Forsøk og praktisk arbeid

Passer for

  • fysikk 1

Tidsbruk

  • 30 minutter

Vogn på skråplan med friksjon

I dette forsøket skal vi studere friksjonens betydning for bevegelsen hhv oppover og nedover skråplanet og få trening i å beskrive fysiske fenomener ved hjelp av matematikk og ved bruk av digitale hjelpemidler.

Oppsett av utstyr til dataloggingsforsøket: Vogn på skråplan med friksjon.

 

Teori

Når vogna ruller oppover skråplanet, virker både tyngdens komponent og friksjonen i samme retning (nedover skråplanet). Når den ruller nedover, virker tyngdens komponent og friksjonen i motsatte retninger: tyngden nedover og friksjonen oppover langs skråplanet.

Vogn triller ned skråplan

Vogna på vei nedover: Friksjon og tyngde virker i hver sin retning.

Framgangsmåte

  1. Montér bevegelsessensoren (ultralydsensor) ved bunnen av skråplanet og sett vogna på banen. Sett målefrekvensen til 50 Hz, og sett opp programmet til å presentere en graf av farten. Om nødvendig, kalibrér sensoren ved å la den måle avstanden til et objekt i en kjent avstand fra loggeren (for eksempel en bok holdt vertikalt 1 m fra sensoren).
  2. Start loggingen og gi vogna et puff oppover skråplanet. Stopp loggingen når vogna er kommet ned igjen.

Analyse / beregninger

Hvis forsøket er vellykket, er hoveddelen av grafen en rett linje. Hvis grafen er "grisete", kan grunnen være at sensoren plukker opp signaler fra andre flater enn vogna. Prøv å justere retningen på sensoren til dere får et godt resultat.

  1. Beskriv fartskurven, og relatér de ulike områdene på kurven til hva som fysisk skjer mens vogna ruller opp og ned igjen på skråplanet.
  2. Bestem stigningstallet for fartskurven for hhv v > 0 og v < 0. Stigningstallet kan bestemmes manuelt, eller man kan bruke kurvetilpasnings-funksjonen i dataprogrammet (velg ”lineær tilpasning”). Hva finner du? Kommentér resultatet.
  3. Bestem arealet under fartsgrafen for hhv v > 0 og v < 0 (I Data Studio gjøres dette ved å markere det aktuelle området av grafen og gå til menyen under knappen med et summesymbol på (sigma); velg ”Areal”, og maskinen regner ut arealet under (over) kurven). Hva forventer dere at arealet skal bli, og hvorfor? Stemmer dette?

For de litt avanserte

Hvis man kjenner massen til vogna, kan man nå beregne både gjennomsnittlig friksjonskraft og vinkelen på skråplanet. NB! Luftmotstanden, som utgjør en del av den samlede friksjonskraften på vogna, er avhengig av farten. I vårt tilfelle gir det likevel en god tilnærming å betrakte den samlede friksjonskraften som konstant.

Kommentarer/praktiske tips

Til punkt 1 under Analyse/beregninger: Det vi er ute etter, og som vi ser av grafen hvis forsøket har vært vellykket, er at farten avtar oppover skråplanet, passerer null i toppstilling og øker med negativt fortegn nedover skråplanet igjen. Ser man godt etter, vil man finne en knekk på linjen ved v = 0. Kurven er noe brattere på vei oppover (v > 0) enn på vei nedover (v < 0).

Aktuelle kompetansemål i læreplanen

Læreplan i fysikk - programfag i studiespesialiserende utdanningsprogram

  • Fysikk 1
    • Klassisk fysikk
      • identifisere kontaktkrefter og gravitasjonskrefter som virker på legemer, tegne kraftvektorer og bruke Newtons tre lover
      • gjøre rede for situasjoner der friksjon og luftmotstand gjør at den mekaniske energien ikke er bevart, og gjøre beregninger i situasjoner med konstant friksjon
    • Å beskrive naturen med matematikk
      • bruke matematiske modeller som kilde for kvalitativ og kvantitativ informasjon, presentere resultater og vurdere gyldighetsområdet for modellene
    • Den unge forskeren
      • samle inn og bearbeide data og presentere og vurdere resultater og konklusjoner av forsøk og undersøkelser, med og uten digitale verktøy

Materialer og utstyr

  • Datalogger med programvare
  • Bevegelsessensor (ultralyd)
  • Vogn, gjerne med en pappskjerm festet på tvers av bevegelsesretningen for å øke luftmotstanden og bedre refleksjonen av ultralydbølger
  • Dynamikkbane, montert med en liten helningsvinkel