Energia w skateparku - podstawy

Zagadnienia

• Zachowanie energii
• Energia kinetyczna
• Energia potencjalna
• Energia cieplna
• Tarcie
• Energia

Opis

Dowiedz się o zasadzie zachowania energii w skateparku! Buduj tory, rampy i skocznie dla skatera. Sprawdź jaka jest energia kinetyczna, energia potencjalna i energia cieplna zawodnika poruszającego się po torze. Zmierz prędkość i zmieniaj tarcie i masę.

PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu Na licencji CC BY 4.0

W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały PhET: Strona źródłowa symulacji, Teacher Tips (Rouinfar, sierpień 2023)

W szablonie strony wykorzystano kod html/css: phydemo.app.

Poziom

Szkoła podstawowa, szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

• Wyjaśnij zasadę zachowania energii mechanicznej, wykorzystując energię kinetyczną (E_k) i energię potencjalną grawitacji (E_p).
• Opisz, w jaki sposób słupki energii i wykresy kołowe odnoszą się do położenia i prędkości.
• Wyjaśnij, w jaki sposób zmiana Masy skejtera wpływa na energię.
• Wyjaśnij, w jaki sposób zmiana tarcia na torze wpływa na energię.
• Przewiduj położenie lub oszacuj prędkość na podstawie słupków energii i wykresów kołowych.
• Oblicz prędkość lub wysokość w jednym położeniu na podstawie informacji o innym.
• Oblicz E_k i E_p w jednym położeniu na podstawie informacji o innym.
• Zaprojektuj skatepark, korzystając z koncepcji energii mechanicznej i zasady zachowania energii.

Przykładowe materiały teoretyczne

• Zasada zachowania energii mechanicznej i jej zastosowanie (ZPE)
• Energia mechaniczna i jej rodzaje (ZPE)
• Zasada zachowania energii mechanicznej (OpenStax)
• Zasada zachowania energii (OpenStax)
• Przegląd wiadomości na temat zasady zachowania energii (Khan Academy)

Sterowanie symulacją

Naucz się zasady zachowania energii z kolesiem skaterem! Poznaj różne tory i wyświetl, w trakcie ruchu, wykresy energii kinetycznej, potencjalnej i cieplnej. Twórz dla skatera własne ścieżki, pochylnie i skocznie.

Ekran Wstęp (link bezpośredni)

Uczniowie mogą odkrywać różne tory i badać związek między energią kinetyczną i energią potencjalną skatera. Na ekranie wstępnym tor jest pozbawiony tarcia.

Ekran Tarcie (link bezpośredni)

Uczniowie mogą odkrywać różne tory i badać związek między energią kinetyczną, energią potencjalną i energią cieplną skatera. Na ekranie Tarcie uczniowie mogą kontrolować wielkość tarcia między torem a skaterem.

Ekran Plac zabaw (link bezpośredni)

Buduj własne tory, rampy i skocznie dla skaterów.

Złożone sterowanie

• Gdy skater opuści ekran, na ekranie pojawią się dwa dodatkowe przyciski umożliwiające jego powrót. Kliknięcie któregokolwiek z nich spowoduje powrót do miejsca, w którym znajduje się przycisk. Zielony przycisk pojawia się w miejscu, w którym skater został ostatnio puszczony, a czerwony przycisk pojawia się na ziemi w pozycji startowej skatera.
• Pole wyboru Trzymaj się toru jest domyślnie włączone na wszystkich ekranach. Gdy jest włączone, tor ma przerywaną linię środkową. Na trzecim ekranie Plac zabaw można je wyłączyć - linia środkowa toru będzie wtedy ciągła i skater może z niego spaść.

Opcje dostosowywania

Poniższe parametry query umożliwiają dostosowanie symulacji i można je dodać, dołączając znak '?' do adresu URL symulacji i oddzielając każdy parametr query znakiem '&'. Ogólny wzorzec adresu URL to: …html?queryParameter1&queryParameter2&queryParameter3

Na przykład, jeśli w symulacji Energia w skateparku - podstawy chcesz uwzględnić tylko pierwszy i drugi ekran (screens=1,2), z domyślnie otwartym drugim ekranem (initialScreen=2), użyj: https://www.edukator.pl/tik_edukator/energy-skate-park-basics_all.html?screens=1,2&initialScreen=2

Aby uruchomić to w języku polskim (locale=pl), adres URL będzie wyglądał następująco: https://www.edukator.pl/tik_edukator/energy-skate-park-basics_all.html?locale=pl&screens=1,2&initialScreen=2

Parametr query i opis	Przykładowe linki
screens - określa, które ekrany są włączone do symulacji i jaka jest ich kolejność. Każdy ekran powinien być oddzielony przecinkiem. Więcej informacji można znaleźć w Centrum pomocy.	screens=2,1 screens=3
initialScreen - otwiera kartę SIM bezpośrednio na określonym ekranie, z pominięciem ekranu głównego.	initialScreen=1 initialScreen=2
locale - określa język symulacji przy użyciu kodów ISO 639-1. Dostępne wersje językowe można znaleźć na stronie symulacji w zakładce Tłumaczenia. Uwaga: działa to tylko wtedy, gdy adres URL symulacji kończy się na “_all.html”.	locale=pl (polski) locale=fr (francuski)
allowLinks - jeśli false, wyłącza linki, które prowadzą uczniów do zewnętrznego adresu URL. Domyślnie jest true.	allowLinks=false

Tryb pełnoekranowy

Po kliknięciu logo PhET (na dole po prawej) pojawia się okno zawierające informacje dotyczące symulacji. Możemy tu zmienić sposób jej wyświetlania.

Klikając Pełny ekran przechodzimy do trybu pełnoekranowego (powrót - klawisz escape).

Wersje offline, niewymagające połączenia z internetem

Dostępne są również wersje symulacji niewymagające połączenia z internetem.

Aplikacja PhET Desktop zawiera wszystkie symulacje HTML5 i Java, w tym ich tłumaczenia, do użytku offline w systemach Windows i macOS (dostępne po zalogowaniu tu). Symulacje HTML5 nie wymagają dodatkowego oprogramowania, natomiast do uruchamiania dowolnych symulacji Java w aplikacji komputerowej jest wymagany Java SE Development Kit 8.

Za symboliczną opłatą możemy pobrać w postaci jednej aplikacji wszystkie materiały PhET, które zostały opublikowane w html5. Telefony, tablety i Chromebooki (z systemem Android): Google Play. iPhone'y i iPady (aplikacja na iOS): App Store

Darmową wersję desktopową tej aplikacji pobierzemy bezpośrednio klikając tu - wersja _pl zawiera polską (domyślną) i angielską wersję językową i tu - wersja _all zawiera angielską (domyślną) i wszystkie inne dostępne wersje językowe lub ze strony PhET (klikając przycisk ze strzałką przy wybranej wersji językowej):

Spostrzeżenia na temat korzystania z aplikacji przez uczniów

• Uczniowie mogą nie zauważyć lub nie użyć przycisku usuwania ciepła znajdującego się na wykresie słupkowym i kołowym. Ta funkcja jest szczególnie przydatna do usuwania ciepła wytwarzanego przez początkowe zderzenie deskorolkarza z torem, gdy celem jest uwzględnienie tylko E_p i E_k w środowisku bez tarcia.
• Podczas konfigurowania eksperymentu pomocne może być najpierw wstrzymanie symulacji. Przycisk kroku do przodu to dobry sposób na stopniową analizę.

Uproszczenia modelu

• Skater jest obiektem, który posiada energię w symulacji. We wszystkich obliczeniach jest on traktowany jako masa punktowa.
• Kiedy skater ląduje na torze, energia kinetyczna związana z prostopadłą do toru składową jego prędkości jest przekształcana w energię cieplną. Możesz przeprowadzić eksperymenty, w których nie ma strat na energię cieplną (tylko przemiany E_p i E_k), wyłączając tarcie i upewniając się, że skater nie opuszcza toru.
• Po zaznaczeniu opcji Trzymaj się toru jedynym czynnikiem wpływającym na zdolność rolkarza do pokonania pętli będzie energia w układzie
• Więcej informacji dotyczących założeń modelu można uzyskać tu (en)

Sugestie dotyczące wykorzystania

Wskazówki dotyczące wszystkich symulacji zawarte są w informacjach ogólnych.

Więcej porad dotyczących korzystania z symulacji z uczniami można znaleźć na stronach PhET w sekcji Wskazówki dotyczące korzystania z PhET.

Przykładowe polecenia

• Określ czynniki wpływające na energię kinetyczną, potencjalną i termiczną skatera.
• Wyjaśnij zasadę zachowania energii mechanicznej.
• Zaprojektuj eksperyment, aby określić związek między energią kinetyczną a szybkością.
• Określ, w którym miejscu toru najwięcej energii jest zamieniane na energię cieplną.
• Zbuduj tor z pętlą, którą skater może pokonać.

Pytania ogólnoklasowe

• Dopasuj diagram kołowy energii skatera do jego położenia na torze.
• Określ kierunek ruchu skatera, jeśli jego energia kinetyczna rośnie.
• Określ, czy skater może pokonać wzniesienie (lub pętlę), biorąc pod uwagę jego położenie startowe.

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Energia w skateparku - podstawy tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).