Інформація для вчителів
Застосування
Схема установки для дослідження руху по вертикальному колу
Рух по вертикальному колу описує рух тіла по коловій траєкторії, при якому швидкість напрямлена дотично, а прискорення - до центра. Доцентрова сила утримує тіло на траєкторії.
У вертикальному напрямі діє сила тяжіння, яка у верхній точці тягне сильніше, а в нижній точці частково компенсується. Швидкість визначає, чи буде колову траєкторію пройдено повністю.
Відцентрова сила - це протилежно напрямлена фіктивна сила в системі відліку, що обертається; вона пояснює, чому на поворотах відчувається притискання назовні. Її застосовують в атракціонах, центрифугах чи випробуваннях матеріалів.
Щоб тіло пройшло колову траєкторію, його швидкість у верхній точці має врівноважувати силу тяжіння; інакше воно зійде з траєкторії.
Інша інформація для вчителів (1/2)
Попередні знання
Учні мають мати базове розуміння гравітації та її дії на тіла. Вони мають знати динаміку руху по колу, поняття інерціальної системи відліку, а також закон збереження енергії.
Принцип
При русі по вертикальному колу тіло рухається по коловій траєкторії, причому швидкість напрямлена дотично, а доцентрова сила - завжди до центра. Додатково у вертикальному напрямі діє гравітація, яка змінює швидкість уздовж траєкторії. Завдяки взаємодії доцентрової сили й сили тяжіння тіло залишається на коловій траєкторії, при цьому кінетична й потенціальна енергія неперервно переходять одна в одну.
Інша інформація для вчителів (2/2)
Навчальна мета
Учні мають уміти пояснювати рух по вертикальному колу. Вони мають розпізнавати й описувати сили, що діють на тіло, простежувати перетворення кінетичної та потенціальної енергії й аналізувати рухи в інерціальній системі відліку.
Завдання
Учні за допомогою MotionBoardзаписують рух MotionDot, коли він із різними початковими швидкостями проходить півколову траєкторію через найвищу точку, і досліджують граничні умови у верхній точці. Додатково вони порівнюють за однакової початкової швидкості криві MotionDot на півколовій траєкторії та на траєкторії у три чверті кола, щоб проаналізувати відмінності в русі та у швидкості вздовж траєкторії.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Інформація для учнів
Мотивація
Петля американських гірок
Навіть якщо його не відчуваєш безпосередньо, рух по вертикальному колу відіграє важливу роль у багатьох галузях. Він показує, як доцентрова сила й сила тяжіння діють спільно і як швидкість та висота впливають на перебіг руху.
Крім простих прикладів на кшталт кульки на нитці, є складні системи - центрифуги чи машини, що обертаються, - які дають додаткове розуміння сил.
Досліди з руху по вертикальному колу роблять фізичні зв'язки наочними й поєднують теорію з практикою. Вони мають вирішальне значення для застосувань на зразок бетонозмішувача чи пральної машини: під час перемішування частота обертання не має бути такою високою, щоб матеріали чи одяг залишалися прилиплими до стінки, а от під час віджимання потрібна вища частота обертання, щоб ефективно відділити воду.
Завдання
Твої завдання:
Дай MotionDot пройти півколову траєкторію на 2-й, 3-й і 4-й передачі катапульти й запиши рух.
Повтори дослід на траєкторії у три чверті кола.
Порівняй криві й проаналізуй відмінності у швидкості та в перебігу траєкторії.
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Cobra DigiMotion Expert Set | 12975-88 | 1 |
| 2 | PHYWE digiLAB App | 14575-61 | 1 |
Складання (1/3)
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 (2/3)
Спершу склади рамку.
Закріпи катапульту з правого боку рамки.
Потрібні елементи
Складання (3/3)
- Потім присунь рамку доMotionBoard так, щоб траєкторія проходила паралельно до MotionBoard і зберігалася відстань близько .
- Простеж, щоб положення катапульти при цьому лишалося вирівняним по правому краю MotionBoard.
- Ти можеш змінити траєкторію кола на траєкторію кола, викрутивши гвинт над траєкторією.
Схема досліду
Виконання
Фрагмент із digiLab
- Установи катапульту на 3-тю передачу, вклади MotionDot і перевір, чи виступає він за межі MotionBoard.
- Натисни «0 Calibration», потім «Start», відпусти катапульту й після завершення запису даних натисни "Fit", щоб зберегти траєкторію.
- Повтори експеримент на 4-й передачі й порівняй траєкторії.
- На завершення проведи експеримент ще раз з іншою конфігурацією на 3-й і 4-й передачах і порівняй результати.
Завдання 1
Питання
Завдання 2
Схема установки для дослідження руху по вертикальному колу
Питання
Завдання 3
Схема установки для дослідження руху по вертикальному колу
Питання
Завдання 4
Питання
Завдання 5
Тіло масою m \,= 500 \, \text{g} рухається по коловій траєкторії радіусом r \,= 40 \,\text{см} з частотою f \,= 1{,}2 \, \text{Hz}. Обчисли тепер відцентрову силу та величини, яких бракує для обчислення, за допомогою відомих тобі співвідношень і наведеного нижче співвідношення. Округли до одного знака після коми і стеж за одиницями. \text{Співвідношення:} \quad F_z \, = m · v^2/r \omega \, \approx ____ \, \frac{\text{1}}{\text{s}} , \quad v \, \approx ____ \frac{\text{m}}{\text{s}}, \quad F_z \,\approx ____ \text{N}
Завдання 6
Тепер період обертання подвоюють, а радіус і маса лишаються ті самі. Обчисли нову відцентрову силу тим самим способом, що й раніше. Зауваження: почни з нової частоти. Округли до одного знака після коми. f \approx ____ \text{Hz}, \quad \omega \, \approx ____ \, \frac{\text{1}}{\text{s}} , \quad v \, \approx ____ \frac{\text{m}}{\text{s}}, \quad F_z \, \approx ____ \text{N}