Mechanica - KU Leuven

Vliebergh-Senciecentrum
Basisexperimenten
Fysica
6de jaar S.O. deel 1
Mechanica
M. De Cock, G. Janssens, J. Vanhaecht
Woensdag 14 mei 2008
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
INHOUD
Inleiding 1D-bewegingen, x(t)-grafiek...........................................................................2
Samenstellen van rotaties ..............................................................................................4
Eenparig Veranderlijke Rechtlijnige Beweging, horizontale baan + tikker..................5
Eenparig Veranderlijke Rechtlijnige Beweging, schuine baan + bewegingssensor .....7
Eenparig Veranderlijke Rechtlijnige Beweging, vrije valbeweging + tikker ................9
Reactietijd – vrije val ...................................................................................................10
Onafhankelijkheidsbeginsel .........................................................................................11
Samenstellen van 1-D bewegingen, onafhankelijkheid van bewegingen.....................13
Horizontale worp (1)....................................................................................................14
Samenstellen van krachten - Traagheid - Evenwicht...................................................15
1e wet van Newton – Traagheid (1).............................................................................16
1e wet van Newton – Traagheid (2).............................................................................17
1e wet van Newton – Traagheid (3).............................................................................18
1e wet van Newton – Traagheid (4).............................................................................19
1e wet van Newton – Traagheid (5) .............................................................................20
1e wet van Newton – Traagheid (6).............................................................................21
3e wet van Newton - actie en reactie (1) ......................................................................22
3e wet van Newton - actie en reactie (2) ......................................................................23
3e wet van Newton - actie en reactie (3) ......................................................................24
3e wet van Newton - actie en reactie (4) – twee personenbalansen.............................25
actie en reactie (5) - Spankracht in touw.....................................................................26
ECB: massa aan draad door buis................................................................................27
Krachten - gewicht .......................................................................................................28
Krachten - wrijving (1) ................................................................................................29
Krachten - wrijving (2) ................................................................................................30
Valbeweging met/zonder luchtweerstand ....................................................................31
Valbeweging met luchtweerstand ................................................................................32
Behoud van energie......................................................................................................34
Botsingen (elastische en niet-elastische), behoud van impuls .....................................35
Botsingen......................................................................................................................36
Ontbinden van een kracht in twee componenten (Datastudio)....................................37
Schuine worp - verband tussen de dracht van een projectiel en de lanceerhoek ........40
Controle op de tweede wet van Newton: F = m*a.......................................................44
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
Inleiding 1D-bewegingen, x(t)-grafiek
Onderwerp: Inleiding 1D-bewegingen
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
Dit experiment is erg geschikt om de kinematica in te leiden.
3de graad - Kinematica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
Materiaal:
PC met bewegingssensor + interface (bv. Pasco-motionsensor + datastudio), beamer,
rechte (kartonnen) plaat, 1 leerling
Uitvoering:
- Stel de software zo in dat er gedurende bv. 10 s de positie gemeten wordt door de
sensor. Een samplefrequentie van 10 Hz volstaat.
- Laat een leerling met een plaat voor zich wat heen en weer bewegen op een rechte
lijn voor de sensor zodanig dat er een x(t)-grafiek ontstaat van de beweging.
- Na enkele vragen gesteld te hebben over de x(t)-grafiek, kan je de v(t)-grafiek ook
weergeven, en daarna eventueel ook de a(t)-grafiek.
Opdrachten/Vragen:
Het aantal vragen dat je hierbij kan stellen is quasi eindeloos. Het is de bedoeling om
de belangrijkste begrippen uit de kinematica aan te brengen: positie, verplaatsing,
tijdsinterval, gemiddelde en ogenblikkelijke snelheid, versnelling, …
Maar ook de meer wiskundige begrippen zoals afgeleide kunnen zeker al aan bod
komen.
Enkele suggesties:
Wat kan je i.v.m. de snelheid uit deze grafiek afleiden? Waar is v positief, waar
negatief? Hoe kan je de gemiddelde snelheid bepalen in een bepaald tijdsinterval?
Hoe berekent het programma de snelheidsgrafiek? Wat betekent letterlijk
‘versnelling’?
Tips bij de uitvoering:
Laat na de bespreking een 2e leerling proberen dezelfde grafiek te reconstrueren door
analoog heen en weer te bewegen. De eerste grafiek moet natuurlijk zichtbaar blijven
tijdens de 2e ’run’.
© K.U.Leuven
pag. 2
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
6
5
4
X (m) position
Meetresultaten:
3
2
1
1
© K.U.Leuven
2
3
4
5
6
7
8
t (s) time
9
10
pag. 3
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
Samenstellen van rotaties
3de graad - Kinematica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
Onderwerp: Samenstellen van rotaties
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
Materiaal:
Stukjes gele of lichtgrijze isolatiebuis (diameter 16 mm = 5/8”) van verschillende
lengte (± 5, 6, 7, … , 10 cm) met op de uiteinden een verschillende markering (bv.
rood bolletje en blauw kruisje) die met een stift is aangebracht.
Uitvoering: Druk aan één kant van het buisje (bv. aan rood bolletje) met je wijsvinger
(hard) op het buisje zodat het van onder je vinger springt en snel begint rond te tollen.
Opdrachten/Vragen:
Hoe beweegt dit buisje? Waar ligt het rotatiemiddelpunt: in het midden of aan een
uiteinde?
Hoe komt het dat je enkel het symbool ziet dat gelegen is aan de kant waar je op het
buisje hebt gedrukt om het te laten tollen?
Wat heeft dit te maken met de snelheid van “zien”?
Wat bepaalt of er een “stilstaand” of “roterend” beeld te zien is van de markeringen?
Tips bij de uitvoering:
Voorzie voldoende plaats op een tafel (of op de vloer) om dit proefje uit te voeren.
Meetresultaten:
- Je ziet enkele keren het symbool dat gelegen is aan de kant waar je op het buisje
hebt gedrukt om het te laten tollen.
- Je krijgt na enkele toertjes een “stilstaand” beeld van de markeringen als de lengte
van de buis een geheel aantal keer de diameter van de buis is.
Buis 5/8"
diameter d (cm)
n lengte l (cm)
1,59
3
4,8
1,59
4
6,4
1,59
5
7,9
1,59
6
9,5
1,59
7
11,1
1,59
8
12,7
Stilstaand beeld met n tekens als l = n.d
© K.U.Leuven
pag. 4
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
Eenparig Veranderlijke Rechtlijnige Beweging, horizontale baan +
tikker
3de graad - Kinematica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
Onderwerp: EVRB met tikker
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
Materiaal:
Voedingsbron, tikker, karretje op baan, touw met schijfmassahouder + schijfmassa’s,
thermisch papierlint of wit tikkerlint + carbonschijfjes
Uitvoering:
- Plaats de baan op een horizontale ondergrond.
- Haal het lint door de tikker (aan inktkant van carbonschijfje!) en bevestig het dan
aan het karretje. Leg het lint zo vlak mogelijk achter de tikker (niet opgekruld).
- Zet de bron eventjes aan en controleer of er een zwart stipje staat op het lintje.
- Leerling 1 bevestigt de aandrijfmassa aan het touw en hangt het over het wieltje
achteraan de baan terwijl een leerling 2 het karretje vasthoudt.
- Controleer of de massa nergens de tafel/bureau kan raken tijdens de beweging.
- Leerling 2 schakelt de bron in en laat dan het karretje los terwijl leerling 1 achteraan
de baan zich klaarhoudt om het karretje op te vangen indien het van de baan botst.
Opdrachten/Vragen:
- De proef kan uitgevoerd worden met verschillende aandrijfmassa’s om een
verschillende versnelling te creëren.
- Meet de positie van de stippen als functie van de tijd.
- Bepaal de gemiddelde snelheid in de kleine tijdsintervallen (tx – tx-2)
- Bepaal de gemiddelde versnelling <a> = (v - v0)/t met t het tijdstip van v (midden
van tx – tx-2 ).
Berekeningen kunnen bv. in Excel gebeuren.
Tips bij de uitvoering:
Als de tikfrequentie kan ingesteld worden (zoals bij Pasco ME-9283) is 10 Hz
voldoende om een degelijk resultaat te bekomen.
© K.U.Leuven
pag. 5
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
Meetresultaten:
Tikker 50 Hz; aandrijfmassa 30 g.
EVRB
gemiddelde:
© K.U.Leuven
1,15
x(t)
500
x (mm)
400
300
200
100
0
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
t (s)
v (m/s)
1,2
v = 1,1153.t + 0,0008
1
0,8
v (m/s)
t (s) x (mm)
v (m/s)
<a> (m/s²) x/t² (m/s²)
0,00
0,0
0,02 ∆t
1,0 ∆x 0,050
2,50
2,50
0,04
2,0
0,050
1,25
1,25
0,06
3,0
0,063
1,04
0,83
0,08
4,5
0,075
0,94
0,70
0,10
6,0
0,113
1,13
0,60
0,12
9,0
0,150
1,25
0,63
0,14
12,0
0,175
1,25
0,61
0,16
16,0
0,200
1,25
0,63
0,18
20,0
0,200
1,11
0,62
0,20
24,0
0,225
1,13
0,60
0,22
29,0
0,275
1,25
0,60
0,24
35,0
0,300
1,25
0,61
0,26
41,0
0,300
1,15
0,61
0,28
47,0
0,325
1,16
0,60
0,30
54,0
0,350
1,17
0,60
0,32
61,0
0,350
1,09
0,60
0,34
68,0
0,400
1,18
0,59
0,36
77,0
0,425
1,18
0,59
0,38
85,0
0,425
1,12
0,59
0,40
94,0
0,450
1,13
0,59
0,42
103,0
0,475
1,13
0,58
0,44
113,0
0,500
1,14
0,58
0,46
123,0
0,525
1,14
0,58
0,48
134,0
0,550
1,15
0,58
0,50
145,0
0,550
1,10
0,58
0,52
156,0
0,600
1,15
0,58
0,54
169,0
0,625
1,16
0,58
0,56
181,0
0,625
1,12
0,58
0,58
194,0
0,650
1,12
0,58
0,60
207,0
0,675
1,13
0,58
0,62
221,0
0,700
1,13
0,57
0,64
235,0
0,750
1,17
0,57
0,66
251,0
0,775
1,17
0,58
0,68
266,0
0,750
1,10
0,58
0,70
281,0
0,775
1,11
0,57
0,72
297,0
0,800
1,11
0,57
0,74
313,0
0,850
1,15
0,57
0,76
331,0
0,900
1,18
0,57
0,78
349,0
0,925
1,19
0,57
0,80
368,0
0,925
1,16
0,58
0,82
386,0
0,950
1,16
0,57
0,84
406,0
0,950
1,13
0,58
0,86
424,0
1,000
1,16
0,57
0,88
446,0
0,975
1,11
0,58
0,90
463,0
0,925
1,03
0,57
0,92
483,0
0,6
0,4
0,2
0
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
t (s)
0,61
pag. 6
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
Eenparig Veranderlijke Rechtlijnige Beweging, schuine baan +
bewegingssensor
3de graad - Kinematica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
Onderwerp: Inleiding 1Dbewegingen
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
Materiaal:
PC, Pasco motionsensor, interface met Datastudio, rolbaan (1 m lengte), karretje,
gradenboog, statief, bierkaartje
Uitvoering:
- Plaats de baan hellend m.b.v. een statief (bv. 15°).
- bevestig een bierkaartje aan de voorkant van het karretje (om een betere detectie van
de sensor te verkrijgen)
- Stel het programma zo in dat de registratie van de meetpunten start vanaf 15 cm en
eindigt bij 95 cm bij een samplefrequentie van 50 Hz.
- Leerling 1 start de meting en laat dan het karretje los. Leerling 2 houdt zich
achteraan klaar om het karretje op te vangen indien het van de baan botst.
Opdrachten/Vragen:
- De proef kan uitgevoerd worden onder verschillende hoeken om een verschillende
versnelling te creëren.
- Als de snelheidsgrafiek ook wordt weergegeven, kan de richtingscoëfficiënt bepaald
worden (= versnelling).
Berekeningen kunnen ook bv. in Excel gebeuren.
Tips bij de uitvoering:
© K.U.Leuven
pag. 7
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
Meetresultaten:
Hellingshoek 20°, 15° en 10°
© K.U.Leuven
pag. 8
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
Eenparig Veranderlijke Rechtlijnige Beweging, vrije valbeweging +
tikker
3de graad - Kinematica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
Onderwerp: Vrije valbeweging
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
Materiaal:
Spanningsbron + tikker (50 Hz) of Pasco tikker op batterij (40 Hz), valmassa (± 100
g), thermisch papierlint of wit tikkerlint + carbonschijfjes, valmat
Uitvoering:
- Bevestig de tikker op een statief zodanig dat de tikker voorbij de tafel komt.
- Haal het lint door de tikker (aan inktkant van carbonschijfje!) en bevestig er de
valmassa aan. Hou het lint zo hoog mogelijk verticaal boven de tikker (ga eventueel
op tafel staan).
- Zet de tikker aan en controleer of er een zwart stipje staat op het lintje.
- Laat het lint los en controleer goed of de massa nergens de tafel/bureau raakt tijdens
de beweging.
Opdrachten/Vragen:
- De proef kan uitgevoerd worden met verschillende aandrijfmassa’s om te
controleren dat de valversnelling onafhankelijk van de massa is.
- Meet de positie van de stippen als functie van de tijd.
- Bepaal de gemiddelde snelheid in de kleine tijdsintervallen (tx – tx-1)
- Bepaal de gemiddelde versnelling <a> = (v - v0)/t met t het tijdstip van v (midden
van tx – tx-1 ).
Berekeningen kunnen bv. in Excel gebeuren.
Tips bij de uitvoering:
Bij een tikfrequentie van 50 Hz neem je best als tijdsinterval 0,04 s (dus tx – tx-2) om
de gemiddelde snelheid te bepalen.
Meetresultaten:
Analoog aan experiment “EVRB met tikker p.6” maar met <a> = ± 9,8 m/s² = g
© K.U.Leuven
pag. 9
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
Reactietijd – vrije val
Onderwerp: Reactietijd
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
3de graad - Kinematica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
Materiaal:
Meetlat (minimum 30 cm), valmat
Uitvoering:
- Leerling 1 houdt de meetlat bij het uiteinde vast en laat ze verticaal hangen.
- Leerling 2 houdt zijn/haar hand open ter hoogte van het nulpunt zodat de meetlat
tussen duim en wijsvinger kan vallen.
Leerling 1 laat onaangekondigd de meetlat vallen en leerling 2 probeert die zo snel
mogelijk te grijpen tussen duim en wijsvinger zonder zijn/haar arm te bewegen.
Opdrachten/Vragen:
- Voer de proef minimum 5 keer uit en bepaal uit de valafstand je gemiddelde
reactietijd van je hand.
- Berekeningen kunnen bv. in Excel gebeuren of met het grafisch rekentoestel.
Tips bij de uitvoering:
- Leg een valmatje op de grond ter bescherming van de meetlat.
- Opdat je arm niet zou bewegen bij het grijpen, kan je je arm op een tafel leggen.
Meetresultaten:
© K.U.Leuven
reactieafstand (cm)
11
18
28
15
19
15
14
20
12
18
reactietijd (s)
0,15
0,19
0,24
0,17
0,20
0,17
0,17
0,20
0,16
0,19
17
0,19
pag. 10
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
Onafhankelijkheidsbeginsel
Onderwerp: Onafhankelijkheidsbeginsel
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
3de graad - Kinematica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
r
v0 x
Materiaal:
Toestel voor onafhankelijkheid van beweging (eventueel bijgeleverde balletjes
vervangen door ingeboord golfballetje)
varianten:
3B (dimat)
Vincent leermiddelen
Uitvoering:
- Hou het toestel op ooghoogte voor je uit, mooi horizontaal. Eventueel op statief
aanbrengen.
- Span de veer van het schiettoestel op en schroef de horizontale staaf vast.
- Toon eerst de werking van het toestel (schroef losmaken) zonder de balletjes.
- Toon dan de werking met balletjes en luister naar de tikken op de grond.
© K.U.Leuven
pag. 11
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
Opdrachten/Vragen:
- Laat hier zeker de leerlingen voorspellen wat er zou kunnen gebeuren (zie
bijgevoegd leerlingenblad op blz. 51).
Welk balletje komt eerst aan?Teken de baan van elk balletje.
Welke invloed heeft het min of meer opspannen van de veer?
Welke invloed heeft de hoogte bij de start van het experiment?
Welke kracht(en) werken op elk balletje tijdens de start, vlak na vertrek, tijdens de
val? Welke versnelling heeft elk balletje?
Welke invloed heeft de horizontale beweging op de valbeweging?
Welk gevolg heeft dat voor de berekening van de positie x (horizontaal) en y
(verticaal) op een willekeurig tijdstip?
Tips bij de uitvoering:
- Overspan de veer niet: het toestel zou onbruikbaar kunnen worden.
- Voer de proef uit van op verschillende hoogtes.
- Maak indien mogelijk een stroboscopische foto om te zien dat op elk moment de
balletjes even hoog hangen.
Meetresultaten:
- Beide balletjes komen altijd tegelijk op de grond, onafhankelijk van op welke hoogte
ze worden afgevuurd.
- De vorm van de baan is een parabool met top in vertrekpunt.
- Onafhankelijkheid van bewegingen
© K.U.Leuven
pag. 12
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
Samenstellen van 1-D bewegingen, onafhankelijkheid van
bewegingen
3de graad - Kinematica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
Onderwerp: Samenstellen van 1-D
bewegingen
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
Materiaal:
Pasco Ballistic Cart (ME-9486), baan
Uitvoering:
De baan moet perfect horizontaal staan. Stel het toestel af zodat de knikker verticaal
wordt afgevuurd (via regelschroeven opzij van het toestel).
Toon eerst dat het toestel de knikker verticaal afvuurt door het karretje heel traag tot
voor het oogje te brengen.
Opdrachten/Vragen:
Welke beweging voert karretje uit? Welke beweging voert de knikker uit (t.o.v.
karretje en t.o.v. baan)? Welke baan volgt de knikker?
Tips bij de uitvoering:
- OPGELET: Schakel altijd eerst het ballistisch toestel in alvorens de knikker er in te
duwen. Als eerst de knikker er in wordt gedrukt, zal de knikker er uit worden
gekatapulteerd bij het inschakelen en dat kan gevaarlijk zijn voor de ogen.
- Het is nog mooier als er een tunnel wordt geplaatst (met doorgang van 15 cm breed
op 27 cm hoog)
Meetresultaten:
De knikker belandt steeds terug in het toestel, onafhankelijk van de horizontale
snelheid.
© K.U.Leuven
pag. 13
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
Horizontale worp (1)
3egraad - Kinematica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
Onderwerp: Horizontale worp
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
Materiaal en opstelling:
stalen knikker, rail: schuine aanloop + horizontaal stuk (1 m), statief en klemmen,
chronometer, meetlat, carbonpapier en kettingpapier, schietlood, gradenboog.
- Het horizontaal gedeelte van de rail wordt licht afhellend gemonteerd om de
wrijving te compenseren.
- Breng met het schietlood de oorsprong van de x-as op het blad, precies onder het
vertrekpunt van de kogel, waar die de rail verlaat.
Uitvoering:
- Laat de knikker los in een vast punt op de helling.
- Meet de tijdsduur van beweging van de knikker over het horizontaal gedeelte van de
rail.
- Vang de knikker op na de eerste tik en noteer daar de vertrekhoogte van de knikker.
Tips bij de uitvoering:
Leg carbonpapier op de vloer, inktkant naar boven. Daarover het kettingpapier, vanaf
het eindpunt van de rail, en vastkleven op de vloer.
Opdrachten/Vragen:
Meet het verband tussen de dracht en de horizontale beginsnelheid van de knikker bij
een vaste hoogte. (Varieer de vertrekhoogte op de schuine rail.)
Meetresultaten:
valhoogte
Horizontale snelheid
Dracht(gemeten) Dracht(berekend)
1,03 m
1,41 m/s
0,655 m
0,646 m
0,936 m
1,11 m/s
0,436 m
0,485 m
De resultaten zijn gunstiger bij een hogere snelheid van de knikker (minder last van
wrijving).
© K.U.Leuven
pag. 14
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
Samenstellen van krachten - Traagheid - Evenwicht
Onderwerp: Samenstellen v. krachten
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
3de graad - Dynamica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
r
F1
r
F2
r
F3
Materiaal:
3 houders met schijfmassa’s, 2 statieven, 2 katrolwieltjes, touw, gradenboog
Uitvoering:
Zie opstelling. Meet nauwkeurig de hoeken tussen de krachten.
Opdrachten/Vragen:
r
r r
r r
Toon aan dat FR = F1 + F2 + F3 = 0 .
Tips bij de uitvoering:
Andere massacombinatie levert een nieuwe oefening.
Meetresultaten:
© K.U.Leuven
pag. 15
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
1e wet van Newton – Traagheid (1)
3de graad - Dynamica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
Onderwerp: Traagheid
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
Materiaal:
massa (250g tot 1 kg afhankelijk van de sterkte van het gebruikte touwtje) , dubbel
statief (voldoende hoog), garendraad of dun touwtje, valmat (bv. muismatje)
Uitvoering:
1. Trek in één ruk aan het draadje op plaats C.
2. Trek geleidelijk aan het draadje op plaats C.
Opdrachten/Vragen:
Waarom breekt onderste/bovenste draadje?
Tips bij de uitvoering:
Vraag eerst wat er gaat gebeuren als men onderaan het touwtje trekt alvorens de proef
uit te voeren.
Vergelijk dit met het afrollen van een WC-rol (traag=afrollen, snel is afscheuren)
Meetresultaten:
1. Het draadje breekt op plaats A.
2. Het draadje breekt op plaats B.
© K.U.Leuven
pag. 16
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
1e wet van Newton – Traagheid (2)
3de graad - Dynamica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
Onderwerp: Traagheid
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
Materiaal:
Sjoelschijven, lat (40 of 50 cm)
Uitvoering:
Maak een toren van een 15-tal schijven. Schuif met de lat snel over de tafel en klop zo
de onderste schijf van onder de toren. De rest van de toren blijft staan.
Doe dit heel traag, en heel de toren schuift mee.
Opdrachten/Vragen:
Waarom blijft de toren staan? Waarom lukt dit niet als we dit heel traag doen?
Tips bij de uitvoering:
Om de show compleet te maken, kan je - na de verklaring – de hele toren laten
verdwijnen door heel snel van links naar rechts te schuiven met de lat zodat alle
schijven van onder de toren worden geslagen. Vraag dan enkele lln om alle schijven
terug te zoeken …
Meetresultaten:
Enkel onderste schijfje vliegt weg, toren is ‘traag’ en blijft staan.
© K.U.Leuven
pag. 17
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
1e wet van Newton – Traagheid (3)
Onderwerp: Traagheid
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
3de graad - Dynamica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
Materiaal:
Aluminium ring (diameter minimim 20 cm) met opening, (stalen) knikker
Uitvoering:
Breng de knikker op een cirkelbaan langs de ring.
Ring met opening kan gemaakt worden van grote afvoerbuis.
Opdrachten/Vragen:
Welke baan zal de knikker volgen als het poortje wordt opgenzet?
Tips bij de uitvoering:
- De opening moet voldoende groot zijn (afhankelijk van de dikte van de knikker).
- Leg een groot papier onder de ring met mogelijke banen (als meerkeuzevraag).
B
A
C
D
Meetresultaten:
De knikker volgt de baan van de raaklijn vermits de centripetale kracht wegvalt aan
opening.
© K.U.Leuven
pag. 18
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
1e wet van Newton – Traagheid (4)
3de graad - Dynamica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
Onderwerp: Traagheid
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
Materiaal:
Emmer, water, stevig touw, drijvend voorwerp (bv. eendje, kurk)
Uitvoering:
Vul de emmer voor ± ¾ met water en hang deze met het touw op. Draai de emmer
met korte snelle bewegingen om zijn as tot het touw een goede torsie gekregen heeft.
Opdrachten/Vragen:
Waarom beweegt het eendje quasi niet bij het opdraaien en ontdraaien? En waarom
blijft het water draaien nadat bij het ontdraaien de emmer wordt tegengehouden?
Tips bij de uitvoering:
Meetresultaten:
Bij het opdraaien met korte beweging, zien we dat het water (en eendje) quasi stil
blijft staan. Als we de emmer daarna loslaten, blijft het nog steeds een tijdje stilstaan
alvorens het mee begint te draaien.
Houden we dan de emmer tegen, dan zien we dat het water nog een hele tijd blijft
doordraaien.
© K.U.Leuven
pag. 19
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
1e wet van Newton – Traagheid (5)
3de graad - Dynamica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
Onderwerp: Traagheid
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
Materiaal:
Rolbaan, wagen met plat bakje (Pasco), knikker
Uitvoering:
1. Leg de knikker rechts in bakje en geef een duw tegen wagentje zodat het naar
rechts vertrekt. Observeer de knikker.
2. Geef de stilstaande wagen een duw naar links als de knikker links tegen de kant ligt
en stop de rijdende wagen plots af en observeer de knikker.
Opdrachten/Vragen:
Welke besluiten kan je formuleren?
Tips bij de uitvoering:
variant: Leg een knikker bovenop een roltafeltje
Meetresultaten:
1. Wagentje vertrekt, knikker blijft op zijn plaats t.o.v. rolbaan.
2. Als wagentje stopt, bolt knikker verder.
© K.U.Leuven
pag. 20
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
1e wet van Newton – Traagheid (6)
3de graad - Dynamica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
Onderwerp: Traagheid
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
r
a
Materiaal:
Waterpas
Uitvoering:
Versnel de waterpas door er tegen te duwen en observeer de beweging van de
luchtbel.
Opdrachten/Vragen:
Bespreek en verklaar de beweging van de luchtbel.
Tips bij de uitvoering:
Meetresultaten:
Tijdens de versnelling beweegt de luchtbel naar voor. Het water is traag en blijft
‘achter’.
© K.U.Leuven
pag. 21
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
3e wet van Newton - actie en reactie (1)
3de graad - Dynamica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
Onderwerp: actie en reactie
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
Materiaal:
Lang touw of visdraad, drankrietje of buisje, kleefband, ballon
Uitvoering:
Steek het touw door het drankrietje, blaas de ballon op (niet dichtknopen!), kleef met
kleefband het rietje vast op de ballon en laat de ballon los.
Opdrachten/Vragen:
Hoe komt de ballon vooruit? Wie/Wat oefent een kracht uit op de ballon?
Is dit ook zo bij een raketmotor?
Tips bij de uitvoering:
Gewoon een ballon laten vliegen door de klas (zonder touw) is eenvoudiger maar
minder mooi.
Meetresultaten:
© K.U.Leuven
pag. 22
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
3e wet van Newton - actie en reactie (2)
3de graad - Dynamica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
A
Onderwerp: actie en reactie
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
B
Materiaal:
2 dynamometers
Uitvoering:
2 dynamometers met elkaar verbinden en uitrekken.
- 1 dynamometer A stilhouden, aan B trekken
- B stilhouden, aan A trekken
- aan beide trekken
Opdrachten/Vragen:
- Bespreek welke kracht door welke dynamometer op welke dynamometer wordt
uitgeoefend.
r
r
- Schets de proef en teken de krachten FAB en FBA .
Tips bij de uitvoering:
Controleer dat de dynamometers exact op nul staan als ze niet belast worden.
Meetresultaten:
Beide dynamometers geven steeds hetzelfde resultaat.
© K.U.Leuven
pag. 23
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
3e wet van Newton - actie en reactie (3)
3de graad - Dynamica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
Onderwerp: actie en reactie
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
Bron: PASCO
Materiaal:
2 krachtsensoren, rekker
Uitvoering:
2 krachtsensoren met elkaar verbinden en uitrekken. Ondertussen de kracht als functie
van de tijd weergeven. Meetprogramma zo instellen dat 1 kracht negatief wordt
weergegeven.
Opdrachten/Vragen:
Tips bij de uitvoering:
- 1 sensor stilhouden en aan andere trekken,
- dan andere stilhouden,
- aan beide tegelijk trekken, levert telkens zelfde resultaat.
Meetresultaten:
Bron: PASCO
© K.U.Leuven
pag. 24
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
3e wet van Newton - actie en reactie (4) – twee personenbalansen
3e graad - Dynamica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
Onderwerp: actie en reactie – twee
personenbalansen
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
Foto’s: kwantum 4A deel 1 p.69
Materiaal:
2 (analoge) personenbalansen
Uitvoering:
2 leerlingen staan tegenover elkaar, elk op een personenbalans. Lees af.
Laat de ene leerling op de handen of de schouders van de andere duwen.
Lees opnieuw af. Maak voor elke leerling het verschil van beide aflezingen.
Wissel om.
Opdrachten/Vragen:
Welke besluit kan je formuleren?
Wat lees je af op de schaal van de balans? Wat meet je met een balans?
Teken alle krachten op de leerlingen en op de balansen.
Tips bij de uitvoering / variante:
Duw tegen de muur, trek onderaan het tafelblad, … terwijl je op een balans staat.
Meetresultaten:
Met een balans meet je eigenlijk het gewicht i.p.v. de massa.
© K.U.Leuven
pag. 25
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
actie en reactie (5) - Spankracht in touw
3de graad - Dynamica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
Onderwerp: Spankracht in touw
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
Materiaal:
4 dynamometers, 2 statieven, 2 katrolwieltjes, touw, massa
Uitvoering:
Zie opstelling.
Opdrachten/Vragen:
- Schets opstelling en teken de krachten die op de dynamometers werken.
Tips bij de uitvoering:
- Neem een voldoende grote massa (bv. 500 g) opdat de massa van de dynamometers
verwaarloosbaar zou zijn.
Meetresultaten:
- Alle dynamometers geven dezelfde waarde aan.
© K.U.Leuven
pag. 26
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
ECB: massa aan draad door buis
Onderwerp: ECB massa aan draad door buis
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
3e graad - Dynamica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
m1
m2
Foto: PASCO
Materiaal en opstelling:
Gom, kurk of gummiballetje (m1) aan visdraad (minstens 1,20 m), draadje of klever
als merkteken, glazen of plastic buisje (bv. huls van een simpele bic) met afgeronde
uiteinden, trekmassa (m2), chronometer, meetlat.
Neem m2 4 tot 10 keer zwaarder dan m1.
Steek de visdraad door het buisje, maak onderaan de trekmassa vast.
Uitvoering:
- Meet de straal R van de draaicirkel op en plaats voor deze stand een merkteken op
de visdraad gelijk met de onderkant van de glazen buis.
- Breng m1 met de juiste snelheid aan het draaien zodanig dat het merkteken stabiel
gehouden wordt onderaan het buisje.
- Neem de tijdsduur op voor 10 rotaties.
Herneem de meting voor een andere straal.(20, 30, 40, 50, 60 cm)
Tips bij de uitvoering:
- Start met een grote draaicirkel om rustiger te kunnen tellen.
- Start de rotatiebeweging terwijl je de trekmassa met de vrije hand op de gewenste
hoogte houdt. Laat de trekmassa vrij als het systeem in evenwicht is.
- Begin vanaf 0 te tellen.
Opdrachten/Vragen:
Schets de proefopstelling en duid de kracht(en) aan die inwerken op m1 en m2.
Maak een tabel met meetresultaten.
Breng de periode T van de rotatie in een grafiek als functie van de straal R .
Welke besluit kun je formuleren?
Meetresultaten:
R m
g
Goede overeenkomst met de berekende verhouding 2 = 2 ⋅ 2 (volgt uit
T
m1 4π
Fmz (m1 ) = Fz (m2 ) . Eventueel corrigeren voor niet-horizontale stand van het draaiende
touw (R*= Rcosθ) waarbij θ de hoek is die het touw maakt met de horizontale.
© K.U.Leuven
pag. 27
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
Krachten - gewicht
3egraad - Dynamica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
Onderwerp: Gewicht
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
Materiaal en opstelling:
versnellingsensor x, y, z gemonteerd op datarecorder, verticaal valtouw, hulptouwtje
en schaar.
- de versnellingsensor wordt vastgeknoopt aan het valtouw. De vrije valhoogte
bedraagt ongeveer 1,50 m. De lengte van het touw moet zodanig zijn dat de
versnellingsensor minimum 20 cm boven de vloer blijft.
- Het toestel wordt in de vertrekstand vastgehouden aan een hulptouwtje.
Uitvoering:
- Start de datarecorder en knip dan het hulptouwtje door.
- De versnellingsensor voert een vrije val uit over de lengte van het valtouw en
schommelt enkele keren voor hij stilvalt.
- Zet de datarecorder af en breng de metingen over op de PC voor analyse.
Tips bij de uitvoering:
Plaats een opvangdoos of valmat onder het vallend meettoestel als
voorzorgsmaatregel.
Opdrachten/Vragen:
Grafiek analyseren: versnelling/gewicht tijdens vrije val?
Meetresultaten:
© K.U.Leuven
pag. 28
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
Krachten - wrijving (1)
3egraad - Dynamica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
Onderwerp: Wrijving (1)
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
Materiaal en opstelling:
houten blok, waarvan 2 zijden met vilt bekleed zijn (Pasco) met trekhaakje, hellend
vlak waarvan de helling traploos veranderd wordt, gradenboog
- het vlak wordt bekleed met verschillende materialen: aluminium, glas, plastic, ….
- (variante) de motion-sensor wordt opgesteld
Uitvoering:
- Plaats het blok op het vlak. Kies de gewenste bekleding voor beide
contactoppervlakken.
- Vergroot geleidelijk de helling.
- Stop op het ogenblik dat het blok net in beweging komt.
- Meet deze hellingshoek θmax.
Tips bij de uitvoering:
Opdrachten/Vragen:
Bereken de statische wrijvingscoëfficiënt voor de twee gebruikte materialen met de
formule: µs = tg θmax
Variante:
Geef het vlak een hellingshoek θ die duidelijk groter is dan θmax . Plaats het blok op de
helling en zet de motion-sensor aan.
Analyseer de grafiek via rekentoestel of PC. Bepaal de versnelling ax van het blok.
Bereken µD = tg θ – ax . (1/g.cos θ)
Meetresultaten:
© K.U.Leuven
pag. 29
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
Krachten - wrijving (2)
3egraad - Dynamica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
Onderwerp: Wrijving (2)
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
Materiaal en opstelling:
houten blok, waarvan 2 zijden met vilt bekleed zijn (Pasco) met trekhaakje;
massablok om het blok te verzwaren;
horizontaal vlak bekleed met verschillende materialen: aluminium, glas, plastic, ….
krachtsensor verbonden met PC en met kort trekkoordje vastgemaakt aan het
trekhaakje van het houten blok
Uitvoering:
- Plaats het blok op het vlak. Kies de gewenste bekleding voor beide contactoppervlakken.
- Zet de krachtsensor op de nulstand als het trekkoordje opgespannen is.
- Trek geleidelijk harder aan de krachtsensor tot het blok net in beweging komt en
blijf trekken terwijl het blok met constante snelheid verder schuift.
- Analyseer de grafiek op PC.
Tips bij de uitvoering:
Opdrachten/Vragen:
Lees op de grafiek de maximale trekkracht af om het blok net in beweging te krijgen:
Fmax = Fw,S,max = µs .|FN|
Lees op de grafiek de trekkracht af om het blok met een constante snelheid te
verschuiven langs het horizontale vlak.
Ftrek = Fw,D,max = µD .|FN|
Meetresultaten:
2,5
Fw(N)
2
1,5
1
0,5
t(s)
0
4
© K.U.Leuven
5
6
7
8
9
pag. 30
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
Valbeweging met/zonder luchtweerstand
3de graad - Mechanica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
Onderwerp: Valbeweging met
luchtweerstand
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
Materiaal:
- Schaaltje uit zilverpapier (zie foto)
- Pluimpje
Uitvoering:
1. Laat het pluimpje en het schaaltje tegelijkertijd, maar afzonderlijk vallen.
2. Leg het pluimpje in het schaaltje, laat het schaaltje vallen.
Variant: leg een blaadje papier op je handboek en laat vallen.
Opdrachten/Vragen:
Wat zal eerst op de grond komen: het schaaltje of het pluimpje?
Welke krachten werken in op het schaaltje, op het pluimpje?
Wat is het verschil tussen beide situaties wat betreft krachten?
Tips bij de uitvoering:
Laat het schaaltje met pluimpje van voldoende grote hoogte vallen.
Meetresultaten:
Als het schaaltje en het pluimpje tegelijkertijd maar afzonderlijk naar beneden vallen,
zal het pluimpje er beduidend langer over doen dan het schaaltje.
Als het pluimpje in het schaaltje ligt, ondervindt dit geen luchtweerstand en zal dus
samen met het schaaltje op de grond komen.
© K.U.Leuven
pag. 31
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
Valbeweging met luchtweerstand
3de graad - Mechanica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
Onderwerp: Valbeweging met
luchtweerstand
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
Materiaal:
motion sensor + interface + PC met software
koffiefilter (zie foto)
Uitvoering:
3. Plaats de motion sensor op de grond, met zijn ‘oog’ verticaal omhoog gericht.
4. Verbind de motion sensor via de interface met de computer.
5. Laat de koffiefilter vallen met de smalle kant naar beneden en meet de positie
als functie van de tijd.
Opdrachten/Vragen:
Welke beweging voert de koffiefilter uit?
Welke krachten werken in op de koffiefilter?
Tips bij de uitvoering:
Zorg dat de koffiefilter over een voldoende grote afstand kan vallen zodat evenwicht
tussen zwaartekracht en luchtweerstand zich kan instellen.
Indien gewerkt wordt met de motionsensor van Pasco, wordt die best op breed
meethoekbereik gezet om zeker te zijn dat de koffiefilter wordt gedetecteerd.
© K.U.Leuven
pag. 32
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
Meetresultaten:
© K.U.Leuven
pag. 33
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
Behoud van energie
Onderwerp: Behoud van energie
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
3e graad - Dynamica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
h
y
x
Materiaal:
Geplooide rail (bv. aluminium gordijnrail), knikker, statief, rolmeter, schietlood,
waterpas, (ketting)papier, carbonpapier
Uitvoering:
- Leg eerst het carbonpapier op de grond met daar bovenop het wit papier.
- Breng met het schietlood de oorsprong van de x-as op het blad, precies onder het
vertrekpunt van de kogel, waar die de rail verlaat.
- Breng op de rail om de 10 cm een markering aan en bepaal de hoogte h van.
- Laat van op verschillende hoogtes h de knikker telkens 3 keer naar beneden rollen.
Vang de knikker op na de eerste tik en noteer bij het valpunt de bijbehorende h.
Tips bij de uitvoering:
- Controleer met de waterpas dat het laatste stukje van de rail mooi horizontaal staat.
Opdrachten/Vragen:
- Bepaal uit de x- en y-waarde de beginsnelheid van de horizontale worp en de
bijhorende kinetische energie. Vergelijk dit met de potentiële energie bij de start.
- Bepaal het verlies aan mechanische energie tijdens het naar beneden rollen.
- Kan je dit verlies verklaren?
Analyse van de resultaten kan in Excel gebeuren
Meetresultaten:
m=
28,4 g
meting
1
2
3
4
5
6
7
© K.U.Leuven
h (m)
0,041
0,073
0,106
0,136
0,169
0,201
0,231
x (m)
0,318
0,423
0,510
0,586
0,652
0,715
0,771
y (m)
0,973
0,973
0,973
0,973
0,973
0,973
0,973
t (s)
0,445
0,445
0,445
0,445
0,445
0,445
0,445
v0x
0,714
0,950
1,145
1,316
1,464
1,605
1,731
Ek (J)
7,2E-3
12,8E-3
18,6E-3
24,6E-3
30,4E-3
36,6E-3
42,6E-3
Ep (J)
11,4E-3
20,3E-3
29,5E-3
37,9E-3
47,1E-3
56,0E-3
64,4E-3
∆Em
4,2E-3
7,5E-3
10,9E-3
13,3E-3
16,7E-3
19,4E-3
21,8E-3
pag. 34
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
Botsingen (elastische en niet-elastische), behoud van impuls
3de graad - Dynamica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
Onderwerp: Botsingen
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
Materiaal:
Rolbaan, 2 wagens met plat bakje (Pasco) met velcrokant en met magneetkant,
massabalkjes, supermagneetjes
Uitvoering:
1. Laat twee identieke wagens met gelijke snelheid naar elkaar toe rijden, met
velcrokanten naar elkaar toe.
2. Analoog maar met magneetkanten naar elkaar toe.
3. Rol de ene wagen naar de andere stilstaande wagen toe.
4. Verzwaar één van de wagens, met 1 / met 2 massablokken en herneem de
voorgaande proeven.
Opdrachten/Vragen:
Welke besluiten kun je formuleren?
Tips bij de uitvoering:
De snelheid van de wagentjes niet te groot nemen.
Meetresultaten:
r
r
r r
Behoud van impuls p1 + p 2 = p'1 + p ' 2
© K.U.Leuven
pag. 35
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
Botsingen
3de graad - Dynamica
demonstratie-experiment
leerlingenpracticum
Onderwerp: Botsingen
gemakkelijk
middelmatig
moeilijk
Materiaal:
Astro blaster (zie foto)
Uitvoering:
Laat de ballen vertikaal boven elkaar naar beneden vallen.
Opdrachten/Vragen:
Tips bij de uitvoering:
Vraagt wat oefening om het geheel mooi verticaal te laten vallen.
Meetresultaten:
Het kleine balletje springt met grote snelheid omhoog: op het ogenblik dat de grote
(roze) bal op de grond botst en terug naar boven springt (met dezelfde snelheid), is het
kleine balletje nog aan het vallen en botst dus tegen de terugspringende bal. Daar de
massa van het rode balletje kleiner is dan de massa van de roze bal, zal deze bij de
botsing een grote snelheid meekrijgen.
© K.U.Leuven
pag. 36
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
Ontbinden van een kracht in twee componenten (Datastudio)
1. Benodigdheden
-
USB-link PS-2100 (2 x)
-
Krachtsensor PS-2104 (2 x)
alternatief: krachtsensor (CI-6537) – deze sensor wordt aangesloten op de
interface 750 (500) of op de USB-link m.b.v. de analoge adapter PS-2158
-
PC met software Datastudio
-
2 tafelklemmen + 3 lange statiefstaven + 2 noten
-
2 korte statiefstaven + 2 noten
-
Hoog statief + 1 noot + 1 korte statiefstaaf
-
geodriehoek op houder
-
massa met haak + touwtje
2. Proefopstelling:
-
Maak m.b.v. de twee tafelklemmen, de
twee noten en de drie lange statiefstaven
nevenstaand rechthoekig kader
-
Bevestig m.b.v. de twee overige noten
de twee krachtsensoren op de korte
statiefstaven.
-
Koppel de sensoren aan de USB-links en
sluit deze aan op een USB-poort – start
Datastudio – op het scherm verschijnt een
grafiek van de “duwkracht” in functie van
de tijd – verwijder deze grafiek
-
Ga naar “set up” vink “inverted force” aan voor beide sensoren ga
eveneens
naar “sample rate = bemonsteringsfrequentie” stel deze in op 1 Hz minimaliseer dit venster.
-
Stel op het scherm een digitale aflezing in van de trekkracht van beide
sensoren – verhoog de afleesnauwkeurigheid tot op 0,01 N.
Ontbinden van krachten (J. Dreezen)
pag. 37
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
3. Proefuitvoering:
Stel beide krachtsensoren zo op dat het trekhaakje naar beneden wijst - klik op
“start” en nadien op de tarreerknop van beide krachtsensoren – hang nu de
massa met haakje
aan één van de sensoren. Noteer hieronder de kracht waarmede de aarde deze
massa aantrekt en stop de meting:
Fzw = …………
+/- 0,03 N
(in onze meting: 1,09 N)
De tweede sensor duidt uiteraard nul aan
Hang nu deze massa m.b.v. het touwtje
op aan beide sensoren – beide sensoren
trekken nu aan het touwtje onder een
bepaalde hoek (zie foto).
Plaats het statief met de geodriehoek
achter het touwtje zodanig dat je de
hoek die elk touwtje met de verticale
maakt nauwkeurig kan aflezen
(zie foto).
Stel beide krachtsensoren zodanig op
dat het trekkend koordje loodrecht
staat op de onderkant van de sensor.
(zie foto) – klem beide sensoren
goed vast op de korte statiefstaven
Verwijder eventjes de trekkende massa
– klik op “start” – druk op de tareerknop van beide sensoren – hang de
trekkende massa terug op dezelfde
plaats.
Noteer de kracht die uitgeoefend wordt
op beide sensoren – stop de meting.
Verschuif het statief en de geodriehoek
totdat je de hoek die elk touwtje met
de verticale maakt nauwkeurig kan aflezen
- noteer beide hoeken bij hun krachtcomponenten.
Herneem deze stappen voor enkele verschillende hoeken (je kan best telkens
een klein oogje knopen in het touwtje zodat de trekkende massa niet naar
midden verschuift).
Ontbinden van krachten (J. Dreezen)
pag. 38
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
4. Meetresultaat:
Nr. meting
linkse kracht (N)
= Fl
linkse
hoek (°)
=α
rechtse kracht (N)
= Fr
rechtse
hoek (°)
=β
Voorbeeld van metingen:
Nr. meting
linkse kracht (N)
= Fl
linkse
hoek (°)
=α
rechtse kracht (N)
= Fr
rechtse
hoek (°)
=β
1
0,71
24
0,52
40
2
0,91
20
0,41
54
3
0,43
50
0,90
22
5. Analyse meetresultaat:
Nr. meting
linkse verticale
component (N):
Fl(v) = Fl x cos α
rechtse verticale
component (N):
Fr(v) = Fr x cos β
Som van de
componenten(N):
Fl(v) + Fr(v)
1
0,65
0,40
1,05
2
0,86
0,24
1,10
3
0,28
0,83
1,11
6. Besluit
Rekening houdend met de meetfout blijkt dat de som van de componenten gelijk is
aan de zwaartekracht die inwerkt op de massa:
Fl(v) + Fr(v)= Fzw
Ontbinden van krachten (J. Dreezen)
pag. 39
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
Schuine worp - verband tussen de dracht van een projectiel en de
lanceerhoek
Benodigdheden
1.
2.
3.
4.
5.
6.
lanceertoestel (b.v. van Pasco Launcher ME 6801)
tafelklem
rolmeter
carbonpapier
papier
plakband
Bepaling van de beginsnelheid bij een horizontale worp
Opstelling
1. Maak de opstelling zoals aangegeven op de figuur.
2. Het lanceertoestel wordt met een tafelklem stevig op de tafel
vastgeschroefd.
3. Markeer de plaats van de poten van de tafel op de vloer zodat je ze, bij
eventuele verschuiving, terug in de uitgangspositie kunt opstellen.
P
4. Stel het lanceertoestel perfect horizontaal op zodat de lanceerhoek = 0° is.
5. Plak op de vloer waar de bal neerkomt (eerst uitproberen !) een blad
papier met daarop een carbonpapier. Duid vooraf op het wit papier aan
van welke kant het projectiel komt.
6. Markeer het eindpunt P van de verticale door het lanceerpunt.
Schuine worp (J. Dreezen)
pag. 40
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
Uitvoering
1. Het projectiel wordt enkel vanuit de middelste lanceerpositie van het
toestel afgeschoten.
2. Meet de horizontale afstand x1 tussen P en het begin van het wit blad :
x1 =
cm
3. Schiet het projectiel vijf maal af. Maak het papier tussendoor niet los.
Meet de afstand x2 tussen elk inslagpunt en de rand van het wit papier.
x2 =
cm; x2 =
cm; x2 =
cm
x2 =
cm; x2 =
cm
Bepaal de gemiddelde afstand x2gem.
x2gem =
cm
4. Bepaal de dracht (dat is de totale horizontale afstand x = x1 + x2).
DRACHT:
x=
cm
5. Meet de valhoogte y van de bal (dat is de verticale afstand tussen P en de
onderkant van de buis van het lanceertoestel).
y=
cm
Bereken de vluchttijd ∆t uit y.
VLUCHTTIJD:
∆t =
s
6. Bereken de grootte van de beginsnelheid vb uit de vluchttijd en de
horizontale afstand x.
|vb| =
cm/s
Bespreek het teken van vb.
Schuine worp (J. Dreezen)
pag. 41
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
Bepaling van het verband tussen de dracht en de lanceerhoek
Opstelling :
Gebruik dezelfde opstelling als hiervoor.
Uitvoering
1. Het projectiel wordt afgeschoten vanuit de middelste lanceerpositie.
2. Stel de lanceerinrichting onder een bepaalde hoek α met de horizontale
op. Varieer deze van 10° tot 70°. De waarde bij 0° kan je uit bovenstaand
experiment overnemen!
3. Plak op de vloer waar de bal neerkomt (eerst uitproberen !) een blad wit
papier met daarop een carbonpapier. Geef op het blad aan van welke kant
het projectiel komt en noteer eveneens de lanceerhoek α. Neem voor elke
lanceerhoek een nieuw blad.
4. Markeer telkens het eindpunt P van de verticale door het lanceerpunt. Dat
is de onderkant van het eindpunt van de lanceerbuis.
5. Meet de horizontale afstand x1 tussen punt P en de rand van het blad.
6. Schiet het projectiel drie maal af. Bepaal telkens de afstand x2 tussen het
inslagpunt en de rand van het papier. Vul de resultaten in de tabel in.
7. Bereken de totale horizontale afstand x = x1 + x2gem.
Tabel
α
0°
10°
20°
30°
40°
50°
60°
70°
x1
(cm)
x2
(cm)
x2
(cm)
x2
(cm)
x2gem
(cm)
xtot
(cm)
Schuine worp (J. Dreezen)
pag. 42
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
Grafiek
Zet de dracht xtot uit als functie van de lanceerhoek α.
Besluit
Het projectiel heeft een maximale dracht voor de volgende lanceerhoek
α =
Vragen
1. Is de maximale dracht groter als het projectiel van op een tafel i.p.v. op de
grond wordt gelanceerd ?
2. Is de hoek voor de maximale dracht groter of kleiner bij lancering van op
een hoogte dan van op grondniveau ?
3. Noem enkele sporten waarin de lanceerhoek een belangrijke rol speelt.
Schuine worp (J. Dreezen)
pag. 43
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
Controle op de tweede wet van Newton: F = m*a
1. Doel van de proef:
Proefondervindelijk controleren of:
a) de verkregen versnelling rechtevenredig is met de inwerkende kracht (als
de versnelde massa constant blijft)
b) de verkregen versnelling omgekeerd evenredig is met de versnelde massa
(als de inwerkende kracht constant blijft)
2. Benodigdheden:
•
•
•
•
•
•
•
•
rotary motion sensor
krachtsensor
2 statieven met toebehoren
2 USB-links
PC met software Datastudio
wagentje (b.v. ME-6951 of ME-9454) en rijbaan (ME-6955 of ME-6956)
massa aan haakje (met touwtje) + schijfmassa’s (of cilindervormige
magneetjes)
enkele metalen cilinders (+/- 50 gram)
3. Opstelling:
2e wet van Newton (J. Dreezen)
pag. 44
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
4. Proefuitvoering:
• Bevestig de krachtsensor op een statief (met de trekhaak naar beneden) – sluit
deze sensor via een USB-link aan op de PC - klik op het scherm op “launch
Datastudio” – stel de bemonsteringsfreqentie in op 1 Hz en vink de “inverted
force” aan zodat de trekkracht naar beneden als positief weergegeven wordt.
• Sluit de “rotary motion” sensor aan op de USB-link – sluit deze aan op een
USB-poort van de PC – stel de bemonsteringsfreqentie van deze sensor in op
100 Hz - vink onder “set up “ bij de rotary motion sensor de “linear position”
aan.
A. Invloed van de inwerkende kracht op de ontstane versnelling (bij constante
massa)
Om de totale massa die versneld wordt constant te houden, belasten we het
wagentje bij de eerste proef met de schijfmassa’s die we daarna ook als
“aandrijfmassa’s” gebruiken.
Bepaal de massa met het haakje met behulp van een balans en bereken de
zwaartekracht.
Alternatief: Bevestig de massa met het haakje aan de krachtsensor (sensor
vooraf tarreren) – vraag een digitale weergave van de zwaartekracht die
inwerkt op deze massa – noteer deze “trekkracht” in onderstaande meettabel –
verwijder nadien deze meting.
Bevestig deze massa met het haakje aan het touwtje (+/- 80 cm lang) en
verbind dit met het wagentje – hang het touwtje over de middelste katrol van
de rotary motion sensor – plaats het wagentje op de rijbaan zodat de
aandrijfmassa precies onder de katrol hangt (blokkeer het wagentje in deze
stand m.b.v. een boek) – plaats de andere schijfmassa’s op het wagentje.
Als de aandrijfmassa volkomen stil hangt, deblokkeer dan het wagentje en klik
op “start” net nadat het wagentje vertrokken is – laat het wagentje minstens
50 cm afleggen - klik dan op “stop”.
Neem één schijfmassa van het wagentje en bevestig deze bij de aandrijfmassa
- voer een tweede meting uit (vooraf de trekkracht bepalen (met de
krachtsensor) en noteren).
Herneem de proef nadat je een tweede, derde, …. schijfmassa bij de
aandrijfmassa hebt gevoegd.
Bepaal met de balans de totale massa van het wagentje + alle aandrijfmassa’s.
B. Invloed van de massa (die versneld wordt) op de verkregen versnelling (bij
constante aandrijfkracht)
Om de aandrijfkracht constant te houden bevestigen we steeds dezelfde
“aandrijfmassa” aan het touwtje.
2e wet van Newton (J. Dreezen)
pag. 45
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
Bepaal met een balans de aandrijfmassa en bereken de grootte van de
zwaartekracht.
Alternatief: Bepaal met de krachtsensor de grootte van de zwaartekracht die de
aarde uitoefent op de aandrijfmassa – noteer deze kracht in de onderstaande
meettabel.
Bevestig de aandrijfmassa met het haakje aan het touwtje en verbind dit met
het wagentje – hang het touwtje over de middelste katrol van de rotary motion
sensor – plaats het wagentje op de rijbaan zodat de “trekmassa” precies onder
de katrol hangt (blokkeer het wagentje in deze stand m.b.v. een boek).
Als de aandrijfmassa volkomen stil hangt, deblokkeer dan het wagentje en klik
op “start”.
Klik op “stop” als het wagentje +/- 50 cm heeft afgelegd.
Bepaal met een balans de totale massa van het wagentje + de aandrijfmassa.
Verander de totale massa die versneld wordt door op het wagentje resp. 1, 2 of
3 metalen balkjes aan te brengen en herneem telkens de meting. Bepaal telkens
de massa van elk toegevoegd balkje en tel die bij de vorige massa op.
5. Meettabel:
Als het touwtje op de middelste katrol van de “rotary motion” sensor ligt komt een
lineaire positieverandering van 1,00 m van de middelste katrol overeen met een
reële verplaatsing van 0,61 m van het wagentje.
Gelieve deze verhouding vooraf te controleren gezien ze afhankelijk is van de
diameter van het gebruikte touw!
A. Invloed van de inwerkende kracht op de ontstane versnelling (massa blijft
constant)
Totale massa die versneld wordt:
554,9 gram
Aandrijfkracht
Fzw1:
0,16 newton
Fzw2:
0,20 newton
Fzw3:
0,26 newton
Fzw4:
0,30 newton
2e wet van Newton (J. Dreezen)
pag. 46
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
B. Invloed van de massa (die versneld wordt) op de verkregen versnelling
(aandrijfkracht blijft constant)
Trekkracht:
Versnelde massa
0,25 newton
m1:
258 gram
m2:
308 gram
m3:
358 gram
m4:
408 gram
2e wet van Newton (J. Dreezen)
pag. 47
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
6. Meetresultaten:
A. Invloed van de inwerkende kracht op de ontstane versnelling (massa
constant)
2e wet van Newton (J. Dreezen)
pag. 48
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
B. Invloed van de versnelde massa op de verkregen versnelling
(aandrijfkracht constant)
2e wet van Newton (J. Dreezen)
pag. 49
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
Experimenten Mechanica
7. Conclusies:
A. Invloed van de inwerkende kracht op de ontstane versnelling (massa
constant)
Nummer
proef
Aandrijfkracht
F (newton)
Versnelling
a (m/s²)
F/a
(kg)
1
0,16
0,188
0,85
2
0,20
0,227
0,88
3
0,26
0,297
0,88
4
0,30
0,358
0,84
Besluit:
a
~F
B. Invloed van de versnelde massa op de verkregen versnelling (aandrijfkracht
constant)
Nummer
proef
Versnelde massa
m (kg)
Versnelling
a (m/s²)
m*a
(N)
1
0,258
0,673
0,173
2
0,308
0,552
0,170
3
0,358
0,482
0,172
4
0,408
0,407
0,166
Vermits:
m*a ≈ constante
kunnen we hieruit besluiten dat:
a
2e wet van Newton (J. Dreezen)
~ 1/m
pag. 50
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
BIJLAGE
Katholieke Universiteit Leuven
Faculteit Wetenschappen
ALO Wetenschap en Technologie
SLO Natuurwetenschappen: Fysica
Twee golfballen komen tegelijk in beweging. De ene bal (bal 1) valt
naar beneden, de andere (bal 2) wordt horizontaal afgeschoten.
Vul hieronder zelf je voorspellingen in.
A. Hoe zullen de ballen volgens jou bewegen? Maak hieronder
een schets van de baan van elk van de ballen.
B. Welke bal komt volgens jou eerst op de grond?
Bespreek je voorspellingen met je buurman / buurvrouw.
Noteer hieronder je definitieve voorspelling.
C. Hoe zullen de ballen volgens jou bewegen? Maak hieronder
een schets van de baan van elk van de ballen.
D. Welke bal komt volgens jou eerst op de grond?
Bijlage bij experiment “Onafhankelijkheidsbeginsel”
pag. 51
Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum 14 mei 2008
BIJLAGE
Vul onderstaande vragen in na het experiment.
E. Teken de baan van beide ballen.
F. Welke bal kwam eerst op de grond?
G. Teken de krachten die inwerken op bal 1.
H. Teken de krachten die inwerken op bal 2.
I. Hoe verandert de horizontale snelheid van bal 2 in de loop
van de tijd?
J. Hoe veranderen de verticale snelheden van bal 1 en bal 2 in
de loop van de tijd?
K. Wat is de versnelling van bal 1? En van bal 2?
L. Welke invloed heeft de snelheid waarmee je de bal horizontaal
wegschiet op de valtijd van bal 2?
Bijlage bij experiment “Onafhankelijkheidsbeginsel”
pag. 52