Badanie ruchu prostoliniowego jednostajnie przyspieszonego – test i pytania, fizyka klasa 7

Ta lekcja dotyczy doświadczalnego badania ruchu jednostajnie przyspieszonego, czyli sposobu, w jaki uczniowie mogą samodzielnie zmierzyć drogę i czas ruchu kulki na równi pochyłej, a następnie wyciągnąć wnioski o zależności drogi od czasu.

Najważniejsze w 30 sekund

Doświadczenie zwykle wykonuje się na równi pochyłej z kulką lub wózkiem.
Mierzy się drogę przebytą przez ciało oraz czas, w jakim ta droga została pokonana.
Zależność drogi od czasu w ruchu jednostajnie przyspieszonym jest kwadratowa: s ~ t².
Do pomiaru czasu używa się stopera lub bramek fotokomórkowych, a do pomiaru drogi taśmy mierniczej.
Wyniki pomiarów zapisuje się w tabeli i przedstawia na wykresie s(t) lub s(t²).

Test: Badanie ruchu prostoliniowego jednostajnie przyspieszonego – 10 pytań

Na jakim urządzeniu zwykle przeprowadza się szkolne badanie ruchu jednostajnie przyspieszonego?
- A) Na wadze szalkowej
- B) Na równi pochyłej
- C) Na wahadle
- D) Na sprężynie
Jaką wartość prędkości początkowej powinno mieć ciało na starcie doświadczenia?
- A) Zero
- B) Maksymalną możliwą
- C) Równą prędkości końcowej
- D) Nieokreśloną
Jaki kształt ma wykres s(t) w ruchu jednostajnie przyspieszonym?
- A) Linia prosta
- B) Parabola
- C) Okrąg
- D) Hiperbola
Jaki wzór służy do obliczenia przyspieszenia z pomiarów drogi i czasu?
- A) a = s/t
- B) a = 2s/t²
- C) a = s·t
- D) a = t/s
Dlaczego warto powtarzać pomiar czasu kilka razy?
- A) Aby zmęczyć ucznia
- B) Aby uśrednić wynik i zmniejszyć wpływ błędów
- C) Bo tak nakazuje regulamin szkoły
- D) Nie ma takiej potrzeby
Jakim przyrządem najdokładniej zmierzymy krótki czas ruchu?
- A) Zegarem słonecznym
- B) Bramką fotokomórkową
- C) Linijką
- D) Termometrem
Co odkładamy na osi poziomej wykresu, by sprawdzić liniową zależność drogi od kwadratu czasu?
- A) t
- B) t²
- C) v
- D) a
Co jest głównym źródłem błędu przy pomiarze czasu stoperem ręcznym?
- A) Temperatura powietrza
- B) Czas reakcji osoby mierzącej
- C) Kolor kulki
- D) Siła grawitacji
Co oznacza nachylenie prostej na wykresie s(t²)?
- A) Prędkość początkową
- B) Połowę przyspieszenia
- C) Czas ruchu
- D) Masę ciała
Dlaczego równię pochyłą ustawia się pod niewielkim kątem?
- A) Żeby ciało poruszało się wolniej i łatwiej było mierzyć czas
- B) Żeby zwiększyć tarcie
- C) Żeby skrócić drogę
- D) Żeby zmienić masę ciała

Cel i przebieg doświadczenia

Celem doświadczenia badającego ruch jednostajnie przyspieszony jest sprawdzenie, jak droga przebyta przez ciało zależy od czasu ruchu, oraz wyznaczenie wartości przyspieszenia. Typowym układem pomiarowym jest równia pochyła, po której toczy się kulka lub porusza się wózek na kółkach.

Równię pochyloną ustawia się pod niewielkim kątem, aby ruch nie był zbyt szybki i można było dokładnie zmierzyć czas. Na równi zaznacza się kilka punktów w równych odległościach od startu, na przykład co 20 centymetrów, i mierzy się czas dotarcia ciała do każdego z nich.

Pomiar drogi i czasu

Drogę mierzymy za pomocą taśmy mierniczej lub linijki, ustalając dokładne odległości od punktu startowego do kolejnych oznaczonych miejsc na równi. Ważne jest, aby za każdym razem ciało startowało z tego samego miejsca i bez prędkości początkowej, czyli v0 równe zero.

Czas mierzy się stoperem ręcznym lub, dla większej dokładności, za pomocą bramek fotokomórkowych połączonych z licznikiem czasu. Pomiar warto powtórzyć kilka razy dla każdej odległości i obliczyć średnią, aby ograniczyć wpływ błędów reakcji osoby mierzącej.

Analiza wyników i wykresy

Zebrane dane zapisuje się w tabeli zawierającej kolumny: odległość s, zmierzony czas t oraz obliczoną wartość t². Następnie sporządza się wykres zależności drogi od czasu s(t), który w ruchu jednostajnie przyspieszonym ma kształt paraboli, a nie linii prostej.

Aby łatwiej sprawdzić zależność kwadratową, warto narysować wykres s w funkcji t². Jeśli punkty układają się w przybliżeniu na linii prostej przechodzącej przez początek układu współrzędnych, potwierdza to, że droga jest proporcjonalna do kwadratu czasu.

Wyznaczanie przyspieszenia z pomiarów

Przyspieszenie można wyznaczyć, korzystając ze wzoru s = ½·a·t² i przekształcając go do postaci a = 2s/t². Dla każdej pary pomiarowej s i t obliczamy wartość przyspieszenia, a następnie uśredniamy wyniki, aby otrzymać jedną, bardziej wiarygodną wartość.

Można też obliczyć przyspieszenie z nachylenia prostej na wykresie s(t²), ponieważ nachylenie tej prostej jest równe połowie przyspieszenia. Metoda graficzna jest często dokładniejsza niż liczenie przyspieszenia tylko z pojedynczego pomiaru.

Źródła błędów pomiarowych

W doświadczeniu szkolnym głównym źródłem błędów jest czas reakcji osoby obsługującej stoper, który zwykle wynosi od 0,2 do 0,3 sekundy, co przy krótkich czasach ruchu może znacząco zafałszować wynik. Dlatego lepiej mierzyć dłuższe odcinki drogi lub stosować bramki fotokomórkowe.

Dodatkowymi źródłami błędów są tarcie kulki o powierzchnię równi, niedokładne ustawienie kąta nachylenia oraz brak powtarzalności punktu startowego w kolejnych próbach. Aby zminimalizować te błędy, należy dbać o powtarzalność warunków w każdym pomiarze.

Co trzeba umieć

Zaplanować doświadczenie badające ruch jednostajnie przyspieszony na równi pochyłej.
Poprawnie mierzyć drogę i czas oraz zapisywać wyniki w tabeli.
Sporządzać i interpretować wykresy s(t) oraz s(t²).
Wyznaczać przyspieszenie na podstawie wyników pomiarów, korzystając ze wzoru a = 2s/t².
Rozpoznawać i ograniczać źródła błędów pomiarowych w doświadczeniu.

Typowe błędy

Niezerowanie prędkości początkowej – ciało musi startować z miejsca, inaczej wzory nie będą pasować.
Pomijanie powtórzeń pomiaru, co prowadzi do dużego wpływu pojedynczego błędu na wynik końcowy.
Rysowanie wykresu s(t) jako linii prostej, podczas gdy w ruchu jednostajnie przyspieszonym powinien to być fragment paraboli.
Mylenie jednostek czasu (sekundy) z jednostkami drogi (metry) przy obliczaniu przyspieszenia.
Ignorowanie czasu reakcji przy pomiarze stoperem, co zaniża lub zawyża wyznaczone przyspieszenie.

Krótkie pytania i odpowiedzi

Jakie wielkości mierzymy bezpośrednio w tym doświadczeniu?

Mierzymy bezpośrednio drogę przebytą przez ciało oraz czas trwania ruchu.

Jak sprawdzić, czy ruch na równi jest jednostajnie przyspieszony?

Sprawdzamy, czy wykres drogi w funkcji kwadratu czasu jest linią prostą przechodzącą przez początek układu.

Dlaczego ciało powinno zawsze startować z tego samego miejsca?

Zapewnia to powtarzalność warunków pomiaru i porównywalność kolejnych prób.

Jak zmniejszyć wpływ czasu reakcji na pomiar?

Można użyć bramek fotokomórkowych zamiast stopera ręcznego lub mierzyć dłuższe odcinki drogi.

Co zapisujemy w tabeli wyników doświadczenia?

Zapisujemy zmierzoną drogę, czas, a często także obliczony kwadrat czasu i wyznaczone przyspieszenie.

Jak obliczyć średnią wartość przyspieszenia z kilku pomiarów?

Sumujemy wyznaczone wartości przyspieszenia z poszczególnych pomiarów i dzielimy przez ich liczbę.

FAQ

Czy w tym doświadczeniu można zamiast kulki użyć wózka?

Tak, wózek na kółkach poruszający się po szynie jest równie dobrym obiektem badania i często daje bardziej powtarzalne wyniki niż tocząca się kulka.

Jak wyznaczyć prędkość chwilową, skoro trudno ją zmierzyć bezpośrednio?

Prędkość chwilową w ruchu jednostajnie przyspieszonym można obliczyć ze wzoru v = a·t, po uprzednim wyznaczeniu przyspieszenia 'a' z pomiarów drogi i czasu.

Co zrobić, jeśli punkty na wykresie s(t²) nie leżą dokładnie na jednej prostej?

Niewielkie odchylenia są normalne i wynikają z błędów pomiarowych; rysujemy wtedy linię trendu najlepiej dopasowaną do punktów.

Czy kąt nachylenia równi wpływa na wartość przyspieszenia?

Tak, im większy kąt nachylenia równi, tym większe przyspieszenie uzyskuje poruszające się ciało.

Stwórz własny test · Zrób fiszki

Poprzednia lekcja: Ruch prostoliniowy zmienny Następna lekcja: Analiza wykresów ruchów prostoliniowych: jednostajnego i jednostajnie zmiennego