Mozgások Fizika 9. Szaktanári segédlet

Átírás

1 Mozgások Fizika 9. Szaktanári segédlet Készítette: Rapavi Róbert Lektorálta: Gavlikné Kis Anita Kiskunhalas, december 31.

2 2 Tartalomjegyzék 1. óra 3. oldal Egyenes vonalú egyenletes mozgás vizsgálata Mikola-csővel 3. oldal I. mérés 3. oldal II. mérés 4. oldal III. mérés 5. oldal Érdekességek, kiegészítések, gondolkodtató kérdések 5. oldal Az egyenletes mozgás vizsgálata légpárnás kiskocsival Tanári kísérlet 5. oldal Házi feladat 6. oldal 2. óra 7. oldal Egyenletesen gyorsuló mozgás vizsgálata lassított szabadesés 7. oldal Érdekességek, kiegészítések, gondolkodtató kérdések 9. oldal Szabadesés vizsgálata fénykapus adatrögzítővel Tanári kísérlet 9. oldal Házi feladat 10. oldal 3. óra 10. oldal Az egyenletes körmozgás vizsgálata 10. oldal Coriolis-erő Tanári kísérlet 13. oldal Érdekességek, kiegészítések, gondolkodtató kérdések 13. oldal Házi feladat 13. oldal 4. óra A lendületmegmaradási törvény vizsgálata kiskocsik ütköztetésével 14. oldal Érdekességek, kiegészítések, gondolkodtató kérdések 15. oldal Vízhajtású rakéta Tanári kísérlet 15. oldal Csillagszórós rakéta Tanári kísérlet 16. oldal Felhasznált irodalom 16. oldal

3 Fizika 9. Szaktanári segédlet 3 Mozgások 1. óra Egyenes vonalú egyenletes mozgás vizsgálata Mikola-csővel Emlékeztető Fizika, földrajz: mozgások. Mi a különbség a pálya, az út és az elmozdulás között? pálya: Azt a vonalat, amin a test mozog, pályának nevezzük. út: A mozgó test által befutott pályaszakasz hossza a megtett út. elmozdulás: A kezdőpontból a végpontba mutató irányított szakaszt elmozdulásnak nevezzük. Eszköz és anyaglista Bunsen-állvány/állítható tartó Mikola-cső szögmérő stopperóra kréta metronóm Munkavédelem Vigyázz, hogy a Mikola-cső ne törjön el! Ügyelj arra, hogy a buborék ne szakadjon több kis buborékra! (Hirtelen mozdulatokat ne tegyél vele.) A kísérlet leírása, jelenség, tapasztalat I. mérés: Adott szögnél a csőnek a vízszintessel bezárt szöge ne legyen több, mint 30 mérjük az egyenlő időszakaszok alatt megtett utakat: a metronóm jelzi az egyenlő időközöket (kb. 5 sec) krétával jelöljük meg a buborék helyét a metronóm kattanásainak időpillanatában a cső centiméterskáláján leolvashatjuk, vagy a mérőszalaggal megmérhetjük a bejelölt szakaszok hosszát

4 Fizika 9. Szaktanári segédlet 4 Mozgások Mérési adatainkat foglaljuk táblázatba. t (s) s (cm) v (cm/s) vátlag (cm/s) 4,3 0,86 4,5 0,9 5 4,5 0,9 4,3 0,86 4,7 0,94 0,89 Próbáljuk meg meghatározni, hogy milyen hibák léphetnek fel a mérés során, ami miatt nem pontosan egyenletesnek mérjük a mozgást! Alapvető hibát okozhat, hogy a jelölés pontatlan. Egyrészt nehéz pontosan a hangjelzéskor elvégezni a jelölést, másrészt maga a jel sem mindig határozott vékony vonal. II. mérés: Jelöljünk ki 5 különböző szakaszt krétával (az előző jelöléseket töröljük le!) a cső különböző helyein. Állítsuk a Mikola-cső vízszintessel bezárt szögét kb. 30 -ra. Mérjük stopperrel azokat az időket, mely alatt a buborék megteszi a kijelölt utakat! Mérési adatainkat megint foglaljuk táblázatba! s (cm) t (s) v (cm/s) vátlag (cm/s) 10 2,52 3, ,05 3, ,69 3,90 3, ,43 3, ,95 3,86 Készítsünk grafikont az út és az idő kapcsolatáról (s ~ t)! Értelmezzük a kapott grafikont!

5 Fizika 9. Szaktanári segédlet 5 Mozgások A grafikon igen jó közelítéssel egyenletes mozgásra vonatkozik. A kapott mérési pontok jól illeszkednek egy origóból kiinduló félegyenesre, tehát az út és az idő között egyenes arányosság van. III. mérés: Jelöljünk most egy kb. 50 cm-es szakaszt a Mikola-csövön. 0 -tól 90 -ig 10 -onként változtassuk a cső vízszintessel bezárt hajlásszögét! Mérjük stopperrel az egyes szögekhez tartozó időtartamokat, amely alatt a buborék megteszi a kijelölt útszakaszt! hajlásszög ( ) idő: t (s) 27,43 15,58 12,91 11,80 11,38 11,54 13,38 15,26 20,09 sebesség: v (cm/s) 1,82 3,21 3,87 4,24 4,39 4,33 3,74 3,28 2,49 Ábrázoljuk a buborék sebességét a hajlásszög függvényében! Mikor lesz a legnagyobb a sebesség? Optimális esetben 53 -os szögnél lesz a sebesség maximuma. A hajlásszög növelésével először nő a sebesség is, majd egy maximumot elérve csökkenni kezd. Méréseink elég jól igazolták, hogy 50 környékén van a sebesség maximuma. Érdekességek, kiegészítések, gondolkodtató kérdések légpárnás sín fényképezőgép vagy kamera Tanári kísérlet légpárnás kiskocsi kameraállvány Az egyenletes mozgás vizsgálata légpárnás kiskocsival Légpárnás sínen a kiskocsit meglökve, az közel egyenletes mozgást végez. A sínre merőlegesen elhelyezett, állványra rögzített kamerával felvételeket készítünk adott időközönként. A

6 s (cm/s) Fizika 9. Szaktanári segédlet 6 Mozgások képeket ezután a projektorral kivetítjük, és leolvassuk a légpárnás sínről a test által megtett utakat. A mérési adatokat táblázatba foglaljuk, majd ábrázoljuk út-idő grafikonon. út (cm) idő (s) sebesség (cm/s) 3,3 0,1 33 3,4 0,1 34 3,4 0,1 34 3,3 0,1 33 3,3 0,1 33 út-idő ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 t (s) Házi feladat Nézz utána, hogy milyen sebességrekordok vannak az állatvilágban! Rövidtávon a leggyorsabb szárazföldi állat a gepárd, a madarak között a vándorsólyom. Milyen sebességrekordokat állított fel az ember? A szárazföldön elért eddigi legnagyobb sebesség 1228 km/h, ami nagyobb a hangsebességnél. Az Interneten számtalan különböző rekord található. Mi a helyzet a világűrben? Kozmikus seb. I.: 7,91 km/s; II.: 11,19 km/s; III.: 16,02 km/s.

7 Fizika 9. Szaktanári segédlet 7 Mozgások Kozmikus sebességek: Csillagközi utazás: 2. óra Egyenletesen gyorsuló mozgás vizsgálata lassított szabadesés Tantárgyközi kapcsolódás; elmélet Fizika: dinamika; mágneses mező. Fizika, technika: űrtechnika. Hadtudomány. Eszköz és anyaglista könnyen mozgó, ismert tömegű kiskocsi különböző, ismert tömegű nehezékek asztal szélére rögzített csiga stopper mérőszalag fonal Könnyen mozgó kiskocsit helyezzünk el vízszintes felületen, majd csigán átvetett fonállal kössünk hozzá egy testet az ábra szerint. (A fonálon függő test lehetőleg nagyobb tömegű legyen, mint a kiskocsi.) A fonalat megfeszítve indítsuk el a két testből álló rendszert. Mérjük meg különböző utak esetén azok megtételéhez szükséges időket, adatainkat foglaljuk táblázatba. Minden távolság esetén három mérést végezzünk, majd az így kapott adatokat átlagoljuk. Készítsünk sebesség idő és út idő grafikonokat. Ábrázoljuk az utat az idő négyzetének függvényeként. Milyen grafikonokat kapunk? Milyen egyéb, a mozgásra jellemző adatok olvashatók le/határozhatók meg a grafikonok alapján? A kísérlet leírása, jelenség, tapasztalat s (m) t1 (s) t2 (s) t3 (s) tátl (s) t 2 átl (s 2 ) v ( m ) s 0,2 0,81 0,9 0,99 0,90 0,81 0,44 0,3 1,24 1,11 1,15 1,17 1,36 0,51 0,4 1,33 1,34 1,38 1,35 1,82 0,59 0,5 1,66 1,56 1,58 1,60 2,56 0,63 0,6 1,79 1,75 1,77 1,77 3,13 0,68 0,7 1,99 2,04 1,99 2,01 4,03 0,70

8 Fizika 9. Szaktanári segédlet 8 Mozgások

9 Fizika 9. Szaktanári segédlet 9 Mozgások Gyűjtsük össze, hogy milyen tényezők befolyásolhatják mérésünk pontosságát! Az út-idő grafikon négyzetes összefüggést, a sebesség-idő és az út-időnégyzet függvények lineáris kapcsolatot mutatnak. Az utóbbi két grafikon meredekségéből meghatározható a mozgás gyorsulása. Mérésünket nagyban befolyásolhatta az időmérés pontatlansága. A vízszintes felület nem volt végig homogén, így a változó súrlódás is hibát okozhatott. Szabadesés vizsgálata fénykapus adatrögzítővel Tanári kísérlet állvány Érdekességek, kiegészítések, gondolkodtató kérdések elektromágnes tápegység 2 db fénykapu vasgolyó vezetékek adatrögzítő Helyezzünk el két fénykaput egymás alá. Elektromágnessel ejtsünk le egy vasgolyót, és mérjük meg a két kapu közti távolság megtételéhez szükséges időt. Ismételjük meg a mérést különböző magasságokból. Mérési eredményeinket foglaljuk táblázatba, számítsuk ki a gyorsulást, majd készítsünk út-idő grafikont! s (m) t (s) a (m/s 2 ) aátl (m/s 2 ) 0,1 0,148 9,13 0,2 0,209 9,16 0,3 0,258 9,01 9,12 0,4 0,295 9,19 0,5 0,331 9,13

10 Fizika 9. Szaktanári segédlet 10 Mozgások Házi feladat Nézz utána, hogy az élőlények (madarak, halak) hogyan alkalmazkodtak testalkatukkal a közegellenállás csökkentéséhez! A tökéletes hidrodinamikai alkalmazkodás eredménye a nyílt vízi, illetve gyorsúszású fajok torpedóalakja. Az úszás sebességével arányosan növekszik a közegellenállás. A gyors úszásnál az állat teste mellett keletkező áramlási turbulenciák elvezetését szolgálják a felhámot borító bőrfogak, vagy tudományos nevükön, a placoid pikkelyek. A placoid pikkelyek a fogakhoz hasonló dentitből állnak. A pikkelyek az áramlás (haladás) irányával ellentétes irányba dőlve roppant hatékonyan vezetik el a mozgás keltette turbulens vízmozgást. Ha a cápa bőrén a fejtől a farok irányába húzzuk végig a kezünket, azt simának, ha viszont ellentétes irányba, akkor smirgliszerűnek érezzük. Nézz utána az ejtőernyőzés fizikájának! Milyen ernyőfajtákat használnak? Az ejtőernyő olyan eszköz, mely légellenállása vagy formájából adódóan rajta keletkező felhajtóerő révén biztonságos földet érési sebességre csökkenti az egyébként szabadon eső test zuhanását. Napjainkban több változata létezik, melyeknek mind más manőverezési vagy biztonsági képességei vannak: Mentőernyő meghibásodott légijárműből, emberi élet mentésre szolgál, általában a pilóták és a repülőgép személyzete használja Tartalékernyő (néha hibásan: mentőernyő ) kizárólag a sportejtőernyőknél használatos, a rendellenesen működő főejtőernyő leoldása után nyitják, életmentés céljából

11 Fizika 9. Szaktanári segédlet 11 Mozgások Sportejtőernyő sport vagy szórakoztatási célú használatra. Ide sorolható a célba ugró, kupolaforma-ugró, tandem, swoop, BASE ejtőernyők. (A sportejtőernyők, kivéve a BASE ernyőket, minden esetben két ernyőt, egy főernyőt és tartalékernyőt tartalmaznak, melyeknek méretei nagyjából megegyezőek.) Teherernyő főként katonai célú terhek (pl. élelmiszer, gyógyszer, lőszer, haditechnikai eszközök, stb) biztonságos földre juttatására. 3. óra Az egyenletes körmozgás vizsgálata Tantárgyközi kapcsolódás; elmélet Fizika, technika: mesterséges égitestek. Fizika: mágnességtan. Fizika, kémia: atommag. Összefüggések a körmozgást jellemző mennyiségek között: i = v k t; α = ω t; T = 1 2 π ; ω = f T = 2 π f; v k = r ω; a cp = r ω 2 ; a cp = v k ω [ω] = 1 s = Hz; A szöget (α) radiánban mérjük! Eszköz és anyaglista lemezjátszó lombikfogó Bunsen-állvány szögmérő szűrőpapír liszt (homok) vonalzó stopper büretta 100 ml-es főzőpohár színezett víz vasgolyó A kísérlet leírása, jelenség, tapasztalat Töltsünk a bürettába színezett vizet, majd nyissuk meg a csapját annyira, hogy a víz a főzőpohárba csepegjen! Ezzel fogunk egyenlő időközöket mérni. Háromszor mérjük meg csepp leesési idejét! Ebből határozzuk meg a két egymás utáni csepp leesése között eltelt időt (Δt)! Mérési eredményeink alapján határozzuk meg a Δt átlagát!

12 ( ) Fizika 9. Szaktanári segédlet 12 Mozgások Kapcsoljuk be a lemezjátszót a legkisebb fordulatszámon! Toljuk olyan helyzetbe a bürettát, hogy abból a cseppek a szűrőpapírkorongra eshessenek, a középponttól minél távolabb, de még tartsuk alá a főzőpoharat! A főzőpohár elvételével engedjünk 6 8 cseppet a szűrőpapírra esni! Állítsuk le a lemezjátszót, és vegyük le a szűrőpapírkorongot! Jelöljük be a cseppek sorrendjét, és kössük össze vonalzóval a középpontjukat a kör középpontjával! Mérjük meg a többi sugárnak az első sugárral bezárt forgásszögét! Vegyük figyelembe az esetleges teljes körbefordulást is! Rögzítsük az adatokat táblázatban! Számítsd ki a szögsebességet (ω) is! Készítsük el a mozgás szögelfordulás idő grafikonját! Méréseinket erősen zavarta, hogy a csepegés közben viszonylag gyorsan csökkent a vízszint, ami a csepegés sebességét befolyásolja. Gyorsan kell mérni, esetleg kevesebb cseppenésből érdemes meghatározni az időintervallumot. szögelfordulás idő grafikon ,5 1 1,5 2 2,5 t (s) 10 Δt (s) Δt (s) Δt átl (s) 4,28 0,428 4,2 0,42 0,421 4,14 0,414

13 Fizika 9. Szaktanári segédlet 13 Mozgások (fok) (radián) t (s) (Hz) átl (Hz) 85 0,742 1, ,742 1, ,698 0,421 1,658 1,721 Coriolis-erő Tanári kísérlet 85 0,742 1, ,698 1,658 Szórjunk a lemezjátszó korongjára helyezett papírra vékony, egyenletes rétegben lisztet (homokot), szitán keresztül. Indítsuk el a lemezjátszót, majd a középponttól gurítsunk kifelé egy vasgolyót. Figyeljük meg, hogy milyen nyomot hagy! Magyarázzuk meg, hogy miért a megfigyeltek szerint mozog a golyó? A golyó nem egyenes, hanem görbe nyomot hagy a homokban. A Coriolis-erő az egyenletes szögsebességgel forgó koordinátarendszerekben ható fiktív (tehetetlenségi) erő, melynek fellépése abból adódik, hogy a forgó rendszerben v sebességgel mozgó m tömegű test extra gyorsulásnak van kitéve, mintha rá még egy erő hatna, a forgástengelyre merőleges síkban történő mozgás esetén F c = 2 m v ω nagyságú Coriolis-erő. Ez az erő tehát csak mozgó testekre hat. Iránya a sebességre merőleges, ezért eltérítő erő. Az óramutató irányával egyező forgás, pozitív szögsebesség esetén a Coriolis-erő mindig a sebességtől jobbra mutat. A földi mozgásokat ennek megfelelően az északi félgömbön mindig jobbra, a délin balra téríti el. Érdekességek, kiegészítések, gondolkodtató kérdések Nézz utána milyen következményei vannak a Corioli-erőnek a Föld felszínén! Szelek, tengeráramlatok forgási irányát befolyásolja.

14 Fizika 9. Szaktanári segédlet 14 Mozgások 4. óra A lendületmegmaradási törvény vizsgálata kiskocsik ütköztetésével Tantárgyközi kapcsolódás; elmélet Rakétaelv; fegyverek használata; közlekedés. Biológia: egyes állatok mozgása. Eszköz és anyaglista 2 db kiskocsi kiskocsira erősíthető rugó a kiskocsival azonos tömegű súlyok mérőszalag zsineg, gyufa Az ábrának megfelelően helyezzünk el egy vékony fonállal megfeszített, összekötött rugót, és állítsunk a rugó két oldalára két azonos tömegű kiskocsit! Égessük el a fonalat! A szétugró rugó a kocsikat vízszintes irányban löki szét, azok egyenes vonalú pályán mozognak. Mérjük meg az (l1, l2) elmozdulási távolságokat és a kocsik (m1, m2) tömegét, és igazoljuk, hogy azok között a következő összefüggés áll fenn! m 1 m 2 = l 1 l 2 Ezzel igazoljuk az impulzusmegmaradás tételét, hiszen a rugóval szétlökött testek által megtett távolságok a kezdősebességekkel arányosak, azaz következik, hogy m 1 v 1 = m 2 v 2 Végezzük el a kísérletet különböző tömegű kocsikkal is. Minden pár esetén három mérést végezzünk. Végezzünk mérést egy már használt és egy teljesen ismeretlen tömegű kocsival is. Próbáljuk a mérési eredmények alapján meghatározni az ismeretlen tömeget! (mism = 190 g)

15 Fizika 9. Szaktanári segédlet 15 Mozgások bal oldali kocsi jobb oldali kocsi tömeg (g) út (cm) lendület lendület út (cm) tömeg (g) m m m 2 m ,5 29, ,5 28, m = m = m = m 2 m 3 m 3 m mism = 232 Mérési adatainkból jól látszik, hogy az impulzusmegmaradás törvényét csak elég pontatlanul tudtuk igazolni. Tömegmérésre a fenti eljárás nem alkalmas, hiszen a 190 g-os mérleggel mért tömeggel szemben 232 g-os tömeget mértünk. Ez 68% körüli eltérést jelent. Ez igen nagy érték. Mivel a kocsik nem teljesen azonosak, így méréseinket több dolog is befolyásolhatja. A különböző csapágyazás, az eltérő súrlódás és az asztal esetleg nem teljesen vízszintes helyzete is mérési hibát okozhat. Érdekességek, kiegészítések, gondolkodtató kérdések Tanári kísérlet: Vízhajtású rakéta Legalább 1,5 literes pillepalackot kb. félig töltünk vízzel. A palack száját parafa dugóval zárjuk le, amelybe autószelepet erősítettünk. A palackra célszerű vezérsíkokat szerelni a jobb manőverezés miatt, valamint érdemes egy vékony fémrúddal biztosítani az iránytartást a kilövéskor. A palackot fejjel lefelé állítva elkezdjük növelni a nyomást. Egy bizonyos nyomást elérve, a túlnyomás kilöki a dugót és a vízsugár nagy sebességgel kiáramlik a palackból, és az felrepül. Kézi pumpával, vagy kis kompresszorral is működtethető a rakéta. A

16 Fizika 9. Szaktanári segédlet 16 Mozgások palack akár 10 méternél is magasabbra emelkedhet. A hatás ellenhatás elvét látványosan szemlélteti a kísérlet. Vigyázzunk, hogy mindenki kellő távolságban helyezkedjen el, a rakéta kilövésének irányában senki ne tartózkodjon! Tanári kísérlet Csillagszórós rakéta Kb cm hosszú drót végeit behajlítjuk, és egy-egy csillagszórót erősítünk rá. A drót közepét bemélyítve, vagy kis talpat szerelve rá, forgó tűtartóra illesztjük. A csillagszórókat meggyújtva a Segner-kerekünk forgásba jön. (Esetleg méréseket is végezhetünk a rakétaelv igazolásához. Megmérve a keringési időt, a rendszer tömegét, valamint a tömegveszteséget, meghatározhatjuk az égéstermék kiáramlási sebességét.) Az elektrosztatikus Segner-karikát felhasználva könnyen elkészíthetjük a berendezést. Felhasznált irodalom