Физическая викторина. Механика. Вращательное движение
* Задачи, не требующие для решения эксперимента, отмечены звездочкой. Решая такие задачи, можно использовать рисунки (если они есть в задании), выводя их на экран.
1. Как положить находящийся на столе шарик в банку, не прикасаясь к нему руками и не подкатывая его к краю стола?
2. «Непослушные шарики» (рис.). Показать прибор, представляющий собой деревянную колодку толщиной 1,5 см с полукруглой выемкой и двумя полочками по краям.
С боков колодка закрыта прозрачными стенками из плексигласа, а сверху — деревянной крышкой. Внутри находятся два шарика диаметром 1 см. Как разложить шарики по полочкам?
3. Можно ли утверждать, что при движении искусственного спутника по орбите вокруг Земли последняя перестает притягивать находящиеся на спутнике предметы?
4. На центробежной машине укрепить диск от сирены, на него поставить зажженную свечу и закрыть ее стеклянной воронкой или коническим сосудом от прибора «парадокс Паскаля» (рис.). При вращении диска пламя отклонится к оси вращения. Объяснить явление.
5. В изогнутую стеклянную трубку, укрепленную в обойме и наполненную водой (рис. а), поместить два шарика — металлический (белый) и пробковый (черный). Привести трубку во вращение со скоростью 2—3 об/с и затем резко остановить. Легкий шарик окажется внизу около оси вращения (потонет), а тяжелый — наверху (всплывет) (рис. б). Объяснить явление.
6. Бумеранг — метательное оружие австралийских аборигенов — обладает замечательной способностью возвращаться после броска назад к охотнику (рис. а). Продемонстрировать полет картонной модели бумеранга (рис. б). Объяснить, как действует бумеранг.
7. Как, потянув к себе намотанную на катушку нить, заставить катиться катушку от себя? Ответ проверить опытом.
8*. Могут ли работать центробежные механизмы (сепараторы, насосы, регуляторы) на искусственном спутнике Земли?
9. Круг радиуса R обкатывает неподвижное кольцо радиуса 4R (рис. а) и делает вокруг него один оборот. Сколько раз он обернется при этом вокруг своей оси?
10. Бутылку до половины наполнить водой и опустить на ее поверхность пробочный поплавок с отверстием в середине. В это отверстие свободно продеть спицу, другой конец которой закрепить в пробке, затыкающей бутылку. Нижний конец спицы немного погрузить в воду (рис.). Как, не открывая бутылки, снять поплавок со спицы?
Ответы
1. Накрыть шарик банкой, круговыми движениями заставить его кататься по стенкам банки и затем быстро повернуть банку дном вниз.
2. Наклоном прибора сделать это не удастся. Надо расположить прибор вертикально и быстро повернуть вокруг оси. Шарики разлетятся в стороны и займут место на полочках.
3. Нет. Сила притяжения Земли никогда не исчезает. Движение спутника по орбите можно рассматривать как результат геометрического сложения двух движений:
1) падения спутника и всех предметов, на нем находящихся, с одинаковым ускорением к центру тяжести Земли, вследствие чего они не оказывают давления друг на друга (невесомость);
2) движения по касательной к орбите со скоростью более 7,9 км/с (рис.).
4. Воздух имеет бо́льшую плотность, чем пламя, он стремится при вращении удалиться как можно дальше от оси вращения и оттесняет к ней пламя.
5. Чтобы шарик массы m описывал окружность радиуса r, на него должна действовать сила |F⃗ | = mω²r, направленная к центру этой окружности (ω — угловая скорость вращения прибора). Вода действует на шарик с силой |F⃗1 | = m1ω²r, где m1 — масса воды в объеме шарика.
Для металлического шарика m1 < m и |F⃗1| < |F⃗ |. Поэтому сила F⃗1 не может удержать его на окружности и он, двигаясь по инерции, окажется на конце трубки. Для пробкового шарика m1 > m и |F⃗1| > |F⃗ |. Поэтому вода оттесняет его к центру прибора.
6. Вследствие вращения бумеранг при полете сохраняет свою ориентировку в пространстве. При этом он «ввинчивается» в воздух и потому движется по восходящей траектории. Когда энергия поступательного движения, сообщенная бумерангу при броске, иссякнет, он, продолжая вращаться, начинает падать. Однако он падает не вертикально, а из-за сопротивления воздуха, скользя по нему, как по наклонной плоскости, возвращается обратно.
7. Линия соприкосновения катушки с полом является мгновенной осью вращения. Как видно из рисунка, горизонтально направленная сила натяжения нити F⃗1 имеет относительно этой оси момент, вращающий катушку в направлении l против часовой стрелки. При этом катушка будет двигаться к экспериментатору. Однако при достаточно большом наклоне нити момент силы натяжения нити F⃗2 относительно той же оси вращает катушку в направлении 2, по часовой стрелке, и катушка убегает от экспериментатора.
8. Да, смогут, так как в условиях невесомости инертность тел сохраняется.
9. Мысленно разрежем кольцо в точке В, распрямим его четвертую часть АВ и прокатим круг по получившемуся прямолинейному участку АВ (рис. б), круг сделает один оборот вокруг своей оси. Снова восстановим кольцо (рис. в). При этом круг повернется еще на 1/4 часть оборота. Таким образом, прокатившись по 1/4 части кольца, круг сделает 1 1/4 оборота вокруг своей оси, и, следовательно, прокатившись по всему кольцу, — 5 оборотов (а не 4, как может показаться с первого взгляда).
10. Надо заставить воду вращаться. Тогда на поверхности воды образуется воронкообразное углубление, в которое опустится поплавок. При этом он сползет со спицы.