Wirtualne laboratorium WL‑I

Wyznaczanie przyspieszenia pojazdu na podstawie sił bezwładności

Przeprowadź dwuczęściowy eksperyment w wirtualnym laboratorium. Wykonaj ćwiczenia i polecenia związane z wyposażeniem pracowni, dokonaniem pomiarów oraz opracowaniem wyników.

Opis wirtualnego laboratorium

W pociągu na podłodze ustawiono niebieską walizkę, która może przemieszczać się wzdłuż wagonu. W wyniku ruchu przyspieszonego lub opóźnionego pociągu walizka porusza się z pewnym przyspieszeniem względem podłogi, pomiędzy dwoma szarymi ogranicznikami. Położenie początkowe walizki ustala się przesuwając ją ręcznie w wybranie miejsce. Położenie to można zmierzyć za pomocą miarki o długości 200 cm, którą da się dowolnie przesuwać po ekranie. Znaczniki na podziałce linijki naniesione są co 2 cm.

Po puszczeniu walizki, umieszczony w laboratorium stoper odmierza czas jej ruchu z dokładnością do setnych części sekundy. Odczytując drogę przebytą przez walizkę z linijki oraz czas jej ruchu ze stopera potrafimy obliczyć, z jakim poruszała się przyspieszeniem zakładając, że jej ruch względem wagonu był zmienny jednostajnie. Obliczenie to można porównać z podpowiedzią dostępną po naciśnięciu przycisku w dolnej części ekranu.

Doświadczenie 1

Wyznaczanie przyspieszenia pociągu na podstawie pojedynczego pomiaru przyspieszenia poruszającej się w nim bezwładnie walizki

Problem badawczy

Jak wyznaczyć przyspieszenie pociągu na podstawie ruchu umieszczonych w nim przedmiotów?

Hipoteza

Przyspieszenie pociągu jest równe co do wartości przyspieszeniu poruszających się bezwładnie i bez tarcia przedmiotów umieszczonych w wagonie, a jego zwrot jest przeciwny.

Co będzie potrzebne

R1T8V6IJAzY5Z

Ćwiczenie 1

Instrukcja

Przygotuj się do wykonania eksperymentu. Przeczytaj ponownie, a następnie zamknij instrukcję obsługi. Ustaw linijkę tak, by można było precyzyjnie odczytać położenie początkowe i końcowe walizki.
Zdecyduj, dokąd przesunąć walizkę, a następnie wykonaj pomiar. Wyniki zanotuj w dzienniku doświadczenia.
Odczytaj wartość przyspieszenia z podpowiedzi w dolnej części wirtualnego laboratorium.
Oblicz przyspieszenie walizki (i pociągu) korzystając ze wzoru podanego w instrukcji.
Oblicz niepewność pomiarową. W razie potrzeby zapoznaj się z e‑materiałem „Niepewność wielkości mierzonej pośrednio”. *)
Porównaj swój wynik z podanym w doświadczeniu.

*) - w przypadku, gdy wielkość mierzona pośrednio jest ilorazem wielkości mierzonych bezpośrednio, można zastosować wzór przybliżony:

y = \frac{x_{1}}{x_{2}} \Rightarrow \frac{u (y)}{y} = \frac{u (x_{1})}{x_{1}} + \frac{u (x_{2})}{x_{2}}

W naszym przypadku:

a = \frac{2 s}{t^{2}} \Rightarrow \frac{u (a)}{a} = \frac{u (s)}{s} + 2 \frac{u (t)}{t}

Dokładność stopera $Δ t = 0, 01 s >$ , a dokładność pomiaru odległości $Δ s$ musisz określić samodzielnie.

R1eog3wKUuasr

R1MpWjDvgCb3D

Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

Podsumowanie

Polecenie 1

Zapisz krótki, kilkuzdaniowy raport z przeprowadzonego doświadczenia.

Podaj w nim wynik końcowy wraz z niepewnością pomiarową i porównaj go z wartością zawartą w podpowiedzi umieszczonej w wirtualnym laboratorium.

Czy hipoteza badawcza potwierdziła się?

Doświadczenie 1

Wyznaczanie przyspieszenia pociągu na podstawie pojedynczego pomiaru przyspieszenia poruszającej się w nim bezwładnie walizki

Problem badawczy

Jak wyznaczyć przyspieszenie pociągu na podstawie ruchu umieszczonych w nim przedmiotów?

Hipoteza

Przyspieszenie pociągu jest równe co do wartości przyspieszeniu poruszających się bezwładnie i bez tarcia przedmiotów umieszczonych w wagonie, a jego zwrot jest przeciwny.

Co będzie potrzebne

R1T8V6IJAzY5Z

Ćwiczenie 1

Instrukcja

W opisanym wirtualnym laboratorium przeprowadzono doświadczenie wykonując pomiar jednokrotnie. Otrzymano wyniki:

Odległość [cm]	Czas ruchu [s]	Kierunek ruchu walizki
180	1,37	w prawo

R11OkTePvZyVj

Ćwiczenie 2

Oblicz niepewność pomiarową przyspieszenia walizki. W razie potrzeby zapoznaj się z e‑materiałem „Niepewność wielkości mierzonej pośrednio”.

Uwaga! W przypadku, gdy wielkość mierzona pośrednio jest ilorazem wielkości mierzonych bezpośrednio, można zastosować wzór przybliżony:

y = \frac{x_{1}}{x_{2}} \Rightarrow \frac{u (y)}{y} = \frac{u (x_{1})}{x_{1}} + \frac{u (x_{2})}{x_{2}}

W naszym przypadku:

a = \frac{2 s}{t^{2}} \Rightarrow \frac{u (a)}{a} = \frac{u (s)}{s} + 2 \frac{u (t)}{t}

Dokładność stopera $Δ t = 0, 01 s >$ , a dokładność pomiaru odległości $Δ s$ musisz określić samodzielnie.

RBTNIx11bBzFR

Ćwiczenie 3

Podsumowanie

Polecenie 1

Zapisz krótki, kilkuzdaniowy raport z przeprowadzonego doświadczenia.

Podaj w nim wynik końcowy wraz z niepewnością pomiarową i porównaj go z wartością zawartą w podpowiedzi umieszczonej w wirtualnym laboratorium wynoszącą $1, 9 \frac{m}{s^{2}}$ .

Czy hipoteza badawcza potwierdziła się?

Doświadczenie 2

Badanie zależności drogi przebytej przez walizkę od czasu jej ruchu i wyznaczenie na tej podstawie przyspieszenia pociągu, w którym się ona porusza

Problem badawczy

Jaki charakter ma zależność drogi przebytej przez walizkę od czasu jej ruchu i jak można na jej podstawie obliczyć przyspieszenie pociągu?

Hipoteza

Problem badawczy składa się z dwóch części. Postaw więc dwie hipotezy badawcze, zaznaczając po jednym ze stwierdzeń w każdym z poniższych ćwiczeń.

R6EPdckEIXhUI

Ćwiczenie 2

RemGrLFPVEswP

Ćwiczenie 3

Ćwiczenie 4

Moja hipoteza:

Co będzie potrzebne

R1WCwFAUGOBnw

Ćwiczenie 5

Instrukcja

Przygotuj się do wykonania doświadczenia w ten sam sposób, co poprzednio.
Tym razem, dla jednej wartości przyspieszenia pociągu wykonaj wiele pomiarów odległości i czasu, ustawiając walizkę w różnych miejscach. Wyniki zanotuj w dzienniku doświadczenia.
Odczytaj wartość przyspieszenia z podpowiedzi w dolnej części wirtualnego laboratorium.
Wykonaj wykres $s (t) >$ i przekonaj się, jaki charakter ma zależność drogi od czasu w ruchu walizki.
Wykonaj wykres $s (t^{2}) >$ i odczytaj z wykresu współczynnik kierunkowy otrzymanej prostej. Jaki sens fizyczny ma wartość tego współczynnika?
Nanieś na wykres prostą o współczynniku kierunkowym równym podwojonej wartości przyspieszenia odczytanego z podpowiedzi w wirtualnym laboratorium. Porównaj obie proste i wyciągnij wnioski.

RVC3luEz3OJAy

R1MpWjDvgCb3D

Podsumowanie

Polecenie 2

Zapisz poniżej krótkie sprawozdanie z wykonanego eksperymentu. Odnieś się do Twoich hipotez badawczych oraz podaj wnioski wynikające ze sporządzonych wykresów, o których mowa w punktach od 4 do 6 instrukcji.

Doświadczenie 2

Wyznaczenie przyspieszenia pociągu na podstawie serii pomiarów przyspieszenia walizki

Problem badawczy

W jaki sposób można wyznaczyć przyspieszenie pociągu z większą dokładnością?

Hipoteza

Jeśli pociąg dostatecznie długo porusza się ze stałym przyspieszeniem lub opóźnieniem, pomiarów można dokonać kilkakrotnie, dla różnych wartości drogi przebytej przez walizkę. To pozwoli na zmniejszenie niepewności pomiarowej wyniku końcowego.

Co będzie potrzebne

RT7ZR21yr7xs8

Ćwiczenie 2

Instrukcja

RauR6wBXRsn6T

Ćwiczenie 3

RK5g3hAKKqsF2

Ćwiczenie 4

Oblicz przyspieszenie pociągu jako średnią arytmetyczną wartości przyspieszenia obliczonych w każdej z serii pomiarowych. Wynik podaj z dokładnością do czterech cyfr znaczących. Podaj też zwrot tego przyspieszenia.
Oblicz również niepewność pomiarową przyspieszenia. Wykorzystaj wzór na niepewność standardową wartości średniej podany na przykład w e-materiale „Błąd przypadkowy, błąd systematyczny”. Wynik podaj z dokładnością do jednej cyfry znaczącej.

a =

Tu uzupełnij

\frac{m}{s^{2}}

u (a) =

Tu uzupełnij

\frac{m}{s^{2}}

. Pociąg porusza się z przyspieszeniem skierowanym w Tu uzupełnij stronę.

Podsumowanie

Polecenie 2

Zapisz krótki, kilkuzdaniowy raport z przeprowadzonego doświadczenia. Podaj w nim wynik końcowy wraz z niepewnością pomiarową.

Czy hipoteza badawcza potwierdziła się?

Wynik końcowy to: $a = 1, 01 \pm 0, 02 \frac{m}{s^{2}}$

Przeczytaj

Sprawdź się

Wyznaczanie przyspieszenia pojazdu na podstawie sił bezwładności