توپ روی شیب: انرژی بر سطح بیاصطکاک
1 · پیشبینی
توپ سنگینتر و سبکتر، هر دو از سکون در همان ارتفاع روی شیبی بدون اصطکاک رها میشوند. کدام تندتر به پایین میرسد؟
- توپ سنگینتر تندتر به پایین میرسد.
- هر دو توپ با همان تندی به پایین میرسند.
- توپ سبکتر تندتر به پایین میرسد.
2 · آمادهسازی
- 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.
3 · گردآوری داده
| جرم (kg) | زاویهٔ شیب (°) | ارتفاع سقوط (m) | انرژی پتانسیل گرانشی (J) | تندی در پایین (m/s) |
|---|---|---|---|---|
| 1.00 | 15.00 | 0.30 | ||
| 1.50 | 25.00 | 0.50 | ||
| 2.00 | 35.00 | 0.70 |
تندی در پایین (محور y) را بر حسب ارتفاع شروع (محور x) برای سه آزمایش رسم کنید. آیا رابطه خط راست است؟
4 · تحلیل
- 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.
5 · گسترش
- 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؟
فیزیک پشت این آزمایش
انرژی پتانسیل گرانشی
ارتفاع توپ از پای شیب، پیش از رهاشدن انرژی پتانسیل گرانشی ذخیره میکند — بودجهٔ انرژیای که با غلتادن به حرکت بدل میشود.
انرژی جنبشی
روی شیب بدون اصطکاک، همهٔ انرژی پتانسیل آغازین تا رسیدن توپ به پایین به انرژی جنبشی بدل شده — همین تندی نهاییاش را تعیین میکند.