آزمایشگاه نیرو: قانون دوم نیوتن
1 · پیشبینی
جعبهای را با نیروی ثابتی روی کفِ بدون اصطکاک میرانید. اگر با همان نیرو جعبهٔ سنگینتری برانید، تندتر، کندتر یا با همان نرخِ جعبهٔ سبکتر شتاب میگیرد؟
- جعبهٔ سنگینتر تندتر شتاب میگیرد
- هر دو جعبه با همان نرخ شتاب میگیرند
- جعبهٔ سنگینتر کندتر شتاب میگیرد
2 · آمادهسازی
- پیشتنظیم آزمایشگاه نیرو را باز کنید. جعبهای تنها روی کفِ بدون اصطکاک ساکن است و یک نیروی ثابت آن را به جلو میراند.
- مطمئن شوید کاوشگر تندی به جعبه وصل است، سپس جرم جعبه و قدرت نیروی اعمالی را در پنل ویژگیها بررسی کنید.
- برای هر ردیف زیر، جرم جعبه و قدرت نیرو را در پنل ویژگیها مطابق آن تنظیم کنید، شبیهسازی را دقیقاً 1 ثانیه (60 فریم) اجرا کنید و تندی کاوشگر را بخوانید.
3 · گردآوری داده
| جرم (kg) | نیروی اعمالشده (N) | تندی در t = 1 s (m/s) | تکانه در t = 1 s (kg·m/s) |
|---|---|---|---|
| 2.00 | 8.00 | ||
| 1.00 | 6.00 | ||
| 4.00 | 8.00 |
نیروی اعمالی (محور x) را بر حسب تندیِ اندازهگیریشده پس از 1 ثانیه (محور y) رسم کنید، برای هر جرمِ آزموده یک خط. شیب هر خط چه چیزی را نشان میدهد؟
4 · تحلیل
- برای هر ردیف، نیروی اعمالی را بر جرم تقسیم کنید. آن مقدار با تندیای که پس از 1 ثانیه اندازه گرفتید چگونه مقایسه میشود؟ چه کمیتی را حساب کردید؟
- ردیفهای 1 و 3 را مقایسه کنید (نیروی یکسان، جرم متفاوت). دوبرابرکردن جرم، تندی حاصل از همان هلِ 1ثانیهای را چقدر تغییر داد؟
5 · گسترش
- این کف بدون اصطکاک است. پیشبینی کنید قرائتهای تندیتان چگونه تغییر میکرد اگر نیروی اصطکاک ثابت کوچکی هم بر جعبه اثر میکرد. آیا تقسیم نیروی اعمالی بر جرمِ تنها، همچنان شتاب حاصل را پیشبینی میکرد؟
- چرخ خرید و کامیون بارگیریشده را میتوان موتوری با همان نیرو راند. با دادههایتان توضیح دهید چرا با همان نرخ تند نمیشوند.
فیزیک پشت این آزمایش
قانون دوم نیوتن
نیروی خالص بر جسم برابر جرمش ضربدر شتابش است. اینجا یک نیروی ثابتِ تنها جعبه را از سکون میراند، پس تندیِ اندازهگیریشده پس از زمان ثابت، شتابی را که آن نیرو ساخت آشکار میکند.
تکانه
تکانه برابر جرم ضربدر سرعت است. هر آزمایش از سکون شروع میشود، پس تکانه در لحظهٔ 1 ثانیه نشان میدهد همان هل در جعبههای با جرمهای مختلف چقدر حرکت میسازد.