Εικονικό πείραμα - Διερεύνηση της εξάρτησης της επιτάχυνσης από τη συνισταμένη δύναμη και από τη μάζα

---

Το περιβάλλον του εικονικού πειράματος αποτελείται:

• Από ένα εργαστηριακό όχημα μάζας 1Kg, το οποίο πάνω του μπορεί να πάρει άλλες τέσσερις μάζες 1Kg.
• Από ένα επιταχυνσιόμετρο που είναι προσαρτημένο στο όχημα.
• Από τους δρομείς της συνολικής μάζας m και της συνισταμένης δύναμης ΣF που ασκείται στο όχημα.
• Από τα πλήκτρα "έναρξη", "παύση" και "επαναφορά" για την εκτέλεση του πειράματος.
• Από το "χρονόμετρο", το οποίο ξεκινάει να μετράει όταν επιλεγεί το πλήκτρο "έναρξη". (Η μέγιστη χρονική διάρκεια της κίνησης και του χρονομέτρου είναι 20sec).
• Από το πλήκτρο "υπολογισμοί Δx, x, υ" το οποίο εμφανίζει κάθε χρονική στιγμή τις τιμές για την μετατόπιση Δx, τη θέση x και την ταχύτητα υ.

Με το εικονικό πείραμα μπορείς:

• Να τοποθετήσεις μάζες στο όχημα και να ασκήσεις μία συνισταμένη δύναμη ΣF.
• Να παρατηρήσεις την κίνηση και να καταγράψεις την ένδειξη της επιτάχυνσης από το επιταχυνσιόμετρο.
• Να επαναλαμβάνεις τις παραπάνω ενέργειες με διαφορετικές τιμές μάζας και συνισταμένης δύναμης.
• Να διερευνήσεις την επιτάχυνση που αποκτά το όχημα, όταν:
  • Διατηρώντας τη συνολική μάζα της διάταξης, ασκείς συνεχώς μεγαλύτερη συνισταμένη δύναμη.
  • Διατηρώντας σταθερή τη συνισταμένη δύναμη που ασκείς στη διάταξη, αυξάνεις τη συνολική μάζα με την προσάρτηση επιπλέον μαζών.
• Να υπολογίσεις, για μία χρονική στιγμή (που δείχνει το χρονόμετρο), την μετατόπιση, τη θέση και την ταχύτητα του οχήματος.
  Μπορείς να επιβεβαιώσεις τους υπολογισμούς σου με το πλήκτρο "υπολογισμοί Δx, x, υ".

Οδηγίες εκτέλεσης της προσομοίωσης

• 1ο μέρος

  • Επίλεξε τον δρομέα δύναμης "ΣF" και όρισε μία σχετικά μικρή δύναμη ΣF που θα ασκηθεί στο όχημα.
  • Επίλεξε με τον δρομέα μάζας "m" μία μάζα η οποία θα παραμείνει σταθερή στο 1ο μέρος του πειράματος.
  • Επίλεξε το πλήκτρο "έναρξη" και παρατήρησε την κίνηση του σώματος. Αυτό εκτελεί μία ευθύγραμμη ομαλά επιταχυνόμενη κίνηση. Κατάγραψε την επιτάχυνση που δείχνει το "επιταχυνσιόμετρο".
  • Επανάλαβε την κίνηση αλλά διπλασίασε τη δύναμη ΣF και κατάγραψε την επιτάχυνση που δείχνει το "επιταχυνσιόμετρο".
  • Επανάλαβε την κίνηση αλλά τριπλασίασε τη δύναμη ΣF και κατάγραψε ξανά την επιτάχυνση.
  • Υπάρχει κάποια σχέση μεταξύ της δύναμης και της επιτάχυνσης που αποκτά η διάταξη όταν η μάζα παραμένει σταθερή;

• 2ο μέρος

  • Επίλεξε τον δρομέα μάζας "m" και όρισε την μικρότερη μάζα 1Kg, που σημαίνει ότι δεν θα υπάρχει κάποια μάζα πάνω στο όχημα γιατί το ίδιο έχει μάζα 1Kg.
  • Επίλεξε τον δρομέα δύναμης "ΣF" και όρισε μία συνισταμένη δύναμη η οποία θα παραμείνει σταθερή στο 2ο μέρος του πειράματος.
  • Επίλεξε το πλήκτρο "έναρξη" και παρατήρησε την κίνηση του σώματος. Αυτό εκτελεί μία ευθύγραμμη ομαλά επιταχυνόμενη κίνηση. Κατάγραψε την επιτάχυνση που δείχνει το "επιταχυνσιόμετρο".
  • Επανάλαβε την κίνηση με διπλάσια μάζα m και κατάγραψε την επιτάχυνση που δείχνει το "επιταχυνσιόμετρο".
  • Επανάλαβε την κίνηση με τριπλάσια μάζα m και κατάγραψε την επιτάχυνση.
  • Υπάρχει κάποια σχέση μεταξύ της μάζας και της επιτάχυνσης που αποκτά η διάταξη όταν η δύναμη παραμένει σταθερή;
• Ποια είναι τα συμπεράσματά σου για την εξάρτηση της επιτάχυνσης που αποκτά ένα σώμα από τη συνισταμένη δύναμη που του ασκείται και από τη μάζα του;
• Καθώς εξελίσσεται η κίνηση, επίλεξε το πλήκτρο "παύση". Υπολόγισε για τη χρονική στιγμή που δείχνει το χρονόμετρο, την μετατόπιση, την αρχική θέση και την ταχύτητα του οχήματος.
  Επιβεβαίωσε τους υπολογισμούς σου με το πλήκτρο "υπολογισμοί Δx, x, υ", με το οποίο το πρόγραμμα δίνει τις απαντήσεις.

Η προσομοίωση λειτουργεί και με το πληκτρολόγιο ως εξής:

• Όταν ανοίγει η προσομοίωση, γίνεται πλοήγηση με το πλήκτρο "TAB" στην "καρτέλα συντελεστών" και στην "οθόνη βοήθειας". Τα πλήκτρα ενεργοποιούνται με το "Enter" και η πλοήγηση στις καρτέλες γίνεται ξανά με το "TAB".
• Έπειτα η πλοήγηση συνεχίζεται μόνο στην προσομοίωση ως εξής:
• Με το πλήκτρο "TAB" επιλέγεις τους δρομείς της προσομοίωσης ("αυξομείωση δύναμης F", "αυξομείωση μάζας m", "αρχική θέση x₀" ), τα πλήκτρα της προσομοίωσης ("επαναφορά", "έναρξη", "παύση", "υπολογισμοί Δx, x, υ") και τα πλήκτρα του template ("ανανέωση", "προβολή πλήρους οθόνης").
• Τους δρομείς της προσομοίωσης, αφού τους επιλέξεις με το "TAB", αυξομειώνεις την τιμή τους με τα βέλη του πληκτρολογίου.
• Τα πλήκτρα της προσομοίωσης, αφού τα επιλέξεις με το "TAB", λειτουργούν με το πλήκτρο "space" (κενό) του πληκτρολογίου.
• Τα πλήκτρα του template, αφού τα επιλέξεις με το "TAB", λειτουργούν με το πλήκτρο "space" (κενό) του πληκτρολογίου.
• Η σειρά ενεργοποίησης των πλήκτρων/αντικειμένων στην προσομοίωση είναι η εξής:
  "προβολή πλήρους οθόνης" → "αυξομείωση δύναμης F" → "αυξομείωση μάζας m" → "αρχική θέση x₀" → "έναρξη" → "παύση" → "υπολογισμοί Δx, x, υ" → "επαναφορά" → "ανανέωση template" και επαναλαμβάνεται η ίδια σειρά.

ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: ΕΙΚΟΝΙΚΟ ΠΕΙΡΑΜΑ - ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΕΞΑΡΤΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΠΙΤΑΧΥΝΣΗΣ ΑΠΟ ΤΗ ΣΥΝΙΣΤΑΜΕΝΗ ΔΥΝΑΜΗ ΚΑΙ ΑΠΟ ΤΗ ΜΑΖΑ

Ομάδα 2-3 μαθητών:
Υπεύθυνος καθηγητής:
Ημερομηνία:

Εισαγωγή

Το περιβάλλον του εικονικού πειράματος παρουσιάζεται στην παρακάτω εικόνα και αποτελείται από:

• Ένα αμαξίδιο μάζας 1kg που πάνω του μπορεί να πάρει άλλες τέσσερις μάζες επίσης του 1kg και βρίσκεται πάνω σε ένα οριζόντιο επίπεδο.
• Μία συνισταμένη δύναμη που ασκείται στο αμαξίδιο, είτε προς τη θετική είτε προς την αρνητική κατεύθυνση, με τιμή από -5N έως 5N (με βήμα 1N).
• Ένα επιταχυνσιόμετρο που είναι προσαρτημένο πάνω στο αμαξίδιο.

Υπάρχουν ο δρομέας "αυξομείωσης μάζας" για την τοποθέτηση μαζών στο αμαξίδιο και ο δρομέας "αυξομείωσης δύναμης" για την άσκηση διαφορετικής συνισταμένης δύναμης.
Επίσης, υπάρχουν τα πλήκτρα "έναρξη", "παύση", και "επαναφορά" για την εκτέλεση του πειράματος.

(Σημείωση: Υπάρχει ένα "χρονόμετρο" και ένα πλήκτρο "υπολογισμός Δx, x, υ" τα οποία δεν θα χρησιμοποιηθούν στο εικονικό πείραμα).

Σκοπός του εικονικού πειράματος

• Να διερευνήσεις πως μεταβάλλεται η επιτάχυνση που αποκτά το αμαξίδιο όταν, ενώ έχει σταθερή συνολική μάζα, μεταβάλλεται (διπλασιάζεται, τριπλασιάζεται κ.λπ.) η συνισταμένη δύναμη που του ασκείται.
• Να διερευνήσεις πως μεταβάλλεται η επιτάχυνση που αποκτά το αμαξίδιο όταν, ενώ του ασκείται σταθερή συνισταμένη δύναμη, μεταβάλλεται η συνολική του μάζα (διπλασιάζεται, τριπλασιάζεται κ.λπ.).

Εικονικό Πείραμα

Μέρος Α. Διερεύνηση της σχέσης επιτάχυνσης-δύναμης

Να εκτελέσεις τις παρακάτω ενέργειες:
• Να επιλέξεις με τον δρομέα "αυξομείωσης μάζας" τη συνολική μάζα m του αμαξιδίου, η οποία θα παραμείνει σταθερή σε όλο το Μέρος Α:
  m = ………………………………… (επίλεξε μία τιμή)
• Να επιλέξεις με τα πλήκτρα "αυξομείωσης δύναμης" τη συνισταμένη δύναμη ΣF που ασκείται στο αμαξίδιο, να έχει μέτρο 2N.



• Να καταγράψεις την τιμή της επιτάχυνσης που αποκτά το αμαξίδιο, όταν ξεκινήσει.
• Να επαναλάβεις το ίδιο για τιμές συνισταμένης δύναμης 4N και 6N.
• Να μεταφέρεις τις τιμές στον Πίνακα 1.

Συμπέρασμα 1: Η επιτάχυνση α που αποκτά το αμαξίδιο, που έχει σταθερή συνολική μάζα, εξαρτάται από τη δύναμη που του ασκείται;    ΝΑΙ       ΟΧΙ

Αν ΝΑΙ, πώς μεταβάλλεται όταν διπλασιάζεται ή τριπλασιάζεται η συνισταμένη δύναμη;

Μέρος Β. Διερεύνηση της σχέσης επιτάχυνσης-μάζας.

• Να επιλέξεις με τον δρομέα "αυξομείωσης δύναμης" τη συνισταμένη δύναμη ΣF που ασκείται στο αμαξίδιο, η οποία θα παραμείνει σταθερή σε όλο το Μέρος Β:

  ΣF= ………………………………… (επίλεξε μία τιμή)

• Να επιλέξεις τη συνολική μάζα m του αμαξιδίου, ίση με 1Kg.
• Να καταγράψεις την τιμή της επιτάχυνσης που αποκτά το αμαξίδιο, όταν ξεκινήσει.
• Να επαναλάβεις το ίδιο για διπλάσια και τριπλάσια συνολική μάζα.
• Να μεταφέρεις τις τιμές στον Πίνακα 2.

Συμπέρασμα 2: Η επιτάχυνση α που αποκτά το αμαξίδιο όταν του ασκείται σταθερή συνισταμένη δύναμη ΣF εξαρτάται από τη συνολική του μάζα m;    ΝΑΙ       ΟΧΙ

Αν ΝΑΙ, πώς μεταβάλλεται όταν διπλασιάζεται ή τριπλασιάζεται η συνολική μάζα;

Τελικό συμπέρασμα

Υπολογισμοί