Wirtualne laboratorium WL‑I
Badanie zależności siły tarcia od siły nacisku
Wykorzystaj Wirtualne laboratorium do przeprowadzenia dwuczęściowego badania zależności siły tarcia kientycznego klocka o poziomą powierzchnię od nacisku jaki wywiera na nią klocek.
Część pierwsza polega na obserwacji ruchu klocka przy różnych obciążeniach, wywołanego siłą o różnych wartościach. Wyciągnięte wnioski będą miały charakter jakościowy.
Część druga polega na poparciu jakościowego wnioskowania graficzną analizą wykresu przedstawiającego uzyskane wyniki.
Obserwacja i wnioskowanie jakościowe
Celem eksperymentu jest zbadanie, jaki wpływ ma nacisk ciała na podłoże na siłę tarcia kinetycznego działającą na ciało.
Można sobie wyobrazić, że jeśli powierzchnie klocka i podłoża zostaną mocniej dociśnięte, to trudniej będzie pokonać występujące na nich nierówności. To przekonanie uzasadnia postawienie hipotezy badawczej:
Wartość siły tarcia kinetycznego jest tym większa, im większa jest wartość siły nacisku pomiędzy powierzchniami.
Przycisk LICZBA KLOCKÓW. Do dyspozycji masz pięć jednakowych klocków. Z podłożem styka się jedynie najniższy; jest on także połączony z siłomierzem. Pozostałe klocki, o takich samych masach, służą do zmiany nacisku dolnego klocka na podłoże.
Rh7zFtqXQi4T9 Podłoże jest wypoziomowane i ma jednorodną powierzchnię.
Przycisk WYBÓR SIŁY. Wybierasz za jego pomocą wartość siły z jaką siłomierz ciągnie klocek.
Przyciskiem START uruchamiasz pomiar. Na klocek działa siła o wybranej wartości oraz siła tarcia
Pomiar trwa kilka sekund i kończy się samoczynnie. Po jego zakończeniu możesz odczytać wartość siły na powiększonej skali siłomierza.
Informacje o każdym pomiarze są zapisywane w tabeli. W kolumnie NIEPEWNOŚĆ F wyświetlana jest wartość niepewności granicznej
Po zakończonej serii całą tabelę możesz zaznaczyć i skopiować do arkusza kalkulacyjnego.
Przycisk WYCZYŚĆ WYNIKI powoduje usunięcie wszystkich wyników z tabeli.
1. Przeprowadź, we własnym zakresie, wstępne rozpoznanie obsługi Wirtualnego laboratorium. Zwróć uwagę na sposób wyboru wartości siły. Czy siła zmierzona siłomierzem jest zgodna z Twoim nastawieniem? Obserwuj także zachowanie klocka w trakcie trwania pomiaru.
2. Zapoznaj się z komunikatami pojawiającymi się w kolumnie „WYNIK PRÓBY” tabeli. Przeanalizuj wstępnie wyniki - jak można je uporządkować?
3. Zacznij pomiary od najmniejszej masy stosu. Dobierz, metodą prób i błędów, taką wartość siły która umożliwia Ci określenie wartości siły tarcia W razie wątpliwości wykonaj polecenie 1.
Zapisz krótkie uzasadnienie prawidłowego wskazania w poleceniu.
4. Zwiększaj liczbę klocków na stosie. Dla każdego stosu przeprowadź tyle pomiarów, by mieć pewność, że możesz jednoznacznie określić wartość siły tarcia Odczytuj i interpretuj pojawiające się wpisy; przenoś je do Tabeli wyników w Dzienniku badań.
a) Rozstrzygnij hipotezę badawczą. Zapisz swoje rozstrzygnięcie, wraz z jego uzasadnieniem, w Dzienniku badań.
b) Odnieś się do wpływu niepewności pomiaru siły na rozstrzygnięcie hipotezy badawczej. Swój pogląd, wraz z argumentacją, zapisz w Dzienniku badań.
Ilościowe badanie charakteru zależności siły tarcia kinetycznego od siły nacisku pomiędzy stykającymi się powierzchniami.
Celem eksperymentu jest ilościowe potwierdzenie, na podstawie analizy graficznej, charakteru zależności siły tarcia kinetycznego od nacisku pomiędzy powierzchniami.
Wartość siły tarcia kinetycznego jest wprost proporcjonalna do wartości siły nacisku pomiędzy powierzchniami
Wykorzystaj wyposażenie Wirtualnego laboratorium.
Dzięki pomiarom wykonanym w doświadczeniu 1. dysponujesz zapewne pięcioma wartościami siły które wywołują ruch jednostajny stosu o coraz to większej liczbie klocków i pozwalają wyznaczyć wartość siły tarcia Jeśli chcesz je wykorzystać w tej analizie, przenieś niezbędne informacje do Dziennika pomiarów. Możesz też powtórzyć pomiary dla dowolnych spośród tych pięciu obciążeń stosu.
Uzupełnij tabelę o wartości:
- masy stosu ,
- siły nacisku stosu na powierzchnię ,
- siły tarcia ,
- jej niepewności standardowej , związanej z dokładnością skali siłomierza.
Przyjmij dla potrzeb dalszej analizy, że dokładność, z jaką podana jest masa pojedynczego klocka jest lepsza niż 0,1%. Tak więc niepewność może być pominięta wobec niepewności
a) skopiuj tabelę wyników do zeszytu lub do arkusza kalkulacyjnego;
b) w odpowiednio dobranych współrzędnych nanieś punkty pomiarowe zależności wartości siły tarcia od siły nacisku;
c) rozważ celowość naniesienia na wykres odcinków niepewności pomiaru siły tarcia ;
d) poprowadź w pobliżu punktów pomiarowych linię prostą, którą uznasz za najlepiej dopasowaną do tych punktów;
e) prowadząc prostą zdecyduj, czy wymuszasz jej przechodzenie dokładnie przez punkt (0; 0) układu współrzędnych; swoją decyzję zapisz i uzasadnij w Dzienniki pomiarów;
f) rozstrzygnij hipotezę dotyczącą charakteru zależności .
W razie potrzeby przypomnij sobie zasady postępowania opisane w e‑materiałach „Jak dopasować prostą do wyników pomiarów” oraz „Przedstawianie niepewności pomiarowych w formie graficznej”
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 wybrać liczbę klocków w stosie, położonym na powierzchni stołu. Dostępne są wartości od jeden do pięciu. Obok każdej wartości pokazany jest graficzny obraz wskazywanego stosu, na tle pokratkowanego fragmentu ekranu. Kolejne stosy są coraz wyższe. Po prawej stronie stosów podane są masy każdego z nich, od stu gramów do pięciuset gramów. Po kliknięciu na wybraną liczbę klocków okno dialogowe się zamyka a wybrany stos pojawia się na czarnej powierzchni. W prawym górnym rogu umieszczony jest przycisk „Wyczyść wyniki”. Jego użycie powoduje usunięcie wyników wszystkich wykonanych pomiarów. Pod powierzchnią ze stosem, po prawej stronie ekranu, jest przycisk „Wybór siły”. Otwiera on kolejne okno dialogowe. Widać na nim poziomo ułożoną skalą siłomierza, w zakresie od zera do jedności. Skala jest opisana po prawej stronie jednostką „N”. Wartości co jedna dziesiąta niutona są zaznaczone krótkimi pionowymi kreskami; co druga z nich, począwszy od zera, jest opisana. Wartości odpowiadające dwóm, czterem itd. setnym częściom niutona są zaznaczone kreskami krótszymi. Pod skalą widnieje dziesięć przycisków wyboru wartości siły F, od jednej dziesiątej niutona do jednego niutona. Po kliknięciu na wybraną wartość okno dialogowe się zamyka. Poniżej powierzchni ze stosem, po lewej stronie ekranu, jest przycisk „Start”. Uruchamia on pomiar, czyli badanie ruchu wybranego stosu klocków pod wpływem siły F o wybranej wartości, w obecności siły tarcia. Jeśli stos nie zostaje ruszony z miejsca, pionowe paski na ścianie pozostają nieruchome. W przeciwnym razie przemieszczają się one w lewo, symbolizując przemieszczenie stosu w prawo. Ruch pasków jest jednostajny albo przyspieszony – odpowiada to charakterowi ruchu klocka. Do dolnego klocka w stosie zostaje doczepiony siłomierz, za pomocą którego stos ciągnięty jest w prawo. Nad siłomierzem zostaje zaczepiona strzałka celująca w prawo, z opisem „F ze strzałką”. Od lewej strony tego 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”, „Liczba klocków”, „Masa układu (g)”, „F (N)”, „Niepewność F (N)”, „Wynik próby”. Po każdym wykonanym pomiarze dodawany jest jeden wiersz, w którym zapisywane są wybrane dla tego pomiaru parametry: liczba klocków wraz z ich masą 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”.
Interpretacja i podsumowanie wyników eksperymentu
Przeanalizuj fragment tabeli z wynikami uzyskanymi dla trzech pomiarów stosu z trzema klockami. Twoim zadaniem jest rozstrzygnięcie następującego problemu: w jaki sposób na podstawie wartości siły ciągnącej klocek można określić wartość siły tarcia kinetycznego ?
Lp. | Liczba klocków | masa układu (g) | F (N) | Niepewność F (N) | Wynik próby |
---|---|---|---|---|---|
1 | 3 | 300 | 0,48 | 0,02 | brak ruchu |
2 | 3 | 300 | 0,59 | 0,02 | ruch jednostajny |
3 | 3 | 300 | 0,69 | 0,02 | ruch przyspieszony |
Rozstrzygnięcie hipotez badawczych
Hipoteza #1. Wartość siły tarcia kinetycznego jest tym większa, im większa jest wartość siły nacisku pomiędzy powierzchniami.
Przeanalizuj uproszczoną tabelę wyników pięciu eksperymentów.
Lp. | Liczba klocków | F (N) | Niepewność F (N) | Wynik próby |
---|---|---|---|---|
1 | 1 | 0,20 | 0,02 | ruch jednostajny |
2 | 2 | 0,41 | 0,02 | ruch jednostajny |
3 | 3 | 0,59 | 0,02 | ruch jednostajny |
4 | 4 | 0,82 | 0,02 | ruch jednostajny |
5 | 5 | 1,01 | 0,02 | ruch jednostajny |
Hipoteza #2.Wartość siły tarcia kinetycznego jest wprost proporcjonalna do wartości siły nacisku pomiędzy powierzchniami.
Przeanalizuj zmodyfikowaną tabelę wyników pięciu eksperymentów, opisanych w tabeli 2. We wszystkich przypadkach uzyskano ruch jednostajny stosu pod wpływem przyłożonej siły . Nacisk stosu na poziome podłoże jest równy jego ciężarowi. Został on obliczony ze wzoru w którym wykorzystano przybliżoną wartość Iloczyny oraz ilorazy sił nacisku i tarcia podano z dokładnością do trzech cyfr znaczących.
Liczba klocków | siła nacisku stosu | siła tarcia
| Niepewności | Iloczyn | Iloraz |
---|---|---|---|---|---|
1 | 1 | 0,20 | 0,02 | 0,200 | 0,200 |
2 | 2 | 0,41 | 0,02 | 0,820 | 0,205 |
3 | 3 | 0,59 | 0,02 | 1,77 | 0,197 |
4 | 4 | 0,82 | 0,02 | 3,28 | 0,205 |
5 | 5 | 1,01 | 0,02 | 5,05 | 0,202 |