Εικονικό πείραμα: Ενεργειακό διάγραμμα και ραβδόγραμμα

Το εικονικό πείραμα δείχνει ένα εργαστηριακό καροτσάκι που μπορεί να κινείται πάνω σε έναν πάγκο με τη βοήθεια ενός νήματος που περνάει από μία τροχαλία και στο άκρο του έχει δεμένα κάποια βαρίδια.

Πιο αναλυτικά, το εικονικό πείραμα αποτελείται:

• Από έναν οριζόντιο πάγκο που στο άκρο του έχει στερεωμένη μία τροχαλία.
• Από ένα καροτσάκι μάζας 600g που πάνω του μπορεί να πάρει επιπλέον έως τρεις μάζες των 600g.
• Από μία αβαρή κατακόρυφη ράβδο πάχους Δx=1cm που είναι τοποθετημένη στο καροτσάκι (μπροστινό μέρος).
• Από μία φωτοπύλη που μπορεί να κινείται οριζόντια, παράλληλα με το πάγκο και μπορεί να μετράει το χρόνο διέλευσης της ράβδου που είναι προσαρτημένη στο καροτσάκι.
• Από το "σημείο stop" που βρίσκεται πάνω στον πάγκο, κινείται κατά μήκος του και μετακινεί το εμπόδιο που σταματάει το καροτσάκι.
• Από 3 βαρίδια τα οποία μπορούν να τοποθετηθούν στην άκρη του νήματος, μετά την τροχαλία, και να θέσουν σε κίνηση το καροτσάκι.
• Από τα πλήκτρα εκτέλεσης του εικονικού πειράματος «έναρξη», «παύση» και «επαναφορά».
• Από δύο δρομείς που καθορίζουν την συνολική μάζα του οχήματος m₁ και των βαριδίων m₂.

Με τη προσομοίωση, μπορείς:

• Να αλλάξεις την συνολική μάζα στο καροτσάκι m₁ και στη μάζα των βαριδίων m₂.
• Να μετακινήσεις την φωτοπύλη σε μία κατάλληλη θέση ώστε να μετρήσει το χρόνο διέλευσης της κάθετης ράβδου που έχει τοποθετηθεί στο καροτσάκι.
• Να ξεκινήσεις την προσομοίωση, να πάρεις μετρήσεις, να υπολογίσεις την δυναμική και την κινητική ενέργεια του συστήματος για μία θέση της φωτοπύλης και να ελέγξεις αν διατηρείται η μηχανική του ενέργεια.
  (Σημείωση: Η κινητική ενέργεια λόγω περιστροφής που έχουν οι ρόδες και η τροχαλία θεωρούνται αμελητέες).
• Να επαναλάβεις τη διαδικασία για μία διαφορετική θέση της φωτοπύλης.

Οδηγίες εκτέλεσης της προσομοίωσης

• Μετάβαλλε τον δρομέα m₁ ώστε να επιλέξεις την συνολική μάζα από το καροτσάκι.
• Μετάβαλλε τον δρομέα m₂ ώστε να επιλέξεις την μάζα των βαριδίων.
• Μετακίνησε τη φωτοπύλη σε μία θέση. Προτείνεται η θέση να βρίσκεται σε μία γραμμή του πλέγματος που υπάρχει στο πίσω μέρος (background) της διάταξης. Μπορείς να χρησιμοποιήσεις το πληκτρολόγιο με το πλήκτρο "Shift" πατημένο και το αριστερό ή δεξί βέλος, για να κινείται η φωτοπύλη πάνω στις γραμμές του πλέγματος.
• Επίλεξε το πλήκτρο "έναρξη" και τότε το καροτσάκι αφήνεται ελεύθερο να κινηθεί. Κατάγραψε την τιμή που μετράει η φωτοπύλη και είναι ο χρόνος διέλευσης της ράβδου που βρίσκεται πάνω στο καροτσάκι.
• Για την αρχική θέση, υπολόγισε τη δυναμική ενέργεια και την κινητική ενέργεια του συστήματος.
• Για τη θέση όπου βρίσκεται η φωτοπύλη, υπολόγισε επίσης τη δυναμική ενέργεια και την κινητική ενέργεια του συστήματος.
• Η μηχανική ενέργεια του συστήματος παραμένει σταθερή;

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 (m₁, m₂), τα σημεία της προσομοίωσης ("φωτοπύλη", "σημείο stop"), τα πλήκτρα της προσομοίωσης ("έναρξη", "παύση", "επαναφορά") και τα πλήκτρα του template ("ανανέωση", "προβολή πλήρους οθόνης").
• Τους δρομείς αφού τους επιλέξεις με το "TAB", αλλάζεις την τιμή τους με τα βέλη του πληκτρολογίου.
• Τα σημεία αφού τα επιλέξεις με το "TAB", τα μετακινείς 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" → m₁ → m₂ → "φωτοπύλη" → "σημείο stop" → "έναρξη" → "παύση" → "επαναφορά" → "ανανέωση template" και επαναλαμβάνεται η ίδια σειρά.

ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: ΕΙΚΟΝΙΚΟ ΠΕΙΡΑΜΑ - ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΚΑΙ ΡΑΒΔΟΓΡΑΜΜΑ (σε ένα κλειστό σύστημα)

Ομάδα 2-3 μαθητών:
Υπεύθυνος καθηγητής:
Ημερομηνία:

Εισαγωγή

Το περιβάλλον του εικονικού πειράματος φαίνεται στην εικόνα 1 και δείχνει ένα αμαξίδιο το οποίο μπορεί να κινείται πάνω στον πάγκο, με τη βοήθεια ενός νήματος που περνάει από μία τροχαλία και στο άκρο του έχει δεμένα βαρίδια.

Από ένα όχημα (αμαξίδιο) μάζας 600g που πάνω του μπορεί να παίρνει επιπρόσθετες μάζες των 600g και στο μπροστινό του μέρος έχει προσαρτημένη μία αβαρή κατακόρυφη ράβδο πάχους Δx=1cm.
Η θέση του αμαξιδίου καθορίζεται από το "κόκκινο σημείο" που έχει στο μπροστινό του μέρος.

Από μία διάταξη βαριδίων των 100g, που είναι δεμένα στο άκρο του νήματος και κρέμονται από την τροχαλία.
Η θέση των βαριδίων καθορίζεται από το "κόκκινο σημείο" που έχουν στο πάνω μέρος τους.

Από έναν πάγκο που στο άκρο του έχει στερεωμένη μία τροχαλία.

Από ένα εμπόδιο που βρίσκεται πάνω στον πάγκο και σταματάει το όχημα.

Από μία φωτοπύλη που μπορεί να κινείται οριζόντια, παράλληλα με το πάγκο, και μπορεί να μετράει το χρόνο διέλευσης της ράβδου που είναι προσαρτημένη στο όχημα.

Από τα πλήκτρα εκτέλεσης του εικονικού πειράματος «έναρξη», «παύση» και «επαναφορά».

Από δύο δρομείς που καθορίζουν την συνολική μάζα του οχήματος m₁ και την συνολική μάζα των βαριδίων m₂.

Σκοπός του εικονικού πειράματος

Ο σκοπός είναι:
• Να σχεδιάσεις το ενεργειακό διάγραμμα για το σύστημα όχημα – βαρίδια – γη, για μία συγκεκριμένη μάζα οχήματος και βαριδίων.
• Να σχεδιάσεις το αντίστοιχο ραβδόγραμμα για την αρχική και την τελική θέση του παραπάνω συστήματος.
• Να ελέγξεις αν διατηρείται η μηχανική ενέργεια.

Παραδοχές

• Ως θέση οχήματος θα εννοούμε τη θέση του κόκκινου σημείου που βρίσκεται μπροστά στο όχημα και στην οριζόντια διεύθυνση ταυτίζεται με τη θέση που βρίσκεται η «κατακόρυφη ράβδος».
• Ως θέση βαριδίων θα εννοούμε το κόκκινο σημείο που συνδέει τα βαρίδια με το νήμα.
• Οι ρόδες έχουν κινητική ενέργεια λόγω περιστροφής, η οποία θα θεωρείται αμελητέα.

Εικονικό Πείραμα