4.201 Brønndyp. Eksperimenter. Tips. I denne øvingen skal du lage en modell for beregning av fallhøyde teste modellen

Transkript

1 RST 2 4 Bevegelse Brønndyp lage en modell for beregning av fallhøyde teste modellen Eksperimenter Når en fysiker slipper en mynt i en ønskebrønn, er det for å måle hvor dyp brønnen er. Hun måler tida fra hun slipper mynten til lyden fra sammenstøtet mellom mynten og brønnbunnen når øret hennes. Metoden kan generelt brukes til å bestemme dyp. Siden det neppe er dype brønner på skolen, kan du heller slippe en stein fra taket eller fra et vindu på skolen for å måle høyden. Slipp steinen fra vinduet og mål tida det tar til du hører steinen treffer bakken. Beregn høyden steinen falt, ved å bruke en matematisk modell for fallhøyde som funksjon av tida. Hvilken gruppe i klassen får det mest nøyaktige resultatet jamført med kontrollmålingen? Juster modellen etter første kontrollmåling og prøv å måle en annen høyde på samme måte, men nå mer nøyaktig. Tips Drøft hvilket utstyr som gir de mest korrekte tidsmålingene.

2 RST 2 4 Bevegelse Brannmannsfysikk I lage en modell for vannstrøm fra en hageslange teste modellen Eksperimenter Sett fullt trykk på en hageslange uten munnstykke. På forhånd måler du den indre diameteren i slangen. Bestem vannstrømmen fra slangen (liter/s) ved bare å måle hvor langt vannet spruter (x og y). Kontrollmål ved å se hvor lang tid det tar å fylle ei vannbøtte på 10 liter. Tips Hva er sammenhengen mellom vannvolumet gjennom et tverrsnitt, arealet av tverrsnittet og vannets fart?

3 RST 2 4 Bevegelse Brannmannsfysikk II finne utgangsvinkelen som gjør at vannstrålen fra en vannslange når lengst mulig Eksperimenter Still deg opp ute i skolegården, i vaskehallen på en bensinstasjon, i hagen eller et annet sted der du kan låne en vannslange. Du må ha med en loddsnor, en vinkelmåler, et klesskift og en medelev som assistent. Sprut i vei og finn den utgangsvinkelen som gir det lengste «vannkastet». Hvordan virker den høyden slangemunnstykket har over bakken inn på resultatet? Hva har vannfarten å si for resultatet (reguler vanntrykket med krana)? Ta av munnstykket på slangen og finn ut hvilken innvirkning det har på resultatet. Prøv også gjerne med andre slangemunnstykker.

4 RST 2 4 Bevegelse Kast undersøke hvor godt teorien for kastebevegelse med konstant akselerasjon beskriver virkelige kasteforsøk finne den utgangsvinkelen som gir det lengste kastet bruke bevegelseslikningene og erfaringene fra forsøkene til å treffe et mål så nøyaktig som mulig Forhåndsoppgave a) Skriv bevegelseslikningene nedenfor på komponentform og sett inn a x = 0 og a y = g. s = v 0 t a t 2 v = v 0 + a t b) Vis at kasttida t k for et horisontalt kast fra utgangshøyden y = h til y = 0 er t k =! W 2h g Forklar at kasttida er uavhengig av startfarten. Vis at kastlengden er gitt ved x = v 2h 0x! W g c) En kule blir skutt ut fra en kastekanon i høyden 2,0 m over golvet med farten v 0 = 10 m/s og utgangsvinkelen α 0 = 30. Finn ut hvor lang tid dette kastet tar. Finn kastlengden. d) En kule blir skutt ut fra bakken med farten v 0 og utgangsvinkelen α 0. Utled et uttrykk for kastlengden x som funksjon av utgangsvinkelen α 0. Deriver uttrykket med hensyn på α 0, eller finn på annen måte hvilken utgangsvinkel som gir det lengste kastet.

5 RST 2 4 Bevegelse 24 Framgangsmåte Denne laboratorieøvingen er svært omfangsrik, og du kan ikke regne med å gjennomføre den i løpet av et par skoletimer. Fordel øvingen over flere timer eller velg ut noen av de tre delene nedenfor. I alle øvingene skal du bruke et kasteapparat som ved hjelp av ei spent fjær kan skyte ut en kule. Fjæra har som oftest flere stillinger som gir ulik utgangsfart til kula når den blir skutt ut. Kasteapparatet må festes godt til bordet, gjerne med en bordklemme. UTSTYR kasteapparat med kule bordklemme 2 lysporter flygetidsplate datalogger meterstav og/eller målebånd papir og blåpapir solid treplate Kasteapparat 10 cm Til datalogger Måling av utgangsfarten v 0 Still opp kasteapparatet for horisontal utskyting. Monter to lys porter foran åpningen i kasteapparatet slik at du kan bestemme utgangsfarten til kula. Gjennomfør en prøveutskyting så du er sikker på at kula passerer lysportene som den skal. Kople lysportene til dataloggeren eller telleren. Stram fjæra til første stilling og legg kula på plass. Utløs fjæra slik at kula blir skutt ut (og gjerne inn i en beholder like ved). Gjenta dette fem seks ganger og finn en gjennomsnittsfart. Gjenta prosedyren for de andre stillingene av fjæra. Noter v 0 med usikkerhet for hver av stillingene slik at du har det til de neste øvingene. Del 1 Horisontalt kast Vi skal måle kasttida og kastlengden for to til tre horisontale kast, alt etter hvor mange innstillinger det er for fjæra i kasteapparatet. Figuren på neste side viser forsøksopp stillingen. Nå bruker vi bare én lysport, den som står nærmest kasteapparatet. Denne porten registrerer starten på kastet. Slutten på kastet registrerer vi med en flygetids plate. Plata gir en elektrisk impuls når ballen treffer den. Kople lysporten og flyge tidsplata til dataloggeren eller telleren. Stram fjæra i kasteapparatet til første stilling og legg inn kula. Gjør noen prøve skytinger for å se hvor kula treffer golvet. Plasser flygetidsplata på dette stedet. Fest et hvitt ark med et blåpapir oppå flygetidsplata slik at du kan se nøyaktig hvor kula treffer.

6 RST 2 4 Bevegelse 25 Lysport Til datalogger Kasteapparat Til datalogger Flygetidsplate Utfør kastet og les av kasttida du målte på loggeren. Mål kastlengden nøyaktig. Bruk målingene av startfarten fra del 1 og beregn kasttid og kastlengde. Sammenlikn beregningene med de målte verdiene. Ligger de innenfor usikkerheten? Hva kan forklaringen på eventuelle avvik være? Kan du ut fra målingene du har gjort, bekrefte at kasttida er uavhengig av startfarten? Del 2 Skrått kast Velg en utgangsvinkel for kasteapparatet som er større enn null og velg en av utgangsfartene. Beregn hvor kula vil treffe golvet. Etter at du er kommet fram til et svar for kastlengden, skal du nå gjennom føre kastet. Mål lengden nøyaktig ved å gjenta kastet flere ganger og bruke blåpapirmetoden beskrevet i del 1. Bestem også usikkerheten i lengdemålingen. Sammenlikn svaret din gruppe kom fram til med svaret andre grupper fikk, og finn ut hvilken gruppe som fikk best samsvar mellom beregninger og forsøk. La nå læreren bestemme målet for kastet. Læreren tegner et kryss med kritt på golvet. Gruppa skal nå treffe nærmest mulig krysset med ett eneste forsøk. Gruppa gjør alle lengdemålingene de ønsker. På grunnlag av disse målingene skal utgangsvinkel og utgangsfart velges. Gjør beregninger og vurderinger. Still inn kasteapparatet ut fra de beregningene som er gjort og legg blåpapiret over krysset. Skyt! Hvilken gruppe treffer nærmest? Del 3 Maksimal kastlengde Du skal løse de to oppgavene nedenfor ved hjelp av kasteapparatet. Prøv deg fram og vis at du kan treffe det samme målet (krittkryss på golvet eller på nabopulten) med to forskjellige utgangsvinkler selv om utgangsfarten er den samme. Prøv deg fram og finn hvilken utgangsvinkel som gir det lengste kastet. Undersøk for hver av de utgangsfartene kasteapparatet har. Sammenlikn svarene og kommenter. I regnearkfila som hører til denne øvingen, kan du modellere kastene dine. Du må selv sette inn verdier fra forsøkene dine. Klarer du å løse de samme oppgavene ved hjelp av modellen?