Інформація для вчителів
Застосування
Схема досліду
Принципи енергії трапляються нам у повсякденному житті, навіть якщо ми часто цього майже не помічаємо. Коли м'яч котиться сходами вниз або коли гойдається маятник, рух і положення постійно змінюють одне одного. Фізики рано зрозуміли, що сума кінетичної енергії, тобто енергії руху, і потенціальної енергії, тобто енергії положення, залишається сталою, поки не діють тертя чи зовнішні сили.
Чим вище піднято тіло, тим більша його потенціальна енергія. Під час падіння ця енергія перетворюється на кінетичну, аж поки в найнижчій точці тіло не досягне максимальної швидкості. Енергія при цьому не зникає, вона лише змінює свою форму.
Цей фундаментальний закон - збереження механічної енергії - пояснює не лише коливання маятників чи котіння кульок, а й є основою для машин, запусків ракет і руху планет.
Інша інформація для вчителів (1/2)
Попередні знання
Учні мають бути обізнані з поняттями швидкості й прискорення, а також потенціальної та кінетичної енергії. Вони мають знати, що сила земного тяжіння випливає з прискорення вільного падіння. Крім того, учні мають математично вміти визначати кутовий коефіцієнт прямої і виконувати аналіз розмірності знайденого кутового коефіцієнта.
Принцип
MotionDot має в гравітаційному полі Землі потенціальну енергію, яка під час падіння перетворюється на кінетичну. Тертям і виштовхувальною силою нехтують, тож сума потенціальної та кінетичної енергії під час падіння залишається сталою - приклад збереження механічної енергії.
Інша інформація для вчителів (2/2)
Навчальна мета
У цьому досліді учні мають експериментально дослідити збереження механічної енергії та зрозуміти, що в замкненій системі сума кінетичної та потенціальної енергії залишається сталою.
Завдання
Учні дають MotionDotвпасти з електромагнітного тримача наMotionBoard. MotionBoardфіксує рух у реальному часі й надає дані про положення та швидкість із плином часу. З опрацювання кривої «положення - швидкість» учні досліджують зміну кінетичної та потенціальної енергії з часом. Дослід повторюють кілька разів, щоб отримати типові криві. Після цього учні порівнюють перебіг енергій і обговорюють можливі відхилення від ідеального збереження механічної енергії.
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 і визначає наше повсякдення: ми дістаємо енергію з їжею, використовуємо її для їзди автомобілем, для електроприладів чи для опалення.
Прикладом перетворення енергії є використання потенціальної енергії води у водосховищі, яка переходить у кінетичну. Вона обертає турбіни й генератори, що перетворюють її на електричну енергію.
У цьому досліді ти дослідиш, як кінетична та потенціальна енергія MotionDot переходять одна в одну. MotionBoard фіксує положення та швидкість у реальному часі, тож ти можеш безпосередньо спостерігати за енергіями та механічною енергією.
Завдання
- Дай MotionDot впасти з електромагнітного тримача вздовж MotionBoard. MotionBoard фіксує рух у реальному часі й записує положення з плином часу.
- Дослідь результати вимірювань, визнач із кривої «положення - час» швидкість, а з неї - кінетичну та потенціальну енергію. Повтори дослід кілька разів, щоб отримати середнє значення. Порівняй виміряне значення й обговори можливі відхилення.
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Cobra DigiMotion Basis Set | 12975-77 | 1 |
| 2 | PHYWE digiLAB App | 14575-61 | 1 |
Складання (1/6)
Для вимірювань із Cobra DigiMotion потрібен застосунок LABsense. Застосунок можна безкоштовно завантажити у відповідному магазині застосунків (QR-коди див. нижче). Перед запуском застосунку перевір, чи на твоєму пристрої (смартфон, планшет, настільний ПК) увімкнено Bluetooth.
iOS
Android
Windows
Складання (2/6)
На верхньому рисунку показано всі потрібні елементи для складання установки.
Складання (3/6)
- Установи Т-подібний штативний матеріал відповідно до рисунка наMotionBoard і затягни гвинти.
- Після цього закріпи електромагнітний тримач угорі на довгому штативному стрижні.
Схема досліду
Складання (4/6)
Захисний корпус із залізним осердям
- Відкрути захисний корпус MotionDot із залізним осердям відповідно до рисунка.
- Увімкни MotionDot, вклади його в захисний корпус MotionDot і знову все міцно закрути.
Складання (5/6)
- Увімкни електромагнітний тримач. Індикатор роботи має світитися так, як показано на рисунку.
- Перевір, чи електромагнітний тримач вирівняно горизонтально.
Складання (6/6)
- Під'єднай USB-кабель для передавання даних до MotionBoard.
- Виставте довгий штативний стрижень так, щоб електромагнітний тримач прилягав до верхнього краю MotionBoardі трохи виступав над ним.
- Обережно піднеси залізне осердя додаткового корпуса до електромагнітного тримача так, щоб MotionDot був вирівняний паралельно до MotionBoard і зберігав відстань близько .
- Постав приймальну ємність із м'якою підкладкою на MotionBoard просто під MotionDot.
Вигляд спереду
Вигляд збоку
Виконання (1/2)
- Закріпи MotionDot на електромагнітному тримачі.
- Після цього відкрий застосунок LABsense і вибери «0 Calibration», щоб перевірити, чи систему відкалібровано на нуль.
- Натисни «Start».
- Потім обережно торкнися блакитної світлової кнопки над електромагнітним тримачем, щоб вивільнити MotionDot.
- Після завершення вимірювання натисни «Stop».
Схематичне зображення вивільнення тіла
Виконання (2/2)
Фрагмент із digiLab
Натисни кнопку «V-t», щоб показати -діаграму.
Далі вибери ділянки даних, які показують доцільну тенденцію рівномірного зростання швидкості.
Натисни «Fit», щоб провести через вибрані точки лінію апроксимації. Буде показано відповідні рівняння кінетичної енергії, потенціальної енергії та повної механічної енергії у вибраному діапазоні.
Повтори вимірювання й обчисли середнє значення.
Завдання 1
Схема досліду
Питання
Завдання 2
Схема досліду
Питання
Завдання 3
Схема досліду
Питання
Завдання 4
Схема досліду
Питання
Завдання 5
Припустімо, ти відпускаєш тіло масою 100 \, \text{g} з висоти 0{,}5 \, \text{m} . Обчисли за значенням g \, = 9{,}81\,\frac{\text{m}}{\text{s}^2} і за наведеним підходом потенціальну енергію тіла після того, як воно пролетіло 10 \, \text{см} і 30 \, \text{см} . Округли до двох знаків після коми і стеж за одиницями. \text{Співвідношення:} \quad E_{pot} \,= m · g · h пролетіло 10 \, \text{см} : E_{pot} \,\approx ____ \text{J} пролетіло 30 \, \text{см} : E_{pot} \,\approx ____ \text{J}
Завдання 6
Тепер ти знову відпускаєш тіло масою 100 \, \text{g} з висоти 0{,}5 \, \text{m} . Обчисли за значенням g \, = 9{,}81\,\frac{\text{m}}{\text{s}^2} і за наведеними підходами кінетичну енергію тіла після того, як воно падало 0{,}1 \, \text{s} і 0{,}2 \, \text{s} . Округли до двох знаків після коми і стеж за одиницями. \text{Співвідношення:} \quad E_{kin}\, = 1/2 · m · v^2 , \; \Delta v \,= a · \Delta t_f падало 0{,}1 \, \text{s} : v_{0{,}1} \, \approx ____ m/s, E_{kin} \, \approx ____ \text{J} падало 0{,}2 \, \text{s} : v_{0{,}2} \, \approx ____ m/s, E_{kin} \, \approx ____ \text{J}