Ciężarki na sprężynach - podstawy


Instrukcje dla nauczyciela do symulacji PhET - Ciężarki na sprężynach - podstawy



Link bezpośredni do symulacji



masses-and-springs-basics

Zagadnienia

  • Pomiar
  • Ruch okresowy
  • Prawo Hooke'a

Opis

Wieszaj masy na sprężynach i badaj odkształcenia sprężyn i oscylacje mas. Porównaj dwa układy masa-sprężyna i eksperymentuj ze stałą sprężystości. Przenoś laboratorium na różne planety, spowolnij czas i obserwuj prędkość i przyspieszenie w trakcie oscylacji.

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

  • Opisz własnymi słowami długość własną i położenie równowagi.
  • Znajdź związek między masą, siłą sprężyny (stałą sprężystości), a rozciągnięciem (przemieszczeniem).
  • Zaprojektuj doświadczenie mające na celu wyznaczenie masy nieznanego obiektu.
  • Opracuj metodę pomiaru okresu drgań.
  • Określ czynniki wpływające na okres oscylacji.
  • Porównaj grawitację na planecie X do znanych wzorców.
  • Opisz związek pomiędzy wektorami prędkości i przyspieszenia oraz ich związek z ruchem, w różnych punktach oscylacji.

Przykładowe materiały teoretyczne

  • Co nam mówi prawo Hooke'a? (Khan Academy)
  • Czy okres drgań ciężarka na sprężynie jest zależny od amplitudy? (ZPE)
  • Masa na sprężynie (Wikipedia)
  • Jak obliczyć zależność okresu drgań ciężarka na sprężynie i wahadła matematycznego? (ZPE)

Sterowanie symulacją

Ekran Odkształcenie (link bezpośredni)

Pobaw się jednym lub dwoma układami masa-sprężyna i odkryj związek między masą, stałą sprężystości i przemieszczeniem.


masses-and-springs-basics5

Ekran Drgania (link bezpośredni)

Eksperymentuj z masą oscylującą na sprężynie i określ, które zmienne (takie jak masa, stała sprężystości lub przemieszczenie) wpływają na okres oscylacji.


masses-and-springs-basics6

Ekran Laboratorium (link bezpośredni)

Zbierz dane i określ wartość tajemniczej masy lub przyspieszenia grawitacyjnego g na Planecie X.


masses-and-springs-basics7

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 Ciężarki na sprężynach - 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/masses-and-springs-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/masses-and-springs-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

build-a-fraction10

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):

masses-and-springs-basics1

Uproszczenia modelu

  • Grubość sprężyny jest używana do wskazania jej stałej sprężystości. Zakres stałej sprężystości sprężyny wynosi 3-12 N/m, z odstępami co 1 N/m.
  • Wartości przyspieszenia grawitacyjnego dla planet/Księżyca odpowiadają wartościom użytym w oryginalnej symulacji Ciężarki na sprężynach. (Ziemia = 9.8 m/s2, Księżyc = 1.6 m/s2, Jowisz = 24.8 m/s2)
  • Słownictwo w tej symulacji jest przeznaczone dla młodszych uczniów, którzy często nie zostali formalnie zapoznani z układem masa-sprężyna lub prostymi oscylacjami harmonicznymi.
    • Siła sprężyny: stała sprężystości
    • Długość swobodna: długość naturalna
  • Na ekranie Odkształcenie sprężyny są mocno tłumione, aby zminimalizować oscylacje. Ma to na celu lepsze wspieranie celów edukacyjnych związanych z prawem Hooke'a. Jednak sprężyny na ekranach Drgania i Laboratorium są nietłumione. Aby wspierać cele edukacyjne związane z tłumieniem, użyj symulacji Ciężarki na sprężynach.
  • Na ekranie Laboratorium, włączenie funkcji Ślad okresu, Prędkość lub Przyspieszenie spowoduje wyświetlenie linii "Środek oscylacji", która reprezentuje położenie środka masy w stanie równowagi. Ślad okresu, prędkość i przyspieszenie są rysowane w odniesieniu do środka masy, więc środek oscylacji jest bardziej odpowiednim odniesieniem niż pozycja spoczynkowa ( położenie równowagi).
  • Funkcja Ślad okresu rysuje ścieżkę jednego pełnego drgania wokół położenia równowagi środka masy. Linia zacznie się rysować, gdy środek masy przekroczy linię środka oscylacji.
  • Jeśli parametr (np. przyspieszenie grawitacyjne, masa) zostanie zmieniony w trakcie oscylacji, chwilowe przemieszczenie, masa, stała sprężystości, grawitacja i prędkość zostaną użyte jako nowe warunki początkowe dla równania ruchu. Częste zmiany w trakcie oscylacji mogą prowadzić do trudnego do zinterpretowania (choć technicznie nadal dokładnego) zachowania, dlatego zalecamy zatrzymanie masy między eksperymentami.

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

  • Opisz własnymi słowami długość naturalną i położenie równowagi.
  • Zidentyfikuj wszystkie sposoby zwiększenia rozciągnięcia w stanie równowagi.
  • Określ zależność między przyłożoną siłą a przemieszczeniem.
  • Wyjaśnij, co to jest okres drgań i określ metodę jego pomiaru.
  • Zaprojektuj kontrolowany eksperyment, aby (jakościowo lub ilościowo) określić, jak zmienna — taka jak masa, przyspieszenie grawitacyjne, stała sprężystości lub przemieszczenie — wpływa na okres.
  • Określ sposób na nadanie większej masie krótszego okresu drgań niż masie mniejszej.
  • Określ masę zagadkowych obiektów lub wartość przyspieszenia grawitacyjnego g na planecie X (jakościowo lub ilościowo) i wyjaśnij swoją metodę (metody).

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Ciężarki na sprężynach - podstawy tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).