Siły i ruch - podstawy

Zagadnienia

• Siła
• Ruch
• Tarcie
• Szybkość
• Pierwsza zasada Newtona

Opis

Badanie sił w działaniu: przeciąganie liny, przesuwanie lodówki, skrzyni lub osoby. Zadziałaj stworzoną przez siebie siłą i zobacz, w jaki sposób powoduje ona ruch obiektów. Zmieniaj tarcie i obserwuj, jak to wpływa na ruch.

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 i Paul, sierpień 2023)

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

Poziom

Szkoła podstawowa, szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

• Zidentyfikuj, kiedy siły są zrównoważone, a kiedy nie.
• Wyznacz sumę sił (siła wypadkowa) działających na obiekt, na który działa więcej niż jedna siła.
• Przewiduj ruch obiektu przy zerowej sile wypadkowej.
• Przewiduj kierunek ruchu przy danym układzie sił.

Przykładowe materiały teoretyczne

• Pierwsza zasada dynamiki Newtona. Bezwładność ciał (ZPE)
• Trzecia zasada dynamiki Newtona – wzajemne oddziaływanie ciał (ZPE)
• Podsumowanie wiadomości z dynamiki (ZPE)
• Siła jako miara oddziaływań. Równowaga sił. Siła wypadkowa. Wyznaczanie siły wypadkowej (ZPE)
• Wpływ oporów ruchu na poruszające się ciała (ZPE)
• Klasyfikujemy opory ruchu (ZPE)
• Siły i prawa dynamiki Newtona (Khan Academy)
• Zasady dynamiki Newtona (OpenStax)

Sterowanie symulacją

Ekran Siła wypadkowa (link bezpośredni)

Zbadaj różnicę między siłami zrównoważonymi i niezrównoważonymi, rywalizując w przeciąganiu liny o wózek z cukierkami.

Ekran Ruch (link bezpośredni)

Zbadaj siły działające podczas pchania lodówki, skrzyni lub osoby. Wygeneruj przykładaną siłę i zobacz, jak wprawia ona obiekty w ruch.

Ekran Tarcie (link bezpośredni)

Utwórz przykładaną siłę, aby pchać różne obiekty, a następnie dostosuj wielkość tarcia i zobacz, jak wpływa to na ich ruch.

Ekran Przyspieszenie (link bezpośredni)

Zbadaj związek pomiędzy siłą wypadkową, przyspieszeniem i prędkością.

Złożone sterowanie

• W przypadku przyłożenia siły za pomocą suwaka lub przeciągnięcia popychacza, siła powróci do zera po zwolnieniu. Aby zastosować stałą siłę, użyj przycisków strzałek obok odczytu. Przycisk z pojedynczą strzałką zmienia siłę co 1 N, a przycisk z podwójną strzałką zmienia siłę co 50 N.

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 Siły i ruch - 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/forces-and-motion-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/forces-and-motion-basics_all.html?locale=pl&screens=1,2&initialScreen=2

Parametr query i opis	Przykłady
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

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

• Gdy występuje niezerowa siła wypadkowa, wózek na ekranie Siła wypadkowa przyspiesza. Jeśli więcej ciągnących zawodników zostanie dodanych po rozpoczęciu ruchu, uczniowie mogą potrzebować kilku prób, aby zrozumieć, że ruch już miał miejsce. Może to być świetny moment na omówienie zasady "Obiekt w spoczynku pozostaje w spoczynku, a obiekt w ruchu pozostaje w ruchu, chyba że działa na niego siła zewnętrzna".
• Uczniowie mogą mieć pewne trudności ze zrozumieniem, dlaczego dodanie masy w środowisku bez tarcia nie zmienia ruchu.

Uproszczenia modelu

• Osoby ciągnące i pchające są używane do ucieleśnienia przyłożonej siły, ale są nieco "magiczne", ponieważ nie wymagają tarcia między podłożem a ich stopami, aby przyłożyć siłę. Można sobie również wyobrazić, że ciągnący i pchający są napędzani w sposób niewymagający nacisku na podłoże, na przykład za pomocą rakiety lub szyny elektromagnetycznej w podłożu (jak w kolei magnetycznej).
• Rozmiar zawodników ciągnących linę na ekranie Siła wypadkowa jest proporcjonalny do siły, z jaką działają (mały = 50 N, średni = 100 N, duży = 150 N), a gra w przeciąganie liny zakończy się, gdy wózek uderzy w ogranicznik na ziemi.
• Umieszczenie deskorolki na ekranie Ruch ma na celu wskazanie, że układ jest pozbawiony tarcia. Zmiana masy nie wpływa na prędkość obiektów. Zakładamy, że obiekt upuszczony na już poruszający się obiekt znajduje się w tym samym układzie odniesienia, więc oba poruszają się z tą samą prędkością.
• Suwak Tarcie na ekranie Tarcie i Przyspieszenie kontroluje współczynnik tarcia statycznego. Po przekroczeniu progu maksymalnego tarcia statycznego obiekt zaczyna się poruszać, a wielkość siły tarcia zmniejsza się o 25%, aby zasymulować, że współczynnik tarcia kinetycznego jest mniejszy niż współczynnik tarcia statycznego.
• Popychacz ma pomóc uczniom zrozumieć, w jaki sposób przykładana jest siła. Wraz ze wzrostem przyłożonej siły popychacz pochyla się do przodu. Maksymalna prędkość, jaką może osiągnąć, wynosi 20,0 m/s. W tym momencie popychacz upadnie, a suwak przyłożonej siły wyłączy się, aby zapobiec przyspieszeniu w kierunku ruchu.
• Jeśli masa obiektu lub przyłożona siła działająca na obiekt zostanie zmieniona, gdy symulacja jest wstrzymana, przyspieszenie w układzie nie zmieni się, dopóki symulacja nie zostanie wznowiona.

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

• Jakie czynniki decydują o tym, który zespół wygra w grze w przeciąganie liny? Gdy wózek się porusza, to czy siły są zrównoważone czy niezrównoważone?
• W środowisku bez tarcia użyj suwaka przyłożonej siły, aby popchnąć obiekt. Przewiduj, jaka będzie siła wypadkowa działająca na obiekt, gdy pchający go puści. Co wtedy dzieje się z siłą wypadkową i prędkością? Co stanie się z prędkością po dodaniu kolejnego obiektu?
• Gdy obiekt jest w ruchu, co można zrobić, aby go spowolnić lub zatrzymać?
• Jak wypada porównanie siły tarcia i przyłożonej siły przed i po wprawieniu obiektu w ruch? Czy siły te są zrównoważone czy niezrównoważone? Określ siłę wypadkową.
• Określ masę tajemniczego przedmiotu.
• Zbadaj związek między przyspieszeniem, siłą wypadkową i masą.

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Siły i ruch - podstawy tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).