Cơ học
Vận tốc giới hạn
Quan sát tốc độ ổn định lại từ lâu trước khi chạm đất, và gia tốc (a) giảm về 0 khi lực cản không khí bắt kịp trọng lực.
Vận tốc giới hạn — mô phỏng Cơ học tương tác. Quan sát tốc độ ổn định lại từ lâu trước khi chạm đất, và gia tốc (a) giảm về 0 khi lực cản không khí bắt kịp trọng lực. Phòng thí nghiệm vật lý ảo miễn phí trên trình duyệt với phép đo SI trực tiếp và hướng dẫn từng bước.
Vận tốc giới hạn
Khi một vật đang rơi tăng tốc, lực cản không khí tăng dần cho đến khi cân bằng với trọng lượng. Gia tốc rơi về không và tốc độ ổn định.
Trước khi đạt vận tốc giới hạn, trọng lượng vượt trội hơn lực cản và vật tăng tốc. Khi tốc độ tăng, lực cản tăng theo cho đến khi lực tổng hợp bằng không. Sau đó vật rơi với vận tốc giới hạn gần như không đổi.
- F_tổng = mg − F_cản
- Ở tốc độ cuối cùng: a → 0
Tóm tắt điều tra
Lập kế hoạch câu hỏi trước khi bạn mở phòng thí nghiệm
Bản tóm tắt phản ánh trang được kết xuất trước: câu hỏi dẫn dắt, các dự đoán cạnh tranh, vai trò của biến, các định luật chi phối, phần thiết lập và các gợi ý phân tích, mở rộng vẫn hiển thị theo thứ tự này.
Câu hỏi lái xe
Một vận động viên nhảy dù rơi trong không khí, bị đẩy lùi lại với một lực kéo tăng dần theo tốc độ. Nếu người nhảy dù điều chỉnh vị trí cơ thể của họ để tăng lực cản không khí đó, thì tốc độ rơi ổn định (vận tốc cuối) của họ sẽ cao hơn, thấp hơn hay giống như khi có ít lực cản hơn?
Dự đoán cân nặng
- Lực cản không khí nhiều hơn mang lại vận tốc cuối cao hơn
- Vận tốc đầu cuối là như nhau bất kể lực cản của không khí
- Lực cản không khí nhiều hơn sẽ mang lại vận tốc cuối thấp hơn
Vai trò thay đổi
Những gì bạn đặt:
- Thánh lễ (kg)
- Kéo không khí
Những gì bạn đo lường:
- Vận tốc đầu cuối (m/s)
- KE ở vận tốc cuối (J)
Cuộc điều tra diễn ra như thế nào
- Mở cài đặt trước Vận tốc đầu cuối. Một vận động viên nhảy dù (quả bóng) bắt đầu ở gần đầu khung cảnh và rơi dưới tác dụng của trọng lực khi lực cản của không khí tác động lên nó.
- Xác nhận đầu dò tốc độ được gắn vào người nhảy dù, sau đó kiểm tra khối lượng của nó và giá trị lực cản không khí (ma sát không khí) trong bảng Thanh tra.
- Đối với mỗi hàng bên dưới, đặt khối lượng của người nhảy dù và lực cản không khí trong Thanh tra cho khớp, chạy mô phỏng cho đến khi tốc độ đọc của đầu dò ngừng thay đổi (nó sẽ đạt đến giá trị ổn định trước khi người nhảy dù chạm sàn) và ghi lại tốc độ ổn định đó.
phương trình điều khiển
Định luật thứ hai của Newton ở trạng thái cân bằng — F = m·a
Lực ròng bằng khối lượng nhân với gia tốc. Khi người nhảy dù tăng tốc, lực kéo hướng lên trên tăng lên cho đến khi nó cân bằng chính xác với lực hấp dẫn hướng xuống - lực ròng (và do đó gia tốc) giảm xuống 0 và tốc độ ngừng thay đổi. Tốc độ ổn định đó chính là vận tốc cuối mà bạn đo được.
Động năng — KE = ½·m·v²
Động năng bằng một nửa khối lượng nhân với bình phương tốc độ. Khi người nhảy dù đạt vận tốc cuối, đây là động năng mà họ mang theo trong suốt thời gian còn lại của cú rơi - năng lượng mà lực cản không khí liên tục loại bỏ dưới dạng nhiệt, giữ cho tốc độ không đổi.
Bảng tính có thể in được yêu cầu học sinh làm gì
- Với mỗi hàng, hãy nhân tốc độ tới hạn bạn đo được với giá trị lực cản không khí rồi nhân với 60. Bạn sẽ nhận được giá trị gần 9,8 × (1 − lực cản), chứ không đúng bằng 9,8. Vì sao? Mô phỏng áp dụng lực cản mỗi khung hình một lần thay vì liên tục, và điều đó làm mất đúng một thừa số (1 − lực cản). Dù vậy, sự cân bằng này vẫn cho bạn biết gì về các lực khi người nhảy dù ngừng tăng tốc?
- Mỗi hàng sử dụng cùng một khối lượng. Khối lượng có xuất hiện ở đâu trong mối quan hệ mà bạn tìm thấy ở câu hỏi trước không? Dựa trên dữ liệu của bạn, một vận động viên nhảy dù nặng hơn có đạt vận tốc cuối khác với vận tốc cuối cùng nhẹ hơn trong mô phỏng này không?
Nơi điều này xuất hiện bên ngoài phòng thí nghiệm
- Lực cản không khí thực tăng theo bình phương tốc độ, không trực tiếp theo tốc độ và cường độ của nó phụ thuộc vào diện tích mặt cắt ngang và khối lượng của vật thể. Dự đoán vận tốc cuối cùng của một vận động viên nhảy dù thực sự sẽ thay đổi như thế nào giữa tư thế 'đại bàng dang rộng' nằm sấp và bổ nhào bằng chân - và tại sao khối lượng lại quan trọng đối với một vận động viên nhảy dù thực sự mặc dù nó không có trong dữ liệu của bạn ở trên.
- Một vận động viên nhảy dù mở một chiếc dù, điều này làm tăng mạnh lực cản không khí của họ. Sử dụng mối quan hệ bạn tìm được, hãy dự đoán điều gì sẽ xảy ra với tốc độ rơi của chúng ngay sau khi tán cây mở ra và giải thích lý do tại sao chúng không ngay lập tức nhảy tới vận tốc cuối mới.
- AP Physics 1 — Unit 2: Force and Translational Dynamics
- AP Physics C: Mechanics — Unit 2: Force and Translational Dynamics
- IB Physics — A.2 Forces and momentum
- General High School Physics — Forces & Newton's laws
- NGSS High School Physics — Forces and Newton's second law
- Chào mừng đến vận tốc giới hạn
- Chọn người nhảy dù
- Nhấn Phát
- Tốc độ ổn định
- Mở dữ liệu
- Hoàn thành!
Mở mô phỏng tương tác để xây dựng hoạt cảnh, nhấn Chạy và khám phá với các phép đo trực tiếp và bài hướng dẫn.
Mở phòng thí nghiệm tương tác →