Z005 - Zestaw do demonstracji oddziaływania bezpośredniego i na odległość, zasady zachowania pędu, badania ruchu jednostaj

Zestaw składa się z metalowego toru z podziałką, czterech kulek metalowych i trzech kulek szklanych, wypełnionej cieczą rurki o długości 72 cm (w której znajduje się pęcherzyk powietrza) oraz pisaka suchościeralnego.
Wykorzystując elementy zestawu można:

• zademonstrować:
  • oddziaływanie bezpośrednie - zderzenia kulek na torze;
  • oddziaływania "na odległość" (ciało w polu grawitacyjnym) - oddziaływanie grawitacyjne z Ziemią kilku kulek spoczywających na poziomym torze powoduje ich równoczesny ruch po podniesieniu jednego końca toru;
• zilustrować zasadę zachowania pędu - zderzenia na torze różnych par kulek;
• badać:
  • ruch jednostajny - pęcherzyk powietrza w rurce wypełnionej cieczą porusza się ruchem jednostajnym, możemy dla takiego ruchu wyznaczać szybkość średnią oraz zależność drogi i szybkości od czasu;
  • ruch jednostajnie przyspieszony - wykorzystując podziałkę naniesioną na boczną ściankę toru sprawdzać zależność drogi, szybkości i przyspieszenia od czasu w ruchu jednostajnie przyspieszonym (kulki na torze).

Zestaw może być także pomocny w omawianiu względności ruchu.

Proponowany sposób przeprowadzenia doświadczeń:

Oddziaływanie bezpośrednie.

Na środku poziomo położonego toru ustawiamy w jednakowych odstępach (około 5cm) trzy kulki metalowe. Czwartą kulkę "puszczamy" po torze, nadając jej możliwie dużą szybkość. Obserwujemy zderzenia kulek.

• Kiedy kolejne kulki zaczynają się poruszać?
• Jaka jest przyczyna ruchu kolejnych kulek?
• Jak nazywa się ten rodzaj oddziaływań?

Oddziaływanie "na odległość" (ciało w polu grawitacyjnym).

Na środku poziomo położonego toru ustawiamy w jednakowych odstępach (5 - 10cm) cztery kulki metalowe. Jeden z końców toru unosimy w górę. Obserwujemy ruch kulek.

• Jaka siła powoduje równoczesny ruch kulek po podniesieniu toru?
• Jaki to rodzaj oddziaływań?

Zasada zachowania pędu.

Na środku poziomo położonego toru ustawiamy kulkę metalową. Drugą kulkę metalową "puszczamy" po torze. Obserwujemy zderzenie kulek. Doświadczenie powtarzamy dla następujących par kulek (spoczywająca - poruszająca się):

1. metalowa - szklana,
2. szklana - metalowa,
3. szklana - szklana.

Za każdym razem obserwujemy zderzenie kulek.

• Jak w powyższych przypadkach poruszają się kulki po zderzeniu? Dlaczego?

Badamy ruch jednostajny.

Droga i szybkość w ruchu jednostajnym.

Pochylamy rurkę, aby pęcherzyk powietrza znalazł się na jej końcu. Ustawiamy rurkę pionowo, końcem z pęcherzykiem "do dołu". W jednakowych odstępach czasu (do odmierzania czasu można użyć zegarka z sekundnikiem lub taktomierza) zaznaczamy na rurce pisakiem położenie pęcherzyka powietrza, zawsze jednakowo - np. zawsze jego górnego "końca".

Za pomocą linijki mierzymy drogę przebytą przez pęcherzyk od początku ruchu (początek skali linijki przykładamy do miejsca oznaczającego pierwsze zaznaczone położenie pęcherzyka). Wyniki zapisujemy w tabeli oraz nanosimy na wykresie zależność przebytej drogi od czasu ruchu. Naniesione na wykres punkty doświadczalne ułożą się w pobliżu prostej (możemy uwzględnić na wykresie niepewności systematyczne).

Stąd wniosek, że w badanym ruchudroga przebyta przez ciało jest wprost proporcjonalna do czasu trwania ruchu.

Obliczamy drogę przebytą w kolejnych przedziałach czasu, a następnie szybkość średnią w tych przedziałach. Wyniki wpisujemy również do tabeli. Wykonujemy wykres zależności szybkości od czasu.

Drogi przebyte w jednakowych odstępach czasu są jednakowe (w granicach niepewności pomiarowych), szybkości w kolejnych przedziałach czasu są również jednakowe. Ruch jest jednostajny.

Szybkość średnia v_śr ruchu pęcherzyka.

Metoda 1. Obliczamy średnią drogę s przebytą w stosowanym w pomiarze przedziale czasu jako średnią arytmetyczną dróg przebytych w kolejnych przedziałach. Wynik zapisujemy w postaci s±Δs, gdzie Δs (niepewność) jest połową różnicy między największą i najmniejszą z dróg w poszczególnych przedziałach czasu. Obliczamy szybkość vśr wraz z niepewnością Δv_śr, dzieląc s i Δs przez długość stosowanego przedziału czasu.

Metoda 2. Obliczamy szybkość vśr jako średnią arytmetyczną szybkości w kolejnych przedziałach czasu. Wyznaczamy niepewność maksymalną Δv_śr jako połowę różnicy między największą i najmniejszą spośród szybkości w kolejnych przedziałach czasu. Wynik zapisujemy w postaci v_śr±Δv_śr.

Tabela zawiera następujące kolumny:

1. czas od początku ruchu (za który przyjmujemy pierwsze zaznaczone położenie pęcherzyka),
2. droga przebyta od początku ruchu,
3. droga w kolejnych przedziałach czasu,
4. szybkość średnia w kolejnych przedziałach czasu.

Metoda 3. Zaznaczamy na rurce dwie kreski w odległości 40cm. Mierzymy czas, w jakim pęcherzyk przebywa zaznaczoną drogę (rurka ustawiona pionowo). Obliczamy szybkość v ruchu pęcherzyka. Pomiar powtarzamy kilkakrotnie. Ostatecznie obliczamy szybkość ruchu pęcherzyka w rurce jako średnią arytmetyczną otrzymanych wyników, zapisując rezultat w postaci v_śr±Δv_śr, gdzie niepewność maksymalna Δv_śr jest połową różnicy największej i najmniejszej z otrzymanych wartości v.

Po wykonaniu doświadczenia suchą szmatką czyścimy rurkę.

Badanie ruchu jednostajnie przyspieszonego.

Obserwujemy ruch metalowej lub szklanej kulki (jej środka ciężkości) po torze nachylonym pod niewielkim kątem do poziomu. Korzystając ze skali, odczytujemy w równych odstępach czasu położenie kulki. Przedstawiamy na wykresie drogę przebytą przez kulkę od początku ruchu. Obliczamy drogę przebytą w kolejnych odstępach czasu, a następnie szybkość średnią w kolejnych odstępach czasu i sporządzamy wykres zależności tej szybkości od czasu. Na podstawie tego wykresu obliczamy wartość przyspieszenia w kolejnych odstępach czasu i przedstawiamy na wykresie.

Jaki to ruch?

Ilustracja względności ruchu.
Chwytamy rurkę tak, by ustawiona była pionowo, a znajdujący się u dołu pęcherzyk powietrza znalazł się na wysokości naszych oczu. Podczas gdy pęcherzyk porusza się w rurce „do góry”, przesuwamy rurkę w dół z taką szybkością, aby pęcherzyk cały czas pozostawał na wysokości naszych oczu.
Pęcherzyk powietrza względem rurki (układu odniesienia związanego z rurką) porusza się „do góry”, ale względem trzymającego rurkę (układu odniesienia związanego z trzymającym rurkę) pozostaje w spoczynku.

Wygląd produktu na zdjęciu może odbiegać od wyglądu produktu w rzeczywistości.