Механіка

Вантаж на пружині

Спостерігайте, як вантаж коливається вгору-вниз у гармонічному русі.

Вантаж на пружині — інтерактивне моделювання: Механіка. Спостерігайте, як вантаж коливається вгору-вниз у гармонічному русі. Безкоштовна браузерна віртуальна фізична лабораторія з живими вимірюваннями в СІ та керованим заняттям.

Коливання пружини

Вантаж на пружині коливається, бо пружина дає повертальну силу, пропорційну зміщенню (закон Гука).

Розтягнута чи стиснута пружина тягне вантаж назад до рівноваги. Енергія міняється між потенціальною енергією пружини та кінетичною, створюючи гармонічні коливання.

• F = −kx
• T ≈ 2π√(m/k)

Короткий опис дослідження

Сплануйте запитання, перш ніж відкрити лабораторію

Короткий відповідає передрендереній сторінці: рушійне запитання, конкуруючі прогнози, ролі змінних, керівні закони, установка, аналіз і підсилення лишаються видимими та в цьому порядку.

Рушійне запитання

Якщо подвоїти масу вантажа на пружині, чи подвоїться період коливань?

Прогнози для зважування

• Період подвоюється.
• Період лишається тим самим.
• Період зростає, але менш ніж удвічі.

Ролі змінних

Що ви задаєте:

• Маса (kg)
• Жорсткість пружини (N/m)

Що ви вимірюєте:

• Період (s)
• Стале видовження (m)

Як проходить дослідження

1. Відкрийте пресет «Вантаж на пружині» в модулі механіки. Куля (вантаж) висить на пружині, закріпленій зверху.
2. Запишіть датчик швидкості, уже прикріплений до вантажа, — він повідомляє миттєву швидкість вантажа під час коливань.
3. Для кожного рядка задайте масу вантажа та жорсткість пружини, трохи відтягніть вантаж униз, відпустіть і дайте йому поколиватися та заспокоїтися.

Керівне рівняння

Період пружинного маятника (ГК) — T = 2π·√(m / k)

Для маси, що коливається на ідеальній пружині, період залежить лише від маси та жорсткості пружини — не від амплітуди й не від гравітації.

Кінетична енергія в рівновазі — KE = ½·m·v²

Швидкість вантажа найбільша в момент проходу через точку рівноваги; зчитайте цю пікову швидкість з датчика, щоб знайти його кінетичну енергію там.

Що друкований робочий аркуш пропонує учням обчислити

• Використовуючи T = 2π√(m/k), обчисліть період для кожного рядка і порівняйте з виміряним у пісочниці значенням.
• Рядки 1 і 3 мають маси у відношенні 1:4. У скільки разів змінився період? Чи відповідає це √4 = 2?

Де це трапляється за межами лабораторії

• Якби ви збільшили жорсткість пружини k замість маси, період зріс чи зменшився б? Накидайте очікувану тенденцію.
• Вантаж помітно висить нижче під дією тяжіння (стале видовження = mg/k), але гравітація g не входить у T = 2π√(m/k). Поясніть, чому період не залежить від гравітації, хоча положення рівноваги — залежить.

• 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

1. Вітаємо у вантажі на пружині
2. Виберіть вантаж
3. Натисніть «Запустити»
4. Вгору та вниз
5. Відкрийте дані
6. У вас вийшло!

Відкрийте інтерактивне моделювання, щоб зібрати сцену, натиснути «Запустити» та дослідити з живими вимірюваннями й керованим заняттям.

Відкрити інтерактивну лабораторію →

Завантажити лабораторний аркуш →

Закон збереження енергії