Mekaniikka
Heiluri
Katso kuulan kiihtyvän alhaalla ja hetkeksi pysähtyvän jokaisen heilahduksen yläkohdassa.
Heiluri – interaktiivinen Mekaniikka-simulaatio. Katso kuulan kiihtyvän alhaalla ja hetkeksi pysähtyvän jokaisen heilahduksen yläkohdassa. Ilmainen selaimessa toimiva virtuaalinen fysiikkalaboratorio, jossa on reaaliaikaiset SI-mittaukset ja opastettu tutoriaali.
Tasainen värähtelyliike
Heiluri heilahtaa edestakaisin, koska painovoima antaa palauttavan voiman kohti tasapainoa. Pienillä kulkeilla liike on likimain tasaista värähtelyä.
Kun kuula poikkeutetaan, painovoiman kaarta pitkin kulkeva komponentti vetää sitä takaisin alimpaan kohtaan. Se palauttava voima saa kuulan värähtemään – kiihtyen alhaalla, hidastuen kääntöpisteissä, toistuen säännöllisenä syklinä.
- T ≈ 2π√(L/g) (pienet kulmat)
- Palauttava voima ∝ poikkeama (pieni θ)
Tutkimustiivistelmä
Suunnittele kysymys ennen laboratorion avaamista
Tiivistelmä vastaa esirendattua sivua: tutkimuskysymys, kilpailevat ennusteet, muuttujien roolit, hallitsevat lait, kokoonpano sekä analyysi- ja laajennuskysymykset pysyvät näkyvissä tässä järjestyksessä.
Tutkimuskysymys
Jos kaksinkertaistat heilurin pituuden, mitä sen jaksonajalle tapahtuu? Muuttaako kuulan painavuus jaksonaikaa yhtään?
Punniteltavat ennusteet
- Pidempi heiluri on pidemmän jaksonaajan (heilahtelee edestakaisin hitaammin); massalla ei ole vaikutusta.
- Pidempi heiluri on lyhyemmän jaksonaajan (heilahtelee edestakaisin nopeammin).
- Painavampi kuula heilahtelee hitaammin, riippumatta narun pituudesta.
Muuttujien roolit
Mitä asetat:
- Massa (kg)
- Narun pituus (m)
- Vapautuskulma (°)
Mitä mittaat:
- Jaksonaika (s)
- Suurin nopeus (m/s)
Miten tutkimus etenee
- Avaa Heiluri-esiasetuksen mekaniikan hiekkalaatikossa.
- Varmista, että kuulan nopeusanturi on käytössä matematiikkapaneelissa – luet sen huippuarvon jokaisen heilahduksen alimmassa kohdassa.
- Jokaiselle riville aseta kuulan massa, narun pituus ja vapautuskulma pystysuunnasta, vapauta sitten kuula ja anna sen heilahtaa.
Hallitseva yhtälö
Heilurin jaksonaika (pieni kulma) — T = 2π·√(L / g)
Pienillä vapautuskulmilla yksinkertaisen heilurin jaksonaika riippuu vain sen pituudesta ja painovoimasta – ei kuulan massasta eikä siitä, kuinka pitkälle se vapautetaan.
Gravitaatiopotentiaalienergia — PE = m·g·h
Korkeus, jonka kuula putoaa vapautuskohdastaan heilahduksen alimpaan kohtaan, h = L(1 − cos θ₀), määrää, kuinka paljon potentiaalienergiaa muuttuu liike-energiaksi – ja siten kuinka nopeasti kuula liikkuu alhaalla.
Mitä tulostettava työarkki pyytää opiskelijoita selvittämään
- Yhdelle riville laske kuulan suurin nopeus heilahduksen alimmassa kohdassa energian säilymistä käyttäen (½mv² = mgh, jossa h = L(1 − cos θ₀)) ja vertaa sitä reaaliaikaiseen nopeusanturin lukemaan. Sopiivatko ne yhteen?
- Katso jaksonaika-saraketta kaikkien kolmen rivin välillä. Riippuuko se kuulan massasta? Käytä kaavaa selittääksesi miksi tai miksi ei.
Missä tämä näkyy laboratorion ulkopuolella
- Jaksonaikakaava T = 2π√(L/g) olettaa pieniä vapautuskulmia. Ennusta, mitä todelliselle jaksonajalle tapahtuu, kun vapautuskulma kasvaa arvon 30° yli – vastaisiko hiekkalaatikon mitattu jaksonaika vielä kaavaa?
- Heilahduksen alimmassa kohdassa heiluri liikkuu nopeimmin. Minne sen alkuperäinen gravitaatiopotentiaalienergia meni, ja mikä kokonaisenergia pysyy (lähes) vakiointa monien heilahtusten yli?
- AP Physics 1 — Unit 7: Oscillations
- AP Physics C: Mechanics — Unit 7: Oscillations
- IB Physics — A.1 Kinematics
- IB Physics — C.1 Simple harmonic motion
- General High School Physics — Waves & sound
- NGSS High School Physics — Energy accounting in systems
- Middle School Physical Science — Stored (potential) energy
- Tervetuloa heilurin pariin
- Valitse kuula
- Paina Toista
- Edestakaisin
- Avaa data
- Onnistuit!
Avaa interaktiivinen simulaatio rakentaaksesi kohtauksen, paina Toista ja tutki reaaliaikaisten mittausten ja opastetun tutoriaalin kanssa.
Avaa interaktiivinen laboratorio →