ω - Centrum Hewelianum

Transkrypt

Gdańsk.10.08 2012
Opracowanie materiałów szkoleniowych, stanowiące
instrukcje obsługi do interaktywnych stanowisk dydaktycznych,
wraz z wprowadzeniem teoretycznym. Instrukcje stanowią także
wytyczne do opracowania programów komputerowych sterujących
stanowiskami.
Opracowanie powstało w ramach umowy realizowanej w ramach projektu „Adaptacja
Centrum Hewelianum w Gdańsku na potrzeby naukowo-dydaktyczne pomorskich szkół
wyższych”, finansowanego w ramach Regionalnego Programu Operacyjnego dla
Województwa Pomorskiego na lata 2007-2013. Umowa nr 63/2012.
Wykonawca: dr hab.inż Bogusław Kusz prof.nadzw.PG
1
Spis treści:
1. Założenia opracowania
2. Opis wstępny opracowania i wskazówki dla wykonawcy
3. Menu interfejsu użytkownika
4. Odtwarzacz - okno informacji ogólnych,
nagrań i analizy doświadczeń
5. Okno uwag – okno informacji dotyczących
bezpieczeństwa i porządku
6. Zestawienie tematów doświadczeń
7. Zestawienie oprogramowania i klipów
8. Programy obsługujące interfejsy
9. Zalecenia dla konstruktora i wykonawcy
10. 1.1. Ruch obrotowy.
11. 1.2. Ruch Falowy.
12. 1.3. Ruch po równi pochyłej.
13. 1.4. Ruch po okręgu.
14. 1.5. Ruch harmoniczny. Wahadło matematyczne.
15. 1.6. Zderzenie praw fizyki.
16. 1.7. Niszczący rezonans.
17. 2.1. Lidar.
18. 2.2. Prawo Pascala.
19. 2.3. Prawo Bernoulliego.
20. 3.1. Tunel aerodynamiczny.
21. 3.2. Energetyczny wiatr.
22. 3.3. Siła wiatru.
23. 3.4. Dźwięk a próżnia. Karta opisu.
24. 4.1. Cząstki we mgle. Komora mgłowa.
25. 4.2. Machina Coelestis.
26. 5.1. Czujny siłownik.
27. 5.2. Maszyny Leonarda I.
28. 5.3. Maszyny Leonarda II.
29. 6.1. W ręku robota.
30. 6.2. Rozgrywka robotów.
31. 7.1. Poruszająca krew.
32. 7.2. Szybkość adaptacji i reakcji.
33. 7.3. Sedno mięśnia.
34. 8.1. Konwekcyjny chaos.
35. 8.2. Wahadło magnetyczne. Karta opisu.
36. 8.3. Model ruchu Browna.
37. 8.4. Ruch Browna.
38. 8.5. Przewodzenie ciepła.
39. 8.6. Szum termiczny.
40. 9.1. Propagacja informacji w sieci.
41. 9.2. Ruch statków powietrznych i nawodnych.
str.
-2
-3
-3
-5
-6
-6
-6
-8
-9
-12
-20
-30
-40
-49
-57
-67
-75
-84
-93
-101
-109
-116
-124
-126
-132
-150
-158
-168
-175
-182
-188
-195
-211
-219
-225
-226
-234
-237
-244
-249
-254
2
A. Założenia opracowania.
1. Zgodnie z celem projektu nowe laboratorium ma znacząco wspomóc nauczanie studentów
trójmiejskich szkół wyższych. Ponadto ma to być oferta edukacyjna dla uczniów szkół oraz
innych zainteresowanych odwiedzających kompleks na Górze Gradowej.
Dlatego laboratorium zostało zaprojektowane dla odbiorców na dwóch różnych stopniach
nauczania:
1.Pierwszy z nich adresowanych jest do uczniów gimnazjów i szkół średnich. Jest to
system, w którym uczeń/uczestnik odpowiada na pytania związane z tematyką
doświadczenia. Pytania dotyczą jakościowej oceny zjawiska badanego w doświadczeniu.
Uczeń/uczestnik odpowiada w systemie wyboru prawda-fałsz (TAK lub NIE) przy czym
oba wybory prowadzą do okna z krótkim uzasadnieniem prawidłowej odpowiedzi i
propozycją sprawdzenia prawdziwości odpowiedzi za pomocą doświadczenia.
2.Drugi stopień nauczania jest skierowany do studentów. Na tej ścieżce studenci
rozwiązują problemy/zadania doświadczalnie w efekcie uzyskując wyniki ilościowe.
Nie ma przeszkód, aby uczniowie/odbiorcy spróbowali wykonać zadania studenckie.
Wskazane jest, aby studenci zanim wykonają doświadczenie przeszli poziom pytań.
2.Zaproponowane opracowanie w sposób nowoczesny proponuje ścieżkę dydaktyczną, która
umożliwi poznanie podstawowych praw, idei technicznych i w konsekwencji ułatwi
studentom naukę na uczelni. Szczególną uwagę zwrócono na powiązanie rzeczywistych
zdarzeń, maszyn, obiektów z doświadczeniami modelowymi wykonywanymi przez
studentów i uczniów szkół średnich. Dlatego w opracowaniu podstawą informacji na dany
temat jest krótki (od 10s do 25s - klip) film z rzeczywistej sytuacji i płynne przejście do
graficznego zinterpretowania zjawiska. Tam, gdzie nie jest możliwy rzeczywisty obraz
zjawiska opis jest graficzną symulacją (animacją).
3.Podstawą wizualizacji informacji ogólnej, doświadczenia i wyników jest odtwarzacz
wzorowany na powszechnie używanym na platformie YouTube. Taki system ułatwi
studentom/ uczestnikom nawigację i dostęp do niezbędnej wiedzy.
4.Zasadą jest, że instrukcja wykonania doświadczenia jest wzbogacona o krótkie nagranie
przebiegu doświadczenia z grafiką pokazującą ważne elementy stanowiska.
3
B. Opis wstępny opracowania i wskazówki dla wykonawcy.
Zasady ogólne:
1. Wszystkie opisy oraz grafiki muszą być zgodne z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawne.
2. Poniższy opis zawiera uwagi, opis, zalecenia dla wykonawcy pisany normalną czcionką
oraz pisane kursywą treści merytoryczne. Bold stosowany jest do m.in. oznaczania
wektorów.
3. Uwaga: Treści merytoryczne mogą być zmienione ze względu na konieczność
dopasowania instrukcji do stanu rzeczywistego. Dotyczy to szczególnie instrukcji
postępowania, okien uwag oraz podpisów i grafik.
C. Menu interfejsu użytkownika.
Uwaga: System interfejsu użytkownika został zaprojektowany mając na uwadze dydaktyczną
poprawność, łatwość obsługi i logikę postępowania podczas badań.
Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji
0/Menu zerowe- występuje w przypadku obsługi dwóch lub trzech różnych ćwiczeń- umożliwia
wybór ćwiczenia.
a/ Menu główne- umożliwia
wybór trzech opcji.
Ruch obrotowy
Informacje ogólne
Przebieg Doświadczenia
Zadania
b/ Drugi poziom Menu
Informacje ogólne
Opis 1
Przebieg
Doświadczenia
opis działań
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Opis 2
Zadanie n
Uwagi
bezpieczeństwa
Uwagi
bezpieczeństwa
c/ Trzeci poziom Menu
podpowiedź
dla
studentów
odpowiedź
na TAK lub NIE
dla uczniów
4
Uwagi do drugiego poziomu menu.
Informacje ogólne- proponowany układ strony:
Górna część strony – okno tytułowe Informacje ogólne i dwa mniejsze okienka
przejścia do Przebieg Doświadczenia i Zadania i wnioski.
Dalsza część strony - dwa okna, czyli pierwsze ujęcia klipów z tytułem i krótkim
opisem informacji. Naciśnięcie okna lub informacji powoduje rozwinięcie na całą
szerokość ekranu odtwarzacza z danym zagadnieniem. Zapewniona jest możliwość
zwinięcia okna i przejścia do dalszych opcji.
Przebieg Doświadczenia proponowany układ strony:
Górna część strony – okno tytułowe Przebieg Doświadczenia i dwa mniejsze okienka
przejścia do Informacje ogólne i Zadania i wnioski.
Niżej okno opisu działań. W centrum odtwarzacz nagrania wykonywanego
doświadczenia. Najniżej ekranu okno uwag dotyczących bezpieczeństwa.
Zadania i wnioski proponowany układ strony:
Górna część strony – okno tytułowe Przebieg Doświadczenia i dwa mniejsze okienka
przejścia do Informacje ogólne i Przebieg Doświadczenia .
Podstawowe menu to trzy zadania/pytania dla uczniów/uczestników. Do
zadań dla studentów okienko przejścia np. Studenci.
Uwagi do poziomu menu c :
Dla uczniów/innych uczestników odpowiedzi/propozycje pojawiają się po
wybraniu w tekście odpowiedzi TAK lub NIE .
Dla studentów S odpowiedzi/propozycje pojawiają się po naciśnięciu okienka ? .
5
D. Odtwarzacz - okno informacji ogólnych, nagrań i analizy doświadczeń:
Uwagi wstępne:
1.Wszystkie animacje, filmiki, klipy, nagrania doświadczeń wyświetlane są na odtwarzaczu
podobnym do powszechnie stosowanego przez portal YouTube z możliwością zatrzymania,
powtórzenia, pomiarem czasu itp. Odtwarzacz wyposażony jest w przyciski funkcyjne
umożliwiające w wielu przypadkach pełną interakcję i dostęp do wiedzy we właściwym
czasie.
10
Legenda:
Q=
Q
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Q
T,R,MT
a
V
Opis funkcjonalny elementów odtwarzacza:
1. Włącznik odtwarzania, możliwość zatrzymania i kontynuacji
/
2. Przycisk powtórzenia filmu/klipu.
3. Okno czasu odtwarzania i czasu całkowitego.
4. Okno zwolnionego tempa. Jeśli jest potrzeba, po naciśnięciu film/klip odtwarza się w
tempie 5x lub 20x mniejszym.
5. Klasyczny pasek/suwak czasu odtwarzania z możliwością wyboru oglądanej sekwencji.
6,7,8,9. Przyciski funkcyjne o ilości zależnej od potrzeb. Maksymalnie sześć przycisków
wywołujących fragmenty grafiki po przyciśnięciu. Po ponownym przyciśnięciu - wyłącznie
tego fragmentu.
10. Przycisk zwinięcia okna - powrotu do poziomu menu o jeden wyżej.
6
D. Okno uwag – okno informacji dotyczących bezpieczeństwa i porządku.
Okno znajduje się u dołu ekranu na poziomie drugim i trzecim. Przykład okna:
Uwaga: Przed włączeniem silnika upewnij się, że na talerzu pomiarowym nie ma
odważników. Odważniki przekładaj ostrożnie i z uwagą.
E. Zestawienie tematów doświadczeń:
1.1. Ruch obrotowy.
1.2. Ruch Falowy.
1.3. Ruch po równi pochyłej.
1.4. Ruch po okręgu.
1.5. Ruch harmoniczny. Wahadło matematyczne.
1.6. Zderzenie praw fizyki.
1.7. Niszczący rezonans.
2.1. Lidar.
2.2. Prawo Pascala.
2.3. Prawo Bernoulliego.
3.1. Tunel aerodynamiczny.
3.2. Energetyczny wiatr.
3.3. Siła wiatru.
3.4. Dźwięk a próżnia. Karta opisu.
4.1. Cząstki we mgle. Komora mgłowa.
4.2. Machina Coelestis.
5.1.Czujny siłownik.
5.2. Maszyny Leonarda I.
5.3. Maszyny Leonarda II.
6.1. W ręku robota.
6.2. Rozgrywka robotów.
7.1. Poruszająca krew.
7.2. Szybkość adaptacji i reakcji.
7.3. Sedno mięśnia.
8.1. Konwekcyjny chaos.
8.2. Wahadło magnetyczne. Karta opisu.
8.3. Model ruchu Browna.
8.4. Ruch Browna.
8.5. Przewodzenie ciepła.
8.6. Szum termiczny.
9.1. Propagacja informacji w sieci.
9.2. Ruch statków powietrznych i nawodnych.
7
F. Zestawienie oprogramowania i klipów.
Lp
Nr
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
2.1
2.2
2.3
3.1
3.2
3.3
3.4
4.1
4.2
5.1
5.2
5.3
6.1
6.2
7.1
7.2
7.3
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
9.1
9.2
Klipfilm
1
2
2
1
2
2
2
1
1
2
1
2
2
Klipanimacja
1
0
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
0
Interfejs Kamera
we/wy
1
1
1
1
Program
Dedykowany
1
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Nagranie
doświadczenia
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Karta informacyjna – 1 grafika.
1
0
2
1
1
1
2
2
4
1
2
1
2
0
1
1
1
0
0
0
1
0
3
1
1
1
1
1
5
1
1
3
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Karta informacyjna-1 grafika.
2
2
2
1
0
0
0
1
1
1 termo
1
2
1
1
1
1
1
Zadania
3N 3S
3N 3S
3N 3S
3N 3S
3N 3S
3N 3S
3N 3S
3N 3S
3N 3S
2N 2S
1N 3S
2N 2S
2N 2S
1N 1S
2N 2S
7N 9S
2N 2S
3N 2S
2N 2S
3N 2S
2N 2S
2N 2S
3N 3S
2N 2S
1N 1S
1N 1S
3N 2S
1N 1S
2N 2S
1N 1S
1N 2S
1N 1S
Opis tabeli:
Kol. 1:
Kol. 2:
Kol. 3:
Kol. 4:
Kol. 5.
Kol. 6:
Kol. 7:
Kol. 8:
Kol. 9:
numer kolejny.
oznaczenie/numer doświadczenia.
liczba klipów-filmów w części informacyjnej ćwiczenia.
liczba klipów-animacji w części informacyjnej ćwiczenia.
liczba interfejsów wejścia/wyjścia.
liczba kamer.
programów dedykowanych (specjalistycznych) potrzebnych w ćwiczeniu.
liczba nagrań instruktażowych - jak wykonać doświadczenie.
liczba zadań dla uczniów (N) i studentów (S).
8
G. Programy obsługujące interfejsy.
Zestawienie:
1.1. Program włączania/wyłączania silnika z czasowym wyłącznikiem: out-1D, in-1D.
1.2.b2. Program generatora sygnałowego 50-1200Hz (w przypadku zastosowania takiego
rozwiązania).
1.2.b3. Program oscyloskopu – wizualizacja dźwięku rury.
1.3; 1.4; 1.5 Program/interfejs nagrywania z kamery kolorowej 80klatek/s.
1.4.b2. Program sterowania silnikiem napędzającym układ ruchu po okręgu: out-1A, out-1D
lub w przypadku silnika krokowego - sterownik silnika krokowego.
1.7.1c .Program sterowania generatora sygnałowego 0,5-100Hz.
2.1.c. Program sterowania procesem pomiarowym – skanowanie i pomiar: in-1D/1A i dla
silników krokowych - sterowniki. Możliwość wyrysowania obrazu 3D.
2.3. Sterowanie włączaniem/wyłączaniem pompy z wyłącznikiem czasowym: out-1D.
3.1.1.b. Program odczytu wartości sił oporu i nosnej: in-2A/D (wejścia dla sygnału dwóch
siłomierzy w przypadku zrealizowania tej opcji).
3.3.1.b. Program odczytu wartości sił żaglówka/budynek: in-3A/D (wejścia dla sygnału dwóch
siłomierzy i kąta w przypadku zrealizowania tej opcji).
5.1.1.b. Program automatycznej reakcji odsunięcia na zbliżenie obiektu do kuli z czujnikami:
in-3D; out-3A/3D (w zależności od zastosowanych układów).
7.2a Program sterowania bodźcem świetlnym i zbierania danych: in-Kamera; out-1D, in-1D
Program sterowania trzema światłami i zbierania danych: in-3D.
7.2a.b2 Program rysowania i analizy wykresu akomodacji oka. Program automatycznie rysuje
wykres z chwilą, gdy odtwarzanie w zwolnionym tempie osiąga czas rozpoczęcia impulsu.
7.2a.b3 Program wpisywanych danych i statystyki dla Akomodacji.
7.2r.b1 Program wpisywanych danych i statystyki dla Reakcji.
7.3.b2 Program sterowania sztucznym ramieniem: out-1D; out-2A; in-2A.
8.3.1.S. Program śledzący pyłek-grafika na filmie.
8.6.b2. Program oscyloskopu – pomiar napięcia szumu.: in 1A.
G. Programy graficzne (bez interfejsu):
4.2.A,B,C Trzy programy graficzne- symulatory ruchu w kosmosie - zaawansowane !!!.
6.1. Program autonomiczny robota. Sposób i zakres zmian parametrów zależy od możliwości
oprogramowania robota.
6.2.2b Zmiany parametrów robotów -graczy. Sposób i zakres zmian parametrów zależy od
możliwości zestawu.
9.1. jeden program ogólnodostępny, jeden program śledzenia pakietów, jeden program
.zbierania danych (tabela)
9.2. jeden program ogólnodostępny, jeden program zbierania danych (tabela).
9
H. Zalecenia dla konstruktora i wykonawcy.
Ze względu na możliwości wykonania, jakości obsługi i przede wszystkim
poprawność dydaktyczną stanowisk doświadczalnych konieczne są następujące
zmiany:
1.Doświadczenie 1.3,1.4,1.5: Równia, Ruch po okręgu, Wahadło.
a/Umieszczenie kamery za układami doświadczalnymi (za ścianką szklaną) nie jest dobrym
rozwiązaniem ze względu na:
-otrzymywanie lustrzanego obrazu doświadczenia
-nagrywanie obrazu doświadczenia na tle pomieszczenia i ludzi co prowadzi do
bardzo dużej komplikacji przy analizie obrazu oraz w znaczący sposób zaciemnia
odbiór dydaktyczny.
b/Kamera na pionowej prowadnicy powinna znajdować się naprzeciw stanowiska w
odległości gwarantującej zaniedbywalne zniekształcenia obrazu. Tło układów
doświadczalnych powinno być jednorodne (poruszające się obiekty muszą być dobrze
widoczne).
c/Układ kulki w ruchu po okręgu (rys. obok)
powinien być zintegrowany z wahadłem: wahadło
przed szkłem a obracająca się kulka za szkłem.
W ten sposób uzyska się :
-doświadczalny pokaz związku ruchu
po okręgu z ruchem harmonicznym,
-konieczność przesuwania kamery tylko
do dwóch położeń,
-lepsze rozplanowanie całości.
2. Doświadczenie 3.3 Siła wiatru.
Należy zadbać, aby w doświadczeniu siły były mierzone wzdłuż osi i prostopadle do osi łódki
(budynku). Jest to konieczne dla czytelnej interpretacji doświadczeń.
10
3. Doświadczenie 4.2 Machina Coelestis.
Zaproponowany przez autorów system sterowania ruchem dłoni jest ciekawym i
nowoczesnym rozwiązaniem. Jednak wadą takiego rozwiązania jest za mała rozdzielczość
układu wizualizacji aby można było przekazać konieczne Informacje ogólne, dobrze opisać
Przebieg Doświadczenia oraz Zadania. Dlatego należy zrezygnować z idei sterowania dłonią
i całość wykonać za pomocą wbudowanego w stół obserwacyjny monitora dotykowego.
Dzięki temu interfejs użytkownika będzie identyczny jak w innych doświadczeniach oraz
zachowana będzie spójność przekazu dydaktycznego.
4.Doświadczenie: 8.1. Konwekcyjny chaos. 8.6.Szum termiczny 8.3 Model
ruchu Browna 8.4 Ruch Browna.
W projekcie zaplanowano podział czterech ww. doświadczeń w następujący sposób:
stanowisko XI.8.3. oraz XI.8.1.4.6 (Opis techniczny). W ten sposób proste stanowisko Model
ruchów Browna występuje jako jedyne w całym stanowisku, natomiast doświadczenie z
Ruchem Browna występuje na drugim stanowisku. Z punktu widzenia poprawności
dydaktycznej model i rzeczywiste zjawisko powinno być prezentowane na jednym
stanowisku.
11
1.1. Ruch obrotowy.
Ruch obrotowy
a/ Menu główne:
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Opis 1
Przebieg
Doświadczenia
opis działań
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Opis 2
Zadanie n
Uwagi
bezpieczeństwa
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedź
dla
studentów
odpowiedź
na TAK lub NIE
dla uczniów
12
1.1. Główne menu strony
1.1.a Drugi poziom menu:
„Ruch obrotowy”
Informacje ogólne
Zadania
wybór Informacje ogólne
Ruch obrotowy jest powszechny. Obraca się Słońce, Ziemia, powietrze podczas tornada,
koła samochodów, koła mechanizmów, bakterie, molekuły tlenu. O ruchu obrotowym
decydują momenty: bezwładności i sił.
Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów 1.1.1 ; 1.1.2 i 1.1.3 z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu
powoduje uruchomienie aplikacji.
1.1.1-klip Obracająca się Ziemia. Animacja przedstawiająca widok z kosmosu na obracającą
się Ziemię. Na film/animację nałożona grafika: wektory prędkości kątowej i liniowej w trzech
punktach dla szerokości geograficznej ok.: ϕ=00; 30o; 60o. Dwa zdania wyjaśniające.
Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna.
Czas trwania filmu:10s – pełen obrót Ziemi. Następnie powtórzenie do czasu wyłączenia.
Rys.1.1.1 Ziemia - szkic graficznego przedstawienia obrotu.
ω
V2
V1
V0
Podpis do rys.1.1.1
Kula materii o średnicy 12 tysięcy kilometrów i obracająca się z szybkością jeden obrót na 24
godziny to Ziemia (okres obrotu T=24h). Wszystkie fragmenty Ziemi obracają się wokół osi z
tą samą prędkością kątową ω=2π/T. Jednak prędkość liniowa V zależy od odległości od osi
obrotu. Obracająca się jednostajnie Ziemia posiada pewien moment bezwładności I, moment
pędu L=ωI i energię kinetyczną ruchu obrotowego Eko=Iω2/2.
13
1.1.2-klip Hamowanie koła rowerowego.
Klip 15 sekundowy przedstawiający obracające się koło roweru do chwili zahamowania
hamulcem szczękowym. Na film nałożona grafika: wektory prędkości kątowej i liniowej oraz
siły tarcia i momentu siły. Dwa zdania wyjaśniające.
Czas trwania filmu:15-20s –hamowanie obracającego się koła rowerowego.
Rys.1.1.2. Koło rowerowe podczas hamowania.
Q
T
R
M
Podpis do rys.1.1.2
Hamując rozpędzony rower zaciskamy szczęki hamulca na obręczy koła (o promieniu R). Siła
tarcia T powstająca na styku obręczy i szczęk wytwarza hamujący moment siły M. To
właśnie ta siła tarcia podczas hamowania pracuje nad zmniejszeniem energii ruchu
rowerzysty. Energia ruchu rowerzysty jest bezpowrotnie tracona na ciepło i zniszczenie
powierzchni gumy.
Hamowanie roweru jest przykładem ruchu obrotowego jednostajnie opóźnionego.
14
1.1.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia
Ruch obrotowy.
W celu wykonania badań ruchu obrotowego należy:
0. Upewnić się, że na talerzu pomiarowym nie ma odważników.
1. Włączyć przyciskiem z okna „Sterowanie silnikiem” silnik.
2. Poczekać kilkanaście sekund, aż silnik osiągnie maksymalną prędkość obrotową.
3. Zmierzyć stroboskopem prędkość.
4.Spokojnie położyć ciężarek o masie m=1kg, silnik automatycznie zostanie wyłączony z
prądu.
5. Obserwować układ i zjawisko oraz zmierzyć czas do chwili zatrzymania silnika.
6. Odłożyć ciężarek na przeznaczone miejsce.
Uwaga : ze względu na bezpieczeństwo ciężarki powinny być
manipulacji.
"uwiązane" w granicach koniecznych do
Odtwarzacz z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na odtwarzaczu nagranie z
rzeczywistego doświadczenia.
Jest to film 15 sekundowy pokazujący: włączenie silnika, położenie ciężarka, i po chwili, gdy
szybkość w widoczny sposób zmaleje stopklatka. Na stopklatkę za pomocą przycisków
funkcyjnych można nałożyć grafikę wektorów sił, prędkości , przyspieszenia.
Okno 1.1.b1 Odtwarzacz. Szkic ekranu ze stop klatką.
a -przyspieszenie
Legenda:
Q=
Siła tarcia T
Siła ciężkości Q
V-prędkość liniowa
Promień działania siły tarcia R
M-moment siły T: M=R·F
Q
Q
R,T
M
V
a
ω
15
Opis funkcjonalny odtwarzacza – funkcje dodatkowe:
Pod przyciskami funkcyjnymi znajduje sie legenda – opis przycisków. Naciśnięcie przycisku powoduje
pojawienie się odpowiedniego wektora/informacji.
Legenda:
Q- siała ciężkości/siła nacisku;
R- promień działania siły tarcia T;
M-moment siły tarcia M=R·T;
a-wektor przyspieszenia;
V-wektor prędkości liniowej;
ω- wektor prędkości obrotowej
Okno 1.1.b3 sterowania silnikiem (jeśli zostanie wybrana taka opcja):
Włączanie silnikiem szlifierki
Włącznik
Okno 1.1.b2 uwag:
Uwaga: Przed włączeniem silnika upewnij się, że na talerzu pomiarowym nie ma
odważników. Odważniki przekładaj ostrożnie i z uwagą.
16
1.1.b Drugi poziom menu Zadania
Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów. Do zadań dla
studentów można przejść za pomocą przycisku
Studenci
1.1.N. Poziom : Zadania dla uczniów
1.1.1.N Czy podczas hamowania pędzącego roweru
potencjalną rowerzysty ?
energia ruchu zamienia się na energię
Tak
Nie
wybór TAK.
Niestety nie. Siłą powodującą hamowanie, czyli utratę energii jest siła tarcia. Siła tarcia
pracuje w ten sposób, że bezpowrotnie tracimy energię w postaci ciepła. Wykonaj
doświadczenie zgodnie z poleceniem: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
Sprawdź, że po rozpędzeniu szlifierki przyłożenie siły do szczęki hamulcowej powoduje
rozgrzanie materiału na punkcie styku szczęka - tarcza. Temperatura jest czasami tak duża,
że materiał rozgrzewa się do czerwoności i powstają iskry. Dzięki sile tarcia można
kształtować powierzchnie różnych materiałów, czyli na przykład szlifować.
wybór NIE.
Odpowiedź prawidłowa. Siłą powodującą hamowanie i utratę energii jest siła tarcia. Siła
tarcia pracuje w ten sposób, że bezpowrotnie tracimy energię w postaci ciepła. Wykonaj
doświadczenie zgodnie z poleceniem: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
Sprawdź, że po rozpędzeniu szlifierki przyłożenie siły do szczęki hamulcowej powoduje
rozgrzanie materiału na punkcie styku szczęka - tarcza. Temperatura jest czasami tak duża,
że materiał rozgrzewa się do czerwoności i powstają iskry. Dzięki sile tarcia można
kształtować powierzchnie różnych materiałów, czyli na przykład szlifować.
Obecnie w niektórych autobusach, pociągach i samochodach stosuje się hamowanie z
częściowym odzyskiwaniem energii.
1.1.2.N Czy szybkość hamowania zależy do siły przyłożonej do szczęk hamulca ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Odpowiedź prawidłowa. Siłą powodującą hamowanie, czyli utratę energii jest siła tarcia. Siła
tarcia jest proporcjonalna do siły nacisku. Im większy nacisk na hamulec, tym większa siła
tarcia i szybsze hamowanie. Wykonaj doświadczenie potwierdzające tą zależność. Sprawdź
jaki jest czas hamowania dla dwóch różnych obciążeń szczęki hamulca. (przejście do
poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
wybór NIE.
17
Jednak szybkość hamowania zależy do siły przyłożonej do szczęk hamulca. Siłą powodującą
hamowanie, czyli utratę energii jest siła tarcia. Siła tarcia jest proporcjonalna do siły nacisku.
Im większy nacisk na hamulec tym większa siła tarcia i szybsze hamowanie. Wykonaj
doświadczenie potwierdzające tą zależność. Sprawdź jaki jest czas hamowania dla dwóch
różnych obciążeń szczęki hamulca. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
1.1.3.N Czy podczas hamowania prędkość liniowa V maleje do zera?
Tak
Nie
wybór TAK.
Prawda. Prędkość liniowa V maleje podczas hamowania. W tym przypadku jest to ruch
jednostajnie opóźniony. Wykonaj doświadczenie i oblicz początkową prędkość liniową ze
wzoru V=ωR, gdzie R=6cm ω- wyznaczona prędkość kątowa. (przejście do poziomu menu
Przebieg Doświadczenia).
Wybór Nie
Przy hamowaniu prędkość V maleje. W tym przypadku jest to ruch jednostajnie opóźniony.
Wykonaj doświadczenie i oblicz początkową prędkość liniową ze wzoru V=ωR, gdzie R=6cm
ω-wyznaczona prędkość kątowa. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
1.1. S. Poziom : Zadania dla studentów
Zadanie 1.1.1.S Energia kinetyczna ruchu obrotowego i praca sił tarcia.
Zbadaj proces hamowania obracającej się szlifierki. Wyznacz energię kinetyczną ruchu
obrotowego tuż przed hamowaniem, po czasie hamowania t1=10s oraz pracę siła tarcia
podczas hamowania przez czas t1=10s. Wykonanie: (przejście do poziomu menu Przebieg
Doświadczenia).
( ? –pomoc) W celu obliczenia energii kinetycznej ruchu obrotowego należy wyznaczyć prędkość kątową
ω0 oraz moment bezwładności obracającego się układu I (z legendy) o obliczyć: Ek0= Iω02/2.
W podobny sposób należy określić prędkość ω1 po czasie t1 i obliczyć Ek1= Iω12/2. Praca siły
tarcia jest równa straconej energii kinetycznej , czyli różnicy energii : WT= Ek0- Ek1.
Zadanie 1.1.2.S Siły i momenty sił.
Wyznacz wartość siły tarcia i momentu tej siły MT powodującej zatrzymanie koła szlifierki
dla obciążenia Q=10N. Wyznacz prędkość kątową ruchu obrotowego tuż przed
hamowaniem oraz czas do całkowitego zatrzymania koła th. Wykonanie: (przejście do
( ? –pomoc) Jeśli działa stała siła tarcia T na punkty koła w odległości R od środka obrotu to na koło działa
moment siły MT=RxT (iloczyn wektorowy R i T). Ponieważ wektory R i T są do siebie
prostopadłe moment siły ma wartość MT=RT [1]. Moment siły tarcia działa na obracające się
18
koło o momencie bezwładności I powodując zmniejszenie prędkości z przyspieszeniem
kątowym ε zgodnie z drugą zasadą dynamiki dla ruchu obrotowego: MT=εI [2].
Z drugiej strony wiadomo, że prędkość kątowa będzie malała do zera po czasie th zgodnie z
zależnością:
ω0-εth=0 [3]. Po określeniu wartości th, R, ω0, I z trzech zależności [1,2,3]
można wyznaczyć wartość siły tarcia T.
Zadanie 1.1.3.S Droga, prędkość i przyspieszenie w ruchu obrotowym.
Wyznacz prędkość kątową ruchu obrotowego tuż przed hamowaniem oraz czas do
całkowitego zatrzymania koła th dla dwóch różnych obciążeń Q szczęki hamującej. Oblicz
drogę jaką pokonają punkty na obwodzie koła do chwili zatrzymania.
Wykonanie: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
( ? –pomoc) W ruchu jednostajnie opóźnionym punkty na obwodzie koła poruszają się z prędkością :
V(t)=V0-at pokonując drogę s(t)=V0t-at2/2.
Gdzie : V0 - prędkość początkowa, a-przyspieszenie.
Po czasie hamowania th V(th)=V0-ath=0 , dlatego s(th)=V0th-ath2/2.
Znając V0=ω0R, oraz th można wyznaczyć przyspieszenie a oraz s(th).
19
1.2. Ruch Falowy.
Ruch falowy
a/ Menu główne:
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Opis 1
Przebieg
Doświadczenia
opis działań
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Opis 2
Zadanie n
Uwagi
bezpieczeństwa
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedź
dla
studentów
odpowiedź
na TAK lub NIE
dla uczniów
20
„Ruch falowy”
Informacje ogólne
Zadania
Wiatr wzbudza fale na wodzie, mówiąc generujemy falę dźwiękową, widzimy, bo odbieramy
fale elektromagnetyczne. Wszystkie te zjawiska to fale, czyli rozchodzące się w przestrzeni
drgania atomów lub rozchodzące się w przestrzeni drgania wartości wektorów pola
elektrycznego i magnetycznego. Wszystkie fale można opisać za pomocą funkcji sinus lub/i
cosinus
Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów 1.2.1 ; 1.2.2 i 1.2.3 z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje
uruchomienie aplikacji.
1.2.1-klip Fala na wodzie. Film przedstawiający falę na wodzie. Na film nałożona grafika: długość
fali, prędkość, amplituda. W czasie poruszania się fali wektory podążają za falą. Dwa zdania
wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna.
Opis filmu: Fala w akwarium w Hewelianum.
Czas trwania filmu: około 15s.
Rys.1.2.1 Fala na wodzie - graficzne przedstawienie ruchu.
ω
λ
V
V
V
K
Podpis do rys.1.2.1
Wrzucony kamień do wody lub wiatr może spowodować powstanie fali na wodzie, która w
przekroju przypomina sinusoidę. Taka fala porusza się z pewną prędkością V, ma pewną
długość λ i częstotliwość f przy czym f=V/ λ.
Warto podkreślić, że na wodzie z prędkością V porusza się fala, czyli punkty sinusoidy
opisującej powierzchnię wody. Cząsteczki wody przy powierzchni poruszają się po okręgu, co
można zobaczyć obserwując pływający korek K.
21
1.2.3-klip Fala stojąca.
Klip 10-15 sekundowy przedstawiający kamerton i półotwartą rurę. Po uderzeniu w kamerton
słychać dźwięk kamertonu. Po przysunięciu do rury następuje wzmocnienie dźwięku. Stopklatka z
nałożoną grafiką: fala stojąca z długością, strzałką i węzłem. Dwa zdania wyjaśniające.
Przykład filmu: typowe doświadczenie kamerton-słup powietrza w cylindrze.
Czas trwania filmu:8s. Następnie stopklatka.
Rys.1.2.3. Stopklatka dla rury: model/grafika fali stojącej w rurze.
Kamerton
Fala biegnąca
Strzałka
Węzeł
Fala odbita
Strzałka
Węzeł
Podpis do rys.1.2.3
Interferencja jest to zjawisko powstawania nowego, przestrzennego rozkładu amplitudy fali
w wyniku nakładania się dwóch lub więcej fal. Dwie identyczne fale poruszające się
naprzeciw siebie nakładają się i w wyniku interferencji może powstać fala stojąca. W tym
doświadczeniu, dźwięk z kamertonu porusza się w rurze w dół i odbija się od dna. W efekcie
mamy poruszające się naprzeciw siebie dwie fale o identycznych częstotliwościach i
podobnych amplitudach. Przy pewnych częstotliwościach nastąpi zjawisko interferencji i
powstaje fala stojąca. W takiej "nieruchomej" fali obserwujemy obszary o maksymalnej
amplitudzie drgań ośrodka (strzałki fali) i miejsca gdzie nie ma drgań ośrodka (węzły fali). W
chwili powstania fali stojącej natężenie dźwięku rośnie. Mówimy, że w takim przypadku
następuje rezonans.
22
Uwaga: System sterowania parametrami generatora może być wykonany na dwa sposoby:
a/ Generator mocy o stałej amplitudzie sygnału wyjściowego. Regulacja częstotliwości w
zakresie 50-1200Hz za pomocą pokrętła generatora.
b/ Generator programowy, czyli panel generatora na monitorze z możliwością regulacji
częstotliwości. Sygnał z wyjścia analogowego, np. z karty dźwiękowej, podawany jest przez
wzmacniacz do głośnika.
Ruch falowy – fala stojąca.
W doświadczeniu głośnik generuje dźwięk o określonej częstotliwości f. Wytworzona fala
porusza się w rurze o długości L i odbija się od tłoka T. W efekcie w rurze mamy dwie fale o
tej samej częstotliwości, ale biegnące naprzeciw siebie. Obie fala nakładają się i przy
odpowiednich częstotliwościach wynikiem nakładania jest fala stojąca. O jej powstaniu
świadczy wzrost głośności dźwięku oraz ….zaburzenia warstwy wody na dnie rury. Tam gdzie
woda „burzy” się najbardziej powietrze drga z maksymalną amplitudą. Te punkty fali
stojącej nazywamy strzałką.
1.Włącz generator G.
2.Zmieniając gałką generatora częstotliwość dźwięku w zakresie 200Hz do 2000Hz
doprowadź do powstania fal stojących. Wyznacz częstotliwości i długości fal stojących.
Klasyczny pulpit do odtwarzania nagrań z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na
odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia. Na tym poziomie menu 15 sek. film
pokazujący: zmianę częstotliwości, znalezienie fali stojącej. Stopklatka z opisem poszczególnych
elementów: rura rezonansowa, głośnik, generator, regulacja częstotliwości f , tłok, woda. Na
stopklatkę za pomocą przycisków funkcyjnych można nałożyć grafikę długości fali, strzałki i węzły,
prędkości , przyspieszenie.
Rys. 1.2.b1 Odtwarzacz. Szkic ekranu ze stopklatką.
23
Legenda:
Strzałka fali stojącej
Węzeł fali stojącej
Q=
Częstotliwość
fali f=V/2λst
λst-długość fali stojącej
G
T
Q
Fontana wody = strzałka fali stojącej
Woda
λst
S
W
f
Pod przyciskami funkcyjnymi legenda – opis przycisków. Naciśnięcie przycisku powoduje pojawienie
się odpowiedniego wektora/informacji. Legenda:
W- węzeł fali stojącej;
S- strzałka fali stojącej;
λst- długość fali stojącej;
f-częstotliwość fali;
1.2.b2. Okno generatora w przypadku zastosowania generatora programowego.
Generator :
częstotliwość dźwięku
234 Hz
Włącznik
1.2.b3 Okno uwag:
Uwaga: Częstotliwość należy zmieniać powoli.
24
1.2.b Drugi poziom menu Zadania
Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów (N). Do zadań
dla studentów można przejść za pomocą przycisku
Studenci
1.2.b N. Poziom : Zadania dla uczniów
1.2.1.N
Czy jeśli fala wyemitowana z głośnika z prędkością V wraca po dobiciu po czasie t, to droga
jaką pokonuje fala jest równa s=Vt ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Tak . Droga pokonana przez falę s=Vt. Zmierz długość rury i oblicz czas potrzebny do
pokonania drogi : głośnik-tłok-głośnik fali dźwiękowej poruszającej się z prędkością
V=340m/s.
wybór NIE.
Prawdą jest jednak, że drogę pokonaną przez falę można obliczyć ze znanego wzoru s=Vt.
Zmierz długość rury i oblicz czas potrzebny do pokonania drogi : głośnik-tłok-głośnik fali
dźwiękowej poruszającej się z prędkością V=340m/s.
1.2.2.N Czy w instrumentach muzycznych powstaje fala stojąca ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Odpowiedź prawidłowa. W instrumentach z reguły powstaje fala stojąca wewnątrz
instrumentu lub na strunie. Dzięki temu instrument jest głośniejszy, a jego kształt określa ton
i barwę dźwięku. Sprawdź, czy rzeczywiście wzbudzając falę stojącą w rurze powodujemy, że
rura „gra”. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
wybór NIE.
Wybór „nie” jest błędem. W instrumentach z reguły powstaje fala stojąca wewnątrz
instrumentu lub na strunie. Dzięki temu instrument jest głośniejszy, a jego kształt określa ton
i barwę dźwięku. Sprawdź, czy rzeczywiście wzbudzając falę stojącą w rurze powodujemy, że
rura „gra”. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
1.3.3.N Czy jest jakiś związek między częstotliwością, prędkością i długością fali stojącej?
Tak
Nie
wybór TAK.
25
Jest. Prędkość fali V , częstotliwość fst i długość fali stojącej λst są powiązane zależnością:
fst=V/2 λst . Zmierz częstotliwość fst i długość fali stojącej λst oraz oblicz prędkość fali. Jeśli
wynikiem będzie około 340m/s to znaczy , że zależność jest prawdziwa. (przejście do
Wybór Nie
Jednak jest. Prędkość fali V , częstotliwość fst i długość fali stojącej λst są powiązane
zależnością:
fst=V /2λst . Zmierz częstotliwość fst i długość fali stojącej λst oraz oblicz prędkość fali. Jeśli
wynikiem będzie około 340m/s to znaczy , że zależność jest prawdziwa. (przejście do
1.2.1 S. Poziom : Zadania dla studentów
Zadanie 1.1.1.S Fala stojąca w rurze o stałej długości.
Zbadaj przynajmniej trzy fale stojące w rurze dla długości L= 1m. Wyznacz częstotliwość fst
i długość fali stojącej λst . Oblicz prędkość fali dźwiękowej w powietrzu. Wykonanie:
(przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
( ? –pomoc) Prędkość fali V , częstotliwość fst i długość fali stojącej λst są powiązane zależnością:
fst=V/2λst . Dla każdej z fal stojących oblicz prędkość i wyznacz jej wartość średnią.
Zadanie 1.2.2.S Fala stojąca w rurze o zmiennej długości.
Wyznacz przynajmniej trzy położenia tłoka, dla którego przy częstotliwości dźwięku
f=500Hz powstaje fala stojąca. Oblicz prędkość fali dźwiękowej w powietrzu. Wykonanie:
( ? –pomoc) Odległość między najbliższymi położeniami tłoka, przy których powstaje fala stojąca jest
długością fali stojącej. Prędkość fali V , częstotliwość fst i długość fali stojącej λst są
powiązane zależnością: fst=V/2λst .
Zadanie 1.3.3.S Odpowiedz na pytania:
a/Czy iloczyn fst2λst jest stały dla różnych fal stojących wygenerowanych w doświadczeniu?
b/Czy cząsteczki powietrza drgają z maksymalną amplitudą przy powierzchni tłoka ?
c/Jaka jest prędkość fali stojącej ?
Przypatrz się doświadczeniu: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
( ? –pomoc) a/ Tak ponieważ jest równy prędkości fali. Prędkość dźwięku w powietrzu nie zależy od
częstotliwości.
b/ Nie. W przypadku powstania fali stojącej cząsteczki powietrza nie poruszają się przy
powierzchni tłoka. Przy powierzchni odbijającej falę zawsze powstaje węzeł fali stojącej.
26
c/ Jak fala jest stojąca to jej prędkość jest równa....zero. Falę stojącą zawsze można
rozpatrywać jako nałożenie dwóch fal biegnących naprzeciw siebie o prędkości V.
27
1.3. Ruch po równi, po okręgu i harmoniczny
Równia pochyła
Ruch po okręgu
Wahadło matematyczne
0/ Menu zerowe
a/ Menu główne:
Ruch po okręgu
Równia pochyła
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Zadania
Wahadło
matematyczne
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Opis 1
Przebieg
Doświadczenia
opis dziłań
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Opis 2
Zadanie n
Uwagi
bezpieczeństwa
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedz
dla
studentów
odpowiedz
na TAK lub NIE
dla uczniów
28
1.3.a Menu główne „Ruch po równi pochyłej”
Informacje ogólne
Zadania
Założenie: Ćwiczenie polega na rejestracji kamerą doświadczenia
1.3.a1 Drugi poziom menu:
Informacje ogólne
W codziennym życiu i technice mamy wiele przykładów ruchu po równi pochyłej.
1.3.1-klip Statyka na równi pochyłej. Film przedstawiający ciężarówkę – wywrotkę
podnoszącą skrzynię wyładowczą i zrzucającą hałdę piasku. Natychmiastowa powtórka filmu
ze stopklatką w momencie tuż przed zsunięciem się ładunku. Na stopklatkę nałożona grafika
– zarys równi i ładunku oraz działające siły. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z
zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna.
Przykład filmu: http://www.youtube.com/watch?v=w3U41-OEU-8&feature=related
Czas trwania filmu:20s Stopklatka: w 12 sekundzie.
Czas trwania całości:40s.
Rys.1.3.1a Stopklatka – podstawa do graficznego przedstawienia sytuacji.
Sekwencja zdarzeń po stop klatce:
1.czas 0s stopklatka
2, czas +2s pojawia się równia z h i α ; oś X i Y z opisem słownym
3, czas +2s pojawia się obraz ładunku-piasku z środkiem masy i masą m
4, czas +2s pojawia się tło
5, czas +2s pojawia się wektor siły Q – ciągła linia
6. czas +2s pojawiają się wektory F i N składowe siły Q; Q –przerywana linia; F + N =Q
7. czas +2s pojawiają się wektory T i R; F + N +T +R=0
29
Rys.1.3.1a.Efekt końcowy przejścia z obrazu rzeczywistego na grafikę
oś
Y
m
h
Siła tarcia
Siła nacisku
-T
N
R-siła reakcji
F-składowa siły Q
Q siła
ciężkości
αmax
Oś
X
F + N =Q
F + N +T +R=0
Podpis do rys.1.3.1b
Na piasek w pochyłej skrzyni ciężarówki działa siła ciężkości Q,, siła tarcia T i siła reakcji
podłoża R. W wyniku podnoszenia skrzyni zwiększa się kąt α nachylenia powierzchni skrzyni
względem poziomu. Zgodnie pierwszą zasadą dynamiki Newtona do momentu, gdy
wypadkowa sił jest równa zero Q+T+R=0 ładunek się nie zsunie. Jednak, gdy przekroczony
zostanie pewien kąt krytyczny αmax, wpływ siły ciężkości przeważy nad siłą tarcia i nastąpi
zsunięcie ładunku. Rysunek przedstawia wywrotkę w stanie krytycznym dla ładunku, czyli tuż
przed zsunięciem.
1.3.3.klip Ruch obrotowy po równi.
Film przedstawiający staczające się koło samochodowe ze zbocza. Ujęcie lekko pod kątem
do osi. Koniec filmu – stopklatka. Na stopklatkę nałożona grafika – zarys równi i ciała oraz
działające siły. Dwa zdania wyjaśniające.
Przykład: http://www.youtube.com/watch?v=nb6fXDWW268
Czas: 5-10s.
30
Rys 1.3.3 Stopklatka koła- obraz podstawa do graficznego przedstawienia sytuacji.
Sekwencja zdarzeń po stop klatce- idea identyczna jak w klipie 1,3,1 i zgodna z zasadami fizyki
1.czas 0s
2, czas +2s pojawia się równia z h i α oraz oś X i Y
3, czas +2s pojawia się obraz koła z środkiem masy m
4, czas+2s tło
5, czas +2s pojawia się wektor siły Q – ciągła linia
6. czas +2s pojawiają się wektory F i N składowe siły Q; Q –przerywana linia; F + N =Q
7. czas +2s pojawiają się wektory T i R; oraz F>T to F-T=ma
8. czas +2s pojawia si ę wektor a , V i ω
Podpis pod grafiką 1.3.3:
Koło się stacza się po zboczu (równi pochyłej), ponieważ składowa F siły ciężkości Q „ściąga”
je na dół. Siła tarcia T przeciwdziała zsuwaniu się koła, ale jednocześnie ta sama siła tarcia
powoduje obrót koła wokół osi. Podczas toczenia siła tarcia zapewnia, że powierzchnie równi
i obracającego koła w punkcie styku nie przesuwają się względem siebie - nie ma poślizgu. W
takim przypadku koło porusza się ruchem postępowym jednostajnie przyspieszonym i
jednocześnie ruchem obrotowym jednostajnie przyspieszonym.
Toczenie następuje przy spokojnej jeździe samochodem. Podczas gwałtownego
przyspieszania (tzw. palenia gumy) lub hamowania mamy ruch z poślizgiem.
31
Ruch po równi pochyłej z tarciem.
W celu wykonania badań ruchu na równi pochyłej należy:
1. Ustawić pożądany kąt równi, (odkręcić śrubę mocującą i po ustawieniu zablokować układ).
2. Ustawić kamerę tak, aby rejestrowała obraz całej równi.
3. Rozpocząć rejestrację.
4. Spokojnie położyć na szczycie równi badany obiekt i puścić.
5. Po zakończeniu ruchu zatrzymać rejestrację.
Klasyczny pulpit do odtwarzania nagrań z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na tym
poziomie na ekranie cały czas wyświetla się obraz z kamery. Po rejestracji ruchu, program przelicza
parametry ruchu : siły, prędkości, przyspieszenia co umożliwi pokazanie ich wartości i wektorów w
dowolnym miejscu i czasie ruchu. Idea działania jest taka sama jak 1.3.1 jednak poszczególne
wielkości fizyczne pojawiają się na żądanie i są rzeczywistymi wynikami obliczonymi dla aktualnej
pozycji obiektu. W legendzie pojawiają się wartości rzeczywiste α,Q,F,N,R,T,V,a. Wektory Q,F,N,R,T i
ich wartości pojawiają się na odtwarzaczu i w legendzie 1 z chwilą zatrzymania obrazu w dowolnym
czasie. Klawisze funkcyjne pozwalają na wyłączanie i włączanie poszczególnych grafik. W czasie ruchu
obiektu pokazywana jest droga, prędkość i przyspieszenie.
1.3.b1. Okno odtwarzacza z grafiką.
oś Y
Legenda:
R-siła reakcji podłoża
Q=
siła tarcia
T
s- droga
a-przyspieszenie
F-składowa Q wzdłuż równi
Legenda1:
α= 320……
Q=
F=
N=
R=
T=
V=
a=
V-prędkość
oś X
siła nacisku N
Q- siła ciężkości
α,X,Y
α
Q
Q
F N
TR
a
V
32
Pod przyciskami funkcyjnymi legenda2 – opis przycisków.
α, – kąt równi;
X,Y – osie układu współrzędnych
Q- siała ciężkości/siła nacisku;
N,F – składowe wektora Q;
R- siła reakcji podłoża;
T- siła tarcia;
a-wektor przyspieszenia;
1.1.b2 Okno uwag:
Uwaga: Z kamerą, piłką i klockiem należy postępować delikatnie. Po zakończeniu
doświadczenia piłkę i klocek umieść w przeznaczonym miejscu.
.
33
1.3.c Drugi poziom menu Zadania
Studenci
1.3. N. Poziom : Zadania dla uczniów
1.3.1.N Czy z każdej ośnieżonej górki jest możliwy zjazd na sankach?
Tak
Nie
wybór TAK.
Niestety nie z każdej. Wykonaj doświadczenie: Ustaw równię poziomo. Połóż klocek na końcu
równi. Delikatnie zwiększaj kąt równi do momentu kiedy klocek zacznie się zsuwać. (przejście
do poziom menu Przebieg Doświadczenia)
Na klocek działają siły tarcia, które dla małym nachyleniu równi powstrzymują ruch.
Podobnie jest z sankami. Aby sanki zsunęły się z górki składowa siły ciężkości działająca
wzdłuż zbocza (równi) musi być większa od siły tarcia. Dlatego dopiero przy odpowiednio
dużym nachyleniu stoku można cieszyć się zjazdem.
wybór NIE.
Racja: nie z każdej. Wykonaj doświadczenie potwierdzające odpowiedź: Ustaw równię
poziomo. Połóż klocek na końcu równi. Delikatnie zwiększaj kąt równi do momentu kiedy
klocek zacznie się zsuwać. (przejście do poziom menu Przebieg Doświadczenia)
Na klocek działają siły tarcia, które przy małym nachyleniu równi powstrzymują ruch.
Podobnie jest z sankami. Aby sanki zsunęły się z górki, składowa siły ciężkości działająca
wzdłuż zbocza (równi) musi być większa od siły tarcia. Dlatego dopiero przy odpowiednio
dużym nachyleniu stoku można cieszyć się zjazdem.
1.3.2.N Czy, jeśli klocek położony na równię nie porusza się, to oznacza, że nie działają na
niego żadne siły ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Jednak nie. Pierwsza Zasada Dynamiki Newtona mówi, że jeśli siły działające na ciało się
równoważą to ciało nie porusza się lub porusza się ruchem jednostajnym. W doświadczeniu
mamy nieruchomy klocek względem równi, na który działają trzy siły: siła ciężkości, tarcia i
reakcji podłoża. Prawdą jest, że te siły się równoważą (wypadkowa siła jest równa zero) i
dlatego klocek jest w spoczynku.
wybór NIE.
34
Prawda. W doświadczeniu mamy nieruchomy klocek względem równi, na który działają trzy
siły: siła ciężkości, tarcia i reakcji podłoża. Prawdą jest, że te siły się równoważą (
wypadkowa siła jest równa zero) i dlatego klocek jest w spoczynku.
1.3.3.N Czy zjeżdżając z góry rowerem bez pedałowania (na luzie) prędkość końcowa
zależy od wysokości punktu startu ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Prawda. Im wyżej jest punkt startu tym większą energię potencjalną grawitacji posiadamy
względem mety (podnóża góry). W czasie swobodnego zjazdu energia potencjalna zamienia
się na energię kinetyczną, co wyraża się zwiększeniem prędkości. Dlatego prędkość końcowa
jest tym większa, im wyżej znajduje się punkt startu. Uwaga: ta zależność jest prawdziwa
tylko do chwili, gdy rosnące z prędkością opory powietrza nie zrównoważą składowej siły
ciężkości.
Warto sprawdzić odpowiedź: Ustaw równię pod kątem 300. Ustaw klocek na szczycie równi i
puść. Zarejestruj ruch i wyznacz prędkość końcową. Powtórz doświadczenie ustawiając klocek
np. w połowie równi. (przejście do poziom menu Przebieg Doświadczenia)
Wybór Nie
Jednak prawda. Prędkość na końcu zjazdu zależy od wysokości startu. Im wyżej jest punkt
startu tym większą energię potencjalną grawitacji posiadamy względem mety (podnóża
góry). W czasie swobodnego zjazdu energia potencjalna zamienia się na energię kinetyczną
co wyraża się zwiększeniem prędkości. Dlatego prędkość końcowa jest zwiększa się im wyżej
startujemy. Uwaga: ta zależność jest prawdziwa tylko do chwili, gdy rosnące z prędkością
opory powietrza nie zrównoważą składowej siły ciężkości.
Doświadczenie sprawdzające : Ustaw równię pod kątem 300 . Ustaw klocek na szczycie równi
i puść. Zarejestruj ruch i wyznacz prędkość końcową. Powtórz doświadczenie ustawiając
klocek np. w połowie równi. (przejście do poziom menu Przebieg Doświadczenia)
1.3.4.N Beczka o masie m stacza się z pochyłej rampy o wysokości h. Czy cała energia
potencjalna zamieni się na energię kinetyczną ruchu postępowego?
Tak
Nie
wybór TAK.
Nie. Energia potencjalna Ep=mgh zamieni się na końcu równi na energię ruchu postępowego
Ekp=mV2/2 i na energię ruchu obrotowego Eko. Dlatego energia potencjalna Ep będzie zawsze
większa od energii kinetycznej ruchu postępowego Ekp. Oznacza to, że gh>V2/2.
Rozumowanie jest prawdziwe dla wszystkich toczących się ciał.
Przeprowadź doświadczenie: Ustaw piłkę tenisową na szczycie równi i puść. Zarejestruj ruch i
wyznacz wysokość równi h oraz prędkość końcową V. Policz, czy dla g=10m/s 2 gh> V2/2 .
(przejście do poziom menu Przebieg Doświadczenia)
35
wybór NIE.
Rzeczywiście cała energia potencjalna nie zamieni się na energię kinetyczną ruchu
postępowego.
Energia potencjalna Ep=mgh zamieni się na końcu równi na energię ruchu postępowego
Ekp=mV2/2 i na energię ruchu obrotowego Eko. Dlatego energia potencjalna Ep będzie zawsze
większa od energii kinetycznej ruchu postępowego Ekp. Oznacza to, że gh> V2/2 .
Rozumowanie jest prawdziwe dla wszystkich toczących się ciał.
Przeprowadź doświadczenie: Ustaw piłkę tenisową na szczycie równi i puść. Zarejestruj ruch i
wyznacz wysokość równi h oraz prędkość końcową V. Policz, czy dla g=10m/s2 gh> V2/2
Zadanie 1.3.1.S Wyznaczenie współczynnika tarcia statycznego za pomocą równi pochyłej.
Wykonaj i zarejestruj doświadczenie: Ustaw równię poziomo. Połóż klocek na końcu równi.
Delikatnie zwiększaj kąt równi do momentu kiedy klocek zacznie się zsuwać. Odczytaj kąt i
oblicz współczynnik tarcia statycznego . Wykonanie: (skrót do Przebieg badań.)
( ? –pomoc) W każdym momencie na ładunek działa siła ciężkości Q=mg. Ten wektor można zastąpić
dwoma wzajemnie prostopadłymi wektorami: siłą nacisku ładunku na powierzchnię równi
N=Q cosα i siłą działającą wzdłuż powierzchni równi F= Q sinα. Ładunek się nie zsunie dopóki
siła tarcia T będzie równoważyła siłę F. Podczas zwiększania kąta nachylenia α wzrasta siła
F i równocześnie siła tarcia T. Tak się dzieje do momentu, gdy siła tarcia osiągnie swoją
maksymalną wartość Tmax.=µ N, gdzie - µ to współczynnik tarcia statycznego, N- siła nacisku
na powierzchnię trącą.
W tym krytycznym stanie Tmax.=F, czyli µN = µQ cosαmax = Q sinαmax. Z tego równania można
wyznaczyć współczynnik tarcia statycznego znając wartość największego kąta równi, przy
którym ładunek jeszcze się nie zsuwa.
Zadanie 1.3.2.S Dynamika ruchu postępowego na równi.
1. Wykonaj i zarejestruj ruch klocka K o masie m po równi pochyłej o kącie nachylenia
α=45o.
Wykonanie: (skrót do Przebieg badań.)
2.Zmierz czas ruchu wykorzystując nagranie i drogę ruchu (miarką) oraz wyznacz
przyspieszenie ruchu po równi.
(? –pomoc) Droga w ruchu jednostajnie przyspieszonym , przy prędkości początkowej równej
zero wynosi: S(t)= at2/2. (skrót do Przebieg badań.)
3.Oblicz składową siły ciężkości Q działającą wzdłuż równi F i składową do niej prostopadłą
N. (? –pomoc).
Wykorzystaj opcje programu lub funkcję sinα i cosα.
4.Oblicz przyspieszenie ruchu wzdłuż równi i porównaj do wartości doświadczalnej-pkt.2.
Co może oznaczać, że wartości przyspieszeń są różne? (? –pomoc)
36
Trzeba pamiętać, że pomiary wykonane są z pewną dokładnością. Niepewność pomiaru i
błędy są przyczyną różnic między wartością zmierzoną a teoretyczną.
5.Zmierz zmianę wysokości, jaką pokonuje klocek K i oblicz prędkość końcową V k klocka
(tuż przed uderzeniem w ogranicznik). Porównaj wynik z rzeczywistym pomiarem i oblicz
energię straconą podczas ruchu oraz siłę tarcia. ( ? –pomoc)
W idealnym przypadku, gdy tarcie nie występuje, można zastosować prawo zachowania
energii mechanicznej podczas ruchu. Oznacza to, że energia całkowita Ec , czyli suma energii
kinetycznej Ek i potencjalnej Ep podczas ruchu nie zmienia się. Podczas ruchu klocka energia
potencjalna Ep zamienia się w energię kinetyczną Ek.
W chwili startu energia całkowita jest równa energii potencjalnej Ec=Ep=mgh, gdzie: mmasa obiektu, g-przyspieszenie ziemskie; h-zmiana wysokości klocka podczas ruchu.
Na końcu równi cała energia potencjalna zamieniła się na energię kinetyczną: Ec= Ek =mV2/2.
Dlatego można napisać: Ec =mV2/2=mgh.
W przypadku ruchu z tarciem, siła tarcia wykonuje pracę i ta energia jest stracona. Dlatego w
bilansie energii musi się pojawić czynnik W=Ts, gdzie s droga, na której działa stała siła
tarcia T.
Na szczycie równi mamy : Ec=Ep=mgh Natomiast na końcu równi W+Ek = Ts+ mV2/2.
Dlatego tym razem bilans energii ma postać: Ts+ mV2/2=mgh.
Zadanie 1.3.3.S Dynamika ruchu obrotowego na równi.
1.Zarejestruj ruch piłki tenisowej o masie m po równi pochyłej o kącie nachylenia α=30o.
2.Zmierz czas ruchu (nagranie) i drogę ruchu (miarka) oraz wyznacz przyspieszenie
toczącej się piłki po równi.
(? –pomoc) Droga w ruchu jednostajnie przyspieszonym, przy prędkości początkowej równej
zero wynosi: S(t)= at2/2.
3.Oblicz składową siły ciężkości Q działającą wzdłuż równi F i wyznacz wartość siły tarcia
T. (? –pomoc). Wykorzystaj opcje programu lub funkcję sin α, wartość przyspieszenia a i
następnie wykorzystaj II zasadę dynamiki dla ruchu wzdłuż równi.
4.Wyznacz prędkość końcową ruchu postępowego piłki oraz oblicz prędkość kątową ruchu
obrotowego w tym momencie. (? –pomoc) Wykorzystaj opcje programu oraz fakt, że przy
toczeniu prędkość liniowa V punktów piłki dotykających równi (na obwodzie) jest równa
prędkości liniowej środka masy piłki V. Jeśli zmierzysz promień piłki R to można wykorzystać
wzór: V=ωR.
5.Oblicz energię kinetyczną ruchu postępowego i obrotowego piłki na końcu równi. Czy
całkowita energia kinetyczna jest równa zmianie energii potencjalnej ? (? –pomoc).
Wykorzystaj opcje programu. Jeśli energia kinetyczna nie będzie równa zmianie energii
potencjalnej to nie oznacza, że zasada zachowania energii nie działa. Trzeba pamiętać o
ograniczonej dokładności pomiarów.
37
1.4 Ruch po okręgu
Równia pochyła
Ruch po okręgu
0/ Menu zerowe
a/ Menu główne:
Równia pochyla
Ruch po okręgu
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Zadania
Wahadło
matematyczne
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Opis 1
Przebieg
Doświadczenia
opis dziłań
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Opis 2
Zadanie n
Uwagi
bezpieczeństwa
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedz
dla
studentów
odpowiedz
na TAK lub NIE
dla uczniów
38
1.4.a Menu główne Ruch po okręgu
Informacje ogólne
Zadania
1.4.a1 Drugi poziom menu:
Informacje ogólne
Ruchem jednostajnym po okręgu poruszają się mikroobiekty (np. elektrony), duże obiekty (np.
koła zegarów) i obiekty w skali makro (np. planety). Przyczyną takiego ruchu zawsze jest
działanie stałej siły prostopadłej do prędkości ciała.
1.4.1-klip Satelita komunikacyjny na orbicie geostacjonarnej. Animacja przedstawiający
satelitę na orbicie geostacjonarnej. Na obrazie grafika sił i prędkości w ciągłym ruchu. Dwa
zdania wyjaśniające.
Założenia dla animacji 1.4.1:
1.Plan ogólny: rzut na Ziemię z osi obrotu-zdjęcie z kosmosu północnej półkuli.
2.Satelita w odległości proporcjonalnej do promienia Ziemi-orbita. Rozmiar satelitywidoczny bez konieczności zachowywania skali.
3.Satelita obraca się wokół Ziemi. Ziemia obraca się z tą sama prędkością kątową np. 1obrót
w ciągu 5-7s. Od strony satelity na powierzchni Ziemi czasza anteny TV.
4.idoczne wektory sił do Satelity i Ziemi oraz prędkości satelity.
Przykład filmu: http://pl.wikipedia.org/wiki/Orbita_geostacjonarna
Czas trwania pełnego obiegu satelity: ok.10s
Czas trwania całości: powtarzalna sekwencja do momentu wyłączenia.
1.4.1. Odtwarzacz. Szkic. Satelita geostacjonarny.
RSatelita-Ziemia
FSiła grawitacji
39
Opis do rys.1.4.1.
Orbita geostacjonarna to orbita okołoziemska, która zapewnia krążącemu po niej satelicie
zachowanie stałej pozycji nad wybranym punktem równika Ziemi. Orbita geostacjonarna jest
orbitą kołową zawartą w płaszczyźnie równika. Przebiega na wysokości RZ-S= 42 160 km od
środka Ziemi. Prędkość ciała na orbicie geostacjonarnej wynosi około V=3,08 km/s, a czas
okrążenia przez niego Ziemi jest równy 23 godziny 56 minut i 4 sekundy, czyli dokładnie tyle,
ile trwa doba gwiazdowa. http://pl.wikipedia.org/wiki/Orbita_geostacjonarna
1.4.2-klip Wiadro z wodą w ruchu po okręgu. Film/klip przedstawiający (widok z góry)
poruszające się po okręgu wiadro z wodą na lince. Na obrazie grafika sił i prędkości w
ciągłym ruchu. Dwa zdania wyjaśniające.
Fd –siła dośrodkowa
Przyspieszenie a
V -prędkość
Podpis rys 1.4.2.a–punkt widzenia obserwatora w laboratorium:
Z punktu widzenia obserwatora patrzącego z boku na zdarzenie (układ laboratoryjny)
„operator” za pomocą linki przyciąga siłą Fr do siebie wiadro. Jest to siła dośrodkowa. W tym
doświadczeniu wektor siły dośrodkowej jest prostopadły do prędkości, dlatego wiadro
porusza się ruchem jednostajnym po okręgu. Oznacza to, że wartość prędkości V jest stała
(nie zmienia się) natomiast jej kierunek ciągle się zmienia pod wpływem siły Fr. Zgodnie z
drugą zasadą dynamiki, ponieważ działa siła Fr to wiadro o masie m jest przyspieszane
przyspieszeniem dośrodkowym ar.
40
1.4.b Drugi poziom menu:
Ruch po okręgu.
W celu wykonania badań ruchu po kręgu należy:
1.Za pomocą przycisku w oknie „Sterowanie silnikiem” włączyć silnik napędzający
zamocowaną na ramieniu kulkę.
2.Ustawić pożądaną prędkość obrotową np. 1obr/s.
3.Ustawić kamerę tak, aby rejestrowała obraz całego zjawiska.
4.Rozpocząć rejestrację, a po kilkunastu sekundach zakończyć rejestrację.
5.Wyznacz siłę dośrodkową, prędkość kątową.
tym poziomie ekranu cały czas wyświetla się obraz równi. Po rejestracji ruchu, program
przelicza parametry ruchu : siły, prędkość, przyspieszenie, co umożliwi ich pokazanie w
dowolnym miejscu i czasie ruchu. Idea działania jest taka sama jak 1.3.1, jednak
poszczególne wielkości fizyczne pojawiają się na żądanie i są rzeczywistymi wynikami
obliczonymi dla aktualnej pozycji obiektu. W legendzie 1 pojawiają się wartości rzeczywiste
Fr,r,V,ar a na odtwarzaczu odpowiednie wektory. Klawisze funkcyjne pozwalają na wyłączanie i
włączanie poszczególnych grafik.
1.4.b1: Odtwarzacz nagrania: Szkic rzeczywistego układu z grafiką.
Legenda1:
Legenda:
Q=
Fr- siła dośrodkowa
r=
m=
Fr=
ar=
v=
przyspieszenie dośrodkowe ar
Q
Fr
V - prędkość liniowa
r
ar
V
41
Pod przyciskami funkcyjnymi legenda –opis przycisków.
Fr - siła dośrodkowa;
r- promień działania siły tarcia;
ar -wektor przyspieszenia dośrodkowego;
Naciśnięcie przycisku powoduje pojawienie się odpowiedniego wektora/informacji. W oknie legendy
wewnętrznym pojawiają się wartości odpowiednich wielkości.
1.4.b2 .Sterowanie prędkością ruchu – program sterujący. D-IV.1.3;4;5
Silnik krokowy jest sterowany przez interfejs. Program powinien w oknie dialogowym
umożliwić włączenie silnika oraz ustawianie prędkości obrotowej układu (np.suwak, lub
przyciski) w zakresie 4 do 0,25 obr/s z jednoczesnym wyświetlaniem aktualnej wartości
prędkości. Ponadto program powinien automatycznie wyłączać silnik po czasie np. 1 minuty.
Rys.1.4.b2 Okno sterowania silnikiem napędzającym układ.
Włącznik
Prędkość obrotowa
3.4 obr/s
1.4.b2 Okno uwag:
Uwaga: Z kamerą i układem postępować delikatnie.
42
Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników. Do zadań dla studentów
można przejść za pomocą przycisku Studenci
1.4.1.N Dwa satelity krążą po różnych orbitach kołowych wokół Ziemi. Czy satelita krążący
na niższej orbicie porusza się szybciej od tego poruszającego się na wyższej orbicie ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Tak. Zmniejszenie promienia orbity spowoduje zwiększenie przyczyny ruchu, czyli siły
dośrodkowej (siły grawitacji). Należy spodziewać, że żeby utrzymać się na niższej orbicie
kołowej satelita musi mieć większą prędkość.
wybór NIE.
Zmniejszenie promienia orbity spowoduje zwiększenie przyczyny ruchu, czyli siły dośrodkowej
(siły grawitacji).Należy spodziewać, że żeby utrzymać się na niższej orbicie kołowej satelita
musi mieć większą prędkość.
1.4.2.N Czy, jeśli stwierdzimy, że siła powodująca ruch jest stała i działa zawsze prostopadle
do prędkości, to ciało porusza się po okręgu ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Tak, jeśli wektor siły i prędkości leżą na tej samej płaszczyźnie. Warto sprawdzić, czy ruch
kulki w naszym doświadczeniu jest jednostajny. Wykonaj doświadczenie i zobacz jakie
parametry opisują ruch tej kuli. Sprawdź, czy prędkość w kilku punktach toru ma taka samą
wartość. (przejście do poziom menu Przebieg Doświadczenia)
wybór NIE.
Jednak to prawda. Jeśli masz wątpliwości, czy ruch kulki w naszym doświadczeniu jest
jednostajny, wykonaj doświadczenie i zobacz jakie parametry opisują ruch tej kuli. Sprawdź,
czy prędkość w kilku punktach toru ma taka samą wartość. (przejście do poziom menu
Przebieg Doświadczenia)
1.4.3.N Czy, gdy zwiększymy prędkość obrotową w ruchu po okręgu to siła bezwładności
działająca na poruszające ciało się zmniejszy ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Odpowiedź nie jest dobra. Siła odśrodkowa bezwładności jest proporcjonalna do prędkości
podniesionej do kwadratu Fo( V2 ) .Dlatego siła wciskająca nas w fotel na karuzeli szybko
rośnie z prędkością.
43
Wybór Nie
Rzeczywiście, gdy prędkość rośnie siła bezwładności rośnie. Siła odśrodkowa bezwładności
jest proporcjonalna do prędkości podniesionej do kwadratu Fo( V2 ). Dlatego siła bezwładności
wciskająca nas w fotel na karuzeli szybko rośnie z prędkością.
Zadanie 1.4.1.S Weryfikacja hipotezy o ruchu po okręgu.
Z prostej analizy wynika, że na kulkę zawsze działa siła ciężkości. W ruchu po okręgu w
płaszczyźnie pionowej siła ciężkości powinna spowodować, że ruch nie powinien być
jednostajny. Sprawdź hipotezę, że w mimo to w tym doświadczeniu wpływ siły ciężkości jest
pomijalny. Dokładność wyznaczenia prędkości, czyli niepewność pomiaru wynosi ∆V/V=4%.
( ? –pomoc) – Trzeba wyznaczyć wartości prędkości w kilku punktach toru Vi (np. i=1,2,3…8) i
wyliczyć średnią wartość V. Następnie i ocenić, czy wyznaczone prędkości Vi w zakresie
określonym przez niepewność pomiaru: (V -∆V< Vi<V+∆V)
Zadanie 1.4.2.S Wyznaczenie parametrów ruchu po okręgu.
Wykonaj i zarejestruj doświadczenie: Dla prędkości obrotowej 2obr/s wyznacz prędkość
liniową i wartość siły dośrodkowej przy dwóch różnych długościach promienia wodzącego.
Np. R1=8cm i R2=16cm. Wykonanie: (skrót do Przebieg badań.)
( ? –pomoc) – Siłę bezwładności w ruchu po okręgu obliczamy: Fb=mV2/R.
Zadanie 1.4.3.S Prędkość kątowa.
Wykonaj i zarejestruj doświadczenie: Przy stałym promieniu R dla prędkości obrotowych 1, 2
i 4 obr/s wyznacz prędkość liniową, prędkość kątową i wartość siły odśrodkowej. Czy
zmierzona wartość ω jest równa oczekiwanej. Wykonanie: (skrót do Przebieg badań.)
( ? –pomoc) – V=ωR
44
1.5. Ruch harmoniczny. Wahadło matematyczne.
Równia pochyła
Ruch po okręgu
0/ Menu zerowe
a/ Menu główne:
Ruch po okręgu
Informacje ogólne
Zadania
Wahadło
matematyczne
Informacje ogólne
Zadania
Równia pochyła
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Opis 1
Przebieg
Doświadczenia
opis dziłań
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Opis 2
Zadanie n
Uwagi
bezpieczeństwa
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedź
dla
studentów
odpowiedź
na TAK lub NIE
dla uczniów
45
1.5. Menu główne „Wahadło matematyczne”
Informacje ogólne
Zadania i wnioski
1.5.b1 Drugi poziom menu: Informacje ogólne
Często obserwujemy ruch "tam i z powrotem". W taki sposób porusza się np. wahadło,
drgający most, drgające atomy i elektrony w wielu obwodach elektrycznych. W wielu
przypadkach jest to ruch harmoniczny, w którym zawsze występuje siła proporcjonalna do
odchylenia.
1.5.1-klip Wahadło Foucaulta na PG. Film/klip przedstawiający wahadło Foucaulta na PG.
Ujęcie ogólne całości i przejście do zbliżenia wahadła. Po 20 sekundach grafika siły ciężkości
wraz z rozkładem na składowe oraz siła naprężenia linki. Uwaga: składowa pozioma Q ulega
ciągłej zmianie. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie
poprawna.
Czas trwania filmu: minimum 40s.
1.5.1 Wahadło Foucaulta na PG: Stop klatka wraz z grafiką.
N
F
Q
1.5.1.Podpis pod rysunkiem.
Wahadło Foucaulta, czyli duża masa podwieszona na długiej lince i wytrącona z położenia
równowagi porusza się ruchem drgającym - harmonicznym. Wypadkowa siły ciężkości Q i siły
46
N naprężającej linkę, siła F jest przyczyną ruchu wahadłowego. Jej wartość jest
proporcjonalna do wychylenia wahadła.
Uwaga: Na wahadło działają jeszcze inne niewielkie siły bezwładności. Istnienie jednej z nich
jest dowodem na obracanie się Ziemi ... ale to już inna historia.
1.5.3-klip Ruch harmoniczny tłumiony. Film/klip do 15 sekund przedstawiający ruch
tłumiony spławika na wodzie. Powtórzenie filmu tylko w zwolnionym tempie i na nim
nałożona grafika oś X, siły ciężkości Q, wyporu W oraz mniejszy wektor siły oporu T. Uwaga:
siła wyporu ulega ciągłej zmianie. Zmiany siły tarcia w idei takie same jak składowej W. Dwa
zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna.
Czas trwania filmu: ok. 15s .Powtórzenie w zwolnionym tempie ok.30s. Dalej to powtórzenia
sekwencji.
1.5.3. Szkic grafiki spławika
W
T
F=Q+W
Q
Podpis 1.5.3
Pływające w wodzie ciała mogą drgać. Wystarczy zwiększyć ich zanurzenie i puścić. Na ciało
będzie działała siła ciężkości Q i siła wyporu W. Wypadkowa tych sił F=Q+W powoduje ruch
drgający harmoniczny. Jednak z powodu występowania dużych sił tarcia T ruch jest silnie
tłumiony i po pewnym czasie drganie zanika. Siła tarcia (oporu powietrza lub wody) zleży od
prędkości obiektu.
W wielu przypadkach taki ruch można nazwać ruchem harmonicznym tłumionym.
47
Ruch harmoniczny wahadła matematycznego.
W celu wykonania badań ruchu wahadła należy:
1. Ustawić kamerę tak, aby rejestrowała ruch kulki wahadła.
2. Odchylić kulkę od położenia równowagi o około 5 cm i puścić.
3. Rozpocząć rejestrację.
4. Po 15 sekundach zakończyć rejestrację.
Klasyczny pulpit do odtwarzania nagrań z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na tym
poziomie ekranu cały czas wyświetla się obraz wahadła. Po rejestracji ruchu, program przelicza
parametry ruchu: siły, prędkości, przyspieszenie co umożliwi pokazanie ich wartości i wektorów w
dowolnym miejscu i czasie ruchu. Idea działania jest taka sama jak 1.3.1 jednak poszczególne
wielkości fizyczne pojawiają się na żądanie i są rzeczywistymi wynikami obliczonymi dla aktualnej
pozycji obiektu.
1.5.1a.Odtwarzacz : Szkic rzeczywistej sytuacji wraz z grafiką.
Legenda 1:
Q=
N=
F=
x=
V=
a=
L=
Legenda:
Q=
N-siła naciągu
wypadkowa sił F
Q
wychylenie
x
Q-siła ciężkości
Q
F N
Lx
a
V
48
Pod przyciskami funkcyjnymi legenda 2 –opis przycisków.
N-siła naprężenia linki
F – wypadkowa siły Q i N
x-wychylenie
L- długość wahadła
a -wektor przyspieszenia
V-wektor prędkości liniowej
Naciśnięcie przycisku powoduje pojawienie się odpowiedniego wektora/informacji, a w oknie
legendy wewnętrznym wartości odpowiednich wielkości.
1.5.1b Okno uwag:
Uwaga: Z kamerą i wahadłem należy postępować delikatnie.
49
Studenci
1.5.1.N Czy serce wykonuje ruch drgający harmoniczny?
Tak
Nie
wybór TAK.
Nie. Owszem serce drga z częstotliwością około 1Hz jednak nie jest to ruch harmoniczny.
wybór NIE
Prawdą jest, że serce drga z częstotliwością około 1Hz jednak nie jest to ruch harmoniczny.
1.5.2.N Czy mały ciężarek wiszący na lince
harmoniczny?
można wprawić w ruch drgający Tak
Nie
wybór TAK.
Tak. Pod warunkiem, że będzie on drgał z małą amplitudą, czyli zostanie wychylony o
niewielki kąt. Dla pewności wykonaj doświadczenie: Zarejestruj ruch kulki wahadła i zobacz
czy siła działająca na kulkę zależy od wychylenia wahadła. Wyznacz okres i częstotliwość
drgań.
wybór NIE
Jednak można. Pod warunkiem, że będzie on drgał z małą amplitudą, czyli zostanie
wychylony o niewielki kąt. Dla pewności wykonaj doświadczenie: Zarejestruj ruch kulki
wahadła i zobacz czy siła działająca na kulkę zależy od wychylenia wahadła. Wyznacz okres i
częstotliwość drgań.
1.5.3.N Czy prędkość ruchu drgającego jest stała ?
Tak
Nie
wybór TAK.
To nie jest dobra odpowiedź. W ruchu drgającym prędkość zmienia wartość i kierunek. Aby
zobaczyć jak się zmienia V wykonaj doświadczenie: Zarejestruj ruch kulki i zobacz, czy siła
zależy od odchylenia wahadła. (przejście do poziom menu Przebieg Doświadczenia)
50
wybór NIE
Dobra odpowiedź. W ruchu drgającym prędkość zmienia wartość i kierunek. Aby zobaczyć jak
się zmienia V wykonaj doświadczenie: Zarejestruj ruch kulki i zobacz, czy siła zależy od
odchylenia wahadła. (przejście do poziom menu Przebieg Doświadczenia)
1.5.1.S Okres drgań.
Przy stałej długości wahadła wyznacz wartość okresu drgań dla trzech kątów wychylenia
układu: około 5o , 30o 80o. Czy zmierzona wartość T jest równa oczekiwanej. Wykonanie:
(skrót do Przebieg badań.)
( ? –pomoc) – Oczekiwana wartość to T wyliczona dla wahadła matematycznego.
1.5.2.S Przyspieszenie i prędkość.
Sprawdzić, czy maksymalna prędkość ruchu spełnia równanie Vmax=Aω. Wyznacz
przyspieszenie maksymalne i siły działające na kulkę, gdy posiada ona prędkość
maksymalną.
( ? –pomoc) – Opis ruchu harmonicznego - równanie ruchu to:
x: X(t)= A sin(ωt+ϕ)
X: V(t)= Aω cos(ωt+ϕ)
X: a(t)= -Aω2 sin(ωt+ϕ)
Trzeba wyznaczyć T i A oraz... pamiętać, że parametry ruchu wyznaczone są z ograniczoną
dokładnością. Względna niepewność pomiaru to ∆V/V=5% , ∆A/A=3% i ∆T/T=2%.
1.5.3.S Zależność okresu od długości.
Wyznacz parametry ruchu układu wahadła dla dwóch długości wahadła: l1=15cm i l2=30cm
i stałej amplitudy A=5cm. Sprawdź, czy nastąpiła oczekiwana zmiana okresu i
częstotliwości drgań.
( ? –pomoc) Oczekiwana wartość to T wyliczona dla wahadła matematycznego.
X: X(t)= A sin(ωt+ϕ)
X: V(t)= Aω cos(ωt+ϕ)
X: a(t)= -Aω2 sin(ωt+ϕ)
Między obliczonym okresem ruchu a zmierzoną wartością może być różnica ponieważ
parametry ruchu wyznaczone są z ograniczoną dokładnością. Względna niepewność pomiaru
to ∆V/V=5% , ∆A/A=3% i ∆T/T=2%.
1.5.4.S Czy ruch jednostajny po okręgu ma coś wspólnego z ruchem harmonicznym ?
Spróbuj zsynchronizować (np. zmieniając prędkość obrotową) ruch wahadła i ruch kulki po
okręgu tak aby skrajne położenia w lewo i w prawo oba obiekty osiągały w tym samym
czasie. Czy można zaryzykować stwierdzenie, że patrząc na obracającą się kulkę w
płaszczyźnie ruchu widzimy ruch ...harmoniczny ?
51
1.6. Zderzenie praw fizyki.
Zderzenie praw
fizyki
a/ Menu główne:
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Opis 1
Przebieg
Doświadczenia
opis dziłań
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Opis 2
Zadanie n
Uwagi
bezpieczeństwa
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedz
dla
studentów
odpowiedz
na TAK lub NIE
dla uczniów
52
Zderzenie praw fizyki
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Rzut kamienieniem to rzut ukośny w polu ciężkości Ziemi. Upadek kamienia w piasek to
przypadek zderzenia niesprężystego, w którym cała energia kinetyczna kamienia zamienia się
na ciepło lub na zerwanie wiązań między atomami. Piłka odbijająca się od ściany to zderzenie
sprężyste. We wszystkich przypadkach można opisać ruch wykorzystując podstawowe prawa
fizyki: prawo zachowania pędu i energii oraz zasady dynamiki.
1.6.2-klip Rzut ukośny.
Klip/film przedstawiający rzut do kosza. Tuż przed wpadnięciem do kosza stopklatka. Na
stopklatce nałożona piłka tuż przed wyrzutem i piłka w najwyższym punkcie lotu. Na
stopklatce grafika prędkości osi XY, V0, α, V cosα, Vk i g. Dwa zdania wyjaśniające. Całość
zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna.
Czas trwania filmu:15s – jedna sekwencja i stopklatka.
Rys.1.6.2. Rzut do kosza. Stopklatka z grafiką.
Y
V0 sinα
V0
V0 cosα
X
53
Podpis do rys.1.6.2
Piłka rzucona do kosza z prędkością V0 porusza się ruchem jednostajnym poziomo z
prędkością V0 cosα i ruchem przyspieszonym pod wpływem siły ciężkości z prędkością
początkową V0 sinα. Można powiedzieć, że piłka porusza się ruchem jednostajnym w
poziomie oraz ruchem jednostajnie przyspieszonym w pionie. W efekcie piłka porusza się po
paraboli i dobrze rzucona często trafia do kosza.
1.6.3-klip Prawo zachowania pędu.
Klip 10 sekundowy przedstawiający centralne zderzenie kul bilardowych. Po zakończeniu
filmu na ekranie podzielonym na pół jedno ujęcie/stopklatka przed zderzeniem a na drugim
po zderzeniu. Nałożona grafika masy i prędkości przed i po. Dwa zdania wyjaśniające. Całość
Czas trwania filmu:8-10s. Następnie dwie stopklatki.
1.6.3. Odtwarzacz: grafika końcowa.
Przed zderzeniem
M1
V1
M2
V2=0
Po zderzeniu
M1
V1po =0
V1
Pcałk. = P1 + P2=
= M1V1+ M2V2 =
= M1V1
M2
V2po
V2po
Pcałk.po = P1po + P2po=
= M1V1po+ M2V2po =
= M2V2po
Rys.1.6.3. Stopklatki dla zderzenia kul.
Podpis do rys.1.6.3
Kule bilardowe zderzają się sprężyście. Przy takim zderzeniu całkowita energia układu Ecałk i
pęd Pcałk. nie zmieniają się. Mówimy, że całkowity pęd i energia są zachowane. W zderzeniu
centralnym kule przed i po poruszają się w tym samym kierunku. Jeśli kule bilardowe mają tą
samą masę, czyli M1=M2=M, kula nr 1 straci pęd p1= MV1 i zatrzymuje się, natomiast kula nr
2 po zderzeniu pęd zyskuje p2po=MV1. Także energia kinetyczna pierwszej kuli po zderzeniu
przekazywana jest drugiej. Prawo zachowania energii i pędu działa!
54
Zderzenie praw fizyki.
Doświadczenie polega na obserwacji zderzenia dwóch kul oraz rzutu poziomego kuli w polu
ciężkości.
0. Wstaw kulę o masie m2 =0,5kg w miejsce zderzenia Z.
1. Odchyl kulę o masie m1=0,5kg na wysokość h=25 cm.
2. Puść kulę i obserwuj zdarzenia. Zmierz odległość upadku kuli D.
3. Powtórz doświadczenie mocniej odchylając kulę np. h=50cm.
odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia. Na film za pomocą przycisków
funkcyjnych można nałożyć grafikę.
Na tym poziomie menu jest: film 25 sek. Pokazujący umieszczanie kuli 1, odchylanie kuli 2,
puszczenie, zderzenie, rzut i upadek. Stopklatka po upadku. Grafika pokazująca oś XY,
miejsce zderzenia, kule M1, M2, prędkość V, odległość D.
Rys. 1.6.1a Odtwarzacz. Szkic ekranu ze stopklatką i grafiką.
g-przyspieszenie ziemskie
siła naciągu N
Y
Z
Vo- prędkość początkowa rzutu
h
Q =M2g
Q1= M1g
H
X
0
zasięg rzutu D
X,Y, h ,H,
M1,M2
g Q 1 Q2
D
V
55
Pod przyciskami funkcyjnymi legenda –opis przycisków.
M1, M2 – masy kul;
XY- osie układu współrzędnych;
Q1,Q2 –siły ciężkości;
h- wysokość podniesienia kuli M1;
H - wysokość rzutu poziomego;
D- zasięg rzutu poziomego kuli M2;
g -wektor przyspieszenia ziemskiego;
V-wektor prędkości po zderzeniu ;
1.6.1a Okno uwag:
Uwaga: Z kulami obchodzić się ostrożnie.
56
Studenci
1.6.1.N
Czy prędkość spadającej kuli zależy od wysokości, z której spada ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Tak. Energia potencjalna kuli Ep= mgh podczas spadku zamienia się na energię kinetyczną Ek
=mV2/2. Większa wysokość h, to większa energia potencjalna, większa energia kinetyczna i
większa prędkość. Sprawdź to rozumowanie wykonując doświadczenie zderzenia kul dla
dwóch różnych wysokości początkowych np. dla h1=5cm i h2=25cm. (przejście do poziomu
menu Przebieg Doświadczenia).
wybór NIE.
Jednak tak. Energia potencjalna kuli Ep= mgh podczas spadku zamienia się na energię
kinetyczną Ek =mV2/2. Większa wysokość h to większa energia potencjalna, większa energia
kinetyczna i większa prędkość. Sprawdź to rozumowanie wykonując doświadczenie zderzenia
kul dla dwóch różnych wysokości początkowych np. dla h1=5cm i h2=25cm. (przejście do
1.6.2.N Czy w doświadczeniu ze zderzanymi kulami prędkość kuli po uderzeniu zależy od jej
masy ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Odpowiedź prawidłowa. Prędkość kuli po uderzeniu zależy od jej masy. Można to udowodnić
wykonując doświadczenie zderzenia kuli odchylonej do wysokości h=20cm z kulami o masach
m1=0,5kg raz następnie powtórzyć doświadczenie dla m2=0,2kg . Zobacz, czy kula mniejsza
upadnie dalej od kuli większej ? (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
wybór NIE.
Jednak tak. Prędkość kuli po uderzeniu zależy od jej masy. Można to udowodnić wykonując
doświadczenie zderzenia kuli odchylonej do wysokości h=20cm z kulami o masach m 1=0,5kg
57
raz następnie powtórzyć doświadczenie dlam2=0,2kg . Zobacz, czy kula mniejsza upadnie
dalej od kuli większej ? (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
1.6.3.N W zderzeniu centralnym uczestniczą dwie kule o różnych masach m1 i m2. Kula m2
jest w spoczynku. Czy w tym zderzeniu całą energię kinetyczną i pęd kuli m1 uzyska po
zderzeniu kula m2?
Tak
Nie
wybór TAK.
Nie ! Tylko gdy masy kul są takie same nastąpi, zgodnie z prawem zachowania energii i pędu
przekazania całości energii i pędu. Warto to sprawdzić wykonując doświadczenie, zderzenia
kuli odchylonej do wysokości h=20cm z kulą o masie m1=0,5kg, a z następnie powtórzyć
doświadczenie dla m2=0,2kg . Zobacz, czy dla przypadku gdy m1=m2 kula „uderzająca”
zatrzyma się i czy w przypadku różnych mas kula m1 po zderzeniu ma energię. (przejście do
wybór NIE.
Nie. Tylko, gdy masy kul są takie same nastąpi, zgodnie z prawem zachowania energii i pędu
przekazanie całości energii i pędu. Warto to sprawdzić wykonując doświadczenie, zderzenia
kuli odchylonej do wysokości h=20cm z kulą o masie m1=0,5kg , a następnie powtórzyć
doświadczenie dla m2=0,2kg . Zobacz, czy dla przypadku gdy m1=m2 kula „uderzająca”
zatrzyma się i czy w przypadku różnych mas kula m1 po zderzeniu ma energię. (przejście do
Zadanie 1.1.1.S Prawo zachowania energii i pędu.
Zbadaj, czy w układzie dwóch kul energia i pęd podczas zderzenia nie ulega zmianie. W
tym celu wyznacz wysokość i zasięg rzutu kuli m2 przy parametrach doświadczenia:
m1=0,5kg, m2=0,5kg, h=20cm. Wykonanie: (przejście do poziomu menu Przebieg
Doświadczenia).
( ? –pomoc) Z zasięgu rzutu poziomego z wysokości H można obliczyć prędkość początkową rzutu V02.
Z wysokości "spadku" h można wyznaczyć prędkość kuli m1 tuż przed zderzeniem V01.
Porównaj obie prędkości. Uwaga: pomiary wykonana są z pewną dokładnością.
Zadanie 1.6.2.S Prawo zachowania energii.
Wyznacz energię i pęd przed i po zderzeniu dla zderzenia kul o różnych masach. W tym
celu wyznacz wysokość i zasięg rzutu kuli m2 przy parametrach doświadczenia: m1=0,5kg,
h=20cm dla m2=0,2kg. Sprawdź czy pęd i energia w tym zderzeniu zostały zachowane.
( ? –pomoc) 58
Z zasięgu rzutu poziomego z wysokości H można obliczyć prędkość początkową rzutu V 02.
Z wysokości spadku h można wyznaczyć prędkość kuli m1 tuż przed zderzeniem V01.
Porównaj pędy i energie przed i po zderzeniu. Uwaga: pomiary wykonana są z pewną
dokładnością.
Zadanie 1.6.3.S Wyznacz czas rzutu i prędkość początkową rzutu poziomego na podstawie
badań parametrów rzutu. W tym celu wyznacz wysokość i zasięg rzutu kuli przy
parametrach doświadczenia: m1=0,5kg, h=20cm dla m2=0,2kg.
( ? –pomoc) Z wysokości spadku swobodnego H można obliczyć czas rzutu. Z zależności zasięgu od czasu
wyznaczyć można prędkość początkową.
59
1.7. Niszczący rezonans.
Niszczący rezonans
a/ Menu główne:
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Opis 1
Przebieg
Doświadczenia
opis dziłań
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Opis 2
Zadanie n
Uwagi
bezpieczeństwa
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedz
dla
studentów
odpowiedz
na TAK lub NIE
dla uczniów
60
„Niszczący rezonans”
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Rezonans powstaje, gdy źródło fali lub siły dopasowane jest do możliwości odbiornika. Oznacza to, że
częstotliwość źródła jest równa częstotliwości własnej odbiornika. W rezonansie następuje
maksymalne przekazywanie energii ze źródła do odbiornika. Rezonans można wykorzystać. Na
przykład radio, komórki telefoniczne w sposób rezonansowy wybierają z otoczenia fale o określonej
częstotliwości. Rezonans może niestety spowodować zniszczenie całych urządzeń i konstrukcji (domy
,mosty, statki, szyby..).
1.7.1-klip Huśtawka. Film przedstawiający „rozbujanie” huśtawki. Na film nałożona grafika: siła
wymuszająca- wektor siły w przypadku jej przyłożenia. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z
Czas trwania filmu:15s – do rozbujania.
Rys.1.7.1 Huśtawka- szkic.
ω
V
okres drgań huśtawki Th =0,7s
okres działania siły TF =0,7s
jeżeli Th=TF to rezonans
V
V
impulsowa siła F
Podpis do rys.1.7.1
Huśtawka bujająca się swobodnie jest drganiem o pewnej częstotliwości nazywanej częstotliwością
własną.
Proste rozbujanie huśtawki wymaga siły. Jednak trzeba działać siłą zwiększającą energię dziecka w
odpowiednim czasie – w chwili maksymalnego wychylenia. Działanie impulsami siły o częstotliwości
równej częstotliwości własnej huśtawki jest działaniem dającym największy efekt. Mówimy, że układ
działa w rezonansie.
Można samemu rozbujać huśtawkę odpowiednio zmieniając ułożenie ciała. W tym przypadku też
trzeba działać z częstotliwością rezonansową.
61
1.7.3-klip Niszczący rezonans.
Klip 20 sekundowy przedstawiający zniszczenie mostu przez wiatr. Dwa zdania
wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna.
Przykład filmu: http://www.youtube.com/watch?v=WEQtr_w7gN4
Czas trwania filmu:20s. Ujęcie powtarzane do wyłączenia.
Rys.1.7.3. most
Podpis do rys.1.7.3
Przy złej konstrukcji mostu nawet niewielki wiatr o zmiennym natężeniu może zniszczyć most.
Wystarczy, aby powstały warunki do rezonansu. Problemy może też sprawiać marsz kolumny
żołnierzy lub nawet zwykłe przejście pieszych (Londyn).
62
Niszczący rezonans.
Uwaga: System sterowania parametrami generatora za pomocą interfejsu USB
Napięcie z generatora o częstotliwości f zasila wzbudnik W. Wzbudnik jest zamontowany na
środku mostu i uderza trzpieniem w model mostu powodując jego drgania z częstotliwością
generatora. Zmieniając częstotliwość można dostroić się do częstotliwości drgań własnych
mostu. W stanie rezonansu energia wzbudnika pochłaniana przez most jest maksymalna i
drgania mostu mają coraz większą amplitudę. To, co obserwujemy z mostem w stanie
rezonansu jest wzbudzeniem … fali stojącej.
1.Upewnić się, że generator G jest włączony.
2.Zmieniając powoli gałką generatora częstotliwość dźwięku w zakresie 1Hz do 20Hz znaleźć
częstotliwość rezonansową mostu.
odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia.
Na tym poziomie menu jest film 15 sek. pokazujący: zmianę częstotliwości, znalezienie fali stojącejrezonansu i stopklatka. Na stopklatkę nałożona grafika: kształt fali, amplituda, węzeł i strzałka fali.
Rys. 1.7.1a Odtwarzacz. Szkic ekranu ze stopklatką.
Generator
Węzeł
F siła wymuszająca
Strzałka
s
w
F
Opis funkcjonalny analizy obrazu:
S - strzałka;
W- węzeł;
F- siła wymuszająca drgania;
63
1.7.1b Okno sterowania generatorem :
Generator :
częstotliwość uderzeń
4,1 Hz
Włącznik
1.7.1c Okno uwag:
Uwaga: Zmieniać częstotliwość powoli.
64
Studenci
1.7.1.N
Czy maszerująca krokiem marszowym kolumna żołnierzy może wprawić w niebezpieczne
drgania most ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Tak. Wystarczy, by częstotliwość uderzania butów o most była równa częstotliwości drgań
własnych. Jeśli most nie jest dobrze zaprojektowany może wpaść w rezonans i ulec
zniszczeniu. Wyobraź sobie, że elektromagnetyczny wzbudnik symuluje kompanię wojska
idącą krokiem defiladowym. Co może się stać sprawdź wykonując doświadczenie: (przejście
do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
wybór NIE.
Jednak tak. Tak się stało w Holandii. Wystarczy, by częstotliwość uderzania butów o most
była równa częstotliwości drgań własnych. Jeśli most nie jest dobrze zaprojektowany może
wpaść w rezonans i ulec zniszczeniu. Wyobraź sobie, że elektromagnetyczny wzbudnik
symuluje kompanię wojska idącą krokiem defiladowym. Co może się stać sprawdź wykonując
doświadczenie: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
1.7.2.N Czy drgający w rezonansie most można porównać do drgającej struny ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Tak. Most i struna to sprężysty element przymocowany na końcach na stałe. Pobudzenie w
postaci szarpnięcia lub pobudzenia rezonansowego powoduje wprowadzenie struny/mostu
w drgania rezonansowe. Powstaje fala stojąca i drgająca struna staje się źródłem dźwięku.
Podobnie zachowuje się nasz most doświadczalny. W rezonansie most jest źródłem dźwięku
o małej częstotliwości i amplitudzie dlatego trudno go usłyszeć. Wykonaj doświadczenie a
może usłyszysz. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
wybór NIE.
Jednak w stanie rezonansu most i struna mają wiele wspólnego. Most i struna to sprężysty
element przymocowany na końcach na stałe. Pobudzenie w postaci szarpnięcia lub
pobudzenia rezonansowego powoduje wprowadzenie struny/mostu w drgania rezonansowe.
Powstaje fala stojąca i drgająca struna staje się źródłem dźwięku. Podobnie zachowuje się
65
nasz most doświadczalny. W rezonansie most jest źródłem dźwięku o małej częstotliwości i
amplitudzie dlatego trudno go usłyszeć. Wykonaj doświadczenie, a może usłyszysz. (przejście
1.7.3.N Czy przedmiot leżący na moście w rezonansie zawsze będzie miał kontakt z
powierzchnią?
Tak
Nie
wybór TAK.
Nie zawsze. Przy małej amplitudzie przedmiot będzie leżał na powierzchni mostu. Jednak przy
dużej amplitudzie przedmiot zacznie skakać i zsunie się z mostu. Warto sprawdzić, czy
rzeczywiście tak jest. Połóż na moście w pobliżu wzbudnika przedmiot np. klucze. Powoli
wprowadź most w rezonansowe drgania. (przejście do poziomu menu Przebieg
Doświadczenia).
Wybór Nie
Rzeczywiście nie zawsze. Przy małej amplitudzie przedmiot będzie leżał na powierzchni
mostu. Jednak przy dużej amplitudzie przedmiot zacznie skakać i zsunie się z mostu. Warto
sprawdzić, czy rzeczywiście tak jest. Połóż na moście w pobliżu wzbudnika przedmiot np.
klucze. Powoli wprowadź most w rezonansowe drgania. (przejście do poziomu menu
Zadanie 1.7.1.S Fala stojąca – rezonans.
Wyznacz częstotliwość rezonansową mostu, długość fali i amplitudę drgań. (przejście do
( ? –pomoc) Amplitudę i długość zmierz miarką.
Zadanie 1.7.2.S Przyspieszenie w układzie nieinercyjnym.
Oceń wartość amplitudy, przy której przedmiot położony na moście w rezonansie zacznie
„podskakiwać”. Określ wartość przyspieszenia ab działającego na przedmiot w tym
momencie. Jaki związek jest ab z przyspieszeniem ziemskim ?
( ? –pomoc) Przyspieszenie dowolnego punktu mostu drgającego z częstotliwością Fr i amplitudą A wynosi
a=Aω2 . Na ciało położone na moście oprócz siły ciężkości działa siła bezwładności nadająca
przyspieszenie ab=a. Dlatego ….
66
Zadanie 1.7.3.S Czy częstotliwość rezonansowa mostu zmieni się, gdy obciążymy go
dodatkowym ciężarem? Wykonaj doświadczenie umożliwiające odpowiedź.
( ? –pomoc) Większy ciężar (porównywalny z ciężarem mostu) powinien spowodować zmniejszenie
częstotliwości rezonansowej.
67
2.1. Lidar.
Lidar
a/ Menu główne:
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Opis 1
Przebieg
Doświadczenia
opis dziłań
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Opis 2
Zadanie n
Uwagi
bezpieczeństwa
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedz
dla
studentów
odpowiedz
na TAK lub NIE
dla uczniów
68
Lidar
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Badania powierzchni i wnętrza różnych materiałów często przeprowadza się za pomocą
skanowania. Jest to metoda, gdzie wąska analizująca wiązka fal przesuwana jest po
badanym obiekcie. W ten sposób informacja o powierzchni lub wnętrzu obiektu zbierana jest
punkt po punkcie, linia po linii, aż do uzyskania informacji o całym obiekcie. Skanuje się
wielkie obszary Ziemi, zabytki i przedmioty do kopiowania, pacjentów w celach
diagnostycznych, a także atomy na powierzchni.
2.1.2-klip Badania tomografią komputerową..
Klip/film przedstawiająca zdjęcie tomografu IV generacji wraz z pacjentem. Na to nałożona
grafika przedstawiająca lampę rentgenowską, na obwodzie detektory (2000 w rzeczywistości
- na grafice ok.100) i strumień. Lampa i strumień powoli się obraca. Po pełnym obrocie,
pacjent jest przesuwany i wykonany jest następny obrót. Dwa zdania wyjaśniające. Całość
Czas trwania filmu:15s – jedna sekwencja ciągłego „napływania´ fal.
Rys.2.1.2. Tomograf komputerowy – zdjęcie i szkic grafiki.
D
LR
Obraz
69
Podpis do rys.2.1.2
Sercem tomografu komputerowego jest lampa rentgenowska LR, system tysięcy detektorów
wokół pacjenta i bardzo dobre oprogramowanie. Kilkuminutowe skanowanie pozwala na
uzyskanie zdjęć wnętrza człowieka o doskonałej jakości.
2.1.3-klip Skanowanie w skali atomów. Film/animacja przedstawiający skanowanie głowicą
mikroskopu AFM oraz zdjęcie atomów. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami
fizyki i dydaktycznie poprawna.
Rys.2.1.3. Mikroskop AFM
Podpis do rys.2.1.3
Skaningowy mikroskop sił atomowych to głównie bardzo ostra igła C przesuwająca sie tuż
nad powierzchnią materiału skanując całą interesująca powierzchnię (powierzchnia XY). Jeśli
odległość podczas skanowania między czubkiem igły i atomami powierzchni będzie stała to
igła będzie odwzorowywać kształt powierzchni. Wystarczy dobrze zmierzyć zmiany położenia
igły w kierunku osi Z, aby na ekranie można było zobaczyć nawet pojedyncze atomy.
70
Uwaga: Układ jest sterowanym programowo skanerem na obszarze górnej powierzchni
akwarium XY (ok.40x80cm2). Położenie detektora/dalmierza, czyli obszar skanowania na
płaszczyźnie XY wybierany jest programowo. Dalmierz powinien pokazywać aktualny wynik.
Lidar.
Do badań powierzchni dna akwarium służy dalmierz laserowy D wykorzystujący pomiar czasu
powrotu wysłanego i odbitego od obiektu impulsu światła laserowego. Pomiar wykonywany
jest z prędkością n=10imp/s. W celu poznania powierzchni można przeskanować dowolnie
wybrany obszar. Całością steruje się z poziomu okna na monitorze.
Ponadto układ wyposażony jest w laser pomocniczy L oraz skale pomiarowe.
Procedura pomiaru morfologii powierzchni:
0.W oknie z akwarium wybrać obszar skanowania.
1.Rozpocząć skanowanie przyciskiem START SCAN.
2.Obserwować, czy zmiany w rzeźbie tereny dobrze są odwzorowywane na ekranie.
odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia. Grafika: opis elementów typu D-dalmierz, Llaser pomocniczy, A-akwarium ,oś X , oś Y, Dno
Na tym poziomie menu : czas trwania filmu - 20 sek.
Rys. 2.1.b Szkic rzeczywistego układu z opisem graficznym poszczególnych elementów.
D - dalmierz
oś Z
Skale
oś Y
Laser pomocniczy
oś X
71
Opis funkcjonalny rejestracji powierzchni dna akwarium: Program zapewnia wybór obszaru
skanowania , szybkości skanowania.
Rys. 2.1.c Okno sterowania procesem pomiarowym:
p
s
3D
Opis możliwości sterowania:
1. Okno startowe - obraz/zdjęcie całej powierzchni akwarium
2.Okno wyboru obszaru skanowania:
ramka z linii przerywanych, którą można dotykając w środku przesunąć
powiększyć lub zmniejszyć przesuwając jeden z czterech punktów narożnych.
3. Start/ zatrzymanie pomiaru ( II
)
4. Powtórzenie skanowania P
5. Przycisk szybkości skaningu S: szybki/wolny : przeskalowanie czasu skanowania np. x4
6. Przycisk przejścia do rysowania w 3D.
i
2.1.d Okno uwag:
Uwaga: Prosimy nie dotykać układu przesuwania dalmierza.
72
Studenci
2.1.1.N
Czy promienie światła przechodząc do wody zmieniają prędkość, częstotliwość i kierunek ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Wiele parametrów promienia się zmienia podczas przejścia granicy dwóch ośrodków o różnej
gęstości np. wody i powietrza. Zmienia się prędkość fali i zmienia się kierunek promienia (z
wyjątkiem tego padającego prostopadle do powierzchni granicy). Widać to w postaci "załamania"
się promieni świetlnych na powierzchni wody. Natomiast nie zmienia się częstotliwość fali,
czyli kolor promienia światła. Sprawdź, czy rzeczywiście kolor promienia lasera nie zmienia
się oraz zobacz jak załamuje się promień wychodzący z wody. Wykonaj doświadczenie:
wybór NIE.
Nie. Wiele parametrów promienia się zmienia podczas przejścia granicy dwóch ośrodków o
różnej gęstości np. wody i powietrza. Zmienia się prędkość fali i zmienia się kierunek
promienia (z wyjątkiem tego padającego prostopadle do powierzchni granicy). Widać to w postaci
"załamania" się promieni świetlnych na powierzchni wody. Natomiast nie zmienia się
częstotliwość fali, czyli kolor promienia światła. Sprawdź, czy rzeczywiście kolor promienia
lasera nie zmienia się oraz zobacz jak załamuje się promień wychodzący z wody. Wykonaj
doświadczenie: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
2.1.2.N Czy dalmierz laserowy przeznaczony do pracy w powietrzu będzie poprawnie
działał w wodzie? Dalmierz jest "wodoodporny".
Tak
Nie
wybór TAK.
Nie. Fale elektromagnetyczne poruszają się w powietrzu z prędkością światła
c=300000km/h. Jednak poruszając się w gęstszej materii poruszają się wolniej z prędkością
V<c. O tym ile razy mniejsza jest to prędkość mówi współczynnik załamania n= V/c. Dla
wody współczynnik załamania wynosi n=1,33. Warto sprawdzić, czy tak jest. Dla
nieruchomego dalmierza odczytaj wskazania dalmierza D. Zmierz miarką rzeczywistą
głębokość H. Ile wynosi iloczyn H/D i dlaczego ? Wykonaj doświadczenie: (przejście do
73
wybór NIE.
Nie, ale można wyniki skorygować i uzyskać poprawne rezultaty. Fale elektromagnetyczne
poruszają się w powietrzu z prędkością światła c=300000km/h. Jednak poruszając się w
gęstszej materii poruszają się wolniej z prędkością V<c.. O tym ile razy mniejsza jest to
prędkość mówi współczynnik załamania n= V/c. Dla wody n=1,33. Warto sprawdzić, czy tak
jest. Dla nieruchomego dalmierza odczytaj wskazania dalmierza D. Zmierz miarką
rzeczywistą głębokość H. Ile wynosi iloczyn H/D i dlaczego ? Wykonaj doświadczenie:
2.1.3.N Sprawdź, czy skanowanie wiązką lasera jest dobrym sposobem zbadania
powierzchni obiektów?
Tak
Nie
wybór TAK.
Tak. Laser emituje wąską, równoległą wiązkę światła o jednakowej barwie. Taki promień
prawie zawsze częściowo odbija się od obiektów i granic ośrodków. Mimo, że czas powrotu w
naszym doświadczeniu jest rzędu 10-9 s, czyli nanosekund to i tak ten dalmierz mierzy z
dokładnością +/- 1cm. Przeprowadź doświadczenie skanując fragment dna i zobacz, czy
odwzorowanie jest dobre. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
Wybór Nie
Jednak tak. Laser emituje wąską, równoległą wiązkę światła o jednakowej barwie. Taki
promień prawie zawsze częściowo odbija się od obiektów i granic ośrodków. Mimo, że czas
powrotu w naszym doświadczeniu jest rzędu 10-9 s, czyli nanosekund to i tak ten dalmierz
mierzy z dokładnością +/- 1cm. Przeprowadź doświadczenie skanując fragment dna i zobacz,
czy odwzorowanie jest dobre. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
Zadanie 2.1.1.S Współczynnik złamania wody.
Za pomocą lasera pomocniczego, akwarium i skal na akwarium wyznacz współczynnik
złamania wody. Wykonanie: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
( ? –pomoc) Trzeba wykorzystać zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia. Po skierowaniu na
powierzchnię wody od dołu promienia lasera zmieniaj kąt między promieniem w wodzie i
pionem do momentu, gdy nastąpi całkowite odbicie promienia od granicy woda-powietrze.
Wyznacz tangens kąta granicznego i ....
2.1.2.S Współczynnik korekcji.
74
Sprawdź, czy wodoodporny dalmierz laserowy mierzący w powietrzu będzie poprawnie
działał w wodzie? Dla nieruchomego dalmierza odczytaj wskazania dalmierza D. Zmierz
miarką rzeczywistą głębokość H. Oblicz Ile wynosi iloczyn H/D i porównaj z oczekiwana
wartością ? (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
( ? –pomoc)
Fale elektromagnetyczne poruszają się w powietrzu z prędkością światła c=300000km/h.
Jednak poruszając się w gęstszej materii poruszają się wolniej z prędkością V<c.. O tym, ile
razy mniejsza jest to prędkość mówi współczynnik załamania n= V/c. Dla wody n=1,33
dlatego dane z dalmierza wymagają korekcji...
Zadanie 2.1.3.S Sprawdź, czy skanowanie wiązką lasera jest dobrym sposobem zbadania
powierzchni obiektów? Wybierz interesujący fragment dna, przeprowadź skanowanie i
oceń jego jakość. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
( ? –pomoc) Skaning laserem jest bardzo rozpowszechniony. Laser emituje wąską , równoległą wiązkę
światła o jednakowej barwie. Taki promień prawie zawsze częściowo odbija się od obiektów i
granic ośrodków. Mimo, że czas powrotu w naszym doświadczeniu jest rzędu 10 -9 s , czyli
nanosekund to i tak ten dalmierz mierzy z dokładnością +/- 1cm.
75
2.2. Prawo Pascala.
Prawo Pascala
a/ Menu główne:
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Opis 1
Przebieg
Doświadczenia
opis dziłań
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Opis 2
Zadanie n
Uwagi
bezpieczeństwa
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedz
dla
studentów
odpowiedz
na TAK lub NIE
dla uczniów
76
Prawo Pascala
Informacje ogólne
Zadania
Jeśli na płyn w zbiorniku zamkniętym wywierane jest zewnętrzne ciśnienie, to ciśnienie
wewnątrz zbiornika jest wszędzie jednakowe i równe ciśnieniu zewnętrznemu. To twierdzenie
znane jako prawo Pascala jest prawdziwe, gdy można zaniedbać ciśnienie hydrostatyczne.
2.2.1-klip Kolba z dziurkami. Film/animacja przedstawiająca kolbę z płynem i dziurkami.
Przyłożone zewnętrzne ciśnienie powoduje wypływ strumieniami
prostopadle do
powierzchni. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie
poprawna.
Przykład: http://brasil.cel.agh.edu.pl/~09urmastyna/pascal.html
Czas trwania filmu:15s. Następnie powtórzenie do czasu wyłączenia.
Rys.2.2.1 Przykład grafiki: kolba z dziurkami.
ω
V
V
V
Podpis do rys.2.1.1
Siła F działając na tłok o powierzchni S wytwarza ciśnienie p=F/S. Takie ciśnienie posiada
ciecz w każdym punkcie naczynia. Jeśli w naczyniu będzie dziurka to ciecz będzie wypływać
strumieniem prostopadłym do powierzchni otoczenie dziury. Im większe ciśnienie p, tym
większa szybkość wypływu płynu.
77
2.2.2-klip Podnośnik hydrauliczny.
Klip/film przedstawiający podnośnik hydrauliczny podczas pracy. Po dwukrotnym ruchu
stopklatka. Na stopklatkę nałożona grafika przestawiająca komory i tłoki układu,
powierzchnie, ciśnienie siły. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i
dydaktycznie poprawna.
Czas trwania filmu:15s – dwukrotne "pompowanie", a następnie stopklatka.
Rys.2.2.2. Podnośnik hydrauliczny : stopklatka z grafiką.
F2=pS2 - siła "podnoszenia"
Fsiła działania
operatora
S2
F1=pS1 - siła
"działania"
p
ciśnienie
S1
Podpis do rys.2.2.2
Można stosunkowo niewielką siłą podnieść nawet znaczne ciężary. W podnośniku
hydraulicznym tłok o powierzchni S1 naciska na ciecz siłą F1. Ciśnienie cieczy zwiększa się do p
i ciecz działając na tłok o dużej powierzchni S2 działa na podnoszony przedmiot siłą F2
wielokrotnie większą od F1 : F2 = F1 S2/S1. Warto podkreślić, że siła F1 została także
zwielokrotniona poprzez użycie dźwigni jednostronnej.
Dzięki podobnym urządzeniom można podnosić samochody, mosty i ..góry.
78
Prawo Pascala.
Przedmiotem badań jest hydrauliczny podnośnik, w którym rolę tłoka wykonuje szczelna
poduszka T. Poduszka T podłączona jest do zbiornika z wodą Z. Podniesienie zbiornika o
wysokość h zwiększa ciśnienie p w poduszce, co umożliwia podnoszenie znaczących ciężarów.
Procedura pomiaru:
1. Zmierzyć położenie ciężaru przy opuszczonym zbiorniku Z.
2. Podnosić zbiornik i co 20 cm obserwować zmiany położenia ciężaru Q.
3. Badania przeprowadzić do osiągnięcia maksymalnej wysokości H.
4.Po zakończeniu badań opuścić zbiornik.
odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia. Grafika: opis elementów typu Z-zbiornik, Hwysokość względna, Q-ciężar, T-poduszka , p-ciśnienie.
Na tym poziomie menu : czas trwania filmu - 20 sek.
Rys. 2.2.b1 Szkic rzeczywistego układu z opisem graficznym poszczególnych elementów.
Zbiornik
H
F=pS- siła reakcji
P- ciśnienie
M- manometr
T-poduszka
T Z
h
M,p
Q
F
79
Opis funkcjonalny analizy obrazu: Legenda dla 2.2b1
T,Z- poduszka i zbiornik z wodą
M - manometr mierzący ciśnienie p;
Q- siła ciężkości ;
F- siła reakcji poduszki F=pS;
H- różnica poziomu cieczy
2.2.b2 Okno uwag:
Zbiornik należy podnosić i opuszczać powoli. Jeśli nie jest konieczne nie przesuwać ciężarków.
80
Studenci
2.2.1.N
Czy ciśnienie hydrostatyczne wody zależy od kształtu naczynia?
Tak
Nie
wybór TAK.
Nie. Ciśnienie zależy od wysokości słupa cieczy h nad mierzonym punktem, od gęstości cieczy
ρ i od przyspieszenia ziemskiego g: p=ρgH. We wzorze nie ma śladu informacji o kształcie
naczynia ! Sprawdź ten wzór. Unieś zbiornik na wysokość H=2m. Oblicz ciśnienie dla
ρ=1kg/m3 oraz porównaj z odczytaną na manometrze wartością ciśnienia p. (przejście do
wybór NIE.
Oczywiście, że nie. Ciśnienie zależy od wysokości słupa cieczy h nad mierzonym punktem, od
gęstości cieczy ρ i od przyspieszenia ziemskiego g; p=ρgH. We wzorze nie śladu informacji o
kształcie naczynia ! Sprawdź ten wzór. Unieś zbiornik na wysokość H=2m. Oblicz ciśnienie dla
ρ=1000kg/m3 oraz porównaj z odczytaną na manometrze wartością ciśnienia p. (przejście
2.2.2.N Czy badany podnośnik podniesie każdy ciężar?
Tak
Nie
wybór TAK.
Niestety nie. Aby podnieść ciężarek Q trzeba działać siłą większą od jego siły ciężkości. Przy
maksymalnym podniesieniu zbiornika słup wody będzie miał wysokość Hmax. =2m.
Maksymalne ciśnienie pmax.= ρgHmax= 20000 N/m2 , gdzie g=10m/s2, ρ=1000kg/m3.
Na ciężar o powierzchni styku z poduszką wynoszącej około S=100 cm2=0,01 m2 działa siła
maksymalna Fmax.= pmax.S= 200N. Taki ciężar posiada masa m=20kg. Sprawdź, że do pewnej
wysokości podniesionego zbiornika ciężar nawet nie drgnie. (przejście do poziomu menu
wybór NIE.
81
Rzeczywiście nie. Aby podnieść ciężarek Q , trzeba działać siłą większą od jego siły ciężkości.
Przy maksymalnym podniesieniu zbiornika słup wody będzie miał wysokość Hmax. =2m.
Maksymalne ciśnienie pmax.= ρgHmax= 20000 N/m2 , gdzie g=10m/s2, ρ=1000kg/m3.
Na ciężar o powierzchni styku z poduszką wynoszącej około S=100 cm2=0,01 m2 działa siła
maksymalna Fmax.= pmax.S= 200N. Taki ciężar posiada masa m=20kg. Sprawdź, że do pewnej
wysokości podniesionego zbiornika ciężar nawet nie drgnie. (przejście do poziomu menu
2.2.3.N Czy cała energia zużyta na podniesienie wody w zbiorniku zostanie zużyta na
podniesienie ciężaru na podnośniku ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Niestety nie. Sporo energii zostanie bezpowrotnie stracona m.in. na tarcie. Wykonaj
doświadczenie i porównaj energię potencjalną wody o masie mw=20kg podniesionej na
wysokość maksymalną Hmax, (Epw=mwgHmax) z energią potencjalną ciężaru mQ=15kg
podniesionego na wysokość hmax (EpQ=mQghmax). (przejście do poziomu menu Przebieg
Doświadczenia).
Wybór Nie
Rzeczywiście nie. Sporo energii zostanie bezpowrotnie stracona m.in. na tarcie. Wykonaj
doświadczenie i porównaj energię potencjalną wody o masie mw=20kg podniesionej na
wysokość maksymalną Hmax, (Epw=mwgHmax) z energią potencjalną ciężaru mQ=15kg
podniesionego na wysokość hmax (EpQ=mQghmax). (przejście do poziomu menu Przebieg
Doświadczenia).
Zadanie 2.2.1.S Ciśnienie słupa cieczy.
Sprawdzić, czy wzór określający ciśnienie słupa cieczy p= ρgh jest prawidłowy. (przejście do
( ? –pomoc) Należy podnieść zbiornik na maksymalna wysokość, odczytać H oraz ciśnienie p (z
manometru). Obliczenia wykonać dla g=9,81m/s2 .
2.2.2.S Parcie , a siła ciężkości.
Wyznacz ciśnienie, przy którym ciężarek o masie mQ=15kg zacznie się podnosić. Oceń
powierzchnię styku ciężarka z poduszką-podnośnikiem (przejście do poziomu menu
( ? –pomoc)
Należy podnosić powoli zbiornik i obserwować ciężarek....Z chwilą gdy ciężar zacznie się
poruszać siła ciężkości będzie mniejsza lub równa sile parcia.
82
2.2.3.S Bilans energii w układzie
Oceń straty energii powstałe podczas podnoszenia ciężarka Q wiedząc, że przy
maksymalnym podniesieniu w zbiorniku znajduje się woda o masie mw.(przejście do
( ? –pomoc) Sporo energii zostanie bezpowrotnie stracona m.in. na tarcie. Znajdź różnicę energii
potencjalnej wody o masie mw=20kg podniesionej na wysokość maksymalną Hmax, i energii
potencjalnej ciężaru mQ=15kg podniesionego na wysokość h.
83
2.3. Prawo Bernoulliego.
Prawo
Bernoulliego
a/ Menu główne:
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Opis 1
Przebieg
Doświadczenia
opis dziłań
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Opis 2
Zadanie n
Uwagi
bezpieczeństwa
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedz
dla
studentów
odpowiedz
na TAK lub NIE
dla uczniów
84
Prawo Bernoulliego
Informacje ogólne
Zadania
Przepływ cieczy przez systemy rur o różnych przekrojach opisuje prawo Bernoulliego.
Zgodnie z tym prawem nieściśliwa ciecz o małej lepkości, podczas laminarnego przepływu
nie zmienia swojej energii całkowitej. Oznacza to między innymi, że wpływając do rury o
mniejszym przekroju ciecz zwiększa swą prędkość zmniejszając swoje ciśnienie statyczne.
2.3.1-klip Wąż ogrodowy a prawo Bernoulliego. Film przedstawiający podlewanie trawnika z węża
ogrodowego. Zbliżenie na wylot wody i stopklatka. Nałożona grafika: prędkość wody V1w przekroju
węża S1, prędkość końcowa V2 przy wylocie z otworu o powierzchni S2. Dwa zdania wyjaśniające.
Czas trwania filmu:10s – Całe zdarzenie potem stopklatka.
Rys.2.3.1 Wąż ogrodowy - stopklatka z graficznym przedstawieniem parametrów układu.
ω
λ
V
S1
V2
V V1
V
S2
Podpis do rys.2.3.1
Z węża ogrodowego o przekroju S1 wypływa woda z prędkością V1. Przepływając przez otwór
zraszacza o mniejszym przekroju S2 zwiększa prędkość do V2=V1S1/S2. Dzięki temu można
podlewać rośliny nawet z dużych odległości.
85
2.3.2-klip Wypływ wody z beczki.
Klip/film przedstawiający beczkę z otworem w dolnej części ścianki beczki/szklanego
zbiornika. Woda wypływa z beczki i po 5 sekundach stopklatka. Na stopklatce grafika
wysokości H, prędkości V. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i
dydaktycznie poprawna.
Czas trwania filmu:15s – jedna sekwencja i stopklatka.
Rys.2.3.2. Beczka z wodą – stopklatka z grafiką.
B
H
V
Podpis do rys.2.3.2
Woda o gęstości ρ wypływa z otworu przy dnie beczki osiągając prędkość V taką... jaką by
uzyskała spadając swobodnie z wysokości H. Równanie Bernoulliego dla tego przypadku ma
postać: ρH=V2/2. Wypływającą wodę opisujemy jako …rzut poziomy w polu przyspieszenia g.
86
Przebieg badań. Prawo Bernoulliego.
Doświadczenie polega na obserwacji przepływu wody przez trzy połączone rury o coraz
mniejszej średnicy. Celem jest sprawdzenie, czy w każdym badanym punkcie energia wody
jest zachowana, czyli ρgh+p+ρV2/2= const. Gdzie: ρ- gęstość wody, p-ciśnienie statyczne, Vprędkość cieczy, h- wysokość względem poziomu odniesienia, g-przyspieszenie ziemskie
10m/s2. Prędkość przepływu Pv odczytać należy z miernika przepływu, ciśnienia statyczne
mierząc wysokość słupa cieczy w trzech rurkach R
1. Sprawdź, czy zawór Z jest otwarty. Jeśli tak to włącz pompę P.
2. Zbadaj wartości przepływu Mp oraz trzech ciśnień statycznych.
odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia. Na film za pomocą przycisków funkcyjnych
można nałożyć grafikę.
Na tym poziomie menu jest: film 10 sek. pokazujący włączenie przepływu i stopklatka układu. Grafika
pokazująca rurki Ri i ciśnienia pi, miernik przepływu, przekroje Si. zawór Z,
Rys. 2.3.b Odtwarzacz. Szkic ekranu ze stopklatką.
p1 -ciśnienie
Y
M1
p2
p3
statyczne
Z
h
V
Z
M2
P
Mp
S1
S2
S3
X
D
0
Z
Mp
S1 S2 S3
p1 p2 p3
Mp- miernik przepływu
S1 S2 S3- przekroje rur
p1 p2 p3- ciśnienia statyczne.
z- zawór odcinający
87
2.3.b3. Okno sterowania pompą:
Włączanie pompy
Włącznik
2.3.b2. Okno uwag:
Uwaga: Po zakończeniu doświadczenie wyłączyć przepływ cieczy.
88
Studenci
2.3.1.N Gdy w układzie doświadczalnym rur o coraz mniejszych przekrojach płynie woda, w
pionowych rurkach pojawi się woda. Czy wysokość wody w tych rurkach będzie taka sama
?
Tak
Nie
wybór TAK.
Jednak nie. Przepływająca w rurach woda wywiera ciśnienie statyczne na ścianki rury.
Wysokości słupów wody w pionowych rurkach są miarą tego ciśnienia. Wysokość słupa wody
w rurce pomiarowej H świadczy o tym, że ciśnienie statyczne wody w rurze wynosi p =ρgH. Z
prawa Bernoulliego wynika, że im prędkość wody jest większa tym ciśnienie statyczne
mniejsze, czyli wysokość słupa wody w rurce pomiarowej mniejsze. Wniosek: wysokość wody
w tych rurkach nie będzie taka sama.
Sprawdź to rozumowanie doświadczalnie: (przejście do poziomu menu Przebieg
Doświadczenia).
wybór NIE.
Rzeczywiście nie Przepływająca w rurach woda wywiera ciśnienie statyczne na ścianki rury.
Wysokości słupów wody w pionowych rurkach są miarą tego ciśnienia. Wysokość słupa wody
w rurce pomiarowej H świadczy o tym, że ciśnienie statyczne wody w rurze wynosi p =ρgH. Z
prawa Bernoulliego wynika, że im prędkość wody jest większa tym ciśnienie statyczne
mniejsze, czyli wysokość słupa wody w rurce pomiarowej mniejsze. Wniosek: wysokość wody
w tych rurkach nie będzie taka sama.
Sprawdź to rozumowanie doświadczalnie: (przejście do poziomu menu Przebieg
Doświadczenia).
2.3.2.N
Z kranu płynie woda z dużą prędkością. Czy, gdy szybko zamkniemy kran ciśnienie wody
wzrośnie ?
Tak
Nie
89
wybór TAK.
Tak. W czasie wypływu z kranu wody, duża ilość wody w rurach porusza się mając
stosunkowo dużą energię kinetyczną i pęd. Szybkie zamknięcie kranu powoduje gwałtowne
zatrzymanie tej wody. Ciśnienie wody nagle wzrasta, co czasami może spowodować
uszkodzenie wodociągu. To zjawisko nazywa się uderzeniem hydrodynamicznym. Sprawdź,
czy w naszym „wodociągu” występuje uderzenie. Uruchom przepływ, popatrz na wysokości
wody w rurkach pomiarowych, po czym szybko zamknij kran Z. (przejście do poziomu menu
wybór NIE.
Jednak tak. . W czasie wypływu z kranu wody, duża ilość wody w rurach porusza się mając
stosunkowo dużą energię kinetyczną i pęd. Szybkie zamknięcie kranu powoduje gwałtowne
zatrzymanie tej wody. Ciśnienie wody nagle wzrasta, co czasami może spowodować
uszkodzenie wodociągu. To zjawisko nazywa się uderzeniem hydrodynamicznym. Sprawdź,
czy w naszym „wodociągu” występuje uderzenie. Uruchom przepływ, popatrz na wysokości
wody w rurkach pomiarowych , po czym szybko zamknij kran Z. (przejście do poziomu menu
Zadanie 2.3.1.S Prawo Bernoulliego.
Zbadaj, czy w układzie doświadczalnego wodociągu spełnione jest prawo Bernouliego.
( ? –pomoc) Trzeba sprawdzić, czy dla każdego z trzech przekrojów S1=10cm2, S2=4cm2, S3=2cm2
zachowana jest: ρgh+p+ρV2/2= const
(h=0 ponieważ analizowane przekroje znajdują się na tym samym poziomie).
W tym celu zmierzyć rurkami pomiarowymi ciśnienie p1, p2, p3, przepływ Mp.
Pamiętaj, że woda nie jest ściśliwa i tyle samo wody w ciągu sekundy przepłynie przez kazdy
przekrój rury.
Zadanie 1.2.2.S Uderzenie hydrodynamiczne..
Sprawdź, czy w układzie badawczym występuje uderzenie hydrodynamiczne i czy jego
wielkość zależy od szybkości zamykania zaworu Z. Wykonanie: (przejście do poziomu
( ? –pomoc) W czasie przepływu, duża ilość wody w rurach porusza się mając stosunkowo dużą energię
kinetyczną. Szybkie zamknięcie kranu powoduje gwałtowne zatrzymanie tej wody. Ciśnienie
wody nagle wzrasta, co czasami może spowodować uszkodzenie wodociągu. Zjawisko to
nazywa się uderzeniem hydrodynamicznym. Zobacz co się dzieje z wodą w rurkach
pomiarowych podczas zamykania zaworu.
90
3.1. Tunel aerodynamiczny.
a/ Menu główne:
Tunel aerodynamiczny
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Opis 1
Przebieg
Doświadczenia
opis dziłań
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Opis 2
Zadanie n
Uwagi
bezpieczeństwa
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedz
dla
studentów
odpowiedz
na TAK lub NIE
dla uczniów
91
Tunel aerodynamiczny.
3.1. Drugi poziom menu:
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Wszędzie tam, gdzie opór powietrza odgrywa dużą rolę w fazie projektowania urządzenia
przeprowadza się badania w tunelu aerodynamicznym. Nowe samoloty, sterowce,
samochody, ubiory biegaczy i skoczków testuje się w tunelach. Badania polegają na
obserwacji jak laminarny strumień powietrza o konkretnej prędkości opływa badanie
przedmioty i urządzenia.
3.1.1. Skrzydło. Film/lub zdjęcie skrzydła samolotu. Stopklatka i nałożona grafika: strumienie
powietrza, siła nośna
Czas trwania filmu:10s – potem stopklatka.
Rys.3.1.1. Skrzydło z grafiką.
Siła nośna F
Obszar podciśnienia
Obszar nadciśnienia
Podpis do rys.3.1.1
Specjalny kształt skrzydła powoduje, że prędkość strumienia powietrzna nad skrzydłem jest
większa o prędkości pod skrzydłem. Zgodnie z prawem Bernoulliego nad skrzydłem ciśnienie
statyczne jest mniejsze od ciśnienia pod skrzydłem. Różnica ciśnień działając na skrzydło
wytwarza siłę nośną Fn. Siła nośna może zrównoważyć lub przewyższyć siłę ciężkości
samolotu i samolot leci…
3.1.3 –klip Gol z efektem Magnusa.
92
Klip przedstawiający gol uzyskany z rzutu rożnego. Na stopklatce grafika: prędkości V piłki,
obrót dookoła osi piłki, siła Magnusa. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami
fizyki i dydaktycznie poprawna.
Przykład: http://www.youtube.com/watch?v=ZytorLTPNco
Po 6sek powtórzenie, i po 4 sekundach
stopklatka.
Rys.3.1.3. Strzał z rogu.
FM
V V
Podpis do rys.3.1.3
Piłka kopnięta centralnie leci prosto. Można kopnąć piłkę nadając jej oprócz prędkości
liniowej prędkość obrotową. Lecącą piłkę opływają strumienie powietrza. Gdy piłka się
obraca z jej jednej strony prędkość względna powietrza jest większa niż z drugiej strony.
Podobnie jak w skrzydle samolotu pojawia się różnica ciśnień powodująca powstanie siły FM.
Siła Magnusa działa prostopadle do prędkości piłki V powodując zakrzywienie toru piłki w
kierunku bramki. Dzięki temu zjawisku możliwe jest zdobycie gola z rzutu rożnego (tzw.rogal).
93
Uwaga: stan podstawowy układu to zamontowane skrzydło. Uczniowie mają możliwość tylko
zmiany kąta natarcia. Możliwość zmiany obiektu mają tylko studenci. Wiatromierz powinien
być umieszczony na stałe lub mieć osobne okienko do wsunięcia w badany obszar. Pomiar
wiatromierzem bez udziału komputera. Opis dotyczy rozwiązania z dwoma siłomierzami.
Tunel aerodynamiczny.
Tunel aerodynamiczny posiada komorę pomiarową, w której następuje laminarny przepływ
powietrza z żądaną prędkością. Celem badań jest określenie sił działających na skrzydło,
obracający się obiekt i modele domów.
1. Włącz wentylator tunelu, otwórz okno serwisowe O komory badawczej, wsuń ręczny
wiatromierz do komory i zmierz wartość prędkości powietrza.
2. Wyłącz wentylator i delikatnie umieść w komorze pomiarowej badany obiekt. Zamknij
okno O.
3. Włącz wentylator, obserwuj przepływ powietrza i po chwili zmierz odpowiednie siły.
Na tym poziomie menu jest: film 20 sek. pokazujący pomiar prędkości powietrza oraz zamocowanie
obiektu badanego. Następnie stopklatka z grafiką: W-włącznik wentylatora, O- okno serwisowe,
mierniki siły.
Rys. 3.1.1b Odtwarzacz. Szkic ekranu ze stopklatką.
O
MF
W
O
W
MF
w- włącznik wentylatora
MF - manometr mierzący ciśnienie p;
94
O-okno serwisowe.
3.1.1.b3.Okno wyników badań sił :
Fop= 1,5 N
obiekt
Fnośna= 0,5
N
W
3.1.1b2 Okno uwag:
Uwaga: Po zakończeniu doświadczenie wyłączyć wentylator.
95
Studenci
3.1.1.N
Czy siła nośna skrzydła zależy od kąta natarcia ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Tak. Trzeba to sprawdzić doświadczalnie. Zbadaj zgodnie z instrukcją siłę nośną skrzydła.
Zmieniaj powoli kąt natarcia i obserwuj wskazania siły nośnej. Wyznacz kąt , przy którym siła
nośna jest największa. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
wybór NIE.
Tak. Trzeba to sprawdzić doświadczalnie. Zbadaj zgodnie z instrukcją siłę nośną skrzydła.
Zmieniaj powoli kąt natarcia i obserwuj wskazania siły nośnej. Wyznacz kąt , przy którym siła
nośna jest największa. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
Zadanie 3.1.1.S Siła nośna.
Wyznacz zależność siły nośnej skrzydła od kąta natarcia. (przejście do poziomu menu
( ? –pomoc) Po umieszczeniu w komorze badawczej skrzydła włączyć wentylator i przeprowadzić badania.
Zadanie 3.1.2.S Siła Magnusa.
Wyznacz siłę Magnusa dla obracającego się walca w strumieniu powietrza. Badania
przeprowadź dla trzech prędkości obrotowych. (przejście do poziomu menu Przebieg
Doświadczenia).
( ? –pomoc) Po umieszczeniu w komorze badawczej układu walca, włączyć wentylator, włączyć napęd
walca i przeprowadzić badania.
96
3.1.3.S Czy dom z płaskim dachem stawia większy opór powietrza niż dom ze spadzistym
dachem? Przeprowadź odpowiednie badania . (przejście do poziomu menu Przebieg
Doświadczenia).
( ? –pomoc) Po umieszczeniu w komorze badawczej modelu budynku, włączyć wentylator i przeprowadzić
badania. Badania powtórz dla drugiego budynku.
97
3.2. Energetyczny wiatr.
0/Menu zerowe
Energetyczny wiatru
Siła wiatru
Energetyczny wiatr
a/ Menu główne:
Siła wiatru......
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Opis 1
Przebieg
Doświadczenia
opis dziłań
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Opis 2
Zadanie n
Opis 3
Uwagi
bezpieczeństwa
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedz
dla
studentów
odpowiedz
na TAK lub NIE
dla uczniów
98
Energetyczny wiatr
Informacje ogólne
Zadania
Wiatr to poruszające się masy powietrza o energii kinetycznej zależącej od „siły” wiatru.
Energię wiatru można wykorzystać. Często niestety, wiatr jest przyczyną katastrof.
3.2.1 Suszarka do włosów. Film przedstawiający suszenie włosów. Stopklatka i nałożona
grafika: prędkość powietrza V i temperatura T. Dwa zdania wyjaśniające.
Czas trwania filmu:10s – Całe zdarzenie potem stopklatka.
Rys. 3.2.1 Suszarka - stopklatka z graficznym przedstawieniem parametrów układu.
λ
V T
Podpis do rys.2.3.1
Skuteczne suszenie włosów zapewnia ciepłe powietrze o odpowiedniej prędkości.
3.2.2 -klip Elektrownia wiatrowa.
Klip/film przedstawiający działającą elektrownię wiatrową. Po 10 sekundach stopklatka. Na
stopklatce grafika prędkości V, strumienia powietrza, generatora, i linii przesyłowej. Dwa
zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna.
99
Rys.3.2.2. Wiatrak z grafiką.
V
230V
P=?
Podpis do rys.3.2.2
Energia elektryczna uzyskana z wiatru należy do energii odnawialnych. Pojedyncze wiatraki
mają moc nominalną 0d 0,1 do 5MW jednak o ilości uzyskanej energii decyduje … wiatr lub
inaczej ... jego brak.
100
Uwaga: pomiar prędkości powietrza ręczny.
Przebieg badań. Energetyczny wiatr.
Wydajność elektrowni wiatrowej zależy od kształtu łopatek wirnika. Stosuje się różne
rozwiązania wirnika. Doświadczenie polega na sprawdzeniu, które z trzech rozwiązań turbiny
wiatrowej przetwarza energię wiatru z największą wydajnością.
1. Nakieruj wentylator W na odpowiednią turbinę.
2. Włącz wentylator i zbadaj szybkość strumienia powietrza.
3. Wyznacz prąd i napięcie wytwarzane przez turbinę.
4. Badania powtórz dla pozostałych turbin.
Na tym poziomie menu jest: film 10 sek. pokazujący przesunięcie wentylatora i jego włączenie.
Następnie i stopklatka z grafiką : W-włącznik, Strumień powietrza, M- miernik przepływu, Aamperomierz, V-woltomierz i obciążenie Ż.
W
h
Ei
M
A
V
Ż
3.2.1c Okno uwag:
Uwaga: Po zakończeniu doświadczenie wyłączyć wentylator.
101
Studenci
3.2.1.N Czy prędkość wiatru przed i za śmigłami wiatraka jest taka sama ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Jednak nie. Strumień powietrza pracuje nad obracaniem łopat wiatraka. Część tej pracy
zamienia się na energię prądu elektrycznego. Praca wiatru odbywa się kosztem jego energii
kinetycznej, więc licząc średnio jego prędkość się zmniejsza.
Sprawdź to rozumowanie doświadczalnie. Przytrzymaj lekko łopaty wiatraka i odczytaj
szybkość przepływu powietrza z aerometru. Następnie puść łopaty i po chwili odczytaj
ponownie przepływ. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
wybór NIE.
Nie ponieważ, strumień powietrza pracuje nad obracaniem łopat wiatraka. Część tej pracy
zamienia się na energię prądu elektrycznego. Praca wiatru odbywa się kosztem jego energii
kinetycznej, więc średnio jego prędkość się zmniejsza.
Sprawdź to rozumowanie doświadczalnie. Przytrzymaj lekko łopaty wiatraka i odczytaj
szybkość przepływu powietrza z aerometru. Następnie puść łopaty i po chwili odczytaj
ponownie przepływ. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
3.2.2.N
Czy energia uzyskana przez wiatrak zależy od kształtu łopat wirnika?
Tak
Nie
wybór TAK.
Tak. Ilość energii uzyskiwanej zdecydowanie zależy od jej budowy. Porównaj uzyskaną moc
prądu P=Ui dla trzech różnych w konstrukcji elektrowni. (przejście do poziomu menu
wybór NIE.
Jednak tak. Ilość energii uzyskiwanej zdecydowanie zależy od jej budowy. Porównaj uzyskaną
moc prądu P=Ui dla trzech różnych w konstrukcji elektrowni. (przejście do poziomu menu
102
Zadanie 3.2.1.S Wydajność elektrowni.
Oszacuj wydajność jednej z trzech elektrowni. Wykonanie: (przejście do poziomu menu
( ? –pomoc) Trzeba wyznaczyć prędkość strumienia powietrza przed wiatrakiem Vs, promień wirnika R,
napięcie U oraz natężenie prądu i płynącego przez obciążenie. Moc wiatru to energia
kinetyczna powietrza o gęstości ρ przeniesiona przez powierzchnię wirnika πR2 w ciągu 1
sekundy: czyli Pw=ρVπR2/2. Moc prądu obciążenia P=Ui. Sprawność : η=P/Pw.
Zadanie 3.2.2.S Budowa, a wydajność.
Mimo, że jest sporo różnych rozwiązań konstrukcyjnych najczęściej stosuje się wirniki
trzyłopatkowe. Sprawdź, która z elektrowni jest najbardziej wydajna. Wykonanie:
( ? –pomoc) Dla trzech modeli. Trzeba wyznaczyć prędkość strumienia powietrza przed wiatrakiem V s,
promień wirnika R, napięcie U oraz natężenie prądu i płynącego przez obciążenie. Moc wiatru
to energia kinetyczna powietrza o gęstości ρ przeniesiona przez powierzchnię wirnika πR2 w
ciągu 1 sekundy: czyli Pw=ρVπR2/2. Moc prądu obciążenia P=Ui. Sprawność : η=P/Pw.
103
3.3. Siła wiatru.
0/Menu zerowe
Energetyczny wiatru
Siła wiatru
Siła wiatru
a/ Menu główne:
Energetyczny wiatr......
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Opis 1
Przebieg
Doświadczenia
opis dziłań
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Opis 2
Zadanie n
Uwagi
bezpieczeństwa
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedz
dla
studentów
odpowiedz
na TAK lub NIE
dla uczniów
104
Siła wiatru
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Wiatrem jest lekka bryza, silne podmuchy, huragan i tornado. Bryzę i silny wiatr można
wykorzystać. Huragan i tornada najczęściej niestety są niszczycielskimi siłami.
3.3.2-klip Tornado .
Klip 10 sekundowy przedstawiający tornado i jego niszczące efekty. Dwa zdania
wyjaśniające.
Czas trwania filmu:10-15s.
Przykład filmu: http://www.youtube.com/watch?v=TdJ69euWouM&feature=fvst
3.3.2. Odtwarzacz: zdjęcie końcowe –zniszczenia.
Podpis do Rys.3.3.2
Wiatr może niszczyć.
105
3.3.3-klip Żaglówka .
Klip 10 sekundowy przedstawiający płynąca żaglówkę. Stopklatka i grafika sił: N- nacisk
wiatru na żagle, R-reakcja wody , T- siła oporu ruchu, F- wypadkowa sił N i R . Dwa zdania
wyjaśniające.
Czas trwania filmu:10s. Następnie stopklatka.
Rys.3.3.3. Żaglówka .
W
N
T
R
F
Podpis do Rys.3.3.3
Wiatr działa na ożaglowanie pewną siłą N. Siła reakcji R wody na kil/miecz i kadłub
żaglówki przeciwdziała przesunięciu żaglówki po wodzie. Wypadkowa sił N i R , czyli F=N+R
jest siłą powodująca płynięcie żaglówki w pożądanym kierunku. Siła oporu wody i powietrza
T ogranicza maksymalną prędkość łódki.
106
3.3 .b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia
Uwaga: Jasność przekazu dydaktycznego wymaga aby, że siłomierze mierzyły siłę wzdłuż osi
łódki i siłę prostopadłą do osi łódki. Konstrukcja układu powinna umożliwiać kontrolowaną i
mierzalną zmianę kierunku wiatru względem osi łódki.
Przebieg badań. Siła wiatru.
Żeglowanie polega na wykorzystaniu wiatru, wody i żagla. Wiatr może uszkodzić konstrukcję
budynku. Oba zjawiska występują dzięki sile oddziaływania wiatru na obiekt. Celem
doświadczenia jest zbadanie sił oporu jakie stawia żagiel lub budynek.
Procedura wymiany żagla na budynek (i odwrotnie):
1.Odchyl zacisk Z, wyjmij żagiel z prowadnicy i włóż go na oznaczone miejsce.
2.Wyciągnij z uchwytu model budynku, odchyl zacisk i włóż model do prowadnicy.
Metodyka badań sił działających na żagiel/budynek:
1. Nakieruj wentylator W na żagiel/budynek.
2. Włącz wentylator i odczytaj wartość sił w kierunku X i Y.
3.Wyznacz wartości sił dla różnych kątów ustawienia żagla/budynku względem kierunku
wiatru.
Na tym poziomie menu jest: film 10-20 sek. pokazujący ustawienie żagla/budynku,
ustawienie wentylatora i włączenie przepływu i stopklatka układu. Grafika pokazująca
wentylator elementy układu, strumień powietrza, siły działające /mierzone przez siłomierze.
3.3.1.a Odtwarzacz: szkic układu.
W- wentylator
Żaglówka/budynek
Siłomierz X
Siłomierz Y
Opis funkcjonalny :
W- wentylator
Ż- żaglówka/budynek
Siłomierz X
107
Siłomierz Y
3.3.1.b Okno odczytu wartości sił.
Ł/B
Fy
Fx
Fx= 1,5 N
α
Fy= 0,5 N
W
W oknie grafika przedstawiająca układ (widok z góry) : wentylatora -W, łódki/budynku -Ł/B,
Sił Fx i Fy, kąta α oraz dwa okienka z odczytem rzeczywistej wartości sił .
108
Studenci
3.3.1.N Czy żaglówka może płynąć prosto pod wiatr ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Nie może. Jednak, jeśli jej ożaglowanie jest odpowiednie i posiada kil lub miecz, to można
halsować i zygzakiem efektywnie płynąć pod wiatr. Cała sztuka, aby kierunek łódki i
ustawienie żagla względem wiatru było optymalne. Sprawdź , że siła oddziaływania wiatru
na żagiel zależy od kierunku wiatru. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
wybór NIE.
Nie może. Jednak, jeśli jej ożaglowanie jest odpowiednie i posiada kil lub miecz, to można
halsować i zygzakiem efektywnie płynąć pod wiatr. Cała sztuka aby kierunek łódki i
ustawienie żagla względem wiatru było optymalne. Sprawdź , że siła oddziaływania wiatru
na żagiel zależy od kierunku wiatru. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
3.3.2.N
Czy okrągły budynek stawia większy opór wiatrowi niż prostopadłościenny budynek
podobnej wielkości?
Tak
Nie
wybór TAK.
Nie powinien. Płaskie powierzchnie stawiają większy opór strumieniowi powietrza niż
powierzchnie zaokrąglone. Zbadaj siłę oporu modelu budynku The Gherkin (zwanym jajem) i
modelu typowego budynku z dzielnicy Morena w Gdańsku (prostopadłościenne pudełko).
wybór NIE.
Nie ponieważ, płaskie powierzchnie stawiają większy opór strumieniowi powietrza niż
powierzchnie zaokrąglone. Zbadaj siłę oporu modelu budynku The Gherkin (zwanym jajem) i
modelu typowego budynku z dzielnicy Morena w Gdańsku (prostopadłościenne pudełko).
109
Zadanie 3.3.1.S Opory powietrza dla „kształtnych” budynków .
Zbadaj wartość sił działających na budynek w funkcji kąta w zakresie od 0-900. Zbadaj
budynek The Gherkin oraz typowy budynek z dzielnicy Morena w Gdańsku
(prostopadłościenne pudełko). Zbadaj przy jakim kącie siły oporu są największe. (przejście
( ? –pomoc) Warto wyznaczyć np. co 100 wartości sił Fx i Fy . Następnie obliczyć wartość siły wypadkowej
F=Fx+Fy, czyli F=(Fx2+Fy2)0,5.
Zadanie 3.3.2.S Siła żagla.
Zbadaj wartość sił działających na żagiel w funkcji kąta w zakresie od 0-90°. Zbadaj przy
jakim kącie siła działająca wzdłuż osi jest największa. (przejście do poziomu menu
( ? –pomoc) Warto wyznaczyć np. co 100 wartości sił Fx i Fy. Następnie obliczyć składowe tych sił
działające wzdłuż osi łódki i je w odpowiedni sposób dodać.
110
3.4. Karta opisu :
Dźwięk a próżnia
3.4. Informacje ogólne
Dźwięk jest falą mechaniczną poruszającą się w ośrodku sprężystym. Takim ośrodkiem jest
gaz, ciecz i ciało stałe. W każdym z ośrodków dźwięk jest to poruszające się zaburzenie
gęstości ośrodka.
3.4.1. Zdjęcie układu doświadczalnego z zaznaczonymi elementami:
3.4. Przebieg Doświadczenia.
Włącz układ przyciskiem P.
Włącz radio, posłuchaj chwilę i otwórz zawór Z między pompą próżniową Pp i kloszem K.
Obserwuj manometr i słuchaj radia.
3.5. Odpowiedz na pytania.
Dlaczego dźwięk radia pod kloszem zanika po odpompowaniu powietrza pod kloszem ?
Czy w rzeczywistym (nie filmowym SF) kosmosie słychać będzie silniki przelatującego obok
statku kosmicznego ?
111
4.1. Cząstki we mgle.
a/ Menu główne:
Komora mgłowa
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Opis 1
Przebieg
Doświadczenia
opis dziłań
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Opis 2
Zadanie n
Uwagi
bezpieczeństwa
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedz
dla
studentów
odpowiedz
na TAK lub NIE
dla uczniów
112
4.1. Cząstki we mgle.
4.1 Drugi poziom menu:
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Przez całe życie przenikają przez nas cząstki jonizujące z kosmosu i te wytworzone na
Ziemi. Oprócz protonów, elektronów, neutronów, kwantów promieniowania gamma i innych
docierających z głębi kosmosu wiele cząstek pochodzi ze Słońca. Dzięki polu magnetycznemu
Ziemi tylko niewielka część z nich dociera do nas. Do cząstek pochodzących z kosmosu
dołączają cząstki powstałe w wyniku promieniotwórczości naturalnej niektórych
pierwiastków. Całe nasze środowisko, w którym człowiek żyje od setek tysięcy lat wypełnione
jest cząstkami jonizującymi o poziomie promieniowania nazywanym promieniowaniem tła.
4.1.1. Zorza. Grafika/ zdjęcie przedstawiające jak pole magnetyczne chroni Ziemię. Na
zdjęciu (rys.4.1.1.a) poruszają się wektory – symulacja ruchu cząstek. Po 10 s. płynne
przejście do zdjęcia zorzy.
Dwa zdania wyjaśniające.
Czas trwania filmu:15s .
Rys. 4.1.1 a Słońce i pole Ziemi. Grafika.
λ
Ziemia i pole
magnetyczne
Strumień cząstek –
wiatr słoneczny
Rys. 4.1.1 b Zorza- przykład zdjęcia.
113
Podpis do rys.4.1.1
Pole magnetyczne Ziemi kieruje większość wiatru słonecznego, czyli cząstek jonizujących w
kierunku biegunów. Tam cząstki jonizują powietrze tworząc fantastyczne w kształcie i
kolorystyce zorze. Czasami wiatr słoneczny jest tak duży, że cząstki pojawiają się masowo i w
naszych szerokościach geograficznych. Wtedy można spodziewać się zakłóceń w działaniu
sieci energetycznej, Internetu i elektroniki komunikacyjnej.
4.1.2. Pomiar tła. Film przedstawiający działający licznik GM - słychać impulsy i wskazania. Po
zbliżeniu do KCl 10 s odczytu. Dwa zdania wyjaśniające.
Rys. 4.1.2 Licznik GM np. typu ECO .
114
λ
KCl
Podpis do rys.4.1.2
Wokół nas i w nas można znaleźć pierwiastki promieniotwórcze. Licznik Geigera może
zmierzyć poziom promieniowania tła, a także wykazać, że na przykład część potasu
znajdującego się w ciele jest promieniotwórcza. To jest jeden z aspektów środowiska, w
którym żyjemy od setek tysięcy lat.
115
Komora mgłowa.
Dzięki zdolności cząstek do jonizacji można obserwować tor pojedynczych cząstek. W
komorze mgłowej, w której oprócz powietrza są pary alkoholu, szybka cząstka jonizuje na
swojej drodze molekuły powietrza. Jony powodują kondensację par alkoholu i powstaje
widoczna gołym okiem ścieżka z mgły. W ten sposób w pośredni sposób poznajemy tor , tor
ruchu cząstki jonizującej. Pomiar toru i prędkości takiej cząstki w polu magnetycznym
pozwala na jej identyfikację.
Doświadczenie polega na obserwacji promieniowania tła i cząstek materiałów
promieniotwórczych. Ze względu na zaawansowaną technikę doświadczenie wykonuje się
tylko pod okiem opiekuna-prowadzącego zajęcia.
4. Po zakończeniu obserwacji wyłącz układ .
W przypadku braku opiekuna warto przeanalizować nagranie tego
doświadczenia.
odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia: pokaz tła i promieniotwórczości
naturalnej.
Rys. 4.1.b Odtwarzacz. Szkic ekranu. Nagranie doświadczenia dla uczniów/uczestników bez
opieki prowadzącego.
4.1.b Podpis: Wyjaśnienie doświadczenia …
4.1.cOkno uwag
116
Uwaga: Środowisko z promieniowaniem elektromagnetycznym i jonizującym to nasze
środowisko.
Studenci
4.1.1.N Czy szybkie cząstki typu elektron, neutron, proton, kwant promieniowania
elektromagnetycznego mogą zjonizować inne cząstki?
Tak
Nie
wybór TAK.
Tak. Szybka cząstka zderzając się z inną może oddać pewną część swojej energii i wybić
elektron z innej cząstki. Powstanie swobodny elektron (ujemny ładunek) i dodatni jon.
Popatrz na nagraniu, że właściwie nie widać cząstek tylko skutek ich zderzeń –powstanie
mgły w miejscu, gdzie te jony powstały. (przejście do poziomu menu Przebieg
Doświadczenia).
wybór NIE.
Szybka cząstka zderzając się z inną może oddać pewną część swojej energii i wybić elektron z
innej cząstki. Powstanie swobodny elektron (ujemny ładunek) i dodatni jon. Popatrz na
nagraniu, że właściwie nie widać cząstek tylko skutek ich zderzeń –powstanie mgły w
miejscu, gdzie te jony powstały. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
4.1.2.N Czy pole magnetyczne zakrzywia tor cząstek jonizujących?
Tak
Nie
wybór TAK.
I tak i nie. Tak w przypadku cząstek naładowanych ładunkiem elektrycznym q np. elektrony,
pozytony, protony, cząstki α. Na poruszający się w polu magnetycznym ładunek może działać
siła Lorentza zmieniająca tor. Na cząstki nieposiadające ładunku np. neutrony, kwanty
gamma pole nie działa i nie zakłóca ich toru. Zobacz jak magnes wpływa na obraz ruchu
cząstek . (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
wybór NIE.
117
I tak i nie. Tak w przypadku cząstek naładowanych ładunkiem elektrycznym q np. elektrony,
pozytony, protony, cząstki α. Na poruszający się w polu magnetycznym ładunek może działać
siła Lorentza zmieniająca tor. Na cząstki nieposiadające ładunku np. neutrony, kwanty
gamma pole nie działa i nie zakłóca ich toru. Zobacz jak magnes wpływa na obraz ruchu
cząstek . (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
4.1.1.S Tło.
Zbadaj ile cząstek tła udało się zarejestrować w ciągu minuty na powierzchni 100cm2 .
( ? –pomoc) Zgodnie z instrukcją i pod okiem opiekuna uruchomić doświadczenie.
Uwaga: Trzeba z uwagą na wyznaczonym obszarze policzyć ślady. Powtórzyć pomiar 6-7
razy i uśrednić.
4.1.2.S Preparat promieniotwórczy.
Zbadaj produkty rozpadu preparatu promieniotwórczego przy użyciu magnesu. Czy można
rozpoznać jony dodatnie i elektrony ? (przejście do poziomu menu Przebieg
Doświadczenia).
( ? –pomoc) Zgodnie instrukcją i pod okiem opiekuna uruchomić doświadczenie. Zauważ, że w przypadku
cząstek naładowanych ładunkiem elektrycznym q np. elektrony, pozytony, protony, cząstki α
na poruszający się w polu magnetycznym ładunek może działać siła Lorentza zmieniająca
tor. Na cząstki nieposiadające ładunku np. neutrony, kwanty gamma pole nie działa i nie
zakłóca ich toru.
118
Uwaga ogólna:
Opis dotyczy sterowania układem za pomocą wbudowanego w stół obserwacyjny monitora
dotykowego. Poniższy projekt jest interfejsem użytkownika opartym na 20 calowym
monitorze dotykowym.
4.2.A.Satelita na orbicie Ziemi
0/ Podstawowy poziom Menu
Machina Coelestis
Satelita na orbicie Ziemi
Kometa w Układzie Słonecznym
Podróż na Księżyc
Satelita na orbicie
Ziemi.
a/ Menu główne:
Informacje ogólne
Zadania
Kometa…
Podróż...
Informacje ogólne
Przebieg
Doświadczenia
Zadania
Informacje ogólne
Przebieg
Doświadczenia
Zadania
Informacje ogólne
Opis 1
Opis 2
Przebieg
Doświadczenia
Zadania
opis dziłań
Zadanie 1
Info:
Bada
V
nie
Uwaga:
ruch
pr
W
celu
u
Satelita
na ęd
Uwagi
uruchomi
satel
orbicie
Ziemiko
bezpieczeństwa
enia
ity
ść
M=1000kg
geos
aplikacji
Na
orbicie Sa
tacjo
naciśnij
geostacjonar
tel
narn
przycisk
nej
ity
ego
Startu
Odległość
siła
Hot
prędkość okres
Bird.
obiegu
Zadanie 3
RS-Z [km] F[N]
V[km/s] T[godz]
Zadanie n
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedz
dla
studentów
odpowiedz
na TAK lub NIE
dla uczniów
119
Informacje ogólne
Uwaga: Informacje ogólne są takie same dla wszystkich trzech zadań głównych, czyli
Satelita na orbicie Ziemi, Kometa w Układzie Słonecznym i Podróż na Księżyc.
W przestrzeni kosmicznej o swobodnym ruchu ciał decydują siły grawitacji. W
przypadku ruchu małych mas M i m rządzi prawo powszechnego ciążenia Newtona
F=GMm/r2, gdzie r jest odległością między masami, a G stałą grawitacji.
W przestrzeni kosmicznej mamy do czynienia z obiektami o dużych i bardzo dużych
masach. Wtedy właściwym opisem jest opis ruchu na bazie Ogólnej Teorii Względności
Einsteina, dla której przestrzeń jest zaginana przez pole grawitacyjne.
Trzy zdjęcia 4.1.1 ; 4.1.2 i 4.1.3 z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie
aplikacji. Aplikacja wyświetlana jest na stole-ekranie.
4.2.1.a Satelita na orbicie. Grafika/zdjęcie przedstawiające Ziemię i bardzo dużo torów
kołowych niskich orbit – satelity GPS, dalekich – geostacjonarnych oraz eliptycznych. Układ
ten sam co ekranie 4.2.A. Prawo grawitacji w oknie. Dwa zdania wyjaśniające.
Model zgodny z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna.
Czas trwania filmu:15-25s .
Rys. 4.2.1 Ziemia i satelity. Grafika.
Fg=G Mzms/r2
Mz
gdzie……
r
Fg
ms
4.2.1.a Podpis:
Wokół Ziemi po niskich i dalekich orbitach kołowych lub eliptycznych krąży tysiące satelitów
komunikacyjnych i naukowych oraz… kosmiczne śmieci…. Jedyną siłą działająca na te
obiekty jest siła grawitacji Fg. To ona powoduje, że obiekty orbitują po torach eliptycznych lub
kołowych (koło to szczególny przypadek elipsy).
4.2.2. Komety. Grafika przedstawiająca Układ słoneczny taki jak 4.2.B. Na grafice kilka torów
komet : okresowych i hiperbolicznych. Prawo grawitacji w oknie. Dwa zdania wyjaśniające.
120
Model zgodny z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna.
Czas trwania filmu:15-25s .
Rys. 4.2.2 Układ Słoneczny i komety. Grafika.
Fg=G Mzms/r2
gdzie……
r
Fg
ms
W Układzie Słonecznym porusza się mnóstwo obiektów. Komety, asteroidy, planety poruszają
się po niskich i dalekich orbitach, po orbitach kołowych, eliptycznych, hiperbolicznych
zmiennych. Jedyną siłą działająca na te obiekty jest siła grawitacji Fg. Ruch po orbitach
eliptycznych opisują prawa Keplera.
I prawo: Każda planeta Układu Słonecznego porusza się wokół Słońca po elipsie, w której w
jednym z ognisk jest Słońce.
II prawo: W równych odstępach czasu, promień wodzący planety poprowadzony od Słońca
zakreśla równe pola.
III prawo: Stosunek kwadratu okresu obiegu planety wokół Słońca do sześcianu wielkiej półosi jej
orbity (czyli średniej odległości od Słońca) jest stały dla wszystkich planet w Układzie Słonecznym.
4.2.3. Apollo 11. Zdjęcie człowieka na Księżycu. Dwa zdania wyjaśniające.
121
Podpis. 4.2.3
Apollo 11 – misja kosmiczna, której głównym celem było pierwsze lądowanie człowieka na
Księżycu. Lądowanie nastąpiło 20 lipca 1969 roku. Był to „ mały krok człowieka, ale wielki
krok ludzkości”
Uwaga:
W Archiwach Narodowych w Waszyngtonie znajduje się kopia notatki z 18 czerwca 1969 r.,
zatytułowanej Na wypadek katastrofy na Księżycu. Notatka zawiera tekst orędzia, które prezydent
Richard Nixon miał wygłosić, gdyby astronauci nie byli w stanie powrócić na Ziemię….
122
4.2.A Machina Coelestis. Satelita na orbicie Ziemi.
4.2.A.b.Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia
Założenia programowe:
1. Główne założenia scenariusza: Jest to pokaz ruchu satelity w płaszczyźnie równika wokół
obracającej się Ziemi. Parametry początkowe programu to ruch po orbicie geostacjonarnej.
Pierwszym etapem doświadczenia jest obserwacja ruchu konkretnego satelity
geostacjonarnego przy zadanym kierunku i wartości wektora prędkości początkowej. Po
wykonaniu tej części doświadczenia program umożliwia zmianę parametrów prędkości
początkowej i wykonanie doświadczenie z ruchem satelity w dowolnym kierunku.
Tor satelity obliczony jest uwzględniając tylko pole grawitacyjne Ziemi. W przypadku
uderzenia w Ziemię program powinien przewidywać pokazanie efektu zderzenia.
2. Zasada działania: Po starcie program oblicza tor ruchu na podstawie prawa ciążenia oraz
informacji o prędkości początkowej. Na ekranie - stole następuje wizualizacja ruchu satelity z
zachowaniem praw ruchu z przeskalowanym czasem i odległości. Jednocześnie pokazane są
wektory promienia wodzącego R, siły grawitacji F, okres obiegu T i prędkości satelity V. Ich
długość odwzorowuje wartość i może być zmienne podczas ruchu. Wartości pokazywane są
w oknach parametrów zmieniają się co np.1sekundę.
3. Skalowanie: ze względu na długość czasu i rozmiar badanego układu konieczne jest
przeskalowanie czasu i odległości. Propozycja:
skalowanie czasu dla tego przypadku: 10s=24h,
skalowanie odległości: 1 cm= 1000km,
rozmiar Ziemi i promień orbity proporcjonalne,
rozmiar satelity – bez skalowania (np.2cm).
4. Interfejs użytkownika: monitor dotykowy wbudowany w stół. Na monitorze typowy
odtwarzacz z niezbędnymi informacjami.
10. Ogólny obraz ekranu/stołu
RSatelita-Ziemia
FSiła grawitacji
Monitor
operator
a
123
4.2.A.b1. Ogólny obraz ekranu monitora sterującego:
Back
Info: Badanie ruchu satelity
geostacjonarnego Hot Bird.
M=1000kg
Na orbicie geostacjonarnej
Odległość
siła
RS-Z [km] F[N]
23000
200
Fg
prędkość okres obiegu
V[km/s] T[godz]
3, 08
V prędkość Satelity
24
Uwaga: W celu uruchomienia aplikacji naciśnij
przycisk Startu
Powrót
Replay
Opis funkcjonalny:
1. Przyciski odtwarzacza:
Przycisk Start/Stop: możliwość wystartowania, zatrzymania, kontynuacji.
Przycisk Powtórka/Replay: powrót do parametrów początkowych satelity geostacjonarnej.
Program powinien automatycznie przechodzić do menu głównego w przypadku braku
działania operatora np. przez 3minuty.
Przycisk Powrót/Back: powrót do menu głównego.
2.Okno Info: Aktualny temat badań.
3. Okno uwag: Informacje dla operatora zależne od sytuacji np. Uwaga: Naciśnij start i
obserwuj jak porusza się satelita geostacjonarny. Po wykonaniu pierwszego doświadczenia obserwacji satelity geostacjonarnego w oknie Uwag dla operatora: Zmień prędkość - przesuń
początek wektora prędkości i obserwuj, jak porusza się satelita wystrzelony z tą prędkością.
W przypadku, gdy okres obiegu T jest nieracjonalnie duży np. T>60s generowany jest
odpowiedni komunikat.
4.Okno parametrów lotu: dane satelity, odległości, sił, prędkości i okresu obiegu. Wartości
zmiennych wielkości wyświetlają się w tabeli i są aktualizowane np. co.1s.
5. Wektor prędkości : wektor od długości ok. 3cm=1km/s, przyczepiony do zdjęcia satelity.
Po wykonaniu badania satelity geostacjonarnego, przeciągając czerwony punkt można
zmienić parametry jego prędkości początkowej.
124
4.2.A.c Drugi poziom menu Zadania
Studenci
4.2.A.N. Poziom : Zadania dla uczniów
4.2A.1.N
Czy energia potencjalna i kinetyczna satelity geostacjonarnego nie zmienia się w czasie ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Tak. Ruch satelity geostacjonarnego to przypadek ruchu jednostajnego po okręgu. Siła
grawitacji działając prostopadle do wektora prędkości zmienia jego kierunek, ale nie zmienia
wartości prędkości. Satelita na tej orbicie ma energię kinetyczną Ek=mV2/2 i energię
potencjalną grawitacji Ep=-GMm/r. Oblicz energię kinetyczną satelity i sprawdź , czy
rzeczywiście wartość prędkości nie ulega zmianie. (przejście do poziomu menu Przebieg
Doświadczenia).
wybór NIE.
Jednak tak. Ruch satelity geostacjonarnego to przypadek ruchu jednostajnego po okręgu.
Siła grawitacji działając prostopadle do wektora prędkości zmienia jego kierunek, ale nie
zmienia wartości prędkości. Satelita na tej orbicie ma energię kinetyczną Ek=mV2/2 i energię
potencjalną grawitacji Ep=-GMm/r. Oblicz energię kinetyczną satelity i sprawdź , czy
rzeczywiście wartość prędkości nie ulega zmianie. (przejście do poziomu menu Przebieg
Doświadczenia).
4.2.A.2.N
Czy satelita geostacjonarny może spaść na Ziemię w przypadku np. zmniejszeni prędkości
w wyniku zderzenia z kosmicznym śmieciem ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Tak. Wykonaj doświadczenie sprawdzające hipotezę.:(przejście do poziomu menu Przebieg
Doświadczenia).
wybór NIE.
Tak. Wykonaj doświadczenie sprawdzające hipotezę. (przejście do poziomu menu Przebieg
Doświadczenia).
125
4.2A.1S. Poziom : Zadania dla studentów
4.2A.1.S Energia w polu grawitacyjnym.
Wyznacz energię kinetyczną, energię potencjalną i całkowitą satelity geostacjonarnego.
( ? –pomoc) Odczytaj wartości odpowiednich wektorów. Satelita na tej orbicie ma energię kinetyczną
Ek=mV2/2 i energię potencjalną grawitacji Ep=-GMm/r. Ec= Ek+Ep.
M-masa Ziemi M=6 ·1024kg.
G-stała grawitacji G=6,7 10-11 m3/kgs2.
4.2.A.2.S Energia ucieczki.
Wyznacz prędkość przy której satelita opuści na zawsze obszar przyciągania Ziemi.
( ? –pomoc) Prędkość musi być minimalnie taka, aby energia całkowita była równa zero.
4.2.A.3.S Sprawdź zasadność trzeciego prawa Keplera dla modelu satelity poruszającego
się po kole i elipsie.
( ? –pomoc) Ustaw prędkość satelity tak, aby poruszał się po elipsie. Zmierz półoś elipsy i okres oraz
porównaj wynik z orbitą kołową.
Rys.423s. Graficzne przedstawienie drugiego prawa Keplera oraz definicja wielkiej półosi
elipsy.
Δs=VΔt
Δs=VΔt - droga satelity/komety w
ciągu krótkiego czasu Δt
ΔA
Półoś elipsy
ΔA - pole wyznaczone przez ruch
promienia wodzącego w ciągu
krótkiego czasu Δt
ΔA
126
4.2.B Kometa w Układzie Słonecznym
Machina Coelestis
Kometa w Układzie
Sł.
Informacje ogólne
Zadania
a/ Menu główne:
Satelita na
orbicie Ziemi.
Księżyc
Informacje ogólne
Przebieg
Doświadczenia
Zadania
Informacje ogólne
Przebieg
Doświadczenia
Zadania
Informacje ogólne
Op. 4.1.1
Przebieg
Doświadczenia
opis dziłań
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Op, 4.2.2
Zadanie n
Uwagi
bezpieczeństwa
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedz
dla
studentów
odpowiedz
na TAK lub NIE
dla uczniów
127
4.2.B Kometa w Układzie Słonecznym
4.2.B.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia
1. Główne założenia scenariusza: Jest to pokaz ruchu komet/asteroid w płaszczyźnie równika
Słońca. Tłem to Układ Słoneczny do orbity Jowisza włącznie, jednak tor jest obliczany
uwzględniając tylko pole grawitacyjne Jowisza i Słońca. Pozostałe planety można zaniedbać.
Po zbliżeniu do Słońca pojawia się warkocz komety i rośnie do peryhelium. W przypadku
kolizji z Jowiszem lub Słońcem program automatycznie rozwija okno powiększenia, na
którym na tle zdjęcia Jowisza lub Słońca następuje eksplozja komety w przypadku uderzenia.
Parametry początkowe programu to ruch Komety 4P/Faye. Pierwszym etapem
doświadczenia jest obserwacja ruchu komety Faye przy zadanym kierunku i wartości wektora
prędkości początkowej. Po wykonaniu tej części program umożliwia zmianę parametrów
prędkości początkowej i wykonanie doświadczenie z ruchem komety w dowolnym kierunku.
informacji o prędkości początkowej. Potem następuje wizualizacja ruchu komety z
zachowaniem praw ruchu z przeskalowanym czasem. Jednocześnie pokazane są wektory
promienia wodzącego R, siły grawitacji F i prędkości komety V. Wartości pokazywane są w
oknach parametrów zmieniają się co np.1sekundę.
skalowanie czasu dla tego przypadku: 10s=2 lata,
skalowanie odległości: 4 cm= 1 j.a.,
rozmiar Słońca, promień orbity; rozmiar komety – bez zachowania proporcji.
Jowisz w odległości ok. 2/3 promienia ekranu.
Jowisz
Rkometa-Słońce
FSiła grawitacji
Monitor
operator
a
128
4.2.B.b1. Ogólny obraz ekranu monitora sterującego:
Info: Badanie ruchu komety
Faye.
Back
Kometa Faye
M= kg, Średnica =4,5km
Na orbicie okresowej
Odległość
siła
RK-S [j.a] F[N]
6,2
yyy
V[km/s] T[lata]
xxx
V prędkość kometty
7,5
Uwaga: W celu uruchomienia aplikacji
naciśnij przycisk Startu
Powrót
Replay
Opis funkcjonalny:
Przycisk Powtórka/Replay: powrót do parametrów początkowych komety. Program powinien
automatycznie przechodzić do menu głównego w przypadku braku działania operatora np.
przez 3minuty.
3. Okno uwag: Informacje dla operatora zależne od sytuacji np. Uwaga: Naciśnij start i
obserwuj jak porusza się kometa Faye. Po wykonaniu pierwszego doświadczenia obserwacji komety Faye w oknie uwag dla operatora: Zmień prędkość - przesuń początek
wektora prędkości i obserwuj, jak porusza się kometa poruszająca się z tą prędkością. W
przypadku, gdy okres obiegu T jest nieracjonalnie duży np. T>60s generowany jest
odpowiedni komunikat.
4.Okno parametrów lotu: dane komety, odległości, sił, prędkości i okresu obiegu. Wartości
tych wielkości wyświetlają się w tabeli i są aktualizowane np. co.1s.
5. Wektor prędkości: wektor od długości ok. 10cm, przyczepiony do zdjęcia komety. Po
wykonaniu badania komety Faye, przeciągając czerwony punkt można zmienić parametry
jego prędkości początkowej.
129
4.2.B.c Drugi poziom menu Zadania
Studenci
4.2.B.N. Poziom : Zadania dla uczniów
4.2B.1.N
Czy kometa może zmienić swój tor ruchu przemierzając obszar planet ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Tak. Szczególnie ważny jest Jowisz zwany wymiataczem komet. Jowisz ma tak silne pole
grawitacyjne, że może wytrącić z toru, pochłonąć kometę lub wykreować nową. Wykonaj
doświadczenie kierując kometę w pobliże Jowisza. (przejście do poziomu menu Przebieg
Doświadczenia).
wybór NIE.
Tak. Szczególnie ważny jest Jowisz zwany wymiataczem komet. Jowisz ma tak silne pole
grawitacyjne, że może wytrącić z toru, pochłonąć kometę lub wykreować nową. Wykonaj
doświadczenie kierując kometę w pobliże Jowisza. (przejście do poziomu menu Przebieg
Doświadczenia).
4.2B.2.N
Czy kometa Faye będzie podróżowała przez milion lat po tym samym torze ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Nie. Z każdym zbliżeniem do Słońca kometa traci miliony ton materiału (lodu i pyłów)
systematycznie zmieniając swoją orbitę. Czeka ją w końcu zagłada. Warkocz komety to
utracony materiał komety odbijający światło słońca. Ciekawe, że warkocz komety tworzy się
zawsze od Słońca. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
wybór NIE.
Nie. Z każdym zbliżeniem do Słońca kometa traci miliony ton materiału (lodu i pyłów)
systematycznie zmieniając swoją orbitę. Czeka ją w końcu zagłada. Warkocz komety to
utracony materiał komety odbijający światło słońca. Ciekawe, że warkocz komety tworzy się
zawsze od Słońca. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
4.2.B S. Poziom : Zadania dla studentów
130
4.2.1.S Komety okresowe.
Wyznacz energię całkowitą komety Faye w co najmniej trzech punktach lotu (punkt startu,
peryhelium i w innym dowolnym punkcie)
Wyznacz prędkość komety dla, której kometa opuści Układ Słoneczny na zawsze.
( ? –pomoc) Można doświadczalnie próbować zwiększać prędkość. Można też oszacować wartość
prędkości na bazie zasady zachowania energii.
4.2.B.2.S Sprawdź zasadność trzeciego prawa Keplera dla komety poruszającej się po kole i
elipsie.
( ? –pomoc) Ustaw prędkość satelity tak aby poruszał się po elipsie. Zmierz półoś elipsy i okres orbity oraz
porównaj wynik z orbitą kołową.
131
4.2.C Podróż na Księżyc
Machina Coelestis
Informacje ogólne
Zadania
a/ Menu główne:
Satelita na
orbicie Ziemi.
Kometa..
Informacje ogólne
Przebieg
Doświadczenia
Zadania
Informacje ogólne
Przebieg
Doświadczenia
Zadania
Informacje ogólne
Op.4.2.2
Przebieg
Doświadczenia
opis dziłań
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Op.4.2.3
Zadanie n
Uwagi
bezpieczeństwa
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedz
dla
studentów
odpowiedz
na TAK lub NIE
dla uczniów
132
4.2.C.b Machina Coelestis. Podróż na Księżyc.
4.2.C.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia
1. Główne założenia scenariusza: Jest to pokaz ruchu statku Apollo11 na tle Ziemi i Księżyca.
Tor obliczany uwzględniając pole grawitacyjne Ziemi i Księżyca. W przypadku włączenia
silników hamujących program uwzględnia dodatkową siłę. W sytuacji, gdy statek znajduje
się w pobliżu Księżyca (np. ok.10 tys.km) program automatycznie powiększa obraz sytuacji.
W ten sposób można będzie pokazać tarczę/zdjęcie Księżyca i moment wejścia na orbitę (lub
katastrofy).
Opcja: Uwzględnić ruch orbitalny Księżyca.
Parametry początkowe programu to ruch Apollo 11. Pierwszym etapem doświadczenia jest
obserwacja ruchu Apolla przy zadanym kierunku i wartości wektora prędkości początkowej.
Po wykonaniu tej części program umożliwia zmianę parametrów prędkości początkowej i
wykonanie doświadczenie z ruchem statku w dowolnym kierunku.
informacji o prędkości początkowej. Potem następuje wizualizacja ruchu statku z
zachowaniem praw ruchu z przeskalowanym czasem. Jednocześnie pokazane są wektory
promienia wodzącego R, siły grawitacji F i prędkości statku V. Wartości zmiennych
pokazywane są w oknach parametrów zmieniają się co np.1sekundę.
skalowanie czasu dla tego przypadku: 10s=1 dzień
skalowanie odległości: 30 cm= 100000 km,
rozmiar Ziemi i Księżyca: ok. Ziemia 4cm, Księżyc 1.2 cm
promień orbity; rozmiar statku– bez zachowania proporcji.
Księżyc
Ekran operatora
133
4.2.C.b1. Ogólny obraz ekranu monitora sterującego (full screen):
Info: Podróż Apollo 11
DrogaZ-K =380000km
Apollo 11
M= kg,
Odległość
siła
V prędkość Statku
RS-Z [tys.km] F[MN] V[km/s] t[godz]
62
yyy
xxx
56
Uwaga: W celu uruchomienia aplikacji
naciśnij przycisk Startu
Silnik hamujący
Powrót
p
Opis funkcjonalny:
Przycisk Powtórka/Replay: powrót do parametrów początkowych komety. Program powinien
automatycznie przechodzić do menu głównego w przypadku braku działania operatora np.
przez 3minuty.
Przycisk Silniki hamujące: włączanie silników
3.Okno uwag: Informacje dla operatora zależne od sytuacji np. Uwaga: Naciśnij start i
zobacz jak wyglądała historyczna podróż Apolla11.
Po wykonaniu pierwszego doświadczenia - obserwacji lotu Apolla11 w oknie uwag dla
operatora: Zmień prędkość - przesuń początek wektora prędkości i obserwuj, jak porusza się
statek z tą prędkością początkową. Sprawdź, czy wejdziesz na orbitę Księżyca za pomocą
silników hamujących. W przypadku, gdy okres obiegu T jest nieracjonalnie duży np. T>60s
generowany jest odpowiedni komunikat typu. Wyleciałeś poza układ Ziemi. Przewidywany
czas powrotu - nigdy.
4.Okno parametrów lotu: dane statku, odległości, sił, prędkości i okresu obiegu. Wartości
tych wielkości wyświetlają się w tabeli i są aktualizowane np. co.1s.
134
5. Wektor prędkości: wektor od długości ok. 10cm, przyczepiony do zdjęcia statku. Po
wykonaniu lotu na Księżyc Appolla, przeciągając czerwony punkt można zmienić parametry
jego prędkości początkowej i polecieć....
135
4.2.C.c Drugi poziom menu Zadania
Studenci
4.2.C.N. Poziom : Zadania dla uczniów
4.2.C1.N
Czy załoga Apolla 11 miała szansę wrócić na Ziemię, gdyby w wyniku błędu statek
przeleciał by zbyt daleko od Księżyca?
Tak
Nie
wybór TAK.
Niestety nie. Zapas paliwa wystarczał na powrót tylko przy założeniu wejścia na orbitę
Księżyca. Wykonaj doświadczenie: skieruj Statek obok Księżyca. (przejście do poziomu menu
wybór NIE.
Niestety nie. Zapas paliwa wystarczał na powrót tylko przy założeniu wejścia na orbitę
Księżyca. Wykonaj doświadczenie: skieruj Statek obok Księżyca. (przejście do poziomu menu
4.2.C.2.N Czy istnieje
równoważą?
punkt na osi Ziemia-Księżyc dla którego siły przyciągania się
wybór TAK.
Tak. Jest taki punkt. Wyznacz go doświadczalnie obserwując siłę działającą na statek lecący
na Księżyc. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
wybór NIE.
Jednak tak. Jest taki punkt. Wyznacz go doświadczalnie obserwując siłę działającą na statek
lecący na Księżyc. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
4.2.C.3.N Czy podczas podróży na Księżyc astronauci cały czas odczuwali stan nieważkości?
wybór TAK.
Nie. Podczas przyspieszania i hamowania statku działała na nich siła bezwładności. W
przypadku lotu swobodnego astronauci pracowali w stanie nieważkości. (przejście do
wybór NIE.
Nie. Podczas przyspieszania i hamowania statku działała na nich siła bezwładności. W
przypadku lotu swobodnego astronauci pracowali w stanie nieważkości. (przejście do
136
4.2.C S. Poziom : Zadania dla studentów
4.2.C1.S Wyznacz jaką energię statku w punkcie równowagi sił grawitacyjnych Ziemi i
Księżyca.
( ? –pomoc) Wyznacz punkt doświadczalnie obserwując siłę działającą na statek lecący na Księżyc i
sprawdź jaką prędkość ma statek w tym punkcie.
4.2.C2.S Oszacuj jaką pracę muszą wykonać silniki hamujące) aby statek wszedł na niską
orbitę Księżyca.
( ? –pomoc) Określ energię jaką miałby statek gdyby przeleciał w pobliżu Księżyca bez hamowania oraz
energię statku na orbicie Księżyca. Różnica tych energii musi być pracą silników.
4.2.C3.S Droga Ziemia Księżyc.
Znajdź punkt równowagi sił grawitacyjnych Ziemi i Księżyca. Jakie będą skutki zbyt
wczesnego lub zbyt późnego włączenia silników hamujących? (przejście do poziomu menu
( ? –pomoc) Sprawdź wynik kilku symulacji - dla różnych czasów włączenia silników.
137
a/ Menu główne:
Czujny siłownik
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Opis 1
Przebieg
Doświadczenia
opis dziłań
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Opis 2
Zadanie n
Uwagi
bezpieczeństwa
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedz
dla
studentów
odpowiedz
na TAK lub NIE
dla uczniów
138
5.1.a Drugi poziom menu: Informacje ogólne
Siłowniki to urządzenia pozwalające na kontrolowany ruch obiektów. Źródłem siły
może być różnica ciśnień płynów (siłowniki pneumatyczne i hydrauliczne) lub pole
elektromagnetyczne – siłowniki elektryczne.
5.1.1-klip Siłownik pneumatyczny. Film przedstawiający siłownik pneumatyczny użyty w
doświadczeniu. Następnie stopklatka i przejście do animacji –korpus, przekrój, tłok, zawory .
Film 10 sekund, animacja do 20 sekund.
5.1.1 Odtwarzacz: Przykład początku animacji ruch tłoka w lewą stronę.
F= ( p1-p2) S
p2 TS powierzchnia tłoka p1
F siła
ciśnienie wyjściowe
P2
P1 ciśnienie wejściowe
Podpis do Rys.5.1.1
Siłownik pneumatyczny to urządzenie mechaniczne, zamieniające ciśnienie powietrza lub
innego gazu na przemieszczenie elementów albo wzdłużne, albo wokół swojej osi.
Doprowadzenie gazu pod ciśnieniem p1 większym lub mniejszym od ciśnienia
atmosferycznego do jednej z komór siłownika powoduje przemieszczenie się tłoka wewnątrz
cylindra i końcówki roboczej zamocowanej do tego tłoka. Konstrukcja siłownika określa, czy
przemieszczenie to będzie wzdłużne, czy kątowe.
,
139
5.1.2-klip Siłownik liniowy elektryczny. Film przedstawiający siłownik elektryczny użyty w
doświadczeniu. Następnie stopklatka i przejście do animacji – korpus, przekrój. Film 10
sekund, animacja do 20 sekund.
Całość zgodna z wiedzą na siłownika.
5.1.2 Odtwarzacz: Przykład przekroju siłownika – podstawa do animacji.
Silnik
elektryczny
Śruba długa
Trzpień
wyjściowy
Tłok na
prowadnicach
Podpis do rys.5.1.2.
Elektryczne siłowniki (aktuatory liniowe) stosowane są powszechnie w automatyce
przemysłowej. Jest wiele rozwiązań zamiany energii prądu elektrycznego na ruch posuwisty.
Można np. silnikiem elektrycznym obracać długą śrubę, powodując ruch wzdłużny „tłoka” na
prowadnicach. Trzpień połączony z tłokiem jest elementem wykonawczym.
140
Czujny siłownik.
Doświadczenie polega na zbadaniu reakcji ruchomego obiektu wyposażonego w czujniki
ruchu. Obiektem jest kula K uzbrojona w dwa czujniki ruchu C. Możliwość obrotu zapewnia
siłownik O, ruchu w pionie siłownik pneumatyczny P i elektryczny EL. Odpowiednie
oprogramowania powoduje, że kula unika zbliżających się obiektów – manewr uniku
Wykonanie badań:
1. Zobacz jak porusza się kula sterowana ręcznie z poziomu komputera.
2. Włącz program „unik”. Zbliż wolno dłoń do kuli i obserwuj jej reakcję.
3. Zbliżaj wolno dłoń do kuli z różnych kierunków.
Na tym poziomie menu w odtwarzaczu 15 sek. klip pokazujący działanie kuli.
5.1.1b Odtwarzacz: Rzeczywisty układ.
5.1.1.b. Program automatycznej reakcji-odsunięcia na zbliżenie obiektu do kuli z czujnikami.
5.1.1.d. Okno programu sterującego: dwa suwaki pozwalające na ruch siłowników, jeden
obrotowy i włącznik/wyłącznik programu z wyłącznikiem czasowym.
Siłownik pneum.
Siłownik elektr.
Włącznik
programu
Sił. obrotowy
5.1.1c Okno uwag:
Uwaga: Z kulą obchodzić się należytą ostrożnością.
141
Studenci
5.1.1.N Czy reakcja na próbę zbliżenia dłoni układu kuli jest natychmiastowa ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Nie. Każdy z elementów układu reaguje z pewnym opóźnieniem. Szczególnie duży czas
reakcji mogą wykazać siłowniki. Sprawdź, jak układ kuli reaguje, gdy wolno zbliżysz rękę do
kuli. Zobacz jak reaguje układ, gdy nieco szybciej zbliżysz dłoń (tylko nie uderzaj).
wybór Nie .
Nie. Każdy z elementów układu reaguje z pewnym opóźnieniem. Szczególnie duży czas
reakcji mogą wykazać siłowniki. Sprawdź, jak układ kuli reaguje, gdy wolno zbliżysz rękę do
kuli. Zobacz jak reaguje układ, gdy nieco szybciej zbliżysz dłoń (tylko nie uderzaj).
5.1.2.N Czy kula „czujna” jest ze wszystkich stron ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Raczej nie. Musiała by mieć więcej czujników ruchu dookoła. Przy trzech czujnikach można
znaleźć tzw. martwą strefę. Sprawdź czy ten układ ma martwą strefę i czy możesz delikatnie
dotknąć palcem powierzchnię kuli nie powodując jej reakcji.
wybór NIE.
Raczej nie. Musiała by mieć więcej czujników ruchu dookoła. Przy trzech czujnikach można
znaleźć tzw. martwą strefę. Sprawdź czy ten układ ma martwą strefę i możesz delikatnie
dotknąć palcem powierzchnię kuli nie powodując jej reakcji.
142
5.1.1.S Siłowniki.
Zbadaj maksymalne obszar działania zachowania typu „unik” w układzie.
( ? –pomoc) Naszkicuj obszar.
5.1.2.S Znajdź strefę martwą układu śledzenia oraz sprawdź, czy można oszukać czujnik
zbliżając bardzo wolno dłoń do kuli. Oceń maksymalną prędkość reakcji układu. (przejście
( ? –pomoc) Należy oszacować czas potrzebny na „ucieczkę” kuli od maksymalnego wychylenia w przód
do maksymalnego wychylenia do tyłu.
143
Maszyny Leonarda
a/ Menu główne:
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Opis 1
Przebieg
Doświadczenia
opis dziłań
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Opis 2
Zadanie n
Uwagi
bezpieczeństwa
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedz
dla
studentów
odpowiedz
na TAK lub NIE
dla uczniów
144
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Leonardo da Vinci był mistrzem zasad mechaniki. Wprowadził do użycia dźwignie, wsporniki,
koła pasowe, korby, mechanizmy zębatkowe. Wynalazki Leonarda są sprzed ery patentów,
dlatego nie można z całą pewnością stwierdzić, jak wiele z jego wynalazków weszło do
użytku, wywierając wpływ na życie wielu ludzi. Niektóre z nich to podpierane mosty,
automatyczna nawijarka, maszyna do testowania wytrzymałości drutu na rozciąganie.
Wikipedia.
5.2.1-klip Leonardo da Vinci. Zdjęcia ważnych szkiców Leonarda.
Rys.5.2.1 Szkice.
ω
Leonardo da Vinci (1452-1515) - malarz, architekt, filozof, muzyk, pisarz, odkrywca, matematyk,
mechanik, anatom, wynalazca, geolog - jednym słowem geniusz. Namalował, naszkicował,
zaprojektował rzeczy, które dzisiaj podziwiamy, budujemy i wykorzystujemy.
145
5.2.2-klip Przekładnia łańcuchowa. Zdjęcie modelu przekładni łańcuchowej z podpisem
Model przekładni łańcuchowej Leonarda da Vinci. Po 5 sekundach film przedstawiający
przekładnię rowerową podczas pracy (10s) i stopklatka: nałożona grafika - Siły, promienie ,
Momenty sił i prędkości obrotowe. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki
i dydaktycznie poprawna.
Rys.5.2.2a Przekładnia łańcuchowa L.
ω
Model przekładni łańcuchowej
Rys.5.2.2b Przekładnia łańcuchowa roweru.
N
R2
N
R1
R
F
Podpis do rys.5.2.2
Przekładnia łańcuchowa Leonarda przydaje się w rowerze. Naciskając pedał siłą F
powodujemy obrót koła zębatego o promieniu R1 i naprężenie nałożonego na nie łańcucha
146
siłą N. Tę siłę N łańcuch "przenosi" na mniejsze koło zębate o promieniu R2 , wymuszając
jego obrót. Obrót koła zębatego oznacza obrót całego koła.
147
Maszyny Leonarda.
Celem badań jest obserwacja zasady działania ciągu maszyn prostych wzorowanych na
pomysłach Leonarda.
Kołowrotem K, nawijając stalową linkę przechodzącą przez bloczek B, można podnieść
ciężar Q=100N na wysokość H=1,8m. W ten sposób energia operatora zamienia się na
energię potencjalną ciężaru Q.
Opadający ciężar Q za pośrednictwem przekładni łańcuchowej PŁ, przekładni kątowej PK,
przekładni pasowej PP napędza kształtkę KP. Obracająca się kształtka, z każdym obrotem
podnosi i opuszcza młot MŁ. W Ten sposób zmagazynowana energia człowieka częściowo
oddana jest w postaci pracy młota. Podobne rozwiązanie zastosowano w zabytkowej kuźni w
Gdańsku Oliwie z tym, że w kuźni wykorzystano energię wody.
Na tym poziomie menu w odtwarzaczu 15 sek. klip pokazujący: poniesienie Q, uruchomienie i ruch
młota. Stopklatka, na której opis poszczególnych elementów.
Rys. 5.2.b Odtwarzacz. Szkic ekranu ze stop klatką.
Legenda:
BK
Q=
PŁ
B
H
PK PP
K
MŁ
KP
Q
Q
K
BK Pł
PP
PK
KD
KP
Mł KD
Opis funkcjonalny (legenda):
1.K- korba
2.B-bloczek nieruchomy
3.BK- bloczek nieruchomy z kołem zębatym przekładni łańcuchowej
4.Pł- przekładnia łańcuchowa
5.PK- przekładnia kątowa
148
6.PP-przekładnia pasowa
8.Mł- młot
7.KP- kształtka na kole przekładni
9.KD- kowadło.
5.2.b2Okno uwag:
Uwaga: Podniesienie ciężaru Q wymaga trochę wysiłku. Po zakończeniu (puszczeniu korby)
ciężar automatycznie zacznie opadać.
149
Studenci
5.2.1.N Czy zastosowanie kołowrotu pomaga przy podniesieniu znacznych ciężarów ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Tak. Kołowrót działa tak ja dźwignia jednostronna.
r
Kręcąc korbą o promieniu R siłą F, nawijamy linkę lub
łańcuch na wewnętrzny wał o promieniu r kilkukrotnie
mniejszy od promienia korby. W ten sposób można
podnieść na lince znaczny ciężar.
Gdy podnosimy ciężar ruchem jednostajnym, spełniona
jest równość momentów siły: FR=rQ.
Q
Policz, jaką siłą F musisz działać, aby w układzie doświadczalnym
Podnieść ciężar Q =100N, jeśli R=20cm i r=5cm. Wykonaj doświadczenie.
wybór Nie .
Jednak tak. Kołowrót działa tak ja dźwignia jednostronna.
r
Kręcąc korbą o promieniu R siłą F nawijamy linkę lub
łańcuch na wewnętrzny wał o promieniu r kilkukrotnie
mniejszy od promienia korby. W ten sposób można
podnieść na lince znaczny ciężar.
Gdy podnosimy ciężar ruchem jednostajnym spełniona
jest równość momentów siły: FR=rQ.
Q
Policz, jaką siłą F musisz działać, aby w układzie doświadczalnym
Podnieść ciężar Q =100N jeśli R=20cm i r=5cm. Wykonaj doświadczenie.
(przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia)
R
F
R
F
5.2.2.N Czy cała energia zgromadzona w podniesionym ciężarze Q zamieni się na energię
zużytą przez młot na kucie ?
Tak
Nie
150
wybór TAK.
Raczej nie. Trzeba pamiętać o siłach tarcia występujących przy ruchu wszystkich elementów
biorących udział procesie ”kucia”. Sprawdź, ile razy młot uderza w kowadło podczas całego
opadania ciężaru Q. Porównaj energię układu przed kuciem Ep=MgH=QH i energię młota
zamienioną na pracę kucia Ek= n mgh.
H=1,8m - wysokość podniesienia ciężaru Q=100N.
n- liczba uderzeń młota; m=3kg – masa młota, h- maksymalna wysokość młota nad
kowadłem (trzeba zmierzyć !); g=10m/s2-przyspieszenie ziemskie.
wybór NIE.
Raczej nie. Trzeba pamiętać o siłach tarcia występujących przy ruchu wszystkich elementów
biorących udział ”kuciu”. Sprawdź, ile razy młot uderza w kowadło podczas całego opadania
ciężaru Q. Porównaj energię układu przed kuciem Ep=MgH=QH i energię młota zamienioną
na pracę kucia Ek= n mgh.
H=1,8m - wysokość podniesienia ciężaru Q=100N.
n- liczba uderzeń młota; m=3kg – masa młota, h- maksymalna wysokość młota nad
kowadłem (trzeba zmierzyć !); g=10m/s2-przyspieszenie ziemskie.
5.2.3.N Czy prędkości obrotowe kół zębatych w przekładni łańcuchowej są równe ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Nie, jeśli liczba zębów pierwszego koła Z1 i drugiego koła Z2 się różni . Można
wywnioskować, że spełniona jest równość: Z1 ω1=Z2 ω2. Gdzie ω1 i ω2 prędkości obrotowe
odpowiednich kół. Sprawdź tą zależność licząc zęby kół i ich liczbę obrotów w czasie np.
60sekund. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
Wybór Nie
Nie, jeśli liczba zębów pierwszego koła Z1 i drugiego koła Z2 się różni . Można
wywnioskować, że spełniona jest równość: Z1 ω1=Z2 ω2. Gdzie ω1 i ω2 prędkości obrotowe
odpowiednich kół. Sprawdź tą zależność licząc zęby kół i ich liczbę obrotów w czasie np.
60sekund. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
5.2.1.S Bilans energii w układzie.
Zbadaj relację między energią potencjalną ciężaru Q na początku doświadczenia, a energią
– pracą użyteczną. Dane: H=1,8m - wysokość podniesienia ciężaru Q=100N;
m=3kg – masa młota; g=10m/s2-przyspieszenie ziemskie.
( ? –pomoc) Zbadaj, ile razy młot uderza w kowadło podczas całego opadania ciężaru Q. Wyznacz
wysokość podniesienia młota i porównaj energie.
151
5.2.2.S Siły, momenty sił, relacje prędkości.
Wyznacz wartości sił i momenty sił w kołowrocie. Wyznacz wartość przełożenia dla
wszystkich przekładni. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
( ? –pomoc)
Należy zmierzyć promienie działania sił w układzie kołowrotu oraz policzyć zęby lub zmierzyć
promienie kół w przekładniach.
5.2.3.S Prędkości obrotowe.
Wyznacz prędkości obrotowe elementów ruchomych (kół przekładni).
Czy relacje prędkości sprzężonych ze sobą kół związane są z liczbą zębów, lub średnicami kół
( ? –pomoc)
Należy zmierzyć za pomocą stopera (np. w komórce) czas kilku obrotów koła i policzyć ω.
Policzyć zęby lub zmierzyć promienie kół w przekładniach i wyliczyć …
152
a/ Menu główne:
Maszyny Leonarda II
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Opis 1
Przebieg
Doświadczenia
opis dziłań
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Opis 2
Zadanie n
Uwagi
bezpieczeństwa
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedz
dla
studentów
odpowiedz
na TAK lub NIE
dla uczniów
153
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Leonardo da Vinci był mistrzem zasad mechaniki. Wprowadził do użycia dźwignie, wsporniki,
koła pasowe, korby, mechanizmy zębatkowe. Wynalazki Leonarda wyprzedzały epokę i
większość z nich znalazła zastosowanie w późniejszych czasach. Można pewnością stwierdzić,
że wiele z jego wynalazków weszło do użytku, wywierając wpływ na życie wielu ludzi.
Niektóre z nich to podpierane mosty, automatyczna nawijarka, maszyna do testowania
wytrzymałości drutu na rozciąganie.
5.3.1-klip Leonardo da Vinci II. Zdjęcia ważnych szkiców Leonarda.
Rys.5.3.1 Szkice - humanizm.
http://uploads1.wikipaintings.org/images/leonardo-da-vinci/lily.jpg
Leonardo da Vinci (1452-1515) - malarz, architekt, filozof, muzyk, pisarz, odkrywca,
matematyk, mechanik, anatom, wynalazca, geolog jednym słowem geniusz. Doskonale
szkicował i malował rośliny, zwierzęta i ludzi.
154
5.3.2-klip Leonardo da Vinci II. Zdjęcia ważnych szkiców Leonarda.
Rys.5.3.2 Szkice-machiny.
Humanista Leonardo da Vinci (1452-1515) wymyślał urządzenia pomagające człowiekowi i
wojenne.
Ich masowe użycie mogło rozpocząć rewolucję przemysłową i mogło zmienić obraz wojen....
5.3.3-klip Przekładnia ślimakowa. Zdjęcie modelu przekładni ślimakowej z podpisem Model
przekładni ślimakowej Leonarda da Vinci. Po 5 sekundach film przedstawiający przekładnię
ślimakową podczas pracy (10s) i stopklatka: nałożona grafika - kierunek obrotu , przekładnia.
Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna.
Czas trwania filmu:15s.
Rys.5.3.3a Przekładnia ślimakowa L.
155
ω
Przekładnia
ślimakowa wg
Leonarda da Vinci
Model przekładni łańcuchowej
Rys.5.2.2b Przekładnia ślimakowa.
nN1
n1
Podpis do rys.5.3.3
Przekładnia ślimakowa Leonarda jest konieczna, gdy chcemy znacznie zredukować obroty
układu, jednocześnie zwiększając moment sił. Jeden obrót ślimaka powoduje obrót koła
zębatego o ...jeden ząb. Dlatego przełożenie ślimakowej jest jak 1:Z, gdzie Z jest liczbą zębów
na kole.
156
Maszyny Leonarda II.
Celem badań jest zbadanie wytrzymałości na zerwanie żyłki lub drutu za pomocą maszyny,
której konstrukcja jest inspiracją rozwiązań zaproponowanych przez Leonarda da Vinci.
Doświadczenie polega na zamocowaniu badanej żyłki w uchwytach U1 i U2, rozciąganie jej za
pomocą przekładni ślimakowej PS i pomiarze siły rozciągającej za pomocą sprężyny S o
znanym współczynniku sprężystości k. Fs=kΔx
Na tym poziomie menu w odtwarzaczu 15 sek. klip pokazujący: zamocowanie żyłki w uchwytach,
rozciąganie i pomiar rozciągnięcia sprężyny. Stopklatka, na której opis poszczególnych elementów.
Rys. 5.3.b Odtwarzacz. Szkic ekranu ze stop klatką.
Q
B
K
D
Legenda:
Q=
S
∆x
U1
Ż
U2
PS
Q
K
∆x
s
U1U2
PS
K
Opis funkcjonalny:
1.
2.
3.
4.
5.
S- sprężyna o współczynniku sprężystości k
U1,U2- uchwyty żyłki Ż
PS- przekładnia ślimakowa
K-korba
∆x- rozciągnięcie sprężyny
157
5.3.b2Okno uwag:
Uwaga: Rozciąganie żyłki należy wykonywać po przykryciu układu ochronną pokrywą.
Studenci
5.2.1.N Czy przełożenie przekładni ślimakowej w tym doświadczeniu to 1:25 (1 obrót koła
zębatego=25 obrotów korbą) ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Jednak nie. Policz zęby na kole zębatym. Przełożenie w „ślimaku” wynosi jak 1:Z.
wybór Nie .
Rzeczywiście nie. Policz zęby na kole zębatym. Przełożenie w „ślimaku” wynosi jak 1:Z.
5.2.2.N Czy żyłka stosowana w tym doświadczeniu wytrzyma podczas złowienia 100
kilogramowego szczupaka ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Nie możesz wiedzieć bez sprawdzenia. Przeprowadź doświadczenie, zrywając żyłkę. Odczytaj
maksymalne rozciągnięcie sprężyny ∆x (tuż przed zerwaniem). Policz F=k∆x dla
k=10000N/cm. Porównaj wynik z ciężarem szczupaka. Uwaga: trzeba pamiętać, że złapany
szczupak walczy !
158
Uwaga: Q=mg= 100kg 10m/s2=1000 N
wybór NIE.
Nie możesz wiedzieć bez sprawdzenia. Przeprowadź doświadczenie zrywając żyłkę. Odczytaj
maksymalne rozciągnięcie sprężyny ∆x (tuż przed zerwaniem). Policz F=k∆x dla
k=10000N/cm. Porównaj wynik z ciężarem szczupaka. Uwaga: trzeba pamiętać, że złapany
szczupak walczy !
Uwaga: Q=mg= 100kg 10m/s2=1000 N.
5.3.1.S Granica sprężystości.
Materiały sprężyste rozciągnięte , po ustaniu naprężenia wracają do pierwotnego
kształtu. Jednak zwiększając odkształcenie można dojść do granicy, przy której materiał już
odkształci się trwale. Wyznacz granicę sprężystości żyłki.
( ? –pomoc) Zmierz pierwotną długość żyłki. Naprężaj żyłkę tak, aby wydłużyć ją np. o 2mm. Odkręcając
ślimak, zmniejsz naprężenie do zera i zobacz, czy żyłka ma nadal długość pierwotną. Powtórz
doświadczenie dla wydłużeń: 4mm, potem 6mm itd. Aż do momentu trwałego rozciągnięcia
żyłki.
5.2.2.S Wytrzymałość na zerwanie.
Wyznacz wartości siły i naprężenie zrywające żyłkę. Średnica żyłki ϕ=1mm, współczynnik
sprężystości pomiarowej sprężyny k=10000N/cm . (przejście do poziomu menu Przebieg
Doświadczenia).
( ? –pomoc)
Przeprowadź doświadczenie zrywając żyłkę. Odczytaj maksymalne rozciągnięcie sprężyny ∆x
(tuż przed zerwaniem). Policz F=k∆x i ϭ=F/S S – przekrój żyłki.
159
6.1. W ręku robota.
W ręku robota
a/ Menu główne:
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Opis 1
Przebieg
Doświadczenia
opis dziłań
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Opis 2
Zadanie n
Uwagi
bezpieczeństwa
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedz
dla
studentów
odpowiedz
na TAK lub NIE
dla uczniów
160
6.1. Główne menu strony W ręku robota.
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Coraz częściej posługujemy się maszynami, które mogą pracować w miejscach, w których
człowiek nie powinien (zabójcze środowisko), nie chce (monotonna praca na taśmie prze 24
godziny) lub nie może (np. w mikroświecie i świecie poza Ziemią). Maszyny programowalne
lub z własną inteligencją są robotami. Ich rola w naszym życiu ciągle rośnie. Istnieją
uzasadnione obawy, że wraz ze wzrostem ich liczebności, znaczenia i możliwości, roboty
mogą się stać dużym problemem (patrz Matrix).
6.1.1-klip Roboty na taśmie. Zdjęcie z linii montażowej.
Rys.6.1.1 Zdjęcie z linii montażowej.
Roboty wykonują powtarzające sekwencje ruchów zgodnie z żądaniem programu. Pracują dokładniej i
wydajniej od ludzi oraz 24 godziny na dobę.
161
6.1.3-klip Nanoroboty. Zdjęcie/ film nanorobota..
Rys.6.1.3 Nanoroboty.
Podpis do rys.6.1.3
Roboty stają się coraz mniejsze. Zbudowanie robotów mniejszych od komórki krwi już nie jest
fantazją. Takie nanoroboty będą mogły dotrzeć do każdej chorej komórki i ją uleczyć lub
zniszczyć. Świat nanorobotów staje się coraz bardziej realny i bogatszy w nowe rozwiązania.
162
W ręku robota.
Doświadczenie polega na poznaniu możliwości robota XXX.
Na tym poziomie menu w odtwarzaczu 15 sek. klip pokazujący działanie ręki robota.
6.1.1b Odtwarzacz: Rzeczywisty robot.
Legenda:
Q=
Q
Opis funkcjonalny: zależy od modelu robota.
6.1.2b Okno uwag:
Uwaga: na rękę.
163
Studenci
6.1.1.N Czy robot badany w doświadczeniu może wykonać każde zadanie ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Jednak nie. Może zrobić tylko to, co się zaprogramuje w obszarze ograniczonym zasięgiem
ramienia.
wybór Nie .
Jednak nie. Może zrobić tylko to co się zaprogramuje w obszarze ograniczonym zasięgiem
ramienia.
6.1.2.N Czy robot ułoży rozrzucone klocki w piramidę ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Tak, ponieważ jeden z programów takie działanie przewiduje. Uruchom program i sprawdź
czy ułoży „porządną” wieżę.
wybór NIE.
Tak, ponieważ jeden z programów takie działanie przewiduje. Uruchom program i sprawdź
czy ułoży „porządną” wieżę.
6.1.3.N Czy robot może ułożyć jednokolorowymi warstwami rozrzucone klocki ?
Tak
Nie
wybór TAK.
164
Tak, ponieważ jeden z programów takie działanie przewiduje. Uruchom program i sprawdź,
czy ułoży strukturę warstwową.
Wybór Nie
Tak, ponieważ jeden z programów takie działanie przewiduje. Uruchom program i sprawdź,
czy ułoży strukturę warstwową.
6.1.S Układanie.
Zbadaj czas układania wieży i warstw klocków. Badania przeprowadź dla różnych ułożeń
rozsypanych klocków. Czy czas wykonania zadania zależy od pierwotnego układu klocków?
( ? –pomoc) Uruchom odpowiednie programy. Powtórz doświadczenie dla minimum trzech układów
klocków.
6.2.2.S Uszkodzony robot.
Zbadaj proces układania wieży z klocków w przypadku uszkodzenia któregoś z czujników
koloru. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
( ? –pomoc) Z poziomu oprogramowania można wyłączyć pewne umiejętności robota.
165
Rozgrywka robotów
a/ Menu główne:
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Opis 1
Przebieg
Doświadczenia
opis dziłań
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Opis 2
Zadanie n
Uwagi
bezpieczeństwa
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedz
dla
studentów
odpowiedz
na TAK lub NIE
dla uczniów
166
Informacje ogólne
Nawet niewielkie roboty mogą otrzymać elektroniczny mózg wzorowany na owadzich
zwojach nerwowych, zdolny do planowania i przewidywania przyszłości. Dwa roboty mogą
walczyć, współzawodniczyć lub współpracować. Chmara robotów uczących się od siebie
może działać z siłą roju.
6.2.1-klip Roboty owady. Film 15 sekundowy przedstawiający kilka robotów-owadów w
ruchu. Koniec filmu - kilka różnych robotów na jednym zdjęciu.
Przykład filmu: http://www.youtube.com/watch?v=BvjO13iq5_g
Rys.6.2.1 Roboty owady. Szkic ostatniego ujęcia.
"Szpiegowskie muchy". Tak się określa konstrukcje, które mają być wyposażone w czujniki i
mikrokamery do wykrywania sił nieprzyjaciela, broni nuklearnych i ofiar ataków, uwięzionych
np. w gruzach zburzonych budynków. Roboty owady mogą szpiegować i mogą ratować.
„ Szpiegowskie karaluchy” przemieszczają się wzdłuż ścian, gromadzą się w pobliżu światła z
lampy lub nawet ustawiają w szeregu. Umieszczone w otoczeniu żywych karaluchów,
urządzenia te szybko adaptują ich sposób zachowania się, poprzez naśladowanie ruchów
owadów. Dodatkowo roboty są w stanie wydzielać specjalne feromony, które sprawiają, że
karaluchy "dają się oszukać" i reagują na mechanizmy tak jak na żywe organizmy.
6.2.2-klip Roboty walczące. Film przedstawiający walkę robotów –sumo.
167
Przykład filmu: http://www.youtube.com/watch?v=lsOoJb-slSA (56s-1.10s)
6.2.2. Odtwarzacz: Roboty piłkarze.
Podpis do rys.6.2.2
Sportowa walka robotów jest coraz bardziej popularna. Może się zdarzyć, że w niedalekiej
przyszłości roboty spotkają się na prawdziwym polu walki.
168
Rozgrywka robotów
Doświadczenie polega na obserwacji możliwości działania dwóch robotów, których jedynym
celem jest umieszczenie piłki w bramce. Wygrana należy się lepszemu. Z poziomu
oprogramowania można wpłynąć na możliwości gracza zmieniając lekko jego parametry.
1. Włącz układ i obserwuj rozwój rozgrywki.
2. Zmień w oknie Parametry Gracza A i B szybkość reakcji o 50% i zobacz, jaki wpływ ma
ta zmiana na obraz gry.
Na tym poziomie menu w odtwarzaczu 20 sekundowy klip pokazujący włączenie i grę robotów.
Po wyborze zadań na odtwarzaczu widok z kamery śledzącej rozgrywkę.
6.2.1b Odtwarzacz: Nagarnie gry robotów.
Legenda:
Q=
Q
6.2.2b Okno zmiany parametrów. Sposób i zakres zmian parametrów zależy od możliwości zestawu.
169
Włącznik
główny
Zawodnik Zielony
Info: układ działa prawidłowo
Start
Zmiana
parametrów
Zawodnik Czerwony
Zmiana
parametrów
Stop
Uwaga: po włączeniu układu i sprawdzeniu w okienku informacji Info informacja o stanie
układu np. układ działa prawidłowo., brak zasilania – wezwij obsługę. W przypadku gotowości
można rozpocząć rozgrywkę przyciskiem Start.
6.2.3b Okno uwag:
Uwaga: Nie opierać się o gablotę. Jeśli roboty
nie chcą grać, proszę powiadomić obsługę.
.
170
Studenci
6.2.1.N Czy wiadomo, który robot pierwszy strzeli gola ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Chyba jednak nie. Większe szanse ma robot , który jest bliżej piłki i bramki, ale to tylko
szanse. Poobserwuj rozgrywkę. Oceń, czy któryś z robotów jest lepszy?
wybór Nie .
Chyba jednak nie. Większe szanse ma robot , który jest bliżej piłki i bramki, ale to tylko
szanse. Poobserwuj rozgrywkę. Oceń, czy któryś z robotów jest lepszy?
6.2.2.N Czy zmiana szybkości reakcji robota może wpłynąć na wynik rozgrywki ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Tak, ponieważ np. „ zmęczony robot” – o mniejszej szybkości reakcji -będzie grał gorzej.
Zmień na w oknie przyciskiem „szybkość reakcji robota zielonego” i zobacz efekt.
wybór NIE.
Tak, ponieważ np. „ zmęczony robot” – o mniejszej szybkości reakcji -będzie grał gorzej.
Zmień na w oknie przyciskiem „szybkość reakcji robota zielonego” i zobacz efekt.
6.2.1.S Gra.
Zbadaj, czy gracz zawsze śledzi piłkę. Czy czas dojścia do piłki zależy od pozycji gracza
względem piłki?
( ? –pomoc) Rozpocznij grę wielokrotnie i przeanalizuj początkowe ruchy robota.
6.2.2.S Zmęczony robot.
Zbadaj wpływ na jakość gry zmianę parametru : szybkość reakcji. (przejście do poziomu
( ? –pomoc) -Z poziomu oprogramowania można wyłączyć pewne umiejętności robota.
171
a/ Menu główne:
Poruszająca krew
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Opis 1
Przebieg
Doświadczenia
opis dziłań
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Opis 2
Zadanie n
Opis 3
Uwagi
bezpieczeństwa
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedz
dla
studentów
odpowiedz
na TAK lub NIE
dla uczniów
172
Informacje ogólne
Heraklit z Efezu (5wiek p.n.e. powiedział słynne panta rei (wszystko płynie). Dzisiaj
można dopowiedzieć, że pantha rei ….i można to zmierzyć. Prędkość obiektów w ruchu
można zmierzyć na różne sposoby. Dokładność pomiarów prędkości jest bardzo dobra bo
umiemy zmierzyć upływający czas z niesamowitą dokładnością. Mając za wzorzec światło
(jego prędkość) mierzymy prędkości gwiazd, planet, satelitów, kontynentów, samochodów,
reakcji chemicznych, atomów.
7.1.2-klip Efekt Dopplera. Film przedstawiający karetkę pogotowia stojąca w dali na ulicy.
Słychać dźwięk o f0. Karetka zbliża się do kamery : wyższa częstotliwość . Karetka mija
kamerą i oddala się : niższa częstotliwość. Na filmie grafika fali o odpowiedniej
częstotliwości. Opis: fala , częstotliwość f. Film 15 sekund.
Całość zgodna z wiedzą na temat zjawiska.
Rys.7.1.2 Przykład grafiki na ujęciu: zbliżanie karetki.
Karetka stoi: częstotliwość f0= 5000 Hz
Soczewka f1
Karetka zbliża się : częstotliwość f0= 5150Hz
Soczewka f1
Vdźwięku=340m/s
Vkaretki=20m/s
Karetka gdy rusza na ratunek włącza sygnał dźwiękowy o częstotliwości około
f0=5000 Hz. Dźwięk dochodzi da nas z prędkością około VD=340m/s. W przypadku gdy ta
karetka zacznie się zbliżać się do nas z dużą prędkością usłyszymy dźwięk o wyższej
częstotliwości. Z chwilą minięcia częstotliwość słyszanego dźwięku gwałtownie zmaleje co
można usłyszeć. Zjawisko zmiany częstotliwości dźwięku z zależności od prędkości źródła
173
(zjawisko Dopplera) powstaje ponieważ ruchome źródło „dogania” (gdy się zbliża do nas)
lub „ucieka” ( gdy się oddala od nas) od dopiero co wyemitowanej fali (dźwięku).
7.1.3-klip Policyjny radar. Film przedstawiający zbliżający się samochód i ręczny radar. Na
filmie grafika fali wysłanej w kierunku samochodu i potem odbitej od samochodu i wzór
Czas ok. 20s.
Całość zgodna z wiedzą fizyki.
Rys.7.1.3 Przykład klatki filmu wraz z przykładem grafiki.
Mikrofale o częstotliwości F0
Prędkość samochodu VD
Podpis do rys.7.1.3
Efekt Dopplera następuje także gdy sygnał o częstotliwości f0 odbija się od ruchomego
obiektu. Gdy obiekt się zbliża do źródła fali odbita fala zwiększa częstotliwość. Różnica
częstotliwości fali padającej i odbitej ( fod. - f0) w prosty sposób zależy od prędkości obiektu
VD. Policja wykorzystuje ten efekt (Dopplera) w tzw. radarach. Wykorzystując odbicie fal
radarowych policjant może odczytać prędkość samochodu. Jednak coraz częściej
kwestionowane są tego typu pomiary (m.in. jest problem identyfikacji samochodu w grupie)
kilku samochodów).
174
Poruszająca krew.
Celem doświadczenia jest zbadanie szybkości przepływu krwi w fantomie ręki. Pomiar
metodą Dopplera jest nieinwazyjnym sposobem pomiaru przepływu cieczy w różnych
przewodach, rurach, itp. Przyrządy zwane Dopplerami naczyniowymi mierzą prędkość krwi
poprzez analizę wysłanego i rozproszonego przez poruszająca krew impulsu
ultradźwiękowego.
Wykonanie badań:
1.Włącz Dopplera naczyniowego.
2.Uruchom pompę fantomu ręki.
3.Podłóż sondę Dopplera pod zasobnik żelu do USG i naciśnij na zasobnik. W ten sposób
naniesiona zostanie porcja żelu umożliwiająca dobry przepływ fal między sondą i „skórą”.
4.Pryłóż sondę do fantomu ręki i zlokalizuj "żyłę” lub „tętnicę” i zmierz prędkość krwi w
układzie.
5. Po zakończonym badaniu wyłącz pompę, Dopplera. Za pomocą papierowych ręczników
wytrzyj żel z sondy i fantomu.
Na tym poziomie menu w odtwarzaczu 15-20 sekundowy klip: wykonanie doświadczenia z opisem
poszczególnych elementów -Doppler, ręczniki, fantom, żel itp.
7.1.b1 Okno odtwarzacza: Szkic układu rzeczywistego.
D
7.1.b2 Okno uwag:
Uwaga:
Zużyte ręczniki wrzuć do kosza.
175
Studenci
7.1.1.N Czy prędkość krwi w żyłach jest mniejsza niż krwi w tętnicach ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Raczej tak. W tętnice wtłaczana jest krew przez serce, natomiast przez żyły krew „spływa” z
powrotem do serca. Najlepiej sprawdź, czy w fantomie ręki tak jest.
wybór Nie .
Raczej tak. W tętnice wtłaczana jest krew przez serce, natomiast przez żyły krew „spływa” z
powrotem do serca. Najlepiej sprawdź, czy w fantomie ręki tak jest.
7.1.2.N Czy promienie ultradźwiękowe mogą zniszczyć tkanki ciała ?
Tak
Nie
wybór TAK.
I tak i nie. W badaniach wykorzystuje się powszechnie ultrasonografy wykorzystujące fale
ultradźwiękowe ale o bardzo małym natężeniu. Takie fale poruszają się , odbijają, zmieniają
częstotliwość ale nie są w stanie dokonać zniszczeń.
Inna sprawa gdy źródło fal emituje falę o dużym natężeniu. Jednak gdy potrafimy
kontrolować takie intensywne fale to można je użyć do zniszczenia chorobowych
elementów.(np. kamienie nerkowe).
wybór NIE.
I tak i nie. W badaniach wykorzystuje się powszechnie ultrasonografy wykorzystujące fale
ultradźwiękowe ale o bardzo małym natężeniu. Takie fale poruszają się , odbijają, zmieniają
częstotliwość ale nie są w stanie dokonać zniszczeń.
176
Inna sprawa gdy źródło fal emituje falę o dużym natężeniu. Jednak gdy potrafimy
kontrolować takie intensywne fale to można je użyć do zniszczenia chorobowych
elementów.(np. kamienie nerkowe).
7.1.1.S Fantom.
Zbadaj prędkości krwi w „żyłach” i „tętnicach” fantomu.
( ? –pomoc) Wykonaj badanie zgodnie z instrukcją.
7.1.2.S Ręka.
Zbadaj prędkości krwi w żyłach i tętnicach własnej ręki. Czy fantom jest dobrym modelem
?
( ? –pomoc) Po badaniu wytrzyj żel z ręki.
177
Wybór: Szybkość adaptacji
o/Menu zerowe
Szybkość adaptacji
Szybkość reakcji
a/ Menu główne:
Szybkość
adaptacji
Informacje ogólne
Zadania
Szybkość reakcji
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Opis 1
Przebieg
Doświadczenia
opis dziłań
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Opis 2
Zadanie n
Uwagi
bezpieczeństwa
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedz
dla
studentów
odpowiedz
na TAK lub NIE
dla uczniów
178
7.2a. Główne menu strony
Szybkość adaptacji.
Informacje ogólne
Zadania
7.2a.A Drugi poziom menu: wybór Informacje ogólne
Człowiek ma oczy ułożone blisko siebie z przodu głowy co pozwala widzieć
przestrzennie (stereoskopowo). Każde z oczu odbiera minimalnie inny obraz, który scala się w
ośrodku wzrokowym i dzięki temu umożliwia widzenie trójwymiarowo (przestrzennie). Może
oczami poruszać dzięki kilku mięśniom, widzieć wyraźnie dalekie i bliskie przedmioty
(akomodacja). W oku ludzkim jednym z najbardziej zmieniającym rozmiar organem
człowieka jest źrenica oka (adaptacja). Dzięki temu oko ludzkie może przyjmować informację
wizualną w bardzo dużym zakresie poziomów oświetlenia.
Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów 7.2a.1 ; 7.2a.2 i 7.2a.3 z podpisami. Kliknięcie na
zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji.
7.2a.2-klip Akomodacja. Film przedstawiający twarz człowieka patrzącego na daleki obiekt
(sytuacja A), a potem na swój palec (sytuacja B). Koniec ujęcie i przejście do animacji/grafiki.
Na ujęciu graficznym podstawowe oko w sytuacji A i B. Opis: soczewka , ogniskowa,
siatkówka. Film 5 sekund, grafika do wyłączenia okna.
Całość zgodna z wiedzą na temat oka.
Rys.7.2a.2 Przykład grafiki oczu tuż po ostatnim kadrze filmu.
Soczewka f1
Siatkówka
Soczewka f1
Podpis do rys.7.2a.2.
Akomodacja jest to automatyczna zmiana kształtu soczewki oka następująca , gdy
zmieniamy punkt widzenie z odległego na bliski i odwrotnie. Wskutek tego procesu zmieniana
179
jest ogniskowa soczewki tak, aby obraz rzeczywisty oglądanego przedmiotu padł dokładnie
na siatkówkę.
7.2a.3-klip Adaptacja. Film przedstawiający kurczącą i rozszerzająca się źrenicę na skutek
oświetlenia np. latarką. Czas ok. 20s.
Całość zgodna z wiedzą na temat oka i fizyki.
Rys.7.2a.3 Przykład. Oko w mroku.
Podpis do rys.7.2a.3
Mechanizm, przez który oko zmienia swoją czułość na światło nazywamy adaptacją.
Adaptacja przejawia się przede wszystkim jako zmiana wielkości źrenicy. Zależnie od ilości
dostępnego światła, średnica źrenicy przeciętnej dorosłej osoby zmienia się od 2 do 8
milimetrów, dając zmienność w czułości oka od 1:16. Adaptacja szerokości źrenicy zachodzi w
ciągu kilku dziesiątych sekundy. Badania możliwości adaptacji źrenicy należą do grupy
jednych z podstawowych badań okulistycznych.
180
7.2a.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia
Adaptacja oka.
Celem doświadczenia jest zbadanie szybkości reakcji źrenicy oka na impulsowy wzrost
natężenia oświetlenia. Reakcja oka na impuls światła jest rejestrowana przez szybką
kamerę. Odpowiednie oprogramowanie umożliwia pokazanie zmian w funkcji czasu.
Wykonanie badań:
1.Zbliż głowę do uchwytu i oprzyj brodę. Podczas badania oczy powinny być szeroko otwarte
oraz należy unikać mrugania.
2.Po 20 sekundach automatycznie nastąpi start badania i przez 5 sekund oświetlenie
wzrośnie.
3. Przeanalizuj nagranie w zwolnionym tempie oraz zobacz jak zmienia się twoja źrenica w
czasie zwiększonego oświetlenia.
Uwaga: Program rejestracji uruchamia czujnik w uchwycie głowy.
Wymagania programowe interfejs 72a:
1. Odtwarzacz nagrania typowy dla całego laboratorium.
2. Sygnał we/wy interfejsu:
721. Wejście sygnału wideo szybkiej kamery - co najmniej 100klatek/s.
722. Wejście cyfrowe włącznika nagrania (przy uchwycie głowy)
733. Wyjście cyfrowe włączenia diody oświetlającej
Na tym poziomie menu w odtwarzaczu 15 sek. klip wykonanie doświadczenia z opisem
poszczególnych elementów: uchwyt, kamera. Przyłożenie głowy do uchwytu automatycznie
powoduje nagrywanie. Przycisk funkcyjny Twoje nagranie
umożliwia analizę wyniku.
Przycisk zwalniania tempa: przeskalowanie czasu np. x20. Podczas pokazu w zwolnionym tempie
pojawia się grafika pokazująca obwód źrenicy i jej średnicę.
7.2a.b1 Okno odtwarzacza: Obraz klatki rzeczywistego nagrania z grafiką.
181
7.2a.b2 Okno wykresu. Program automatycznie rysuje wykres z chwilą, gdy odtwarzanie w
zwolnionym tempie osiąga czas rozpoczęcia impulsu.
Wykres zależności średnicy źrenicy ϴ w funkcji czasu t
ϴ
[mm]
S
7
6
Impuls światła
5
Impuls światła
4
tr
2
0
0
100
200
300
400
500
t [ms]
7.2a.b3 Okno wpisywanych danych i statystyki.
W tym oknie jest miejsce do wpisania wyznaczonego czasu reakcji tr.
Wpisany wynik po akceptacji Tak zapisany zostaje do bazy i pokazuje się jako czerwona
kreska na krzywej Gaussa – reprezentacji statystycznej wszystkich dotychczasowych
wyników badań. Ponadto wyświetlane są : liczba pomiarów N i średnia arytmetyczna trśr.
Zapisywanie danych i statystyka wyników
Średni czas reakcji dla
tego badania
tr =250 ms
ms
Średni czas
reakcji dla
N=178 badań
Liczba
pomiarów
n=334
Ttr.śr.
ms
op=261
=258ms
Zapisać ?
Tak
200
220
260
280
300 ms
7.2a.b4 Okno uwag:
Uwaga:
Badanie wymaga czasu i spokoju. Jeśli rejestracja się nie udała
powtórz doświadczenie.
182
7.2a.c Drugi poziom menu Zadania
Studenci
7.2a.N. Poziom : Zadania dla uczniów
7.2a.1.N Czy źrenica natychmiast zmniejsza średnicę po nagłym zwiększeniu natężenia
światła ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Nie. Przez pewien czas źrenica nie zmienia średnicy. Ten czas reakcji-opóźnienia jest rzędu
0,25 sekundy. Po tym czasie średnica źrenicy zaczyna się zmniejszać. Takie opóźnienie
reakcji (adaptacja) powoduje, że przez pewien czas jesteśmy oślepieni po wyjściu z ciemnego
pokoju na słońce. Zobacz, jak twoje oko reaguje na impuls światła.
wybór Nie .
Nie. Przez pewien czas źrenica nie zmienia średnicy. Ten czas reakcji-opóźnienia jest rzędu
0,25 sekundy. Po tym czasie średnica źrenicy zaczyna się zmniejszać. Takie opóźnienie
reakcji (adaptacja) powoduje, że przez pewien czas jesteśmy oślepieni po wyjściu z ciemnego
pokoju na słońce. Zobacz, jak twoje oko reaguje na impuls światła.
7.2a.2.N Czy czas reakcji oka (adaptacji) jest taki sam dla wszystkich ludzi?
Tak
Nie
wybór TAK.
Nie. Każdy z nas może mieć nieco inny czas reakcji. Na wykresie w oknie „Zapisywanie danych
i statystyka” pokazany jest średni czas opóźnienia wielu ludzi (zielona kreska na wykresie).
Zobacz, czy twój czas (czerwona kreska) jest mniejszy, czy większy od średniej.
wybór NIE.
Nie. Każdy z nas może mieć trochę inny czas reakcji. Na wykresie w oknie „Zapisywanie
danych i statystyka” pokazany jest średni czas opóźnienia wielu ludzi. Zobacz (czerwona
kreska), czy twój czas jest mniejszy, czy większy od średniej.
183
7.2a. S. Poziom : Zadania dla studentów
7.2a.1.S Czas opóźnienia i szybkość reakcji źrenicy.
Zbadaj czas opóźnienia i szybkość reakcji źrenicy własnego oka. Wynik wpisz do bazy
danych.
( ? –pomoc) Z wykresu ϴ(t) odczytaj top oraz ze stycznej S wyznacz prędkość zamykania źrenicy , czyli
V=∆ϴ/∆t.
7.2a.2.S Statystyka.
Każdy z nas może mieć trochę inny czas reakcji tr. Na wykresie w oknie „Zapisywanie danych i
statystyka” pokazany jest średni czas reakcji wielu ludzi. Ponadto krzywa dzwonowa
(krzywa Gaussa) reprezentuje wszystkie dotychczasowe wyniki badań. Krzywa pokazuje
prawdopodobieństwo wystąpienia danego wyniku – czasu tr. Z wykresu wynika, że
najbardziej prawdopodobny jest czas równy średniej wszystkich badań. Im bardziej „odległy”
jest nasz wynik od średniej tym jego prawdopodobieństwo wystąpienia w populacji jest
mniejsze. Zastanów się jak twój wynik „mieści się” w statystyce.
( ? –pomoc) Ocena jakościowa naszego wyniku może zawierać tylko stwierdzenia, że nasz czas t r jest
mniejszy lub większy od wartości średniej. Można jeszcze określić, czy znajduje się blisko
średniej, czy może w „ogonie „ wykresu.
Do ilościowej oceny potrzebny jest parametr krzywej Gaussa – odchylenie standardowe
wartości średniej Strśr . Wtedy można powiedzieć wynik mieszczący się w przedziale (tr.śr.-Strśr
; tr.śr.+Strśr ) wystąpi w naszym badaniu z prawdopodobieństwem 0,68. Sprawdź swój wynik
dla Strśr=50ms.
184
Wybór: Szybkość reakcji
o/Menu zerowe
Szybkość reakcji
a/ Menu główne:
Szybkość reakcji
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Opis 1
Opis 2
Przebieg
Doświadczenia
opis dziłań
Reakcja na bodźce
wzrokowe.
CelemTest
doświadczenia
jest
psychotechnic
zbadanie
zny
..szybkości
St
reakcji człowieka
Uwagi
nabezpieczeństwa
włączanie i aSt
wyłączenie
An
rt
o
ali
trzech
p
kolorowych za
świateł. Zadanie
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Zadanie n
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedz
dla
studentów
odpowiedz
na TAK lub NIE
dla uczniów
185
7.2r. Główne menu strony
„Szybkość reakcji”
Informacje ogólne
Zadania
7.2r.a Drugi poziom menu:
Informacje ogólne
Człowiek postrzega i komunikuje się z otoczeniem za pomocą zmysłów takich jak:
dotyk, węch, wzrok, słuch oraz smak. Obecnie uważa się ,że grono pięciu podstawowych
zmysłów uzupełniają 4 inne. Bardzo przydatny w życiu zmysł temperatury, który pozwala
odczuwać ciepło i zimno oraz zmysł równowagi ciała, dzięki niemu można sprawnie się
poruszać. Bardzo odczuwalny czasami bywa nocycepcja - zmysł odpowiadający za
odczuwanie bólu. Mniej „wyraźny” jest zmysł pozwalający na podświadome widzenie
zewnętrznych elementów ciała nawet w sytuacji, kiedy mamy zamknięte oczy
(propriocepcja).
Na bodźce środowiska odpowiedź – reakcja człowieka jest zawsze opóźniona. Na czas
opóźnienia składa się czas potrzebny na zamianę bodźca na impuls elektryczny w układzie
nerwowym, czas na przekazywanie impulsów oraz analizę impulsów przez ośrodki nerwowe
oraz na czas reakcji układu mięśniowego.
Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów 7.2r.1 ; 7.2r.2 i 7.2r.3 z podpisami. Kliknięcie na
zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji.
7.2r.1-klip Kolano i młotek. Film przedstawiający uderzenie młoteczkiem w kolano i reakcję
nogi. Film- 10 sekund.
Rys.7.2r.1 Pierwszy kadr grafiki po ostatnim kadrze filmu ramienia.
Podpis do Rys.7.2r.1
Lekkie uderzenie w przednią część kolana jest badaniem odruchów ścięgnistych kończyny. W
tym neurologicznym badaniu ocenia się, czy odruchy są obecne, prawidłowe i symetryczne.
186
7.2r.2-klip Reakcja na dźwięk. Film przedstawiający reakcję człowieka na nagły bodziec
słuchowy np. wybuch balonu /wystrzał. Film – 10-15sekund.
Całość zgodna z wiedzą na temat oka.
Rys.7.2r.2 Przykład reakcji twarzy na różne bodźce.
Podpis do rys.7.2r.2.
Nagły hałas może zaskoczyć. Najpierw fala akustyczna dociera do ucha, gdzie
drgania mechaniczne młoteczka zamieniają się na impulsy elektryczne. Elektryczna
informacja o zdarzeniu dociera do mózgu, gdzie przygotowuje się reakcję. Impulsy z mózgu
aktywują odpowiednie mięśnie i człowiek kuli się, ucieka, zastyga itp.
187
7.2r.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia
Reakcja na bodźce wzrokowe.
Celem doświadczenia jest zbadanie szybkości reakcji człowieka na włączanie i wyłączenie
trzech kolorowych świateł. Zadanie polega na jak najszybszym wyłączeniu czerwonej, zielonej
i żółtej lampki odpowiednim wyłącznikiem. Czas trwania badania T=60s. Wynikiem badania
jest średni czas opóźnienia reakcji.
Wykonanie badań:
1.Włącz przyciskiem układ.
2.Po włączeniu zapalą się wszystkie trzy lampy. Po 5 sekundach automatycznie zgasną. Staraj
się szybko wyłączać pojawiające się przypadkowo światła.
3.Porównaj swoje wyniki z innymi.
Wymagania programowe interfejsu 72r:
724. Wejście cyfrowe wyłączników – szt.3
7.2r.b1 Ekran dla przebiegu doświadczenia.
Reakcja na bodźce wzrokowe.
Celem doświadczenia jest zbadanie
..szybkości reakcji człowieka na
włączanie i wyłączenie trzech
Test psychotechniczny
kolorowych świateł. Zadanie
Start
Stop
Analiza
Start – przycisk się podświetla – włączenie badania
Stop –naciśnięcie przycisku powoduje podświetlenie i zatrzymanie badania
– po zakładanych czasie T=60s automatycznie przycisk jest podświetlany
Analiza – przejście do okna wpisywanych danych i statystyki.
188
7.2r.b1 Okno wpisywanych danych i statystyki.
W tym oknie jest miejsce na wynik – średni czas reakcji tr. Ten wynik można wpisać do
ogólnej bazy danych przyciskiem Tak.
Wpisany wynik pokazuje się jako czerwona kreska na krzywej Gaussa – reprezentacji
statystycznej wszystkich dotychczasowych wyników badań. Ponadto wyświetlane są : liczba
pomiarów N i średnia arytmetyczna trśr.
Zapisywanie danych i statystyka wyników
Średni czas reakcji dla
tego badania
tr =250 ms
ms
Średni czas
reakcji dla
N=178 badań
Liczba
pomiarów
n=334
Ttr.śr.
ms
op=261
=258ms
Zapisać ?
Tak
200
220
260
280
300 ms
7.2r.b3 Okno uwag:
Uwaga:
Badanie wymaga szybkiego działania, ale bez użycia siły.
189
7.2r.c Drugi poziom menu Zadania
Studenci
7.2r.N. Poziom : Zadania dla uczniów
7.2r.1.N Czy dobry kierowca powinien mieć szybkie reakcje na bodźce świetlne?
Tak
Nie
wybór TAK.
Oczywiście tak. Jadący z prędkością 60km/godz., czyli około 17m/s przy nagłym zdarzeniu
przejedzie jeszcze około 8 metrów zanim naciśnie hamulec i samochód zacznie hamować.
Wyznacz średni czas reakcji na bodziec świetlny w tym doświadczeniu.
wybór Nie .
Oczywiście tak. Jadący z prędkością 60km/godz, czyli około 17m/s przy nagłym zdarzeniu
przejedzie jeszcze około 8 metrów zanim naciśnie hamulec i samochód zacznie hamować.
Wyznacz średni czas reakcji na bodziec świetlny w tym doświadczeniu.
7.2r.2.N Czy czas reakcji na nagłe zdarzenie świetlne jest taki sam dla wszystkich ludzi?
Tak
Nie
wybór TAK.
Nie. Każdy z nas może mieć nieco inny czas reakcji. Na wykresie w oknie „Zapisywanie danych
i statystyka” pokazany jest średni czas opóźnienia wielu ludzi (zielona kreska na wykresie).
Zobacz, czy twój czas (czerwona kreska) jest mniejszy, czy większy od średniej.
wybór NIE.
Nie. Każdy z nas może mieć trochę inny czas reakcji. Na wykresie w oknie „Zapisywanie
danych i statystyka” pokazany jest średni czas opóźnienia wielu ludzi. Zobacz (czerwona
kreska), czy twój czas jest mniejszy, czy większy od średniej.
190
7.2r. S. Poziom : Zadania dla studentów
7.2r.1.S Czas reakcji.
Zbadaj czas reakcji na nagłe zdarzenie świetlne.
( ? –pomoc) W przypadku nieudanego badania powtórz doświadczenie i wpisz wynik do bazy.
7.2r.2.S Statystyka.
Każdy z nas może mieć trochę inny czas reakcji tr. Na wykresie w oknie „Zapisywanie danych i
statystyka” pokazany jest średni czas reakcji wielu ludzi. Ponadto krzywa dzwonowa
(krzywa Gaussa) reprezentuje wszystkie dotychczasowe wyniki badań. Krzywa pokazuje ,
prawdopodobieństwo wystąpienia danego wyniku – czasu tr. Z wykresu wynika, że
najbardziej prawdopodobny jest czas równy średniej wszystkich badań. Im bardziej „odległy”
jest nasz wynik od średniej tym jego prawdopodobieństwo wystąpienia w populacji jest
mniejsze. Zastanów się jak twój wynik „mieści się” w statystyce.
( ? –pomoc) Ocena jakościowa naszego wyniku może zawierać tylko stwierdzenia, że nasz czas t r jest
mniejszy lub większy od wartości średniej. Można jeszcze określić, czy znajduje się blisko
średniej, czy może w „ogonie „ wykresu.
Do ilościowej oceny potrzebny jest parametr krzywej Gaussa – odchylenie standardowe
wartości średniej Strśr . Wtedy można powiedzieć wynik mieszczący się w przedziale (tr.śr.-Strśr
; tr.śr.+Strśr ) wystąpi w naszym badaniu z prawdopodobieństwem 0,68. Sprawdź swój wynik
dla Strśr=50ms.
191
7.3. Sedno mięśnia.
Sedno mięśnia
a/ Menu główne:
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Opis 1
Przebieg
Doświadczenia
opis dziłań
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Opis 2
Zadanie n
Uwagi
bezpieczeństwa
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedz
dla
studentów
odpowiedz
na TAK lub NIE
dla uczniów
192
Sedno mięśnia.
Informacje ogólne
Zadania
7.3.a Drugi poziom menu: Informacje ogólne
Mięśnie w naszym organizmie pełnią różne funkcje, w zależności od rodzaju. Mięśnie
szkieletowe połączone są z kośćmi za pomocą ścięgien przenoszących działanie sił na kość.
Skurcz mięśnia łączącego dwie kości powoduje ich przemieszczenie się względem siebie, czyli
ruch kończyny bądź innej części ciała. Ruch przeciwstawny odbywa się przy udziale innego
mięśnia. Z tego powodu mięśnie zawsze współpracują ze sobą w parach i ze względu na
rodzaj wykonywanych ruchów, określa się je jako zginacze i prostowniki oraz przywodziciele i
odwodziciele.
7.3.1-klip Mięsień-sedno ruchu. Film przedstawiający ramię w ruchu zginającym. Następnie
stopklatka i przejście do animacji –budowa mięśnia, zasada działania komórki mięśnia. Film
5 sekund, animacja do 45 sekund.
Przykładowa animacja: http://www.youtube.com/watch?v=EdHzKYDxrKc
Całość zgodna z wiedzą na temat mięśnia.
Rys.7.3.1 Pierwszy kadr animacji po ostatnim kadrze filmu ramienia.
Podpis do Rys.7.3.1
Mięsień dwugłowy ramienia zwany bicepsem przyczepiony jest do kości ścięgnami i
działa na dwa stawy: staw ramienny i staw łokciowy. Skurcz mięśnia podlega działaniu
układu nerwowego. Impuls biegnący odpowiednim nerwem, dociera do zakończenia
nerwowego w błonie otaczającej włókno mięśniowe. W synapsie tej uwolniony zostaje
neuroprzekaźnik, który pobudza uwalnianie jonów wapnia. Te z kolei przedostają się do
wnętrza miofibryli i uczestniczą w wytworzeniu połączeń mostkowych pomiędzy filamentami
193
miozynowymi i aktynowymi. Po połączeniu się filamentów oraz przy udziale energii
pochodzącej z ATP, produkowanego przez mitochondria, grube włókienka miozynowe
wciągają pomiędzy siebie cienkie włókienka aktynowe. Długość samych filamentów nie ulega
przy tym zmianie, ale skraca się cały sarkomer. Skraca się więc całe włókno, a skrócenie
wszystkich włókien, tworzących mięsień, powoduje jego skurcz.
7.3.2-klip Umięśnione ramię. Film przedstawiający ramię w ruchu zginającym. Następnie
stopklatka i przejście do animacji/grafiki. Na ujęciu graficznym podstawowe kości, biceps i
triceps. Opis: oznaczenie mięśni, staw ramienny i łokciowy. Film 5 sekund, grafika do
wyłączenia okna.
Całość zgodna z wiedzą na temat mięśnia.
Rys.7.3.2 Przykład grafiki ramienia tuż po ostatnim kadrze filmu ramienia.
Mięsień dwugłowy ramienia zwany bicepsem działa na dwa stawy: staw ramienny i
staw łokciowy. W stawie ramiennym mięsień podnosi ramię do przodu. Dodatkowo głowa
długa odwodzi ramię i obraca do wewnątrz, a głowa krótka przywodzi ramię. W stawie
łokciowym mięsień dwugłowy ramienia jest zginaczem oraz najsilniejszym mięśniem
odpowiedzialnym za odwracanie przedramienia i ręki.
Mięsień trójgłowy zwany tricepsem wymusza ruch w stawie ramiennym i stawie
łokciowym, przy czym siła działania na staw ramienny jest większa niż na staw łokciowy. Jest
on najsilniejszym prostownikiem stawu ramiennego oraz silnym przywodzicielem ramienia.
Ponadto triceps jestodpowiedzialny za ruch wyprostny w stawie łokciowym.
194
Sedno mięśnia.
Doświadczenie polega na poznaniu możliwości modelu ramienia, gdzie mięśniami są
pneumatyczne mięśnie McKibbena. Te syntetyczne mięśnie można skurczyć lub rozciągnąć
zmieniając ciśnienie dostarczanego do nich powietrza. W ten sposób model ręki może
wykonywać podstawowe ruchy przemieszczając nawet znaczne ciężary.
Zasada obsługi:
1. Włączyć układ – włącznik w oknie „Sterowanie modelem”
2. Zwiększać i zmniejszać ciśnienie w bicepsie Pb i obserwować ruch ramienia.
3. Zwiększać i zmniejszać ciśnienie w tricepsie PT i obserwować ruch ramienia.
4. Odpowiednio zmieniając ciśnienie przestaw ciężar z jednego kolorowego koła na
drugie.
Na tym poziomie menu w odtwarzaczu 15 sek. klip pokazujący działanie ręki.
Rys. 7.3.b Rzeczywisty model ramienia.
195
7.3.b2 Okno sterowania ramieniem.
Sterowanie modelem
Wł..
Bicep
s Max.
Triceps
0230
Kąt stawu
łokciowego
Max.
PB
PT
0
0
0230
Kąt stawu
ramiennego
7.3.b3 Okno uwag:
Uwaga: Odważnikami należy posługiwać się z należytą ostrożnością.
196
Studenci
7.3.1.N Czy w modelu do przesunięcia ciężarka można użyć tylko bicepsa ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Tak. Biceps w modelu pozwala tylko na ruch przedramienia – zginanie i rozginanie.
W układzie biceps za pomocą przewieszonej przez bloczek linki może ruszyć ciężarek.
Sprawdź tą możliwość i podnieś ciężar Q=20N na wysokość H=10cm. Jaką pracę wykonało
ramię ?
wybór Nie .
Tak. Biceps w modelu pozwala tylko na ruch przedramienia – zginanie i rozginanie.
W układzie biceps za pomocą przewieszonej przez bloczek linki może ruszyć ciężarek.
Sprawdź tą możliwość i podnieś ciężar Q=20N na wysokość H=10cm. Jaką pracę wykonało
ramię ?
7.3.2.N Czy siła działania mięśnia bicepsa FB w modelu musi być większa od siły ciężkości
podnoszonego ciężaru Q ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Tak, ponieważ względem stawu łokciowego siła FB działa na krótkim ramieniu około RB=3cm.
Ciężar Q działa na ramieniu około RQ=40cm. W przypadku, gdy przedramię jest poziome (
jak na rys.), żeby utrzymać ciężar musi zajść równość momentów sił: QRQ=FBRB. Ustaw układ
ramienia jak na rysunku i wyobraź sobie gdzie i jakie siły działają na przedramię.
FB
Q
RQ
RB
197
wybór NIE.
Tak, ponieważ względem stawu łokciowego siła FB działa na krótkim ramieniu około RB=3cm.
Ciężar Q działa na ramieniu około RQ=40cm. W przypadku, gdy przedramię jest poziome ( jak
na rys.), żeby utrzymać ciężar musi zajść równość momentów sił: QRQ=FBRB. Ustaw układ
ramienia jak na rysunku i wyobraź sobie gdzie i jakie siły działają na przedramię.
FB
Q
RQ
RB
7.3.1.S Momenty … sił w układzie (statyka).
Ręka trzyma ciężar Q na wysokości H. Naszkicuj siły działające w układzie. Oszacuj
wartość momentów sił działających w układzie w przypadku .
( ? –pomoc) Uruchom ramię, podnieś ciężar i zmierz odpowiednie odległości.
7.3.2.S Wyznacz czas maksymalnego podniesienia ciężaru Q przy działaniu tylko bicepsem
Powtórz doświadczenie działając tylko tricepsem. Określ szybkość podnoszenia w obu
przypadkach. Czy jest taka sama? (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
( ? –pomoc) Wykonać zgodnie z instrukcją.
198
8.1. Konwekcyjny chaos.
0/Menu zerowe
Konwekcyjny chaos,
Szum termiczny.
a/ Menu główne:
Szum termiczny…
Konwekcyjny chaos
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Opis 1
Przebieg
Doświadczenia
opis dziłań
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Opis 2
Zadanie n
Uwagi
bezpieczeństwa
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedz
dla
studentów
odpowiedz
na TAK lub NIE
dla uczniów
199
8.1. Główne menu strony Konwekcyjny chaos.
Informacje ogólne
Zadania
Drobiny cieczy i gazu mogą poruszać się względem siebie niezależnie. Ich średnia energia
kinetyczna jest miarą temperatury. Różnica temperatury między różnymi obszarami płynów
jest powodem ruchu całych mas drobin. Taki ruch nazywamy konwekcją. Ruch konwekcyjny
jest powszechny i ......chaotyczny.
8.1.1. Szklanka herbaty . Film przedstawiający rozpuszczanie barwnika herbaty w szklance z
gorącą wodą. Stopklatka i nałożona grafika: dużo wektorów prędkości
o różnych
kierunkach. Dwa zdania wyjaśniające.
Czas trwania filmu:10s – Całe zdarzenie potem powtórka do wyłączenia.
Rys. 8.1.1 Szklanka - stopklatka z graficznym przedstawieniem parametrów układu.
λ
V T
Podpis do rys.8.1.1
Gorąca woda w szklance na skutek chłodzenia przez szkło szklanki i powietrze porusza się w
całej objętości. Ten ruch konwekcyjny pięknie ujawnia rozpuszczająca się herbata.
8.1.2 -klip Konwekcja w domu.
200
Klip/film przedstawiający pokój mieszkania z oknem i grzejnikiem. Po 10 sekundach
stopklatka. Na stopklatce strumienie powietrza. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z
Rys.8.1.2. Pokój.
Podpis do rys.8.1.2
Grzejniki pod oknami w pokoju podgrzewają powietrze i wymuszają ruch konwekcyjny w
całym pokoju. Dzięki temu mamy w pokoju prawie jednakową temperaturę.
201
Przebieg badań. Konwekcyjny chaos.
Doświadczenie polega na obserwacji, czy rzeczywiście różnica temperatur cieczy powoduje
konwekcję cieczy .
1. Włącz przyciskiem P ogrzewanie układu.
2. Obserwuj na mierniku M różnicę temperatury i obraz konwekcji (na ekranie E).
Na tym poziomie menu jest: film 10 sek. pokazujący włączenie układu. Następnie i stopklatka z
grafiką :W-włącznik, ekran E, M- miernik temperatury.
E
M
W
8.1.b2 Okno uwag:
Uwaga: Po zakończeniu doświadczenia wyłączyć układ.
202
Studenci
8.1.1.N Czy ruch konwekcyjny powoduje wyrównywanie temperatury ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Tak jest w układach odizolowanych od otoczenia. Przyczyną ruchu konwekcyjnego są różnice
temperatur fragmentów płynu. Wraz z ruchem konwekcyjnym następuje wymiana ciepła i
mieszanie się płynów i w przypadku układów odizolowanych powinno nastąpić wyrównanie
temperatury. W układach, gdzie różnica temperatur cieczy jest podtrzymywana przez
zewnętrzne czynniki, konwekcja może trwać bardzo długo (np. wewnątrz Ziemi).
Sprawdź to rozumowanie doświadczalnie. Popatrz na ciecz, gdy temperatury są wyrównane.
Włącz grzałkę i obserwuj jak różnica temperatury wywołuje chaotyczny ruch cieczy. (przejście
wybór NIE.
Tak jest tylko w układach odizolowanych od otoczenia. Przyczyną ruchu konwekcyjnego są
różnice temperatur fragmentów płynu. Wraz z ruchem konwekcyjnym następuje wymiana
ciepła i mieszanie się płynów i w przypadku układów odizolowanych powinno nastąpić
wyrównanie temperatury. W układach, gdzie różnica temperatur cieczy jest podtrzymywana
przez zewnętrzne czynniki, konwekcja może trwać bardzo długo (np. wewnątrz Ziemi).
Sprawdź to rozumowanie doświadczalnie. Popatrz na ciecz, gdy temperatury są wyrównane.
Włącz grzałkę i obserwuj, jak różnica temperatur wywołuje chaotyczny ruch cieczy. (przejście
8.1.1.S Konwekcja w cieczy.
Zbadaj ruch konwekcyjny dla małych i dużych gradientów (różnic) temperatury w cieczy.
( ? –pomoc) Uwaga: W chwili rozpoczęcia doświadczenia ciecz powinna być w równowadze
termodynamicznej , czyli różnica temperatur powinna równać się zero.
Włącz grzałkę o mocy P=50W i obserwuj ruch cieczy. Po 10 minutach włącz grzałkę o mocy
P=250W i zobacz jak tym razem wygląda ruch cieczy.
8.2. Karta opisu :
Wahadło magnetyczne
203
8.2. Informacje ogólne
Wahadło matematyczne porusza się pod wpływem siły ciężkości w sposób przewidywalny i
łatwy do opisania. Jednak, gdy sercem wahadła będzie silny magnes poruszający się nad
polem magnetycznym wytworzonym przez przypadkowo ułożone inne magnesy to ruch
takiego wahadła będzie nieprzewidywalny. Sprawdź, czy ruch wahadła jest przypadkowy.
8.2.1. Zdjęcie układu wahadła z zaznaczonymi magnesami i szkicem pola magnetycznego.
8.2. Przebieg Doświadczenia.
Odchyl wahadło w dowolnym kierunku i puść. Obserwuj, czy jest w tym ruchu jakiś ślad
porządku.
8.2. Zadania
Policz, ile razy wahadło pojawiło się w swoim ruchu nad żółtym oraz nad niebieskim polem.
Czy obie wartości coś „mówią” o przypadkowości ruchu wahadła?
204
0/Menu zerowe
Model ruchu Browna
Ruch Browna
a/ Menu główne:
Model ruchu Browna
Ruch Browna
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Opis 1
Przebieg
Doświadczenia
opis dziłań
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Opis 2
Zadanie n
Uwagi
bezpieczeństwa
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedz
dla
studentów
odpowiedz
na TAK lub NIE
dla uczniów
205
Informacje ogólne
Zadania
8.3. Drugi poziom menu: wybór Informacje ogólne
Gazem nazywamy układ wielu cząsteczek lub atomów niezależnie poruszających się w
przestrzeni. Gazem doskonały jest to gaz, w którym cząsteczki gazu zderzają się sprężyście ze
sobą lub ściankami pojemnika i poruszają się ruchem jednostajnym między zderzeniami. Jeśli
w objętości V znajduje się N cząstek gazu o temperaturze T to na ścianki pojemnika działa
ciśnienie p. Związek między tymi mierzalnymi parametrami gazu opisuje równanie
Clapeyrona: pV=NkT gdzie k jest stałą Boltzmana.
Obserwacja przez „doskonały mikroskop” cząsteczek gazu wykazałaby, że cząsteczki
gazu poruszają się w przypadkowych kierunkach i różnymi prędkościami. Ciśnienie gazu to
jest wynik zderzania się cząstek gazu ze ściankami pojemnika (zmiana pędu cząstek podczas
zderzenia podzielona przez czas obserwacji jest siłą nacisku na powierzchnię zderzeń).
Wprawdzie nie mamy „doskonałego mikroskopu” ale zjawisko zachowania się cząstek
gazu doskonałego można pokazać na modelu dobrze oddającym zjawisko .
8.3.2. Przemiana izotermiczna. Film przedstawiający powolny ruch tłoka pompki pompującej
koło rowerowe. Stopklatka i nałożona grafika: zarys pompki, tłok , ciśnienie P, temperatura
T. Dwa zdania wyjaśniające.
Czas trwania filmu:15s . Całe zdarzenie potem powtórka do wyłączenia.
Rys. 8.3.2 Pompka - stopklatka z graficznym przedstawieniem parametrów układu.
λ
Tł
pV=const.
PV T
Podpis do rys.8.3.2
206
Bardzo powolne sprężanie powietrza jest izotermiczną przemianą gazu. Wsuwanie tłoka Tł w
dół zmniejsza objętość gazu V i zwiększa ciśnienie gazu p. Ponieważ przemiana jest powolna
gaz może nadmiar ciepła oddać otoczeniu i temperatura T pozostaje stała. W tej przemianie
iloczyn pV nie zmienia się, czyli pV=const.
8.3.3. Przemiana adiabatyczna . Film przedstawiający działającą gaśnicę śniegową. Stopklatka i
nałożona grafika: zarys objętości V, tłok, ciśnienie P i P0, temperatura T i T0. Dwa zdania
wyjaśniające.
Rys. 8.3.3 Pompka - stopklatka z graficznym przedstawieniem parametrów układu.
λ
PVT
pV/T=const.
P p0 V0 T0
Podpis do rys.8.3.3
W tej szybkiej przemianie gaz nie zdążył wymienić ciepła z otoczeniem. Jest to przykład
adiabatycznej przemiany gazu. Bardzo szybkie rozprężanie CO2 powoduje gwałtowne
zmniejszenie ciśnienie do P, zwiększenie objętości do V i zmniejszenie temperatury T.
Obniżenie temperatury jest tak duże, że gaz się zestalił w postaci śniegu.
207
Przebieg badań. Model ruchów Browna.
Doświadczenie polega na obserwacji, modelu gazu doskonałego.
1. Włącz przyciskiem P model i obserwuj ruch kulek w naczyniu
2. Za pomocą magnesu M wstaw do modelu gazu krążek K i obserwuj ruch krążka.
Na tym poziomie menu jest: film 10 sek. pokazujący włączenie układu. Włożenie krążka i
stopklatka : P-włącznik, M-magnes, K-krążek.
M-magnes
P-włącznik
K-krążek
K
8.3.1b2Okno uwag:
Uwaga: Po zakończeniu doświadczenie wyłączyć układ.
208
8.3. c Drugi poziom menu Zadania
Studenci
8.3.1.N Czy prędkość cząsteczek gazu zależy od jego temperatury?
Tak
Nie
wybór TAK.
Tak. Im większa temperatura tym większa średnia prędkość cząstek gazu. (przejście do
wybór NIE.
Jednak tak. Im większa temperatura tym większa średnia prędkość cząstek gazu. (przejście
8.3.2.N Czy kulki symulujące cząsteczki gazu zderzają się ze ściankami naczynia i ze sobą
sprężyście ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Tak. Tak jest w gazach doskonałych. Jeśli model ma być dobry to kule też muszą zderzać się
sprężyście. Włącz układ modelu i uważnie przypatrz się ruchowi kulek. (przejście do poziomu
wybór NIE.
Tak. Tak jest w gazach doskonałych. Jeśli model ma być dobry to kule też muszą zderzać się
sprężyście. Włącz układ modelu i uważnie przypatrz się ruchowi kulek. (przejście do poziomu
8.3.3.N Czy plastikowy krążek włożony w środek pędzących kulek zacznie się poruszać ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Tak. Kulki w swoim przypadkowym ruchu uderzają sprężyście w krążek i w takim zderzeniu
przekazują jemu energię i pęd. Krążek powinien się poruszyć. Szczególnie daleki skok może
wykonać krążek, gdy przypadkowo uderzy w niego z tej samej strony więcej kulek. Takie
przypadkowe zgęszczenie kulek nazywa się fluktuacją . Przedstawiony układ jest dobrym
modelem tzw. ruchów Browna . (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
wybór NIE.
209
Jednak tak. Kulki w swoim przypadkowym ruchu uderzają sprężyście w krążek i w takim
zderzeniu przekazują jemu energię i pęd. Krążek powinien się poruszyć. Szczególnie daleki
skok może wykonać krążek, gdy przypadkowo uderzy w niego z tej samej strony więcej kulek.
Takie przypadkowe zgęszczenie kulek nazywa się fluktuacją. Przedstawiony układ jest
dobrym modelem tzw. ruchów Browna . przejście do poziomu menu Przebieg
Doświadczenia).
8.3.1.S Model gazu doskonałego.
Zbadaj ruch kulek modelu gazu doskonałego. Czy model spełnia założenia gazu
doskonałego ? (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
( ? –pomoc) Uwaga: Model jest całkiem dobry. Kulki odbijają się sprężyście a między zderzeniami
poruszają się ruchem jednostajnym.
8.3.2.S Model gazu doskonałego.
Zbadaj ruch krążka włożonego w układ poruszających się kulek. Jak porusza się krążek ?
( ? –pomoc) Kulki w swoim przypadkowym ruchu uderzają sprężyście w krążek i w takim zderzeniu
przekazują jemu energię i pęd. Krążek powinien się poruszyć. Szczególnie daleki skok może
wykonać krążek, gdy przypadkowo uderzy w niego z tej samej strony więcej kulek. Takie
przypadkowe zgęszczenie kulek nazywa się fluktuacją. Przedstawiony układ jest dobrym
modelem tzw. ruchów Browna
210
8.4. Ruch Browna.
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Ruchami Browna nazywamy zjawisko polegające na tym, że niewielkie cząsteczki, pyłki
znajdujące się w gazie, lub w zawiesinie samorzutnie i pozornie bez powodu wykonują stałe
chaotyczne ruchy w różne strony. Na pierwszy rzut oka nie widać ani celu ruchu, ani
przyczyny ruchu. Zjawisko odkrył Robert Brown, który też początkowo poruszające się pyłki
potraktował właśnie jako małe istoty żywe. Albert Einstein (w 1905 roku) i Marian
Smoluchowski (w 1906) niezależnie odkryli, że zjawisko można opisać jako efekt zderzeń
cząstek cieczy z pyłkiem przy założeniu, że w tym procesie pojawiają się fluktuacje.
8.4.1 -klip Model gazu doskonałego.
Klip/film przedstawiający pompowanie małego balonu. Po 10 sekundach zbliżenie do
balonu i stopklatka. Na stopklatce grafika zderzeń drobin płynu ze ścianką balonu/naczynia i
ze sobą. Zamiast grafiki może być nagranie modelu z kulkami. Dwa zdania wyjaśniające.
Czas trwania filmu:10s – potem zbliżenie. Przejście do animacji lub filmu z kulkami około 15s.
Rys.8.4.1. Stopklatka balonu wraz z fragmentem do „powiększenia”.
Podpis do rys.8.4.1
Gaz i ciecz to atomy lub cząsteczki poruszające się względem siebie i naczynia chaotycznie. W
modelu gazu doskonałego przyjmuje się, że cząsteczki gazu poruszają się ruchem
211
jednostajnym do momentu zderzenia sprężystego ze ściankami naczynia lub z inną
cząsteczką. Efekt ciągłych zderzeń ze ściankami naczynia, czyli ciśnienie gazu można
zmierzyć. Średnia prędkość kulek jest miarą temperatury modelowego gazu. Model
zderzających się kulek jest dobrym opisem gazów doskonałych.
8.4.3 -klip Niebieskość nieba.
Klip/animacja przedstawiający pejzaż z niebieskim niebem. Stopklatka i przejście do
animacji. Na animacji pokazane jak promienie niebieskie i czerwone padają na fluktuacje
gęstości powietrza i się rozpraszają.
Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna.
Czas trwania filmu:8s – potem stopklatka i animacja.
Rys.8.4.3. Widok grafiki – model rozpraszania.
Podpis do rys. 8.4.3
Na skutek chaotycznego ruchu cząstek gazu zdarza się, że w jednym miejscu może pojawić
się więcej cząstek niż w innym. Nazywamy to fluktuacją. W powietrzu ciągle występują
fluktuacje gęstości. Światło słoneczne ma tendencje do rozpraszania się na „przeszkodach”.
Lokalne zagęszczenie (fluktuacja) powoduje większe rozpraszanie światła o krótszej fali. W
efekcie, z widma światła słonecznego rozpraszane są fale światła niebieskiego podczas, gdy
dłuższe fale czerwone przechodzą przez powietrze prawie bez przeszkód. Dlatego niebo jest
niebieskie.
212
Przebieg badań. Ruch Browna.
Doświadczenie polega na obserwacji ruchu Browna.
Na tym poziomie menu 15 sekundowe nagranie procesu wkładania preparatu do mikroskopu
i nagrywania.
W przypadku powrotu z zadań-poziom uczniowski odtwarza się nagrany wynik
doświadczenia.
W przypadku powrotu z zadań-poziom studencki jest możliwość nagrywania i odtwarzania.
W czasie odtwarzania program rysuje tor ruchu oraz skalę.
Rys. 8.4.1 Pyłek w cieczy - stopklatka z graficznym przedstawieniem toru.
λ
Start
Przesunięcie
100µm
8.4.1b Okno uwag:
Uwaga: Po zakończeniu doświadczenia wyłączyć układ.
213
Studenci
Uwaga: Przejście z tego poziomu na menu Przebieg Doświadczenia powoduje wywołanie
odtwarzacza z nagranym doświadczeniem.
8.4.1.N Czy pyłek poruszający się ruchem Browna w efekcie odsuwa się od swojego
„punktu startu” ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Tak. Mimo, że ruch Browna odbywa się w przypadkowych kierunkach, systematycznie
odsuwa się od punktu startu.
Sprawdź to rozumowanie analizując nagrane doświadczenie. (przejście do poziomu menu
wybór NIE.
Jednak tak. Mimo, że ruch Browna odbywa się
w przypadkowych kierunkach,
systematycznie odsuwa się od punktu startu.
Sprawdź to rozumowanie analizując nagrane doświadczenie. (przejście do poziomu menu
Uwaga: przejście z tego poziomu na menu Przebieg Doświadczenia powoduje wywołanie
odtwarzacza z możliwością nagrania i odtwarzania doświadczenia.
8.4.1.S Błądzenie przypadkowe..
Ruch Browna należy do grupy przemieszczeń opisywanych jako błądzenie przypadkowe.
Zbadaj ruch Browna w…..
W tym celu: wykonaj preparat zgodnie z instrukcją, włóż do mikroskopu i zarejestruj wynik.
Instrukcja wykonania preparatu:
1. …2….3….
Procedura otrzymania obrazu mikroskopowego:
1. …2….3….
4. Nagraj obserwowane zdarzenie (około 60s)
Analiza wyników:
1.Po wywołaniu opcji Tor Ruchu podczas odtwarzania pojawi się tor ruchu pyłku.
2.Wyznacz średnią odległość jaką pokonał pyłek od chwili startu.
( ? –pomoc) -Uwaga:…
214
a/ Menu główne:
Przewodzenie ciepła
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Opis 1
Przebieg
Doświadczenia
opis dziłań
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Opis 2
Zadanie n
Uwagi
bezpieczeństwa
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedz
dla
studentów
odpowiedz
na TAK lub NIE
dla uczniów
215
Informacje ogólne
Zadania
Energia wewnętrzna ciała jest to suma energii kinetycznych cząstek tego ciała. Im większa
energia wewnętrzna, tym większa jest temperatura tego ciała. Ciepło jest to jeden (obok
pracy) z dwóch sposobów przekazywania energii wewnętrznej ciał stałych, cieczy i gazów.
Jest to przekazywanie energii chaotycznego ruchu cząstek, czyli atomów, cząsteczek,
elektronów i jonów. Ciepło (jako energia) przepływa między ciałami, które mają różne
temperatury, czyli nie znajdują się w równowadze termicznej. Przepływ ciepła wywołuje
zwykle zmianę temperatur ciał pozostających w kontakcie termicznym. O szybkości przepływu
ciepła decyduje różnica temperatur, powierzchnia i grubość materiału oraz jego
współczynnik przenikalności ciepła k. W celu ochrony przed utratą ciepła wybieramy
materiały o odpowiednio małym współczynniku k. W przypadku, gdy zależy nam na jak
najlepszym odprowadzeniu ciepła stosujemy materiały o dużym współczynniku
przenikalności ciepła k.
8.5.1. Dom w podczerwieni. Film przedstawiający dom sfilmowany w świetle widzialnym i
potem w podczerwieni. Stopklatka i nałożona grafika: wartości temperatur poszczególnych
segmentów domu. Dwa zdania wyjaśniające.
Rys. 8.5.1 Dom stopklatka z graficznym przedstawieniem parametrów układu.
λ
Podpis do rys.8.5.1
216
Przenikanie ciepła ma duże znaczenie przy płaceniu rachunków za ogrzewanie mieszkań i
domów. W dobie oszczędności warto ograniczyć straty ciepła. Miejsca, w których "ucieka"
ciepło widać na zdjęciach kamerą termowizyjną. Kamera rejestruje promieniowanie
podczerwone – cieplne, dając w efekcie obraz różnic temperatur obiektu oraz pogląd, co
należy ocieplić.
8.5.2. Chłodzenie procesorów. Film przedstawiający wnętrze komputera - procesora wraz z
radiatorem. Stopklatka i nałożona grafika: procesor 1300C, radiator, wentylator i powietrze z
wentylatora 400C . Dwa zdania wyjaśniające.
Rys. 8.5.2 Procesor - stopklatka z graficznym przedstawieniem parametrów układu.
λ
Wentylator 400C
Procesor graficzny
1300C
Procesor 1300C
Podpis do rys.8.5.2
Szybkie procesory wydzielają bardzo dużo ciepła, dlatego konieczne jest odprowadzenie jego
nadmiaru. W laptopach i notebookach procesory ( główny i graficzny) oddają ciepło parującej
cieczy w rurce miedzianej. Gorąca para przenosi ciepło do radiatora chłodzonego
wentylatorem i tam się skrapla. Powietrze wyprowadza nadmiar ciepła na zewnątrz
komputera i komputer może pracować bez przerwy.
217
Uwaga: włączenie układu powoduje ogrzewanie do tej samej temperatury tylnej części
badanych obiektów.
Przebieg badań. Przewodzenie ciepła.
Doświadczenie polega na obserwacji przenikania ciepła przez płyty zbudowanych z 5-ciu
różnych materiałów. Jednakowego kształtu płyty podgrzewane są jednakową mocą cieplną z
jednej strony. Temperaturę drugiej strony płyt można zmierzyć lub ....obserwować kamerą
termowizyjną.
1. Włącz rejestrację kamerą termowizyjną. Zobacz, czy płyty mają temperaturę pokojową.
2. Włącz włącznikiem W grzanie układu i obserwuj zmiany temperatury.
3. Po czasie t=5min zmierz temperatury płyt i wyłącz układ.
3. Przeanalizuj nagranie. Określ temperaturę końcową płyt .
odtwarzaczu nagranie z przygotowania rzeczywistego doświadczenia.
Na tym poziomie menu jest: film 20 sek. pokazujący włączenie układu i rozgrzewanie płyt. Stopklatka
z grafiką: włącznik W, płyta miedziana M, płyta drewniana D,....
W czasie wykonywania badania na ekranie 8.5 pojawia się obraz termowizyjny.
drewno metal ......
8.5.b2 Okno uwag:
Uwaga: Przed rozpoczęciem doświadczenia płyty powinny mieć tą samą pokojową
temperaturę. Jeśli jej nie mają należy poczekać. Po zakończeniu doświadczenia wyłączyć
układ.
218
Studenci
8.5.1.N Czy metale najlepiej chronią przed przenikaniem ciepła?
Tak
Nie
wybór TAK.
Na pewno nie. Metale są najlepszymi przewodnikami ciepła. Ciepło przekazują nie tylko
związane ze sobą w sieć jony, ale także bardzo dobrze przenoszą ciepło swobodne elektrony.
Można powiedzieć, że metale są dobrymi przewodnikami ciepła i prądu bo posiadają
chmurę swobodnie poruszających się elektronów. Sprawdź to wykonując doświadczenie.
Porównaj temperatury końcowe płyt po ogrzaniu. (przejście do poziomu menu Przebieg
Doświadczenia).
wybór NIE.
Na pewno nie. Metale są najlepszymi przewodnikami ciepła. Ciepło przekazują nie tylko
związane ze sobą w sieć jony, ale także bardzo dobrze przenoszą ciepło swobodne elektrony.
Można powiedzieć, że metale są dobrymi przewodnikami ciepła i prądu bo posiadają
chmurę swobodnie poruszających się elektronów. Sprawdź to wykonując doświadczenie.
Porównaj temperatury końcowe płyt po ogrzaniu. (przejście do poziomu menu Przebieg
Doświadczenia).
8.3.2.N Czy kamera termowizyjna może odkryć chorobę w człowieku ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Tak. Duża część chorób wywołuje reakcję organizmu w postaci podwyższonej temperatury.
Dokładna kamera termowizyjna odkryje tzw. gorączkę, lecz nie poda jej przyczyn. Zobacz, jak
wygląda twoja głowa w widmie promieniowania podczerwonego. Zobacz, jak różni się
temperatura końca ucha i języka. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
wybór NIE.
Jednak tak. Duża część chorób wywołuje reakcję organizmu w postaci podwyższonej
temperatury. Dokładna kamera termowizyjna odkryje tzw. Gorączkę, lecz nie poda jej
przyczyn. Zobacz, jak wygląda twoja głowa w widmie promieniowania podczerwonego.
Zobacz, jak różni się temperatura końca ucha i języka. (przejście do poziomu menu Przebieg
Doświadczenia).
219
8.5.1.S Przenikalność ciepła.
Wyznacz temperatury końcowe powierzchni płyt po ogrzewaniu w czasie t-5min i porównaj
iloraz współczynnika przewodności ciepła k metalu do pozostały czterech materiałów. Jak
uszeregować materiały pod względem wartości k? (przejście do poziomu menu Przebieg
Doświadczenia).
( ? –pomoc) Uwaga: Należy wykonać doświadczenie i wyznaczyć temperatury końcowe (najlepiej z
obrazu kamery). Układ doświadczalny nie jest idealnie dostosowany do dokładnego zbadania
wartości k. Można dobrze oszacować względne relacje.
P=Q/t= k S ΔT/L gdzie S-powierzchnia, L-grubość, k- współczynnik przenikalności, P =moc
cieplna (ilość ciepła przechodząca przez powierzchnię S w ciągu sekundy),ΔT=T0-Tk - różnica
temperatury powierzchni ogrzewanej i powierzchni chłodzonej.
Zakładając, że ogrzewane powierzchnie mają tą samą temperaturę T0=400K, przepływający
strumień ciepła przez płytę jest odbierany przez chłodzące powietrze. Wtedy:
P=Pchł.=Cpow ( Tk-Tpok) , gdzie Cpow.- pewna stała, Tpok.- temperatura otoczenia (pokojowa).
Dla metalu M: P=Q/t= kM S (T0-TkM )/L= Cpow ( TkM-Tpok)
Dla drewna D:
kD S (T0-TkD )/L= Cpow ( TkD-Tpok)
Przy takich samych S,L,cpow. : kM/kD=( TkM-Tpok) /(T0-TkM ) ·(T0-TkD )/ ( TkD-Tpok)
8.5.2.S Kamera termowizyjna.
Zbadaj możliwości kamery termowizyjnej. Wyznacz temperatury przynajmniej 5-ciu
elementów twarzy ? (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia).
( ? –pomoc) -zarejestruj obraz i odczytaj wartości.
220
8.6. Szum termiczny.
0/Menu zerowe
Konwekcyjny chaos,
Szum termiczny.
a/ Menu główne:
Konwekcyjny chaos
…
Szum termiczny
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Opis 1
Przebieg
Doświadczenia
opis dziłań
Zadania
Zadanie 1
Zadanie 3
Opis 2
Zadanie n
Uwagi
bezpieczeństwa
Uwagi
bezpieczeństwa
podpowiedz
dla
studentów
odpowiedz
na TAK lub NIE
dla uczniów
221
Szum termiczny.
Informacje ogólne
Zadania
Informacje ogólne
Chaos obserwowany w świecie dotyczy także gazu …elektronów w metalach. W
metalach swobodne elektrony mogą poruszać się po całej objętości metalu „zderzając się” z
siecią jonów. W takim ruchu chaotycznym gazu elektronów także występują fluktuacje ruchu,
które mogą spowodować chwilowe zagęszczenie elektronów z jednej strony metalu (nadmiar
ładunku ujemnego) i rozrzedzenie z drugiej strony (nadmiar ładunku dodatniego). W efekcie,
taka fluktuacja powoduje powstanie napięcia U(t) zmieniającego swą wartość w sposób
przypadkowy. Mówimy o tym, że na końcach metalu (np.opornika) pojawia się szum.
8.6.1. Szumiąca elektronika . Film przedstawiający wzmacniacz odtwarzający muzykę. Po 10
sekundach siła głosu skręcona do zera natomiast wzmocnienie do maksimum. Słychać szum i
jest rysowany graficznie. Dwa zdania wyjaśniające.
Czas trwania aplikacji: 10s.
Rys. 8.6.1 Szkic stopklatka z graficznym przedstawieniem odbioru mikrofalowego szumu.
V T
Podpis do rys.8.6.1
Elektronika opiera się na ruchu elektronów w opornikach, kondensatorach, diodach,
tranzystorach i procesorach. Wszystkie te elementy szumią, ponieważ w chmurze
222
poruszających się elektronów występują fluktuacje gęstości ładunku. Dużym wyzwaniem jest
zbudowanie elektronicznych elementów o jak najniższym szumie.
8.6.2. Szumiący kosmos . Grafika przedstawiająca niebo nocne, fragment powierzchni Ziemi
wraz z czaszą anteny. Stopklatka i nałożona grafika: dużo fal ze wszystkich kierunków
poruszają się do anteny. Z anteny wychodzi sygnał szumów. Dwa zdania wyjaśniające.
Czas trwania aplikacji: 10s.
Rys. 8.6.2 Szkic stopklatka z graficznym przedstawieniem odbioru mikrofalowego szumu.
λ
V T
Podpis do rys.8.6.2
Szum przychodzi do nas także z kosmosu. W latach 1964-1965 dwóch młodych pracowników
Bell Labs słuchało radiowych sygnałów z kosmosu. Obserwacje utrudniał jednak radiowy
szum, stukrotnie silniejszy od przewidywanego. Nie zależał on ani od kierunku, w którym była
zwrócona antena, ani od pory obserwacji. Okazało się, że natrafili na promieniowanie
będące pozostałością wielkiego wybuchu. Ten wszechobecny szum jest jednym z koronnych
dowodów na zasadność teorii powstania naszego świata, teorii Big-Bang.
223
Uwaga: wyjście wzmacniacza podane jest także na głośnik komputera w celu usłyszenia szumu.
Przebieg badań. Termiczny szum.
Doświadczenie polega na obserwacji, czy rzeczywiście elementy elektroniczne szumią.
Badane są oporniki o oprze R1=10MΩ i R2=40MΩ podłączone do wzmacniacza o małym
poziomie szumów.
1.Włącz wzmacniacz. Ustaw przełącznik wejściowy w pozycji.”0”. Wzmacniacz jest zwarty na
wejściu. Na oscyloskopie określ poziom szumów wzmacniacza – np. maksymalną amplitudę
sygnału. Posłuchaj szumu własnego wzmacniacza.
2. Ustaw przełącznik wejściowy w pozycji ”1”. Na wejściu wzmacniacza podłączony jest
opornik R1 - jako źródło szumów. Na oscyloskopie określ poziom szumów wzmacniacza –np.
maksymalną amplitudę. Posłuchaj szumu opornika i wzmacniacza.
3. Ustaw przełącznik wejściowy w pozycji ”2”. Na wejściu wzmacniacza podłączony jest
opornik R2 - jako źródło szumów. Na oscyloskopie określ poziom szumów wzmacniacza –np.
maksymalną amplitudę. Posłuchaj szumu opornika i wzmacniacza.
Na tym poziomie menu jest: film 10 sek. pokazujący włączenie układu. Następnie i
stopklatka z grafiką :W-włącznik, oscyloskop Osc. ,opornik R1 i R2. A-wzmacniacz
Osc
W
Wzmacniacz
R1
8.6.b2. Program oscyloskopu – pomiar napięcia szumu.
8.6.3 Okno uwag:
Uwaga: Po zakończeniu doświadczenie wyłączyć układ.
224
Studenci
8.6.1.N Czy wielkość szumu zależy od wartości opornika ?
Tak
Nie
wybór TAK.
Tak. Napięcie szumów zależy od wartości opornika R. Wykonaj badania dwóch oporników i
zobacz, czy na większym oporniku generowane jest większe napięcie szumu. Zwiększenie
szumu powinno być słychać w głośniku. (przejście do poziomu menu Przebieg
Doświadczenia).
wybór NIE.
Tak. Napięcie szumów zależy od wartości opornika R. Wykonaj badania dwóch oporników i
zobacz, czy na większym oporniku generowane jest większe napięcie szumu. Zwiększenie
szumu powinno być słychać w głośniku. (przejście do poziomu menu Przebieg
Doświadczenia).
8.6.1.S Szum opornika.
Zbadaj, czy wielkość szumu zależy od wartości opornika. (przejście do poziomu menu
( ? –pomoc) Uwaga: Od szumu opornika należy odjąć szum własny wzmacniacza.
Wartość napięcia szumów U(t) zależy od oporu opornika R, temperatury T :
U(t)2=4TR ∆f
gdzie k- stała Boltzmanna, ∆f- szerokość analizowanego pasma częstotliwości.
Przy stałej wartości ∆f i T kwadrat napięcia szumów jest proporcjonalny do wartości R:
U(t)2 ≈ R .
225
9.1. Propagacja informacji w sieci.
Uwagi wstępne:
1.Stanowisko składa się z monitora obsługi 22' i monitora ogólnego 42'.
Na monitorze 22’ znajdują się wszystkie dane: okno tytułu i informacji użytkownika, okno
programu głównego.
No monitorze ogólnym: w menu drugiego poziomu tylko okno programu głównego.
2. Poniższy opis zawiera uwagi, opis, zalecenia wykonawczy pisany normalną czcionką
oraz pisane kursywą treści merytoryczne .
Schemat ogólny dostępu do poszczególnych poziomów
Propagacja informacji w
Internecie.
a/ Menu główne:
Informacje ogólne
Informacja
Informacja
Zadania
Zadanie 9.1.1
Zadanie 9.1.2
Internecie. Zadanie:…
Internecie.Zadanie:…
Okno informacji użytkowych
i zadanie 9.1.1A
i zadanie 9.1.1B
Okno programu głównego
- dla zadania 9.1.1.B
- dla zadania 9.1.1A
Uwagi: Z menu głównego przechodzi się do drugiego poziomu poprzez wybór zadania nr 1 lub 2.
226
9.1. Menu główne
Propagacja informacji w sieci
Informacja ogólna
Sieć Internetu oplata Ziemię pozwalając na praktycznie nieograniczony ruch
informacji. Droga i szybkość przekazywania informacji w postaci pakietów zależy od
szeregu czynników, w tym od stanu łączy i ich obciążenia. Dostępne
oprogramowanie pozwala na zobrazowanie działania sieci poprzez śledzenie historii
adresowanych pakietów informacji.
Celem doświadczenia jest zbadanie szybkości docierania pakietu informacji
do docelowego adresu oraz przedstawienie drogi pakietu do celu.
Badania propagacji informacji w sieci wykonuje się za pomocą programów
dedykowanych. Po ich wywołaniu należy zapoznać się z uwagami i z programem
Zadania
9.1.1.Wyznacz liczbę skoków (hops) i czas dotarcia informacji do następujących
serwerów: …………………………………….. Czy czas propagacji informacji zależy od
odległości między nadawcą i odbiorcą ? (przejście do menu drugiego poziomu –
program główny w trybie traceroute)
9.1.2.Zbadaj czas propagacji pakietów w zależności od ich wielkości. Czy czas
propagacji jest proporcjonalny do objętości informacji ? (przejście do menu drugiego
poziomu – program główny w trybie ping)
227
9.1.1.b Drugi poziom menu: zadania
Okno informacji użytkownika zadanie nr 9.1.1A:
Do zbadania trasy pakietu służy program ……. W trybie traceroute w oknie
programu należy wpisać adres dowolnej strony www. Program pobiera adresy
kolejnych routerów, przez które przechodzi pakiet danych i wyświetla kolejność,
adresy punktów oraz wartość odległości pokonanej w kilometrach. Na mapie świata
pojawiają się linie łączące tzw. Hopy, dzięki czemu obserwowana jest trasa, jaką
pokonuje pakiet
Okno programu głównego – zadanie 9.1.1A
Rys. 9.1.1 Wykres trasy pakietu (ping) z Kalifornii w USA do popularnego portalu w
Polsce.
9.1.2 b Drugi poziom menu: zadanie
Okno informacji użytkownika zadanie nr 9.1.1B:
Do zbadania trasy pakietu służy program …….
W trybie ping dostępne jest pole, w które należy wpisać adres docelowej
strony www lub adres IP serwera. Po wpisaniu dowolnego adresu aplikacja
wyszukuje serwer na mapie świata i wykreśla schematyczne połączenie z
Hewelianum. Obok mapy wypisane zostają informacje: Adres www, Adres Ip,
Lokalizacja geograficzna, Odległość fizyczna (rys 9.1.2). W drugiej części ekranu
znajduje się wykres czasu rzeczywistego, pokazujący opóźnienie doręczenia
pakietów wysyłanych w określonych odstępach, np. co sekundę. Aplikacja posiada
228
rozwijane menu, w którym można wybrać wielkość badanego pakietu i obserwować
zależność wielkość/czas doręczenia (Rys 9.1.3).
Okno programu głównego – zadanie 9.1.1B
Rys. 9.1.2
Rys. 9.1.3. Przykład okna dla programu śledzenia pakietów.
229
9.2. Ruch statków powietrznych i nawodnych.
Uwagi wstępne:
1.Stanowisko składa się z monitora obsługi 22' i monitora ogólnego 42'.
Na monitorze 22’ znajdują się wszystkie dane: okno tytułu i informacji użytkownika, okno
programu głównego i okno programu do zbierania i wizualizacji danych.
No monitorze ogólnym: w menu drugiego poziomu tylko okno programu głównego.
2. Poniższy opis zawiera uwagi, opis, zalecenia wykonawczy pisany normalną czcionką
oraz pisane kursywą treści merytoryczne .
a/ Menu główne:
Ruch statków powietrznych i
nawodnych.
Informacje ogólne
informacje
informacje
Zadania
Zadanie 9.2.1
Zadanie 9.2.2
Ruch statków powietrznych.
Ruch statków nawodnych.
Dla zadania 9.2.1
Dla zadania 9.2.2
- dla zadania A
- dla zadania B
- dla zadania C
Tabela danych 9.2.1b
Zadania
- dla zadania D
Tabela danych 9.2.2b
Zadania
230
9.2. a/ Menu główne:
.
Informacje Ogólne
W globalnej gospodarce dane o ruchu informacji, towarów i ludzi są bardzo
cenne. W wymianie handlowej bardzo duże znaczenie ma lotniczy i morski transport
towarów. Możliwość analizowania zjawisk związanych z dynamiką ruchu w czasie
rzeczywistym jest konieczna do podejmowania szybkich decyzji gospodarczych i
politycznych.
Dzięki swobodnemu dostępowi do informacji w Internecie możliwe jest
śledzenie w czasie rzeczywistym ruchu statków powietrznych i morskich w istotnych
dla nas miejscach oraz analiza ilościowa tego zjawiska.
Celem badania jest zebranie danych dotyczących ilości przewozów, natężenia
i opis ilościowy ruchu towarów i ludzi.
Badania ruchu samolotów i statków wykonuje się za pomocą programów
dedykowanych i dostępnych w sieci. Po ich wywołaniu należy zapoznać się z
uwagami i z programem oraz wykonać badania.
Zadania
9.2.1. Zbadaj ruch lotniczy w okolicach Warszawy lub Londynu. (przejście do menu
drugiego poziomu – program główny…….)
9.2.2. Zbadaj ruch statków w Zatoce Gdańskiej. (przejście do menu drugiego poziomu
– program główny …………)
,
231
9.2.1.b Drugi poziom menu: zadanie
Okno informacji użytkownika zadanie nr 9.2.1:
Badania ruchu lotniczego w okolicach Warszawy lub Londynu
Zadanie 9.2.1A
1. Wyznacz liczbę N samolotów lecących aktualnie nad terytorium Polski.
2. Określ, ile Boeingów i Airbusów aktualnie leci nad Polską
3. Wyznacz prędkość średnią np.10 samolotów lecących z dala od lotniska
docelowego.
4. Uzyskane dane wpisz do tabeli zbiorczych danych. Porównaj wyniki z danymi
poprzednich badań i określić dynamikę zmian obserwowanych parametrów.
Narysuj wykres: N (t) i V(t).
Zadanie 9.2.1B
1. Wyznacz liczbę samolotów znajdujących się w promieniu 50km od Londynu
2. Określ, ile Boeingów i Airbusów aktualnie leci w pobliżu Londynu.
3.Wyznacz prędkość średnią np.10 samolotów lecących z dala od lotniska
docelowego.
4.Wyznacz liczbę samolotów oczekujących na lądowanie.
poprzednich badań i określić dynamikę zmian obserwowanych parametrów.
Zadanie 9.2.1C
Wykonaj zadanie 9.2.1B tylko dla wybranego innego dużego portu lotniczego.
Uzyskane dane wpisz do tabeli zbiorczych danych. Porównaj wyniki z danymi
poprzednich badań i określ dynamikę zmian obserwowanych parametrów.
232
Okno programu głównego – zadanie 9.2.1
Przykładowe okno programu: http://www.flightradar24.com/ . (Rys.9.2.1)
Rys. 9.2.1 Widok online statków powietrznych
9.2.1b.Okno/tabela programu zbierania i wizualizacji danych (idea):
Założenia programu zbierania danych:
1.Dane wpisywane są do tabeli z 8-cioma kolumnami i z np. 11-cioma wierszami.
Dane w kolumnach:
1. 2.3.4 nr badania, oznaczenie zadania, data, godzina
5. średnia liczba samolotów N
6. średnia prędkość samolotów V
7. Podzielona na dwie kolumny: liczba samolotów dla dwóch najbardziej znanych typów
8. Imiona i nazwiska wpisujących dane
W miarę zbierania danych pozostaje zawsze jedno miejsce (kol.10) na zapis nowego
zdarzenia (przewijanie). Jest możliwość oglądnięcia (przewijania) danych.
233
Nr.
badań
Zadanie
A,B
lub C
Data
y:m:d
Czas
h:min
Liczba
samolotów
Średnia
prędkość
Typ samolotu
Airbus
Boeing
Imię i
nazwisko
operatora
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
9.2.2.b Drugi poziom menu: zadanie 2
Okno informacji użytkownika zadanie nr 9.2.2:
Badanie ruchu statków w Zatoce Gdańskiej
Zadanie 9.2.D
1. Wyznacz liczbę statków znajdujących się w portach Trójmiasta, liczbę stojących na
redzie oraz płynących w odległości do 50km od Gdańska.
2. Określ, średnią ładowność kilku max.10-ciu statków.
3. Wyznacz prędkość średnią kilku np.10 płynących statków.
poprzednich badań i określ dynamikę zmian obserwowanych parametrów.
Okno programu głównego – zadanie 9.2.D
To okno programu: www.marinetraffic.com (Rys.9.2.2.)
Rys. 9.2.2. Widok online statków morskich
234
9.2.2.b Okno/tabela programu zbierania i wizualizacji danych:
Założenia programu zbierania danych:
Dane wpisywane są do tabeli z 8-cioma kolumnami i z np. 11-cioma wierszami.
Dane w kolumnach:
1. 2.3 nr badania, data, godzina
4.5.liczba statków stojących (port i reda), liczba statków w rejsie
5. średnia prędkość V statków
6. średnia ładowność statków
7. imiona i nazwiska wpisujących dane
W miarę zbierania danych pozostaje zawsze jedno miejsce (kol.10) na zapis nowego
zdarzenia (przewijanie). Jest możliwość oglądnięcia (przewijania) danych.
Nr.
badań
Data
y:m:d
Czas
h:min
Liczba
statków
w portach
Liczba
statków
w rejsie
Średnia
prędkość
Średnia
ładowność
Imię i
nazwisko
operatora
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
235

ω - Centrum Hewelianum

Transkrypt

Podobne dokumenty