Колиска Ньютона: передача імпульсу та енергії
1 · Прогноз
Якщо відтягнути першу кулю на висоту відпускання h і відпустити її в ряд, що визначає, як швидко вилітає остання куля?
- Дальня куля вилітає приблизно з тією самою швидкістю, яку мала перша куля при ударі.
- Дальня куля вилітає повільніше, бо середні кулі поглинають частину руху.
- Дальня куля вилітає швидше за ударну швидкість першої кулі.
2 · Установка
- Відкрийте пресет «Колиска Ньютона» у пісочниці.
- Перетягніть крайню ліву кулю в бік і вгору, задавши висоту відпускання, і зчитайте, наскільки високо вона сидить над точкою спокою.
- Відпустіть кулю й дозвольте їй ударити в ряд дотичних куль. Спостерігайте, які кулі вилітають на дальньому боці і на яку висоту підіймаються.
3 · Збір даних
| Маса кулі (kg) | Висота відпускання (m) | PE відпускання (J) | Швидкість вильоту дальньої кулі (m/s) |
|---|---|---|---|
| 1.00 | 0.30 | ||
| 1.00 | 0.50 | ||
| 1.00 | 0.70 |
Побудуйте графік швидкості вильоту дальньої кулі (вісь y) проти висоти відпускання (вісь x) для трьох замірів. Це пряма лінія?
4 · Аналіз
- Для кожного рядка обчисліть PE відпускання (mgh) та ударну KE, яку має мати перша куля безпосередньо перед нижньою точкою траєкторії (½mv², використайте виміряну farSpeed як v). Як порівнюються ці дві енергії?
- Використовуючи збереження імпульсу та кінетичної енергії для ланцюга однакових мас, поясніть, чому дальня куля вилітає (приблизно) з ударною швидкістю першої, а кулі між ними майже не рухаються.
5 · Поглиблення
- Чому середні кулі майже не рухаються, хоча імпульс від зіткнення проходить крізь кожну з них?
- У пісочниці чи коли-небудь дальня куля підіймається рівно на висоту відпускання? Що каже цей розрив (якщо є) про те, наскільки пружними є зіткнення насправді?
Фізика цього експерименту
Гравітаційна потенціальна енергія
Відтягнута куля запасає енергію, рівну її вазі, помноженій на висоту підйому над точкою спокою, — саме вона живить усю ланцюгову реакцію після відпускання.
Кінетична енергія
Коли відпущена куля опускається, її запасена PE перетворюється на KE; у нижній точці саме ця KE майже повністю передається дальній кулі крізь ланцюг зіткнень.