Вы здесь

Деревянный шарик плавает в керосине как изменится сила тяжести


Разбор 6 задания ЕГЭ 2020 по физике из демоверсии

Разбор 6 задания ЕГЭ 2020 по физике из демонстрационного варианта. Проверяемые элементы содержания: механика (изменение физических величин в процессах).

Деревянный шарик плавает в стакане с водой. Как изменятся сила тяжести, действующая на шарик, и глубина погружения шарика в жидкость, если он будет плавать в подсолнечном масле?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1) увеличится
2) уменьшится
3) не изменится

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Сила тяжести, действующая на шарик Глубина погружения шарика в жидкость
   

Разбор 6 задания ЕГЭ 2020 по физике

Сила тяжести равна: Fтяж = mg. Масса шарика не изменяется, поэтому не изменится и сила тяжести, действующая на него.

Глубина погружения шарика определяется силой тяжести и силой Архимеда, шарик находится в покое при равенстве этих сил: Fтяж = mg = Fарх = ρgVпогр. Чем меньше плотность жидкости, тем сильнее погружается шарик в жидкость. Плотность подсолнечного масла меньше плотности воды, следовательно, глубина погружения шарика в подсолнечном масле будет больше (увеличится).

Ответ:
31

Как работает гравитация и можно ли когда-либо создать искусственную гравитацию в космосе?

Мы испытываем гравитацию в каждый момент нашей жизни, даже не задумываясь об этом. Но что это такое и понимаем ли мы это на самом деле?

Здесь мы кратко исследуем наше нынешнее понимание гравитации и исследуем, сможем ли мы когда-либо искусственно создать ее в космосе.

СВЯЗАННЫЙ: 5 РАЗУМНЫХ ФАКТОВ О ГРАВИТАЦИИ

Как гравитация работает на Земле?

Как гласит известная пословица, «То, что идет вверх, должно упасть».Но почему? Что происходит?

Хотя мы действительно только начали понимать, что это такое, над этим явлением размышляли тысячелетия.

Греческие философы, например, когда-то думали, что планеты и звезды являются частью царства богов. По их оценке, они были подвержены тому, что они называли «естественным движением».

Хотя они не разработали эту концепцию, она оставалась доминирующей идеей в западной мысли до работ Галилея и Браге в 16 веке.

Их работа поможет произвести революцию в нашем понимании гравитации, что в конечном итоге приведет к Исааку Ньютону.

Гравитация, как утверждал Ньютон, - это сила, удерживающая Землю на орбите вокруг Солнца. Как вы, возможно, помните из школьных дней, гравитацию обычно определяют как:

«Сила, с которой планета или другое тело притягивает объекты к своему центру. Сила тяжести удерживает все планеты на орбите вокруг Солнца. " - НАСА.

Другими словами, все, что обладает массой, оказывает силу на любое другое, обладающее массой, и на него действует сила.Чем больше масса объектов и чем короче расстояние между ними, тем сильнее гравитационные силы, которые они оказывают друг на друга.

Каждый раз, когда вы подпрыгиваете в воздухе, случайно сбиваете что-то со стола или бросаете мяч в парке, чтобы ваша собака поймала его, вы интуитивно понимаете последствия своих действий. Все они, в конце концов, возвращаются на землю.

Эйнштейн позже предложил совершенно иное объяснение гравитации, чем Ньютон.Согласно его теориям, гравитация - это кривизна в пространственно-временном континууме. Масса объекта заставляет пространство вокруг него по существу искривляться и искривляться. Это искажает путь, по которому должны проходить объекты (и свет), создавая эффект, который мы «ощущаем» как гравитация.

Фактически, любой объект, «пойманный» гравитацией другого небесного тела, подвергается воздействию, потому что пространство, в котором он движется, искривлено в сторону этого объекта.

Эйнштейн также ввел понятие «принцип эквивалентности».«Здесь говорится, что силы гравитации и инерции имеют схожую природу и часто неразличимы.

Чтобы проиллюстрировать это, представьте, что вы находитесь в ракетном корабле без окон и не можете видеть внешнюю вселенную из своего окружения. Невозможно определить, является ли направленная вниз сила, которую вы ощущаете как сила тяжести, реальной силой или следствием ускорения ракеты в определенном направлении

Понимаем ли мы гравитацию?

Проще говоря, да и также нет.Хотя это одно из наиболее широко изученных природных явлений во Вселенной, мы все еще не понимаем его.

Как мы видели, Исаак Ньютон и Эйнштейн добились значительного прогресса в понимании гравитации, но мы все еще не совсем уверены, что это такое и есть ли это вообще.

Согласно Эйнштейну, гравитация - это скорее следствие искривления пространства-времени, чем истинная сила сама по себе.

Что мы действительно знаем, так это то, что тела с массой притягиваются друг к другу.Эта «сила» зависит от расстояния и ослабевает по мере удаления тел.

Это тоже измеримое явление и одна из самых слабых сил в природе. Подумайте, например, о своем обычном магните на холодильник. Они легко способны противостоять гравитации чего-то столь же массивного, как Земля. Вы также можете избежать воздействия гравитации, хотя и временно, просто прыгнув.

Но эта связь, кажется, полностью разрушается на квантовом уровне. Это просто не подходит, и мы не знаем почему.

По большому счету, наши текущие теории гравитации довольно полезны для помощи в предсказании поведения больших объектов, но в крошечном квантовом масштабе текущие теории гравитации не работают.

Это одна из самых больших проблем современной физики. Многие физики надеются однажды создать единую теорию макро- и квантовой физики, которая поможет объяснить происходящее.

Как нам помогает гравитация?

Гравитация - одна из самых фундаментальных «сил» во Вселенной.Помимо споров о том, как это работает, независимо от силы тяжести, это очень важный элемент для жизни на нашей планете.

Гравитация - это причина того, что объекты на Земле имеют вес, а не просто уплывают в космос. Если бы вы жили на планете с меньшей массой, вы бы меньше весили и могли бы прыгать намного выше.

Гравитация также удерживает Землю в так называемой «зоне Златовласки» - расстоянии от нашего Солнца, где вода может существовать в жидкой форме. Это так уж и важно для жизни.

Гравитация также помогает удерживать атмосферу Земли на месте, давая нам воздух для дыхания. Марс, например, меньше половины размера Земли и около одной десятой массы Земли. Меньшая масса означает меньшее гравитационное притяжение, и на самом деле атмосфера Марса всего на 1/100 плотнее Земли.

Гравитация также играет роль в сохранении целостности нашей планеты. Гравитация также удерживает Луну на орбите вокруг Земли. Гравитационное притяжение луны притягивает к себе моря, вызывая океанские приливы.

Но, что интересно, сила гравитации не одинакова во всех местах на Земле. Он немного сильнее над местами с гораздо большей массой под землей, чем над местами с меньшей массой.

Мы знаем это благодаря двум космическим кораблям НАСА и их миссии по гравитационному восстановлению и климатическому эксперименту (GRACE).

Источник: NASA / Wikimedia Commons

«GRACE обнаруживает крошечные изменения силы тяжести с течением времени. Эти изменения позволили выявить важные детали о нашей планете.Например, GRACE отслеживает изменения уровня моря и может обнаруживать изменения в земной коре, вызванные землетрясениями ». - spaceplace.nasa.gov.

Можно ли создать гравитацию?

Как мы уже видели, Эйнштейн предположил, что гравитация - это на самом деле следствие искажения пространства-времени, вызванного различными телами. По этой причине должна существовать возможность создания искусственной гравитации, по крайней мере, в пустоте космоса.

Что необходимо, так это обеспечить средство ускорения в одном направлении это должно, согласно Эйнштейну, производить эффект, подобный гравитации.Это может быть достигнуто посредством линейного ускорения, как ракета, или посредством углового момента, то есть центростремительного эффекта или ускорения.

Это общая тема во многих научно-фантастических книгах и фильмах. Подумайте, например, о вращающемся космическом корабле в «2001: Космическая одиссея».

Пока корабль достаточно велик, он должен иметь возможность воздействовать на своих пассажиров силой, которая была бы почти неотличима от земной гравитации. Однако это будет не совсем то же самое, потому что также будут присутствовать большие силы Кориолиса, и все будет падать по кривым, а не по прямым линиям.

Этому также присущи некоторые проблемы. Чем быстрее что-то ускоряется, тем больше гравитационное притяжение или перегрузки действуют на пассажиров.

Это не проблема для стационарного корабля, такого как космическая станция, но для кораблей, которым необходимо преодолевать большие расстояния с большим ускорением, это может оказаться катастрофическим для экипажа.

Если бы корабль двигался со скоростью, составляющей лишь небольшую часть скорости света, экипаж, вероятно, испытал бы нечто большее, чем 4000 gs .То есть, согласно статье в Forbes, более чем в 100 раз больше ускорения, необходимого для предотвращения кровотока в вашем теле - вероятно, не идеально.

Предполагается, что это можно обойти, используя электромагниты и проводящие «полы» на кораблях, но у вас все еще будет проблема «нисходящей» силы. Вероятно, не существует средств «защиты» экипажа от воздействия силы тяжести при высоких скоростях в космосе.

Единственный способ справиться с этим в будущем может заключаться в развитии некоторой формы отрицательного или антигравитационного поля.Однако, как и вся материя, у нас есть по крайней мере некоторая положительная масса, поэтому нам понадобится способ создать отрицательную гравитационную массу.

Это именно то, над чем работают в эксперименте ALPHA в ЦЕРН. Исследователи работают с захваченными атомами антиводорода, аналогом водорода из антивещества.

Путем точного сравнения водорода и антиводорода, эксперимент надеется изучить фундаментальные симметрии между материей и антивеществом. В конечном итоге это может привести к измерению гравитационного ускорения антивещества.

Если будет обнаружено, что антивещество ускоряется в присутствии гравитационного поля на поверхности Земли при отрицательном значении (например, при значении, отличном от +9,8 м / с 2 ), это теоретически позволило бы построение гравитационного проводника, чтобы защитить себя от гравитационной силы.

«Если он станет достаточно чувствительным, мы сможем затем измерить, как он падает в гравитационном поле. Если он падает, то же самое, что и обычная материя, тогда у него положительная гравитационная масса, и мы не можем использовать его для создания гравитационный проводник.Но если он падает в гравитационном поле, это все меняет. С единственным экспериментальным результатом искусственная гравитация внезапно стала бы физической возможностью ». - Forbes.

В случае успеха это также могло бы открыть дверь для гравитационного конденсатора, чтобы создать однородное поле искусственной гравитации. Это могло бы даже теоретически позволить создание "варп-двигателя" - способа деформировать пространство-время.

"Но до тех пор, пока мы не обнаружим частицу (или набор частиц) с отрицательной гравитационной массой, искусственная гравитация будет возникать только за счет ускорения, независимо от того, насколько мы умны являются.»- Forbes.

.

Что такое гравитация? | Космическое пространство НАСА - Наука НАСА для детей

Гравитация - это сила, с помощью которой планета или другое тело притягивает объекты к своему центру. Сила гравитации удерживает все планеты на орбите вокруг Солнца.


Что еще делает гравитация?

Почему вы приземляетесь на землю, когда подпрыгиваете, а не летите в космос? Почему вещи падают, когда вы их бросаете или роняете? Ответ - гравитация: невидимая сила, притягивающая объекты друг к другу.Гравитация Земли - это то, что удерживает вас на земле и заставляет все падать.

Анимация силы тяжести в действии. Альберт Эйнштейн описал гравитацию как кривую в пространстве, которая огибает объект, например, звезду или планету. Если рядом находится другой объект, он втягивается в кривую. Изображение предоставлено: НАСА

.

Все, что имеет массу, также обладает гравитацией. Объекты с большей массой имеют большую гравитацию. С увеличением расстояния гравитация также ослабевает. Итак, чем ближе объекты друг к другу, тем сильнее их гравитационное притяжение.

Гравитация Земли обусловлена ​​всей ее массой. Вся его масса создает совокупное гравитационное притяжение на всю массу вашего тела. Вот что дает вам вес. А если бы вы были на планете с массой меньше Земли, вы бы весили меньше, чем здесь.

Изображение предоставлено НАСА

Вы действуете на Землю с той же силой гравитации, что и на вас. Но поскольку Земля намного массивнее вас, ваша сила на самом деле не влияет на нашу планету.


Гравитация в нашей Вселенной

Гравитация - это то, что удерживает планеты на орбите вокруг Солнца и что удерживает Луну на орбите вокруг Земли. Гравитационное притяжение луны притягивает к себе моря, вызывая океанские приливы. Гравитация создает звезды и планеты, собирая воедино материал, из которого они сделаны.

Гравитация воздействует не только на массу, но и на свет. Альберт Эйнштейн открыл этот принцип. Если вы направите фонарик вверх, свет станет незаметно более красным по мере того, как его тянет гравитация.Вы не можете увидеть изменения своими глазами, но ученые могут их измерить.

Черные дыры упаковывают столько массы в такой маленький объем, что их сила тяжести достаточно сильна, чтобы удержать что-либо, даже легкий, от ускользания.


Гравитация на Земле

Гравитация очень важна для нас. Без него мы не могли бы жить на Земле. Гравитация Солнца удерживает Землю на орбите вокруг себя, удерживая нас на удобном расстоянии, чтобы наслаждаться солнечным светом и теплом.Он удерживает нашу атмосферу и воздух, которым нам нужно дышать. Гравитация - это то, что скрепляет наш мир.

Однако гравитация не везде на Земле одинакова. Гравитация немного сильнее в местах с большей массой под землей, чем в местах с меньшей массой. НАСА использует два космических аппарата для измерения этих вариаций силы тяжести Земли. Эти космические корабли являются частью миссии Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE).

Миссия GRACE помогает ученым создавать карты вариаций силы тяжести на Земле.Области синего цвета имеют немного меньшую гравитацию, а области красного цвета - немного более сильную. Изображение предоставлено: НАСА / Центр космических исследований Техасского университета

GRACE обнаруживает крошечные изменения силы тяжести с течением времени. Эти изменения раскрыли важные подробности о нашей планете. Например, GRACE отслеживает изменения уровня моря и может обнаруживать изменения земной коры, вызванные землетрясениями.


.

Что такое гравитационная волна?

Краткий ответ:

Гравитационная волна - это невидимая (но невероятно быстрая) рябь в космосе. Гравитационные волны движутся со скоростью света (186 000 миль в секунду). Эти волны сжимают и растягивают все на своем пути, когда проходят мимо.

Гравитационная волна - это невидимая (но невероятно быстрая) рябь в космосе.

Мы давно знаем о гравитационных волнах.Более 100 лет назад великий ученый по имени Альберт Эйнштейн высказал множество идей о гравитации и пространстве.

Альберт Эйнштейн, официальный лауреат Нобелевской премии 1921 года по физике.

Эйнштейн предсказал, что когда два тела, например планеты или звезды, вращаются вокруг друг друга, происходит нечто особенное. Он считал, что такое движение может вызвать рябь в космосе. Эта рябь будет распространяться, как рябь в пруду, когда в нее бросают камень.Ученые называют эту рябь пространства гравитационными волнами .

Гравитационные волны невидимы. Однако они невероятно быстрые. Они движутся со скоростью света (186 000 миль в секунду). Гравитационные волны сжимают и растягивают все на своем пути, проходя мимо.

Иллюстрация того, как масса искривляет пространство. Предоставлено: НАСА

.

Что вызывает гравитационные волны?

Самые мощные гравитационные волны создаются, когда объекты движутся с очень высокой скоростью.Вот некоторые примеры событий, которые могут вызвать гравитационную волну:

  • , когда звезда взрывается асимметрично (так называемая сверхновая)
  • , когда две большие звезды вращаются вокруг друг друга
  • , когда две черные дыры вращаются вокруг друг друга и сливаются

Художественная анимация гравитационных волн, созданных слиянием двух черных дыр. Предоставлено: LIGO / T. Пайл

Но до этих типов объектов, создающих гравитационные волны, очень далеко.А иногда эти события вызывают только небольшие, слабые гравитационные волны. К тому времени, когда они достигают Земли, волны становятся очень слабыми. Это затрудняет обнаружение гравитационных волн.


Как мы узнаем о существовании гравитационных волн?

В 2015 году ученые впервые обнаружили гравитационные волны. Они использовали очень чувствительный инструмент под названием LIGO (лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория). Эти первые гравитационные волны возникли, когда две черные дыры столкнулись друг с другом.Столкновение произошло 1,3 миллиарда лет назад. Но рябь не доходила до Земли до 2015 года!

LIGO состоит из двух обсерваторий: одной в Луизиане и одной в Вашингтоне (вверху). Каждая обсерватория имеет два длинных «рукава», длина каждого из которых превышает 2 мили (4 километра). Предоставлено: Caltech / MIT / LIGO Lab

.

Эйнштейн был прав!

Первое обнаружение гравитационных волн было очень важным событием в науке. До этого почти все, что мы знали о Вселенной, было получено в результате изучения световых волн.Теперь у нас есть новый способ узнать о Вселенной - изучая волны гравитации.

Гравитационные волны помогут нам узнать много нового о нашей Вселенной. Мы также можем узнать больше о самой гравитации!


Как обнаруживаются гравитационные волны?

Когда гравитационная волна проходит мимо Земли, она сжимает и растягивает пространство. LIGO может обнаружить это сжатие и растяжение. Каждая обсерватория LIGO имеет два «рукава», длина каждого из которых превышает 2 мили (4 километра).Проходящая гравитационная волна вызывает небольшое изменение длины плеч. Обсерватория использует лазеры, зеркала и чрезвычайно чувствительные инструменты для обнаружения этих крошечных изменений.

Посмотрите анимацию ниже, чтобы увидеть, как это работает!


Связанные ресурсы для преподавателей

Моделирование гравитационных волн
Падение гравитационных волн

.

Что такое сила тяжести? | Живая наука

Гравитация - одна из четырех фундаментальных сил во Вселенной, наряду с электромагнетизмом, сильными и слабыми ядерными силами. Несмотря на то, что гравитация является повсеместной и важной для удержания наших ног от отрыва от Земли, она остается в значительной степени загадкой для ученых.

Древние ученые, пытающиеся описать мир, придумали свои собственные объяснения того, почему вещи падают на землю. По словам физика Ричарда Фицпатрика из Техасского университета, греческий философ Аристотель утверждал, что объекты имеют естественную тенденцию перемещаться к центру Вселенной, который, как он считал, является серединой Земли.

Но позже светила сместили нашу планету с ее первоначального положения в космосе. Польский эрудит Николас Коперник понял, что пути планет в небе имеют гораздо больший смысл, если Солнце является центром Солнечной системы. Британский математик и физик Исаак Ньютон расширил идеи Коперника и пришел к выводу, что, когда солнце тянет за собой планеты, все объекты оказывают притяжение друг на друга.

В своем знаменитом трактате 1687 года «Philosophiae naturalis Principia mathematica» Ньютон описал то, что теперь называется его законом всемирного тяготения.Обычно это записывается как:

F g = G (m 1 ∙ m 2 ) / r 2

Где F - сила тяжести, m1 и m2 - массы двух объектов и r - расстояние между ними. G, гравитационная постоянная, является фундаментальной константой, значение которой должно быть обнаружено экспериментально.

Закон всемирного тяготения Ньютона гласит, что сила тяжести прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.По данным PBS Nova, в 40 раз (это цифра 1, за которой следует 40 нулей) слабее электромагнетизма.

В то время как эффекты гравитации можно ясно увидеть в масштабе таких вещей, как планеты, звезды и галактики, силу тяжести между обычными объектами чрезвычайно трудно измерить. В 1798 году британский физик Генри Кавендиш провел один из первых в мире высокоточных экспериментов, чтобы попытаться точно определить значение G, гравитационной постоянной, как сообщалось в Proceedings of the National Academy of Science's Front Matter.

Кавендиш построил так называемые торсионные весы, прикрепив два маленьких свинцовых шарика к концам балки, подвешенной горизонтально на тонкой проволоке. Рядом с каждым маленьким шариком он поместил большую свинцовую гирю сферической формы. Маленькие свинцовые шарики гравитационно притягивались к тяжелым свинцовым грузам, из-за чего проволока слегка скручивалась и позволяла ему вычислить G.

Примечательно, что оценка Кавендиша для G была всего на 1% ниже его современного принятого значения. 6,674 × 10 ^ −11 м ^ 3 / кг ^ 1 * с ^ 2.Известно, что большинство других универсальных констант имеют гораздо более высокую точность, но из-за того, что гравитация настолько мала, ученые должны разработать невероятно чувствительное оборудование, чтобы попытаться измерить ее эффекты. До сих пор более точное значение G ускользало от их инструментов.

Немецко-американский физик Альберт Эйнштейн совершил следующую революцию в нашем понимании гравитации. Его общая теория относительности показала, что гравитация возникает из-за кривизны пространства-времени, а это означает, что даже лучи света, которые должны следовать этой кривизне, отклоняются чрезвычайно массивными объектами.

Теории Эйнштейна использовались для предположений о существовании черных дыр - небесных сущностей с такой большой массой, что даже свет не может покинуть их поверхности. Вблизи черной дыры закон всемирного тяготения Ньютона больше не описывает точно, как движутся объекты, но, скорее, уравнения тензорного поля Эйнштейна имеют приоритет.

С тех пор астрономы обнаружили настоящие черные дыры в космосе, и им даже удалось сделать детальный снимок колоссальной дыры, которая живет в центре нашей галактики.Другие телескопы видели эффекты черных дыр по всей Вселенной.

Согласно Minute Physics, применение закона тяготения Ньютона к очень легким объектам, таким как люди, клетки и атомы, остается неисследованной границей. Исследователи предполагают, что такие сущности притягиваются друг к другу, используя те же гравитационные правила, что и планеты и звезды, но из-за того, что гравитация настолько мала, трудно сказать наверняка.

Возможно, атомы притягиваются друг к другу гравитационно со скоростью, равной единице на их расстоянии в кубе, а не в квадрате - наши современные инструменты не могут сказать.Новые скрытые аспекты реальности могли бы стать доступными, если бы только мы могли измерить такие незначительные гравитационные силы.

Вечная сила тайны

Гравитация сбивает ученых с толку и по другим причинам. Стандартная модель физики элементарных частиц, которая описывает действия почти всех известных частиц и сил, не учитывает гравитацию. Хотя свет переносится частицей, называемой фотоном, физики понятия не имеют, существует ли эквивалентная частица для гравитации, которую можно было бы назвать гравитоном.

Объединение гравитации в теоретические рамки с квантовой механикой, еще одно важное открытие сообщества физиков 20-го века, остается незавершенной задачей. Такая теория всего, как известно, может никогда не осуществиться.

Но гравитация все еще используется для обнаружения монументальных находок. В 1960-х и 1970-х годах астрономы Вера Рубин и Кент Форд показали, что звезды на краях галактик вращаются по орбите быстрее, чем должно быть. Это было похоже на то, как если бы какая-то невидимая масса притягивала их гравитационно, обнажая материал, который мы теперь называем темной материей.

В последние годы ученым также удалось зафиксировать еще одно следствие теории относительности Эйнштейна - гравитационные волны, излучаемые при вращении массивных объектов, таких как нейтронные звезды и черные дыры. С 2017 года Гравитационно-волновая обсерватория с лазерным интерферометром (LIGO) открыла новое окно во Вселенную, обнаружив чрезвычайно слабый сигнал таких событий.

Дополнительные ресурсы:

.

Смотрите также