Інформація для вчителів
Застосування
Схема досліду
Енергія належить до найважливіших фізичних величин. Вона визначає наше повсякдення в багатьох речах: ми маємо споживати енергію у вигляді їжі, і нам потрібна енергія, щоб їздити автомобілем. Усі електричні прилади перетворюють енергію, ми опалюємо енергією наші будинки і багато іншого.
Приклад перетворення енергії - використання потенціальної енергії води у водосховищі, яка перетворюється на кінетичну енергію. Ця енергія руху води, що мчить донизу трубами, врешті обертає турбіни й генератори, які потім перетворюють кінетичну енергію на електричну.
Інша інформація для вчителів (1/2)
Попередні знання
Учні мають знати різницю між потенціальною та кінетичною енергією, а також уміти обчислювати швидкість зі шляху й часу. Учні мають самостійно вміти визначати кутовий коефіцієнт наближено лінійної залежності.
Принцип
Закон збереження енергії стверджує, що повна енергія замкненої системи завжди лишається сталою і лише перетворюється з однієї форми на іншу.
Інша інформація для вчителів (2/2)
Навчальна мета
У цьому досліді учні мають зрозуміти перетворення потенціальної енергії на кінетичну і побачити суть закону збереження енергії. Учні мають виявити пропорційність кінетичної енергії квадрату швидкості і визначити коефіцієнт пропорційності .
Завдання
- Учні пускають вимірювальний візок з'їхати шлях і вимірюють час затінення . За допомогою і ширини затемнювальної шторки вони потім визначають швидкість .
- Далі вони обчислюють із шляху розгону потенціальну енергію і відкладають її залежно від . Кутовий коефіцієнт відповідає множнику , розмірність якого потрібно визначити.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Інформація для учнів
Мотивація
Гребля Гувера в Аризоні
Енергія належить до найважливіших фізичних величин. Вона визначає наше повсякдення в багатьох речах: ми маємо споживати енергію у вигляді їжі, і нам потрібна енергія, щоб їздити автомобілем. Усі електричні прилади перетворюють енергію, ми опалюємо енергією наші будинки і багато іншого.
Приклад перетворення енергії - використання потенціальної енергії води у водосховищі, яка перетворюється на кінетичну енергію. Ця енергія руху води, що мчить донизу трубами, врешті обертає турбіни й генератори, які потім перетворюють кінетичну енергію на електричну. У цьому досліді потенціальна енергія вимірювального візка перетворюється на кінетичну.
Завдання
- Пусти вимірювальний візок рухатися доріжкою, розганяючись під дією своєї сили тяжіння. Потім визнач швидкість вимірювального візка на кінцевій ділянці шляху, вимірюючи часи затінення світлового бар'єра для різних шляхів .
- Обчисли з шляхів розгону і відповідної різниці висот тягарця, а також маси , перетворену потенціальну енергію і зістав її з квадратом швидкості .
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Cobra SMARTsense - світловий бар'єр, 0 … ∞ с (Bluetooth) | 12909-00 | 1 |
| 2 | Напрямна доріжка, l = 900 мм | 11606-00 | 1 |
| 3 | Масштабна лінійка, l = 500 мм, самоклейна | 03005-00 | 1 |
| 4 | Вимірювальний та експериментальний візок | 11060-00 | 1 |
| 5 | Затемнювальна шторка для вимірювального візка | 11060-10 | 1 |
| 6 | Утримувальний болт | 03949-00 | 1 |
| 7 | Перехідна пластина для вилкоподібних фотоворіт, компактних | 11207-22 | 1 |
| 8 | Шнур, поліестер, на котушці, l = 200 м | 02412-00 | 1 |
| 9 | Тримач тягарців, сріблясте бронзування, 1 г | 02407-00 | 1 |
| 10 | Прорізний тягарець, чорне лакове покриття, 50 г, конструкція PHY | 02206-01 | 3 |
| 11 | Прорізний тягарець, чорне лакове покриття, 10 г, конструкція PHY | 02205-01 | 4 |
| 12 | Блок, рухомий, d=40 мм, з гаком | 03970-00 | 1 |
| 13 | Стрижень для блоку | 02263-00 | 1 |
| 14 | measureAPP - безкоштовне вимірювальне програмне забезпечення для всіх пристроїв | 14581-61 | 1 |
Складання (1/6)
Для вимірювання датчиками Cobra SMARTsense потрібен PHYWE measureAPP. Застосунок можна безкоштовно завантажити у відповідному магазині застосунків (QR-коди див. нижче). Перед запуском застосунку перевір, чи ввімкнено на твоєму пристрої (смартфон, планшет, настільний ПК) Bluetooth.
iOS
Android
Windows
Складання (2/6)
З'єднай напрямний блок зі стрижнем-тримачем і потім обережно всунь стрижень під притискні скоби на кінці напрямної доріжки. Для цього злегка підніми скоби пальцями. Розташуй доріжку на краю столу так, щоб блок міг вільно обертатися.
Візьми вимірювальний візок, закріпи на ньому утримувальний болт, затемнювальну шторку і дві маси по 50 г.
Складання (3/6)
Нахили доріжку так, щоб злегка підштовхнутий візок котився далі якомога рівномірніше. Для цього постав регулювальний гвинт на іншому кінці доріжки на тягарці з прорізом і відрегулюй ним нахил. Потім протягни кінець нитки крізь отвір утримувального болта на нижньому боці візка, виведи її ззаду на верхній бік візка і прив'яжи до утримувального болта.
Складання (4/6)
Прив'яжи інший кінець нитки до тримача тягарців масою 1 г і навантаж її тягарцем із прорізом на 10 г. Добери довжину нитки так, щоб тарілка з тягарцем торкалася підлоги, коли візок перебуває приблизно за 15 см до кінця доріжки. Тепер поклади нитку на блок. Нитка має проходити вище осі візка і паралельно до доріжки.
Складання (5/6)
З'єднання перехідних пластин зі світловим бар'єром
З'єднай перехідну пластину зі світловим бар'єром A так, щоб його було зручно поставити біля напрямної доріжки, а затемнювальна шторка візка проходила крізь бар'єр, ні за що не зачіпаючись.
Складання (6/6)
Вибір режиму вимірювання в measureAPP
Увімкни світловий бар'єр і з'єднай його з measureAPP: для цього вибери бар'єр у меню «Сенсори».
У меню, що з'явиться, вибери варіант «Час затінення». Тоді вимірюватиметься час затінення бар'єра, з якого можна визначити швидкість візка.
Наостанок увімкни цифрове відображення виміряних значень.
Виконання (1/2)
Цифровий показ виміряних значень у measureAPP
- Постав візок на доріжці в тому місці, де тарілка з тягарцем при натягнутій нитці саме торкається підлоги.
- Постав світловий бар'єр біля доріжки так, щоб пластина перервала промінь якомога швидше після того, як тягарець досягне підлоги.
- Тепер зсунь візок від цього місця вгору на відстань . При цьому тягарець піднімається на ту саму відстань . Отже, тепер відстань дорівнює висоті тягарця над підлогою.
Виконання (2/2)
Цифровий показ виміряних значень у measureAPP
- Перевір, чи справді нитка лежить на напрямному блоці і чи вільно він обертається.
- Запусти вимірювання, відпусти візок, не підштовхуючи його, і злови його за світловим бар'єром.
- Заверши вимірювання і зчитай час затінення .
- Повтори вимірювання, щоразу збільшуючи шлях , на який візок піднімає тягарець, кроками по 10 см до .
- Усі одержані значення запиши в таблицю 1 у протоколі.
Протокол
Таблиця 1
Внеси виміряні часи затінення у таблицю.
Обчисли з часів затінення і ширини затемнювальної шторки кінцеві швидкості візка. Внеси значення в другу колонку.
Обчисли потенціальну енергію , де , і квадрат досягнутих швидкостей .
h = 10 см: t [с]:
h = 10 см: v [см/с]:
h = 10 см: E_pot [Н·м]:
h = 10 см: v^2 [м^2/с^2]:
h = 20 см: t [с]:
h = 20 см: v [см/с]:
h = 20 см: E_pot [Н·м]:
h = 20 см: v^2 [м^2/с^2]:
10
20
30
40
50
60
h = 30 см: t [с]:
h = 30 см: v [см/с]:
h = 30 см: E_pot [Н·м]:
h = 30 см: v^2 [м^2/с^2]:
h = 40 см: t [с]:
h = 40 см: v [см/с]:
h = 40 см: E_pot [Н·м]:
h = 40 см: v^2 [м^2/с^2]:
h = 50 см: t [с]:
h = 50 см: v [см/с]:
h = 50 см: E_pot [Н·м]:
h = 50 см: v^2 [м^2/с^2]:
h = 60 см: t [с]:
h = 60 см: v [см/с]:
h = 60 см: E_pot [Н·м]:
h = 60 см: v^2 [м^2/с^2]:
Завдання 1
Візьми аркуш паперу і побудуй на ньому графік. На цьому графіку відклади потенціальну енергію (вісь ) залежно від квадрата швидкості (вісь ).
Завдання 2
Питання
Завдання 3
Визнач значення повної розганяної маси (: маса візка; : маса тягарця, що тягне).
Зауваження: порожній візок має масу , утримувальний болт має масу , а затемнювальна шторка має масу . Внеси одержане значення.
m_заг [г]:
.
Визнач кутовий коефіцієнт прямої на графіку ( від ) і внеси числове значення.
Поміркуй, яку фізичну розмірність має цей коефіцієнт, і запиши її теж.
.
Кутовий коефіцієнт k: значення:
Кутовий коефіцієнт k: одиниця:
Завдання 4
Схема досліду
Питання
Завдання 5
Питання
Розганяна маса …
Завдання 6
Припусти, що для кінетичної енергії справджується і що вона дорівнює потенціальній енергії .
Тоді з даних вимірювань досліду можна визначити значення розганяної маси , розв'язавши рівняння відносно .
Обчисли таким чином для кількох серій вимірювань як приклад.
Питання