Творческие задания по физике

Творческие задания.

1. Механика.

Равнопеременное движение.

1. По утверждению одного наблюдателя материальная точка движется прямолинейно, по утверждению другого наблюдателя та же точка движется по плоской спирали (рис. 1). Почему это возможно?

Рис.1

2. Как преобразовать движение по окружности в прямолинейное? Привести пример.

Законы движения Ньютона.

3. Один изобретатель предложил следующий способ для измерения скорости корабля. В каюте к потолку подвешен груз на нити. По мысли изобретателя в покоящемся корабле отвес должен располагаться вертикально, а в движущемся - наклонно к горизонту. По углу отклонения отвеса изобретатель и предложил измерять скорость корабля. Осуществим ли этот проект?

4. Тележка находится на горизонтальной плоскости (рис. 2) Сконструировать устройство, которое позволяло бы приводить тележку в равномерное движение или равноускоренное движение с заданным ускорением. Сделать необходимые расчеты.

1.5 Как определить силу сопротивления движению лодки по воде, не располагая динамометром?

1.6 Почему при снаряжении охотничьих патронов массу снаряда определяют в зависимости от массы ружья? Для легких ружей заряд делается меньшим, для тяжелых он рис.2 может быть большим.

1.7 Давление пороховых газов на снаряд в канале ствола составляет 2500-3500 кг/см². Тем не менее, пушка оказалась непригодной для запуска космических кораблей, а с помощью реактивного двигателя кораблю удается сообщить космическую скорость. Почему?

Элементы статики. Деформация.

1.8 На столе установлен трибометр (рис. 3). Требуется, не прибегая к динамометру, определить коэффициент трения.

Рис.3

9. Тело, имеющее ось вращения, находится в равновесии, если сумма моментов сил, вращающих тело по часовой стрелке, равны сумме моментов сил, вращающих тело против часовой стрелки. Поэтому, казалось бы, что находящийся в равновесии башенный кран должен выйти из положения равновесия (упасть) в тот момент, когда он будет поднимать груз (рис. 4). Ведь сумма моментов сил, вращающих кран против часовой стрелки, сильно возрастает. Однако кран при работе не падает. Почему?

Рис.4

9. На диске, свободно вращающемся вокруг оси, на равном расстоянии от оси по диаметру диска расположены крючки (рис. 5). Груз P уравновешивается равным грузом P´. Возможно ли, не меняя точек приложения сил, той же силой Р уравновесить большую силу? Как это сделать?

Рис.5

9. Для чего сабле придают изогнутую форму, выпуклую со стороны лезвия?

Всемирное тяготение.

9. Визуальные наблюдения, проведенные за спутниками и ракетоносителями, показали, что последние, несмотря на свою необтекаемую форму, обгоняют спутники. Почему?

10. В целях радиосвязи намечается запустить неподвижный искусственный спутник Земли, который, обращаясь по своей орбите с угловой скоростью, равной скорости суточного вращения Земли, как бы повиснет над одной её точкой. Как запустить такой спутник?

11. Как следует располагаться космонавту в кабине космического корабля, чтобы испытывать при запуске возможно меньшее давление со стороны "давящей" стенки корабля?

12. Почему, имея в виду спутники, говорят о невесомости? Действительно ли на спутники не действует сила тяжести?

II. Молекулярная физика.

Основы МКТ строения вещества.

1. Молоко представляет собой суспензию, в которой нерастворимые мельчайшие капельки жира находятся во взвешенном состоянии. Что нужно сделать, чтобы в молоке поскорее отстоялись сивки?

2. Почему твердые тела склеиваются труднее, чем пластичные?

3. Имеется неизвестное вещество. Как наиболее простым способом определить молекулярный вес этого вещества?

4. Почему испытания атомных и водородных бомб, сопровождающиеся образованием большого количества радиоактивной пыли, особенно опасны для человека, когда они проводятся в атмосфере и в океане?

5. Опыт. Две одинаковые банки наполняются одна холодной, а другая горячей водой. В банки одновременно из двух пипеток или авторучек пускают по капле чернил. Капли принимают причудливую форму и постепенно расходятся. Определите приблизительно скорость распространения краски в воде.

Свойства газов.

6. Опыт. Под колокол воздушного насоса кладется ненадутый резиновый мячик или камера волейбольного мяча (можно воздушный шарик). Из-под колокола с помощью насоса откачивается воздух. Понаблюдайте, что происходит с мячом по мере откачивания из-под колокола воздуха. Объясните наблюдаемое явление.

7. Объясните механизм дыхания у человека и животных.

8. Как определить вес автомобиля, не взвешивая его, а лишь исследуя его баллоны?

9. Медицинские банки ставят так. На пинцет наматывают кусок ватки. Вату смачивают спиртом и поджигают. Внеся на мгновение получившийся факел в банку, последнюю быстро ставят на кожу больного. Банка присасывается. Объясните механизм этого явления.

10. Вода, идущая из водопроводного крана, иногда бывает белая как молоко. Впрочем, налитая вода в сосуде быстро светлеет и становится прозрачной. Объясните это явление.

Свойства жидкостей.

11. При сильном дожде не рекомендуется прикасаться к внутренней стороне палатки, изготовленной из водоотталкивающей ткани. Бывает достаточно в каком-нибудь месте прикоснуться, как палатка будет пропускать воду. Объясните это явление.

12. Опыт. Вырезать из плотной бумаги или картона фигурку S-образной формы (рис. 6). Намылить с одной стороны и аккуратно положить на поверхность воды. Наблюдаемое явление объяснить.

13. В проволочное сито, покрытое тонким слоем парафина, наливается небольшое количество воды. Почему вода не протекает сквозь сито? При каком условии сито не будет пропускать воду?

Свойства твердых тел.

14. Почему кристаллы поваренной соли при разламывании разваливаются на куски, имеющие обязательно форму параллелепипеда?

15. Какими способами можно повысить прочность металла?

16. Упругой деформацией является такая деформация, при которой тело при устранении напряжения полностью восстанавливает свою первоначальную форму. Это значит, что пружина при устранении нагрузки должна полностью отдать в процессе работы ту энергию (k-коэффициент упругости, x - сжатие), которую она получила. Но при быстром (адиабатическом) сжатии часть энергии рассеивается, так как пружина при этом нагревается. Откуда же берется эта часть энергии при обратном процессе?

17. Все металлы имеют кристаллическую структуру, однако явление анизотропии в механических, тепловых, электрических свойствах у металлов на практике проявляется очень редко. Объясните почему?

III. Электричество.

Электрические заряды и поле.

1. В разных отраслях промышленности, в частности в текстильной, полиграфической, текстильной, химической и другой приходится вести борьбу с электризацией материалов. Наэлектризованные материалы прилипают друг к другу и к окружающим предметам. Какие можно было бы предложить средства борьбы с электризацией?

2. Опыт. К источнику постоянного напряжения присоединяются последовательно конденсатор с раздвижными пластинами и гальванометр (рис.7) Перечислить все возможные случаи, когда стрелка гальванометра будет откланяться и в какую сторону.

рис.7

3. Опыт. Шарик из металлической фольги на шелковой нити прикоснулся к наэлектризованной палочке и отклонился от нее на 4 см. что нужно сделать, чтобы расстояние между палочкой и шариком уменьшилось в 2 раза?

4. Имеется металлический заряженный шарик на изолирующей ручке. Необходимо заряд шарика полностью передать электрометру с тем, чтобы измерить его. Как это сделать?

5. Опыт. Конденсатор переменной емкости заряжается от высоковольтного выпрямителя. Как будет изменяться показание соединенного с ним электрометра: а) при уменьшении емкости; б) при увеличении емкости?

Электрический ток в металлах. Законы постоянного тока.

6. В проводнике длиной l требуется создать электрическое поле, напряженность которого показана на графике (рис. 8). Как это сделать?

Рис.8

6. При определении сопротивления проводника с помощью амперметра и вольтметра (рис. 9) возникает погрешность, связанная с тем, что вольтметр является шунтом по отношению к измеряемому сопротивлению. Эту погрешность можно избежать, если известно сопротивление вольтметра. Как это сделать?

7. В длинном коридоре к одной лампе требуется сделать 2 выключателя так, чтобы, находясь в любом конце коридора, лампочку можно было выключить и включить. Как это сделать?

8. Почему при определении сопротивления проводника с помощью амперметра и вольтметра (рис. 9) берут тем более высокоомный вольтметр, чем большая точность требуется от результата измерения?

рис.9

Электронные явления в вакууме.

6. Электрическая лампа, включенная в сеть через реостат, устанавливается на оптической скамье проекционного аппарата. Проекционный аппарат наводится так, что нить лампочки отчетливо видна на экране. Задание. Наэлектризовать стеклянную палочку положительно и поднести её к баллону лампы. Сравнить действие наэлектризованной палочки на нить накала в трех случаях: а) нить слабо накалена; б) средне накалена; и в) сильно накалена. Объяснить наблюдаемое явление.

7. Опыт. Лампа-диод на демонстрационной панели включается в цепь батареи накала и анодной батареи (рис. 10). Для регистрации анодного тока служит гальванометр. При замыкании обоих ключей стрелка гальванометра отклоняется, двухэлектродная лампа - проводник. Задание. Разомкнуть обе цепи и тут же замкнуть анодную цепь. Объяснить наблюдаемое явление.

рис.10 рис.11

6. Составить принципиальную схему усилителя звука, имея ввиду, что нужно использовать следующие детали: ламповый триод, электродинамический микрофон, кенотронный выпрямитель для питания лампы и громкоговоритель с выходным трансформатором.

Электрический ток в газах.

6. На графике (рис. 11) изображена вольтамперная характеристика тока. Назвать процессы, которые могут быть описаны этой характеристикой. Начертить схемы электрических цепей, которые дают возможность проверить эту зависимость. Указать, от каких причин в каждом случае будет зависеть ток насыщения I.

7. При высокой разности потенциалов между электродами ионизирующая частица может быть причиной возникновения самостоятельной проводимости в газе. Объяснить, почему это возможно.

8. Элементарные частицы, проходя через газ, образуют на своем пути ионы, которые могут участвовать в проводимости газов. Однако число образовавшихся пар ионов бывает невелико и так между электродами, находящимися в газе под напряжением, бывает мал и длится короткое время. Каким образом можно увеличить разрядный импульс?

Лабораторные работы.

I. Механика.

4.1 Определение условий, при которых тележка, двигаясь по наклонной плоскости равноускоренно, проходит определенный отрезок пути в заданное время.

Оборудование: 1) линейка от трибометра; 2) тележка; 3) блок на зажиме; 4) спусковой крючок на зажиме; 5) чашка для разновесов; 6) весы с разновесом; 7) набор грузов; 8) нитки машинные; 9)масштабная линейка; 10) транспортир; 11) штатив школьный с одной муфтой и одной лапкой; 12) метроном (один на весь класс).

Насаживают зажим с блоком на конец линейки от трибометра. С помощью штатива устанавливают линейку наклонно к плоскости стола (например, под углом 12 градусов). Ставят на тележку один или два груза из набора. Привязывают к тележке нить и перекидывают её через блок. К свободному концу нити привязывают чашку для разновесов.

Задание: Определить усилие, при котором тележка, двигаясь равноускоренно, будет проходить путь (40 см) за определенный промежуток времени (2 сек.). Проверить правильность найденного решения экспериментально.

2. Уравновешивание груза, движущегося по окружности с определенной частотой.

Оборудование: 1) Стеклянная трубка (l = 10см) с равными оплавленными концами; 2) нитка (l ≈ 60 см); 3) небольшой грузик (m = 5 г); 4) разновес; 5) чашка под разновесы; 6) измерительная лента с сантиметровыми делениями; 7) метроном (один на весь класс).

Нитку продевают сквозь стеклянную трубку. К одному концу привязывают грузик, а к другому - чашку под разновески. Вытянув конец нити с грузиком сантиметров на 30 - 35, приводят его в круговое движение, прижав другой конец нити к нижнему краю трубки. Добиваются, чтобы грузик обращался по окружности с определенной частотой, например один оборот за 0,5 сек (за время между двумя ударами метронома).

Задание: Определить величину груза (чашка с разновесами), который удерживал бы нить при равномерном движении грузика по окружности заданного радиуса, благодаря чему можно было бы не удерживать нить у края трубки.

2. Определение длины математического маятника, период собственных колебаний которого равен периоду собственных колебаний данного однородного стержня.

Оборудование: 1) однородный стержень с тонким отверстием и осью, перпендикулярно его длине; 2) измерительная лента с сантиметровыми делениями; 3) штатив с двумя муфтами, лапкой и кольцом с тонким отверстием в ободе; 4) нитка (100 см); 5) клинышек; 6) грузик.

Тонкую ось зажимают в лапке штатива горизонтально. На ось надевают стержень. На том же штативе закрепляют кольцо с тонким отверстием в ободе. Через отверстие продевают конец нити и закрепляют его клинышком. На свободный конец нити навязывают грузик.

Задание: После необходимых измерений параметров стержня рассчитать период его собственных колебаний. Рассчитать длину математического маятника с одинаковым периодом собственных колебаний.

II. Молекулярная физика и теплота.

1. Конструирование газового термометра.

Оборудование: 1) штатив с тремя муфтами и с тремя лапками; 2) колба; 3) стеклянная трубка длиной 30 - 40 см; 4) 2 резиновые трубки длиной 60 и 120 см; 5) большая стеклянная воронка; 6) химический стакан с теплой водой; 7) вода комнатной температуры; 8) машинное масло; 9) линейка метровая с сантиметровыми делениями; 10) термометр на 100 ˚C.

Задание: а) сконструировать газовый термометр. Для изоляции воздуха в колбе от насыщающих водяных паров на поверхность воды в трубке пустить каплю машинного масла; б) проверить действие термометра, определив с его помощью температуру нагретой воды. Сведения об атмосферном давлении и температуре воздуха получить от учителя; в) тотчас же по снятии показаний газового термометра измерить температуру воды при помощи ртутного термометра с тем, чтобы в дальнейшем убедится в совпадении показаний обоих термометров.

2. Определение величины зазора между стеклянными пластинками.

Оборудование: 1) две пары стеклянных пластинок 4×10 см, между связанными концами которых проложены соответственно 2 или 3 полоски писчей бумаги; 2) стопка той же самой писчей бумаги толщиной 1,5 - 2 см; 3) масштабная линейка; 4) кристаллизатор или широкая стеклянная банка; 5) керосин. В кристаллизатор или в банку наливается керосин слоем толщиной 2 - 2,5 см.

Задание: а) взять одну пару стеклянных пластин и ровным концом опустить в керосин. Объяснить наблюдаемое явление. Б) проверить сделанное предположение, сравнивая высоту подъема керосина между пластинами с зазором в толщину двух листов бумаги и трех листов бумаги; в) получив, если нужно, дополнительные сведения о свойствах жидкости из справочника, определить толщину листа бумаги, заложенной между стеклянными пластинами.

III. Электричество.

1. Исследование вольтамперной характеристики осветительной лампы накаливания.

Оборудование: 1) лампа осветительная (75 Вт); 2) реостат (10000 Ом, 0,1 А); 3) авометр (2 шт.); 4) провода.

Электрическая цепь собирается по схеме (рис. 12). Один авометр включается как миллиамперметр, а другой как вольтметр. С помощью реостата меняется напряжение на лампе. При этом снимаются показания приборов (сначала через каждые 2 В до 30 В, а потом через каждые 10 В до 127 или 220 В, в зависимости от номинального напряжения лампы). Полученные данные заносятся в таблицу, и по ним строится график.

Задание: Объяснить ход вольтамперной характеристики. Соображения подкрепить математическими расчетами.

рис.12

Домашние лабораторные исследования.

1. Равномерное и ускоренное движения

В справедливости многих физических законов можно убедиться на простейших опытах, которые легко проделать самому, без каких-либо сложных приборов и приспособлений. Так, например, вооружившись линейкой и самодельным маятником, можно наблюдать два вида прямолинейного движения - равномерное и ускоренное. Маятник в этих опытах будет играть роль прибора для отсчета времени. Длину нити желательно взять в пределах 25 - 35 см, а в качестве грузика удобно использовать шарик из пластилина величиной с наперсток.

Для проведения предлагаемых опытов маятник удобнее; чем секундная стрелка часов: он позволяет отсчитывать время, «не отрывая глаз» от самого опыта.

Опыт. Возьмите бутылку с растительным маслом, а еще лучше наполните маслом чисто промытую (чтобы не портить масла, которое должно пойти в пищу) стеклянную трубку метровой длины. Нижний конец трубки плотно заткните резиновой пробкой, а саму трубку установите вертикально по отвесу. Капните на поверхность масла каплю, воды и наблюдайте за ее движением.

Какое оно - прямолинейное или криволинейное, равномерное или неравномерное?

Сделайте необходимые измерения и постройте график зависимости пути от времени.

Рис.13 рис.14

Что можно сказать относительно скорости движения капли? Как она выражается на построенном графике?

2. Опыты со стробоскопом.

Приспособив к фотоаппарату простейший стробоскоп, можно получить интересные снимки движущихся предметов, например шарика, и по этим снимкам проанализировать виды движения.

Опыт. Свободное падение. По снимку свободно падающего шарика составим таблицу и построим график зависимости пройденного пути S от времени t (рис 13):

t, сек

0.06

0.12

0.18

0.24

S, м

0.017

0.068

0.15

0.27

Затем построим таблицу и график зависимости скорости от времени(рис.14).

Скорость в данный момент определяется как тангенс угла α, или, что практически то же самое, как отношение приращения пути S к соответствующему малому приращению времени t.

t, сек

0.06

0.12

0.18

0.24

V, см/сек

0.61

1.2

1.8

2.4

3. Опыт с динамометром.

Прибор для измерения силы - динамометр можно сделать из пружинки и линейки.

С динамометром можно проделать много различных опытов. В особенности интересны такие опыты, которые служат проверкой теоретически обоснованного предположения.

Опыт. Подвесьте груз на нити (рис.15). Как будет изменяться сила натяжения нити, если груз отклонять в горизонтальном направлении? При каком угле отклонения сила натяжения изменится в два раза по сравнению с первоначальным ее значением?

Рис.15

4. Запуск тела с заданной скоростью.

Для запуска спутника по круговой орбите вокруг Земли нужно сообщить ракете скорость порядка 8 м/сек. Если скорость меньше, ракета упадет на землю, а если больше - будет удаляться от нее.

Как получить нужную скорость? Чтобы понять это, нужно решить несколько более простых задач, но в принципе очень сходных.

Задача. Заставьте двигаться коробку (или деревянный брусок) по деревянной поверхности с ускорением 0.5 м/сек².

5. Соударение упругих шаров.

Упругое соударение шаров замечательно не только тем, что мгновенно меняются скорости соударяющихся тел. Но и тем, что охраняются неизменными их общие кинетическая энергия и количество движения. Зная это, можно проделать несколько увлекательных опытов, которые помогут уяснить основное в этих явлениях.

Для этих опытов нужно иметь три стальных шарика

(два из них одинаковые), нитки, клей для приклеивания нитки к стальному шарику, если он без отверстия. Измерительную линейку, а также динамометр или весы.

Опыт. Возьмите два одинаковых по размеру стальных шарика и подвесьте их на длинных нитках, например к оконном карнизу,

так, чтобы они касались друг друга. Отведите

один из шаров на некоторое расстояние в сторону

от положения равновесия и отпустите так,

чтобы соударения шаров было центральным, чтобы

шары столкнулись «в лоб» (рис.16).

Какое явление наблюдается после соударения

шаров? Какое максимальное отклонение второго

шара после соударения и как оно зависит от максимального отклонения первого шара перед соударением?

Какова будет эта зависимость, если массы шаров неодинаковы?

6. Стрельба из пружинной пушки на заданную дистанцию.

Детская пружинная пушка или пистолет, кусок пластилина, нитки, измерительная линейка и некоторые другие подручные материалы позволяют проделать несколько занимательных опытов по механике.

Задача. Расположив пушку вертикально, рассчитайте максимальную высоту подъема снаряда.

Ответы и решения.

(Возможные варианты)

Творческие задания.

1. В одной системе отсчета материальная точка движется прямолинейно, и первый наблюдатель, находящийся в той же системе отсчета, констатирует этот факт. Но эта первая система отсчета сама совершает вращательное движение относительно второй системы. В результате наблюдатель, находящийся во второй системе отсчета, видит движение материальной точки по плоской спирали.

2. Для преобразования движения по окружности в прямолинейное нужно выбрать другую систему отсчета. Для этого достаточно, чтобы центр кругового движения перемещался параллельно касательной к окружности со скоростью, равной линейной скорости кругового движения.

Например, точка касания катящегося предмета по прямой диска в системе отсчета «диск» совершает круговое движение, а в системе отсчета, связанной с плоскостью, по которой катится диск, - прямолинейное.

3. По углу отклонения груза от вертикали можно судить лишь об ускорении корабля, т. е. об изменении скорости. Скорость же равномерного прямолинейного движения таким способом определить нельзя, отвес при этом не отклоняется от вертикали.

4. Наиболее простое конструктивное решение задачи схематически представлено на рис. 17. Равномерное движение тележки будет в случае равенства силы трения и силы тяжести груза. Ускорение при равноускоренном движении может быть рассчитано по формуле , где М - масса тележки, m - масса груза, - сила трения (при условии, что моменты инерции колес и блока ничтожно малы).

1.5. Оттолкнувшись от берега, следует определить начальную скорость движения лодки. Для этого достаточно определить расстояние, которое пройдет лодка за первую секунду. Зная массу лодки, можно определить её начальный импульс mV. Подсчитав t, в течение которого лодка движется после толчка до остановки, можно определить силу сопротивления F=mV/t.

Возможен, например, следующий вариант:

m = 150 кг

V = 0.8 м/с F==20 H.

t = 6 с

F - ?

1.6. По третьему закону Ньютона величина импульса, сообщенного снаряду, равна величине импульса, сообщенного ружью: m₁V₁=m₂V₂, т. е. начальная скорость ружья и снаряда обратно пропорциональны массам. Поэтому, при чрезмерно большой массе снаряда легкое ружье будет обладать большей отдачей при выстреле. Это может ухудшить меткость стрельбы.

1.7. Хотя давление пороховых газов в канале ствола пушки превосходит давление газов реактивного двигателя, ракета при запуске получает больший импульс за счет более продолжительного времени действия двигателя. Артиллерийский же снаряд, получив начальную скорость порядка 10 км/сек, теряет её из-за сопротивления воздуха.

1.8. Схема установки представлена на рис. 18. Наклонная плоскость в нижней точке закрепляется на шарнире. Под нужным углом плоскость устанавливается, опираясь на нормально расположенный штырь динамометра. Затем шкала динамометра устанавливается на 0. после этого можно проводить эксперимент.

1.9. Относительно оси (рельс) кран находится в равновесии и до подъема груза и при подъеме груза (рис. 19). При подъеме груза увеличивается момент силы, приложенной к В, и автоматически уменьшается момент силы реакции, приложенной к колесам со стороны второго рельса А.

1.10. Возможно. В этом можно убедится на опыте, схема которого изображена на рис. 20. Если к концу нити В вместо груза Р прицепить динамометр и отклонять его в сторону, удерживая точки А и В на одной горизонтали, то показание динамометра будет увеличиваться, т. к. будет уменьшатся плечо силы.

Рис.20

1.11. Свойства стали (прочность) не позволяют затачивать её под углом, меньшим предельного для данного режущего инструмента. Иначе сталь будет крошиться. Вследствие изогнутой формы сабли при заданном угле клина удается уменьшить режущий угол за счет увеличения щеки клина. (рис. 21)

1.12. Ракетоноситель, имея скорость, почти

одинаковую со спутником, обычно находится ниже

спутника и поэтому имеет меньший период обращения.

13. Спутник должен быть запущен в плоскости,

перпендикулярной оси суточного вращения Земли.

Радиус орбиты и линейная скорость спутника могут быть рассчитаны следующим образом. Центростремительное ускорение спутника обусловливается всемерным тяготением. Поэтому

; . Обозначив период обращения спутника буквой T, ту же скорость можно выразить так: . Откуда следует . Следовательно

14. Со стороны стенки космического корабля на космонавта действует сила, которая сообщает ему ускорение а. давление, т. е. сила, отнесенная к единице площади, будет равно: . Отсюда ясно, что космонавт будет испытывать меньшее давление при положении «поперек». Так и располагаются космонавты в кабине корабля.

15. Тела в спутнике движутся по той же замкнутой орбите, с тем же центростремительным ускорением. Поэтому хотя на них и действует сила тяжести, друг на друга они не оказывают давления. В этом смысле говорят о невесомости.

2.1. Поскольку устойчивость суспензии обусловливается тепловым движением молекул, для ускорения процесса отстаивания следует уменьшить это движение. В охлажденном молоки сливки отстаиваются скорее.

2.2. Молекулярные силы действуют на малых расстояниях. Поэтому качество склеивания зависит от того, насколько большую поверхность склеиваемых частей удается привести в близкое соприкосновение. Это легче сделать с пластичными телами, чем с твердыми, у которых при неровных поверхностях соприкосновение происходит лишь в нескольких точках. Отсюда понятно назначение прессов, используемых при склейке.

2.3. Нужно обратить это вещество в газообразное состояние и сравнить плотность полученного газа с плотностью какого-либо известного газа, находящегося при тех же условиях.

2.4. Главной причиной того, что взвешенные частицы долго не выпадают в осадок, является тепловое (броуновское) движение частиц. При уменьшении объема частицы уменьшается и её масса. При очень малых размерах частицы её вес становится соизмеримым с силой неуравновешенного давления - суммарного импульса молекул. При размерах менее 0,1 мк. частицы находятся в более или менее устойчивом взвешенном состоянии.

2.5. В горячей воде окраска распространяется от капли в разные стороны со скоростью приблизительно 6 см/сек, а в холодной воде со скоростью 1 см/сек. Как видно, средняя скорость диффузии оказалась в сотни раз меньше, чем скорость распространения запаха одеколона в воздухе. Это различие связано с различием в строении вещества. В жидкости молекулы находятся в непосредственной близости друг от друга. Из-за «большой тесноты» каждая молекула находится в колебательном движении около своего центра равновесия и лишь понемногу перемещается. За то время, когда газовая молекула проходит 700 Ǻ, молекула воды смещается на 3 Ǻ. (Л. Д. Ландау, А. И. Китайгородский, Физика для всех).

2.6. По мере откачивания воздуха из-под колокола мячик раздувается, т. к. давление внутри него становится больше, чем вне его.

2.7. В результате дыхательного движения объем грудной клетки и легких увеличивается в трех направлениях: в переднее-заднем, боковом (за счет поднятия и вращения ребер) и вертикальном (за счет опускания диафрагмы). Вследствие этого в легких создается пониженное давление. Под действием атмосферного давления воздух врывается в легкие через нос и рот. Это давление можно почувствовать, если зажать рот и ноздри и сделать дыхательное движение.

2.8. Вес автомобиля легко определить, суммируя силы

давления на дорогу каждого колеса. Силу давления можно

определить, если известны давление внутри баллона, площадь

его соприкосновения с плоской асфальтированной

или бетонированной дорогой: F=ρS=ρhl. (рис.22)

рис.22

2.9. При нагревании воздух в банке расширяется и частично выходит. При охлаждении воздуха давление внутри банки уменьшается, и она присасывается к коже больного.

2.10. Вода кажется белой от большого количества выходящих из неё пузырьков газа. Вследствие уменьшения давления пузырьки газа расширяются и выходят на поверхность.

2.11. При условии полного несмачивания под действием гидростатического давления hDg (где D- плотность воды, g - ускорение свободного падения, h - высота столба жидкости) поверхностная пленка воды будет провешиваться в ячейках (рис.23). В случае равновесия гидростатического давления и давления, обусловленного поверхностным натяжением , где δ- коэффициент поверхностного натяжения, а R - радиус кривизны.

Если же прикоснуться к палатке изнутри рукой

или другим смачивающимся предметом, то этим

самым можно увеличить радиус кривизны пленки до

какой-то величины R₁, и тогда возникает протекание.

Рис.23

12. Мыло уменьшает поверхностное натяжение воды. Вследствие симметрии относительно точки О и отсутствия симметрии относительно какой - либо оси, лежащей в плоскости фигуры, фигура приходит во вращение относительно точки О. Движение каждого конца фигуры происходит в сторону острия, поскольку с этой стороны поверхностное натяжение уменьшается менее интенсивно.

13. При условии полного несмачивания под действием гидростатического давления hDg (где D- плотность воды, g - ускорение свободного падения, h - высота столба жидкости) поверхностная пленка воды будет провешиваться в ячейках (рис.23). В случае равновесия гидростатического давления и давления, обусловленного поверхностным натяжением , где δ- коэффициент поверхностного натяжения, а R - радиус кривизны.

12. В кристалле поваренной соли имеются взаимно перпендикулярные плоскости, в которых лежат атомы. Расстояние между ними велики по сравнению с другими расстояниями между атомами. Силы притяжения между атомами, лежащими в этих соседних плоскостях, сравнительно малы, поэтому здесь легче идет разрушение при возникших напряжениях.

13. Поскольку разрушению предшествует пластическая деформация, для упрочнения металла нужно увеличить его сопротивление пластичной деформации. Этой цели могут служить: легирование (добавка примесей), механическая или термическая обработка, направленная на размельчение зерен в поликристалле.

14. При устранении напряжения в случае упругой деформации форма тела восстанавливается за счет убыли внутренней энергии тела. При этом тело охлаждается.

15. Обычно металлы имеют поликристаллическую структуру, когда правильные микромонокристаллы соединены между собой хаотически. Явлений анизотропии при этом не наблюдается.

    1. Различные средства борьбы с электризацией основаны на том, что создаются условия для электропроводимости. Например, увлажнение воздуха в помещении, где происходит электризация материалов. Покрытие материалов проводящим слоем, например, порошком графита и т. п.

    2. Стрелка гальванометра будет отклоняться при замыкании и размыкании цепи, а также при изменении емкости будет происходить выравнивание потенциалов пластин конденсатора и зажимов источника напряжения. При этом стрелка гальванометра будет откланяться.

    3. Для этого нужно уменьшить один из зарядов в 2 раза. В самом деле, отклонение шарика зависит от силы взаимодействия зарядов. Эта сила уравновешивается составляющей силы тяжести (рис. 24), которая пропорциональна отклонению шарика от положения равновесия F=D*P/L. Половину заряда с шарика можно снять, прикоснувшись к нему незаряженным шариком такого же диаметра.

3.4. Для этой цели служат специальные полые кондукторы. Заряженный шарик вносится в полость и касается кондуктора с внутренней стороны. Вследствие отталкивания одноименных зарядов, последние полностью переходят на поверхность полого шара.

3.5. При уменьшении электроемкости конденсатора, а следовательно, и всей системы конденсатор - электрометр между проводниками будет увеличиваться разность потенциалов U=q/C ( q изменяться не будет, так как тока в цепи нет). При увеличении емкости, наоборот, разность потенциалов и будет показывать электрометр.

3.6. Для этого достаточно вырезать из листового проводника, например, из металлической фольги, фигурку (рис. 25). Листовой проводник нужно взять в форме прямоугольника и вырезать в нем по краю фигуру, образованную зеркальным отражением графика (рис. 26). В самом деле, если взять проводник в виде листа прямоугольной формы и создать на его концах постоянную разность потенциалов, то в проводнике образуется однородное электрическое поле. Если вырезать в листе выемки прямоугольной формы, то в каждом образовавшемся прямоугольнике поле будет также однородным (рис. 26), но напряженность будет различной. Она будет прямо пропорциональна напряжению на каждом из участков , напряжение же будет зависеть от сопротивления участков U=IR (величина токов для всех участков одна и та же). Причем , значит , где ρ-удельное сопротивление проводника. Отсюда видно, что напряженность внутри фигурного проводника зависит только от его площади поперечного сечения, т. е. от ширины.

Рис.25

Рис.26

Рис.24

3.7. Пусть измеряемое сопротивление R, сопротивление вольтметра R_в, напряжение на концах проводника U, сила тока в проводнике I, в вольтметре I_в, тогда .

3.8. Схема установки выключателей показана на рис.27.

Переключение любого из выключателей дает

возможность включить и выключить лампу, независимо

от положения другого выключателя ( при условии, что подвижный контакт выключателя всегда будет прижат к одному из проводов).

3.9 Ток, который показывает амперметр, это суммарный ток в проводнике R и в вольтметре. Чем больше будет сопротивление вольтметра, тем меньше будет погрешность в определении силы тока, и, следовательно, в определении сопротивления проводника.

3.10. а) При слабом накале волосок лампы испускает мало электронов и они не оказывают влияния на явление: нить накала притягивается к наэлектризованной палочке.

б) При среднем накале достаточное количество электронов осаждается на баллоне лампы и происходит экранизация волоска. Он не притягивается к палочке в момент её приближения, но притягивается в момент удаления (тем зарядом, который образовался на стекле).

в) При сильном накале газ в баллоне лампы частично ионизируется, становится проводником и полностью экранирует нить накала. Она вообще не реагирует на заряженную палочку.

3.11. При разомкнутой цепи накала в анодной цепи еще некоторое время ( пока не остынет катод) наблюдается электрический ток.

3.12. Схема простейшего усилителя низкой частоты показана на рис.28. Электрические колебания, возникающие в обмотке микрофона, подаются на сетку триода и усиливаются.

Рис.28

3.13. Вольтамперная характеристика такого вида может быть получена в газе при несамостоятельной проводимости. Сходная характеристика у вакуумного диода при определенном напряжении на накальном катоде. И в том и в другом случае величина тока насыщения определяется внешними факторами: мощностью нагревателя катода или мощностью ионизатора.

3.14. Если плавно повышать напряжение на электродах в газе, то в конце концов наступит момент, когда попадания одной ионизирующей частицы будет достаточно для возникновения самостоятельной проводимости, для возникновения другого разряда между электродами. При такой разности потенциалов разряд нарастает лавинообразно.

3.15. При достаточно высокой разности потенциалов между электродами при каждом попадании ионизирующих частиц внутри счетчика будет развиваться газовый разряд, так как образующиеся в результате ионизации электроны в этом поле будут получать достаточную энергию для ионизации встретившихся на их пути молекул. Количество носителей заряда в газе при этом будет увеличиваться, а следовательно увеличится и сам таковой импульс.

Лабораторные работы.

4.1. Тележка будет двигаться равноускоренно под действием алгебраической суммы сил: веса чашки с разновесами, составляющей веса тележки с грузами и силы трения: (M+m)a=mg-Mgsinα-Mgcosαk , где M- масса тележки с грузами, m- масса чашки с разновесами, а- ускорение, α- угол наклонной плоскости, Mgsinα- составляющая веса тележки, Mgcosα- сила нормального давления тележки на плоскость, к- коэффициент трения.

Коэффициент трения определяется как отношение силы трения к весу на горизонтальной линейке: .

Ускорение, с которым должна двигаться система, рассчитывается по формуле:

; .

Таким образом, получаются следующие данные:

М = 123 гр. 1) 981*0,20=196

а = 20 см/сек² 2) 981*0,02*0,97=19

α = 12˚ 3) 20+196+19=235

к = 0,016 4) 123*235=289000

5) 981-20=961

m - ? 6) 28900: 961=30

(г)

Опыт подтверждает правильность полученного результата. Пущенная под удар метронома тележка под действием груза 30 грамм проходит за 2 секунды путь 40 см.

4.2. Для того, чтобы можно было не придерживать нить у края трубки при равномерном движении груза, необходимо правильно нагрузить тележку разновесками. Вес разновесок и чашки численно равны геометрической сумме центростремительной силы, удерживающей груз на круговой орбите, и его веса

,

где m₁ - вращающегося груза, m₂ - масса удерживающего груза, n - число оборотов в секунду, R - радиус орбиты.

m₁ = 5 гр.

n = 2 сек.

R = 30 см. гр

m₂ - ?

4.3. По условию Т_м=Т_ср1 т. е. ,

где l - искомая длина математического маятника, J - момент инерции стержня, r - расстояние точки подвеса от центра массы физического маятника.

Т. к. , то , где l₁ - длина стержня.

Например,

l₁ = 74 см

r = 32 см

см

l - ?

Экспериментальная проверка показывает, что математический и физический маятники с такими параметрами обладают одинаковыми периодами собственных колебаний.

5.1. Если соединить колбу с манометром (стеклянная трубка и воронка, соединенные резиновой трубкой и наполненные водой), то при опускании колбы в теплую воду и изменении температуры воздуха в колбе одновременно будут меняться и объем воздуха и его давление в соответствии с уравнением состояния газа: .

Поднимая воронку, можно компенсировать изменение объема добавочным давлением. Тогда при V₁=V₂ можно записать:

p₁T₁=p₂T₂ и

Пусть термометр показывает 18,5 ˚C, а барометр - 1,008 кг/см². При опускании колбы в теплую воду и компенсировании расширения газа дополнительное давление водяного столба равно 0,035 кг/см². Тогда температура воды может быть найдена:

(˚K)

или t=316.2-273=43.2 (˚C)

5.2. При опускании конца связанных стеклянных пластинок наблюдается капиллярное явление - керосин поднимается между пластинками выше своего уровня в банке на некоторую высоту. При полном смачивании стекла керосином вес поднятого столба жидкости в капилляре равен силе поверхностного натяжения. Если обозначить ширину пластин l, величину зазора между пластинами d, плотность жидкости Д, коэффициент поверхностного натяжения б, то силу поверхностного натяжения можно выразить F=2lб, а вес поднятой жидкости P=VДg=hldДg. Следовательно, 2lб=hldДg/ Отсюда можно определить: (1)

Значит, высота подъема жидкости между пластинами обратно пропорциональна величине зазора между ними: h₁/h₂=d₂/d₁.

Пусть измерения показывают, что при зазоре между пластинами в 2 листа бумаги h₁= 2,7 см, а при зазоре в 3 листа бумаги h₂= 1,8 см.

Берем отношение: .

Толщину бумажных листов , зажатых между стеклянными пластинами можно определить из формулы (1): .

Из таблицы находим для керосина б= 24 дин/см, Д= 0,8 г/см³.

Следовательно, (см)

Поскольку зазор образован двумя листами бумаги, толщина одного листа (см)

6.1. Для осветительной лампы 75 Вт, 220 В могут быть получены, например, такие данные:

6

8

12

16

32

48

68

92

120

152

180

200

I (мА)

60

70

90

100

120

140

165

190

225

255

260

295

Этим данным соответствует график. Как видно из графика, вольтамперная характеристика не является прямой линией. Это указывает на изменение сопротивления нити накала лампы при увеличении напряжения.

Для сравнения возьмем две пары значений U и I в начале и в конце таблицы и вычислим сопротивление нити накала:

Из сравнения видно, что сопротивление нити накала

лампы возрастает более чем в 3 раза.

Домашние лабораторные исследования.

1. Проделав опыт, проанализируем его результат.

Прежде всего заметим, что движение капли воды

в масле прямолинейное. Зависимость пути от

времени можно установить, измеряя отрезки

пути, соответствующие продолжительности рис.29

одного, двух, трех и т.д. колебаний маятника.

Пусть в результате измерений получились следующие данные:

t, сек

0,86

1,72

2,58

3,44

S, см

3,4

6,9

10,4

14,0

По этим данным легко построить график движения (рис.29) и убедиться в том, что движение капли равномерное. Скорость ее постоянна и выражается тангенсом угла наклона графика к оси абсцисс. Скорость будет различной для капель разного размера.

2. Из графиков видно, что скорость движения шарика постепенно возрастает. Быстрота возрастания скорости - ускорение - всегда одинакова (график зависимости V от t - прямая линия). Иными словами, свободное падение тела - движение равноускоренное.

Легко вычислить и ускорение свободного падения g - оно равно тангенсу угла α, т.е. отношению . Вычислим его для момента t=0.24 сек.

g===10 м/сек².

Полученный нами в простейшем опыте результат неплохо согласуется с истинным значением g=9.81 м/сек².

2. Как это видно из рисунка 30,, сила Т натяжения

нити при отклонении груза будет возрастать

(сила, уравновешивающая силу натяжения нити,

равна геометрической сумме двух сил - силы тяжести Р

и силы , действующей в горизонтальном направлении).

Сила натяжения нити удвоится при =, когда

cos =0,5. Это легко проверить, прицепив нить с грузом

к крючку динамометра. Рис.30

4. Чтобы запустить брусок или коробку по горизонтальной плоскости стола с заданным ускорением, нужно рассчитать, какова должна быть масса падающего груза. Расчет ведем на основе второго закона динамики:

или

0,12 кг; 0,5 Н и, ,

кг

5. При соударении упругих шаров равной массы, когда один шар движется, а другой покоится, происходит обмен их импульсами и энергиями. Поскольку удар упругий, то в этом случае при ударе сохраняется не только импульс, но и механическая энергия. Поэтому, на какое расстояние был отклонен первый шар, на такое же расстояние (почти!) отскочит после соударения второй шар, а первый остановится. Далее явление повторится в обратном направлении и т.д.

Если массы шаров неодинаковы, то хотя при их соударении также будут сохраняться и импульс и энергия, картина будет не столь простой и ясной. Чтобы рассчитать скорости шаров после соударения, нужно решить систему из двух уравнений:

и

,

где и - массы первого и второго шаров, и - их скорости до соударения, а и - после соударения.

Если второй шар покоится (=0), то решение этой системы уравнения приводят к следующему результату:

; ;

, т.е. пропорциональна h. При малых углах отклонения нити от вертикали с большой степенью точности можно считать, что . (Перпендикуляр, опущенный из любой точки окружности на диаметр, есть среднее пропорциональное между его отрезками, т.е. h пропорционально , и тогда пропорционально .) Но так как и , то

и .

Это значит, что, зная массы шаров и первоначальное отклонение от положения равновесия первого шаров после их упругого соударения.

6. Расчет максимальной высоты подъема снаряда можно сделать по формуле: . Если, например, начальная скорость , то H=0.15 м.

Примечание. При выстреле вертикально вверх и под углом к горизонту для получения рассчитанной начальной скорости снаряда величина сжатия пружины должна отсчитываться от точки, в которую приведен конец пружины, действием силы тяжести самого снаряда.

Задачи-рисунки

1а.

1) ; ;

2); ; ;

2а.

Относительно бензоколонки, которую принимаем за неподвижное тело, движутся два автомобиля и птица. Относительно первого автомобиля движутся бензоколонка и птица. Второй автомобиль относительно первого находиться в покое, т.к. расстояние между ними не изменилось.

2б

Длина пути по шоссейной дороге 9 км, а по железной дороге - 13 км.

3а.

Расстояние между пунктами С и В, измеренное линейкой, равно 5,5 см. Согласно масштабу в одном сантиметре 10 км. Следовательно, путь, пройденный поездом, между пунктами С и В равен . Согласно расписанию этот путь поезд прошел за Тогда

Аналогично:

3б.

Время движения человека между двумя столбцами

Тогда средняя скорость его движения

Длина пути человека за 3 часа (3 ч.=10800с).

4а.

1. В сосуде 1 жидкость самая плотная, т.к. при той же самой массе она имеет наименьший объем.

2. Плотность жидкости в сосуде 1:

- мед.

Плотность жидкости в сосуде 2:

- керосин, спирт или нефть.

Плотность жидкости в сосуде 3:

- вода.

4б.

Определим массу жидкости в мензурке 1:

В мензурке 2:

Тогда

Полученный результат позволяет предположить, что в мензурке 2 налит эфир или бензин.

5а.

Для нахождения площади шины надо число полных квадратов следа шины умножить на площадь одного квадрата.

5б.

Определим из таблицы площадь щита S=0,28 м², тогда

6а.

Высота столба воды в сосуде

Тогда

Высота столба воды над дном сосуда

Тогда

6б.

Давление p на дно сосуда равно сумме давлений воды p_в и p_к керосина.

7а.

1.

2.

3. Объем цилиндра .

Выталкивающая сила

7б.

Показание весов не нарушится, т.к. масса тел, находящихся на чашке весов, не изменяется. Изменится только сила натяжения нити.

8а.

8б.

Сила, действующая на лыжника,

Работа по подъему лыжника

Полезная работа по подъему лыжника

9а.

Потенциальная энергия скользящей гири в средней части пути равна половине ее потенциальной энергии в исходном положении:

9б.

Человек, стоящий на трамплине, подпрыгнет на высоту в 2 раза большую той, с которой прыгали два человека. Это объясняется тем, что потенциальная энергия этого человека в верхней точке его прыжка должна быть равна потенциальной энергии двух людей в исходном положении.