешено. (рис. 77).

Рис. 77. Нахождение равнодействующей двух сил, действующих на тело по одной прямой.

Взгляните, к пружине один за одним подвешены два груза массой 102 г и 204 г, то есть весом 1 Н и 2 Н (рис. 77, а). Далее замерим на сколько растянулась пружина. После заменим два груза одним, который растягивает пружину на ту же длину (рис. 77, б). И вот тогда выясним, что вес этого груза равен 3 Н.

Из поставленного опыта следует, что: равнодействующая сил, направленных по одной прямой и в одну сторону, равна сумме модулей составляющих сил.

$R=F_{1}+F_{2}$, где R − равнодействующая сил, действующих на тело, $F_{1}$ и $F_{2}$ − слагаемые силы.

4. Чему равна равнодействующая двух сил, направленных по одной прямой в противоположные стороны?

Ответ:

Попробуем найти равнодействующую двух сил действующих по одной линии, но в разные стороны (рис. 79).

рис. 79. Нахождение равнодействующей двух сил, действующих на тело в противоположные стороны

В нашем распоряжении есть динамометр, гиря, весы. Ставим на весы гирю весом 5 Н, т.е. подействуем на него силой 5 Н, направленной вниз, так как она притягивается к Земле. (рис. 79, а). Привяжем к чашке весов нить и будем ее тянуть вверх. Сила на динамометре будет показывать 2 Н (рис. 79, б). В итоге динамометр покажет силу 3 Н. Эта сила получается от разницы сил, -  равнодействующая двух сил: 5 Н и 2 Н.

Равнодействующая двух сил, по своему воздействию будет направленна по одной прямой в сторону большей по значению силы, а её модуль (значение) равно разности модулей составляющих сил (рис. 80).

R = $F_{2}-F_{1}$, где R − равнодействующая сил, действующих на тело, $F_{1}$ и $F_{2}$ − приложенные силы.


рис. 80. Графическое изображение равнодействующей двух сил, действующих на тело в противоположные стороны

5. Как будет двигаться тело под действием двух равных противоположно направленных сил?

Ответ:

Мы знаем из закона Ньютона, что если действие сил уравновешено, то тело находится в покое. Здесь именно такая ситуация.

Упражнение 12

1. Человек, масса которого 70 кг, держит на плечах ящик массой 20 кг. С какой силой человек давит на землю?

Ответ:

Дано:
$m_{ч}$ = 70 кг;
$m_{ящ}$ = 20 кг.
R−?
Решение:
$R =F_{1}+F_{2}$
$F=gm$;
g ≈10 Н/кг;
$F_{1}=10*70=700$ Н;
$F_{2}=10 * 20=200$ Н;
R = 700 + 200 = 900 Н.
Ответ. 900 Н.

2. В игре по перетягиванию каната участвуют четыре человека. Два из них тянут канат в одну сторону с силами 330 Н и 380 Н, два — в противоположную сторону с силами 300 Н и 400 Н. В каком направлении будет двигаться канат и чему равна равнодействующая этих сил? Сделайте чертёж.

Ответ:

Дано:
$F_{1}$ = 330 Н;
$F_{2}$ = 380 Н;
$F_{1}$ = 300 Н;
$F_{1}$ = 400 Н;
R − ?
Решение:
$F_{1,2}= F_{1}+F_{2}$
$F_{1,2} = 330+380 = 710 $ Н;
$F_{3,4}= F_{3}+F_{4}$
$F_{1,2} = 300+400 = 700$ Н;
$R = F_{1,2}-F_{3,4}$;
R = 710 − 700 =10 Н.
Так как $F_{1,2}>F_{3,4}$, в итоге равнодействующая сил будет направлена в сторону сил первого и второго человека, так как у них суммарная величина больше, то есть канат будет двигаться влево.
Ответ. 10 Н

3. Человек спускается на парашюте, двигаясь равномерно. Сила тяжести парашютиста вместе с парашютом 700 Н. Чему равна сила сопротивления воздуха?

Ответ:

Дано:
$F_{тяж}$ = 700 Н
$F_{сопр}$−?
Решение:
R = $F_{тяж} - F_{сопр}$=0 (так как парашютист движется равномерно).
$F_{сопр} = F_{тяж}$ =700 Н.
Ответ. 700 Н.

§32

§32. Сила трения

Вопросы

1. Какие известные вам наблюдения и опыты показывают, что существует сила трения?

Ответ:

 В нашем мире все движения без постоянно поступающей энергии являются затухающими. Это и машина, которую заглушили и катание с горки на лыжах или санках, когда кончается горка то скатывающийся останавливается и тележка, которую толкнули по горизонтальной плоскости. Это затухание скорости связано как раз с силой трения о поверхность, о воздух, между деталями в механизмах.

2. В чём заключаются причины трения?

Ответ:

 Здесь две основные причины. Первая, поверхности не идеальны поэтому существуют шероховатости, которые зацепляются между собой. В итоге происходит задержка для перемещения одной поверхности по другой, что вызывает гашение скорости и силы. Вторая причина, это молекулярное притяжение. Если даже поверхности были бы идеальны, то молекулярное притяжение тоже оказывает воздействие путем притяжения, а значит будет "тормозить" любые движения.

3. Объясните, как смазка влияет на силу трения.

Ответ:

Смазка способна создавать слой, по которому будет перемещаться одно тело над поверхностью другого. В итоге, мы уменьшим действие таких сил как сила трение и молекулярное притяжение, а значит сможем изменить расстояние перемещения одного тела по поверхности другого. Как правило, сама смазка является жидком веществом или умеренно густым (консистентная смазка), в редких случаях твердой (графитовая смазка), но всегда с повышенным свойством смещения одного слоя относительно другого.

рис. 82.Уменьшение силы трения с помощью смазки

4. Какие виды трения вы знаете?

Ответ:

Трение покоя, трение скольжения, трение качения.

5. Как можно измерить силу трения?

Ответ:

Используем уже известный нам динамометр, измеряем с помощью него силу трения. (рис. 83, а).

рис. 83. Сравнение сил трения скольжения (а) и трения качения (б)
Итак, равномерно перемещаем брусок по доске, держа динамометр горизонтально. В итоге на брусок в горизонтальном направлении действуют две силы. Одна из сил сила − сила упругости пружины динамометра, направленная в сторону движения. Вторая сила − это сила трения, старающаяся удержать груз на месте, то есть направленная против движения. После начала движения, при его равномерном перемещении, равнодействующая этих двух сил будет уравновешена. Это значит, что силы равны по модулю, но противоположны по направлению. А сам динамометр показывает силу упругости равную силе тяги и равную по модулю силе трения.

Изменим условия опыта, положив деревянный брусок на круглые стрежни, которые будут словно колеса, измерим силу трения качения (рис. 83, б). Она оказывается меньше силы трения скольжения.

6. Как показать, что сила трения зависит от силы, прижимающей тело к поверхности?

Ответ:

 Первоначально необходимо померить силу с помощью динамометра у бруска, который лежит на поверхности. Запомнить его значение. Далее нагрузить сверху брусок, скажем поставить на него какой-либо груз. После снова измерить силу трения бруска о поверхность. В итоге мы увидим, что сила поменялась в большую сторону. То есть сила трения зависит от силы прижимающей его к поверхности. Поэтому гораздо сложнее сдвинуть тяжелый шкаф на 4 ножках, чем ту же тумбочку, на тех же 4 ножках.

7. Как показать на опытах, что при равных нагрузках сила трения скольжения больше силы трения качения? Как это используется в технике?

Ответ:

Дабы показать на опытах, что сила трения скольжения больше силы трения качения, нужно провести опыт по заданию 5 и к деревянному бруску прикрепить динамометр (рис. 83, а).

рис. 83. Сравнение сил трения скольжения (а) и трения качения (б)
Итак, равномерно перемещаем брусок по доске, держа динамометр горизонтально. В итоге на брусок в горизонтальном направлении действуют две силы. Одна из сил сила − сила упругости пружины динамометра, направленная в сторону движения. Вторая сила − это сила трения, старающаяся удержать груз на месте, то есть направленная против движения. После начала движения, при его равномерном перемещении, равнодействующая этих двух сил будет уравновешена. Это значит, что силы равны по модулю, но противоположны по направлению. А сам динамометр показывает силу упругости равную силе тяги и равную по модулю силе трения.

Изменим условия опыта, положив деревянный брусок на круглые стрежни, которые будут словно колеса, измерим силу трения качения (рис. 83, б). Она оказывается меньше силы трения скольжения.

Упражнение 13

1. Лыжник спускается с горы и далее скользит по горизонтальной лыжне. На рисунке 84 изобразите силу трения и точку её приложения.

рис. 84

Ответ:

Сила трения будет направлена в противоположном направлении, относительно движения лыжника. Точкой приложения силы являются лыжи.

§33

§33. Трение покоя

Вопросы

1. Какая сила удерживает тела на наклонной плоскости?

Ответ:

Сила трения покоя.

2. Почему шкаф сдвигается с места под действием только определённой силы? Приведите примеры практического использования силы трения покоя.

Ответ:

Сила сдвигаемого тела зависит от силы трения покоя, и она в свою очередь от массы тела. Поэтому только в случае превышения силы воздействия над силой трения покоя мы можем сдвинуть шкаф. Примеры использования сил трения: предотвращение откручивания гайки с резьбы болта, саморез вкрученный в дерево, удержания легкого предмета, скажем листка от порыва ветра, путем прижатия его сверху другим, более тяжелым.

§34

§34. Трение в природе и технике

Вопросы

1. Приведите примеры, показывающие, что трение может быть полезным. Каково значение трения на транспорте?

Ответ:

Трение одновременно имеет свои недостатки и свою плюсы. Так многие предметы удерживаются на своих местах за счет сил трения. Даже мы, когда берем в руки что-либо, удерживаем это за счет сил трения. Торможение тормозными колодками на тормозном диске, колесе позволяет остановить машину, поезд. Этот факт - полезное проявление этой силы. Однако минус силы трения в том, что при передвижении какого-либо тела, нам постоянно надо "вкладывать" энергию, которая бы компенсировала бы эту силу. Скажем после того, как мы сдвинули шкаф или автомобиль, необходимо дальше продолжать толкать тела, так как они имеют свойства останавливаться из за воздействия силы трения.

2. Приведите примеры, когда трение может быть вредным.

Ответ:

 При передвижении какого-либо тела, нам постоянно надо "вкладывать" энергию, которая бы компенсировала бы эту силу. Скажем после того, как мы сдвинули шкаф или автомобиль, необходимо дальше продолжать толкать тела, так как они имеют свойства останавливаться из за воздействия силы трения.

3. Какие способы увеличения и уменьшения трения вы знаете?

Ответ:

Дабы увеличить силу трения соприкасающиеся между собой поверхности делают шероховатыми, тем самым увеличивают силу, с которой трущиеся поверхности зацепляются между собой. Второй вариант придавливают поверхности.
А вот для уменьшения силы трения соприкасающихся поверхностей их делают гладкими, наносят смазку, уменьшают нагрузку на тело. Кроме того, для уменьшения силы трения можно трение скольжения заменить трением качения. 

4. Для какой цели используют в машинах подшипник?

Ответ:

Для уменьшения трения механизмов в машинах используют подшипники (рис. 87).

рис. 87. Подшипники

5. Как устроен подшипник скольжения; шариковый подшипник? Какой из них заметнее уменьшает трение?

Ответ:

Подшипник скольжения представляет собой вкладыш, по которому и скользит опорный вал. Он прост по конструкции, но имеет более низкую эффективность по сравнению с подшипником качения. Вкладыш обычно делают из металлов − бронзы, чугуна или стали. Для таких подшипников необходима постоянная смазка, так как при отсутствии силы трения разогреют подшипник и приведут его быстро в негодность. Пример такого подшипника это вкладыши на коленчатый валах в моторах машин.

В подшипниках качения есть шарики либо цилиндры. В итоге происходит качение этих тел между наружным кольцом и внутренним. Внутреннее кольцо (обойма) подшипника, изготовлено из твёрдой стали и насажено на вал. Наружное кольцо закреплено в корпусной детали механизмов. В итоге происходит качение внутреннего кольца, относительно наружного (рис. 88).
Шариковые, игольчатые подшипники заметно уменьшают силу трения, так как сила трения скольжения значительно выше силы трения качения.

рис. 88. Различные виды подшипников: а — шариковый; б — роликовый.

Проверь себя

Итоги главы

Проверь себя

1. В один столбик выпишите векторные физические величины, в другой — скалярные.
Путь, перемещение, время, сила, скорость, масса, плотность, объём, вес.

Ответ:

Векторные величины:
перемещение,
сила, скорость,
вес.
(* величины которые имеют точку приложения, направление и номинальную величину)

Скалярные величины:
путь,
время,
масса,
плотность,
объём.

2. Инерция — это
A. свойство, присущее всем телам
Б. физическое явление, когда тело стремится сохранить свою скорость в отсутствие действия на него сил
B. физическое явление движения тела равномерно и прямолинейно

Ответ:

Инерция - физическая характеристика стремящаяся сохранить скорость тела, при отсутствии действующих не него сил.

3. Инертность — это
A. физическое явление
Б. свойство тел по−разному менять свою скорость при взаимодействии
B. явление взаимодействия тел

Ответ:

Инертность - это свойство тел зависящее от массы, изменять свою скорость при взаимодействии с силами.

4. Если известны масса тела и его объём, можно ли определить плотность тела?
A. нет, необходимо знать вещество, из которого оно состоит
Б. нет, необходимо знать ещё скорость движения тела
B. да, данных достаточно для определения плотности вещества
Г. нет, необходимо знать, в каком состоянии находится вещество, из которого состоит тело: в жидком или газообразном

Ответ:

Ответ В. да, данных достаточно для определения плотности вещества.
$ρ=\frac{m}{V}$, где ρ − плотность вещества, m − масса, V − объём.

5. Человек, поднимающийся на эскалаторе метро, движется относительно
A. людей, стоящих рядом с ним
Б. внутренней стены здания
B. ступеней эскалатора

Ответ:

Ответ Б. Человек, поднимающийся на эскалаторе метро, движется относительно внутренней стены здания.

6. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым они определяются.

A. скорость тела 1) $t=\frac{s}{v}$
Б. путь 2) $v=\frac{s}{t}$
B. время 3) s = vt

A. скорость тела 2) $v=\frac{s}{t}$
Б. путь 3) s = vt
B. время 1) $t=\frac{s}{v}$

7. Отдыхающий на водном велосипеде проплывёт расстояние 15 м за 30 с. Скорость движения водного велосипеда равна
А. 0,5 м/с
Б. 2 м/с
В. 450 м/с
Г. 1,8 км/ч

Ответ:

Дано:
S = 15 м;
t = 30 c.
v − ?
Решение:
$v=\frac{S}{t}$;
$v=\frac{15}{30}$ = 0,5 м/с.
Ответ: A. 0,5 м/с.

8. Скорость пешехода 1,5 м/с. За 1 мин он проходит путь
А. 1,5 м
Б. 8 м
В. 80 м
Г. 0,25 м

Ответ:

Дано
v = 1,5 м/с;
t = 1 мин.
S − ?
Решение:
S = vt;
t = 60 с.
S = 1,5 * 60 = 90 м.
Ответ. 90 м.
Из предложенных ответов не подходи ни один! Значит правильного ответа нет.

9. Дельтапланерист летит со скоростью 15 м/с. Какое расстояние он пролетит за 60 с?
A. 900 м
Б. 4 м
B. 0,25 м
Г. 900 км/ч

Ответ:

Дано:
v = 15 м/с;
t = 60 с.
S − ?
Решение:
S = vt;
S = 15 * 60 = 900 м.
Ответ. A. 900 м

10. Квадроцикл ухабистую дорогу в 25 км проезжает со скоростью 50 км/ч. Его время в пути:
A. 0,5 ч
Б. 2 ч
B 12,5 ч
Г. 0,5 м

Ответ:

Дано:
S = 25 км;
v =50 км/ч. c
t− ?
Решение:
$t=\frac{S}{v}$;
$v=\frac{25}{50}$ = 0,5 ч.
Ответ: A. 0,5 ч

§35

ГЛАВА 3. Давление твердых тел, жидкостей и газов

§35. Давление. Единицы давления

Вопросы

1. Приведите примеры, показывающие, что действие силы зависит от площади опоры, на которую действует эта сила

Ответ:

Канцелярская кнопка при нажатии на ее более развитую поверхность входит в дерево с незначительным усилием, при этом нашему пальцу не больно. Все дело в том, что маленькая площадь иголки получат тоже самое усилие, что и вся "шляпа" кнопки. Из-за этого усилие противодействия на большой площади шляпки не протыкает наш палец, а вот усилие на игле кнопки достаточное, чтобы пронзать соизмеримую по прочности поверхность дерева.

Нам тяжело ходить зимой по глубокому снегу, поскольку ноги проваливаются в него и вязнут. Если же одеть лыжи, то нагрузка получится распределенной на большой площади и мы перестанем проваливаться под наст. Так как на каждую единицу площади снега, воздействие упадет.

2. Почему человек, идущий на лыжах, не проваливается в снег?

Ответ:

Если одеть лыжи и идти по снегу, то нагрузка получится распределенной на большой площади, по сравнению с ходьбой без лыж, и мы перестанем проваливаться под наст. Так как на каждую единицу площади снега, воздействие упадет.

3. Почему острая кнопка легче входит в дерево, чем тупая?

Ответ:

Все дело в том, что маленькая площадь иголки получат тоже самое усилие, что и вся "шляпа" кнопки. Из-за этого усилие противодействия на большой площади шляпки не протыкает наш палец, а вот усилие на игле кнопки достаточное, чтобы пронзать соизмеримую по прочности поверхность дерева.

4. На каком опыте можно показать, что действие силы зависит от площади опоры?

Ответ:

Опыт.

рис. 90. Зависимость давления от площади опоры
Проведем следующий опыт. В доску вобьем два гвоздя насковзь. Затем гвозди, вбитые в доску, устанавливает на песок на шляпки и прикладываем силу, за счет веса гири (рис. 90, а). Шляпки гвоздей войдут в песок, на какую-то глубину. Запомним ее. Затем доску переворачивает и ставят гвозди на острые концы (рис. 90, б). Площадь опоры становится меньше, а действие силы на гвозди то же самое, при этом сами гвозди значительно углубляются в песок. Объясняется это так, площадь опоры стала меньше, а сила, действующая на доску, осталась прежней.

5. Какие вы знаете единицы давления?

Ответ:

Единица давления − Ньютон на квадратный метр (1Н/$м^{2}$) называется Паскалем, в честь французского учёного Блеза Паскаля (Па).
Таким образом $1Па=1\frac{Н}{м^{2}}$.
Также используют другие единицы давления:
гектопаскаль (гПа) и килопаскаль (кПа).
1 кПа = 1000 Па;
1 гПа = 100 Па.

Упражнение 14

1. Выразите в паскалях давление: 5 гПа; 0,02 Н/$cм^{2}$; 0,4 кПа; 10 Н/$cм^{2}$. Выразите в гектопаскалях и килопаскалях давление: 10 000 Па; 5800 Па.

Ответ:

$1Па=1\frac{Н}{м^{2}}$.
1 кПа = 1000 Па;
1 гПа = 100 Па;
1 Па = 0,001 кПа;
1 Па = 0,01 гПа.

5 гПа = 5 * 100 = 500 Па;
0,02 $\frac{Н}{cм^{2}}$ = $\frac{0,02Н}{0,0001м^{2}} = 200 \frac{Н}{м^{2}}$ = 200 Па;
0,4 кПа = 0,4 * 1000 = 400 Па;
10 $\frac{Н}{cм^{2}}$ = $\frac{10Н}{0,0001м^{2}} = 100000 \frac{Н}{м^{2}}$ = 100000 Па;

10000 Па = 100 гПа = 10 кПа;
5800 Па = 58 гПа = 5,8 кПа.

2. Гусеничный трактор ДТ−75М массой 6610 кг имеет опорную площадь обеих гусениц 1,4 $м^{2}$. Определите давление этого трактора на почву. Во сколько раз оно больше давление, производимого мальчиком (см. пример в §35)?

Ответ:

Дано:
m = 6610 кг;
S = 1,4 $м^{2}$;
$p_{м}$ = 15 кПа.
p − ?;
$\frac{p}{p_{м}}$ − ?
Решение:
$p=\frac{F}{S}$;
F=gm;
g ≈10 Н/кг;
F = 10 * 6610 = 66100 Н;
$p=\frac{66100}{1,4}$ = 47214,3 Па ≈ 47 кПа.
Давление, производимое мальчиком, равно 15 кПа.
$\frac{p}{p_{м}} =\frac{47}{15}$ ≈ 3,1
Выяснили, что давление трактора на почву в примерно в 3,1 раза больше давления мальчика на пол.
Ответ. 47 кПа; давление трактора на почву в примерно в 3,1 раза больше давления мальчика на пол.

3. Человек нажимает на лопату силой 600 Н. Какое давление оказывает лопата на почву, если ширина её лезвия 20 см, а толщина режущего края 0,5 мм? Зачем лопаты остро затачивают?

Ответ:

Дано:
F = 600 Н;
а = 20 см;
b = 0,05 мм;
p − ?
Решение:
$p=\frac{F}{S}$;
S = a * b;
а = 20 см = 0,2 м;
b = 0,05 мм = 0,0005 м;
S = 0,2 * 0,0005 м = 0,0001 $м^{2}$;
$p=\frac{600}{0,0001} = 6000000 Па$ = 6000кПа.
Ответ. 6000 кПа
Затачивая лопату − мы уменьшаем площадь контакта ее с землей при вхождении в почву, в результате лезвие оказывает большее давление на единицу площади почвы (видим зависимость по формуле давления p=F/S, где p − давление, F − сила, S − площадь). Тому кто копает необходимо приложить меньше усилий, чтобы вогнать лопату в почву.

4. Мальчик массой 45 кг стоит на лыжах. Длина каждой лыжи 1,5 м, ширина 10 см. Какое давление оказывает мальчик на снег? Сравните его с давлением, которое производит мальчик, стоящий без лыж.

Ответ:

Дано:
m = 45 кг;
а = 1,5 м;
b = 10 см;
$p_{0}$ = 15000 Па.
p − ?
$\frac{p_{0}}{p}$ − ?
Решение:
$p=\frac{F}{S}$;
F=gm;
S = 2ab (так как 2 лыжи);
$p=\frac{gm}{2ab}$;
b = 10 см = 0,1 м;
g ≈10 Н/кг;
$p=\frac{10 * 45}{2*1,5 * 0,1} = \frac{450}{0,3}$ = 1500 Па
$\frac{p_{0}}{p} = \frac{15000}{1500}$ = 10.
Ответ. 1500 Па; Получается, что мальчик без лыж давит на единицу площади в 10 раз больше, чем стоящий на лыжах.

Задание

• В стеклянную ёмкость насыпьте песка. Наполните пластиковую бутылку с длинным горлышком водой, закройте крышкой и поставьте на песок. Затем переверните бутылку вверх дном и снова поставьте на песок. Объясните, почему во втором случае бутылка глубже вошла в песок.

Ответ:

У бутылки площадь поверхности более развитая, чем у поверхности горлышка. А так как мы уже знаем, что давление пропорционально площади, то оно после переворота и при неизменной силе, давление увеличилось. В итоге, перевёрнутая вверх дном бутылка вошла в песок глубже, чем бутылка, стоящая на донышке.

§36

§36. Способы уменьшения и увеличения давления

Вопросы

1. Приведите примеры использования больших площадей опоры для уменьшения давления.

Ответ:

Есть множество примеров, когда увеличение площади используется для снижения давления. Это широкие шины у сельхозтехники и болотоходов, чтобы не давить на грунт и не вязнуть в нем. Это опоры мостов, который расширяются к земле. Это широкие лыжи для передвижения по снегу. 

2. Зачем у сельскохозяйственных машин делают колёса с широкими ободами?

Ответ:

Для увеличения площади и снижения давления на единицу площади, тем самым машины не вязнут в рыхлой земле и не так сильно повреждают посевы.

3. Почему режущие и колющие инструменты оказывают на тела очень большое давление?

Ответ:

Дело в том, что при любых площадях стремящихся к минимальным, а именно такими являются рабочие поверхности колющих и режущих инструментов, образуются высокие давления в точке (линии, пятне контакта). Перед таким давлением не может устоять практически ни один материал, а значит инструмент либо срезает его, либо прокалывает. Вся сила приложенная к рукоятке инструмента, а порой еще и через рычаг, действует на материал. Что нам и необходимо!

Упражнение 15

1. Рассмотрите устройство плоскогубцев и клещей (рис. 92).

рис. 92.
При помощи какого инструмента можно произвести большее давление на зажатое тело, действуя одинаковой силой?

Ответ:

Клещи могут произвести большее давление на что-либо, так как их площадь рабочих поверхностей меньше. А мы знаем, что при уменьшении площади и сохранении силы, сила на единицу площади увеличивается, то есть увеличивается давление.

2. Для спасения человека, провалившегося под лёд, ему бросают широкую доску, не приближаясь к краю полыньи (рис. 93). Зачем?

рис. 93

Ответ:

На картинке мы видим два примера распределения силы и уменьшения давления на лед. Первый, когда спасатель движется к утопающему на животе, тем самым снижая давления на лед, за счет увеличения площади контакта с ним. Спасающийся использует доску, чтобы опереться на нее о лед, опять же снизив на него давление. Все это они делают для того, чтобы не просто снизить давление, а уменьшить вероятность разрушения льда и погружения в воду.

3. Зачем под гайку подкладывают широкое металлическое кольцо — шайбу. Почему шайба особенно необходима при скреплении болтами деревянных частей?

Ответ:

Шайба под стягиваемой гайкой уменьшает давление, при этом увеличивая площадь. В итоге на материал нагрузка распределяется равномерно и с меньшим усилием. Особенно это важно для относительно мягких собираемых материалов, таких как дерево, пластик.

Задание

1. Зная свою массу и площадь ботинка, вычислите, какое давление вы производите при ходьбе и какое — стоя на месте.
Указание. Площадь опоры ботинка определите следующим образом. Поставьте ногу на лист клетчатой бумаги и обведите контур той части подошвы, на которую опирается нога (рис. 94).

рис. 94.
Необходимо сосчитать число полных квадратных сантиметров, попавших внутрь контура следа, и прибавьте к нему половину числа неполных квадратных сантиметров. Так мы примерно найдем площадь следа. Полученное число умножьте на площадь одного квадратика (площадь квадратика на листе, взятом из школьной тетради, равна $\frac{1}{4} см^{2}$ ) и найдите площадь подошвы.

Ответ:

Определим площадь следа:
S = 465 + (1/2 *80) * 1/4 = 126,25 $см^{2}$
Стоя, человек оказывает давление на пол двумя на ногами.
$p=\frac{F}{2S}$;
F=gm;
$p=\frac{gm}{2S}$;
g ≈10 Н/кг;
m = 50 кг;
$p=\frac{10 * 50}{2 * 126,25}$ ≈ 1,9802 Н/ $см^{2}$ = $\frac{1,9802}{0,0001}$ Н/$м^{2}$ = 19802 Па = 19,8 кПа
Шагая по земле, давление оказывается как правило лишь одной ногой
$p=\frac{F}{S}$;
$p=\frac{10 * 50}{126,25}$ ≈ 3,9604 Н/ $см^{2}$ = $\frac{3,9604}{0,0001}$ Н/$м^{2}$ = 39604 Па = 39,6 кПа
Ответ. 19,8 кПа; 39,6 кПа.

2. Возьмите небольшую иголку. Вставьте её в пробку. Острый конец иголки должен быть на уровне нижнего края пробки. Верхний — на уровне верхнего. Затем поставьте пробку с иголкой на 10− или 50− копеечную монетку. (Монетку желательно положить на деревянную доску.) Резко ударьте молотком по пробке. Иголка пробьёт монетку. Объясните это явление.

Ответ:

В случае приложения силы, от удара молотка, практически всё давление приходится на нижний конец иглы, а он имеет малую площадь. Возникает большое давление на монету и в ней пробивается отверстие. Пробка же в этом эксперименте не даёт иголке сломаться.

3. Подготовьте сообщение о необходимости уменьшения или увеличения давления в быту и технике, используя рисунки учебника и Интернет.

Ответ:

Мы повседневно сталкиваемся с задачами и примерами, когда необходимо снизить давление на какую-либо площадь, либо увеличить. Далее как раз хотелось бы привести несколько таких примеров из жизни.


Уменьшение давления реализуется:

1. Лыжи
2. Шпалы, рельсы 
3. Широкие шины автомобилей и сельхозтехники
4. Гусеницы, трактора, танка, снегохода
5. Фундаменты зданий, сооружений

Увеличение давления применяется для случаев:
1. Режущий и рубящий инструмент (топор, лопата, коса, серп, нож, ножницы, кусачки...)
2. Гвозди, кнопки, иголки
3. Когти, зубы, клювы, клыки
4. Колючки, иглы растений

 В первую очередь проблема распределения давления встречается на транспорте. Это железные дороги, асфальтовые покрытия с ограниченной нагрузкой, особенно в жаркое время года, взлетные полосы. В итоге необходимо либо укреплять дороги (делать твердые покрытия) или ограничивать вес транспорта, а порой распределять вес на большую площадь покрытия. Это необходимо, чтобы давление транспорта не превышало допустимое значение. Из этого как раз и следует правило, что весь тяжелый транспорт: поезда, са­молёты, грузовые автомобили, самосвалы имеют либо широкие и большие колеса; либо множество колес, либо вовсе гусеницы.
 В бытовых условиях давление как правило наоборот требует увеличения, при резке продуктов ножами, которые должны быть заточены или при обработке материалов инструментами.

§37

§37. Давление газа

Вопросы

1. Какие свойства газов отличают их от твёрдых тел и жидкостей?

Ответ:

Ранее мы уже проходили основные агрегатные состояния веществ и их свойства. Мы помним, что газы имеют разряженную структуру, молекулы находятся в газе далеко друг от друга, их взаимодействие ограниченно. Поэтому газы не имеют определенного объема и формы.

2. Как объясняют давление газа на основе учения о движении молекул?

Ответ:

Давление газа это не что иное как ударение множества молекул о стенки емкости в которой он находится, на которую давит.

3. Как можно на опыте показать, что газ производит давление на стенки сосуда, в котором он находится?

Ответ:

Проведем такой опыт.

В стеклянный купол уложим шарик с небольшим количеством воздуха. Он сдут, его форма неправильная, объем газа не заполняет шарик таким образом, чтобы он был в натяжении. (рис. 96, а).

Теперь насосом откачиваем воздух из под купола. Из за отсутствия давления газа в куполе на воздух в резиновом шарике, воздух расширится и шарик надуется, они изменит свой объем, - увеличит его!(рис. 96, б).

Рис. 96. Опыт, демонстрирующий, что давление газа по всем направлениям одинаково.
Как можно это объяснить?


Изменение внешнего воздействующего давления в колбе на воздух в шарик меняется, а значит и меняется взаимодействие молекул в самом шарике. При снижении внешнего воздействия, путем понижения давления, в шарике молекулы расходятся между собой. заполняя объем шара и увеличивая его объем.

4. Из чего можно заключить, что газ производит одинаковое давление по всем направлениям?

Ответ:

В стеклянный купол уложим шарик с небольшим количеством воздуха. Он сдут, его форма неправильная, объем газа не заполняет шарик таким образом, чтобы он был в натяжении. (рис. 96, а).

Теперь насосом откачиваем воздух из под купола. Из за отсутствия давления газа в куполе на воздух в резиновом шарике, воздух расширится и шарик надуется, они изменит свой объем, - увеличит его!(рис. 96, б).

Так как шар принимает правильную форму, расширяется по всем направлениям равномерно, из этого можно сделать вывод о равномерности распределения давления в газах.



рис. 96. Опыт, демонстрирующий, что давление газа по всем направлениям одинаково

5. Почему давление газа увеличивается при сжатии и уменьшается при расширении?

Ответ:

При сжатии расстояние между молекулами в газе уменьшается, что заставляет биться молекулы чаще о стенки и более интенсивно взаимодействовать друг с другом. Давление повышается.
При расширении происходит обратная ситуация. Молекулы меньше взаимодействую друг с другом, меньше ударяются о стенки. Давление падает.

6. Почему сжатые газы содержат в специальных баллонах?

Ответ:

При транспортировки и хранении газов используют специальные проверенные баллоны, которые могут выдержать давление газа на их стенки. Газ в этом случае сжимается в десятки раз, и при мгновенном расширении, скажем при разрыве баллона он взрывоопасен. Именно поэтому к баллонам предъявляются высокие требования по прочности и их регулярной проверке.

Задание

• Надуйте воздушный шарик и крепко его завяжите. Положите в любую ёмкость. Вначале облейте его водой, охлаждённой в морозильной камере до 5 °С, затем горячей водой (70 °С). Дайте объяснение наблюдаемому явлению.

Ответ:

 Здесь приведен яркий и классический пример взаимодействия молекул между собой с разными энергетическими состояниями. Так, когда молекулы имеют большую энергию, большую скорость, за счет их нагревания, они с большей силой ударяются о стенки емкости, сосуда, тем самым вызывая его расширение.
 При их охлаждении, снижении скорости молекул, понижения энергии взаимодействия между собой и на стенки емкости, объем шарика уменьшается.

§38

§38. Передача давления жидкостями и газами. Закон Паскаля

Вопросы

1. Как передают давление жидкости и газы?

Ответ:

Распределение давления, производимого на жидкость или газ, передаётся в любую точку без изменений во всем объеме, во всех направлениях.

2. Пользуясь рисунком 99, объясните, почему жидкости и газы передают давление во все стороны без изменений.

рис. 99. Передача давления частицам газа (или жидкости) вследствие движения молекул

Ответ:

Взгляните на рисунок 99, на нем изображён сосуд, в котором содержится газ. Частицы этого газа равномерно распределены по всему объему емкости. При этом сверху сосуд закрыт поршнем, который может перемещаться вверх и вниз.
В случае если мы начнем перемещать поршень вниз, то молекула газа будут занимать меньший объем, их плотность увеличится, равномерно распределенное давление во всем объеме будет действовать на стенки сосуда. Давление увеличится. (рис. 99, б). При подъеме поршня, молекулы разойдутся в пространстве сосуда, их удары о стенки и между собой станут более редкими. Давление упадет.  (рис. 99, в). Из этого опыта можно сделать вывод, что давление газа зависит от ряда факторов, от воздействующей силы, от ограниченности объема. При сжатии газа давление возрастает, при увеличении объема давление падает.

3. На каком опыте можно показать особенность передачи давления жидкостями и газами?

Ответ:


рис. 100. Передача давления во все стороны без изменений: а — жидкостями; б — газами.

Опыт
 Посмотрите на рисунок 100, на нем изображён эластичный полый шар, с пробитыми по поверхности отверстиями. К этому шару присоединяем цилиндр, по типу воздушного насоса. Если в этот шар набрать воды и подать ее через этот цилиндр с давлением в шар, то вода польётся равномерно из всех отверстий шара.
 Можно сделать вывод о том, что давление поршня передаётся в каждую точку жидкости, заполняющей объем шара. В результате вода под давлением выталкивается из отверстий в шаре в виде одинаковых струек.
Если шар заполнить газом с подкрашенным дымом, то при подачи газа из трубки, из всех отверстий шара начнет выходить этот самый дым (рис. 100, б). Это еще раз подтверждает тот факт, что и газы передают производимое на них давление во все стороны без изменений.

4. При изготовлении бутылок через трубку вдувают воздух, и расплавленное стекло принимает нужную форму (см. рис. 29). Какое физическое явление здесь используют?

Ответ:

При изготовлении бутылок применяется закон Паскаля: давление, производимое на жидкость или газ, передаётся в любую точку без изменений во всех направлениях.

Упражнение 16

1. По рисунку 101 объясните передачу давления твёрдым, сыпучим телами и жидкостью. Изобразите стрелками, как передаётся давление.

рис. 101.

Ответ:

твердое тело, в данной случае брусок, воспринимает давление и передает его по вектору приложения силы. По крайней мере это правило действительно до разрушения твердого тела. В жидкости и в газе из за отсутствия сохранять форму, давление передается равномерно по всему объему в котором находится среда.

2. На рисунке 102 показаны два сосуда, заполненные газом. Масса газов одинакова. В каком сосуде давление газа на дно и стенки сосуда больше? Ответ обоснуйте.

рис. 102

Ответ:

Получается, что одна и та же масса, заключен в разные по объему баллоны. Так как желтый баллон визуально меньше по объему, то одна и та же масса газа по сравнению с красным баллоном будет создавать в нем повышенное давление. В желтом баллоне давление на стенки и дно выше, чем в красном.

3. Автомашину заполнили грузом. Изменилось ли давление в камерах колёс автомашины? Одинаково ли оно в верхней и нижней частях камеры?

Ответ:

Да, при загрузке машины любым грузом, возрастает усилие давления на них, сила. В итоге из за эластичности баллона шины, объем стремиться уменьшиться, а газ противодействует этой силе. Это значит, что давление в шине возрастет. Однако из за свойства равномерно распределяться по объему, давление будет также действовать равномерно на верхнюю, нижнюю, боковые части камеры.

4. Объясните явление, показанное на рисунке 103. Как изменится наблюдаемое явление, если увеличить сжатие?

рис. 103

Ответ:

Шарик находится под давлением воды, которая налита в него. Как только образуется отверстие, вода выходит из шарика, так как там нет сопротивления для сдерживания давления. При увеличении этого самого давления, путем нажатия на шарик, увеличивается и расход воды. Струя бьет сильнее.

Задание

• Из пластмассовой бутылочки с завинчивающейся пробкой изготовьте прибор для демонстрации закона Паскаля (придумайте сами, как это сделать, опробуйте прибор).

Ответ:

Вначале сделаем в небольшой бутылке равномерно мелкие отверстия, скажем пробьем шилом, по всему ее телу. Далее как часто можно увидеть в роликах на ютюбе нальем в нее газировки и бросим Ментос. Начнется химическая реакция, которая спровоцирует повышение давления и мы увидим, что там, где газировка сочилась из маленьких отверстий, она начнет литься струями. Причем это можно будет видеть из всех отверстий, а значит это укажет нам на то, что давление равномерно распределено в объеме бутылки, что закон Паскаля действует.
* проводим опыт на улице!!! Бутылку после опыта выбрасываем в урну.

§39

§39. Давление в жидкости и газе

Вопросы

1. Как на опытах показать, что давление внутри жидкости на разных уровнях разное, а на одном и том же уровне во всех направлениях одинаковое?

Ответ:

Проведем следующий опыт. Возьмем стеклянный цилиндр с резиновой пробкой. Ее будет оттягивать вниз, под действиям силы тяжести воды. Этот цилиндр опускаем в другую емкость. (рис. 107, а). По мере погружения можно будет заметить, что пробка уже не оттягивается, а пришла в равновесие, то есть на нее начала действовать вода в емкости. (рис. 107, б). При уравновешивании сил наступает момент, когда пробка выравнивается.

Проведем аналогичный опыт. Скажем у нас будет трубка, в которой резиновая заглушка закрывает боковое отверстие (рис. 108, а). Погрузим эту трубку с водой в ней в другой сосуд с водой (рис. 108, б). И в этом случае, как только уровни воды в трубке и в сосуде уравняются, пробка также придет в равновесие, не будет выпирать наружу или внутрь.


Еще один опыт. Возьмем стеклянный цилиндр с отпадающим дном. Первоначально можем туда вовсе не наливать воду. Отпустим в таком состоянии цилиндр в емкость с водой. В этом случае давление воды будет давить на пробку, она будет удерживаться внизу цилиндра, так как в нем нет воды уравновешивающей давление воды в сосуде.  (рис. 109, а). Теперь нальем воду в полый цилиндр, вода начнет действовать на пробку равнозначно давлению оказываемом извне, то есть со стороны воды в большом сосуде. Пробка так как имеет свой вес, просто отпадет и утонет. (рис. 109, б). При этом такое явление можно наблюдать при практически равном погружении цилиндра и уровне воды в нем.


рис. 107. Выпрямление плёнки при одинаковом уровне воды в трубке и в сосуде.

рис. 108. Выпрямление плёнки при равенстве сил, действующих на неё с обеих сторон

рис. 109. Отпадание дна сосуда под действием силы тяжести.

Эти опыты показывают, что есть давление в жидкости, которое равномерно распределено и это давление зависит от глубины, слоя погружения в эту жидкость. Чем ближе к поверхности земли, тем большее давление.

 

2. Почему во многих случаях не принимают во внимание давление газа, созданное его весом?

Ответ:

Газ весьма легкий и поэтому его давление слой на слой не существенно, что не скажем про белее плотные среды.

§40

§40. Расчет давления жидкости на дно и стенки сосуда

Вопросы

1. Выведите формулу для расчёта давления жидкости на дно сосуда, имеющего форму прямоугольного параллелепипеда.

Ответ:


Нам необходимо найти силу, условно F, с которой жидкость, что налита в сосуд, давит на его дно. Она равна весу P жидкости, находящейся в сосуде, то есть F=P. А вес жидкости можно определить, зная массу m (P = gm). Массу можно вычислить по формуле m = ρV.
Сам объём жидкости, налитой в параллелепипед, легко рассчитать. Для этого необходимо знать величины всех его сторон. V = Sh (S - площадь основания,  h - высота).
Масса жидкости m = ρV, или m = ρSh.
Вес этой жидкости P = gm, или P = gρSh.
А мы знаем, что вес столба жидкости равен силе, с которой жидкость давит на дно сосуда. Тогда разделив вес P на площадь S, получим давление жидкости p:
$p=\frac{P}{S}$ или $p=\frac{gρSh}{S}$ или p = gρh

2. От каких величин и как зависит давление жидкости на дно сосуда?

Ответ:

P = gρh, где:
P − давление жидкости,
g = 9,8 Н/кг,
ρ − плотность жидкости,
h − высота столба жидкости.
Можно сделать заключение, что давление жидкости на дно сосуда зависит от плотности и высоты столба жидкости. 

3. По какой формуле рассчитывают давление жидкости на стенки сосуда, давление внутри жидкости?

Ответ:

Также как и итоговое значение давление, так и давление на стенки на определенной глубине будет рассчитываться по той же самой формуле. Разве что значение глубины будет другим. p = gρh (где − p − давление жидкости, g = 9,8 Н/кг, ρ − плотность жидкости, h − высота столба жидкости), так как давление на одной и той же глубине одинаково по всем направлениям.

Упражнение 17

1. Определите давление на глубине 0,6 м в воде, керосине, ртути.

Ответ:

Дано:
h = 0,6 м;
$ρ_{в}$ = 1000 кг/$м^{3}$;
$ρ_{к}$ = 800 кг/$м^{3}$;
$ρ_{рт}$ = 13600 кг/$м^{3}$;
$p_{в}$−?
$p_{к}$ − ?
$p_{рт}$−?
Решение:
$p = gρh$;
g ≈9,8 Н/кг;
$p_{в}$ = 9,8 * 1000 * 0,6 = 5880 Па;
$p_{к}$ = 9,8 * 800 * 0,6 = 4704 Па;
$p_{рт}$ = 9,8 * 13600 * 0,6 = 79968 Па ≈ 80 кПа
Ответ. 5880 Па, 4704 Па, 80 кПа.

2. Вычислите давление воды на дно одной из глубочайших морских впадин — Марианской, глубина которой 10 900 м. Плотность морской воды 1030 $кг/м^{3}$.

Ответ:

Дано:
h = 10 900 м;
ρ = 1030 кг/$м^{3}$.
p−?
Решение:
p = gρh;
g = 9,8 Н/кг;
p = 9,8 * 1030 * 10900 = 110024600 Па ≈ 110 МПа
Ответ. 110 МПа

3. На рисунке 113 изображена футбольная камера, соединённая с вертикально расположенной стеклянной трубкой. В камере и трубке находится вода. На камеру положена дощечка, а на неё — гиря массой 5 кг. Высота столба воды в трубке 1 м. Определите площадь соприкосновения дощечки с камерой.

рис. 113

Ответ:

Дано:
m = 5 кг;
h = 1 м;
$ρ_{в} = 1000 кг/м^{3}$;
S−?
Решение:
$p_{1}=\frac{F}{S}$ − давление гири на доску;
$p_{2}= gρh$ − давление столба воды в трубке.
Делаем заключение, если дощечка находится в равновесии, то давление на неё гири должно ровняться давлению водяного столба.
$p_{1}=p_{2}$;
F=gm;
$\frac{gm}{S} =gρh$;
$S=\frac{gm}{gρh} = \frac{m}{ρh}$;
$S=\frac{5}{1000 * 1}$ = 0,05 $м^{3}$.
Ответ. 0,05 $м^{3}$.

Задание

1. Возьмите высокий сосуд. В боковой поверхности его на разной высоте от дна сделайте три небольших отверстия. Закройте отверстия спичками и наполните сосуд водой. Откройте отверстия и проследите за струйками вытекающей воды (рис. 114). Почему вода вытекает из отверстий? Из чего следует, что давление увеличивается с глубиной?

рис. 114

Ответ:

 Жидкость имеет свой вес и притягивается к земле. При этом при увеличении высоты столба жидкости, верхние слои с большим усилием давят на нижние. В итоге мы можем наблюдать, что через более низкие по уровню отверстия, жидкость вытекает с под большим давлением, струя сильнее, бьет дальше.

2. Налейте в стеклянный сосуд (стакан или банку) произвольное количество воды. Сделайте необходимые измерения и рассчитайте давление воды на дно сосуда.

Ответ:

Дано:
h = 0,15 м;
$ρ_{в}$ = 1000 кг/$м^{3}$;
p−?
Решение:
p = gρh;
g ≈ 9,8 Н/кг;
p = 9,8 * 1000 * 0,6 = 1470 Па;
Ответ. 1470 Па.

§41

§41. Сообщающиеся сосуды

Вопросы

1. Какие примеры сообщающихся сосудов вы можете привести?

Ответ:

Чайник с носиком, лейка, строительный уровень.

2. Как располагаются поверхности однородной жидкости в сообщающихся сосудах?

Ответ:

При одинаковых условиях и однородной жидкости, поверхности жидкостей в сообщающихся сосудах расположены на одном уровне.

3. Как располагаются поверхности разнородных жидкостей в сообщающихся сосудах?

Ответ:

При одинаковых условиях и неоднородной жидкости, поверхности жидкостей в сообщающихся сосудах расположены на разных уровне. Масса более плотной жидкости сильнее давит на массу менее плотной, тем самым смещая ее уровень.

Упражнение 18

1. На рисунке 120 показано водомерное стекло парового котла, где 1 — паровой котёл, 2 — краны, 3 — водомерное стекло. Объясните действие этого прибора.

рис. 120

Ответ:

Уровень в индикаторе (водомерное стекло) соответствуют уровню в паровом котле. Здесь действует принцип сообщающихся сосудов. Если перекрыть краны, то можно зафиксировать каким был уровень жидкости в определенный момент времени.

2. На рисунке 121 изображён артезианский колодец в разрезе. Почва, суглинок и песок легко пропускают воду. Глина и известняк, наоборот, водонепроницаемы. Объясните действие такого колодца.

рис. 121

Ответ:

Принцип работы самофонтанирующего колодца заключается в следующем. Вода находится между слоями не пропускающими воду. В итоге, под массой слоев в объеме воды образуется давление. При бурении отверстия в "линзу" воды, она под давлением выходит наружу, либо просто поднимается по скважине выше своего первоначального уровня.

3. Докажите, что в сообщающихся сосудах высоты столбов над уровнем раздела двух разнородных жидкостей (см. рис. 119) обратно пропорциональны плотностям жидкостей.
Указание. Используйте формулу для расчёта давления жидкости.

рис. 119

Ответ:

$p_{1} =p _{2}$;
$p_{1} = gρ_{1}h_{1}$;
$p_{2} = gρ_{2}h_{2}$;
$ gρ_{1}h_{1}= gρ_{2}h_{2}$;
$ρ_{1}h_{1} = ρ_{2}h_{2}$;
$\frac{h_{1}}{h_{2}}= \frac{ρ_{2}}{ρ_{1}}$

Мы знаем, что уровень столбов двух разнородных жидкостей обратно пропорциональны плотностям этих жидкостей. При уравновешенном давлении, что характерно для сообщающихся сосудов, высота столба жидкости с большей плотностью будет меньше высоты столба жидкости с меньшей плотностью

4. Изменится ли расположение жидкости (см. рис. 116), если правый сосуд будет шире левого; уже левого; если сосуды будут иметь разную форму?

рис. 116

Ответ:

Если сосуды сообщающиеся, а жидкость однородная, то уровень в этих сосудах одинаковый. Может измениться уровень за счет изменения общего изменения объема жидкости, но уровень снизиться одинаково в двух сосудах. 

Задание

1. Подумайте, как можно простым способом устроить фонтан где−нибудь в парке или во дворе. Начертите схему такого устройства и объясните принцип его действия. Изготовьте модель фонтана.

Ответ:

Можно использовать принцип водонапорной башни. Когда объем с водой находится выше уровня потребителя - фонтана. В этом случае вода под давлением будет вырываться вверх, пытаясь компенсировать разницу уровней, получится фонтан.

2. На рисунке 122,а дана схема устройства шлюза, а на рисунке 122,б − схема шлюзования судов. Рассмотрите рисунки и объясните принцип действия шлюзов. Какое явление используется в работе шлюзов?

рис. 122

Ответ:

Шлюз - гидротехническое сооружение призванное обеспечивать транспортировку судов из одного судоходного места в другое, при этом с разным уровнем воды в них. Работа шлюза основана на принципе сообщающихся сосудов. Судно заходит в ограниченную по объему область, где отсекается входными воротами. Далее открываются последующие ворота, в которых уровень воды приближен к конечному. В зависимости от разницы уровней воды таких переходных уровней может быть разное количество. В последнем переходном объеме уровни максимально приближены к конечному уровню. Все это позволяет транспортировать поднимать или опускать судно на нужную высоту.

3. В два сосуда налита вода (рис. 123). В каком сосуде давление воды на дно больше и на сколько, если $h_{1}$ = 40 см, a $h_{2}$ = 10 см? В каком направлении и до каких пор будет переливаться вода, если открыть кран?

рис. 123

Ответ:

Дано:
$h_{1}$ = 40 см;
$h_{1}$ = 10 см;
$ρ_{в}$ = 1000 кг/$м^{3}$;
$p_{1}$−?
$p_{2}$ − ?
Решение:
p = gρh;
g ≈ 9,8 Н/кг;
40 см = 40 * 0,01 м= 0,4 м;
10 см = 10 * 0,01 м = 0,1 м
$p_{1}$ = 9,8 * 1000 * 0,4 = 3920 Па;
$p_{2}$ = 9,8 * 1000 * 0,1 = 980 Па;
$p_{1}$ − $p_{2}$ = 3920−980 = 2940 Па.
Давление воды на дно больше в левом сосуде на 2940 Па.
в случае открывания крана, вода будет переливаться из левого сосуда в правый. Уровень станет одинаковый, когда высота столба будет равна $\frac{h_{1}+h_{2}}{2} = \frac{40+10}{2}$ = 25 см.
Ответ: Получается, что давление воды на дно больше в левом сосуде на 2940 Па, где высота уровня жидкости выше. Если открыть кран, то вода перельется из левого сосуда в правый и установится на одном уровне, когда высота столба будет равна 25 см.

§42

§42. Вес воздуха. Атмосферное давление

Вопросы

1. Как можно определить массу воздуха?

Ответ:

Сделать это можно так, используя шар и трубку, как на (рис. 124).

рис. 124. Шар для взвешивания воздуха
 Создадим вакуум выкачав воздух, закроем зажим. По факту масса уменьшиться на массу воздуха. Положим шар на весы, уравновесим весы. Откроем зажим. Воздух попадет в шар, закроем зажим. Уравновесим весы, узнав сколько надо добавить гирь, которые и будут равны массе воздуха в этом объеме.

2. Какое физическое явление мы используем, набирая лекарства пипеткой?

Ответ:

Мы используем принцип разности давлений. При нажатии на резиновую емкость мы удаляем весь объем воздуха и появляется механическое воздействие, которое хочет вернуть резину в исходное состояние. При этом, отпустив палец, объем резину увеличивается, происходит втягивание лекарства, так как при увеличении объема образуется вакуум, вернее разряжение давления, который и компенсируется поступлением лекарства.

3. Вследствие чего создаётся атмосферное давление?

Ответ:

Давление на земле от воздуха образуется за счет того, что воздух все же имеет какую-то массу и его слои в атмосфере давят один на другой, таким образом повышая давление от верху к низу. Именно поэтому на уровнях максимально приближенных к земле давление максимальное, а в горах оно меньше.

4. Опишите опыты, подтверждающие существование атмосферного давления.

Ответ:

Опыт 1.
На рисунке 125 изображена стеклянная трубка, внутри которой находится поршень, плотно прилегающий к стенкам трубки. Конец трубки опущен в воду. Если поднимать поршень, то за ним будет подниматься и вода. Происходит это потому, что при подъёме поршня между ним и водой образуется безвоздушное пространство. В это пространство под давлением наружного воздуха и поднимается вслед за поршнем вода.

рис. 125. Подъём воды вслед за поршнем.

Опыт 2.
На рисунке 126 показан цилиндрический сосуд. Сосуд закрыт пробкой, в которую вставлена трубка с краном. Из сосуда насосом откачивают воздух. Затем конец трубки погружают в воду. Если теперь открыть кран, то вода фонтаном брызнет внутрь сосуда. Вода поступает в сосуд потому, что атмосферное давление больше давления разреженного воздуха в сосуде.

рис. 126. Поступление воды внутрь сосуда из−за разности атмосферного давления и давления в закрытом сосуде.

Упражнение 19

1. Как для объяснения явлений, изображённых на рисунках 124 и 125, используется закон Паскаля?

рис. 124. Шар для взвешивания воздуха.

рис. 125. Подъём воды вслед за поршнем.

Ответ:

Мы знаем, что по закону Паскаля, давление, действующее на жидкость или газ, передается в любую его точку без изменений и равномерно распределено.
Так на рисунке 124 воздух из сосуда откачали. В случае открытия зажима, в стеклянный шар устремляется воздух, т.к. на него действует атмосферное давление пытающее уровнять давление.
Опять же, рисунок 125 показывает, что при подъеме поршня между ним и водой образуется пространство с разряженным давлением, именно туда под давление атмосферы по закону Паскаля и устремляется вода. Уровень воды в трубке поднимается.

2. Чему равен вес воздуха объёмом 1 $м^{3}$ ?

Ответ:

Дано:
V = 1 $м^{3}$;
ρ = 1,29 кг/ $м^{3}$;
P−?
Решение:
P = gm;
m = ρV;;
P = gρV;
g = 9,8 Н/кг;
P = 9,8 * 1,29 * 1 ≈ 13 Н.
Ответ. 13 Н.

Задание

1. Измерьте объём комнаты в вашей квартире и вычислите массу и вес воздуха в ней, считая, что его плотность равна 1,29 $кг/м^{3}$.

Ответ:

Дано:
a = 6 м − длина комнаты;
b = 3 м − ширина комнаты;
c = 2,6 м − высота комнаты;
ρ = 1,29 $кг/м^{3}$;
P−?
m−?
Решение:
V = abc;
V = 6 * 3 * 2,6 = 46,8 $м^{3}$;
m = ρV;
m = 1,29 * 46,8 =60,37 кг;
P = gm;
g = 9,8 Н/кг;
P = 9,8 * 60,37 кг * 1 = 591,6 Н.
Ответ. 591 Н.

2. На дне пластиковой бутылки (рис. 127) сделайте отверстие. Зажмите отверстие пальцем и налейте в бутылку воды, закройте горлышко крышкой. Осторожно отпустите палец. Вода из бутылки выливаться не будет. Теперь осторожно откройте крышку. Из отверстия польётся вода. Объясните наблюдаемое явление.

Ответ:

Это явление можно объяснить тем, что при открывании отверстия снизу, вода не польется, так как для этого необходимо будет создать разряжение в верхнем уровне бутылки, а значит там будет разряженная зона. А если так будет, то воздух, который давит снизу, будет давить и на воду, не позволяя создать подобное разряжение, что и происходит. Когда же мы открываем пробку, то обеспечиваем доступ воздуха в верхнюю часть бутылки и теперь нет разряженного пространства, которое обеспечивало удержание воды в бутылки при отверстии снизу. Вода начинает выливаться.

3. Напольная поилка для птиц (рис. 128) состоит из бутылки, наполненной водой и опрокинутой в корытце так, что горлышко находится немного ниже уровня воды в корытце. Почему вода не выливается из бутылки? Если уровень воды в корытце понизится и горлышко бутылки выйдет из воды, часть воды из бутылки выльется. Почему?
Изготовьте такой прибор и проделайте с ним указанные опыты.

Ответ:

Здесь точно такой же принцип как и в примере выше. Давление воздуха на воду уравновешивается с водой в бутылке. Невозможности создать вакуум в верхнем объеме бутылки обусловлена как раз тем, что вода не вытекает, а воздух не заходит вверх. Если горлышко "захватит" воздух, то мы увидим, как поднимается пузырь воздуха, увеличивается объем его вверху, что позволяет воде опуститься ниже и вновь закрыть горлышко бутылки.

4. На рисунке 129 изображён прибор ливер, служащий для взятия проб различных жидкостей. Ливер опускают в жидкость, затем закрывают пальцем верхнее отверстие и вынимают из жидкости. Когда верхнее отверстие открывают, из ливера начинает вытекать жидкость. Проделайте опыт и объясните действие этого прибора.

рис. 129

Ответ:

Принцип ливера для отбора сред основан на законе Паскаля, по которому равномерное давление как раз и уравновешивает состав жидкости и воздуха. При подаче воздуха в верхнюю часть, будет убирания пальца с отверстия наверху, мы меняем баланс давлений, так как сверху оно тоже начинает действовать. Вода сливается вниз, под собственной массой.

§43

§43. Почему существует воздушная оболочка земли

Вопросы

1. Почему молекулы газов, входящих в состав атмосферы, не падают на Землю под действием силы тяжести?

Ответ:

По факту они падают и притягиваются, так как их плотность к поверхности Земли выше, но опять же взаимное воздействие молекул друг на друга, позволяет поддерживать какой-то объем молекул воздуха выше и выше. То есть не образуется четкая граница, а она как бы переходит от более плотного скопления молекул воздуха, к менее плотным, пока молекулы воздуха не пропадают переходя в космическое пространство.

2. Почему молекулы газов, входящих в состав атмосферы, двигаясь во все стороны, не покидают Землю?

Ответ:

Чтобы преодолеть силу тяжести необходимо иметь большую энергию, ведь здесь силы которая отрывает тело, должна быть больше силы притяжения. Если посчитать, то получится, что скорость должна быть порядка 11,2 км/с. Это так называемая вторая космическая скорость. Так как у молекул нет такой энергии, скорости, то они удерживаются на Земле.

3. Как изменяется плотность атмосферы с увеличением высоты?

Ответ:

Плотность при увеличении высоты уменьшается, далее и вовсе становится безвоздушным. Зависит от силы притяжения к земле и давления создаваемого над поверхностью земли.

Упражнение 20

1. Предполагают, что Луна когда−то была окружена атмосферой, но постепенно потеряла её. Чем это можно объяснить?

Ответ:

Все дело в том, что если даже Луна и имела атмосферу, ей не удалось ее удержать. Ведь сила притяжения на Луне значительно меньше, а значит молекулы того же воздуха могут вырваться в космос с ее поверхности. Так и могло произойти.

2. Чтобы вдохнуть воздух, человек при помощи мышц расширяет грудную клетку. Почему воздух входит при этом в лёгкие? Как происходит выдох?

Ответ:

Это похоже на опыт с пипеткой, которая набирает лекарства из емкости. Вначале мышцы уменьшают объем чтобы выдохнуть воздух, затем начинают расширять его. Атмосферное давление компенсирует увеличивающийся объем путем поступления воздуха. Далее мы снова выдыхаем воздух, так происходят непрерывные циклы дыхания.

§44

§44. Измерение атмосферного давления. Опыт Торричелли

Вопросы

1. Почему нельзя рассчитывать давление воздуха так же, как рассчитывают давление жидкости на дно или стенки сосуда?

Ответ:

Посмотрим на формулу давления. p = gρh, где p − давление жидкости на дно сосуда, g − ускорение свободного падения, ρ− плотность, h − высота столба жидкости.
Так вот для воздушного пространства нет постоянной плотности по всей высоте, а значит нет возможности использовать формулу. Сложная дифференциация из за большой высоты, не позволяет с высокой точностью и достаточно быстро посчитать давление воздуха.

2. Объясните, как с помощью трубки Торричелли можно измерить атмосферное давление.

Ответ:

Данный опыт повторяет опыт с поилкой для животных, когда уровень жидкой среды уравновешивается атмосферным давлением. То есть опыт Торричелли заключается в следующем: стеклянную трубку длиной порядка 1 м, запаянную с одного конца, наполняют ртутью. Затем, плотно закрыв другой конец трубки, её переворачивают, опускают в чашку с ртутью и открывают нижний конец трубки (рис. 130). Часть ртути тут же выльется в чашку, а часть её остаётся в трубке. В итоге, атмосферное давление будет воздействовать на столб ртути будет пропорционально атмосферному давлению в мм.рт.ст.
В случае, если атмосферное давление уменьшится, то столб ртути в трубке Торричелли понизится и с точностью наоборот.

рис. 130. Опыт Торричелли

3. Что означает запись: «Атмосферное давление равно 780 мм рт. ст.»?

Ответ:

В случае, если говорят, что атмосферное давление равно 780 мм рт. ст., то окружающий воздух производит такое же давление, какое производит вертикальный столб ртути высотой 780 мм, который уравновешивается этим воздухом.

4. Скольким гектопаскалям равно давление ртутного столба высотой 1 мм?

Ответ:

Считаем давление столба ртути высотой 1 мм равно
p = gρh,
p = 9,8 * 13600 * 0,001 м ≈ 133,3 Па.
Итак, 1 мм рт. ст. = 133,3 Па или 1,333 гПа.
Ответ. 1,333 гПа.

Упражнение 21

1. На рисунке 131 изображён водяной барометр, созданный Паскалем в 1646 г. Какой высоты был столб воды в этом барометре при атмосферном давлении, равном 760 мм рт. ст.?

рис. 131

Ответ:

Дано:
p= 760 мм.рт.ст;
ρ = 1000 кг/$м^{3}$.
h − ?
Решение:
p = gρh;
$h=\frac{p}{gρ}$;
1 мм.рт.ст.=133,3 Па;
$h=\frac{760*133,3}{9,8 * 1000}$ = 10,3 м
Ответ. 10,3 м.

2. В 1654 г. Отто Герике в г. Магдебурге, чтобы доказать существование атмосферного давления, провёл такой опыт. Он выкачал воздух из полости между двумя металлическими полушариями, сложенными вместе. Давление атмосферы так сильно прижало полушария друг к другу, что их не могли разорвать восемь пар лошадей (рис. 132). Вычислите силу, сжимающую полушария, если считать, что она действует на площадь, равную 2800 $см^{2}$ , а атмосферное давление равно 760 мм рт. ст.

рис. 132

Ответ:

Дано:
S = 2800 $см^{2}$;
p = 760 мм.рт.ст;
F−?
Решение:
S = 2800 * 0,0001 = 0,28 $м^{2}$;
1 мм.рт.ст. = 133,3 Па
p= 760 * 133,3 Па = 101308 Па;
$p=\frac{F}{S}$;
F = pS;
F = 101308 * 0,28 = 28 366 Н или 28,4 кН.
Ответ. 28,4 кН.

3. Из трубки длиной 1 м, запаянной с одного конца и с краном на другом конце, выкачали воздух. Поместив конец с краном в ртуть, открыли кран. Заполнит ли ртуть всю трубку? Если вместо ртути взять воду, заполнит ли она всю трубку?

Ответ:

Мы знаем, что при нормальном атмосферном давлении высота столба ртути должна быть 760 мм или 0,76 м, что само собой меньше длины трубки в 1 м. Таким образом, ртуть не заполнит всю трубку. А для воды проведем расчёт.
p = gρh;
$h=\frac{p}{gρ}$;
Столб воды оказывает такое же давление как столб ртути.
ρ = 1000 кг/$м^{3}$;
1 мм.рт.ст. = 133,3 Па
Атмосферное давление = 760 мм.рт.ст.
$h=\frac{760 * 133,3}{9,8 * 1000}$ = 10,3 м > 1 м.
Таким образом, вода полностью заполнит всю трубку.

4. Выразите в гектопаскалях давление, равное: 740 мм рт. ст.; 780 мм рт. ст.

Ответ:

Дано:
$p_{1}$ = 740 мм.рт.ст.;
$p_{2}$ = 780 мм.рт.ст.
$p_{1}$ (гПа)−?
$p_{2}$ (гПа)−?
Решение:
1 мм.рт.ст. = 133,3 Па
1 гПа = 100 Па
$p_{1}$ = 740 мм.рт.ст. = 740 * 133,3 = 98642 П = 986,42 гПа;
$p_{2}$ = 780 мм.рт.ст. = 780 * 133,3 = 98642 П ≈ 1040 гПа.
Ответ. 986,42 гПа, 1040 гПа.

5. Рассмотрите рисунок 130. Ответьте на вопросы.
а) Почему для уравновешивания давления атмосферы, высота которой достигает десятков тысяч километров, достаточно столба ртути высотой около 760 мм?
б) Сила атмосферного давления действует на ртуть, находящуюся в чашке, сверху вниз. Почему же атмосферное давление удерживает столб ртути в трубке?
в) Как повлияло бы наличие воздуха в трубке над ртутью на показания ртутного барометра?
г) Изменится ли показание барометра, если трубку наклонить; опустить глубже в чашку со ртутью?

рис. 130.

Ответ:

а) Сама по себе ртуть очень плотная, а поэтому столь незначительная высота,  столб ртути высотой 760 мм, эквивалентна атмосферному давлению.
б) Здесь действует закон Паскаля. Атмосферное давление удерживает столб в трубке вследствие атмосферным давлением, которое передается через чашку и затем в трубку.
в) Воздух стал бы буфером, некой механической пружиной, влияющей на ртуть. Само собой столб ртути не поднялся бы но первоначальную высоту, где воздух был откачан.
г) Уровень будет оставаться прежний. При этом при наклоне столбика в самом столбе он будет меняться относительно купола. Если столб наклонить сильно, то ртуть может заполнить весь столбик.
При опускании столбика ртуть также может заполнить столб, так как 760 мм отсчитывается от поверхности ртути в чашке.

Задание

1. Погрузите стакан в воду, переверните его под водой вверх дном и затем медленно вытаскивайте из воды. Почему, пока края стакана находятся под водой, вода остаётся в стакане (не выливается)?

Ответ:

Действует все то же атмосферное давление, оно и не дает воде вылиться из стакана.

2. Налейте в стакан воды, закройте листом бумаги и, поддерживая лист рукой, переверните стакан вверх дном. Если теперь отнять руку от бумаги (рис.133), то вода из стакана не выльется. Бумага остаётся как бы приклеенной к краю стакана. Почему? Ответ обоснуйте.

рис. 133

Ответ:

 Здесь сразу несколько факторов. Во-первых, на лист бумаги действует атмосферное давление. Во-вторых, протечки воды настолько не значительны, что воздух не может подняться вверх и начать заполнять пространство. Как только это произойдет, вода начнет выливаться из стакана. 

3. Положите на стол длинную деревянную линейку так, чтобы её конец выходил за край стола. Сверху застелите стол газетой, разгладьте газету руками, чтобы она плотно лежала на столе и линейке. Резко ударьте по свободному концу линейки — газета не поднимется, а прорвется. Объясните наблюдаемые явления.

Ответ:

Опыт несколько искажен по своему смыслу. Он преследует совей целью показать, что за счет давления на газету, большая ее часть останется лежать на столе, так как на нее действует атмосферное давление. А порвется лишь небольшая часть, над линейкой. Хотя здесь надо учитывать и силу инерции бумаги, пусть и незначительную.

§45

§45. Барометр-Анероид

Вопросы

1. Как устроен барометр−анероид?

Ответ:

Классический вид барометра приведен на рисунке 135. Его основной часть является металлическая коробочка в виде диска - 1 с волнистой (гофрированной) поверхностью (рис. 136). В этом диско создан вакуум, и чтобы компенсировать атмосферное давление, которое может раздавить коробку, верхнюю сторону диска - 2, оттягивают вверх. Кроме того, к пружине через механизм - 3 прикреплена стрелка − указатель 4. Она двигается в зависимости от давления оказываемого на диск. Вправо или влево. Далее внешнее оформление, под стрелкой установлена шкала, деления которой нанесены по показаниям ртутного барометра. Так, число 750, против которого стоит стрелка анероида (см. рис. 135), указывает на давлении соответствующее  высоте ртутного столба в 750 мм.
Это значит, что атмосферное давление равно 750 мм рт. ст., или ≈ 1000 гПа.

рис. 135. Барометр−анероид

рис. 136.Устройство барометра−анероида

2. Как градуируют шкалу барометра−анеронда?

Ответ:

Для градуировки используется прибор с уже заранее известным значением давления скажем можно использовать жидкостный барометр Торричелли. Шкала градуируется в мм.рт.ст. и гектопаскалях.

3. Для чего необходимо систематически и в разных местах земного шара измерять атмосферное давление? Какое значение это имеет в метеорологии?

Ответ:

Информация об атмосферном давлении весьма важны для предсказывания погоды, ведь повышенное или пониженное давление может рассказать нам о розе ветров и соответственно о возможном изменении давления. Кроме того, есть метеочувствительные люди, для которых показания барометра также имеют важное значение. 

Упражнение 22

1. Рассмотрите рисунок 135 и ответьте на вопросы.
а) Как называется изображённый на рисунке прибор?
б) В каких единицах проградуированы его внешняя и внутренняя шкалы?
в) Вычислите цену деления каждой шкалы.
г) Запишите показания прибора по каждой шкале.

рис. 135. Барометр−анероид.

Ответ:

а) Барометр−анероид.
б) Две шкалы. Внешняя проградуирована в мм.рт.ст. (миллиметры ртутного столба), внутренняя − в гПа (гектопаскали).
в) Определяем цену деления как и ранее, то есть берем два соседних числа и находим их разницу (от большего отнять меньшее), а затем делим полученное число на количество маленьких штрихов между этими числами. На внешнем циферблате возьмём, к примеру, числа 750 и 760, а на внутреннем 1000 и 1010.
Таким образом, цена каждого деления на внешнем будет равна
$\frac{760-750}{10} = \frac{10}{10} = 1$ мм.рт.ст.
Цена деления на внутреннем:
$\frac{1010-1000}{10} = \frac{10}{10} = 1$ гПа.
г) 750 мм.рт.ст., 1000 гПа.

§46

§46. Атмосферное давление на различных высотах

Вопросы

1. Как объяснить, что атмосферное давление уменьшается по мере увеличения высоты подъёма над уровнем моря?

Ответ:

Молекулы воздуха притягиваются к земле, образуя слой за слоем на ее поверхности. При этом из за взаимодействия молекул к верху они выталкиваются более нижними слоями или не оседают вниз за счет них. То есть количество молекул наверху ниже, а вместе с тем ниже и их влияние масс, а значит и плотность. В итоге чем выше, тем меньше плотность. 

2. Какое атмосферное давление называют нормальным?

Ответ:

Нормальным атмосферным давление называется давление столба ртути высотой 760 мм при температуре 0 °C. Или по другому, нормальное атмосферное давление равно 101 300 Па = 1013 гПа.

3. Как называют прибор для измерения высоты по атмосферному давлению? Что он собой представляет? Отличается ли его устройство от устройства барометра?

Ответ:

В итоге понимая и зная, что при увеличении высоты меняется и давление создали приборы - барометры для определения высоты над уровнем моря. Анероиды, имеющие такую шкалу, по которой можно отсчитать высоту подъема, называют высотомерами (рис. 137). По факту его устройство не отличается от устройства барометра − анероида, но он имеет шкалу с значениями высоты (проградуирована не в паскалях, а в метрах).

рис. 137. Высотомеры: а — механический; б — электронный

Упражнение 23

1. Почему воздушный шарик, наполненный водородом, при подъёме над Землёй увеличивается в объёме?

Ответ:

Дело в том, что над поверхность земли на сферу шарика снаружи действует одно давление, а при поднятии его на высоту оно падает. В итоге противодействующее внутреннее давление распирает шарик, он увеличивается в объеме. 

2. У подножия горы барометр показывает 760 мм рт. ст., а на вершине 722 мм рт. ст. Какова примерно высота горы?

Ответ:

Дано:
$p_{1}$ = 760 мм.рт.ст.;
$p_{2}$ = 722 мм.рт.ст.
h−?
Решение:
При небольших подъёмах в среднем на каждые 12 м подъёма давление уменьшается на 1 мм рт. ст.
Разница давлений Δp = $p_{1} - p_{2}$;
Δp = 760 − 722 = 38 мм.рт.ст.
h = Δp * 12;
h = 38 * 12 = 456 м.
Ответ. 456 м.

3. Выразите нормальное атмосферное давление в гектопаскалях (гПа).

Ответ:

1 мм.рт.ст. = 133,3 Па
p = 760 * 133,3 = 101 308 Па = 1013 гПа.
Ответ. 1013 гПа.

4. При массе 60 кг и росте 1,6 м площадь поверхности тела человека равна примерно 1,6 $м^{2}$. Рассчитайте силу, с которой атмосфера давит на человека (при нормальном атмосферном давлении).

Ответ:

Дано:
m = 60 кг;
h = 1,6 м;
S = 1,6 $м^{2}$;
p = 101308 Па.
F − ?
Решение:
$p=\frac{F}{S}$
F = pS;
F = 101308 * 1,6 = 162092,8 Н ≈ 162 кН.
Ответ. 162 кН.

Задание

• С помощью барометра−анероида измерьте атмосферное давление на первом и последнем этажах здания школы. Определите по полученным данным расстояние между этажами.

Ответ:

Давление на 1 этаже школы $p_{1}$ = 755 мм.рт.ст.
Давление на сама верхнем этаже школы $p_{2}$ = 754 мм.рт.ст.
Разница давлений Δp = $p_{1} - p_{2}$;
Δp = 755 − 754 = 1 мм.рт.ст.
При небольших подъёмах в среднем на каждые 12 м подъёма давление уменьшается на 1 мм рт. ст.
h = Δp * 12 = 1 * 12 = 12 м.
Ответ. 12 м.

§47

§47. Манометры

Вопросы

1. Как называют приборы для измерения давлений, больших или меньших атмосферного?

Ответ:

Для измерений давления бо́льших или меньших атмосферного применяют манометры (от греч. манос — редкий, неплотный, метрео — измеряю).

2. Почему в открытом манометре уровни однородной жидкости в обоих коленах одинаковые?

Ответ:

Один уровень жидкости в коленах открытого манометра показывает нам, что по факту измеряемое давление и атмосферное уравновешены. Получается принцип сообщающихся сосудов. 

3. Что доказывает опыт, изображённый на рисунке 139?

рис. 139. Измерение давления жидкостным манометром.

Ответ:

Данный опыт иллюстрирует, что жидкость в зависимости от глубины погружения в нее оказывает разное давление.  Чем глубже погружаем измеритель в жидкость, тем больше становится разность высот столбов жидкости в коленах манометра. То есть видим, что давление стало больше.

4. Как показать, что давление в жидкости на одной и той же глубине одинаково по всем направлениям?

Ответ:

В случае погружения измерителя на определенную глубину и изменения его положения в жидкости, мы увидим, что давление не меняется. То есть в одном слое оно равномерно распределено, по всем направлениям одинаково.

5. Как устроен и действует металлический манометр?

Ответ:

Смотрим на рис 140, на нем изображён металлический манометр. Важная деталь в таком манометре "улитка" — согнутая в дугу металлическая трубка 1 (рис. 141). Эта трубка согнута и запаяна с одной стороны. Другой конец трубки с помощью вентиля 4 сообщается с сосудом, средой в которой надо измерить давление, в котором измеряют давление. Если давление возрастает, то трубка стремиться выпрямиться. Это похоже на свистки используемые на дне рождения, который раскрываются, когда в них дуют. В итоге, движение трубки при помощи рычага 5 и зубчатки 3 передаётся стрелке 2, движущейся около шкалы прибора. А вот при уменьшении давления, трубка благодаря своей упругости возвращается в исходное положение, а стрелка — к первоначальному нулевому делению шкалы.

рис. 140. Металлический манометр

рис. 141. Устройство металлического манометра

§48

§48. Поршневой жидкостный насос

Вопросы

1. Какое явление используют в устройстве поршневого водяного насоса?

Ответ:

Вода поднимается за поршнем под действием атмосферного давления. Когда поршень втягивается в цилиндр, образуется вакуум, в него и загоняется вода, а потом поршень при обратном ходе выдавливает ее через обратный клапан на поверхность.

2. Как устроен и действует такой насос?

Ответ:

Насос в разрезе изображен на рисунке 142, б. Рассмотрим его устройство. Корпус насоса цилиндр, при этом в нижней части цилиндра штуцер для забора жидкости и обратный клапан, чтобы жидкость проходила лишь в корпус насоса. Сверху вставлен поршень - 1 , также с обратным клапаном, но здесь жидкость может лишь выходить выше поршня. Клапана показаны на рисунке под позицией 2.

 Так вот, при движении поршня вниз вода, находящаяся под поршнем, давит на обратный клапана внизу, он закрывается, а клапан на поршне открывается. Вода переходит в верхнюю часть цилиндра. При этом, при переходе воды через верхний клапан, она там скапливается и при движении поршня вверх выдавливается через носик. Тут же одновременно вода через нижний клапан поступает вверх под поршень, так как там происходит разряжение давления и воду давит под этот поршень. И так раз за разом.

рис. 142, б. Устройство колонки с поршневым насосом.

Упражнение 24

1. На какую предельную высоту вручную можно поднять воду поршневым насосом (см. рис. 142) при нормальном атмосферном давлении?

рис. 142. Колонка с поршневым насосом

Ответ: 

Необходимо посчитать с каким давлением давит атмосферное давление на воду и на какую высоту давление способно поднять воду.
Дано:
p= 101308 Па;
ρ = 1000 кг/$м^{3}$;
h−?
Решение:
p = gρh;
$h=\frac{p}{gρ}$;
g = 9,8 Н/кг
$h=\frac{101308}{9,8 * 1000} = 10,3$ м.
Ответ. 10,3 м.

2. На какую наибольшую высоту вручную можно поднять спирт, ртуть поршневым насосом (см. рис. 142) при нормальном атмосферном давлении?

рис. 142. Колонка с поршневым насосом

Ответ:

Дано:
p= 101308 Па;
$ρ_{сп}$= 800 кг/$м^{3}$;
$ρ_{рт}$= 13600 кг/$м^{3}$
$h_{сп}$−?
$h_{рт}$ −?
Решение:
Ртуть можно поднять на 760 мм по определению давления ртутного столба. Можно подтвердить расчётом:
p = gρh;
$h=\frac{p}{gρ}$;
g = 9,8 Н/кг
$h_{рт}=\frac{101308}{9,8 * 13600}$ = 0,76 м = 760 мм.
$h_{сп}=\frac{101308}{9,8 * 800}$ = 12,9 м.
Ответ. 760 мм, 12,9 м.

3. Объясните работу поршневого насоса с воздушной камерой (рис. 143), где
1 — поршень;
2 — всасывающий клапан;
3 — нагнетательный клапан;
4 — воздушная камера;
5 — рукоятка.
Какую роль играет в этом насосе воздушная камера? Можно ли поднять этим насосом воду с глубины, большей 10,3 м?

рис. 143

Ответ:

 Насос с камерой работает следующим образом. Через рычаг давим на поршень, и это усилие переда­ется на клапан 3 (открывает его) и клапан 2 (закры­вает его). Через клапан 3 вода выходит через трубку наружу. Рычаг поднимает поршень вверх, воздух 4 давит на воду, которая закрывает клапан 3. Атмосферное давление давит уже на жидкость в нижнем сосуде, и она открывает обратный клапан 2, через который жидкость и заполняет ка­меру. В итоге, насос с воздушной камерой создаёт непрерывный напор за счёт сжатого подпружиненного воздуха в камере.
 Так вот, чтобы вода появилась над поршнем, необходимо чтобы вода достигла этого поршня. А достичь его вода может только под действием атмосферного давления, равного 10,3 метров водяного столба. Воду с глубины больше 10,3 м этим насосом поднять нельзя.

§49

§49. Гидравлический пресс

Вопросы

1. Какой закон используют в устройстве гидравлических машин?

Ответ:

Закон Паскаля, где давление распределяется в одном слое и на всю поверхность равномерно, по всему объему, позволяет понять действия многих гидравлических машин.

2. Какой выигрыш в силе даёт гидравлических пресс (при отсутствии трения)?

Ответ:

Отношения площадей поршней, меньшего и большего, дает выигрыш в давлении на площадь, а значит в итоге в силе.
$\frac{F_{2}}{F_{1}} = \frac{S_{2}}{S_{1}}$

Упражнение 25

1. На рисунке 146 изображена упрощённая схема гидравлического подъёмника (гидравлического домкрата), где
1 — поднимаемое тело,
2 — малый поршень,
3 — клапаны,
4 — клапан для опускания груза,
5 — большой поршень.
Груз какой массы можно поднять такой машиной, если известно, что площадь малого поршня 1,2 $см^{2}$, большого — 1440 $см^{2}$, а сила, действующая на малый поршень, может достигать 1000 Н? Трение не учитывать.

рис. 146

Ответ:

Дано:
$S_{1}$ = 1,2 $см^{2}$;
$S_{2}$ = 1440 $см^{2}$;
$F_{1}$ = 1000 Н.
m−?
Решение:
Считаем соотношение площадей, так мы узнаем соотношение сил.
$\frac{F_{2}}{F_{1}} = \frac{S_{2}}{S_{1}}$;
$F_{2} = \frac{F_{1}*S_{2}}{S_{1}}$;
$F_{2} = \frac{1000 * 1440}{1,2}$ = 1200000 Н;
F=gm;
$m = \frac{F}{g}$
g = 9,8 Н/кг;
$m = \frac{1200000}{9,8} = 122 449$ кг ≈ 122 т
Ответ. 122 т можно поднять.

2. В гидравлическом прессе площадь малого поршня 5 $см^{2}$, площадь большого — 500 $см^{2}$. Сила, действующая на малый поршень, 400 Н, на большой — 36 кН. Какой выигрыш в силе даёт этот пресс? Почему пресс не даёт максимального (наибольшего) выигрыша в силе? Какой выигрыш в силе должен был бы давать этот пресс при отсутствии силы трения между поршнем и стенками пресса?

Ответ:

Дано:
$S_{1}$ = 5 $см^{2}$;
$S_{2}$ = 500 $см^{2}$;
$F_{1}$ = 400 Н;
$F_{2}$ = 36 кН;
$\frac{F_{2}}{F_{1}}$− ?
$\frac{S_{2}}{S_{1}}$ − ?
Решение:
Выигрыш в силе с учётом силы трения:
$\frac{F_{2}}{F_{1}}$ = $\frac{36000}{400}$ = 90;
Максимальный выигрыш в силе в отсутствие силы трения:
$\frac{S_{2}}{S_{1}}$ = $\frac{500}{5}$ = 100.
Гидравлический пресс не даёт максимального (наибольшего) выигрыша в силе, так как часть силы теряется на преодоление силы трения в большом цилиндре, где она более значимая, чем в маленьком.
Ответ. 90; 100.

3. Можно ли создать машину, подобную гидравлической, используя вместо воды воздух? Ответ обоснуйте.

Ответ:

Да, можно и такие машины есть. Такие системы и машины называются пневматическими.
У них есть ряд преимуществ и недостатков. Преимущества в том, что не требуется дорогостоящая жидкость, которая скажем может замерзнуть или вытечь. При этом работа таких машин более плавная и усилие как правило создаются меньшие, за счет сжатия газа, изменения его объема. Это активно используется в системах, которые могут травмировать человека. Открывание и закрывание дверей в автобусе и электричке.
Минусом опять же является плавность работы и низкие рабочие давления. При этом если повышать давление до бесконечности, то газ может изменить свою агрегатную форму до жидкой. 

Задание

1. На рисунке 147 изображена схема автомобильного гидравлического тормоза, где:
1 — тормозная педаль,
2 — цилиндр с поршнем,
3 — тормозной цилиндр,
4 — тормозные колодки,
5 — пружина,
6 — тормозной барабан.
Цилиндры и трубки заполнены специальной жидкостью. Расскажите по этой схеме, как действует тормоз.

рис. 147

Ответ:

При нажатии на педаль тормоза создается давление в цилиндре с поршнем, на машине он называется главным тормозным цилиндром. Давление распределяется по всей системе и достигает тормозного цилиндра, называемого рабочим. В итоге из рабочего цилиндра выдвигаются поршни, которые упираются в колодки, а те в свою очередь в тормозной барабан. Барабан замедляет свое вращение или вовсе фиксируется под действием сил трения, происходит торможение данным колесом. Как правило, главный тормозной цилиндр имеет две такие камеры, по одной камере на два колеса. И в итоге, 4 контура (линии) от главного цилиндра и до каждого колеса передают давление и управляют рабочими тормозными цилиндрами.  

2. Используя Интернет, подготовьте презентацию на тему «Гидравлический домкрат в быту »

Ответ:

Слайд 1.
Название презентации "Гидравлический домкрат в нашей жизни"

Слайд 2.
Общий вид домкрата.
Описание. Гидравлический домкрат - переносной или стационарный передвижной грузоподъемный механизм для подъема и фиксации на заданной высоте тяжелых предметов.
Домкрат может использоваться как самостоятельное устройство при выполнении ремонтных или строительных работ, так и в составе более сложных механизмов (кранов, подъемников, прессов и т.д.)

Слайд 3.
Схема устройства гидравлического домкрата.


Цилиндр - корпус, который является и рабочим механизмом, и емкостью для хранения масла.
5 - поршень с пятой 1 на конце, в верхней части цилиндра, выполняющий подъем объекта.
Насос с поршнем 2 –  обеспечивает давление жидкости поступающей под поршень 5, через обратные клапана 3.
4 - винт для сброса давления.

Слайд 4.
Принцип работы гидравлического домкрата.
1. Давим на рычаг и нагнетаем рабочую жидкость поршнем 2 в цилиндр. Гидравлическая жидкость, перемещаясь в цилиндр через обратный клапан 3, увеличивает давление на поршень, в результате чего пытается его вытолкнуть, приводим его в движение.
2. Вместе с поршнем 5 перемещается шток с подъемной пятой 1. Клапан 4 не позволяет маслу перетекать обратно в корпус, так как он закрыт.
3. Для спуска штока и груза, как раз и открываем клапан 4, который позволяет жидкости перетечь в основной резервуар. Поршень опускается вместе с грузом. 

Слайд 5.
Достоинства гидравлических домкратов.
- простота эксплуатации и конструкции (время от времени требуется замена уплотнителей)
- значительная грузоподъемностью до 100-120 тонн;
- высокий КПД, так как затрата здесь только на силы трения поршней в цилиндрах;
- возможность дозированно и плавно поднимать груз;
- жесткость, устойчивость и компактность конструкции;

Слайд 6.
Недостатки.
− низкая скорость подъема;
− незначительная высота подъема;
− применение гидравлической жидкости;
− сложно поймать степень опускания груза;
− требуется механическая страховка, так как возможна внезапная поломка, которая приведет к спуску груза. 

Слайд 7.
Виды гидравлических домкратов.
− классические бутылочные (одноштоковые и телескопические) для индивидуального использования;
− подкатные, часто используются для шиномонтажных станций;
− специальные гидравлические домкраты:
а)ромбовые
б)двухуровневые
в)зацепные.

Слайд 8.
Гидравлический домкрат в быту.
Такой домкрат наиболее часто используется в гаражных условиях для поднятия автомобилей. В частных гаражах, на шиномонтажных станциях, на СТО. 
Используют на стройке для поднятия грузов, для прокладки трубопроводов, в промышленности, при спасательных работах.
Гидравлический домкрат, это универсальный механизм, который можно использоваться в жизненных ситуациях, где необходимо поднятие груза.

§50

§50. Действие жидкости и газа на погруженное в них тело

Вопросы

1. Какие известные вам из жизни явления указывают на существование выталкивающей силы?

Ответ:

Всплытие пузырьков воздуха на поверхность, тяжелые вещи на воздухе, в воде становятся более легкими, так как погружены в более плотную среду. 

2. Как доказать, основываясь на законе Паскаля, существование выталкивающей силы, действующей на тело, погружённое в жидкость?

Ответ:

 Необходимо рассмотреть влияние сил воздействующих на тело в многослойной среде. (рис. 148). Итак, влияние сил действующих на боковые поверхности уравновешивают друг друга, согласно закону Паскаля. Однако влияние сил на верхнюю и нижнюю грани различны. Так верхнюю грань давит сверху с силой $F_{1}$ столб жидкости высотой $h_{1}$. А вот на нижнюю грань тела давление производит столб жидкости высотой уже $h_{2}$. Ведь такое давление передаётся внутри среды и во все стороны. А это значит, что на нижнюю грань тела действует сила $F_{2}$ , так как давит столб жидкости уже с высотой $h_{2}$. Но мы видим, что  $h_{2}$ больше $h_{1}$, а это значит, что и значение силы $F_{2}$ больше силы $F_{1}$. Отсюда и берется выталкивающая сила $F_{выт}$, которая равна разности сил $F_{2} - F_{1}$, т. е. $F_{выт} = F_{2} - F_{1}$

рис.148. Силы, действующие на погружённое в жидкость тело

3. Как показать на опыте, что на тело, находящееся в жидкости, действует выталкивающая сила?

Ответ:

Опыт.
Рассмотрим рисунок 149. Как мы видимо, на нем некий груз, тело подвешено на пружине. При этом на воздухе мы ставим метку до которой оттягивается пружина под действием веса груза. Если же это тело, груз поместить в емкость, то мы увидим, что растяжение пружины уменьшиться. Это будет соизмеримом с тем, как действует сила обратная силе создающейся от веса груза. Именно в этом направлении действует сила 



рис. 149. Определение силы, выталкивающей тело из жидкости.

4. Как на опыте показать, что на тело, находящееся в газе, действует выталкивающая сила?

Ответ:

Опыт.
 Реализовать такой опыт весьма просто. Необходимо взять газ с большей плотностью и поместить в него газ с меньшей плотностью. Сделаем это так. На чашку весов подвесим колбу с воздухом и уравновесим чашки, Далее возьмем трубу, в которую опустим колбу с воздухом. Пока чашка весов уравновешена.
 Далее в трубу зальем углекислый газ. Он тяжелее воздуха, плотнее. В итоге увидим, как баланс весов сместился в сторону чашки, на которой установлена гиря. Рисунок 150. Этот факт будет подтверждением того, что для газов также действует выталкивающая сила. 

рис. 150. Обнаружение силы, выталкивающей тело из газа

§51

§51. Архимедова сила

Вопросы

1. Как можно на опыте определить, с какой силой тело, погружённое целиком в жидкость, выталкивается из жидкости?

Ответ:

Проведем следующий эксперимент. Подвесим на пружину цепочкой пустое ведерко и груз (а). Далее в емкость с жидкостью опустим груз, при этом всю жидкость, которую груз выдавит из емкости, соберем в стакан (б). Сам же груз поднимется вверх, под действием силы Архимеда. Жидкость перельем в ведерко, и увидим, что в этом случае груз опустится в емкости, а индикатор вернется на то место, где она был до погружения груза в емкость с жидкость (в). Из этого опыта можно сделать заключение, что весь объем жидкости по его массе будет компенсировать силу выталкивания.

рис. 151. Опыты с ведёрком Архимеда

2. Чему равна эта сила?

Ответ:

Из опыта проведенного выше можно сделать вывод, что сила выталкивающая тело, которое целиком погружённое в жидкость, равна весу жидкости в объёме этого тела. Это и есть архимедова сила.
$F_{а} = gρ_{ж}V_{т}$, где:
$F_{а}$ − архимедова сила,
$ρ_{ж}$ − плотность жидкости,
$V_{т}$ − объём погруженного тела.

3. Как называют силу, которая выталкивает тела, погружённые в жидкости и газы?

Ответ:

Выталкивающую силу называют архимедовой силой (или выталкивающей силой), не важно жидкость это или газ.

4. Как подсчитать архимедову силу?

Ответ:

Архимедова сила находится как плотность взятая в объеме тела и она равна:
$F_{а} = gρ_{ж}V_{т}$, где:
$F_{а}$ − архимедова сила,
g − ускорение свободного падения,
$ρ_{ж}$ − плотность жидкости,
$V_{т}$ − объём погруженного тела.

5. От каких величин зависит архимедова сила? От каких величин она не зависит?

Ответ:

Из формулы силы Архимеда видно, что она зависит от плотности жидкости, в которую погружаем тело, от объёма этого тела, от условия погружения (полностью или не полностью погружается тело. Однако она не зависит, от плотности вещества самого погружаемого тела, от формы тела.

Упражнение 26

1. К коромыслу весов подвешены два цилиндра одинаковой массы: свинцовый и алюминиевый. Весы находятся в равновесии. Нарушится ли равновесие весов, если оба цилиндра одновременно погрузить в воду; в спирт? Ответ обоснуйте. Проверьте его на опыте. Как зависит выталкивающая сила от объёма тела?

Ответ:

 Из справочной информации мы знаем, что плотность свинца больше плотности алюминия. То есть два подвешенных груза будут иметь разный объем тел. (V=$\frac{m}{ρ}$). В итоге, когда мы погрузим одно и второе тело в жидкость, то получим две разные выталкивающие силы.  ($F_{а} = gρ_{ж}V_{т}$). А раз силы будут разные, то и равновесие весов нарушится.

2. К коромыслу весов подвешены два алюминиевых цилиндра одинакового объёма. Нарушится ли равновесие весов, если один цилиндр погрузить в воду, другой — в спирт? Ответ обоснуйте. Зависит ли выталкивающая сила от плотности жидкости?

Ответ:

 Мы знаем, что спирт и вода имеют разную плотность, а значит их масса в одном и том же объеме разная. Причем выталкивающая сила, то есть сила Архимеда ($F_{а} = gρ_{ж}V_{т}$), зависит от массы жидкости в объеме тела, которое погрузили в него. В итоге, так как плотность воды больше плотности спирта, то тело погруженное в спирт перевесит, так как выталкивающая сила на него будет меньше.

3. Объём куска железа 0,1 $дм^{3}$. Какая выталкивающая сила будет на него действовать при полном его погружении в воду; в керосин?

Ответ:

Дано:
V = 0,1 $дм^{3}$;
$ρ_{1}$ = 1000 кг/$м^{3}$;
$ρ_{2}$ = 800 кг/$м^{3}$;
$F_{a1}$−?
$F_{a2}$−?
**Решение:*
$F_{а} = gρ_{ж}V_{т}$;
g = 9,8 Н/кг;
V = 0,1 * 0,001 = 0,0001 $м^{3}$;
$F_{а1}$ = 9,8 * 1000 * 0,0001 = 0,98 Н;
$F_{а2}$ = 9,8 * 800 * 0,0001 = 0,784 Н.
Ответ. 0,098 Н; 0,784 Н.

4. Бетонная плита объёмом 2 $м^{3}$ погружена в воду. Какую силу необходимо приложить, чтобы удержать её в воде; в воздухе?

Ответ:

Дано:
V = 2 $м^{3}$;
$ρ_{в}$ = 1000 кг/$м^{3}$;;
$ρ_{б}$ = 2300 кг/$м^{3}$;
$F_{1}$−?
$F_{2}$−?
Решение:
В этой задаче столкнёмся со взаимодействием двух сил: силой тяжести, силой архимеда.
На плиту в воздухе действует сила тяжести. Чтобы удержать плиту, нужно приложить силу, равную силе тяжести.
$F_{2}=F_{тяж}=gm$ − сила тяжести.
$m = ρ_{б}V$;
$F_{2}=gρ_{б}V$;
g = 9,8 Н/кг;
$F_{2}=9,8 * 2300 * 2 = 45080 Н$.
Рассчитаем какую силу нужно приложить, чтобы удерживать плиту в воде.
$F_{1} = F_{2}-F_{А}$;
$F_{А} = gρ_{ж}V_{т}$;
$F_{1} = 45080 - (9,8 * 1000 * 2)$ = 25480 Н.
Ответ. 45080 Н, 25480 Н.

5. Предположив, что корона царя Гиерона в воздухе весит 20 Н, а в воде 18,75 Н, вычислите плотность вещества короны.
Полагая, что к золоту было подмешано только серебро, определите, сколько в короне было золота и сколько серебра.
При решении задачи плотность золота считайте равной 20 000 кг/$м^{3}$ , плотность серебра — 10 000 кг/$м^{3}$ . Каков был бы объём короны из чистого золота?

Ответ:

Дано:
$P_{возд}$ = 20 Н;
$P_{вод}$ = 18,75 Н;
$ρ_{вод}$ = 1000 кг/$м^{3}$;
g = 9,8 Н/кг;
$ρ_{з}$ = 20000 кг/$м^{3}$;
$ρ_{с}$ = 10000 кг/$м^{3}$.
$ρ_{к}$ −?
$х_{з}$−?
$х_{с}$−?
$V_{з}$ −?
Решение:
Вес короны в воде меньше чем в воздухе на величину силы Архимеда.
$F_{A} =P_{возд} - P_{вод}$;
$F_{A}$ = 20−18,75 = 1,25 Н;
$F_{А} = gρ_{в}V$;
$V=\frac{F_{А}}{gρ_{в}}$;
$V=\frac{1,25}{9,8*1000}$ = 0,000128 $м^{3}$;
$P_{возд} = gm$;
$m=\frac{P_{возд}}{g}$;
$m=\frac{20}{9,8}$ = 2,04 кг;
$ρ_{к}=\frac{m}{V}$;
$ρ_{к}=\frac{2,04}{0,000128}$ = 15935,5 кг/$м^{3}$.
Для определения количества золота и серебра в короне, найдём долю каждого вещества.
Пусть х − доля золота, тогда (1−х) − доля серебра в короне. Зная, что плотность короны 15935 кг/$м^{3}$, найдём х.
$ρ_{к} =ρ_{з}х + ρ_{с}(1-х)$;
15935,5 = 20000х + 10000 (1−х);
15935,5 = 20000х + 10000 − 10000х;
5935,5 = 10000х;
х = 0,59.
Доля золота в короне 0,59 или 59 %, доля серебра − (1−0,59) = 0,41 или 41%.
$V_{з}=\frac{m}{ρ_{з}}$;
$V_{з}=\frac{2,04}{20000}$ = 0,0001 $м^{3}$;
Ответ. 15935 кг/$м^{3}$; доля золота в короне − 59%, доля серебра − 41%, 0,0001 $м^{3}$.

6. По мелким камешкам ходить босыми ногами больно. Почему человек не испытывает боли, если ходит по таким же камням в воде?

Ответ:

Вес человека в воде становится меньше, так как на него действует выталкивающая сила. В итоге, наступать на камни не так больно.

§52

§52. Плавание тел

Вопросы

1. При каком условии тело, находящееся в жидкости, тонет; плавает; всплывает?

Ответ:

Критерии плавучести тела связаны с массой тела в объеме, то есть с его плотностью. Итак:

1) если сила тяжести $F_{тяж}$ больше силы Архимеда (архимедовой силы) $F_{А}$, то тело будет тонуть, по-другому если $F_{тяж}$>$F_{А}$, то тело тонет;
2) если сила тяжести $F_{тяж}$ равна силы Архимеда (архимедовой силы) $F_{А}$, то тело может находиться в любом слое жидкости, как бы в подвешенном состоянии, по-другому $F_{тяж}$ = $F_{А}$, то тело плавает в объеме жидкости;
3) если сила тяжести $F_{тяж}$ меньше силы Архимеда (архимедовой силы) $F_{А}$, то тело будет подниматься над поверхностью жидкости, всплывать, по-другому $F_{тяж}$ < $F_{А}$, тело всплывает.

2. Как показать на опыте, что вес жидкости, вытесненной плавающим телом, равен весу тела в воздухе?

Ответ:

Опыт.
 Проводим опыт. В сосуд с носиком наливаем воду до уровня боковой трубки, чтобы любое тело выдавливало ее наружу. Погружаем плавающее тело (рис. 153), предварительно взвешиваем его в воздушном пространстве. В итоге, тело погруженное в воду,  вытесняет объём жидкости, равном как раз объёму погружённой части тела. Взвесив эту воду, находим, что её вес (архимедова сила) равен силе тяжести, действующей на плавающее тело, или весу этого тела взвешенного в воздушном пространстве.



рис. 153. Вытеснение воды телом.

3. Чему равна выталкивающая сила, которая действует на тело, плавающее на поверхности жидкости?

Ответ:

Из предыдущего опыта мы узнали, что когда тело плавает на поверхности, то выталкивающая сила (сила Архимеда) равна по модулю силе тяжести, однако противоположна ей по направлению.
или $F_{А} = gρ_{ж}V_{т}$, где
$F_{а}$ − архимедова сила,
$ρ_{ж}$ − плотность жидкости,
$V_{т}$ − объём погруженного тела.

4. Как зависит глубина погружения в жидкость плавающего тела от его плотности?

Ответ:

Так как масса будет пропорционально объему жидкости ниже линии погружения, ведь именно масса этого объема жидкости и создает выталкивающую силу, то получается, что большую массу и больший объем и большую силу надо создавать для более тяжелого тела. То есть, чем плотнее тело, тем глубже погрузиться. (рис. 155).



рис. 155. Погружение в жидкость тел различной плотности

5. Почему водные животные не нуждаются в прочных скелетах?

Ответ:

Организм живых существо соизмерим по плотности в воде. То есть он как бы находится в подвешенном состоянии. В итоге сам скелет не несет столь значимых нагрузок, как скелет живых организмов на суше. Нет необходимости в прочных скелетах.

6. Какую роль играет плавательный пузырь у рыб?

Ответ:

Плавательный пузырь изменяет плотность тела рыбы и позволят использовать архимедову силу для всплытия или отсутствия таковой для погружения. Пузырь может быть накачан воздухом и увеличиться в объеме или сдуться, изменив свой объем до минимума, оставаясь таким же по весу.

7. Как регулируют глубину погружения киты?

Ответ:

Другие морские млекопитающие, такие как киты, регулируют глубину своего погружения за счёт уменьшения и увеличения объёма лёгких.

Упражнение 27

1. На весах уравновесили отливной сосуд с водой (рис. 156, а). В воду опустили деревянный брусок. Равновесие весов сначала нарушилось (рис. 156, б). Но когда вся вода, вытесненная плавающим бруском, вытекла из сосуда, равновесие весов восстановилось (рис. 156, в). Объясните это явление.

рис. 156.

Ответ:

Рассмотрим процесс по этапам.
а) система уравновешена.
б) баланс нарушен за счет увеличения массы деревянного бруска. При этом он вытесняет жидкость масса которой равна массе бруска погруженного в жидкость. Это следует из свойств архимедовой силы.
в) в итоге баланс восстанавливается, брусок своей массой заменяет массу жидкости, которая вытекла.

2. На рисунке 157 изображено одно и то же тело, плавающее в двух разных жидкостях. Плотность какой жидкости больше? Почему? Что можно сказать о силе тяжести, действующей на тело, и архимедовой силе в том и другом случае?

рис. 157

Ответ:

Мы знаем, что чем больше плотность жидкости, тем меньшая часть тела будет в нее погружена. Это заключение можно сделать из определения силы Архимеда, выталкивающей силы. 

В итоге получается, что на нижнем рисунке плотность жидкости больше, так как объем погружения тела меньше!
Так сила тяжести зависит от массы и ускорения свободного падения (F=gm). Получается, что сила тяжести одинакова в обоих случаях, ведь мы берем одно и то же тело.
Для плавающего тела $F_{А} = F_{тяж}$. Архимедова сила будет одинакова ($F_{А} = gρ_{ж}V_{т}$, но как мы заметили, объемы ниже линии поверхности жидкости разные. Там где плотность жидкости больше, будет меньшая глубина погружения, и с точность наоборот. Где большое погружение, меньшая плотность.)

3. Яйцо тонет в пресной воде, но плавает в солёной. Объясните почему. Пронаблюдайте это сами на опыте.

Ответ:

Разная плотность среды в которое погружаем тело, по разному проявляет силу Архимеда. Так плотность пресной воды 1000 кг/ $м^{3}$, а плотность солёной воды 1030 кг/ $м^{3}$. Получается, что выталкивающая сила $F_{А} = gρ_{ж}V_{т}$. Если посчитать значения, что и так понятно без расчетов, то выталкивающая сила в соленой воде больше больше, поэтому яйцо плавает. Это можно заметить при купании в соленых водоемах, плавать в них легче, чем в пресных.

4. Изобразите графически силы, действующие на тело, плавающее на воде, всплывающее на поверхность воды, тонущее в воде.

Ответ:

Смотрим рисунок.

5. Пользуясь таблицами плотности 2—4, определите, тела из каких металлов будут плавать в ртути, а какие — тонуть.
таблица 2

таблица 3

Ответ:

Смотрим, что плотность ртути по таблице 13600 кг/$м^{3}$.
В итоге, все что имеет большую плотность ртути, будет тонуть в ней. А вот тела с меньшей плотностью будут всплывать.
Получается
Тонут: осмий, иридий, платина, золото.
Плавают: свинец, серебро, медь, латунь, сталь, железо, олово, цинк, чугун, алюминий.

6. Будет ли кусок льда плавать в бензине, керосине, глицерине?

Ответ:

$ρ_{лёд}$ = 900 кг/$м^{3}$;
$ρ_{бенз}$ = 710 кг/$м^{3}$;
$ρ_{кер}$ = 800 кг/$м^{3}$;
$ρ_{глиц}$ = 1260 кг/$м^{3}$.


Следуя логике если плотнее то тонет, если менее плотное чем среда в которую погружают, то плавает, получается...
Лед будет плавать в глицерине, и будет тонуть бензине и керосине.

Задание

• Французский учёный Декарт (1506—1650) для демонстрации некоторых гидростатических явлений придумал прибор.
Высокий стеклянный сосуд (банку) наполняли водой, оставляя сверху сосуда небольшой объём воздуха. В этот сосуд опускали небольшую полую стеклянную фигурку. Фигурку заполняли частично водой и частично воздухом так, чтобы она только немного выходила из воды. Сверху стеклянный сосуд плотно закрывали куском тонкой кожи. Нажимая на кожу, можно было заставить фигурку плавать в воде и на воде, а также тонуть.
Изготовьте такой прибор («картезианский водолаз») и проделайте с ним опыты. Фигурку замените небольшим поплавком, а сосуд закройте резиновой плёнкой (рис.158,а). На рисунке 158, б изображён другой вариант этого прибора.
Объясните действие прибора. Продемонстрируйте на этом приборе законы плавания тел.

рис. 158

Ответ:

 В этой емкости существует два объема: один с воздухом (сверху), другой с жидкостью (внизу). Когда давят на эластичную кожу, то создают давление внутри полости с воздухом. В итоге по закону Паскаля давление распределяется равномерно во всех направлениях в объеме воздуха.
 Получалось так, что в запаянной фигурке давление воздуха оставалось неизменным, поэтому при повышении давления в верхнем объеме, на фигурку действовала большая сила (давления воздуха извне), чем при атмосферном давлении. Это можно объяснить и силой Архимеда, когда при повышенном давлении воздуха плотность менялось до такого уровня, что выдавливала из своей среды более легкий воздух. Только выдавливание происходило в сторону погружения в жидкость. В итоге фигурка тонула.

§53

§53. Плавание судов

Вопросы

1. На чём основано плавание судов?

Ответ:

Плавучесть судов основана на действии силы Архимеда.
Если сила тяжести $F_{тяж}$ равна архимедовой силе $F_{А}$, то тело может находиться в равновесии в любом месте жидкости, т. е. если
$F_{тяж} = F_{А}$, то тело плавает, если $F_{тяж} < F_{А}$, то всплывает вверх.

2. Что называют осадкой судна?

Ответ:

Осадка это глубина погружения корпуса судна в воду. При этом максимальная допустимая осадка для данного судна называется ватерлинией.

3. Что такое ватерлиния?

Ответ:

Максимальная допустимая осадка для данного судна называется ватерлинией.

4. Что называют водоизмещением судна?

Ответ:

Водоизмещением можно назвать максимальный вес судна с грузом. Водоизмещение рассчитывается как вес воды, вытесняемой судном при погружении до ватерлинии, равный массе судна с грузом.

Упражнение 28

1. Как изменится осадка корабля при переходе из реки в море? Ответ объясните.

Ответ:

Мы знаем, что соль добавляет плотности воде, то есть вода в море плотнее, чем в реке. 
Сила выталкивания равна $F_{А} = gρ_{ж}V_{т}$.
В итоге, в зависимости от плотности, получается, что осадка корабля уменьшится, судно чуть всплывет.

2. Сила тяжести, действующая на судно, 100000 кН. Какой объём воды вытесняет это судно?

Ответ:

Дано:
$F_{тяж}$= 100 000 кН;
ρ = 1000 кг/$м^{3}$;
V−?
Решение:
$F_{тяж} = F_{А} = gρ_{ж}V_{т}$;
$V=\frac{F_{тяж}}{gρ_{ж}}$;
g = 9,8 Н/кг;
$V=\frac{100 000 000}{9,8 * 1000} = 10204 м^{3}$.
Ответ. 10204 $м^{3}$.

3. Плот, плывущий по реке, имеет площадь 8 $м^{2}$. После того как на него поместили груз, его осадка увеличилась на 20 см. Каков вес помещённого на плот груза?

Ответ:

Дано:
S = 8 $м^{2}$;
Δh = 20 см;
ρ = 1000 кг/$м^{3}$.
P−?
Решение:
V = S * Δh;
Δh (м) = 20 * 0,01 = 0,2 м;
V = 8 * 0,2 = 1,6 $м^{3}$;
$P = F_{тяж} = F_{А} = gρ_{ж}V_{т}$;
g = 9,8 Н/кг
P = 9,8 * 1000 * 1,6 = 15680 Н.
Отве. 15680 Н.

Задание

1. На рисунке 160 изображены два прибора, плавающие в воде, называемые ареометрами.
Пояснение. Эти приборы используются для измерения плотности жидкости. Первый ареометр, изображённый на рисунке 160,а, предназначен для жидкостей, имеющих плотность меньшую, чем вода. Деления на нём нанесены сверху вниз. Второй (рис. 160,б) для жидкостей с плотностью большей, чем вода. Деления на нём нанесены снизу вверх. Цифрой 1000 обозначена плотность воды: ρ=1000кг/$м^{3}$.
а) Объясните действие таких приборов.
б) Используя пробирку или деревянную палочку и кусочки свинца, изготовьте ареометры для жидкостей, имеющих плотности большую и меньшую, чем вода.

рис. 160

Ответ:

а) Ареометр — это прибор для измерения плотности жидкостей, принцип функционирования которого основан на Законе Архимеда.

По факту это поплавок с проградуированной шкалой. Если плотность жидкости высокая, то шкала с поплавком поднимается.
Если плотность низкая, то шкала с поплавком опускается.
Значения плотности жидкости считывают по шкале ареометра.

2. Налейте в стакан воду, введите в воду конец пипетки и выпускайте из неё понемногу воздух. Затем наберите в пипетку немного жидкого масла и пускайте его под водой по капле. Что вы наблюдаете? Сделайте вывод.

Ответ:

В воде масло и воздух поднимаются на поверхность жидкости, что говорит о их меньшей плотности по сравнению с водой.

§54

§54. Воздухоплавание

Вопросы

1. Почему воздушные шары наполняют водородом или гелием?

Ответ:

Водород или гелий имеет меньшую плотность, по сравнению с воздухом. В итоге возникает сила Архимеда, поднимающая шар в воздухе.

2. Как рассчитать подъёмную силу шара, наполненного гелием?

Ответ:

По силе Архимеда ($F_{А}= gρ_{возд}V$) необходимо понять, какая масса воздуха находится в объеме шара и вычесть из этой массы массу газа в шаре и массу самого шара. Эта разница и станет показателем подъемной силой.  ($P_{г} = gm_{г}, m_{г} = ρ_{г}V$).

3. Почему уменьшается выталкивающая сила, действующая на шар, по мере его подъёма?

Ответ:

Мы знаем, что для поднятия шара в воздух необходимо действие выталкивающей силы. $F_{А}$, действующей на шар. при этом ее действие должно превышать силу тяжести $F_{тяж}$, т. е. $F_{А}>F_{тяж}$ шара.
Кроме того, известно, что по мере поднятия шара меняется плотность атмосферы, слои становятся более разряженными, в итоге действие выталкивающей силы уменьшается.  ($F_{А} = gρV$, ).

4. Как регулируют высоту подъёма воздушного шара, наполненного горячим воздухом?

Ответ:

Шар можно поднять с помощью горелки, которая устанавливается под отверстием внизу воздушного шара. В итоге, когда горелка подогревает воздух, то меняется его плотность, он становится более разряженным, так как молекулы реагируют друг с другом, сталкиваются, оказывают давление на стенки шара. Часть молекул воздуха либо вылетает вовсе из шара, либо за счет действия на стенки шара его объем увеличивается. То и другое влияет на плотность среды в шаре.
 При уменьшении плотности, но сохранении объема шара, появляется подъемная сила, сила выталкивания. Она и поднимает шар вверх. При остывании воздуха плотность увеличивается, и/или шар становится меньшего объема. Шар теряет подъемную силу.

Упражнение 29

1. На весах уравновешена бутылка, внутри которой находится сжатый воздух. Через пробку бутылки пропущена стеклянная трубка с краном, к наружному концу которой привязана оболочка резинового шара (рис. 162,а). Если часть воздуха из бутылки перейдёт в оболочку и раздует её (рис. 162,б), то равновесие весов нарушится. Объясните наблюдаемое явление.

рис. 162

Ответ:

В нашем случае при открытии крана произойдет увеличение объема тела (бутылка и шарик) и воздух из бутылки частично уйдет в шарик. В итоге получается, что произойдет изменение плотности этого тела (бутылка и шарик). Сила выталкивания изменится.

2. На весах уравновесили лёгкий стеклянный шарик. Затем весы поместили под колокол воздушного насоса и откачали воздух. Равновесие весов нарушилось (рис. 163). Почему?

рис. 163

Ответ:

 Мы знаем, что сила Архимеда она же выталкивающая сила зависит от среду в которую погружаем тело, от ее плотности, а также от массы и объема погружаемого тела. При этом изменение любой из этих характеристик приведет к изменению баланса. В нашем случае мы изменим плотность среды, в которую погрузили тело (стеклянный шар). В итоге, выталкивающая сила стала меньше, ведь она была равна массе среды в объеме тела (стеклянный шар). Шар потерял выталкивающую силу, весы разбалансировались.

3. Один шарик надут воздухом, другой — водородом, третий — углекислым газом. Какие шарики не взлетят? Объясните почему.

Ответ:

$ρ_{возд}$ = 1290 кг/$м^{3}$;
$ρ_{вод}$ = 90 кг/$м^{3}$;
$ρ_{угл}$ = 1980 кг/$м^{3}$.

Нам необходимо найти значение силы Архимеда и понять, будет ли она подъемной или нет. Возникнет ли выталкивающая сила?

Если $F_{А}$, действующая на шар будет больше силы тяжести$F_{тяж}$, то есть$F_{А}$ >$F_{тяж}$, то возникнет выталкивающая сила.

Получается так, если ниже плотность газа, заполняющего воздушный шар в данном объёме, тем меньше действующая на него сила тяжести, тем больше подъёмная сила!
При этом газы с меньшей, чем у воздуха плотностью будут обладать такой выталкивающей силой.

Получается:
Шар надутый водородом, взлетит, так как плотность водорода ниже плотности воздуха.
Шар надутый углекислым газом, не взлетит, так как плотность углекислого газа выше плотности воздуха.
Шар надутый воздухом, не взлетит, так как вес оболочки шарика с учётом веса воздуха выше веса окружающего воздуха.

Проверь себя

Итоги главы

Проверь себя

1. Давление твёрдого тела рассчитывается по формуле:
А. P = gm
Б. $p=\frac{F}{S}$
В. $p=\frac{m}{V}$

Ответ:

Давление твёрдого тела рассчитывается как сила умноженная на площадь, то есть по формуле:
$p=\frac{F}{S}$, где
F − сила, действующая на поверхность,
S − площадь поверхности.
Ответ: А

2. Давление тела на опору увеличится, если:
А. уменьшить площадь опоры
Б. увеличить площадь опоры
В. увеличить силу и площадь поверхности

Ответ:

Значение давления тела на опору увеличится, если уменьшить площадь:
А. уменьшить площадь опоры

3. При повышении температуры давление газа:
А. увеличится
Б. уменьшится
В. не изменится

Ответ:

Увеличивая температуру увеличиваем взаимодействие молекул между собой и их взаимодействие на стенки, если газ в объеме:
А. увеличится

4. Давление жидкости или газа на стенки сосуда передаётся в любую точку:
А. одинаково во всех направлениях
Б. только в направлении дна сосуда
В. на дно сосуда больше, на стенки меньше

Ответ:

По закону Паскаля передается равномерно по всему объему, в одном слое, на одной глубине:
А. одинаково во всех направлениях

5. С глубиной давление жидкости:
А. увеличивается
Б. уменьшается
В. остаётся неизменным

Ответ:

За счет увеличения количества слоев с глубиной, давление также будет увеличиваться:
А. увеличивается

6. По какой формуле рассчитывается давление на дно и стенки сосуда?
А. p = pgh
Б. P = gm
В. $P = F_{тяж}$
Г. $p = \frac{m}{V}$

Ответ:

Давление на дно и стенки сосуда рассчитывается по формуле:
А. p = pgh, где
p − давление жидкости,
g − ускорение свободного падения (g = 9,8 Н/кг),
ρ − плотность жидкости,
h − высота столба жидкости.

7. В один аквариум налили 2 л морской воды, в другой − 4 л. Уровень воды относительно дна в первом аквариуме равен 10 см, во втором − 20 см. В каком аквариуме давление на дно больше?
А. в первом в 2 раза больше
Б. во втором в 2 раза больше
В. давление одинаково

Ответ:

Б. во втором в 2 раза больше,
Здесь нам важна высота столба жидкости, там где она равна 20 см, давление будет выше. 

8. Какие из перечисленных величин меняются, если молоко из пакета перелить в кувшин?
А. объём
Б. давление
В. сила тяжести
Г. вес

Ответ:

Если молоко из пакета перелить в кувшин то не измениться ни объем ни сила тяжести молока, а вот поменяется:
Б. давление (так как давление на дно сосуда находится по формуле p = ρgh, то оно зависит от высоты столба жидкости, а высота h меняется).

9. Атмосферное давление по мере увеличения высоты над уровнем Земли:
А. увеличивается
Б. уменьшается
В. остаётся неизменным

Ответ:

За счет изменение взаимодействия молекул, атмосферное давление при увеличения высоты над уровнем Земли:
Б. уменьшается

10. Сила, выталкивающая тело из жидкости или газа, направлена:
А. противоположно силе тяжести, приложенной к телу
Б. в направлении силы тяжести, приложенной к телу
В. вначале в направлении силы тяжести, по мере погружения − противоположно силе тяжести

Ответ:

Выталкивающая сила из газа или жидкости направлена:
А. противоположно силе тяжести, приложенной к телу

11. Тело будет плавать, если
А. $F_{тяж} = F_{A}$
Б. $F_{тяж} < F_{A}$
В. $F_{тяж} > F_{A}$

Ответ:

Даже при условии равенства сил тяжести и Архимеда тело будет плавать
А. $F_{тяж} = F_{A}$

§55

ГЛАВА 4. Работа и мощность. Энергия

§55. Механическая работа. Единицы работы

Вопросы

1. Какие два условия необходимы для совершения механической работы?

Ответ:

Условия для совершения механической работы это движение/перемещение  тела под действием силы. 

2. От каких двух величин зависит совершённая работа?

Ответ:

Две величины характеризуют проделанную работу, сила и путь. Поэтому механическая работа прямо пропорциональна приложенной силе и также прямо пропорциональна пройденному пути.
A = FS
где A — работа, F — сила и S — пройденный путь.

3. Что принимают за единицу работы?

Ответ:

Единица совершаемой работы, это перемещение тела под действием силы в 1 Н на расстояние 1 м.
Единица работы — джоуль (Дж) наименование дано в честь английского учёного Джоуля. Получается что,
1 Дж = 1 Н•м.

4. Дайте определение единицы работы 1 Дж. Какие ещё единицы работы вы знаете?

Ответ:

1 Джоуль (Дж) − работа, приложенная сила в 1 Н на пути, равном 1 м.
Есть и другие единицы измерения работы: в килоджоулях (кДж), миллиджоулях (мДж).
1 кДж = 1000 Дж,
1 мДж = 0,001 Дж.

Упражнение 30

1. В каких из нижеперечисленных случаев совершается механическая работа: мальчик влезает на дерево; девочка играет на пианино; вода давит на стенку сосуда; вода падает с плотины?

Ответ:

Грубо нас интересует тело, и его перемещение под действием силы. В нашем случае механическая работа совершается, в следующих случаях:
− мальчик влезает на дерево;
− вода падает с плотины.

2. По гладкому горизонтальному льду катится стальной шарик. Допустим, что сопротивление движению шарика (трение о лёд, сопротивление воздуха) отсутствует. Совершается ли при этом работа?

Ответ:

Если учитывать что условия идеальны и шарик катится за счет силы инерции, то приложения силы не требуется, а значит работа не совершается.

3. При помощи подъёмного крана подняли груз массой 2500 кг на высоту 12 м. Какая работа при этом совершается?

Ответ:

Дано:
m=2500 кг;
S = h = 12 м;
g = 9,8 Н/кг.
А−?
Решение:
А = Fh;
$F = F_{тяж}$;
$F_{тяж} = gm$;
$F_{тяж}$ = 9,8 * 2500 = 24500 Н;
А = 24500 * 12 = 294 000 Дж = 294 кДж.
Ответ. 294 кДж.

4. Какая работа совершается при подъёме гидравлического молота массой 20 т на высоту 120 см?

Ответ:

Дано:
m=20 т;
S = h = 120 см;
g = 9,8 Н/кг.
А−?
Решение:
А = Fh;
$F = F_{тяж}$;
$F_{тяж} = gm$;
m (кг) = 20 * 1000 = 20000 кг;
$F_{тяж} = 9,8 * 20000$ = 196000 Н;
h (м) = 120 * 0,01 = 1,2 м;
А = 196000 * 1,2 = 235 200 Дж = 235,2 кДж.
Ответ. 235,2 кДж.

Задание

1. Вычислите механическую работу, которую вы совершаете, равномерно поднимаясь с первого на второй этаж здания школы. Все необходимые данные получите сами, результат запишите в тетрадь.

Ответ:

Мы знаем, что механическая работа прямо пропорциональна приложенной силе и пройденному пути (A = Fs). Эта сила по модулю равна силе тяжести $F_{тяж}$, т. е. $F = F_{тяж}$. Получается мы преодолеваем силу тяжести: $F_{тяж} = gm$, поднимая наше тело на высоту следующего этажа.
Дано:
m = 50 кг;
S = h = 3 м;
g = 9,8 Н/кг.
А−?
Решение:
А = Fh;
$F = F_{тяж}$;
$F_{тяж} = gm$;
А = gmh;
А = 9,8 * 50 * 3 = 1470 Дж.
Ответ. 1470 Дж.

2. Рассчитайте, какую механическую работу вы совершаете, равномерно проходя 1 км пути по горизонтальной дороге. Результаты запишите в тетрадь.
Указание. Человек, равномерно идя по ровному горизонтальному пути, совершает примерно 0,05 той работы, которая требовалась бы для поднятия этого человека на высоту, равную длине пути.

Ответ:

Дано:
m = 50 кг; условная масса человека
S =h= 1 км;
g = 9,8 Н/кг;
$А = 0,05 А_{1}$;
А−?
Решение:
Первоначально найдём работу, которая требуется для поднятия на высоту, равную длине пути, а потом применим коэффициент 0,05.
$А_{1} = Fh$;
$F = F_{тяж}$;
$F_{тяж} = gm$;
$А_{1} = gmh$;
h (м) = 1 * 1000 = 1000 м;
$А_{1}$ = 9,8 * 50 * 1000 = 490 000 Дж.
$А = 0,05 А_{1}$;
А = 0,05 * 490 000 = 24 500 Дж
Ответ. 24500 Дж.

§56

§56. Мощность. Единицы мощности

Вопросы

1. Что показывает мощность?

Ответ:

Мощность показывает быстроту выполнения работы. Она равна отношению работы ко времени, за которое она была совершена:
$N=\frac{A}{t}$
где N — мощность, A — работа, t — время выполнения работы.

2. Как вычислить мощность, зная работу и время?

Ответ:

Из определения мощность, надо работу разделить на время, в течение которого была совершена эта работа:
$N=\frac{A}{t}$,
где N — мощность, A — работа, t — время выполнения работы.

3. Как называется единица мощности?

Ответ:

Единицу мощности называют ваттом (Вт) в честь английского учёного Уатта. Эта единица характеризуется мощность, при которой за 1 с совершается работа в 1 Дж.

Итак,
$1 ватт =\frac{1 Джоуль}{1 секунда}$, или
$1 Вт=\frac{1 Дж}{1 с}$.

4. Какие единицы мощности используют в технике?

Ответ:

Обычно используют все те же Ватты, но с приставками кило- и мега - киловатт (кВт), мегаватт (МВт).

1 МВт = 1 000 000 Вт           1 Вт = 0,000001 МВт
1 кВт = 1000 Вт                    1 Вт = 0,001 кВт 
1 мВт = 0,001 Вт                  1 Вт = 1000 мВт.

При этом мощность двигателя автомобиля часто указывают в лошадиных силах (л. с.):

1 л. с. = 735,5 Вт.

5. Как, зная мощность и время работы, рассчитать работу?

Ответ:

Чтобы вычислить работу, необходимо мощность умножить на время, в течение которого совершалась эта работа.
A = Nt, где
где A — работа, N — мощность, t — время выполнения работы.

Упражнение 31

1. Выразите в киловаттах и мегаваттах мощность: 2500 Вт; 100 Вт. Выразите в ваттах мощность: 5 кВт; 2,3 кВт; 0,3 кВт; 0,05 МВт; 0,001 МВт.

Ответ:

1 МВт = 1 000 000 Вт 1 Вт = 0,000001 МВт
1 кВт = 1000 Вт 1 Вт = 0,001 кВт
1 мВт = 0,001 Вт 1 Вт = 1000 мВт.
2500 Вт = 2500 * 0,001 = 2,5 кВт;
2500 Вт = 2500 * 0,000001 = 0,0025 МВт;

100 Вт = 100 * 0,001 = 0,1 кВт;
100 Вт = 100 * 0,000001 = 0,0001 МВт;

5 кВт = 5 * 1000 = 5 000 Вт;
2,3 кВт = 2,3 * 1000 = 2300 кВт;
0,3 кВт = 0,3 * 1000 = 300 кВт;
0,05 МВт = 0,05 * 1 000 000 = 50 000 Вт;
0,001 МВт = 0,001 * 1 000 000 = 1000 Вт.

2. С плотины высотой 22 м за 10 мин падает 500 т воды. Какая мощность развивается при этом?

Ответ:

Дано:
h = 22 м;
t = 10 мин.;
m = 500 т;
g = 9,8 Н/кг;
N−?
Решение:
Вначале найдем работу, а потом поделим на время, чтобы узнать мощность.
$N=\frac{A}{t}$;
t (c) = 10 * 60 = 600 с;
A = Fh;
F=gm;
m (кг) = 500 * 1000 = 500 000 кг;
F = 9,8 * 500 000 = 4 900 000 Н;
А = 4 900 000 * 22 = 107 800 000 Дж;
$N=\frac{107 800 000}{600} = 179 667$ Вт или 179,7 кВт.
Ответ. 179,7 кВт.

3. Какова мощность человека при ходьбе, если за 2 ч он делает 10 000 шагов и за каждый шаг совершает 40 Дж работы?

Ответ:

Дано:
n = 10 000;
t = 2 ч;
$А_{1}$ = 40 Дж.
N−?
Решение:
$N=\frac{A}{t}$;
$А = n* А_{1}$;
$N=\frac{n * А_{1}}{t}$;
t (c) = 2 * 3660 = 7200 с;
$N=\frac{10000 * 40}{7200} = 55,6$ Вт
Ответ. 55,6 Вт.

4. Какую работу совершает двигатель мощностью 100 кВт за 20 мин?

Ответ:

Дано:
t = 20 мин.;
N = 100 кВт.
А−?
Решение:
А = Nt;
t (c) = 20 * 60 = 1200 c;
N (Вт) = 100 * 1000 = 100 000 Вт;
А = 100 000 * 1200 = 120 000 000 Дж = 120 МДж.
Ответ. 120 МДж.

5. Транспортёр за 1 ч поднимает 30 $м^{3}$ песка на высоту 6 м. Вычислите необходимую для этой работы мощность двигателя. Плотность песка 1500 кг/$м^{3}$.

Ответ:

Дано:
t = 1 ч.;
V = 30 $м^{3}$;
S = h = 6 м;
ρ = 1500 кг/$м^{3}$;
g = 9,8 Н/кг.
N − ?
Решение:
$N=\frac{A}{t}$;
А = Fh;
F = gm;
m = ρV;
А = gρVh;
$N=\frac{gρVh}{t}$;
t (с) = 1 * 3600 = 3600 с;
$N=\frac{9,8 * 1500 * 30 * 6}{3600} = 735 $ Вт.
Ответ. 735 Вт.

6. Штангист поднял штангу массой 125 кг на высоту 70 см за 0,3 с. Какую среднюю мощность развил спортсмен при этом?

Ответ:

Дано:
m = 125 кг;
S = h = 70 см;
t = 0,3 с;
g = 9,8 Н/кг.
$N_{ср}$−?
Решение:
$N_{ср}=\frac{A}{t}$;
A = Fh;
F=gm;
$N_{ср}=\frac{gmh}{t}$;
h (м) = 70 * 0,01 = 0,7 м;
$N_{ср}=\frac{9,8 * 125 * 0,7}{0,3} = 2858,3$ Вт.
Ответ. 2858,3 Вт.

Задание

1. Рассчитайте мощность, которую вы развиваете, поднимаясь равномерно вначале медленно, а затем быстро с первого на второй этаж школы. Все необходимые данные получите сами.

Ответ:

Так как расчет ведем самостоятельно, то и величины принимаем самостоятельно. Например, наша масса составляет 50 кг, высота этажа − 3,5 м. Далее прикинем, что с первого на второй этаж школы поднимаемся порядка 15 с. А быстро 7 с.
Дано:
m = 50 кг;
S = h = 3,5 м;
$t_{1}$ = 15 c.;
$t_{2}$ = 7 c.;
g = 9,8 Н/кг.
$N_{1}$ − ?
$N_{2}$ − ?
Решение:
$N=\frac{A}{t}$;
A = Fh;
F=gm;
$N=\frac{gmh}{t}$;
$N_{1}=\frac{9,8 * 50 * 3,5}{15} = 114,3$ Вт;
$N_{2}=\frac{9,8 * 50 * 3,5}{7} = 245$ Вт.
Ответ. 114,3 Вт; 245 Вт.

2. Установите по паспорту прибора мощность электродвигателей пылесоса, мясорубки, кофемолки.

Ответ:

Мощность электродвигателя пылесоса (Philips FC8470/01 PowerPro Compact) − 1600 Вт.
Мощность электродвигателя мясорубки (Bosch ProPower MFW45120) − 1600 Вт.
Мощность электродвигателя кофемолки (Bosch TSM6A01) − 180 Вт.

3. Установите, на какую мощность рассчитаны двигатели автомобилей, которые вы знаете.

Ответ:

Автомобиль Renault Logan 2015, 1.6 л − 82 л.ш. (60 кВт).
Автомобиль Chevrolet Niva 2010, 1,7 л − 80 л.ш. (59 кВт).
Автомобиль Лада приора, 2015 г., 1.6 8−кл. − 87 л.с. (64кВт).
Автомобиль Hyundai Solaris (RC), 2019 г., 1.6 MPI − 123 л.с. (90,2 кВт).
Автомобиль УАЗ Патриот, 2017 г., УАЗ−3163, 2,7 л − 135 л.с. (99 кВт).

§57

§57. Простые механизмы

Вопросы

1. Что называют простыми механизмами?

Ответ:

Механизмы участвующие в преобразовании силы называют простыми механизмами.

2. Для какой цели применяют простые механизмы?

Ответ:

Обычно простые механизмы применяют дабы получить выигрыш в силе, потеряв в расстоянии. 

3. Какой простой механизм применяли в Египте при строительстве пирамид?

Ответ:

Один из наглядных и популярных простых механизмов рычаги. Их использовали при строительстве пирамид в Древнем Египте. Поднимали и передвигали тяжёлые каменные плиты.


рис. 165

§58

§58. Рычаг. Равновесие сил на рычаге

Вопросы

1. Что представляет собой рычаг?

Ответ:

Как правило рычаг это жесткий стержень (тело) устанавливаемый на неподвижную опору и поворачиваемый вокруг нее. 

2. Что называют плечом силы?

Ответ:

Самое короткое расстояние от точки опоры по прямой до точки приложения силы называется плечом силы.

рис. 168. Графическое изображение рычага с осью вращения
(OA — плечо силы F1; OB — плечо силы F2).

3. Как найти плечо силы?

Ответ:

Зная вектор действия силы и точку опоры можно найти плечо силы. Проводим перпендикуляр от вектора силы до точки опоры, это и будет плечом данной силы.

рис. 168. Графическое изображение рычага с осью вращения
(OA — плечо силы F1; OB — плечо силы F2).

4. Какое действие оказывают на рычаг силы?

Ответ:

Силы стараются повернуть рычаг относительно точки опоры, против или по часовой стрелке. 

5. В чём состоит правило равновесия рычага?

Ответ:

Равновесие рычага при различных силах возможно тогда, когда значение сил обратно пропорционально плечу каждой из сил.
Записать можно так:
$\frac{F_{1}}{ F_{2}} = \frac{l_{2}}{ l_{1}} $
где $F_{1}$ и $F_{2}$ — силы, действующие на рычаг, $l_{1}$ и $l_{2}$ — плечи этих сил.
Это правило равновесия рычага было замечено Архимедом около 287—212 гг. до н. э.

6. Кто установил правило равновесия рычага?

Ответ:

Архимед, около 287—212 гг. до н. э.

§59

§59. Момент силы

Вопросы

1. Что называется моментом силы? Как выражается момент силы через модуль силы и её плечо?

Ответ:

Момент силы − физическая векторная величина вызывающая вращательное движение тела вокруг точки опоры.
момент силы находится как произведение модуля силы, вращающей тело, на её плечо. Можно записать так,
M = Fl, где М − момент силы, F − сила, l − плечо этой силы.

2. В чём состоит правило моментов?

Ответ:

Правило моментов:
Исходя из равновесия рычага открытого Архимедом, рычаг находится в равновесии под действием двух сил в том случае, если моменты силы с разных его сторон относительно точки опоры уравновешены, равны по значению и противоположны по воздействию.
Можно записать в виде формулы:
$М_{1} = М_{2}$

3. Что принимают за единицу момента силы? Как называется эта единица?

Ответ:

Единица измерения момента силы это воздействие силы в 1 Н, плечо которой равно 1 м.
Такую единицу называют ньютон−метр (Н•м).

§60

§60. Рычаги в технике, быту и природе

Вопросы

1. Пользуясь рисунком 169, объясните действие ножниц как рычага.

рис. 169. Ножницы бытовые

Ответ:

Сами по себе ножницы представляют два рычага и точку опоры в виде болта. при этом силы возникающие на этих рычагах с одной стороны это сила приложения от пальцев, а с другой стороны, сила с которое режется материал.

Итак, силой F1 является сила от руки человека, сжимающего ножницы.
А вот противодействующей силой F2 — сила сопротивления/резания материала, который разрезают ножницами.
Изменяя местоположение материала на лезвии ножниц мы можем изменять и силу воздействия на материал. 

2. Объясните, почему ножницы для резки листового металла и кусачки (см. рис. 170 и 171) дают выигрыш в силе.

рис.170. Ножницы для резки листового металла.

рис. 171. Кусачки

Ответ:

Ножницы для металла имеют длинные ручки и относительно короткое лезвие, что позволяет обеспечивать значительный крутящий момент вокруг опорного болта. При этом сила нажатия от руки увеличивается за счет изменения плеча силы с другой стороны, по правилу моментов. (рис. 170) 
У кусачек точно такой же принцип, но лезвие имеет другую форму. Здесь также расстояние плеча приложение силы обратно пропорционально значению прилагаемой силы (рис. 171).

3. Приведите примеры применения рычагов в быту, в технике.

Ответ:

В нашей жизни встречается очень много примеров рычагов, от костей в нашем теле до самых популярных механизмов. Ножницы для резки материалов. В автомобиле очень много рычагов, в подвеске, в переключении коробки передач, в моторе. Рычаги используются при строительстве, лом, гвоздодер, фомка.

Упражнение 32

1. Укажите точку опоры и плечи рычагов, изображённых на рисунке 173.

рис. 173

Ответ:

Точкой опоры будет неподвижная точка рычага, вокруг которой и вращается рычаг или вокруг которой он уравновешен, от действующих силы. При этом точка опоры может быть как по центру, так и с краю.
Кратчайшее расстояние между точкой опоры и прямой, вдоль которой действует на рычаг сила, называется плечом силы.
Итак, дабы найти плечо силы, надо из точки опоры провести перпендикуляр на вектор действия этой силы.
О− точка опоры, F − действующие силы, L − плечо рычага.

2. Рассмотрите рисунки 173, г и д. При каком расположении груза на палке момент его силы тяжести больше? В каком случае груз легче нести? Почему?

Ответ:

Необходимо воспользоваться правилом моментов. Из них следует, что есть зависимость как от силы, так и от плеча силы.
Формула M = Fl, где М − момент силы, F − сила, действующая на рычаг, l − плечо этой силы.


Легче нести груз на рисунке г), ведь в этом случае плечо силы для груза минимальное, а значит его влияние на противоположную сторону рычага также минимальное. (Правило моментов: $М_{1} = М_{2}$) и M = Fl.
В случае д) момент силы тяжести груза больше, так как плечо силы для груза больше, нести такой груз тяжелее.

3. Пользуясь рисунком 174, объясните, как при гребле используется рычаг и для чего это нужно.

рис. 174

Ответ:

$\frac{F_{1}}{ F_{2}} = \frac{l_{2}}{ l_{1}} $ − такое условие равновесия рычага.

В нашем случае весло это рычаг, а точка опоры это уключина, где весло крепится к лодке. Плечо силы от руки до поры меньше, чем от опоры до весла в воде. При этом силу надо прикладывать большую, недели получится в воде, но ход весла при этом увеличивается. Проигрышу в силе, увеличивая ход. 

4. На рисунке 175 изображён разрез предохранительного клапана. Рассчитайте, какой груз надо повесить на рычаг, чтобы пар через клапан не выходил. Давление в котле в 12 раз больше нормального атмосферного давления. Площадь клапана S =3 $см^{2}$, вес клапана и вес рычага не учитывать. Плечи сил измерьте по рисунку. Куда нужно переместить груз, если давление пара в котле увеличится; уменьшится? Ответ обоснуйте.

рис. 175.

Ответ:

Дано:
S = 3 $см^{2}$;
$p_{атм}$ = 760 мм.рт.ст.;
$p = 12 * p_{атм}$;
$l_{1}$ = 1 см;
$l_{2}$ = 5 см;
g = 9,8 Н/кг.
m − ?
Решение:
Необходимо рассчитать давление на площадь клапана при 12 атмосферах, потом исходя из плеча силы взять груз пропорциональный этому плечу.
Сила тяжести груза:
$F_{2}=gm$;
Сила давления клапана:
$F_{1}=pS$;
$\frac{F_{1}}{ F_{2}} = \frac{l_{2}}{ l_{1}}$;
$F_{1} * l_{1} = F_{2} * l_{2}$;
$pSl_{1} = gml_{2}$;
$m= \frac{pSl_{1}}{gl_{2}}$;
1 мм.рт.ст. = 133,3 Па;
$p_{атм}$ = 760 * 133,3 = 101 308 Па;
p = 12 * 101 308 = 1215696 Па;
S (м) = 3 * 0,0001 = 0,0003 $м^{2}$;
$l_{1}$ (м) = 1 * 0,01 = 0,01 м;
$l_{2}$ (м) = 5 * 0,01 = 0,05 м;
$m= \frac{1215696 * 0,0003 * 0,01}{9,8 * 0,05}$ = 7,44 кг.
При увеличении давления груз для увеличения момента силы тяжести нужно передвинуть вправо, а при уменьшении давления груз для уменьшения силы момента нужно передвинуть влево.
Ответ. 7,44 кг.

5. На рисунке 176 изображён подъёмный кран. Рассчитайте, какой груз можно поднимать при помощи этого крана, если масса противовеса 1000 кг. Сделайте расчёт, пользуясь равенством моментов сил.

рис. 176

Ответ:

Дано:
$l_{1}$ = 7,2 м;
$l_{2}$ = 3 м;
g = 9,8 Н/кг;
$m_{2}$ = 1000 кг;
$m_{1}$ − ?
Решение:
Необходимо понять, когда уравновесится действие сил в зависимости от плеча силы и ее номинала.
$F_{1}$ − сила тяжести, действующая на подъёмный кран;
$F_{2}$ − сила тяжести, действующая на груз.
$M_{1} = M_{2}$;
M = Fl;
F=gm;
$gm_{1}l_{1} =gm_{2}l_{2}$;
$m_{1} = \frac{m_{2}l_{2}}{l_{1}}$;
$m_{1} = \frac{1000 * 3}{7,2}$;
$m_{1}$ = 416,7 кг.
Ответ. 416,7 кг.

Задание

• В Интернете найдите фотографию какого−либо насекомого или птицы. Рассмотрите изображение. Какие части тела насекомого (птицы) являются рычагами? Работу оформите в виде презентации.

Ответ:

Слайд 1.
Механические рычаги в теле стрекозы.

Слайд 2.
Строение стрекозы.
Взгляните на тело стрекозы. В нем множество рычагов, если рассматривать органы как отдельные части тела. Прежде всего это крылья. Они имеют точку опоры у тела, а уходят он него в 4 разные стороны. Это лапки с фалангами, это челюсти, это даже голова на шее и хвост отходящий от туловища.

Слайд 3.
Рассмотрим крылья как рычаги.
Наиболее ярким примером являются крылья. Они вибрируют вверх вниз, создавая взлетную силу за счет разряжения воздуха над крыльями и подтягивая все тело вместе с крыльями вверх. В начале полета движения крыльев более частые, затем, по мере увеличения скорости полета и сопротивляемости, число взмахов крыльев уменьшается, доходя до определенной частоты.

Слайд 4.
Ножки как рычаги.
Все фаланги ног стрекозы являются отдельными рычагами с точками опоры в месте их продолжения или крепления к туловищу. Перемещение ног позволяет стрекозе передвигаться на них.

Слайд 5.
Хвост как рычаг.
Хвост тоже является рычагом. Он выполняет функцию управления в полете, изменения положения в пространстве.

§61

§61. Применение правила равновесия рычага к блоку

Вопросы

1. Какой блок называют неподвижным, а какой подвижным?

Ответ:

Неподвижный блок, это блок закрепленный в точке заделки и при подъёме грузов не поднимается и не опускается (рис. 177).

Такой блок является по факту равноплечим рычагом, то есть с равным распределением плеча силы и силами (рис. 178): OA = OB = r. В итоге такой блок не даёт выигрыша в силе (F1 = F2), однако он позволяет изменить направление действия силы.

Второй вариант это подвижный блок. В этом случае блок мало того что поднимается с грузом, так еще и является рычагом с переменными плечами силы. (рис. 179). Если разобрать по силам такой блок, то они показаны на рисунке 180: O — точка опоры рычага, OA — плечо силы P и OB — плечо силы F. Так как плечо OB в 2 раза больше плеча OA, то сила F в 2 раза меньше силы P: $F=\frac{P}{2}$
В итоге получается, что с таким блоком по полечу сил можно выиграть усилие в два раза. Это чем то похоже на тележку в упражнении 32.

рис. 177. Неподвижный блок

рис.178. Неподвижный блок как равноплечий рычаг.

рис. 179. Подвижный блок.

рис. 180. Подвижный блок как рычаг с неравными плечами.

2. Для какой цели применяют неподвижный блок?

Ответ:

Такой блок можно использовать для изменения направления приложения силы. 

3. Какой выигрыш в силе даёт подвижный блок?

Ответ:

В случае с подвижным блоком есть факт разного расстояния плеча сил, само собой он дает выигрыш в приложении силы в два раза. 

4. Можно ли рассматривать неподвижный и подвижный блоки как рычаги? Начертите схемы таких рычагов.

Ответ:

Да, такие блоки можно рассматривать как рычаги, тем более мы уже это делали в упражнении 1 параграфа 61. Итак, по определению рычаг − это твёрдое тело, которое имеет точку опоры, в нашем случае ось вращения вокруг точки.
Что относительно подвижного блока, то он имеет разные плечи и даёт выигрыш в силе в 2 раза.
Получается по схеме, что неподвижный блок равноплечий и выигрыша в силе не даёт, но изменяет направление силы.
О− точка опоры.
$F_{1}, F_{2}$, F, P − силы.
ОА, ОВ − плечи сил.

Рис. 178. Неподвижный блок как равноплечий рычаг

Рис. 180. Подвижный блок как рычаг с неравными плечами

5. Назовите примеры применения блока.

Ответ:

Применение блоков очень обширно.
В лебедках, подъемных механизмах, в подвесных дорогах.
Практически везде, где есть тросы для подъема и трнаспортировки, используются блоки. 

§62

§62. Равенство работ при использовании простых механизмов. "Золотое правило" механики

Вопросы

1. Какое соотношение существует между силами, действующими на рычаг, и плечами этих сил (см. рис. 167)?

рис. 167. Равновесие рычага с осью вращения

Ответ:

По правилу моментов или уравновешенного рычага Архимеда получается:
$\frac{F_{1}}{ F_{2}} = \frac{l_{2}}{ l_{1}} $
где $F_{1}$ и $F_{2}$ — силы, действующие на рычаг, $l_{1}$ и $l_{2}$ — плечи этих сил.
То есть рычаг уравновешен, при разных силах и разных плечах сил.

2. Какое соотношение существует между путями, пройденными точками приложения сил на рычаге, и этими силами?

Ответ:

Расстояния пройденные точками где приложены силы на рычаге, обратно пропорциональны этим силам:
$\frac{S_{1}}{ S_{2}} = \frac{F_{2}}{F_{1}} $
где $S_{1}$ и $S_{2}$ — пути, пройденные точками приложения сил на рычаге, $F_{1}$ и $F_{2}$ — силы.

3. В чём проигрывают, пользуясь рычагом, дающим выигрыш в силе?

Ответ:

Теряя в расстоянии (пути) мы выигрываем в силе. (рис. 182).

рис. 182.Выигрываем в силе, но проигрываем в расстоянии.

4. Во сколько раз проигрывают в пути, используя для поднятия грузов подвижный блок?

Ответ:

Выигрывая в сил в два раза, проигрываем в пути в два раза. 

5. В чём состоит «золотое правило» механики?

Ответ:

«Золотое правило» механики можно сформулировать так: во столько раз проигрываем в расстоянии, во столько раз выигрываем в силе и наоборот.

Упражнение 33

1. С помощью подвижного блока груз подняли на высоту 1,5 м. На какую длину при этом был вытянут свободный конец верёвки?

Ответ:

Дано:
$s_{1}$ = 1,5 м.
$s_{2}$ − ?
Решение:
Подвижный блок даёт выигрыш в силе в 2 раза.
$F=\frac{P}{2}$;
$\frac{F}{P} = \frac{1}{2}$;
$\frac{F}{P} = \frac{s_{1}}{ s_{2}}$;
$ \frac{s_{1}}{s_{2}} = \frac{1}{2}$;
$s_{2} = 2s_{1}$;
$s_{2} = 2 * 1,5 = 3$ м.
Ответ. 3 м.

2. Рабочий с помощью подвижного блока поднял груз на высоту 7 м, прилагая к свободному концу верёвки силу 160 Н. Какую работу он совершил? (Вес блока и силу трения не учитывать.)

Ответ:

Дано:
s = 7 м;
F = 160 Н.
А − ?
Решение:
A = Ps, где P − сила, приложенная к грузу, s − высота, на которую поднят груз.
Подвижный блок даёт выигрыш в силе в 2 раза.
$F=\frac{P}{2}$;
P = 2F;
А = 2Fs;
А = 2 * 160 * 7 = 2240 Дж.
Ответ. 2240 Дж.

3. Как применить блок для выигрыша в расстоянии?

Ответ:

Из «Золотого» правила мы знаем об отношении сил и пути, поэтому силу надо прикладывать так, чтобы она была в два раза больше, чем будет подъемная сила, однако путь для поднимаемого тела будет тоже в два раза больше. 

4. Как можно соединить друг с другом неподвижные и подвижные блоки, чтобы получить выигрыш в силе в 4 раза; в 6 раз?

Ответ:

Мы знаем, что подвижный блок дает выигрыш в 2 раза. Само собой для выигрыша в 4 раза необходимо применить 2 подвижных блока, а для выигрыша в 6 раз, 3 блока. Будет это выглядеть так.

P = 4 F                                                          P = 6F

5. Решите задачу 2, учитывая вес блока, равный 20 Н.
Задача 2: Рабочий с помощью подвижного блока поднял груз на высоту 7 м, прилагая к свободному концу верёвки силу 160 Н. Какую работу он совершил? (Вес блока и силу трения не учитывать.)

Ответ:

Дано:
s = 7 м;
F = 160 Н;
$P_{1}$ = 20 Н.
А − ?
Решение:
Подвижный блок даёт выигрыш в силе в 2 раза.
$F=\frac{P}{2}$;
P = 2F;
$А = (P + P_{1})h = (2F+P_{1})h$;
А = (2 * 160 + 20) * 7 = 2380 Дж.
Ответ. 2380 Дж.

Задание

• Докажите, что закон равенства работ («золотое правило» механики) применим к гидравлической машине. Трение между поршнями и стенками сосудов не учитывайте.
Указание. Используйте для доказательства рисунок 144. Когда малый поршень под действием силы $F_{1}$ опускается вниз на расстояние $h_{1}$, он вытесняет некоторый объём жидкости. На столько же увеличивается объём жидкости под большим поршнем, который при этом поднимается на высоту $h_{2}$.

рис. 144. Принцип действия гидравлической машины

Ответ:

Закон Паскаля также имеет некую связь с правилом моментов, с равновесием рычага. Взгляните на рисунок. 
Есть два сообщающихся сосуда, они наполнены однородной жидкостью. При этом площади сечения цилиндров сосудов пропорциональный массе грузов, обеспечивающих равновесие уровня жидкостей.  $S_{1}$ и $S_{2}$ ($S_{2}>S_{1}$).
То есть распределенное давление в одном и другом сосуде равное: $p_{1}=p_{2}$.
Вычислим давление в малом поршне под действием силы $F_{1}$:
$p_{1} = \frac{F_{1}}{S_{1}}$
а под большим будет следующее давление:
$p_{2} = \frac{F_{2}}{S_{2}}$.
Отсюда
$\frac{F_{1}}{S_{1}} = \frac{F_{2}}{S_{2}}$;
$\frac{F_{2}}{F_{1}} = \frac{S_{2}}{S_{1}}$,
В итоге можно сделать заключение, что при работе гидравлического пресса создается выигрыш в силе, равный отношению сечения площади большего поршня и малого.
Так как жидкость практически не сжимаема, то она обеспечивает равенство объемов жидкости, переходящей из малого цилиндра в большой:
$V_{1} = V_{2}$, т.е.
$S_{1}h_{1} = S_{2}h_{2}$;
$\frac{h_{1}}{h_{2}} = \frac{S_{2}}{S_{1}}$.
А что на счет перемещения, то оно обратно пропорционально площадям поршней.
$\frac{F_{2}}{F_{1}} = \frac{S_{2}}{S_{1}} = \frac{h_{1}}{h_{2}}$.
$F_{1}h_{1}=F_{2}h_{2}$, т.е.
$А_{1} = А_{2}$.
Опять же делаем заключение верное для равенства "золотого правила" механики: "во сколько раз выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии".

§63

§63. Центр тяжести тела

Вопросы

1. Что такое центр тяжести?

Ответ:

Если взять и вычислить суммарную точку для всех действующих сил тяжести на теле, то получим точку центра тяжести!

2. Где может находиться центр тяжести тела?

Ответ:

Нахождение центра тяжести весьма абстрактно, доходит до того, что в некоторых случаях центр тяжести находится вне самого тела. Независимо от того, в каком положении тело, центр тяжести для него не меняется. 

Приведем несколько примеров для различных тел. Так, центр тяжести шара лежит в его геометрическом центре, у параллелепипеда — в точке пересечения диагоналей, у цилиндра он расположен на середине линии, соединяющей центры его оснований  (рис. 186).

рис. 186. Центр тяжести твёрдых тел.

Что относительно виртуального центра тяжести, то есть не в теле, то у кольца на рисунке 187 центр тяжести лежит вне тела, на пересечении диаметров.

рис. 187. Центр тяжести кольца.

3. В каких случаях может меняться положение центра тяжести тела?

Ответ:

Изменение положение центра тяжести может быть связано либо с изменением форм тела, либо с изменением плотности тела, если она станет неравномерной.

§64

§64. Условия равновесия тел

Вопросы

1. Какое равновесие называют устойчивым?

Ответ:

Равновесие это когда тело выведенное из состояния покоя вновь возвращается в исходное положение, являющееся равновесием для настоящих условий.

рис. 188, а.

2. Где расположен центр тяжести тела при устойчивом равновесии?

Ответ:

Мы знаем, что центр тяжести не изменяется при изменении положения тела. При устойчивом равновесии положении центр тяжести ниже возможной точки опоры (вращения).

рис. 188, а.

3. Какое равновесие называют неустойчивым?

Ответ:

В противоположность устойчивому равновесию можно привести такое свойство как неустойчивость. Если тело выведенное из равновесия не возвращается в начальное положение, равновесие неустойчивое.


рис. 188, б.

4. Где расположен центр тяжести тела при неустойчивом равновесии?

Ответ:

При неустойчивом равновесии центр тяжести тела расположен выше оси вращения и находится на вертикальной прямой, проходящей через эту ось.

рис. 188, б.

5. Какое равновесие называют безразличным?

Ответ:

Безразличное равновесие это тогда, когда при отклонении или перемещении тела оно остаётся в равновесии, даже находясь уже в другом положении.

рис. 188, в.

6. Где расположен центр тяжести при безразличном равновесии?

Ответ:

Если центр тяжести совпадает с точкой вращения тела, то обеспечивается безразличное равновесие.

рис. 188, в.

§65

§65. Коэффициент полезного действия механизма

Вопросы

1. Какую работу называют полезной, какую — полной?

Ответ:

Полезная работа − это работа выполненная с затратой энергии на то действие, которое планировалось, без потерь, скажем на нагрев, на силу трения.
Полная работа − вся работа, которую совершили при приложении силы.

2. Почему при применении механизмов для подъёма грузов и преодоления какого−либо сопротивления полезная работа не равна полной?

Ответ:

Так как механизмы и среда вокруг нас не обеспечивают идеальных условий, то обязательно получается так, часто полная работа больше, чем полезная. Ведь часть энергии тратится на силы трения, на тепло, то есть на то, на что мы не планировали тратить силу.

3. Что такое коэффициент полезного действия механизма?

Ответ:

Если сравнить полную и полезную работу, получим КПД (коэффициент полезного действия). Сравнивают через отношение поделив полезную работу, на полную 100%.
$η =\frac{А_{п}}{А_{з}}$ * 100%;
где η − коэффициент полезного действия механизм, $А_{п}$ − полезная работа, $А_{з}$ − полная (затраченная) работа.
Итак, КПД выражают в процентном соотношении и обозначают греческой буквой η (читается «эта»):

4. Может ли коэффициент полезного действия быть больше единицы? Ответ обоснуйте.

Ответ:

Нет, так как полезная работа никогда не будет больше полной.
$η =\frac{А_{п}}{А_{з}}$ * 100%.
Всегда получается так, что совершённая полезная работа несколько меньше полной (затраченной) работы. Именно поэтому КПД не может быть больше 1.

5. Как можно увеличить коэффициент полезного действия?

Ответ:

Уменьшая потери любыми способами от исключения сил трения, до создания идеальных условий и изменения конструкции механизма, мы можем повысить КПД.

§66

§66. Энергия

Вопросы

1. На каких примерах можно показать, что работа и энергия — физические величины, связанные друг с другом?

Ответ:

 Любое получение трансформация из энергии в энергию требует как силы, так и перемещения, что точно также характерно для совершения работы. Невозможно совершить работу без энергии или получить энергию без проделанной работы. В итоге получается, что энергия и работа связаны друг с другом.
 Для совершения работы в производстве требуется электрическая, тепловая, и другие виды энергии, обеспечивающие силу и перемещение.

2. В каком случае можно сказать, что тело обладает энергией?

Ответ:

Энергия тела это то, что позволяет телу осуществлять работу. Если у тела есть такая возможность, то оно и обладает энергией.

3. Назовите единицы, в которых выражают работу и энергию.

Ответ:

Из параграфа 55, глава 4 мы знаем, что энергия выражается в СИ в тех же единицах, что и работу, в джоулях (Дж).
Кроме того, работа и энергия может измеряться в килоджоулях (кДж), миллиджоулях (мДж).
1 кДж = 1000 Дж,
1 мДж = 0,001 Дж.

§67

§67. Потенциальная и кинетическая энергия

Вопросы

1. Какую энергию называют потенциальной?

Ответ:

Потенциальная (от лат. потенциа — возможность) энергия та, которая может быть получена путем изменения его положения, состояния, относительно других окружающих тел. Скажем груз поднятый на высоту, сжатый газ.

2. Приведите примеры тел, обладающих потенциальной энергией.

Ответ:

Потенциальной энергия встречается в следующих случаях:
− тело, поднятое относительно поверхности Земли, вода в водохранилищах выше нормального уровня;
− деформированное тело (сжатая пружина, сжатый газ, мяч, сжатая рессора на машине под грузом);

3. Как показать, что деформированная пружина обладает потенциальной энергией?

Ответ:

Проведем простой эксперимент. Скажем у нас есть сжатая пружина, усилие которой удерживается за счет нити. Если перерезать нить, то пружина сможет не только сама расправиться, но и поднять какой-либо груз. Это как раз говорит о том, что она обладала потенциальной энергией.




рис. 192. Совершение работы сжатой пружиной при её распрямлении

4. Какую энергию называют кинетической? От каких величин она зависит?

Ответ:

Кинетическая энергия (от греч. кинема — движение) это энергия связанная с инерцией тел. Движущееся тело обладает кинетической энергией.
Кинетическую энергию обозначают буквой $E_{к}$, и она зависит от скорости и массы.
Для того чтобы определить кинетическую энергию тела, применяют формулу:
$E_{к}=\frac{mv^{2}}{2}$,
где m — масса тела, v — скорость движения тела.

5. В каком случае кинетическую энергию тела считают равной нулю?

Ответ:

В случае покоя тела, кинетическая энергий равна нулю. 

6. Назовите случаи, когда тела обладают кинетической энергией.

Ответ:

Движущийся автомобиль, велосипед, мотоцикл, птица, брошенный камень, мяч, летящая пуля.

7. Где используют кинетическую энергию текущей воды?

Ответ:

Как правило для получения других видов энергии как раз и используют кинетическую энергию, которая часто получается из потенциальной. Скажем вода в водохранилище падает с плотины, преобразую потенциальную энергию в кинетическую. Вращаются турбины, создающие электрический ток, идущий по проводам в распределительный станции и к нам в дома. Так происходит трансформация энергий, где есть место и кинетической энергии падающей воды. 

Упражнение 34

1. Какой потенциальной энергией относительно Земли обладает тело массой 100 кг на высоте 10 м?

Ответ:

Дано:
m = 100 кг;
h = 10 м;
g = 9,8 Н/кг.
$Е_{п}$ − ?;
Решение:
$Е_{п} = gmh$;
$Е_{п} = 9,8 * 100 * 10 = 9800$ Дж;
Ответ. 9800 Дж.

2. В каких местах реки — у истоков или в устье — каждый кубический метр воды обладает большей потенциальной энергией? Ответ обоснуйте.

Ответ:

Мы знаем, что кинетическая энергия прямо пропорциональна массе и высоте поднятого тела ($Е_{п} = gmh$).
Исток реки это место ее зарождения, там откуда она вытекает. Устье это то место где река заканчивается, как правило втекая в водоем (озеро, реку, море). Течение реки обеспечивается как раз за счет потенциальной энергии, переходящей в кинетическую. В итоге, когда вода попадает в водоем с одним уровнем, то потенциальная энергия каждого куба воды становится меньше из за потери высоту. Можно утверждать, что кубический метр воды у истока обладает большей потенциальной энергией, чем у устья.

3. В какой реке — горной или равнинной — каждый кубический метр текущей воды обладает большей кинетической энергией? Почему?

Ответ:

 Мы знаем, что кинетическая энергия прямо пропорциональна массе тела и квадрату его скорости, то есть можно описать формулой ($E_{к}=\frac{mv^{2}}{2}$).
В итоге, чем больше масса тела и скорость движения, тем выше кинетическая энергия. Исходя из этого, скорость течения в горной реке выше, в отличии от равнинной реки.
Это значит, что каждый кубический метр текущей воды в горной реке обладает большей кинетической энергией, нежели в равнинной.

4. Определите, какой кинетической энергией будет обладать пуля, вылетевшая из ружья. Скорость её при вылете из ружья равна 600 м/с, а масса — 7,5 г.

Ответ:

Дано:
$v$ − 600 м/с;
m = 7,5 г.
$E_{к}$ − ?
Решение:
$E_{к}=\frac{mv^{2}}{2}$;
m (кг) = 7,5 * 0,001 = 0,0075 кг;
$E_{к}=\frac{0,0075 * 600^{2}}{2} = 1350$ Дж.
Ответ. 1350 Дж.

§68

§68. Превращение одного вида механической энергии в другой

Вопросы

1. Как на опыте можно показать превращение одного вида механической энергии в другой?

Ответ:

Весьма яркий опыт можно провести на примере маятника Максвелла, изображённом на рисунке 195. В нем изначально диск закручен на нитях, и он обладает потенциальной энергией. Когда он падает вниз, то раскручивается, приобретает кинетическую энергию падающего тела и крутящегося тела. Далее в нижней точке он обладает максимальной кинетической энергией и минимальной потенциальной.
 Потом за счет кинетической энергии он поднимается вверх, накручиваясь на нити. Подъем происходит чуть ниже первоначальной точки, так как были потери на тепло, на силы трения. И вновь опускается, пока не достигнет нижней точки. Так и продолжаются затухающие колебания, до тех пор пока вся энергия не будет израсходована.

рис. 195. Маятник Максвелла

2. Какие превращения энергии происходят при падении воды с плотины?

Ответ:

 Здесь происходит трансформация потенциальной энергии воды, в водохранилище, в кинетическую энергию падающей воды. Вода в водохранилище падает с плотины, преобразую потенциальную энергию в кинетическую. Вращаются турбины, создающие электрический ток, идущий по проводам в распределительный станции и к нам в дома. Так происходит трансформация энергий, где есть место и кинетической энергии падающей воды. 
 Потери происходят на шум, тепло создаваемое от падения воды, на вибрацию от падающей воды. В общем на все то, что не участвует во вращении турбин, а создает дополнительные эффекты.

3. Какие превращения энергии происходят при ударе стального шарика о стальную плиту?

Ответ:

Посмотрим на процесс падения стального шарика на стальную плиту  (рис. 196), разберем происходящее.
Итак, первоначально шарик обладает потенциальной энергией, он имеет массу и определенную высоту. Как только мы его выпускаем, то потенциальная энергия трансформируется в кинетическую. При ударе возникает противодействующая сила, которая отталкивает шарик вверх, он меняет направление полета. При этом набирает высоту и теряет скорость. В итоге он поднимается чуть ниже первоначальной своей точки ха счет потерь. Зависает в воздухе и вновь летит вниз, повторяя весь цикл снова.

По факту такой процесс происходит со всеми вещами падающими с высоты и отскакивающими от поверхности, а также с маятниками.



рис. 196. Превращение потенциальной энергии шарика в кинетическую при его падении

Упражнение 35

1. Какие превращения одного вида энергии в другой происходят:
а) при падении воды водопада;
б) при бросании мяча вертикально вверх;
в) при закручивании пружины механических часов;
г) на примере дверной пружины.

Ответ:

а) потенциальной в кинетическую;
б) вначале кинетическая в потенциальную, когда мяч летит вверх, а затем потенциальной в кинетическую, при падении вниз.
в) возникает потенциальная энергия, которая будет давать энергия для механизма часов.
г) пружина обладает потенциальной энергией, которую она стремиться отдать. При открывании двери пружина получает еще большую значимую потенциальную энергию, но так как дверь отпускают, она возвращается в свое более низкое энергетическое состояние с потенциальной энергией. 

2. Массы падающих тел одинаковы. Одинаковы ли значения потенциальной энергии тел на одной и той же высоте и одинаковы ли значения кинетической энергии на этой высоте?

Ответ:

Мы знаем, что потенциальная энергия тела над Землей зависит от массы m, силы тяготения (ускорения свободного падения g) и высоты ($Е_{п} = gmh$).
Получается, что значение потенциальной энергии будет одинаковое на одной высоте.
Что на счет кинетической энергии, то она прямо пропорциональна массе тела и квадрату скорости ($E_{к}=\frac{mv^{2}}{2}$).
Получается, что падая с одной высоты кинетическая энергия двух тел будет одинаковой в любой точке высоты. 

3. Приведите примеры тел, обладающих одновременно кинетической и потенциальной энергией.

Ответ:

Все что движется на каком-то уровне над поверхностью земли обладает двумя видами энергии, даже в тот момент, когда происходит трансформация потенциальной энергии в кинетическую. Падающий мяч, летящая птица, вода падающая с плотины в средней ее высоте и подобное.

Итоги главы

Проверь себя

1. Механическая работа совершается:
А. если на тело действует сила и оно движется
Б. если сила тяжести равна весу тела
В. всегда, когда тело движется

Ответ:

Механическая работа в том случае, если:
А. если на тело действует сила и оно движется

2. Механическую работу вычисляют по формуле:
A. A = Fs
Б. Р = gm
В. $p=\frac{F}{S}$

Ответ:

Механическую работу вычисляют по формуле:
A. A = Fs

сила и путь обязательные критерии совершения работы

3. Мощность − это:
A. отношение работы ко времени, за которое она была совершена
Б. работа, которую совершает тело
B. сила, с которой совершается работа

Ответ:

Мощность − это работа совершаемая в единицу времени, значит:
A. отношение работы ко времени, за которое она была совершена

4. За единицу мощности в СИ принят:
A. ватт (Вт)
Б. джоуль (Дж)
B. ньютон (Н)

Ответ:

В СИ за единицу мощности принят:
A. ватт (Вт)

5. Плечо силы − это:
A. кратчайшее расстояние между точкой опоры и линией действия силы
Б. расстояние до точки приложения силы

Ответ:

Плечом силы является:
A. кратчайшее расстояние между точкой опоры и линией действия силы

6. Условие равновесия рычага:
А. $\frac{F{1}}{F{2}}=\frac{l{2}}{l{1}}$
Б. $\frac{F{1}}{l{1}}=\frac{F{2}}{l{2}}$
B. $F = gm$

Ответ:

Условие равновесия рычага:
А. $\frac{F{1}}{F{2}}=\frac{l{2}}{l{1}}$

7. Момент силы вычисляют по формуле:
A. М = Fl
Б. М = Fs
B. $M=\frac{F}{S}$

Ответ:

Момент силы характеризуется плечом и номиналом силой, то есть:
A. М = Fl

8. КПД —это:
A. отношение полезной работы к полной
Б. равенство полезной работы и полной
B. когда полная работа меньше полезной

Ответ:

КПД —это:
A. отношение полезной работы к полной

Лабораторная работа №1

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

№1 Определение цены деления измерительного прибора

Цель работы:
Определить цену деления измерительного цилиндра (мензурки), научиться пользоваться им и определять с его помощью объём жидкости.
Приборы и материалы:
Измерительный цилиндр (мензурка), стакан с водой, небольшая колба и другие сосуды.
Указания к работе:
1. Рассмотрите измерительный цилиндр (рис. 198), обратите внимание на его деления. Ответьте на следующие вопросы.
1) Какой объём жидкости вмещает измерительный цилиндр, если жидкость налита:
а) до верхнего штриха;
б) до первого снизу штриха, обозначенного цифрой, отличной от нуля?
2)Какой объём жидкости помещается:
а) между 2−м и 3−м штрихами, обозначенными цифрами;
б) между соседними (самыми близкими) штрихами мензурки?
2. Как называется последняя вычисленная вами величина? Как определяют цену деления шкалы измерительного прибора?
Запомните: прежде чем проводить измерения физической величины с помощью измерительного прибора, определите цену деления его шкалы.
3. Рассмотрите рисунок 7 учебника и определите цену деления изображённой на нём мензурки.
4. Налейте в измерительный цилиндр воды, определите и запишите, чему равен объём налитой воды.
Примечание. Обратите внимание на правильное положение глаза при отсчёте объёма жидкости. Вода у стенок сосуда немного приподнимается, в средней же части сосуда поверхность жидкости почти плоская. Глаз следует направить на деление, совпадающее с плоской частью поверхности (рис. 198).
5. Налейте полный стакан воды, потом осторожно перелейте воду в измерительный цилиндр. Определите и запишите с учётом погрешности, чему равен объём налитой воды. Вместимость стакана будет такой же.
6. Таким же образом определите вместимость колбы, аптечных склянок и других сосудов, которые находятся на вашем столе.
7. Результаты измерений запишите в таблицу 6.

рис. 198.
Таблица 6.

Ответ:

 Имея в распоряжении сосуд для измерения необходимо в первую очередь узнать шкалу его деления. Мы знаем, что для того чтобы найти деление без маркировки необходимо взять две известные метки с промаркированными делениями, найти их разницу и поделить пополам. На нашей шкале цилиндра возьмём, к примеру, числа 40 и 50.
Получается, что цена каждого деления будет равна
$\frac{50 - 40}{2} = \frac{10}{2}$ = 5 мл.
В итоге мы нашли, что цена деления для цилиндра 5 мл. Можем начинать отвечать на вопросы лабораторной работы.

1.

1, а) В случае уровня жидкости до верхнего штриха, в цилиндре налито 50 мл жидкости.
1, б) В случае уровня жидкости до первого снизу штриха, обозначенного цифрой, отличной от нуля, в цилиндре налито 10 мл жидкости.
2, а) В случае уровня жидкости между 2− м и 3−м штрихами, обозначенными цифрами, помещается 10 мл жидкости (например, возьмём штрихи 40 мл и 50 мл).
2, б) В случае уровня жидкости между соседними (самыми близкими) штрихами мензурки (например, возьмём штрихи 50 и 55), помещается 5 мл жидкости.

2. Вычисленная последняя нами величина называется ценой деления измерительного прибора, в данном случае цилиндра.

3. На рисунке 7 изображен измерительный цилиндр.

Мы знаем, что для того чтобы найти деление без маркировки необходимо взять две известные метки с промаркированными делениями, найти их разницу и поделить пополам. На нашей шкале цилиндра возьмём, к примеру, числа 40 и 50.
Получается, что цена каждого деления будет равна
$\frac{50 - 40}{2} = \frac{10}{2}$ = 5 мл.
В итоге мы нашли, что цена деления для цилиндра 5 мл.

4. Объём налитой воды равен 35 мл или 35 $см^{3}$ .

5. Из учебника мы знаем, что погрешность измерений прибора равна половине цены его деления шкалы. В нашем случае цена деления цилиндра − 5 мл, а значит погрешность измерения цилиндра равна $\frac{5}{2}$ мл = 2,5 мл.
В итоге получится, что объём налитой в полный стакан воды будет равен 200 мл ($см^{3}$). при этом погрешность равна ±∆2,5 мл, то есть (200±∆2,5) мл ($см^{3}$)
6.

Проводим измерения


Таблица 6.
№           Название   Объём                  Вместимость
опыта    сосуда         жидкости $V_{ж}, см^{3}$    сосуда, $V_{с}, см^{3}$ |
1             стакан           200                       200 
2             колба             50                        50 
3             пузырёк         30                        30 

Вывод. По результатам лабораторной работы научились на практике пользоваться измерительным прибором - цилиндр, нашли его цену деления и возможную погрешность при измерении объема жидкостей.

Лабораторная работа №2

№2 Измерение размеров малых тел

Цель работы:
Научиться выполнять измерения способом рядов.
Приборы и материалы:
Линейка, дробь (или горох), иголка.
Указания к работе:
1. Положите вплотную к линейке несколько (20−25 штук) дробинок (или горошин) в ряд. Измерьте длину ряда и вычислите диаметр одной дробинки.
2. Определите таким же способом размер крупинки пшена (или зёрнышка мака). Чтобы удобнее было укладывать и пересчитывать крупинки, воспользуйтесь иголкой. Способ, которым вы определили размер тела, называют способом рядов.
3. Определите способом рядов диаметр молекулы по фотографии (рис. 199, увеличение равно 70 000).
4. Данные всех опытов и полученные результаты занесите в таблицу 7.

рис. 199.
Таблица 7.

Ответ:

 Когда нет возможности что-либо измерить индивидуально, что относится скажем к мелким предметам, к силе распределенной между множества частиц с незначительным показанием номинала, то применяют метод вычисления путем нахождения среднестатистического.

 Именно этот способ и будет применять в нашей лабораторной работе. Цена деления линейки соизмерима с размером зерна, поэтому измеряем вначале размер 10 зерен, чтобы получить более значимый размер, а далее делим на количество зерен. Зерна должны быть уложены вплотную друг к другу, по шкале линейки и все расположены таким образом, чтобы размер вычислялся либо вдоль зерна, либо поперек. То есть все размеры измеряемых зерен должны быть однотипные. 


Вычисления:
$D=\frac{l}{n}$, где D − диаметр зерна, l − длина ряда, n− количество зёрен.
1) пшено. $D=\frac{28}{24}=1,17$ мм;
2) горох. $D=\frac{43}{21} = 2,05$ мм.
3) молекула (на фотографии) $D=\frac{25}{14} = 1,79$ мм.
молекула (истинный размер) $D=\frac{25}{14*70000} = 0,0000255$ мм или $2,55 * 10^{-5}$ мм.

№                   Число частиц  Длина           Размер одной 
опыта             в ряду               ряда l,мм     частицы d,мм
1. Горох             21                  43                   2,05
2. Пшено            24                 28                    1,17
3. Молекула      14                 25                     
                                         на фотографии   истинный размер 
                                             1,79                   $2,55 * 10^{-5}$

Вывод. В результате работы проанализировали и узнали, что вычислить среднестатистическое значение можно используя инструмент с большой ценой шкалы, относительно того, что надо измерить. 

Лабораторная работа №3

№3 Измерение массы тела на рычажных весах

Цель работы:
Научиться пользоваться рычажными весами и с их помощью определять массу тел.
Приборы и материалы:
Весы с разновесами, несколько небольших тел разной массы.
Указания к работе:
1. Придерживаясь правил взвешивания, измерьте массу нескольких твёрдых тел с точностью до 0,1 г.
2. Результаты измерений запишите в таблицу 8.
Приложение. Правила взвешивания.
1. Перед взвешиванием необходимо убедиться, что весы уравновешены. При необходимости для установления равновесия на более лёгкую чашку нужно положить полоски бумаги, картона и т.п.
2. Взвешиваемое тело кладут на левую чашку весов, а гири − на правую.
3. Во избежание порчи весов взвешиваемое тело и гири нужно опускать на чашки осторожно, не роняя их даже с небольшой высоты.
4. Нельзя взвешивать тела более тяжёлые, чем указанная на весах предельная нагрузка.
5. На чашки весов нельзя класть мокрые, грязные, горячие тела, насыпать без использования подкладки порошки, наливать жидкости.
6. Мелкие гири нужно брать только пинцетом (рис. 200).
Положив взвешиваемое тело на левую чашку, на правую кладут гирю, имеющую массу, немного большую, чем масса взвешиваемого тела (подбирают на глаз с последующей проверкой). При несоблюдении этого правила нередко случается, что мелких гирь не хватает и приходится взвешивание начинать сначала.
Если гиря перетянет чашку, то её ставят обратно в футляр, если же не перетянет − оставляют на чашке. Затем то же проделывают со следующей гирей меньшей массы и т.д., пока не будет достигнуто равновесие.
Уравновесив тело, подсчитывают общую массу гирь, лежащих на чашке весов. Затем переносят гири с чашки весов в футляр.
Проверяют, все ли гири положены в футляр, находится ли каждая из них на предназначенном для неё месте.
Таблица 8.


рис. 200

Ответ:


рис. 48. Учебные весы. 1− коромысло, 2 − стрелка−указатель, 3 − чашки.

 Рычажные весы действуют по принципу равенства рычагов, правила моментов открытого Архимедом. Но с учетом того, что плечо силы для каждой чашки весов одинаковое, у нас при измерении двух масс остается отношение исключительно по весу, без влияния плеча силы. Это позволяет нам сравнительным путем определить соотношения эталонного груза - гири и измеряемой массы.
 Подбирая по количеству и массе гири уравновешиваем чашки весов с гирями и измеряемым телом и находим его значение. В соответствии с вышеуказанным методом равенства рычагов при равных плечах силы можно измерить массу шурупа, ластика, металлического шарика.
Полученные результаты измерений запишем в таблицу 8.

Таблица 8.

№ опыта    Название тела   Масса тела m, г
1                    шуруп                  4,25
2                   ластик                  14,1
3               металлический        23,8
                       шарик 
Вывод. В ходе лабораторной работы мы научились пользоваться рычажными весами и с их помощью определять массу тел.

Лабораторная работа №4

№4 Измерение объема тела

Цель работы:
Научиться определять объём тела с помощью измерительного цилиндра.
Приборы и материалы:
Измерительный цилиндр (мензурка), тела неправильной формы небольшого объёма (гайки, фарфоровые ролики, кусочки металла и др.), нитки.
Указания к работе:
1. Определите цену деления мензурки.
2. Налейте в мензурки столько воды, чтобы тело можно было полностью погрузить в воду, и измерьте её объём.
3. Опустите тело, объём которого надо измерить, в воду, удерживая его за нитку (рис. 201), и снова измерьте объём жидкости.
4. Проделайте опыты, описанные в пунктах 2 и 3, с некоторыми другими имеющимися у вас телами.
5. Результаты измерений запишите в таблицу 9.
Дополнительное задание.
Если тело неправильной формы не входить в мензурку, то его объём можно определить с помощью отливного сосуда (рис. 202). Перед измерением сосуд наполняют водой до отверстия отливной трубки. При погружении в него тела часть воды, равная объёму тела, выливается. Измерив мензуркой её объём, определяют объём погружённого в жидкость тела.

Таблица 9.


рис. 201


рис. 202

Ответ:

Если тело неправильной формы и необходимо найти его объем, то можно воспользоваться методом вытеснения жидкости. Ведь тело погруженное полностью в жидкость вытеснит объем равный этому телу. Всю вытесненную жидкость надо собрать в емкость и далее с помощью цилиндра можно будет узнать, какой же объем был вытеснен.

$V = V_{2} - V_{1}$, где $V_{2}$ − объём воды и тела, $V_{1}$ − начальный объём воды в мензурке.

Мы знаем, что для того чтобы найти деление без маркировки необходимо взять две известные метки с промаркированными делениями, найти их разницу и поделить пополам. На нашей шкале цилиндра возьмём, к примеру, числа 40 и 50.
Получается, что цена каждого деления будет равна
$\frac{50 - 40}{2} = \frac{10}{2}$ = 5 мл.
В итоге мы нашли, что цена деления для цилиндра 5 мл.

Итак, проведем опыт. 

В емкость наливаем воду в таком объеме, чтобы можно было опустить в него полностью тело.  Скажем начальный объём воды равен 70 $см^{3}$.
Далее опустим в жидкость тело, объём которого измеряем (шарик, брусок, цилиндр), снова посмотрим, сколько жидкости стало в цилиндре.

Вычисления.
$V_{бр} = 95 - 70 = 25 см^{3}$
$V_{ц} = 85 - 65 = 20 см^{3}$
$V_{ш} = 75 - 60 = 15 см^{3}$
Результаты измерений запишем в таблицу 9.

Таблица 9.

№         Название Начальный                 Объём воды            Объём тела 
опыта    тела         объём воды                и тела V2 см3         V, см3   V = V2-V1
                               в мензурке V1, см3
1           Брусок              70                             95                          25
2 Цилиндр                     65                             85                          20
3 Шарик                         60                             75                          15
Вывод. В ходе лабораторной работы мы научились измерять объёмы тел с помощью измерительного цилиндра и выяснили, что объём тел равен разнице объёма воды, в которое погружено тело, и первоначального объёма воды.

Лабораторная работа №5

№5 Определение плотности твердого тела

Цель работы:
Научиться определять плотность твёрдого тела с помощью весов и измерительного цилиндра.
Приборы и материалы:
Весы с разновесами, измерительный цилиндр (мензурка), твёрдое тело, плотность, которого надо определить, нитка (рис. 203).
Указания к работе:
1. Повторите по учебнику § 22 "Плотность вещества".
2. Измерьте массу тела на весах (см. лабораторную работу №3).
3. Измерьте объём тела с помощью мензурки (см. лабораторную работу №4).
4. Рассчитайте по формуле $p=\frac{m}{V}$ плотность данного тела.
5. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 10.

Рис. 203.

Таблица 10.

Ответ:

Плотность вещества находится по следующей формуле $ρ=\frac{m}{V}$, где ρ − плотность вещества, m − масса, V − объём. То есть нам надо знать массу и объем тела, тогда можно вычислить плотность.

Первоначально найдем массу тел (алюминиевый и медный брусок) используя весы как в лабораторной работе №3. Собственно массу находим путем подбора такого набора гирь, который будут обеспечивать равновесие рычагов весов при условии, что на одной чашке будут гири, на второй будет измеряемое тело.


Далее находим объем тела. так как это делали в лабораторной работе №4.

Объем вытесненной жидкости из емкости в которое полностью погружено тело и будет равен объему тела. $V = V_{2} - V_{1}$, где $V_{2}$ − объём воды и тела, $V_{1}$ − начальный объём воды в мензурке.

Можем переходить к расчету плотности по формуле $ρ=\frac{m}{V}$.

Вычисления
$ρ_{ал}=\frac{46}{17} = 2,7 $ г/$см^{3}$ = 2700 кг/$м^{3}$
$ρ_{м}=\frac{89}{10} = 8,9 $ г/$см^{3}$ = 8900 кг/$м^{3}$


Запишем полученные данные в таблицу 10.


Таблица 10.


Вывод. В ходе лабораторной работы закрепили знания по нахождению объема и массы тела, и на основании этих данных вычислили плотность тела.

Лабораторная работа №6

№6 Градуирование пружины

Цель работы:
Научиться градуировать пружину, получать шкалу с любой (заданной) ценой деления и с её помощью измерять силы.
Приборы и материалы:
Динамометр, шкала которого закрыта бумагой, набор грузов массой по 102 г, штатив с муфтой, лапкой и кольцом.
Указания к работе:
1.Прочитайте в учебнике § 30 "Динамометр".
2.Укрепите динамометр с закрытой шкалой вертикально в лапке штатива. Отметьте горизонтальной чертой начальное положение указателя динамометра, − это будет нулевая отметка шкалы.
3.Подвесьте к крючку динамометра груз, масса которого 102 г. На этот груз действует сила тяжести, равная 1 Н. С такой же силой груз растягивает пружину динамометра. Эта сила уравновешивается силой упругости, возникающей в пружине при её растяжении (деформации).
Новое положение указателя динамометра также отметьте горизонтальной чертой на бумаге.
Примечание. Грузы массой 102 г можно получить, прибавив 2 г (колечко из проволоки) к имеющимся грузам массой 100 г.
4. Затем подвешивайте к динамометру второй, третий, четвёртый грузы той же массы (102 г), каждый раз отмечая чёрточками на бумаге положение указателя (рис. 204).
5. Снимите динамометр со штатива и против горизонтальных чёрточек, начиная с верхней, проставьте числа 0,1,2,3,4... Выше числа 0 напишите: "ньютон".
6. Измерьте расстояния между соседними чёрточками. Одинаковы ли они? Почему (см. § 30)? На основании сделанного вывода скажите, с какой силой растянут пружину грузы массой 51 г; 153 г.
7. Не подвешивая к динамометру грузы, получите шкалу с ценой деления 0,1 Н.
8. Измерьте проградуированным динамометром вес какого−нибудь тела, например кольца от штатива, лапки штатива, груза.
9. Нарисуйте проградуированный динамометр.

рис. 204.

Ответ:

Алгоритм выполнения работы и принципы по которым он выполняется. 

Мы знаем, что по закону Гука упругие деформации прямо пропорциональны увеличению силы. Используя этот принцип будет производить градуировку шкалы.

По пунктам:

1. Закрепим динамометр на штативе, при этом закроем шкалу листком бумаги, чтобы не видеть разметку. Без нагрузки отметим чертой начальное положение индикатора динамометра, − это и будет нулевая отметка шкалы.
2. Имея известные по весу грузы начнем нагружать пружину. При упругих деформация будет работать закон Гука, о чем уже сказали. Груз массой 102 грамма, будет на пружине эквивалентен силе в 1Н. При подвешивании каждого груза чертим отметки. Постепенно нагружаем пружину весом 102, 204, 306 г и т.д. Отмечаем метки 1Н, 2Н, 3Н и т.д.
3. Вот теперь у нас получился динамометр с возможностью измерять силу в Ньютонах.
4. Исходя из принципа закона Гука можно нанести дополнительную маркировку, путем деления на равные части неразмеченных областей. То есть между скажем 1Н и 2Н нанести 9 черточек и будет градуировка в 1/10Н или 0,1Н.
5. Измерим проградуированным динамометром вес кольца штатива. Запишем результат.
7. Рисуем в тетради проградуированный динамометр.

Рисунок. Проградуированный динамометр.

Вывод. В данной лабораторной работе на практике подтвердили закон Гука, а также произвели разметку динамометра исходя из теории закона Гука. После создания собственного динамометра произвели измерения интересующих нас предметов.

Лабораторная работа №7

№7 Измерение силы трения с помощью динамометра

Цель работы:
Выяснить, от чего зависит сила трения скольжения, и сравнить её с силой трения качения.
Приборы и материалы:
Динамометр, деревянный брусок, две цилиндрические палочки (круглые карандаши), набор грузов.
Указания к работе:
1. Положите брусок на деревянную поверхность стола.
2. Прикрепите к бруску динамометр и постарайтесь равномерно перемещать брусок по поверхности. Динамометр будет показывать силу тяги, равную силе трения. Запишите показания динамометра в таблицу 11.
3. Определите вес бруска и запишите в таблицу. Сравните вес бруска с силой трения.
4. Поставив груз на брусок, повторите измерения поочерёдно с одним грузом, а затем с двумя (см. пункты 2 и 3).
5. Положите брусок на пластмассовую поверхность и, перемещая его равномерно, определите силу трения. Показания динамометра запишите в таблицу 11.
6. Разместите брусок на двух цилиндрических палочках и равномерно перемещайте его по столу. Показания динамометра запишите в таблицу 11.
7. Проанализируйте результаты измерений.

Таблица 11.

Ответ:

Этапы проведения работы.
Для измерения силы трения воспользуемся динамометром на базе пружины.

1. Брусок закрепляем на пружине, кладем на поверхность и тянем груз в сторону, наблюдая за возникающей силой. Записываем значения в таблицу 11.
2. Опять же с помощью динамометра определяем вес бруска, который равен 2 Н. Запишем значения в таблицу 11.
3. Проведем эксперимент следующим образом. Измерим силы трения скольжения поочерёдно с одним грузом (1 Н), а затем с двумя (2Н). Снова запишем значения в таблицу 11.
4. Теперь изменим свойства поверхности. Кладем брусок на пластиковую поверхность и равномерно двигаем брусок по этой поверхности. Измеряем силу трения скольжения. Запишем значения в таблицу 11.
5. Подложим подл груз две палочки, скажем два круглых карандаша. Снова равномерно потянем груз через динамометр. Теперь измерим силу трения качения. Запишем значения веса и показания динамометра в таблицу 11.
6. В ходе опытов выяснили, что если на брусок прижать грузом или увеличить его массу, то сила трения скольжения возрастет. При изменении поверхности меняются и силы трения. Ну и последнее, сила трения качения меньше силы трения скольжения.

Таблица 11.

№ опыта                    1      2         3    4
Сила трения Fтр, Н  0,4 0,6/0,8 0,2 0,1
Вес тела Р, Н               2      3/4   2     2
Вывод. В ходе лабораторной работы мы выяснили, что сила трения зависит от веса скользящего тела и от поверхности движения, и сравнили её с силой трения качения.

Лабораторная работа №8

№8 Определение выталкивающей силы, действующей на погруженное в жидкость тело

Цель работы:
Обнаружить на опыте выталкивающее действие жидкости на погружённое в неё тело и определить выталкивающую силу.
Приборы и материалы:
Динамометр, штатив с муфтой и лапкой, два тела разного объёма, стаканы с водой и насыщенным раствором соли в воде.
Указания к работе:
1. Повторите по учебнику § 51 "Архимедова сила".
2. Укрепите динамометр на штативе и подвесьте к нему на нити тело. Отметьте и запишите в таблице показание динамометра. Это будет вес тела в воздухе.
3. Подставьте стакан с водой и опускайте муфту с лапкой и динамометром, пока всё тело не окажется под водой. Отметьте и запишите в таблицу показание динамометра. Это будет вес тела в воде.
4. По полученным данным вычислите выталкивающую силу, действующую на тело.
5. Вместо чистой воды возьмите насыщенный раствор соли и снова определите выталкивающую силу, действующую на то же тело.
6. Подвесьте к динамометру тело другого объёма и определите указанным способом (см. пункты 2 и 3) выталкивающую силу, действующую на него в воде.
7. Результаты запишите в таблицу 12.
На основе выполненных опытов сделайте выводы.
От каких величин зависит значение выталкивающей силы?

Таблица 12.

Ответ:

Этапы проведения работы.

1. Закрепим динамометр на штативе подвесив к нему измеряемое нами тело. Запишем в таблицу 12 показание на динамометре.  Данное значение будет весом тела в воздухе.
2. Теперь замерим вес тела в жидкости. Для этого погрузим тело в жидкость полностью. Запишем в таблицу 12 показание динамометра. Данное значение будет весом тела в воде.
3. Теперь можно будет вычислить выталкивающую силу действующую на тело:
$F = P - P_{1}$.
$F_{V1} = 2,7-2,5 = 0,2$ Н.
4. Проведем эксперимент. Теперь вместо пресной воды возьмём насыщенный раствор соли, то есть добавим соль в воду. Посчитаем выталкивающую силу, действующую на это то же тело. По порядку проведем вновь все измерительные операции как в п. 1, 2, 3.
$F_{V1} = 2,7-2,3 = 0,4$ Н.
5. Теперь проведем эксперимент с другим телом. Подвесим к динамометру тело другое тело и определим выталкивающую силу, действующую на него в чистой воде и в растворе соли.
$F_{V2} = 1,9 -1 ,85 = 0,05$ Н − вода.
$F_{V2} = 1,9 - 1,6 = 0,3$ Н − раствор соли.
6. Также записываем результаты в таблицу 12.

Таблица 12.

Мы знаем, что на тела погруженные в жидкость или газ (любую среду), действует выталкивающая сила (сила Архимеда). Сила Архимеда направлена в противоположную сторону относительно силы тяжести. Это значит, что она условно уменьшает вес погруженного в жидкость или газ тела. Разность данных значений равна модулю выталкивающей силы.

Выталкивающая сила зависит от плотности среды и плотности тела. Чем плотнее будет среда и менее плотным тело, тем большая будет разница между ними, тем выше всплывет тело в жидкости, но надо понимать, что сама выталкивающая сила не зависит от плотности тела. 

($F_{а} = gρ_{ж}V_{т}$, где $F_{а}$ − архимедова сила, g − ускорение свободного падения, $ρ_{ж}$ − плотность жидкости, $V_{т}$ − объём погруженного тела.).

Вывод. В лабораторной работе мы нашли выталкивающую силу и изучили ее зависимость от объем и плотности среду, в которую погружают тело. Чем плотнее среда, тем больше будет сила Архимеда.

Лабораторная работа №9

№9 Выяснение условий плавания тела в жидкости

Цель работы:
На опыте выяснить условия, при которых тело плавает и при которых тонет.
Приборы и материалы:
Весы с разновесами, измерительный цилиндр (мензурка), пробирка−поплавок с пробкой, проволочный крючок, сухой песок, фильтровальная бумага или сухая тряпка.
Указания к работе:
1. Повторите по учебнику § 52 "Плавание тел".
2. Насыпьте в пробирку столько песка, чтобы она, закрытая пробкой, плавала в мензурке с водой в вертикальном положении и часть её находилась над поверхностью воды.
3. Определите выталкивающую силу, действующую на пробирку. Она равна весу воды, вытесненной пробиркой. Для нахождения этого веса определите сначала объём вытесненной воды. Для этого отметьте уровни воды в мензурке до и после погружения пробирки в воду. Зная объём вытесненной воды и плотность, вычислите её вес.
4. Выньте пробирку из воды, протрите её фильтровальной бумагой или тряпкой. Определите на весах массу пробирки с точностью до 1 г и рассчитайте силу тяжести, действующую на неё, она равна весу пробирки с песком в воздухе.
5. Насыпьте в прибор ещё немного песка. Вновь определите выталкивающую силу и силу тяжести. Проделайте это несколько раз, пока пробирка, закрытая пробкой, не утонет.
6. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 13. Отметьте, когда пробирка плавает и когда тонет или всплывает.
7. Сделайте вывод об условии плавания тела в жидкости.
Таблица 13.

Ответ:

Этапы проведения работы.
1. Заметим уровень воды в емкости еще до погружения пробирки в воду.
2. Далее насыпаем в пробирку песок в таком количество, у пробирки сместился центр тяжести на дно и она начала плавать на поверхности воды.
3. Снова отмечаем уровень воды, теперь уже с пробиркой и песком. Замечаем, уровень жидкости и делаем вывод, что разница между первоначальным уровнем и последующим равна объёму погруженного тела (пробирка с песком).
$V = V_{2} - V_{1}$, где $V_{2}$ − объём воды и тела, $V_{1}$ − начальный объём воды в мензурке.
Посчитали, что пробирка вытесняет 23 $см^{3} (0,000023 м^{3}$) воды.
5. Далее определяем выталкивающую силу, действующую на плавающую пробирку.
$F_{А} = gρ_{ж}V_{т}$, где $ρ_{ж}$ − плотность жидкости, $V_{т}$ − объём погруженного тела.
$F_{А1} = 9,8 * 1000 * 0,000023 = 0,23 $ Н.
6. Достанем пробирку из воды и узнаем ее массу на весах.
7. Узнали, что масса пробирки с песком $m_{1}$ = 19,8 г (0,0198 кг).
8. Переведем массу пробирку в действие силы в Ньютонах.
$F_{тяж}=P = gm$;
$F_{тяж1} = P_{1} = 9,8 * 0,0198 = 0,19 $ Н.
8. Еще добавим песок в пробирку. Снова взвесим пробирку на весах и вычислим действующую силу тяжести в Ньютонах.
$m_{2}$ = 35 г (0,035 кг).
Теперь погруженная в воду пробирка вытесняет 35 $см^{3} (0,000035 м^{3}$) воды, но пока еще плавает.
$F_{А2} = 9,8 * 1000 * 0,000035 = 0,34 $ Н.
$F_{тяж2} = P_{2} = 9,8 * 0,035 = 0,34 $ Н.
9. Еще добавим песок в пробирку. Снова взвесим пробирку на весах и вычислим действующую силу тяжести в Ньютонах.
$m_{3}$ = 42,2 г (0,0422 кг).
Теперь погруженная в воду пробирка вытесняет35 $см^{3} (0,000035 м^{3}$) воды и тонет.
$F_{А3} = 9,8 * 1000 * 0,000035 = 0,34 $ Н.
$F_{тяж3} = P_{2} = 9,8 * 0,0422 = 0,43 $ Н.
10. Результаты записываем в сводную таблицу 13.

Таблица 13.

№ опыта Выталкивающая сила,          Вес пробирки              Поведение 
опыта      действующая на пробирку,   с песком P, Н P = gm  пробирки в воде
                 F, Н F= gρжV
1                      0,23                                 0,19                             всплывает
2                      0,34                                 0,34                             плавает
3                      0,34                                 0,43                              тонет
11. Мы знаем, что на тело плавающее в воде действует две силы. Это сила тяжести и выталкивающая сила. При этом силы действуют в разные стороны. При этом сила тяжести практически равна весу F= mg. А вот сила Архимеда, выталкивающая, равна массе жидкости в объеме погруженного тела.

Если $F_{тяж}$>$F_{А}$ , то тело тонет;
Если $F_{тяж}$ = $F_{А}$, то тело плавает;
Если $F_{тяж}$ < $F_{А}$, то тело всплывает.

Вывод. Мы опытным путем подтвердили, что не в некоторых случаях тела тонут, когда их плотность в объеме тела выше, чем плотность воды, тогда выталкивающая силы меньше силы притяжения тела.

Лабораторная работа №10

№10 Выяснение условия равновесия рычага

Цель работы:
Проверить на опыте, при каком соотношении сил и их плеч рычаг находится в равновесии. Проверьте на опыте правило моментов.
Приборы и материалы:
Рычаг на штативе, набор грузов, измерительная линейка, динамометр (рис. 205).
Указания к работе:
1.. Повторите по учебнику § 58 "Рычаг. Равновесие сил на рычаге".
2. Уравновесьте рычаг, вращая гайки на его концах так, чтобы он расположился горизонтально.
3. Подвесьте два груза на левой части рычага на расстоянии, равном примерно 12 см от оси вращения. Опытным путём установите, на каком расстоянии вправо от оси вращения надо повесить: а) один груз; б) два груза; в) три груза, чтобы рычаг пришёл в равновесие.
4. Считая, что каждый груз весит 1 Н, запишите данные и измеренные величины в таблицу 14.
5. Вычислите отношение сил и отношение плеч для каждого из опытов и полученные результаты запишите в последний столбик таблицы.
6. Проверьте, подтверждают ли результаты опытов условие равновесия рычага под действием приложенных к нему сил и правило моментов сил (§58).
Дополнительное задание.
Подвесьте три груза справа от оси вращения рычага на расстоянии 5 см.
С помощью динамометра определите, какую силу нужно приложить на расстоянии 15 см от оси вращения правее грузов, чтобы удерживать рычаг в равновесии (см. рис. 205).
Как направлены в этом случае силы, действующие на рычаг? Запишите длину плеч этих сил. Вычислите отношение сил $\frac{F_{1}}{F_{2}}$ и плеч $\frac{l_{2}}{l_{1}}$ для этого случая и сделайте соответствующий вывод.

рис. 205.
Таблица 14.

Ответ:

Этапы проведения лабораторной работы.

1. Уравновешиваем рычаг на штативе.
2. Подвешиваем два груза на расстоянии порядка 12 см влево от точки опоры (оси вращения).

И получаем, что:

а) на расстоянии 24 см вправо от оси вращения, надо подвесить один груз, чтобы рычаг пришёл в равновесие.
б) на расстоянии 12 см вправо от оси вращения, надо подвесить два груза, чтобы рычаг пришёл в равновесие.
в) на расстоянии 8 см вправо от оси вращения, надо подвесить три груза, чтобы рычаг пришёл в равновесие.
3. Теперь принимая во внимание, что каждый груз весит 1 Н, запишем данные и измеренные величины в таблицу 14.
4. Исходя из полученных равновесий вычислим соотношения массы груза и соотношения расстояния для плеч силы. 
$\frac{F_{1}}{ F_{2}} = \frac{l_{2}}{ l_{1}} $
где $F_{1}$ и $F_{2}$ — силы, действующие на рычаг, $l_{1}$ и $l_{2}$ — плечи этих сил.
В итоге выясним, что равновесие рычага, правила момента силы работает тогда, когда произведение плеча силы и самой силы равно произведению другой силы и другого плеча силы, но повторимся обеспечивается равенство этих произведений!

$М_{1} = М_{2}$;
M = Fl.
а)
$\frac{F_{1}}{ F_{2}} = \frac{2}{1} = 2 $
$\frac{l_{2}}{ l_{1}} = \frac{24}{12} = 2 $.
$\frac{F_{1}}{ F_{2}} = \frac{l_{2}}{ l_{1}} $ = 2.
Равновесие рычагов.
$M_{1} = 2 * 12 = 24 $ Н * см
$M_{2} = 1 * 24 = 24 $ Н * см
$М_{1} = М_{2}$.
Равновесие рычагов.
б)
$\frac{F_{1}}{ F_{2}} = \frac{2}{2} = 1 $
$\frac{l_{2}}{ l_{1}} = \frac{12}{12} = 1 $.
$\frac{F_{1}}{ F_{2}} = \frac{l_{2}}{ l_{1}} $ = 1.
Равновесие рычагов.
$M_{1} = 2 * 12 = 24 $ Н * см
$M_{2} = 2 * 12 = 24 $ Н * см
$М_{1} = М_{2}$.
Равновесие рычагов.
в)
$\frac{F_{1}}{ F_{2}} = \frac{2}{3} = 0,67$
$\frac{l_{2}}{ l_{1}} = \frac{8}{12} = 0,67$.
$\frac{F_{1}}{ F_{2}} = \frac{l_{2}}{ l_{1}} = 0,67$.
Равновесие рычагов.
$M_{1} = 2 * 12 = 24$ Н * см
$M_{2} = 3 * 8 = 24$ Н * см
$М_{1} = М_{2}$.

Наглядно убедились в том, что правило моментов выполняется.
Таблица 14.

Дополнительное задание.
Динамометр покажет значение силы $F_{2}$ = 1 Н.
Силы, действующие на рычаг, в этом случае будут направлены следующим образом:
сила $F_{1}$ (сила тяжести, действующая на грузы) будет направлена вертикально вниз, её плечо $l_1$ = 5.
сила $F_{2}$ (сила упругости пружины динамометра) будет направлена вертикально вверх, её плечо $l_2$ = 15.
$\frac{F_{1}}{ F_{2}} = \frac{3}{1} = 3 $
$\frac{l_{2}}{ l_{1}} = \frac{15}{5} = 3 $.
$\frac{F_{1}}{ F_{2}} = \frac{l_{2}}{ l_{1}} $ = 3.
Равновесие рычагов будет обеспечено в случае.
$M_{1} = 3 * 5 = 15 $ Н * см
$M_{2} = 1 * 15 = 15 $ Н * см
$М_{1} = М_{2}$.
Правило моментов выполняется.

Вывод. Опытным путем убедились в том, что правила момента силы (равновесие рычагов) работает тогда, когда произведение плеча силы и самой силы РАВНО произведению другой силы и другого плеча силы.

Лабораторная работа №11

№11 Определение КПД при подъеме тела по наклонной плоскости

Цель работы:
Убедиться на опыте в том, что полезная работа, выполненная с помощью простого механизма (наклонной плоскости), меньше полной.
Приборы и материалы:
Доска, динамометр, измерительная лента или линейка, брусок, штатив с муфтой и лапкой (рис. 206).
Указания к работе:
1. Повторите по учебнику § 65 "Коэффициент полезного действия механизма".
2. Определите с помощью динамометра вес бруска.
3. Закрепите доску в лапке штатива в наклонном положении.
4. Положите брусок на доску, прикрепив к нему динамометр.
5. Перемещайте брусок с постоянной скоростью вверх по наклонной доске.
6. Измерьте с помощью линейки путь s, который проделал брусок, и высоту наклонной плоскости h.
7. Измерьте силу тяги F.
8. Вычислите полезную работу по формуле $А_{п}=Ph$, а затраченную − по формуле $А_{з}=Fs$.
9. Определите КПД наклонной плоскости: $η = \frac{А_{п}}{А_{з}}$.
10. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 15.
Дополнительное задание.
1. Используя "золотое правило" механики, рассчитайте, какой выигрыш в силе даёт наклонная плоскость, если не учитывать трение.
2. Измените высоту наклонной плоскости и для неё определите полезную, полную работу и КПД.

рис. 206.
Таблица 15.

Ответ:

Известное «Золотое правило» механики гласит, что: работа совершенная по равномерному перемещению тела по на­клонной плоскости без трения на высоту h будет равна ра­боте, совершенной при подъеме тела на ту же самую высоту h но строго по вертикали.

Получается, что при подъеме тела по вертикали на высоту h, полезная работа равна: $А_{п}=mgh$.
При подъеме по плоскости работа равна: $А_{з}=Fs$, где F− сила, с которой груз поднимается равномерно, l — пройденный телом путь, $А_{з}$ — затраченная работа.
Идеальный случай, когда нет силы трения, $А_{п} = А_{з}$.
Из за отсутствия идеальных условий сила трения все же возникает, то $А_{п} < А_{з}$.
В итоге, коэффициент полезного действия КПД по наклон­ной плоскости можно выразить так:
$η = \frac{А_{п}}{А_{з}} * 100 %$.

Этапы проведения лабораторной работы.

1. Определяем вес бруска и выражаем его в ньютонах, чтобы получить соизмеримое значение силы 2,2 Н.
2. Закрепляем доску в лапке штатива, так чтобы у нее был наклон, образовался пандус.
3. Кладем брусок на доску и прицепляем к нему динамометр.
4. Плавно тянем брусок с постоянной скоростью и силой вверх по установленной доске.
5. Измеряем пройденный бруском путь s. Пусть он равен 0,4 м. Также необходимо измерить высоту наклонной плоскости h над уровнем стола, она равна 0,2 м.
6. снимаем также показания динамометра, - силы тяги F. Получившаяся сила тяги равна 1,8 Н.
7. Теперь можно вычислить полезную работу, с учетом проделанной 
$А_{п}=Ph$, а затраченную − по формуле $А_{з}=Fs$.
$А_{п}= 2,2 * 0,2 = 0,44 $ Дж;
$А_{з}= 1,8 * 0,4 = 0,72 $ Дж.
8. Определим КПД наклонной плоскости:
$η = \frac{А_{п}}{А_{з}} * 100 %$;
$η = \frac{0,44}{0,72} * 100 % = 61 $%;


9. Полученные результаты запишем в таблицу 15.

Таблица 15.

h, м   Р, Н   $А_{п}$, Дж $А{п}=Ph$ s, м F, Н $А_{з}$, Дж $А_{з}=Fs$ $η = \frac{А_{п}}{А_{з}}$ * 100%
0,2     2,2          0,44     0,4        1,8     0,72      61

Дополнительное задание.
1. Опять же следуя "золотому правилу" механики:
$А_{п} = А_{з}$;
Ph = Fs;
$\frac{P}{F} = \frac{s}{h} = \frac{0,4}{0,2}$ = 2.
Получается, что наклонная плоскость позволила бы уменьшить подъемную силу в два раза, если не учитывать силу трения.

2. Изменим высоту наклонной плоскости и для неё определим полезную, полную работу и КПД.

$А_{п}= 2,2 * 0,3 = 0,66 $ Дж;
$А_{з}= 1,9 * 0,4 = 0,76 $ Дж;
$η = \frac{0,66}{0,76} * 100 = 87 $%;

3. Вычисленные и измеренные результаты запишем в таблицу.

h, м Р, Н $А_{п}$, Дж $А{п}=Ph$ s, м F, Н $А_{з}$, Дж $А_{з}=Fs$ $η = \frac{А_{п}}{А_{з}}$ * 100%
0,3 2,2 0,66 0,4 1,9 0,76 87