Force Lab: Newtons zweites Gesetz
1 · Vorhersagen
Sie schieben eine Kiste mit gleichmäßiger Kraft über einen reibungslosen Boden. Wenn Sie eine schwerere Kiste mit der gleichen Kraft schieben, beschleunigt sie dann schneller, langsamer oder mit der gleichen Geschwindigkeit wie eine leichtere Kiste?
- Die schwerere Kiste beschleunigt schneller
- Beide Boxen beschleunigen gleich schnell
- Die schwerere Kiste beschleunigt langsamer
2 · Aufbauen
- Öffnen Sie die Force Lab-Preset. Eine einzelne Kiste ruht auf einem reibungsfreien Boden und wird von einer konstanten Kraft nach vorne gedrückt.
- Vergewissern Sie sich, dass die Geschwindigkeitssonde an der Box befestigt ist, und überprüfen Sie dann die Masse der Box und die Stärke der ausgeübten Kraft im Inspektorfeld.
- Stellen Sie für jede Zeile unten die Masse des Kastens und die Stärke der Kraft im Inspektor entsprechend ein, führen Sie die Simulation für genau 1 Sekunden (60 Frames) aus und lesen Sie die Geschwindigkeit der Sonde ab.
3 · Daten sammeln
| Messe (kg) | Angewandte Kraft (N) | Geschwindigkeit bei t = 1 s (m/s) | Impuls bei t = 1 s (kg·m/s) |
|---|---|---|---|
| 2.00 | 8.00 | ||
| 1.00 | 6.00 | ||
| 4.00 | 8.00 |
Tragen Sie die ausgeübte Kraft (x-Achse) gegen die Geschwindigkeit auf, die Sie nach 1 second (y-Achse) gemessen haben, eine Linie pro getesteter Masse. Was stellt die Steigung jeder Linie dar?
4 · Auswerten
- Teilen Sie für jede Reihe die aufgebrachte Kraft durch die Masse. Wie verhält sich dieser Wert im Vergleich zu der Geschwindigkeit, die Sie nach 1 second gemessen haben? Welche Menge haben Sie gerade berechnet?
- Vergleichen Sie die Zeilen 1 und 3 (gleiche Kraft, unterschiedliche Masse). Wie stark veränderte die Verdoppelung der Masse die resultierende Geschwindigkeit nach demselben 1-Sekundenstoß?
5 · Vertiefen
- Dieser Boden ist reibungsfrei. Sagen Sie voraus, wie sich Ihre Geschwindigkeitswerte ändern würden, wenn auch eine kleine konstante Reibungskraft auf die Box wirken würde. Würde die Division der ausgeübten Kraft durch die Masse allein immer noch die resultierende Beschleunigung vorhersagen?
- Ein Einkaufswagen und ein beladener Lieferwagen können beide von einem Motor angetrieben werden, der die gleiche Kraft erzeugt. Erklären Sie anhand Ihrer Daten, warum sie nicht im gleichen Tempo schneller werden.
Die Physik hinter diesem Experiment
Newtons zweites Gesetz
Die Nettokraft auf ein Objekt ist gleich seiner Masse mal seiner Beschleunigung. Hier beschleunigt eine einzelne konstante Kraft die Box aus dem Ruhezustand, sodass die nach einer festgelegten Zeit gemessene Geschwindigkeit die Beschleunigung verrät, die diese Kraft erzeugt hat.
Schwung
Impuls ist Masse mal Geschwindigkeit. Jeder Versuch beginnt im Ruhezustand, daher zeigt der Impuls an der 1-Sekundenmarke, wie viel Bewegung der gleiche Stoß in Kästen unterschiedlicher Masse aufbaut.