ШКАТУЛКА КАЧЕСТВЕННЫХ ЗАДАЧ ПО ФИЗИКЕ: ИНЕРЦИЯ
Предлагаю Вашему вниманию 40 качественных задач по физике на тему: «Инерция». Отдадим должное интеграции: биофизика, художественная литература, важные нюансы для автовладельцев, пассажиров и пешеходов… По сложившейся традиции зелёных страничек побалуем себя шедеврами мировой живописи… К некоторым задачам дадим развёрнутые ответы ;-) и… лирическое отступление из истории физики: Галилеев принцип инерции – первый закон механики Ньютона.
Задача №1 Выйдя из воды, собака встряхивается. Какое явление помогает ей в этом случае освободить шерсть от воды? Ответ поясните.
Задача №2 «Кладовая солнца», 1945 г., Михаил Михайлович Пришвин «…Недолго пришлось Травке ждать. Тонким слухом своим она услыхала недоступное человеческому слуху чвяканье заячьей лапы по лужицам на болотной тропе. Лужицы эти выступили на утренних следах Насти. Русак непременно должен был сейчас показаться у самого Лежачего камня. Травка за кустом можжевельника присела и напружинила задние лапы для могучего броска и, когда увидела уши, бросилась. Как раз в это время заяц, большой, старый, матёрый русак, ковыляя еле-еле, вздумал внезапно остановиться и, даже привстав на задние ноги, послушать, далеко ли тявкает лисица. Так вот одновременно сошлись: Травка бросилась, а заяц остановился. И Травку перенесло через зайца. Пока собака выправлялась, заяц огромными скачками летел уже по Митрашиной тропе прямо на Слепую елань…» Почему Травку перенесло через зайца?
Ответ: Когда заяц внезапно остановился, собака Травка по инерции продолжала своё движение вперёд и перескочила через зайца.
Задача №3 Заяц, спасаясь от преследующего его волка, делает резкие прыжки в сторону. Почему волку трудно поймать зайца, хотя он бегает быстрее?
Ответ: В тот момент, когда заяц делает резкий поворот, волк по инерции продолжает движение вперёд и не может схватить зайца.
Комаров Алексей Никанорович (1879–1977) считается основоположником русской анималистической школы. Алексей Никанорович Комаров иллюстрировал научные и детские книги, создавал рисунки для марок, почтовых открыток, наглядных пособий. Несколько поколений детей выросло, учась по учебникам с его замечательными рисунками.
Для любознательных: Зимняя шуба у зайца-русака немногим светлее летней (в отличие от зайцев-беляков, русаки никогда не бывают зимой белоснежными); голова, кончики ушей и передняя часть спины и зимой остаются тёмными. Зимняя шуба у зайца-беляка – ослепительно белая, за исключением чёрных кончиков ушей. Впрочем… в областях, где нет устойчивого снегового покрова, зайцы на зиму не белеют ;-)
Задача №4 Созревшие стручки бобовых растений, быстро раскрываясь, описывают дуги. Какое явление положено в основу такого метода распространения семян?
Ответ: Созревшие стручки бобовых растений, быстро раскрываясь, описывают дуги – в это время семена, отрываясь от мест прикрепления, по инерции движутся по касательной в стороны и падают значительно дальше материнского растения.
Инерция в живой природе :: Летающие рыбы
Для любознательных: В тропических зонах Атлантического и Индийского океанов часто наблюдают полёт так называемых летучих рыб, которые, спасаясь от морских хищников, выскакивают из воды и совершают при благоприятном ветре планирующий полёт, покрывая расстояния до 200-300 м на высоте 5-7 м. Рыба поднимается в воздух благодаря быстрым и сильным колебаниям хвостового плавника. Вначале рыба несётся по поверхности воды, затем сильный удар хвоста поднимает её в воздух. Распластанные длинные грудные плавники поддерживают тело рыбы наподобие планера. Полёт летающей рыбы стабилизируется хвостовыми плавниками; рыбы движутся по инерции.
Альфред Эдмунд Брем (Alfred Edmund Brehm; 02.02.1829–11.11.1884) – немецкий учёный-зоолог и путешественник, автор знаменитой научно-популярной работы «Жизнь животных».
Задача №5 «Лягушка-путешественница», 1887 г., Всеволод Михайлович Гаршин «…Тут лягушка уж не выдержала и, забыв всякую осторожность, закричала изо всей мочи: – Это я! Я! И с этим криком она полетела вверх тормашками на землю. Утки громко закричали; одна из них хотела подхватить бедную спутницу на лету, но промахнулась. Лягушка, дрыгая всеми четырьмя лапками, быстро падала на землю; но так как утки летели очень быстро, то и она упала не прямо на то место, над которым закричала и где была твёрдая дорога, а гораздо дальше, что было для неё большим счастьем, потому что она бултыхнулась в грязный пруд на краю деревни. Она скоро вынырнула из воды и тотчас же опять сгоряча закричала во всё горло: – Это я! Это я придумала!…» Почему лягушка упала на землю не на то место, над которым она начала падать?
Ответ: Лягушка, падая вниз, по инерции сохраняла свою горизонтальную скорость, поэтому упала не на то место, над которым она начала падать.
Задача №6 Почему при землетрясении разрушаются здания и мосты? Почему во время землетрясений рекомендуется при возможности покинуть здание и перейти на открытое пространство?
Ответ: Основной причиной разрушений при землетрясениях являются сильные подземные толчки и сотрясания земли, достигающие земной поверхности. Вследствие инерции и жёсткости конструкции наземных сооружений они разрушаются.
Низами Гянджеви Абу Мухаммед Ильяс ибн Юсуф (около 1141 – около 1209) – классик персидской поэзии, один из крупнейших поэтов средневекового Востока.
Басин Пётр Васильевич (1793–1877) – русский жанровый живописец и портретист.
Задача №7 Почему автомобиль с неисправными тормозами запрещается буксировать с помощью гибкого троса?
Задача №8 Почему при поворотах водитель снижает скорость движения машины?
Задача №9 Почему необходимо надёжно закреплять грузы в кузове грузовика?
Задача №10 Почему нельзя перебегать улицу перед близко идущим транспортом?
Задача №11 Почему не следует прыгать на ходу с подножки автобуса или трамвая?
Зуев Агап Сергеевич (31.01.1922–1985) – советский, российский живописец. Член Союза художников СССР.
Задача №12 Почему при быстрой остановке мотоцикла тормозят обоими колёсами? Что может произойти, если затормозить только передним колесом?
Задача №13 Зачем должен включаться на автомобиле задний красный свет, когда водитель автомобиля нажимает на тормозную педаль?
Пименов Юрий Иванович (1903–1977) – советский живописец и график. Народный художник СССР. Лауреат Ленинской и двух Сталинских премий второй степени.
Задача №14 Объясните причину того, что при резком торможении автомобиля его передняя часть опускается вниз.
Ответ: Передняя часть автомобиля при резком торможении продолжает двигаться по инерции, поворачиваясь вокруг своих передних колёс на небольшой угол, что и приводит к её опусканию.
Задача №15 Какие произошли изменения в движении автомобиля, если пассажир оказался прижатым к спинке сиденья; к правой части спинки сиденья?
Ответ: Автомобиль начал увеличивать скорость; стал поворачивать налево.
Задача №16 Объясните назначение ремней и подушек безопасности в автомобиле. Почему эффективность работы подушек безопасности зависит от того, пристёгнут ли водитель и пассажир переднего сидения ремнями безопасности? Почему выброс подушек безопасности в случае аварии может нанести серьёзные травмы водителю и пассажиру автомобиля в том случае, если они не были пристёгнуты ремнями безопасности?
Задача №17 Предупреждающие дорожные знаки информируют водителей о приближении к опасному участку дороги, движение по которому требует принятия мер, соответствующих обстановке. Перед Вами три предупреждающих дорожных знака. Дайте каждому из них пояснение и укажите, какие меры должен предпринять водитель транспортного средства, увидев такой знак.
Ответ: Номер знака: 1.15 – Скользкая дорога. Участок дороги с повышенной скользкостью проезжей части. Водитель обязан снизить скорость. Номер знака: 1.23 – Дети. Участок дороги вблизи детского учреждения (школы, оздоровительного лагеря и тому подобного), на проезжей части которого возможно появление детей. Водитель обязан снизить скорость. Номер знака: 1.27 – Дикие животные. Знак предупреждает о том, что на дорогу могут выбегать дикие животные. Водитель обязан снизить скорость.
Задача №18 Для чего перед взлётом, а также посадкой самолёта, пассажиры обязаны пристегнуться ремнями безопасности?
Задача №19 Для чего пассажирам, стоящим в автобусе, трамвае или троллейбусе следует держаться за поручни?
Задача №20 В какую сторону отклоняются пассажиры автобуса при резком увеличении скорости? при внезапной остановке?
Задача №21 Какое изменение произошло в движении речного трамвая, если пассажиры вдруг отклонились вправо?
Задача №22 В какую сторону падает споткнувшийся человек? поскользнувшийся человек? Почему?
Задача №23 «Чук и Гек», 1939 г., Аркадий Петрович Гайдар «…Весь следующий день дорога шла лесом и горами. На подъёмах ямщик соскакивал с саней и шёл по снегу рядом. Но зато на крутых спусках сани мчались с такой быстротой, что Чуку с Геком казалось, будто бы они вместе с лошадьми и санями проваливаются на землю прямо с неба. Наконец под вечер, когда и люди и кони уже порядком устали, ямщик сказал: – Ну, вот и приехали! За этим мыском поворот. Тут, на поляне, и стоит ихняя база… Эй, но-о!… Наваливай! Весело взвизгнув, Чук и Гек вскочили, но сани дёрнули, и они дружно плюхнулись в сено…» Почему когда сани дёрнули, мальчишки плюхнулись в сено?
Ответ: Туловища мальчишек по инерции сохраняли состояние покоя, а ноги начали вместе с санями движение вперёд, поэтому Чук и Гек упали назад и плюхнулись в сено.
Задача №24 Почему во время ледохода на поворотах реки образуются заторы льда?
Задача №25 Почему при сплаве леса большое количество брёвен выбрасывается на берег, на поворотах реки? Почему во многих странах разрешён сплав деревьев только плотами?
Белов Кондратий Петрович (23.03.1900–04.05.1988) – советский живописец. Народный художник РСФСР. В 1949 году пейзаж «Лесосплав на Иртыше» был включён в состав выставки советского искусства экспонировавшейся в ряде зарубежных стран. Искусствоведы называли его первым полным и выразительным портретом Сибири.
Для любознательных: Лесосплав – традиционный и самый дешёвый способ его транспортировки к деревообрабатывающим предприятиям. Наиболее интенсивный лесоповал обычно производится зимой, поскольку так лесу причиняется меньше ущерба. На санях, которые тащат трактора или мощные машины, лес подвозят к берегу замёрзшей реки. Затем, в период весеннего половодья, сплавщики спускают его на воду. При молевом сплаве дальше лес плывет самостоятельно. При сплаве плотами – из брёвен связывают плоты. Свободно плывущие по реке деревья быстро намокают и опускаются на дно. Большое количество брёвен выбрасывается на берег, на поворотах реки. Кроме того, при большом количестве спускаемых одновременно деревьев, их стволы наносят непоправимый ущерб речной фауне, обрывая водоросли и тем самым лишая корма рыбу и земноводных. При гниении затонувших стволов в воду переходят и ядовитые для рыбы вещества. Наконец, торчащие со дна реки стволы представляют большую опасность для речных судов. Своевременно не выловленные из реки стволы становятся непригодными для промышленного использования. Вот почему во многих странах разрешён сплав деревьев только плотами.
Задача №26 Почему запрещается резко поднимать груз подъёмным краном?
Задача №27 Когда электровоз резко трогает с места поезд, может произойти разрыв сцепки. В каком составе вероятнее всего произойдёт разрыв, в нагруженном или в порожнем? Почему?
Задача №28 Как располагается свободная поверхность нефти в цистерне, когда электровоз набирает скорость? когда он замедляет ход? Сопроводите свой ответ рисунками.
Задача №29 Поезд подходит к станции и замедляет своё движение. В каком направлении в это время легче тащить по полу вагона тяжёлый чемодан – по ходу поезда или в обратную сторону?
Ответ: По ходу поезда.
Задача №30 Почему после выключения двигателя сверлильного станка (электродрели) патрон продолжает вращаться?
Инерция в военной технике :: Артиллерия
Усыпенко Фёдор Павлович (1917–2000) – советский живописец, член Союза художников СССР. Народный художник РСФСР.
Для любознательных: Явление инерции использовано при устройстве взрывателей артиллерийских снарядов. Когда снаряд, ударяясь о препятствие, внезапно останавливается, взрывной капсюль, помещающийся внутри снаряда, но не связанный жёстко с его корпусом, продолжает двигаться по инерции и наскакивает на жало взрывателя, связанного с корпусом. Подобным же образом значительное ускорение, получаемое снарядом в момент выстрела, используется для того, чтобы отвести предохранитель, устраняющий опасность взрыва снаряда при его хранении, при перевозке или при заряжении орудия.
Задача №31 Все крупинки точильного камня двигаются вместе с ним по окружности. Но как только крупинка откалывается от камня, её движение становится прямолинейным. Почему?
Задача №32 Чтобы столбик ртути в медицинском термометре опустился, термометр «встряхивают» – опускают вниз, а затем резко останавливают. Какова причина опускания столбика ртути?
Ответ: В момент резкой остановки корпуса термометра ртуть по инерции продолжает движение и опускается.
Задача №33 Зачем велосипедист, приближаясь к подъёму дороги, увеличивает скорость движения?
Задача №34 Для чего делают разбег при прыжках в длину и в высоту? Почему легче перепрыгнуть через лужу, ручеёк, арык с разбега?
Задача №35 Почему удары о наковальню паровых молотов сотрясают почву гораздо меньше при тяжёлых наковальнях, чем при более лёгких? Почему наковальня должна быть значительно массивнее молота?
Задача №36 Почему полную чашку чая или тарелку супа нельзя резко и быстро поставить на стол не разлив?
Задача №37 Есть два способа колки поленьев. В первом случае полено ударяют быстро движущимся топором. Во втором – слабым ударом загоняют топор в полено, а потом, взмахнув топором с насаженным поленом, бьют обухом о колодку. Объясните механические явления, наблюдаемые при этом.
Ответ: В том случае, когда колют дрова, ударяя по полену топором, он, продолжая движение вследствие инертности, входит глубоко в неподвижное полено. Когда же ударяют обухом топора, частично вошедшего в полено о колодку, на которой колют дрова, топор останавливается, а полено продолжает движение вследствие инертности и раскалывается.
Задача №38 Что произойдёт с наездником, если лошадь, прыгая через препятствие, споткнётся?
Ответ: При резкой остановке лошади всадник, двигаясь по инерции, упадёт вперёд через голову коня.
Задача №39 Почему линейка, подвешенная на бумажных кольцах, при резком ударе по ней переламывается, а кольца остаются целыми?
Задача №40 Положите на стакан почтовую открытку, а на открытку положите монету. Ударьте по открытке щелчком. Почему открытка отлетает, а монета падает в стакан?
Ответ: Вследствие инертности монеты и недостаточного взаимодействия монеты и открытки.
И в заключение… немножечко из истории физики…
Рене Декарт (Rene Descartes; 31.03.1596–11.02.1650) – французский философ, математик, механик, физик и физиолог, создатель аналитической геометрии и современной алгебраической символики.
Галилеев принцип инерции – первый закон механики Ньютона
о сущности движения и системе мира… геоцентрическая система:Земля неподвижна, а Солнце ходит вокруг Земли гелиоцентрическая система:Земля вращается вокруг Солнца
ДвижениеДвиженья нет, сказал мудрец брадатый. Другой смолчал и стал пред ним ходить. Сильнее бы не мог он возразить; Хвалили все ответ замысловатый. Но, господа, забавный случай сей Другой пример на память мне приводит: Ведь каждый день пред нами солнце ходит, Однако ж прав упрямый Галилей. 1825 г. Александр Сергеевич Пушкин
Галилео Галилей (Galileo Galilei; 15.02.1564–08.01.1642) – итальянский физик, механик, астроном, философ и математик. Галилео Галилея по праву называют отцом-основателем экспериментальной физики. Юстус Сустерманс (Justus Sustermans; 1597–1681) – фламандский живописец эпохи барокко.
В первой части своего стихотворения «Движение» Александр Сергеевич Пушкин описывает спор древнегреческих учёных о сущности движения. Во второй части он имеет в виду существование двух противоположных систем мира – геоцентрической (Земля неподвижна, а Солнце ходит вокруг Земли) и гелиоцентрической (Земля вращается вокруг Солнца), созданных Клавдием Птолемеем и Николаем Коперником. Не напрасно упомянут здесь и упрямый ;-) Галилео Галилей.
В 1632 году во Флоренции вышел в свет труд Галилео Галилея «Диалог о двух главнейших системах мира» (о геоцентрической системе Птолемея и гелиоцентрической системе мира Коперника). В нём Галилей заложил основы динамики – принцип инерции и классический принцип относительности.
Николай Коперник (Nicolaus Copernicus; 19.02.1473–24.05.1543) – польский астроном, математик, механик, автор гелиоцентрической системы мира, положившей начало первой научной революции. Ян Алоизий Матейко (Jan Alojzy Matejko; 24.06.1838–01.11.1893) – польский живописец, автор батальных и исторических полотен.
В 1687 году Исаак Ньютон сформулировал законы динамики. Стали понятными и поддающимися расчёту не только движение планет вокруг Солнца, но и гораздо более сложные явления. В качестве первого закона динамики Исаак Ньютон принял Галилеев принцип инерции. Галилей сформулировал этот принцип в виде следствия из проведённых им опытов при изучении падения тел по наклонной плоскости. Галилей не различал понятий «сила» и «вес», поэтому установленный им принцип инерции не претендовал на фундаментальный закон природы. Ньютон же поставил закон инерции (Галилеев принцип инерции) во главу всей своей системы механики.
В современной формулировке принцип инерции утверждает, что всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не выводит его из этого состояния.
Исаак Ньютон (Sir Isaac Newton; 04.01.1643–31.03.1727) – английский физик, математик, механик и астроном, один из создателей классической физики. Автор фундаментального труда «Математические начала натуральной философии», в котором он изложил закон всемирного тяготения и три закона механики, ставшие основой классической механики. Торнхилл Джеймс (James Thornhill; 25.07.1675–13.05.1734) – английский живописец, основоположник исторической английской живописи.
Литература: § Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физикиМосква: издательство «Просвещение», 1988 § Лукашик В.И. Физическая олимпиадаМосква: издательство «Просвещение», 1987 § Тарасов Л.В. Физика в природеМосква: издательство «Просвещение», 1988 § Перельман Я.И. Знаете ли вы физику?Домодедово: издательство «ВАП», 1994 § Золотов В.А. Вопросы и задачи по физике 6-7 классМосква: издательство «Просвещение», 1971 § Тульчинский М.Е. Качественные задачи по физикеМосква: издательство «Просвещение», 1972 § Кириллова И.Г. Книга для чтения по физике 6-7 классМосква: издательство «Просвещение», 1978 § Ердавлетов С.Р., Рутковский О.О. Занимательная география КазахстанаАлма-Ата: издательство «Мектеп», 1989.