The teacher asks the students to conduct simple experiment.
Task 1 Do the following simple experiment.
Experiment
Hypothesis: If the centripetal forcecentripetal forcecentripetal force does not act anymore, an object will change the path of its motionmotionmotion.
Materials: - glass (transparent mug), - small ball.
Instruction: We cover the ball with a glass and move it around the circle. When the ball moves in a uniformuniformuniform motion, we raise the glass up. We observe the movement of the ball.
Observation: In the moment, when the glass is raised up, the ball stops to move in uniform circular motion and starts to travel along the straight line.
Explanation: For the body to move in a circle, the centripetal forceforceforce must act. In this case, the centripetal force is exerted on the ball by the glass’s surface. When the glass is raised up, the source of force does not exist anymore and the path of motion changes.
The teacher introduces the concept of the forces in uniform circular motion.
Centripetal forcecentripetal forceCentripetal force: In the uniform circular motion, the direction of velocity is constantly changing, thus the acceleration vector is non‑zero. According to the first rule of dynamics to change the state of the body movement, in this case the direction of the velocity, a certain force must act on this body.
By Newton’s second law, accelerationaccelerationacceleration is linked to a force by the formula:
In uniformuniformuniform circular motion a forceforceforce is directed toward the centre of curvature of the path. This force is called the centripetal force. “Centripetal” means “centre seeking” force. This force is described by the formula:
where: v - the velocity of an object, r - the radius of the circle.
The students solve problems considering uniform circular motionmotionmotion.
Task 2
What centripetal forcecentripetal forcecentripetal force must act on a body moving in a circle with a constant radius if we want to double its speed? Provide some calculations to justify your answer.
If a 150 g plastic ball is tied with a string of length 1,5 m, and it is spinning with the speed of 30 , what is the centripetal force acting on it?
Answer:
F = 90 N
Centripetal force versus centrifugal forcecentrifugal forcecentrifugal force:
Centripetal forcecentripetal forceCentripetal force is directed toward the centre of a circle. This force keeps an object moving in a circular path at uniformuniformuniform speed.
Centrifugal forcecentrifugal forceCentrifugal force is an inertial forceforceforce that occurs only in non‑inertial reference frames, in this case in a frame relative to an object in circular motion.
In order to keep the body moving in a uniformuniformuniform circular motionmotionmotion, the force directed to the centre of the circle must act on it. This force is called centripetal forcecentripetal forcecentripetal force.
Selected words and expressions used in the lesson plan
Podczas gdy siła dośrodkowa jest siłą rzeczywistą, siła odśrodkowa jest określana jako siła pozorna. Kiedy obiekt wiruje na sznurku, wywiera on na obiekt siłę dośrodkową skierowaną do środka, podczas gdy obiekt wydaje się wywierać na sznurek siłę skierowaną od środka.
Wartości obu sił można obliczyć za pomocą tego samego wzoru. Kiedy obiekt obraca się jednostajnie, te dwie siły będą równe.
mc20d08bc3c43218e_1527752256679_0
RfMpFdvo7BEjb1
Siła dośrodkowa działa na wirujący obiekt na sznurku. Jeśli sznurek pęknie, obiekt będzie kontynuował ruch wzdłuż stycznej do okręgu.
mc20d08bc3c43218e_1528449000663_0
Dlaczego ciała poruszają się po okręgu?
mc20d08bc3c43218e_1528449084556_0
Trzeci
mc20d08bc3c43218e_1528449076687_0
II. Mechanika. Uczeń:
8) wskazuje siłę dośrodkową jako przyczynę ruchu jednostajnego po okręgu.
mc20d08bc3c43218e_1528449068082_0
45 minut
mc20d08bc3c43218e_1528449523725_0
Wskazuje siłę dośrodkową jako przyczynę ruchu jednostajnego po okręgu.
mc20d08bc3c43218e_1528449552113_0
1. Wymienia własności siły dośrodkowej.
2. Stosuje wzór opisujący siłę dośrodkową.
mc20d08bc3c43218e_1528450430307_0
Uczeń:
- objaśnia, co jest przyczyną ruchu jednostajnego po okręgu,
- wyznacza siłę dośrodkową za pomocą wzoru.
mc20d08bc3c43218e_1528449534267_0
1. Dyskusja.
2. Doświadczenie.
mc20d08bc3c43218e_1528449514617_0
1. Praca indywidualna.
2. Praca grupowa.
mc20d08bc3c43218e_1528450127855_0
Uczniowie przypominają podstawowe wiadomości na temat ruchu jednostajnego po okręgu.
Jakie wielkości opisują ruch jednostajny po okręgu?
mc20d08bc3c43218e_1528446435040_0
Nauczyciel prosi uczniów o przeprowadzenie prostego eksperymentu.
Hipoteza: Jeśli siła dośrodkowa przestanie działać, obiekt zmieni tor ruchu.
Materiały: - przezroczysta szklanka, - mała kulka.
Instrukcja: Kulkę przykrywamy szklanką i wprowadzamy w ruch po okręgu. Gdy kulka porusza się ruchem jednostajnym podnosimy szklankę do góry. Obserwujemy ruch kulki.
Obserwacja: W momencie, gdy szklanka zostanie podniesiona, kulka przestaje poruszać się ruchem jednostajnym po okręgu i zaczyna przemieszczać się wzdłuż linii prostej.
Wyjaśnienie: Aby ciało poruszało się po okręgu, musi działać siła dośrodkowa. W tym przypadku siła dośrodkowa wywierana jest na kulkę przez powierzchnię szklanki. Kiedy szklanka zostanie podniesiona, źródło siły już nie istnieje i zmienia się tor ruchu.
Nauczyciel wprowadza pojęcia dotyczące jednostajnego ruchu po okręgu.
Siła dośrodkowa: W ruchu jednostajnym po okręgu kierunek wektora prędkości ulega nieustannym zmianom, stąd wektor przyspieszenia jest niezerowy. Zgodnie z pierwszą zasadą dynamiki, aby zmienić stan ruchu ciała, w szczególności kierunek wektora prędkości, musi działać na to ciało pewna siła.
Zgodnie z drugim prawem Newtona przyspieszenie jest powiązane z siłą przez wzór:
W jednostajnym ruchu po okręgu siła jest skierowana w kierunku środka krzywizny toru. Siła ta nazywana jest siłą dośrodkową, tzn. skierowaną ku środkowi. Siła ta jest opisana wzorem:
gdzie: v - prędkość obiektu, r - promień okręgu.
[Grafika interaktywna]
Siła dośrodkowa działa na wirujący obiekt na sznurku. Jeśli sznurek pęknie, obiekt będzie kontynuował ruch wzdłuż stycznej do okręgu.
[Ilustracja 1]
Uczniowie rozwiązują problemy dotyczące jednostajnego ruchu po okręgu.
Polecenie 2
Jaka siła dośrodkowa musi działać na ciało poruszające się po okręgu o stałym promieniu, jeśli chcemy podwoić jego prędkość? Podaj przykład obliczeń, aby uzasadnić swoją odpowiedź.
Odpowiedź
Siła musi być cztery razy większa.
Polecenie 3
Jeśli plastikowa kulka o wadze 150 g, przywiązana sznurkiem o długości 1,5 m, wiruje z prędkością 30 , to jaka działa na nią siła dośrodkowa?
Odpowiedź:
F = 90 N.
Siła dośrodkowa a siła odśrodkowa:
Siła dośrodkowa skierowana jest w kierunku środka okręgu. Siła ta utrzymuje obiekt w ruchu po torze kołowym ze stałą prędkością.
Siła odśrodkowa to siła bezwładności występująca tylko w nieinercjalnych układach odniesienia, w tym wypadku w układzie związanym z poruszającym się po okręgu obiektem.
Podczas gdy siła dośrodkowa jest siłą rzeczywistą, siła odśrodkowa jest określana jako siła pozorna. Kiedy obiekt wiruje na sznurku, wywiera on na obiekt siłę dośrodkową skierowaną do środka, podczas gdy obiekt wydaje się wywierać na sznurek siłę skierowaną od środka.
Wartości obu sił można obliczyć za pomocą tego samego wzoru. Kiedy obiekt obraca się jednostajnie, te dwie siły będą równe.
mc20d08bc3c43218e_1528450119332_0
Aby utrzymać ciało w ruchu jednostajnym po okręgu musi na nie działać siła skierowana do środka okręgu. Nazywana jest ona siłą dośrodkową.