Grawitacja, a orbity

Zagadnienia

• Siła grawitacyjna
• Ruch po okręgu
• Astronomia

Opis

Zmieniaj położenie Słońca, Ziemi, Księżyca i stacji orbitalnej, aby zobaczyć, jak to wpływa na siły grawitacyjne i orbity. Wizualizuj rozmiary i odległości pomiędzy różnymi ciałami niebieskimi. Zobacz co by się stało, gdyby nie działały siły grawitacyjne!

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, listopad 2021)

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

Poziom

Szkoła podstawowa, szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

• Opisz powiązania Słońca, Ziemi, Księżyca i stacji kosmicznej, uwzględniając w tym orbity i położenia.
• Opisz rozmiary i odległości Słońca, Ziemi, Księżyca i stacji kosmicznej.
• Wyjaśnij, w jaki sposób grawitacja określa ruch naszego Układu Słonecznego.
• Zidentyfikuj zmienne, które wpływają na siłę grawitacji.
• Przewiduj, jak zmieniłby się ruch, gdyby grawitacja była silniejsza lub słabsza

Przykładowe materiały teoretyczne

• Elementy astronomii — podsumowanie wiadomości (ZPE)
• Związek energii potencjalnej grawitacji z pracą lub zmianą energii kinetycznej (ZPE)
• Czy siła grawitacji jest siłą dośrodkową? (ZPE)
• Jaki jakościowy wpływ ma siła grawitacji Słońca na niejednostajny ruch planet po orbitach eliptycznych? (ZPE)
• Ruch planet na sferze niebieskiej (ZPE)
• Trzy prawa Keplera (ZPE)
• Siła dośrodkowa i grawitacja (Khan Academy)
• Grawitacja (OpenStax)

Sterowanie symulacją

Ekran Model (link bezpośredni)

Poruszaj Słońcem, Ziemią, Księżycem i stacją kosmiczną, aby zobaczyć, jak wpływa to na siły grawitacyjne i orbity.

Ekran Zachowane proporcje (link bezpośredni)

Zbadaj, w jaki sposób grawitacja kontroluje ruch naszego Układu Słonecznego w skali rzeczywistej.

Złożone sterowanie

• Położenie obiektów można zmieniać, przeciągając je lub ich etykietę. Ich prędkości można również zmieniać, przeciągając zakreślone v na końcu wektora.
• Uczniowie mogą zapisać własną konfigurację, wstrzymując symulację, przeciągając obiekty i/lub wektory prędkości do żądanej lokalizacji, a następnie odtwarzając symulację. Aby powtórzyć eksperyment, użyj przycisku przewijania do tyłu (po lewej stronie przycisku odtwarzania/pauzy).
• Suwaki kontrolujące masy gwiazdy, planety, księżyca i satelity są skalowane względem obiektu wzorcowego (odpowiednio Słońca, Ziemi, Księżyca i Międzynarodowej Stacji Kosmicznej). Suwaki mają zakres od 50% (0,5) do 200% (2,0) masy obiektu wzorcowego.

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 Grawitacja, a orbity chcesz uwzględnić tylko pierwszy i drugi ekran (screens=1,2), z domyślnie otwartym drugim ekranem (initialScreen=2), użyj: https://www.edukator.pl/tik_edukator/gravity-and-orbits_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/gravity-and-orbits_all.html?locale=pl&screens=1,2&initialScreen=2

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

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=1
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)
colorProfile - zmienia kolory symulacji dla łatwiejszej projekcji. Pole wyboru dostępne także w menu PhET w obszarze Preferencje > Tryb projektora.	colorProfile=projector
allowLinks - jeśli false, wyłącza linki, które prowadzą uczniów do zewnętrznego adresu URL. Domyślnie jest true.	allowLinks=false
supportsPanAndZoom - gdy false, uniemożliwia przesuwanie i powiększanie symulacji za pomocą pinch-to-zoom lub elementów sterujących zoomem przeglądarki. Domyślnie jest true.	supportsPanAndZoom=false

Menu Preferencje

Po kliknięciu ikony menu Preferencje otworzy się okno, w którym w sekcji Wizualne możemy zaznaczyć Tryb projektora, aby ułatwić projekcję. Następuje wtedy odwrócenie kolorów, tak jak na zrzucie ekranu poniżej:

W sekcji Lokalizacja możemy dokonać wyboru języka. Gdy adres URL symulacji kończy się na "_pl.html", możemy dokonać wyboru między angielskim a polskim, a gdy adres URL symulacji kończy się na "_all.html", spośród wszystkich dostępnych języków:

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):

Uproszczenia modelu

• Ekran Model nie jest rysowany w skali. Obiekty pojawiają się większe i bliżej siebie niż w rzeczywistości. To zbliżenie pozwala uczniom wygodniej bawić się zmiennymi ważnymi dla zrozumienia grawitacji i orbit. Odległości i rozmiary są dokładnie odwzorowane na ekranie Zachowane proporcje.
• Perspektywa obrazów Ziemi i Księżyca jest odmienna. Ziemia jest pokazana z bieguna północnego, patrząc w dół, dzięki czemu orbita Księżyca wydaje się bardziej dokładna. Jednak obraz Księżyca to widok równikowy, dzięki czemu jest on łatwiej rozpoznawalny.
• Ciała orbitujące zaczynają w perycentrum.
• W układzie gwiazda-planeta-księżyc wektory sił grawitacyjnych są wektorami wypadkowych sił grawitacyjnych, co jest najbardziej widoczne na Księżycu.
• Na ekranie Zachowane proporcje, tory bardzo blisko orbitujących/przelatujących ciał mogą być w znacznym stopniu zależne od prędkości odtwarzania (Szybko, Normalnie, Wolno), co skutkuje różnymi wynikami. Dzieje się tak, ponieważ krok czasowy używany w symulacji jest skalowany przez prędkość odtwarzania. Prędkość odtwarzania nie ma jednak wpływu na tory obiektów w ich domyślnych konfiguracjach.

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

• Przewiduj, co stałoby się z orbitą Ziemi, gdyby masa Słońca została podwojona.
• Znajdź trzy sposoby na zmianę liczby dni potrzebnych Ziemi na wykonanie jednego obiegu wokół Słońca.
• Ustal, jak sprawić, by Księżyc okrążał Słońce po większej orbicie.
• Narysuj, co by się stało, gdyby w ogóle nie było grawitacji.
• Zaprojektuj eksperyment, aby określić czynniki wpływające na wartość wektora natężenia pola grawitacyjnego.
• Porównaj siły grawitacji działające na Ziemię i Słońce. Czy Słońce się porusza?
• Masa Wenus jest podobna do masy Ziemi, ale znajduje się ona znacznie bliżej Słońca. Jak siła grawitacji między Słońcem a Wenus ma się do siły grawitacji między Słońcem a Ziemią? Czy rok na Wenus jest dłuższy czy krótszy niż rok na Ziemi?

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Grawitacja, a orbity tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).