Siły i ruch

Zagadnienia

Siła
Położenie
Prędkość
Przyspieszenie

Opis

Poznaj siły pojawiające się kiedy próbujesz pchnąć szafkę. Przyłóż siłę i zobacz pojawiającą się siłę tarcia oraz całkowitą siłę działającą na szafkę. Wykresy przedstawiają siły, położenie, prędkość i przyspieszenie w funkcji czasu. Zobacz diagram wszystkich sił (łącznie z siłą grawitacyjną i siłą reakcji podłoża).

PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu Na licencji CC BY 4.0

Ta symulacja Java jest uruchamiana (może to chwilę potrwać) w przeglądarce internetowej za pośrednictwem technologii o nazwie CheerpJ - nie wymaga instalowania żadnego dodatkowego oprogramowania. W stosunku do wersji offline jest nieco pogorszona jakość graficzna i okno aplikacji nie skaluje się.

W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały PhET: Strona źródłowa symulacji, Teacher Tips (Loeblein. Podolefsky, czerwiec 2011)

W szablonie strony wykorzystano kod html/css: phydemo.app.

Poziom

Szkoła podstawowa, szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

Przewiduj, jakościowo, jak siła zewnętrzna wpłynie na prędkość i kierunek ruchu obiektu.
Wyjaśnij efekty za pomocą diagramu sił.
Wykorzystaj diagramy sił do rysowania wykresów położenia, prędkości, przyspieszenia i siły oraz odwrotnie.
Wyjaśnij, jak wykresy te odnoszą się do siebie.
Biorąc pod uwagę scenariusz lub wykres, naszkicuj wszystkie cztery wykresy.

Przykładowe materiały teoretyczne

Pierwsza zasada dynamiki Newtona. Bezwładność ciał (ZPE)
Trzecia zasada dynamiki Newtona – wzajemne oddziaływanie ciał (ZPE)
Podsumowanie wiadomości z dynamiki (ZPE)
Siła jako miara oddziaływań. Równowaga sił. Siła wypadkowa. Wyznaczanie siły wypadkowej (ZPE)
Wpływ oporów ruchu na poruszające się ciała (ZPE)
Klasyfikujemy opory ruchu (ZPE)
Badanie zależności siły tarcia od rodzaju powierzchni stykających się ciał (ZPE)
Demonstracja różnicy pomiędzy siłą tarcia statycznego i kinetycznego (ZPE)
Siły i prawa dynamiki Newtona (Khan Academy)
Zasady dynamiki Newtona (OpenStax)

Sterowanie symulacją

Badanie sił w działaniu: przesuwanie lodówki, skrzyni, szafki itp... Zadziałaj stworzoną przez siebie siłą i zobacz, w jaki sposób powoduje ona ruch obiektów. Zmieniaj tarcie i obserwuj, jak to wpływa na ruch.

Ekran Wprowadzenie

Zbadaj różnicę między siłami zrównoważonymi i niezrównoważonymi i przeanalizuj ich wpływ na ruch.

Ekran Tarcie

Utwórz przykładaną siłę, aby pchać różne obiekty, a następnie dostosuj wielkość tarcia i zobacz, jak wpływa to na ich ruch.

Ekran Siły

Zbadaj związek pomiędzy siłą wypadkową, przyspieszeniem i prędkością.

Ekran Usługi przeładunkowe ROBOT

Dostarcz przesyłki do domu, przykładając odpowiednie siły.

Złożone sterowanie

Pamiętaj, aby wypróbować wszystkie zakładki u góry symulacji.
Zakładka gra - Usługi przeładunkowe ROBOT - użyj przycisków strzałek na klawiaturze, aby przyłożyć siłę do obiektu. W grze celem jest wykorzystanie doświadczenia z innych zakładek, aby dostarczyć przesyłki do domu. Punkty są przyznawane na podstawie wykorzystania energii.
Użyj kontrolek na dole, aby wstrzymać, wykonać krok lub nagrać i odtworzyć ruch. Musisz wybrać opcję Nagraj przed rozpoczęciem eksperymentu, jeśli chcesz go zapisać.
Nagrywanie uruchamia się automatycznie po przyłożeniu jakiejkolwiek siły zewnętrznej (przez przeciągnięcie obiektu lub wektora siły na diagramie sił) - siła ta jest chwilowa, tzn. po zwolnieniu uchwytu wraca do zera. Jeżeli wartość siły ustalimy za pomocą suwaka lub wpisując ją w pole tekstowe, siła stała zaczyna działać i jednocześnie włącza się nagrywanie dopiero po wciśnięciu przycisku Graj przy wybranym trybie Nagraj.
można uchwycić i przeciągać w trybie odtwarzania. Przydatne to jest przy analizie powiązania ruchu obiektu z wykresami.
Pionową szarą linię na wykresie można uchwycić i przeciągać w trybie odtwarzania. Przydatne to jest przy analizie powiązania ruchu obiektu z wykresami.

Ułatwienia dostępu

Wersje offline, niewymagające połączenia z internetem

Dostępne są również wersje symulacji niewymagające połączenia z internetem.

Aplikacja PhET Desktop zawiera wszystkie symulacje HTML5 i Java, w tym ich tłumaczenia, do użytku offline w systemach Windows i macOS (dostępne po zalogowaniu tu). Symulacje HTML5 nie wymagają dodatkowego oprogramowania, natomiast do uruchamiania dowolnych symulacji Java w aplikacji komputerowej jest wymagany Java SE Development Kit 8.

Darmową wersję desktopową tej aplikacji (plik .jar) pobierzemy bezpośrednio klikając tu lub ze strony PhET (klikając tytuł lub ikony przy wybranej wersji językowej):

A następnie wybierając odpowiednią opcję:

Spostrzeżenia na temat korzystania z aplikacji przez uczniów

Niektórzy uczniowie mogą próbować wprowadzać zmiany w trybie odtwarzania, a następnie nacisnąć przycisk Odtwórz. Symulacja nie zostanie uruchomiona, dopóki nie zostanie wybrana opcja Nagraj.

Uproszczenia / założenia modelu

W symulacji, w niektórych miejscach, jako separator dziesiętny stosowana jest kropka.
Energia cieplna - powierzchnia nagrzeje się z powodu pracy wykonanej przez tarcie. Współczynniki tarcia nie zmieniają się, gdy powierzchnia się nagrzewa.
Popychacz ma pomóc uczniom zrozumieć, w jaki sposób przykładana jest siła. Wraz ze wzrostem przyłożonej siły popychacz pochyla się do przodu.

Sugestie dotyczące wykorzystania

Wskazówki dotyczące wszystkich symulacji zawarte są w informacjach ogólnych.

Więcej porad dotyczących korzystania z symulacji z uczniami można znaleźć na stronach PhET w sekcji Wskazówki dotyczące korzystania z PhET.

Przykładowe polecenia

Włącz diagram sił (okno diagramu możesz przeciągnąć w dowolne miejsce ekranu). Pobaw się symulacją, analizując działające siły. Napisz etykietę każdej strzałki i opisz wektor jakiej siły ona reprezentuje.
W środowisku bez tarcia użyj suwaka przyłożonej siły, aby popchnąć obiekt. Przewiduj, jaka będzie siła wypadkowa działająca na obiekt, gdy pchający go puści. Co wtedy dzieje się z siłą wypadkową i prędkością? Co stanie się z prędkością po dodaniu kolejnego obiektu?
Gdy obiekt jest w ruchu, co można zrobić, aby go spowolnić lub zatrzymać?
Jak wypada porównanie siły tarcia i przyłożonej siły przed i po wprawieniu obiektu w ruch? Czy siły te są zrównoważone czy niezrównoważone? Określ siłę wypadkową.
Określ masę tajemniczego przedmiotu.
Zbadaj związek między przyspieszeniem, siłą wypadkową i masą.

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Siły i ruch tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).