Siły Grawitacyjne Lab

Zagadnienia

• Siła grawitacyjna
• Odwrotna proporcjonalność do kwadratu
• Pary sił
• Trzecia zasada Newtona

Opis

W tym wirtualnym laboratorium uczniowie obserwują siłę grawitacji wywieraną przez dwa obiekty na siebie nawzajem i regulują właściwości mas i ich odległość, aby zobaczyć jaki ma to wpływ na przyciąganie 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, sierpień 2023)

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

Poziom

Szkoła podstawowa, szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

• Powiąż siłę grawitacji z masami obiektów i odległością między nimi.
• Odnieś trzecią zasadę dynamiki Newtona do sił grawitacyjnych.
• Zaprojektuj eksperymenty, które pozwolą ci wyprowadzić równanie odnoszące się do masy, odległości i siły grawitacji.
• Za pomocą pomiarów wyznacz uniwersalną stałą grawitacji.

Przykładowe materiały teoretyczne

• Czym jest i jakie znaczenie ma grawitacja (ZPE)
• Jak definiuje się siły grawitacji? (ZPE)
• Prawo powszechnego ciążenia (ZPE)
• W jaki sposób wykorzystać prawo powszechnego ciążenia do opisu oddziaływania grawitacyjnego? (ZPE)
• Wprowadzenie do prawa grawitacji Newtona (Khan Academy)
• Grawitacja (OpenStax)

Sterowanie symulacją

Ekran symulacji

Zobacz siły grawitacji, z jakimi dwa obiekty działają na siebie nawzajem. Zmień właściwości obiektów, aby zobaczyć, jak zmienia się siła grawitacji.

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 Grawitacyjne Lab chcesz wyciszyć dźwięk (sound=muted) i wyłączyć linki zewnętrzne (allowLinks=false), użyj: https://www.edukator.pl/tik_edukator/gravity-force-lab_all.html?sound=muted&allowLinks=false

Aby uruchomić to w języku polskim (locale=pl), adres URL będzie wyglądał następująco: https://www.edukator.pl/tik_edukator/gravity-force-lab_all.html?locale=pl&sound=muted&allowLinks=false

Parametr query i opis	Przykładowe linki
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)
sound - jeśli muted, dźwięk jest domyślnie wyciszony. Jeśli disabled, cały dźwięk jest trwale wyłączony.	sound=muted sound=disabled
allowLinks - jeśli false, wyłącza linki, które prowadzą uczniów do zewnętrznego adresu URL. Domyślnie jest true.	allowLinks=false

Ułatwienia dostępu

Dodatkowy dźwięk i 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).

Klikając Dodatkowy dźwięk dodajemy efekty dźwiękowe podczas interakcji.

Ułatwienia dostępu

Sterowanie za pomocą klawiatury - skróty klawiszowe

Generalnie sterujemy symulacją za pomocą myszy lub dotyku. Alternatywnie uczniowie mogą też nawigować i sterować elementami interaktywnymi za pomocą klawiatury. Po kliknięciu otworzy się okno z listą obsługiwanych skrótów:

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):

Dźwięk i sonifikacja

• Odtwarzany jest dźwięk, który zmienia się wraz z wartością siły wraz ze zmianą masy LUB odległości, aby podkreślić zmianę siły grawitacji w zależności od którejkolwiek z tych zmiennych.
• Dodatkowe podkreślenie wielkości masy w postaci innej niż dźwięk skajarzony z siłą jest możliwe po włączeniu opcji Dodatkowy dźwięk w menu PhET. Wtedy zmiana masy powoduje odtworzenie dźwięku perkusyjnego, który zmienia wysokość wraz z wielkością masy i akcentuje masę w odróżnieniu od dźwięku skojarzonego z siłą.
• Więcej przydatnych wskazówek na temat tego, jak koncepcje i dźwięk są zintegrowane w tej symulacji, można znaleźć w filmie Funkcje dźwiękowe. Więcej szczegółów na temat wszystkich dźwięków w tej symulacji można znaleźć w opublikowanej dokumentacji Sound Design.

Interaktywny opis (tylko wersja angielska)

• Ta symulacja zawiera interaktywny opis umożliwiający dostęp niewizualny, dostarczany wyłącznie podczas korzystania z oprogramowania czytnika ekranu. Więcej informacji na temat korzystania z tej funkcji można znaleźć w filmie Introduction to Interactive Description.
• Nauczyciele mogą uzyskać dostęp do A11y View tutaj, aby zdecydować, czy interaktywny opis tej symulacji spełnia ich potrzeby instruktażowe. Przypomnienie: A11y View nie jest przeznaczony do użytku przez uczniów i nie zapewni dobrego doświadczenia uczniom korzystającym z oprogramowania do odczytu ekranu.

Spostrzeżenia na temat korzystania z aplikacji przez uczniów

• Uczniowie mogą wskazywać "rozmiar" jako zmienną, która wpływa na siłę, co może prowadzić do dyskusji na temat tego, jak masa i rozmiar są ze sobą powiązane.
• Uczniowie powinni mierzyć odległości od środka masy, ale chcemy, żeby odkryli to samodzielnie. Jeśli użyją czegoś innego, na przykład odległości między zewnętrznymi krawędziami, powinni odkryć, że ich dane nie mają sensu.
• Zachęcamy uczniów do tworzenia własnych pomysłów poprzez badania i odkryliśmy, że bezpośrednie odwoływanie się do Prawa powszechnego ciążenia może skłonić niektórych uczniów do po prostu sprawdzenia odpowiedniego równania.

Uproszczenia modelu

• Skala mas i odległości pozwala uczniom badać siłę grawitacji pomiędzy przedmiotami codziennego użytku. Aby poeksperymentować z siłami rzędu 10^-1-10³ N zobacz Siły Grawitacyjne Lab - podstawy.
• Domyślnie masy będą utrzymywać stałą gęstość. Jeśli masa zostanie zwiększona, promień wzrośnie proporcjonalnie, aby utrzymać gęstość. Jeśli symulacja jest w trybie stałego rozmiaru, promienie mas pozostaną stałe. Nasycenie kolorów masy odwzorowuje się na jej gęstość (tj. większe masy będą miały bardziej nasycony kolor).

• Figurki dołączone do mas są wyświetlane, aby pomóc uczniom zrozumieć, dlaczego obiekty pozostają oddzielone, pomimo ich przyciągania. Figura odchyli się bardziej do tyłu, aby wskazać, że siła wywierana na masę, którą trzyma, wzrosła. Jednak figura jest bezmasowa i nie przyczynia się do sił grawitacyjnych 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

• Wskaż dwa sposoby zmiany siły grawitacji działającej na obiekty. Jak można zwiększyć siłę grawitacji za pomocą każdego z tych czynników? A jak można zmniejszyć?
• Jeśli grawitacja jest siłą przyciągania między obiektami, dlaczego przedmioty takie jak ołówek nie są przyciągane w twoją stronę? Wyjaśnij swoje rozumowanie.
• Wybierz dwie różne wartości dla masy 1 i masy 2. Jak wygląda siła wywierana przez mniejszą masę na większą masę w porównaniu z siłą wywieraną przez większą masę na mniejszą masę?
• Przewiduj, co stanie się z siłą grawitacji, gdy odległość między masami zwiększy się dwukrotnie.
• Wybierz zmienną niezależną, którą chcesz manipulować, i zaprojektuj eksperyment, aby określić, co stanie się z siłą grawitacji, gdy zmieni się ta zmienna. Co obserwujesz?
• Zaprojektuj eksperyment, aby określić równanie opisujące związek między siłą grawitacji a masami obiektów i odległością między nimi. Sporządź wykresy.



Eksploruj prawa odwrotnych kwadratów

Użyj Prawo Coulomba, aby zbadać siłę elektrostatyczną.

• Określ podobieństwa i różnice między siłami grawitacyjnymi i elektrostatycznymi.
• Porównaj wielkości sił grawitacyjnych i elektrostatycznych w atomie wodoru.

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Siły Grawitacyjne Lab tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).