Wirtualne laboratorium

Na ekranie, w jego środkowym obszarze, pokazany jest obraz laboratorium. Głównym elementem jest płaski, poziomy stół widziany z boku w postaci czarnego prostokąta. Na powierzchni stołu umieszczony jest klocek, symbolizowany przez czerwony prostokąt. Ściana za powierzchnią i klockiem jest pokryta kilkudziesięcioma cienkimi pionowymi paskami, gęsto ułożonymi, kolorystycznie słabo odcinającymi się od jasnoszarej ściany.

W lewym górnym rogu ekranu umieszczony jest przycisk „Liczba klocków”. Otwiera on okno dialogowe zasłaniające część ekranu. W oknie możesz wskazać jeden z pięciu klocków, oznaczonych kolejno literami od A do E,  w celu umieszczenia go na powierzchni stołu. Klocki są symbolicznie zaznaczone w postaci czerwonych prostokątów o różnych wymiarach. Właściwości klocków (ich masy oraz wymiary powierzchni styku z podłożem) ujęte są w tabeli 1.

Po kliknięciu na trzy spośród pięciu klocków okno dialogowe się zamyka a wybrany klocek pojawia się na czarnej powierzchni, zastępując klocek znajdujący się tam poprzednio. Wybranie któregokolwiek z pozostałych dwóch klocków powoduje pojawienie się odmownego komunikatu programu i zamknięcie okna dialogowego.

W prawym górnym rogu ekranu umieszczony jest przycisk „Wyczyść wyniki”. Jego użycie powoduje usunięcie wyników wszystkich wykonanych pomiarów.

Pod powierzchnią z klockiem, po prawej stronie ekranu, jest przycisk „Wybór siły”. Otwiera on kolejne okno dialogowe. Widać na nim poziomo ułożoną skalę siłomierza, w zakresie od zera do dwudziestu. Skala jest opisana po prawej stronie jednostką „N”. Wartości co jeden niuton są zaznaczone krótkimi pionowymi kreskami; co piąta z nich, począwszy od zera, jest opisana. Wartości odpowiadające połowom niutona są zaznaczone kreskami krótszymi. Pod skalą widnieje pięć przycisków wyboru wartości siły F, od dwóch i pół niutona do dwudziestu niutonów. Po kliknięciu na wybraną wartość siły okno dialogowe się zamyka.

Poniżej powierzchni z klockiem, po lewej stronie ekranu, jest przycisk „Start”. Uruchamia on pomiar, czyli badanie ruchu wybranego klocka pod wpływem siły F o wybranej wartości, w obecności siły tarcia. Jeśli klocek nie zostaje ruszony z miejsca, pionowe paski na ścianie pozostają nieruchome. W przeciwnym razie przemieszczają się one w lewo, symbolizując przemieszczenie klocka w prawo. Ruch pasków jest jednostajny albo przyspieszony – odpowiada to charakterowi ruchu klocka. Do klocka zostaje doczepiony siłomierz, za pomocą którego jest on ciągnięty w prawo. Nad siłomierzem zostaje zaczepiona strzałka celująca w prawo, z opisem „F ze strzałką”. Od lewej strony klocka zostaje zaczepiona strzałka celująca w lewo, z opisem „T ze strzałką”. W miejscu przycisku „Start” pojawia się wirująca w kółko linia, obok której za pomocą liczb odliczany jest czas od pięciu sekund wstecz do zera.  Po upływie pięciu sekund samoczynnie otwiera się okno dialogowe z napisem „Wynik” oraz poziomo ułożoną skalą siłomierza, taką jak przy wyborze siły. Na tej skali można odczytać położenie czerwonej wskazówki, pokazującej wartość wskazań siłomierza podczas pomiaru. Po odczycie okno zamyka się przyciskiem „x”.

Dolną część ekranu zajmuje „Tabela wyników”. Jej wiersz nagłówkowy jest zawsze widoczny i opisuje zawartości kolumn, kolejno: „Liczba porządkowa”, „Oznaczenie klocka”, „Powierzchnia styku (dmIndeks górny 2²)”, „F (N)”, „Niepewność F (N)”, „Wynik próby”. Po każdym wykonanym pomiarze dodawany jest jeden wiersz, w którym zapisywane są wybrane dla tego pomiaru parametry: wybrany klocek wraz z wartością powierzchni jego styku z podłożem oraz siła F ciągnąca za stos wraz z jej niepewnością graniczną Delta F. W ostatniej kolumnie pojawia się informacja o skutku przyłożenia zadanej siły. Trzy możliwe wpisy to „Brak ruchu”, „Ruch jednostajny”, „Ruch przyspieszony”.

Cel doświadczenia

Celem eksperymentu, czyli problemem, z jakim się mierzysz, jest zbadanie wpływu powierzchni styku klocka z podłożem na wartość siły tarcia kinetycznego. Musisz więc zaplanować, jakie klocki dopuszczasz do udziału w badaniu, a jakie odrzucisz.

Hipoteza badawcza

Kolejnym etapem planowania pracy jest sformułowanie hipotezy badawczej. Badamy wpływ wskazanego czynnika (u nas: rozmiar powierzchni styku) na wartość parametru układu (u nas: wartość siły tarcia działającej na klocek). W takiej sytuacji możemy postawić hipotezę w trzech wersjach:

1. Wzrost powierzchni styku powoduje wzrost wartości siły tarcia.

2. Wzrost powierzchni styku powoduje spadek wartości siły tarcia.

3. Zmiana powierzchni styku nie wpływa na wartość siły tarcia.

Wybór powinien wynikać z dotychczasowej wiedzy na temat badanego zjawiska. Pamiętaj jednak, że nie musisz z góry wiedzieć, która wersja jest właściwa - wolno Ci wybrać którąkolwiek. Wyniki eksperymentu pozwolą zweryfikować Twój wybór. W razie rozstrzygnięcia negatywnego nie czeka Cię nic gorszego niż konieczność powtórzenia eksperymentu.

Interpretacja przykładowych wyników

Nim zaplanuje się i przeprowadzi właściwe pomiary, warto zrobić próbną serię pomiarów. Przeprowadzono taką serię z klockiem C, którego powierzchnia styku jest najmniejsza - przypomnij sobie dane w Tabeli 1. Wyniki tej serii pokazano w Tabeli 2.

Planowanie postępowania

W serii próbnej uzyskaliśmy wartość siły tarcia kinetycznego dla klocka C, o najmniejszej powierzchni styku. Przy badaniu klocków o powierzchniach styku coraz większych (czyli A i B, w tej kolejności) powinniśmy zaplanować pomiary zgodnie z przyjętą hipotezą badawczą.

Celem jest znalezienie, dla każdego z klocków oddzielnie, takiej wartości siły, która zapewni jednostajny ruch tego  klocka. Przy trafnie postawionej hipotezie badawczej wystarczy wykonać dwa pomiary. W przypadku hipotezy nietrafnej trzeba będzie wykonać pomiarów więcej.

Analiza wyników i wnioskowanie

Niezależnie od postawionej hipotezy badawczej cel doświadczenia zostaje osiągnięty po uzyskaniu wyników zaprezentowanych w Tabeli 3. Przeanalizuj te wyniki.

Kluczowym elementem jest ruch jednostajny każdego z klocków. Pozwala to stwierdzić, że siły tarcia kinetycznego miały wartości:

Z kolei niepewności pomiaru tych sił są rzędu 0,5 N. To zaś pozwala stwierdzić, że różnice pomiędzy ich wartościami są w warunkach naszego eksperymentu pomijalne i siły te mogą być uznane za jednakowe. Możemy więc rozstrzygnąć problem i przedstawić wynik całego badania.

Podsumowanie

Wartość siły tarcia kinetycznego nie zależy od rozmiaru powierzchni styku pomiędzy klockiem i podłożem.