A gravitációs gyorsulás meghatározására irányuló. célkitűzései:

Átírás

1 Tanári útmutató: A gravitációs gyorsulás meghatározására irányuló célkitűzései: méréssorozat általános A gravitációs gyorsulás értékének meghatározása során ismerkedjenek meg a tanulók többféle hagyományos és újszerű mérési módszerrel, klasszikus és digitális eszköz használatával. Az ejtő zsinórral végzett kísérlet további célkitűzései: A gravitációs gyorsulás meghatározása ejtő zsinórral végzett kísérlettel, kézi és számítógépes időmérés módszerével. Ismerjék meg a kézi stopper, és az ejtő zsinór célszerű használatát, valamint a számítógéppel támogatott mérés lehetőségét az Audacity szoftver felhasználásával. Eszközszükséglet: 1db 160cm hosszú ejtő zsinór, amelyre egymástól rendre 10cm, 30cm, 50cm és 70cm távolságban nagyméretű csavaranyák vannak rögzítve 1db 160cm hosszú ejtő zsinór, amelyre egymástól 40 cm távolságban nagyméretű csavaranyák vannak rögzítve 1db 160cm hosszú ejtő zsinór, amelyre egymástól 160cm távolságban nagyméretű csavaranyák vannak rögzítve 3db stopperóra mérőszalag tanulói számítógép, mikrofon Audacity szoftver, (szabadon letölthető) Eszközismertető, tudnivalók: Ejtőzsinór (szokás Galilei-féle ejtő zsinórként is említeni). A kb. 2m hosszú zsinegre megfelelő távolságokra nagyméretű csavaranyákat rögzítünk. A zsinórt függőlegesen tartva, majd elengedve mindegyik nehezék ugyanakkor kezd esni a föld felé. Galileo Galilei ( ) Olasz fizikus és csillagász. Ő az első, aki a fizikai kutatásban hangsúlyozta a matematika és a kísérlet együttes szerepét. A fizikán belül őt tekintjük a kinematika megalapozójának. A szabadon eső testek mozgásának törvényszerűségeit először Galilei tárta fel. Lejtőn legördülő golyók mozgását vizsgálta, valamint ejtési kísérleteket végzett. Megállapította és kimondta, hogy amennyiben a légellenállás elhanyagolható, a Föld egy adott helyén a testek azonos módon esnek. 1

2 Kísérleti eredmények bizonyítják, hogy a szabadon eső testek egyenes vonalú egyenletesen változó mozgást végeznek. A szabadon eső test által megtett út az összefüggéssel adható meg, ahol s az elejtés helyétől megtett út, t az elejtés pillanatától eltelt idő, g a szabadon eső test gyorsulása, amit nehézségi gyorsulásnak nevezünk. Mivel a szabadon eső testek egyenes vonalú, egyenletesen változó mozgást végeznek, és a Föld egy adott pontján minden test azonos módon esik, ezért gyorsulásuk is egyenlő. A szabadon eső testek gyorsulását g-vel jelöljük, és nehézségi gyorsulásnak nevezzük. Értéke hazánk területén 9,81 m/s 2, ami a Föld különböző helyein ettől az értéktől kissé eltérhet. Számítógépes hangrögzítés és elemzés: a mikrofon a hangot elektromos rezgéssé alakítja, és továbbítja az alaplapra integrált hangkártyára, amely az elektromos jeleket digitalizálja. Az Audacity szoftver segítségével mérési adatainkat rögzíteni, tárolni és elemezni tudjuk. Balesetvédelem A mérőszalag pereme éles, figyelj erre mérés közben! I. Megfigyelések, kísérletek hagyományos módszerekkel A. kísérlet egyenletes osztású ejtő zsinórral. Az indító tartsa magasra az ejtő zsinórt úgy, hogy az alsó nehezék érintse a padlót, és a zsinór feszesen álljon. Elengedve a zsinórt figyeljétek meg, hogy milyen időközönként halljátok a koppanásokat. Milyen távol vannak egymástól a nehezékek? Milyen időközönként halljátok a koppanásokat? B. kísérlet négyzetes osztású ejtő zsinórral. A megfigyelés menete Az indító tartsa magasra az ejtő zsinórt úgy, hogy felül a ritkábban elhelyezkedő nehezékek legyenek, az alsó nehezék érintse a padlót és a zsinór feszesen álljon. Elengedve a zsinórt, valamennyi figyeljétek meg, hogy milyen időközönként halljátok a koppanásokat. 2

3 Milyen távol vannak egymástól a nehezékek? Milyen időközönként halljátok a koppanásokat? C. mérés ejtő zsinórral Az ejtő zsinór két végére nagyméretű csavaranyákat rögzítettünk. Mérjétek meg stopperóra segítségével az 160cm magasról leejtett nehezék esési idejét, ismételjétek meg a mérést 4- szer! Négy fős csoportban, végezzétek el a mérést. Az indító tartsa magasra a zsinórt úgy, hogy az alsó nehezék érintse a padlót és a zsinór feszesen álljon. Elengedve a zsinórt, a társai mérjék meg külön-külön, de egyidejűleg a felső nehezék esési idejét. A mért adatokat foglaljátok az alábbi táblázatba. Időmérők neve: 1. mérés indító 2. mérés indító 3. mérés indító esési idő t(s) 4. mérés indító Hasonlítsátok össze a mérési eredményeket! Mit tapasztaltok?... Melyik két értéket célszerű kihagyni a 12 mért érték közül? Miért?... 3

4 Számítsátok ki a megmaradt 10 mért érték számtani átlagát!... A négyzetes úttörvény alapján számítsd ki a gravitációs gyorsulás értékét a mért adatok átlagából! t= s= g=? Mekkora az eltérés az irodalmi értéktől? 9,81 m s 2 - = A számítás során két fontos feltételezéssel éltünk, melyek ezek? Sorold fel az előző mérés során tapasztalt Milyen megoldási javaslatod van? nehézségeket II. Ismételjétek meg a kísérleteket mikrofon és az Audacity szoftver támogatásával. Az emberi érzékelést és a stoppert most a számítógéphez kapcsolt mikrofon és a szoftver által rögzített hangjel helyettesíti. Az Audacity szoftver használata egyszerű, a felvétel készítése a szokásos jellel ellátott gombok segítségével vezérelhető. Ha sztereo mikrofont használunk, akkor két hangsáv látható a képernyőn. A mikrofont a nehezékek becsapódási helyének közelébe helyezzétek, majd indítsátok el a szoftvert. A hangfelvétel indítása után az ejtési kísérlet, majd a felvétel leállítása következzen. A rögzített felvételből ki kell választani a mérés szempontjából fontos részt, és a kijelölésen kívül eső területeket célszerű eltávolítani. Az így kapott hanginformáció újra meghallgatható, lassítható, az időtengelyről és az alsó állapotsorról a két jel között eltelt idő ezredmásodperc pontossággal leolvasható. 4

5 A. kísérlet egyenletes osztású ejtő zsinórral. A számítógépes hangfelvételt elemezve olvasd le az időértékeket! A mintához hasonló ábrát fogsz kapni. hogyan érzékelheted az egyre rövidülő időközöket? Írd le a mérés során tapasztaltakat! 5

6 B. kísérlet négyzetes osztású ejtő zsinórral. A számítógépes hangfelvételt elemezve olvasd le az időértékeket! A mintához hasonló ábrát fogsz kapni. Mennyi idő telt el a két hangjel között? (Figyelj arra, hogy az első koppanást a 10 cm magasról eső nehezék okozza!) A nehezékek egyszerre kezdtek el esni. Egyre nagyobb távolságot tettek meg időtartam alatt. Az ismeretek ellenőrzése: 1. Ki volt Galilei? 2. Mitől függ a gravitációs gyorsulás értéke? 3. Mondj példát szabadesésre! 4. Milyen eszközök szükségesek a számítógépes hangrögzítéshez? 5. Hogyan tudnád társad reakcióidejét megmérni egy méterrúd segítségével? Felhasznált szakirodalom: Sulinet Digitális Tudásbázis: A digitális hangkeltés és hangrögzítés elve: Sulinet Digitális Tudásbázis: A szabadesés leírása Zsigó Zsolt: Egyenes vonalú egyenletesen változó mozgás vizsgálata ejtőzsinór segítségével /index.html 6