Номер 440, страница 96 - гдз по физике 9 класс сборник задач Исаченкова, Дорофейчик

Решение

Цель эксперимента: Экспериментально доказать, что сопротивление воздуха влияет на ускорение и скорость падения тел.

Оборудование: птичье перо, 5-копеечная монета, бумажный кружок (по размерам такой же, как и монета), мерная лента.

Ход эксперимента:

1. С помощью мерной ленты выберем и зафиксируем высоту, с которой будем отпускать предметы, например, 1,5–2 метра. Это необходимо для обеспечения одинаковых начальных условий во всех опытах.

2. Опыт 1. Возьмем в руки птичье перо и монету. Удерживая их на одной и той же высоте, одновременно отпустим. Пронаблюдаем за их падением и зафиксируем, какой из предметов достигнет пола первым.

3. Опыт 2. Теперь возьмем монету и бумажный кружок, который имеет такие же форму и площадь, как монета. Аналогично первому опыту, отпустим их одновременно с той же высоты и сравним время их падения.

4. Опыт 3 (контрольный). Положим бумажный кружок сверху на монету так, чтобы он не выступал за ее края. Аккуратно отпустим эту "систему" с той же высоты, стараясь не нарушить горизонтальное положение монеты. Пронаблюдаем, будут ли предметы падать вместе или разделятся в полете.

Наблюдения и выводы:

В первом и втором опытах мы наблюдаем, что монета достигает пола значительно быстрее, чем перо и бумажный кружок. Перо и бумажный кружок падают медленно, а перо может даже планировать из стороны в сторону.

Это наблюдение объясняется тем, что на любое тело, падающее в воздухе, действуют две основные силы: сила тяжести $F_{тяж} = mg$, направленная вертикально вниз, и сила сопротивления воздуха $F_{сопр}$, направленная против движения, то есть вверх. Ускорение тела определяется равнодействующей этих сил: $ma = F_{тяж} - F_{сопр}$. Отсюда ускорение $a = g - \frac{F_{сопр}}{m}$.

Сравнение падения монеты и бумажного кружка (Опыт 2) является наиболее показательным. Эти два тела имеют практически одинаковую форму и площадь поперечного сечения, а значит, при одинаковой скорости на них действует примерно одинаковая сила сопротивления воздуха $F_{сопр}$. Однако масса монеты ($m_{м}$) значительно больше массы бумажного кружка ($m_{к}$). Из-за этого вычитаемое $\frac{F_{сопр}}{m}$ для бумажного кружка оказывается намного больше, чем для монеты, и его ускорение падения становится существенно меньше.

В третьем опыте мы видим, что бумажный кружок не отстает от монеты и падает вместе с ней, как единое целое. Это происходит потому, что монета, двигаясь впереди, "разрезает" воздух и защищает лежащий на ней кружок от встречного потока. Сила сопротивления воздуха на кружок практически не действует. В результате оба тела падают под действием почти исключительно силы тяжести. А поскольку ускорение свободного падения $g$ не зависит от массы тела, они движутся с одинаковым ускорением и достигают пола одновременно. Этот результат убедительно доказывает, что именно сопротивление воздуха было причиной медленного падения кружка во втором опыте.

Таким образом, проведенные опыты наглядно демонстрируют, что сила сопротивления воздуха оказывает существенное влияние на скорость падения тел, причем это влияние тем заметнее, чем меньше масса тела по отношению к его размерам (площади).

Ответ: Эксперимент, состоящий в сравнении падения монеты, пера и бумажного кружка, а также совместного падения монеты с лежащим на ней бумажным кружком, доказывает влияние сопротивления воздуха. Наблюдается, что легкие предметы (перо, бумажный кружок) падают значительно медленнее тяжелой монеты. Однако когда бумажный кружок защищен от воздуха монетой, он падает вместе с ней. Это объясняется тем, что сила сопротивления воздуха, действующая на легкие предметы, сопоставима с их силой тяжести и значительно уменьшает их ускорение. Устранение этой силы (в опыте с кружком на монете) приводит к тому, что тело падает с ускорением свободного падения, как и тяжелое тело.