Energia w skateparku

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, grawitację 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, styczeń 2024)

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

Poziom

Szkoła podstawowa, szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

• Wyjaśnij zasadę zachowania energii mechanicznej, korzystając z energii kinetycznej, grawitacyjnej i cieplnej.
• Opisz, jak zmiana masy, tarcia lub grawitacji wpływa na energię skejtera.
• Przewiduj położenie lub oszacuj prędkość na podstawie słupków energii i wykresów kołowych.
• Oblicz prędkość lub wysokość w jednym położeniu na podstawie informacji o innym.
• Opisz, co dzieje się z energią w układzie, gdy zmienia się wysokość odniesienia.
• Zaprojektuj skatepark, korzystając z koncepcji energii mechanicznej i 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

Ekran Wstęp (link bezpośredni)

Poznaj różne tory i deskorolkarzy oraz zbadaj związek między energią kinetyczną, energią potencjalną i energią cieplną. Zmierz prędkość i dostosuj tarcie, grawitację i masę.

Ekran Pomiary (link bezpośredni)

Zmierz energię w punktach wzdłuż toru jazdy deskorolkarza. Eksperymentuj z różnymi torami i dostosuj ich kształt, przeciągając punkty kontrolne.

Ekran Wykresy (link bezpośredni)

Wykreśl energię skatera w zależności od położenia lub czasu i poznaj zasadę zachowania energii. Przeciągnij punkty kontrolne na torze, aby zmienić jego kształt.

Ekran Plac zabaw (link bezpośredni)

Twórz własne tory, rampy i skocznie dla skaterów.

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 chcesz uwzględnić tylko pierwszy i drugi ekran (screens=1,2), z domyślnie otwartym drugim ekranem (initialScreen=2), użyj: https://www.edukator.pl/simulations/energy-skate-park_all.html?screens=1,2&initialScreen=2

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

Wskazuje, że dostęp do tego dostosowania można uzyskać też z menu Preferencje lub Opcje... w symulacji.

Parametr query i opis	Przykłady
altAccelerationUnits - wyświetla jednostki przyspieszenia grawitacyjnego w N/kg. Jednostki można również przełączać w menu Preferencje.	altAccelerationUnits
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=3
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)
regionAndCulture - Wybierz przedstawienie ludzi, miejsc lub obiektów w symulacji. Obrazy nie mają reprezentować całej różnorodności regionu lub kultury. Możliwe wartości: usa, africa, africaModest, asia, latinAmerica, oceania.	regionAndCulture=latinAmerica
allowLinks - jeśli false, wyłącza linki, które prowadzą uczniów do zewnętrznego adresu URL. Domyślnie jest true.	allowLinks=false

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.
• Wykres kołowy nie może wyświetlać wartości ujemnych. Gdy energia potencjalna jest ujemna, wykres kołowy wyświetla tylko energię całkowitą (po prawej).
• Pole wyboru Trzymaj się toru jest domyślnie włączone na wszystkich ekranach. Gdy jest włączone, tor ma przerywaną linię środkową. Gdy jest wyłączone, linia środkowa toru jest ciągła i skater może z niego spaść.

Menu Preferencje

Po kliknięciu ikony menu Preferencje otworzy się okno, w którym możemy zaznaczyć żądane opcje

• W sekcji Symulacja możemy zaznaczyć opcję, dotyczącą jednostek przyspieszenia grawitacyjnego:
  




• W sekcji Lokalizacja, możemy dokonać wyboru regionu:

  

Ułatwienia dostępu

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.
• Punkty toru jazdy są rysowane co 0,1 s i są usuwane, gdy rolkarz zawróci. Podczas zbierania danych na ekranie pomiaru należy wstrzymać symulację, zanim punkty toru jazdy zostaną usunięte.

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.
• Wysokość w modelu odnosi się do wysokości linii odniesienia, którą można regulować. Gdy pole wyboru Linia odniesienia jest wyłączone, energia potencjalna wyniesie zero na poziomie gruntu.
• Gdy wysokość odniesienia zostanie zmieniona, dane na wykresie słupkowym, diagramie kołowym i w sondzie energii na ekranie Pomiary będą aktualizowane dynamicznie. Dane na wykresie energii w zależności od położenia/czasu na ekranie Wykresy nie zostaną jednak ponownie narysowane.
• Na ekranie Pomiary dane powiązane z kropką toru reprezentują stan modelu w momencie jej narysowania. Jeśli masa, grawitacja lub tarcie zostaną zmienione, dane powiązane z wcześniej narysowanymi punktami nie zmienią się z mocą wsteczną.
• Dane dotyczące energii, wysokości i prędkości wyświetlane na ekranie Pomiary są zaokrąglane do części setnych. Ze względu na zaokrąglenia obliczenia na podstawie wyświetlanych wartości mogą powodować niewielkie rozbieżności.
• 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.
• Porównaj energię skatera dla różnych wysokości odniesienia. Co się zmienia? Co pozostaje bez zmian?
• 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 tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).