Wirtualne laboratorium WL‑I
Zmierz wartość współczynnika tarcia statycznego klocka o deskę
Wykonaj eksperyment, którego celem jest wyznaczenie współczynnika tarcia statycznego między dwoma materiałami. Składa się on z dwóch doświadczeń różniących się problemem badawczym.
Opis Wirtualnego Laboratorium
Na ekranie wirtualnego laboratorium widać równię pochyłą na tle białego kątomierza. Równia ma postać prostokąta, którego długość jest znacznie większa od wysokości. Jej lewy koniec można podnosić, zmieniając w ten sposób kąt nachylenia zbocza, który można łatwo odczytywać z kątomierza. Podziałka główna kątomierza wynosi 10 stopni, a pomocnicza 5 stopni, ale odległość pomiędzy kreskami podziałki jest na tyle duża, że w sposób przybliżony można „na oko” odczytać kąt nachylenia zbocza równi z dokładnością jednego stopnia.
Na równi, w skrajnym lewym położeniu, umieszczony jest klocek, widoczny w postaci mniejszego prostokąta, który może się zsunąć z równi przy odpowiednio dużym kącie jej nachylenia.
Materiał, z którego wykonana jest równia można w naszym wirtualnym laboratorium zmieniać. Użytkownik ma do dyspozycji brązowe drewno, czarny teflon, szarą stal i niebieskie szkło. Materiał klocka także można wybierać spośród brązowego drewna, żółtego mosiądzu, czerwonej cegły i jasnobrązowej gumy.
Eksperyment rozpoczyna się od ustawienia klocka z wybranego materiału na poziomej równi (z wybranego materiału). Następnie należy bardzo powoli podnosić równię aż do chwili, gdy klocek zacznie się po niej zsuwać, czyli nastąpi zerwanie tarcia statycznego klocka o podłoże. Wtedy należy zaprzestać podnoszenia równi i odczytać kąt jej nachylenia.
Uwaga. Do rzetelnego wykonania tego eksperymentu w rzeczywistości, potrzebna jest współpraca co najmniej dwóch osób.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DwMlym7O8
Pojedynczy pomiar współczynnika tarcia statycznego klocka o równię
Jak zmierzyć współczynnik tarcia statycznego przedmiotu o podłoże?
Można tego dokonać ustawiając przedmiot (klocek) na podłożu tak, by można je było unosić, jak równię pochyłą, a następnie powoli podnosić równię i zmierzyć kąt, przy którym klocek zaczyna się przesuwać.
Podłoże wykonane z jednego z badanych materiałów, które można unosić z jednej strony.
Klocek wykonany z drugiego z badanych materiałów.
Przyrząd do wyznaczania kąta nachylenia równi do poziomu.
Którego przyrządu użyjesz, by szybko i sprawnie, a jednocześnie z wystarczającą dokładnością, wyznaczyć kąt nachylenia równi do poziomu? Uzasadnij krótko swój wybór.
Wybierz materiał, z którego wykonana jest równia, oraz materiał, z którego wykonany jest klocek.
Unoś powoli jeden koniec podłoża na tle kątomierza. Gdy stwierdzisz najmniejsze choćby poruszenie się klocka, wstrzymaj unoszenie podłoża – tarcie statyczne zostało zerwane, a kąt nachylenia podłoża jest równy kątowi granicznemu.
Odczytaj z kątomierza jego wartość z dokładnością do 1° – taka jest rozdzielczość kątomierza. Dopuszczalne jest odczytywanie wyniku „między kreskami”, np. z dokładnością 0,5°. Pamiętaj jednak, że taki odczyt nie wpływa na dokładność przyrządu – pozostaje ona równa jego rozdzielczości, czyli nadal wynosi 1°.
Oblicz współczynnik tarcia statycznego między badanymi powierzchniami korzystając z zależności:
Podsumuj wynik doświadczenia, zawierając w nim następujące elementy:
Oszacuj niepewność pomiaru współczynnika tarcia statycznego, przyjmując, że niepewność pomiaru kąta jest równa rozdzielczości skali kątomierza. Pamiętaj, że wynik końcowy jest wielkością mierzoną pośrednio, a więc niepewność jej pomiaru oblicz korzystając ze wzoru:
Zapisz rezultat doświadczenia jako wynik z niepewnością pomiarową.
Zaproponuj sposób na zwiększenie dokładności pomiaru współczynnika tarcia statycznego (czyli zmniejszenie niepewności pomiarowej). Rozważ, jakie konsekwencje może mieć fakt, że pomiar został wykonany tylko raz.
Oceń, czy Twoja hipoteza badawcza potwierdziła się.
Pojedynczy pomiar współczynnika tarcia statycznego klocka o równię
Jak zmierzyć współczynnik tarcia statycznego przedmiotu o podłoże?
Można tego dokonać ustawiając przedmiot (klocek) na podłożu tak, by można je było unosić, jak równię pochyłą, a następnie powoli podnosić równię i zmierzyć kąt, przy którym klocek zaczyna się przesuwać.
Podłoże wykonane z jednego z badanych materiałów, które można unosić z jednej strony.
Klocek wykonany z drugiego z badanych materiałów.
Przyrząd do wyznaczania kąta nachylenia równi do poziomu.
Którego przyrządu użyjesz, by szybko i sprawnie, a jednocześnie z wystarczającą dokładnością, wyznaczyć kąt nachylenia równi do poziomu? Uzasadnij krótko swój wybór.
W wirtualnym laboratorium wykonano w sposób opisany we wstępie doświadczenie, którego celem było wyznaczenie współczynnika tarcia statycznego mosiądzu o stal. Mosiężny klocek zaczął się zsuwać po równi przy kącie jej nachylenia wynoszącym .
Oblicz współczynnik tarcia statycznego między badanymi powierzchniami korzystając z zależności:
Podsumuj wynik doświadczenia, zawierając w nim następujące elementy:
Oszacuj niepewność pomiaru współczynnika tarcia statycznego, przyjmując, że niepewność pomiaru kąta jest równa rozdzielczości skali kątomierza. Pamiętaj, że wynik końcowy jest wielkością mierzoną pośrednio, a więc niepewność jej pomiaru oblicz korzystając ze wzoru:
Zapisz rezultat doświadczenia jako wynik z niepewnością pomiarową.
Zaproponuj sposób na zwiększenie dokładności pomiaru współczynnika tarcia statycznego (czyli zmniejszenie niepewności pomiarowej). Rozważ, jakie konsekwencje może mieć fakt, że pomiar został wykonany tylko raz.
Oceń, czy Twoja hipoteza badawcza potwierdziła się.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DwMlym7O8
Seria pomiarów współczynnika tarcia statycznego
Celem doświadczenia jest pomiar współczynnika tarcia statycznego pomiędzy dwoma materiałami poprzez wykonanie serii pomiarów dla klocka na równi pochyłej.
Uzyskany wynik jest dokładniejszy (jego niepewność pomiarowa jest mniejsza) niż w przypadku pojedynczego pomiaru.
Wykorzystaj te same przyrządy, co w poprzednim doświadczeniu. Skorzystaj z poniższego arkusza do zapisywania i opracowywania wyników pomiarów. Rozważ także użycie arkusza kalkulacyjnego, w którym możesz umieścić odpowiednie formuły.
Wykonaj kilkakrotnie czynności opisane w instrukcji do doświadczenia 1.
Zapisz uzyskane wynik każdego pomiaru w osobnym wierszu tabeli.
Przeprowadź serię co najmniej 6‑8 takich pomiarów.
Opracuj uzyskane wyniki i wyznacz współczynnik tarcia statycznego. Skorzystaj z następującej sekwencji czynności:
Oceń rozrzut uzyskanych wyników i rozstrzygnij, czy jest on większy, porównywalny, czy mniejszy, niż niepewność graniczna, wynikająca z dokładności kątomierza.
Oblicz średnią wartość kąta , uzyskaną w serii.
Oblicz – niepewność standardową średniej wartości ; zastosuj postępowanie zgodne z rozstrzygnięciem z punktu 1.
Wyznacz współczynnik tarcia raz jego standardową niepewność . Postępuj zgodnie z zasadami dla opracowywania wyników pomiaru wielkości mierzonej pośrednio.
Przedstaw ostateczną postać wyniku, odpowiednio zaokrągloną. Skomentuj w jednym lub dwóch zdaniach uzyskany wynik. Porównaj go z wartością tablicową.
Oceń, czy Twoja hipoteza badawcza potwierdziła się.
Seria pomiarów współczynnika tarcia statycznego
Celem doświadczenia jest pomiar współczynnika tarcia statycznego pomiędzy dwoma materiałami poprzez wykonanie serii pomiarów dla klocka na równi pochyłej.
Uzyskany wynik jest dokładniejszy (jego niepewność pomiarowa jest mniejsza) niż w przypadku pojedynczego pomiaru.
Wykorzystaj te same przyrządy, co w poprzednim doświadczeniu.
W wirtualnym laboratorium wykonano kilkakrotnie takie samo doświadczenie, jak poprzednio. Wyniki przedstawiono w poniższej tabeli. Uzupełnij ją, wpisując brakujące dane. Rozważ także użycie arkusza kalkulacyjnego, w którym możesz umieścić odpowiednie formuły.
Opracuj uzyskane wyniki i wyznacz współczynnik tarcia statycznego. Skorzystaj z następującej sekwencji czynności:
Oceń rozrzut uzyskanych wyników i rozstrzygnij, czy jest on większy, porównywalny, czy mniejszy, niż niepewność graniczna, wynikająca z dokładności kątomierza.
Oblicz średnią wartość kąta , uzyskaną w serii.
Oblicz – niepewność standardową średniej wartości ; zastosuj postępowanie zgodne z rozstrzygnięciem z punktu 1.
Wyznacz współczynnik tarcia raz jego standardową niepewność . Postępuj zgodnie z zasadami dla opracowywania wyników pomiaru wielkości mierzonej pośrednio.
Przedstaw ostateczną postać wyniku, odpowiednio zaokrągloną. Skomentuj w jednym lub dwóch zdaniach uzyskany wynik. Porównaj go z wartością tablicową.
Oceń, czy Twoja hipoteza badawcza potwierdziła się.