Куля на похилій площині: енергія без тертя
1 · Прогноз
Важча й легша кулі відпущено з місця з однієї висоти на похилій площині без тертя. Яка з них досягне низу швидше?
- Важча куля досягає низу швидше.
- Обидві кулі досягають низу з однаковою швидкістю.
- Легша куля досягає низу швидше.
2 · Установка
- Відкрийте пресет «Куля на похилій площині». Запишіть кут нахилу, масу кулі та її початкову висоту над основою площини.
- Задайте масу кулі та кут площини на панелі властивостей для цього заміру і запишіть вертикальну початкову висоту кулі над основою.
- Запустіть моделювання та запишіть показ швидкості кулі (датчик) у момент, коли вона досягає низу площини.
3 · Збір даних
| Маса (kg) | Кут нахилу (°) | Висота спуску (m) | Гравітаційна PE (J) | Швидкість внизу (m/s) |
|---|---|---|---|---|
| 1.00 | 15.00 | 0.30 | ||
| 1.50 | 25.00 | 0.50 | ||
| 2.00 | 35.00 | 0.70 |
Побудуйте графік швидкості внизу (вісь y) проти початкової висоти (вісь x) для трьох замірів. Це пряма лінія?
4 · Аналіз
- Для кожного рядка обчисліть 1/2 m v^2 зі виміряною швидкістю внизу. Порівняйте з колонкою «Гравітаційна PE». Що ви помічаєте?
- Ваші три заміри мають різні кути нахилу. Чи змінює сам кут, за тієї самої початкової висоти, кінцеву швидкість? Використайте закон збереження енергії, щоб пояснити.
5 · Поглиблення
- Колонка «Гравітаційна PE» залежить від маси, а виміряна кінцева швидкість — ні. Поясніть, чому важча куля не досягає низу швидше за легшу на площині без тертя.
- Справжня площина має певне тертя, і справжня куля, що котиться, витрачає частину енергії на розкрутку. Чи очікуєте ви, що кінцева швидкість реальної кулі буде вищою чи нижчою за прогноз без тертя? Чому?
Фізика цього експерименту
Гравітаційна потенціальна енергія
Висота кулі над основою площини запасає гравітаційну PE до відпускання — це енергетичний бюджет, що перетворюється на рух під час скочування.
Кінетична енергія
На площині без тертя вся початкова PE перетворюється на KE до моменту, коли куля досягає низу, — саме це й фіксує її кінцеву швидкість.