斜面と荷重:斜面上の加速度
1 · 予測
荷重を静止から放し、斜面角を急にすると、同じ時間後の速さはどうなりますか?
- より速く加速します。急な斜面ほど加速度が大きくなります。
- 同じ速さになります。角度は加速の速さに影響しません。
- より遅く加速します。急な斜面ほど加速度が小さくなります。
2 · 準備
- 力学 sandbox で Ramp & Load プリセットを開きます。
- 斜面を選び、Inspector でこの試行の傾斜角を設定します。
- 上端から荷重を静止で放し、指定された経過時間後の速度をプローブで読み取ります。
3 · データ収集
| 斜面角 (deg) | 荷重質量 (kg) | 経過時間 (s) | 速度 (m/s) | 運動エネルギー (J) |
|---|---|---|---|---|
| 10.00 | 3.00 | 1.00 | ||
| 20.00 | 3.00 | 1.00 | ||
| 30.00 | 3.00 | 1.00 |
1 s に固定した試行について速度(縦軸)を斜面角(横軸)に対してプロットします。直線ですか?
4 · 分析
- v = g sin θ · t を用いて各行の期待速度を計算し、プローブの値と比較します。
- 3回とも荷重質量は 3 kg で角度だけが変わります。摩擦のない斜面で質量と加速度がどう関係するか述べます。
5 · 発展
- 質量の異なる2つの荷重を同じ角度から同時に放します。どちらが先に底へ着きますか?データで正当化します。
- 実際の斜面には摩擦があります。摩擦があれば測定速度は v = g sin θ · t の予測より高いか低いか、理由とともに答えます。
この実験の物理
運動エネルギー
荷重が斜面を下ると、加速に伴い運動エネルギーは速度の二乗で増え、速度を2倍にすると KE は4倍になります。
重力位置エネルギー
摩擦のない斜面では、下降で失う重力位置エネルギーが全て獲得する運動エネルギーに変換され、熱として失われません。