مکانیک
توپ روی سطح شیبدار
ببینید توپ هنگام غلتادن از شیب، تندتر میشود.
توپ روی سطح شیبدار — شبیهسازی تعاملی مکانیک. ببینید توپ هنگام غلتادن از شیب، تندتر میشود. آزمایشگاه مجازی فیزیکِ رایگانِ مرورگری با اندازهگیریهای زندهٔ SI و آموزش هدایتشده.
گرانش در راستای شیب
روی شیب بدون اصطکاک، گرانش توپ را در راستای دامنه میکشد. فقط مؤلفهٔ موازی شیب توپ را شتاب میدهد.
گرانش مستقیم به پایین اثر میکند. روی سطح کج، آن را به مؤلفهها تجزیه میکنید: یکی موازی شیب (سازندهٔ شتاب) و یکی عمود بر آن (متوازن با نیروی عمودی تکیهگاه). به همین دلیل توپ از تپه میغلتد با آنکه گرانش همیشه رو به پایین است.
- F∥ = mg sin θ
- a = g sin θ (بدون اصطکاک)
خلاصهٔ پژوهش
پرسش را پیش از بازکردن آزمایشگاه برنامهریزی کنید
این خلاصه همان صفحهٔ از پیش رندرشده است: پرسش محوری، پیشبینیهای رقیب، نقش متغیرها، قوانین حاکم، برپاسازی، تحلیل و پرسشهای گسترش — به همین ترتیب و همیشه در دید میمانند.
پرسش محوری
توپ سنگینتر و سبکتر، هر دو از سکون در همان ارتفاع روی شیبی بدون اصطکاک رها میشوند. کدام تندتر به پایین میرسد؟
پیشبینیهایی که باید سنجیده شوند
- توپ سنگینتر تندتر به پایین میرسد.
- هر دو توپ با همان تندی به پایین میرسند.
- توپ سبکتر تندتر به پایین میرسد.
نقش متغیرها
آنچه شما تنظیم میکنید:
- جرم (kg)
- زاویهٔ شیب (°)
- ارتفاع سقوط (m)
آنچه اندازه میگیرید:
- انرژی پتانسیل گرانشی (J)
- تندی در پایین (m/s)
پژوهش چگونه اجرا میشود
- پیشتنظیم شیب را باز کنید. زاویهٔ شیب و جرم توپ و ارتفاع آغازیناش از پای شیب را ببینید.
- از پنل ویژگیها جرم توپ و زاویهٔ شیب را برای این آزمایش تنظیم کنید و ارتفاع عمودی آغازین توپ از پای شیب را یادداشت کنید.
- شبیهسازی را اجرا کنید و قرائت تندی کاوشگر را درست هنگام رسیدن توپ به پایین شیب ثبت کنید.
معادلهٔ حاکم
انرژی پتانسیل گرانشی — PE = m·g·h
ارتفاع توپ از پای شیب، پیش از رهاشدن انرژی پتانسیل گرانشی ذخیره میکند — بودجهٔ انرژیای که با غلتادن به حرکت بدل میشود.
انرژی جنبشی — KE = ½·m·v²
روی شیب بدون اصطکاک، همهٔ انرژی پتانسیل آغازین تا رسیدن توپ به پایین به انرژی جنبشی بدل شده — همین تندی نهاییاش را تعیین میکند.
برگهٔ کار چاپی از دانشآموزان چه میخواهد به دست آورند
- برای هر ردیف، 1/2 m v^2 را با تندی پایینِ اندازهگیریشده حساب کنید. با ستون انرژی پتانسیل گرانشی مقایسه کنید. چه میبینید؟
- سه آزمایشتان زاویهٔ شیب متفاوت دارند. آیا تغییر زاویه بهتنهایی، با همان ارتفاع شروع، تندی نهایی را عوض میکند؟ با پایستگی انرژی توضیح دهید چرا بله یا چرا نه.
کجا غیر از آزمایشگاه خودش را نشان میدهد
- ستون انرژی پتانسیل گرانشیتان به جرم وابسته است، اما تندی نهایی اندازهگیریشده نه. توضیح دهید چرا توپ سنگینتر روی شیب بدون اصطکاک تندتر از سبکتر به پایین نمیرسد.
- شیب واقعی کمی اصطکاک دارد و توپ غلتان واقعی هم باید بخشی از انرژیاش را برای چرخیدن خرج کند. تندی نهایی توپ واقعی را بالاتر یا پایینتر از پیشبینی بدون اصطکاک انتظار دارید؟ چرا؟
- AP Physics 1 — Unit 3: Work, Energy, and Power
- AP Physics C: Mechanics — Unit 3: Work, Energy, and Power
- IB Physics — A.3 Work, energy and power
- General High School Physics — Work, energy & power
- NGSS High School Physics — Energy accounting in systems
- Middle School Physical Science — Force, mass, and motion
- پیشبینی: آیا جرم مهم است؟
- تغییر: جرم توپ را دو برابر کنید
- اجرا: دو آزمایش ثبت کنید
- خواندن نمودار
- توضیح: نتیجهٔ شگفت
شبیهسازی تعاملی را باز کنید تا صحنه را بسازید، Play را بفشارید و با اندازهگیریهای زنده و آموزش هدایتشده کاوش کنید.