Физическая викторина. Механика. Основные законы механики
* Задачи, не требующие для решения эксперимента, отмечены звездочкой. Решая такие задачи, можно использовать рисунки (если они есть в задании), выводя их на экран.
1. На лист бумаги поставить графин с водой и тянуть за бумагу до края стола, после чего резко дернуть в горизонтальном направлении (рис.). Графин останется на краю стола. Объяснить явление.
2. Десять шашек поставить одну на другую. Быстрым движением линейки выбить нижнюю шашку. Она вылетит, а остальные шашки останутся стоять одна на другой. Объяснить явление.
3. На горлышко бутылки поставить кольцо диаметром около 15 см, склеенное из плотной бумаги, и точно над отверстием бутылки положить на кольцо монету в 10 коп. (рис.). Внутрь кольца ввести палочку и резко ударить ею по кольцу в горизонтальном направлении. Кольцо отлетит в сторону, а монета упадет в бутылку. Объяснить явление.
4. Какая из двух тележек (рис.) быстрее доедет до края стола? Массы тележек одинаковы.
5. Малый блок, сила тяжести которого 1Н, заклинен, и система грузов и блоков (рис.) находится в равновесии. Что произойдет с грузами, если освободить малый блок? Объяснить явление. Ответ проверить на опыте.
6*. Грузы с массами m = 2 кг, m1 = 3 кг и m2 = 4 кг висят на нитях, перекинутых через невесомые блоки (рис. а). Части нитей, не лежащие на блоках, вертикальны. Как меняется расстояние h между гирями 2 и 4 кг, если система предоставлена сама себе?
7. Два шара, соединенные невесомой, нерастяжимой нитью, лежат на гладкой горизонтальной поверхности. У правого шара масса больше. С одной и той же силой тянут вначале правый шар вправо, а затем левый — влево. В обоих случаях сила сообщает системе (два шара и нить) одно и то же ускорение. Одинаково ли натяжение нити в этих двух случаях? Если нет, то в каком случае оно больше?
8*. По третьему закону Ньютона сила, с которой лошадь действует на сани, равна силе, с которой сани действуют на лошадь. Почему же сани всегда движутся за лошадью, а не наоборот?
9*. Привести примеры использования реактивного движения из жизни живой природы.
10. По закону всемирного тяготения все тела притягиваются друг к другу под действием гравитационных сил. Привести пример, когда при сближении двух тел сила притяжения между ними уменьшается.
11*. Как влияет притяжение Солнца на вес тел, расположенных на поверхности Земли со стороны Солнца и с противоположной стороны (рис.)? На рисунке P⃗ — сила притяжения предмета Землей; F⃗ — сила притяжения его Солнцем.
Ответы
1. Графин перемещается вследствие силы трения, существующей между его дном и бумагой. Эта сила, однако, недостаточна, чтобы сообщить ему такое же ускорение, которое получает бумага, когда мы ее резко дергаем, и графин остается на краю стола.
2. См. ответ к предыдущей задаче.
3. См. ответ к 1-й задаче.
4. Сила тяжести гири сообщает ускорение двум телам: самой гире и тележке; сила руки приложена только к тележке, следовательно, в этом случае тележка будет двигаться с большим ускорением.
5. В этом случае груз |P⃗ | = 3 Н перетянет и начнет опускаться, а груз |Q⃗ | = 2 Н подниматься с некоторым ускорением |a⃗ | < |g⃗ |. По второму закону Ньютона движение этих грузов в проекции на вертикальную ось характеризуется формулами:
Р - F = (P/g)•a, F - Q = (Q/g)•a, где F — проекция силы натяжения нити, на концах которой висят грузы Р и Q. Тогда сумма проекций сил, прилагаемых к малому блоку движущимися грузами, равна:
2F = (Р + Q) - (Р - Q)•(a/g).
Отсюда очевидно, что 2 |F⃗ | меньше, чем |P⃗ | + |Q⃗ | которой грузы Р и Q действовали на малый блок, когда он был заклинен. Поэтому груз в 6 Н опустится.
6. На гирю 2 кг действуют силы mg⃗ и T⃗ , на гирю 4 кг — в два раза большие силы: 2mg⃗ и 2T⃗ (рис. б). Так как на вдвое большую массу в том же направлении действует и в два раза большая равнодействующая сила, то ускорения грузов равны. Значит, расстояние h между грузами в 2 и 4 кг не меняется.
7. В обоих случаях система движется с одним и тем же ускорением, следовательно, это ускорение в первом случае нить сообщает телу меньшей массы, чем во втором случае. Соответственно и натяжение нити в первом случае меньше.
8. На рисунке изображены силы взаимодействия между лошадью и санями (F⃗ = -F⃗1), силы трения, действующие между лошадью и землей (Q⃗ = -Q⃗1) и между санями и землей (P⃗ = -P⃗1). Рисунок показывает, что если найти равнодействующие сил Q⃗ и F⃗1 приложенных к лошади, и сил F и Р, приложенных к саням, то они будут направлены в одну сторону — в сторону тяги лошади. Если |Q⃗ | = F⃗1 и |F⃗ | = |P⃗ |, то движение саней и лошади будет равномерным.
9. 1. Сальпа — морское животное с прозрачным телом, при движении принимает воду через переднее отверстие, причем вода попадает в широкую полость, внутри которой по диагонали натянуты жабры. Как только животное сделает большой глоток воды, отверстие закрывается. Тогда продольные и поперечные мускулы сальпы сокращаются, все тело сжимается и вода через заднее отверстие выталкивается наружу. Реакция вытекающей струи толкает сальпу вперед.
2. Кальмар является самым крупным беспозвоночным обитателем океанских глубин. Он передвигается по принципу реактивного движения, вбирая в себя воду, а затем с огромной силой проталкивая ее через особое отверстие — «воронку», и с большой скоростью (до 70 км/ч) двигается толчками назад. При этом все десять щупалец кальмара собираются в узел над головой и он приобретает обтекаемую форму.
10. Такими телами являются, например, сделанные из любого материала кольцо и маленький шарик, расположенный на оси кольца, перпендикулярной его плоскости (рис.). По мере приближения шарика к кольцу сила их взаимного притяжения сначала увеличивается, а затем уменьшается до нуля, так как вблизи плоскости кольца притяжения отдельных его частей почти уравновешиваются (см. на рис. график зависимости силы притяжения от расстояния l между шариком и кольцом).
11. Наша планета подобна космическому кораблю, совершающему вечное орбитальное движение вокруг Солнца. Солнце сообщает и грузу, и Земле, на которой он находится, одинаковое центростремительное ускорение. Поэтому вес тела (где бы оно ни находилось на поверхности Земли) под действием солнечного притяжения не может ни увеличиться, ни уменьшиться. См. также ответ к задаче №3 здесь → Физическая викторина. Механика. Вращательное движение.