กลศาสตร์
การเคลื่อนที่แบบวงกลม
ลูกบอลโคจรด้วยรัศมีคงที่ แรงตึงของแท่งคือแรงสู่ศูนย์กลาง (F = m·v²/r) ซึ่งชี้เข้าหาจุดศูนย์กลางเสมอ วางตัวจับเวลาบนลูกบอลเพื่ออ่านคาบการโคจร
การเคลื่อนที่แบบวงกลม — การจำลองกลศาสตร์แบบโต้ตอบ ลูกบอลโคจรด้วยรัศมีคงที่ แรงตึงของแท่งคือแรงสู่ศูนย์กลาง (F = m·v²/r) ซึ่งชี้เข้าหาจุดศูนย์กลางเสมอ วางตัวจับเวลาบนลูกบอลเพื่ออ่านคาบการโคจร ห้องปฏิบัติการฟิสิกส์เสมือนบนเบราว์เซอร์ที่ใช้ฟรี พร้อมการวัด SI แบบสดและบทแนะนำ
การเคลื่อนที่แบบวงกลมสม่ำเสมอ
วัตถุที่เคลื่อนเป็นวงกลมด้วยอัตราเร็วคงที่ก็ยังเร่งเข้าหาศูนย์กลาง เพราะทิศความเร็วเปลี่ยนตลอดเวลา
ความเร่งเข้าสู่ศูนย์กลางชี้เข้าด้านในแม้อัตราเร็วคงที่ สำหรับลูกบอลบนแท่ง แท่งจ่ายแรงเข้าสู่ศูนย์กลางที่โค้งเส้นทางให้เป็นวงกลม
- a_สู่ศูนย์กลาง = v²/r
- F_สู่ศูนย์กลาง = mv²/r
สรุปการสืบสวน
วางแผนคำถามก่อนเปิดห้องแล็บ
บทสรุปสะท้อนหน้าที่เรนเดอร์ล่วงหน้า คำถามขับเคลื่อน คำทำนายที่ขัดแย้งกัน บทบาทตัวแปร กฎที่ควบคุม การตั้งค่า การวิเคราะห์ และโจทย์ต่อยอดยังแสดงและเรียงตามลำดับนี้
คำถามขับเคลื่อน
ลูกบอลบนแท่งโคจรรอบจุดหมุนกลางที่ตรึงอยู่ด้วยอัตราเร็วคงที่ ถ้าเพิ่มอัตราเร็วโคจรของลูกบอลโดยคงรัศมีเดิม เวลาหนึ่งรอบเต็ม (คาบ) จะนานขึ้น สั้นลง หรือคงเดิม
คำทำนายที่ต้องชั่งใจ
- คาบนานขึ้น (ใช้เวลามากขึ้นต่อรอบ)
- คาบคงเดิม (อัตราเร็วไม่กระทบคาบ)
- คาบสั้นลง (ใช้เวลาน้อยลงต่อรอบ)
บทบาทของตัวแปร
สิ่งที่คุณตั้ง:
- มวล m (kg)
- รัศมี r (m)
- อัตราเร็ววงโคจร v (m/s)
สิ่งที่คุณวัด:
- แรงสู่ศูนย์กลาง F = mv²/r (N)
- คาบ T (1 รอบ) (s)
การสืบสวนดำเนินไปอย่างไร
- เปิดค่าที่ตั้งไว้ Circular Motion สังเกตความยาวแท่ง (รัศมีโคจร) และมวลลูกบอล และตรวจว่าความโน้มถ่วงปิดอยู่ — แท่งเพียงลำพังจ่ายแรงที่โค้งเส้นทาง
- ตรวจว่าโพรบวัดอัตราเร็วติดกับลูกบอลแล้ว และวางตัวจับเวลาบนลูกบอลเพื่อจับเวลาหนึ่งรอบเต็ม
- สำหรับรอบข้างล่างแต่ละรอบ ตั้งมวลลูกบอล ความยาวแท่ง (รัศมี) และอัตราเร็วสัมผัสเริ่มต้น แล้วกดเล่นและจับเวลาหนึ่งรอบเต็ม
สมการควบคุม
แรงสู่ศูนย์กลาง — F = m·v² / r
แรงเข้าหาศูนย์กลางที่แท่งต้องจ่ายเพื่อให้ลูกบอลเคลื่อนที่เป็นวงกลมแทนเส้นตรง ขึ้นกับมวลของลูกบอล อัตราเร็วโคจร (คงที่) และรัศมีของวงกลม — นี่คือแรงตึงที่คุณจะรู้สึกได้ในแท่งที่ค่าของแต่ละรอบ
สิ่งที่ใบงานพิมพ์ได้ให้นักเรียนคิด
- สำหรับหนึ่งรอบ จงแสดงวิธีคำนวณคาบจากรัศมีและความเร็วที่ตั้งไว้ (T = 2πr/v) แล้วเปรียบเทียบกับค่าที่ตัวจับเวลาในการจำลองแสดง
- จากทั้งสามรอบ เมื่อเพิ่มความเร็วที่รัศมีคงที่ คาบเปลี่ยนอย่างไร และเมื่อเพิ่มรัศมีที่ความเร็วคงที่ คาบเปลี่ยนอย่างไร จงอธิบายทั้งสองกรณีด้วย T = 2πr/v
สิ่งนี้ปรากฏที่ใดนอกห้องแล็บ
- ค่าที่ตั้งไว้นี้ปิดความโน้มถ่วงเพื่อให้การเคลื่อนที่สม่ำเสมอจริง ถ้าเปิดความโน้มถ่วงกลับและแท่งยังวาดวงกลมแนวราบ อัตราเร็วของลูกบอลจะคงที่ตลอดรอบหรือไม่ เพราะเหตุใด
- วัตถุโคจรจริง (เช่นลูกบอลถูกกลิ้งด้วยเชือก) สูญเสียพลังงานเล็กน้อยให้แรงต้านอากาศและจุดหมุนในแต่ละรอบ คุณคาดว่าคาบที่วัดได้จะคงที่สมบูรณ์ตลอดหลายรอบ หรือค่อย ๆ เลื่อน — ไปทางใด
- AP Physics 1 — Unit 6: Energy and Momentum of Rotating Systems
- AP Physics C: Mechanics — Unit 2: Force and Translational Dynamics
- IB Physics — A.4 Rigid body mechanics
- General High School Physics — Rotation, gravitation & orbits
- NGSS High School Physics — Gravitational and electrostatic forces
- ยินดีต้อนรับสู่การเคลื่อนที่แบบวงกลม
- เลือกลูกบอล
- กดเล่น
- หักเลี้ยวตลอดเวลา
- เปิดข้อมูล
- ทำได้แล้ว!
เปิดการจำลองแบบโต้ตอบเพื่อสร้างฉาก กดเล่น แล้วสำรวจพร้อมการวัดสดและบทแนะนำ