נפילה חופשית – תדריך למעבדה

ניסוי זה עוסק בחקר תנועתם של גופים נופלים בנפילה חופשית. במהלך הניסוי יהיה עליך להפיל גופים 16שונים, לעקוב אחר תנועתם ומניתוח התנועה להסיק מסקנות לגבי אופי התנועה, כפי שהסיק במאה ה-

גלילאו גליליי.

רקע תאורטי

ניתן למצוא חומר רקע בספר "מכניקה ניוטונית" כרך א' – פרק א'.

ציוד

מקור מתח חילופין, תיילים מוליכים, כן מעבדה, רשם זמן, ניירות פחם, סרטי נייר, משקולות במשקליםשונים, סרגל, נייר דבק.

0

תיאור המערכת

מערכת הניסוי מורכבת מרשם זמן המחובר למקור מתח חילופין. דרך רשם הזמן מושחל סרט נייר כאשרמשקולת מחוברת לקצהו התחתון, כמתואר בתרשים.

ביצוע הניסוי

חבר את כן המעבדה כך שקצהו האחד מהודק לשולחן ובקצהו השני ממוקם רשם הזמן. הקפד לייצב.1 את רשם הזמן בצורה כזו שיהיה חיכוך מינימלי בין סרט הנייר לבין רשם הזמן בעת נפילת

12v חבר את רשם הזמן למתח חילופין של . .המשקולת

ישר את סרט הנייר כך שלא יהיו בו סלסולים והדבק אותו אל אחת המשקולות. השחל את סרט.2 הנייר דרך החריצים המיועדים לכך ברשם הזמן. החזק את הסרט בחלקו שמעל רשם הזמן בצורה

כזו שהמשקולת תהיה למעלה ליד רשם הזמן.

הפעל את רשם הזמן ושחרר את המשקולת ממנוחה. קוצב הזמן מסמן נקודות על הסרט בפרקי זמן.3∆0.02sectשל תרשים עקבות (בהתאם לתדר של רשת החשמל בישראל). על הסרט מתקבל =

רשום על סרט הנייר את משקלהמתאר את מיקום המשקולת ברגעים השונים של נפילתה. המשקולת.

מקור מתח

רשם זמן

משקולת

g

סרט נייר

חזור על הניסוי עם משקולת נוספת בעלת מסה שונה..4

עיבוד תוצאות הניסוי

הצמד לשולחנך בעזרת נייר דבק את סרט הנייר עם תרשים העקבות..1

הגדר ציר מקום עבור תרשים העקבות:.2

(מדוע?). 1cm בחר נקודה על הסרט ממנה ניתן למדוד בעזרת הסרגל מרחקים מעל .1. y=0 ומיקומה יהיה ראשית ציר המקוםנקודה זו תהיה

? הסבר.0האם בנקודה זו מהירות הגוף היא

סרטט על הנייר ציר מקום ובחר את כיוונו..2

נקודות על הסרט. ערוך טבלת מקום-זמן10החל מנקודת הראשית שבחרת, מדוד את מקומן של .3של הגוף.

.מטר לשניה של הגוף בזמנים השונים ביחידות המהירות הרגעיתחשב את .4

חזור על עיבוד הנתונים עבור הסרט השני ורשום את התוצאות בטבלה נוספת. .5

m1=_____kg 1משקולת מס' הנקודה9876543210

0t(sec(0y(m(

V(m/sec(

m2=_____kg 2משקולת מס' הנקודה9876543210

0t(sec(0y(m(

V(m/sec(

עבור אחת המשקולות שרטט על נייר מילימטרי גרף של מקום הגוף כפונקציה של הזמן..6

בנה גרף של מהירות הגופים כפונקציה של הזמן (גרף נפרד לכל משקולת)..7

. בחרR2הוסף לכל אחד מן הגרפים של המהירות קו מגמה. הצג את משוואת הקו ואת ערכו של .8 במשתנים הפיזיקלייםx ו-yמספר ספרות מתאים להצגה בגרף. במשוואת הישר, החלף את

המתאימים.

עבור שני הגופים.y כפונקציה של מרחק הנפילה v2סרטט את הגרפים של .9

ניתוח תוצאות

התבונן בתרשים העקבות, תאר במילים כיצד משתנים המרווחים בין העקבות ומה ניתן להסיק מכך..1

מהי צורת גרף מקום-זמן שקיבלת? הסבר מה ניתן ללמוד מן הגרף על אופי התנועה..2

התבונן בגרף מהירות-זמן של התנועה. מה ניתן להסיק על אופי התנועה מצורת הגרף?.3

מהו שיפוע גרף מהירות-זמן? מהן יחידותיו? .4 עבור כל משקולת, חשב מתוך גרף מהירות-זמן את תאוצת הנפילה החופשית. בדוק את ההתאמה

לערך הצפוי: חשב את השגיאה היחסית ואת השגיאה המוחלטת.

? מהן יחידותיה ומה היא מציינת?yמהי נקודת החיתוך של גרף מהירות – זמן עם ציר ה-.5

האם היה הבדל בתנועת שני הגופים? אם כן, הסבר את הסיבות להבדל, אם לא - מדוע לא?.6

? מה מייצג שיפוע הגרף? מהן יחידותיו?y כפונקציה של v2מהי צורת הגרף של .7עבור כל משקולת, חשב מתוך גרף זה את תאוצת הנפילה החופשית.

השווה את התוצאות לערך הצפוי וחשב את השגיאה המוחלטת והיחסית.

שאלות רקע תאורטיות

הגדר את המושג "נפילה חופשית". האם לדעתך המשקולת בניסוי אכן תבצע תנועה זו? הסבר..1

נקודות על גבי תרשים העקבות שנסמנן 3נניח כי המשקולת בניסוי נעה בתאוצה קבועה. נבחר 2.0A, B, C (ראה תרשים). מרווח הזמן בין כל שתי נקודות זהה, ונסמנו tΔ.

באופן הבא: C ו – A מוגדרת באמצעות ההעתק בין הנקודות Bהמהירות הממוצעת בנקודה

?BC או AB מדוע הגדרה זו עדיפה על פני הגדרת המהירות הממוצעת על פי ההעתק בקטעים .1

למהירות הרגעיתבדיוק הוכח כי בתנועה שוות תאוצה, המהירות הממוצעת כפי שהוגדרה שווה .2.Bבנקודה

בניסוי אנו מודדים את מקום העקבות בזמנים השונים ומחשבים מכך את המהירות (הממוצעת) בכל.3 0.02נקודה על גבי התרשים. כלומר בידינו נתונים על מקום ומהירות המשקולת בזמנים שונים (כל

שניות).

מהו הגרף שיש לשרטט בעזרת נתונים אלה (או חלקם), כך שניתן יהיה למצוא באמצעותו את.1תאוצת הנפילה החופשית? כיצד נמצא או נחשב תאוצה זו מתוך הגרף?

הצע גרף נוסף באמצעותו ניתן לחשב את תאוצת הנפילה החופשית..2

A B C

שאלות נוספות

שרטט ידנית גרפים איכותיים המתארים את המקום, המהירות והתאוצה של גוף הנופל נפילה.1חופשית כפונקציה של הזמן. הוסף ליד כל גרף ביטויים מתמטיים מתאימים.

א. האם המהירות כפי שחושבה בעת ניתוח הניסוי היא אמנם המהירות הרגעית? .2

אם לא, מהי מהירות זו וכיצד ניתן לשפר את המדידה? .2

מה ההבדל בין מהירות רגעית למהירות ממוצעת?.3

הסבר מדוע ניתן לבחור בניסוי את נקודת תחילת המדידה כרצוננו. כיצד באה לידי ביטוי נקודה זו.3בגרף מהירות זמן?

מהם השיקולים המנחים אותנו בבחירת נקודת תחילת המדידה?

)? אם כן, חשב אותה והוסף אותהy=0 את המהירות ההתחלתית (המהירות ב-לחשבהאם ניתן .4לגרפים, אם לא – הסבר מדוע.

מה היה תרשים העקבות על גבי סרט הנייר לו תנועת הגופים היתה קצובה?.5

.g עבור הסבר מדוע לא ניתן לקבל בניסוי (באופן עקרוני) ערך גדול מ - .6

אילו ביצעת את הניסוי על הירח, מה היה השוני בתוצאות?.7