• تعداد بازديد :
  • سه شنبه 1395/03/25
  • تاريخ :

تاثیر شتاب جاذبه بر سقوط آزاد اجسام

تاثیر شتاب جاذبه بر سقوط آزاد اجسام

مقدمه:

آیا تا به حال در حین سقوط یک جسم به این فکر کرده اید که این جسم با چه سرعتی به سمت پایین حرکت می کند؟ (البته اگر جسمِ در حال افتادن شکننده باشد به این فکر نمی کنید و فقط سعی خواهید کرد از خوردن آن به زمین جلوگیری کنید!) همه ی ما می دانیم که جاذبه سبب سقوط اجسام به سمت پایین می شود. اما جاذبه چه تأثیری بر سرعت سقوط می گذارد؟ برای مثال آیا جسم پس از جدا شدن از دست شما سرعت بیشتری دارد یا دقیقاً قبل از برخورد به زمین؟ در این فعالیت علمی شما رابطه ی میان زمان و مسافت طی شده توسط یک جسم تحت شتاب ثابت گرانش را بررسی خواهید کرد.
تأثیر شتاب جاذبه بر سقوط آزاد اجسام

پیش زمینه:

شما بر حسب تجربه می دانید که سرعت دادن به دوچرخه در حین دوچرخه سواری در یک مسیر شیب دار به سمت پایین کار آسانی است. جاذبه در این حالت به کمک شما می آید و با کشیدن دوچرخه به پایین کار شما را برای سرعت دادن به دوچرخه از طریق پدال زدن کم می کند. همچنین می دانید که هر چه مسافت روی این تپه بیشتر باشد می توانید با سرعت بیشتری حرکت کنید. هر چه مدت زمان طولانی تری تحت کشش جاذبه به سمت پایین باشید، سرعت حرکت دوچرخه بیشتر می شود. این را نیز می دانید که هر چه شیب تپه بیشتر باشد، سرعت شما نیز بیشتر خواهد بود. شیب دارترین تپه ای که بتوانید تصور کنید چندان شبیه تپه نیست، بلکه یک مسیر عمودی به سمت پایین است که در آن اجسام سقوط آزاد می کنند و کشش جاذبه نیز در آن بیشترین مقدار خواهد بود. بی شک علاقه ای به حرکت روی این سطح با دوچرخه ندارید!

تأثیر شتاب جاذبه بر سقوط آزاد اجسام

در سقوط آزاد، جاذبه به طور مداوم به جسم شتاب وارد می کند (سرعت آن را افزایش می دهد) تا اینکه جسم به سرعت حد برسد. به طور خاص جاذبه سرعت جسم در حال سقوط را در هر ثانیه ۹.۸ متر بر ثانیه افزایش می دهد. (واحد سرعت متر بر ثانیه و واحد شتاب متر بر مجذور ثانیه است.) این شتاب چه تأثیری بر مسافتی که جسم با گذشت زمان طی می کند دارد؟ در این فعالیت علمی شما یک تیله را روی سطح شیب دار رها خواهید کرد تا این موضوع را بررسی کنید.

 

مواد و وسایل مورد نیاز:

یک لوله ی مقوایی بلند برای ساخت سطح شیب دار. طول این لوله باید حداقل دو و نیم فوت باشد.

تأثیر شتاب جاذبه بر سقوط آزاد اجسام

یک کتاب نازک یا یک تکه چوب کوچک برای بالا نگه داشتن یک انتهای لوله ی مقوایی. ضخامت آن باید حدود نیم تا یک اینچ باشد.
قیچی برای بریدن لوله ی مقوایی
ماژیک دائمی

تأثیر شتاب جاذبه بر سقوط آزاد اجسام

تیله ی بازی
زمان سنجی که ثانیه شمار داشته باشد. بسیاری از گوشی های تلفن همراه زمان سنجی با این ویژگی دارند.
خط کش (اختیاری)
یک همراه برای کمک (اختیاری)
 
 

آماده سازی:

یک لوله ی مقوایی بلند بردارید و آن را در یک خط مستقیم در امتداد طول ببرید. همین کار را در خطی مستقیم درست مقابل خط قبلی انجام دهید تا در نهایت دو نیم لوله ی همسان داشته باشید. از یکی از این دو قطعه به عنوان سطح شیب دار در آزمایش خود استفاده خواهید کرد.

 یکی از دو نیم لوله ای که بریدید را بردارید و زیر یک انتهای آن کتابی نازک یا تکه چوبی کوچک قرار دهید. (حداکثر با ضخامت یک اینچ که شیب آن زیاد نشود و سرعت تیله روی آن قابل اندازه گیری باشد.)

  با ماژیک دائمی خط شروع را در قسمت بالاتر سطح شیب دار حدود نیم اینچ از انتها علامت گذاری کنید. سطح شیب دار شما برای انجام آزمایش آماده است!
 
 

روش کار:

تایمر را روی یک ثانیه تنظیم کنید و تیله را روی خط شروع نگه دارید.

دقیقاً در لحظه ای که دکمه ی شروع تایمر را فشار می دهید، تیله را رها کنید. (دقت کنید که نباید آن را هل بدهید.) در همین حین آماده باشید تا با ماژیک مکان تیله روی سطح شیب دار پس از گذشت یک ثانیه را علامت بزنید. اگر همراه دارید، از او بخواهید علامت گذاری را انجام دهد. پس از گذشت یک ثانیه تیله چه مسافتی را طی می کند؟

 این کار را حداقل ۹ مرتبه ی دیگر انجام دهید. به این ترتیب در انتها باید ده علامت مختلف روی سطح شیب دار داشته باشید که محل تیله پس از گذشت یک ثانیه را نشان می دهند. آیا تیله در تمام این ده بار مسافت یکسانی را طی می کند؟

تأثیر شتاب جاذبه بر سقوط آزاد اجسام

مراحل قبل را یک بار دیگر انجام دهید، اما این مرتبه محل تیله پس از گذشت دو ثانیه را علامت بزنید. این کار را نیز حداقل ده مرتبه انجام دهید تا ده علامت دیگر روی سطح شیب دار داشته باشید. مسافت طی شده توسط تیله در یک ثانیه چه تفاوتی با مسافت طی شده در دو ثانیه دارد؟ در واقع، علامت های مربوط به زمان یک ثانیه نسبت به علامت های مربوط به دو ثانیه چگونه هستند؟

اگر خط کش دارید، می توانید مسافت طی شده توسط تیله در هر مرتبه از خط شروع را اندازه بگیرید.

به طور کلی با افزایش زمان، مسافت طی شده توسط تیله روی سطح شیب دار چه تغییری می کند؟ این نتایج چه نکته ای را در مورد تأثیر جاذبه بر سرعت و شتاب تیله در حال حرکت روی سطح شیب دار بیان می کنند؟

 

آزمایش های تکمیلی:

با خط کش مسافت طی شده توسط تیله روی سطح شیب دار را اندازه بگیرید و با این اطلاعات مسافت متوسط طی شده در یک ثانیه و دو ثانیه را محاسبه کنید. (هر کدام از زمان ها به طور جداگانه) سپس نموداری از نتایج خود ترسیم کنید. مسافت متوسط طی شده را روی یک محور و زمان را روی محور دیگر قرار دهید. با توجه به این نمودار، با افزایش زمان مسافت طی شده توسط تیله چه تغییری می کند؟

این فعالیت را با استفاده از یک سطح شیب دار بلندتر حداقل با طول شش فوت انجام دهید. تیله را روی این سطح شیب دار رها کنید و مسافت طی شده توسط آن را در زمان های بیشتر اندازه بگیرید (یک ثانیه، دو ثانیه، سه ثانیه و ...) تا جایی که در زمان مد نظرتان تیله مسیر را به طور کامل طی کند. در هر بار مسافت طی شده توسط تیله را روی سطح شیب دار علامت بزنید. تأثیر جاذبه بر سرعت و شتاب تیله در این حالت چگونه است؟

این فعالیت را با توپ های مختلف مانند توپ لاستیکی، فلزی، پینگ پونگ و ... انجام دهید. جنس و نوع توپ چه تأثیری بر نحوه ی حرکت آن روی سطح شیب دار می گذارد؟

 

مشاهده و نتیجه گیری:

آیا تیله با طی مسافت بیشتر افزایش سرعت پیدا می کند؟
سرعت یک جسم در حال سقوط آزاد با گذشت هر ثانیه 9.8 متر بر ثانیه افزایش می یابد. در نتیجه پس از یک ثانیه جسم با سرعت ۹.۸ متر بر ثانیه به سمت پایین حرکت می کند. پس از دو ثانیه سرعت جسم به ۱۹.۶ متر بر ثانیه می رسد و به همین ترتیب پس از سه ثانیه به ۲۹.۴ متر بر ثانیه.

تأثیر شتاب جاذبه بر سقوط آزاد اجسام

اگرچه این فعالیت در شرایط سقوط آزاد انجام نشده است، (حضور سطح شیب دار سبب ایجاد اصطکاک و کاهش سرعت تیله می-شود.) در اینجا نیز مفهوم به همین شکل است و جاذبه به طور پیوسته سبب افزایش سرعت تیله در حرکت به سمت پایین می-شود. این موضوع را می توان با مقایسه ی فاصله ی بین خط شروع تا علامت های زمان یک ثانیه و فاصله ی بین علامت های زمان یک ثانیه تا دو ثانیه متوجه شد. در واقع، فاصله ی میان علامت های زمان یک ثانیه و دو ثانیه بزرگتر از فاصله ی میان خط شروع و علامت های زمان یک ثانیه است، که نشان می دهد در زمان طولانی تر سرعت تیله افزایش پیدا کرده است. بسته به شرایط دقیق سطح شیب دار، فاصله ی میان علامت های زمان یک ثانیه و دو ثانیه باید چیزی در حدود یک و نیم تا دو و نیم برابر فاصله ی بین خط شروع و علامت های زمان یک ثانیه باشند.

منبع: Speedy Science

بخش پژوهش های دانش آموزی سایت تبیان،تنظیم نیلوفر یاقوتی

UserName