Spis treści: str. 1. Założenia opracowania Opis wstępny opracowania i wskazówki dla wykonawcy Menu interfejsu użytkownika -3 4.

Transkrypt

1 Gdańsk Opracowanie materiałów szkoleniowych, stanowiące instrukcje obsługi do interaktywnych stanowisk dydaktycznych, wraz z wprowadzeniem teoretycznym. Instrukcje stanowią także wytyczne do opracowania programów komputerowych sterujących stanowiskami. Opracowanie powstało w ramach umowy realizowanej w ramach projektu Adaptacja Centrum Hewelianum w Gdańsku na potrzeby naukowo-dydaktyczne pomorskich szkół wyższych, finansowanego w ramach Regionalnego Programu Operacyjnego dla Województwa Pomorskiego na lata Umowa nr 63/2012. Wykonawca: dr hab.inż Bogusław Kusz prof.nadzw.pg 1

2 Spis treści: str. 1. Założenia opracowania Opis wstępny opracowania i wskazówki dla wykonawcy Menu interfejsu użytkownika Odtwarzacz - okno informacji ogólnych, nagrań i analizy doświadczeń Okno uwag okno informacji dotyczących bezpieczeństwa i porządku Zestawienie tematów doświadczeń Zestawienie oprogramowania i klipów Programy obsługujące interfejsy Zalecenia dla konstruktora i wykonawcy Ruch obrotowy Ruch Falowy Ruch po równi pochyłej Ruch po okręgu Ruch harmoniczny. Wahadło matematyczne Zderzenie praw fizyki Niszczący rezonans Lidar Prawo Pascala Prawo Bernoulliego Tunel aerodynamiczny Energetyczny wiatr Siła wiatru Dźwięk a próżnia. Karta opisu Cząstki we mgle. Komora mgłowa Machina Coelestis Czujny siłownik Maszyny Leonarda I Maszyny Leonarda II W ręku robota Rozgrywka robotów Poruszająca krew Szybkość adaptacji i reakcji Sedno mięśnia Konwekcyjny chaos Wahadło magnetyczne. Karta opisu Model ruchu Browna Ruch Browna Przewodzenie ciepła Szum termiczny Propagacja informacji w sieci Ruch statków powietrznych i nawodnych

3 A. Założenia opracowania. 1. Zgodnie z celem projektu nowe laboratorium ma znacząco wspomóc nauczanie studentów trójmiejskich szkół wyższych. Ponadto ma to być oferta edukacyjna dla uczniów szkół oraz innych zainteresowanych odwiedzających kompleks na Górze Gradowej. Dlatego laboratorium zostało zaprojektowane dla odbiorców na dwóch różnych stopniach nauczania: 1.Pierwszy z nich adresowanych jest do uczniów gimnazjów i szkół średnich. Jest to system, w którym uczeń/uczestnik odpowiada na pytania związane z tematyką doświadczenia. Pytania dotyczą jakościowej oceny zjawiska badanego w doświadczeniu. Uczeń/uczestnik odpowiada w systemie wyboru prawda-fałsz (TAK lub NIE) przy czym oba wybory prowadzą do okna z krótkim uzasadnieniem prawidłowej odpowiedzi i propozycją sprawdzenia prawdziwości odpowiedzi za pomocą doświadczenia. 2.Drugi stopień nauczania jest skierowany do studentów. Na tej ścieżce studenci rozwiązują problemy/zadania doświadczalnie w efekcie uzyskując wyniki ilościowe. Nie ma przeszkód, aby uczniowie/odbiorcy spróbowali wykonać zadania studenckie. Wskazane jest, aby studenci zanim wykonają doświadczenie przeszli poziom pytań. 2.Zaproponowane opracowanie w sposób nowoczesny proponuje ścieżkę dydaktyczną, która umożliwi poznanie podstawowych praw, idei technicznych i w konsekwencji ułatwi studentom naukę na uczelni. Szczególną uwagę zwrócono na powiązanie rzeczywistych zdarzeń, maszyn, obiektów z doświadczeniami modelowymi wykonywanymi przez studentów i uczniów szkół średnich. Dlatego w opracowaniu podstawą informacji na dany temat jest krótki (od 10s do 25s - klip) film z rzeczywistej sytuacji i płynne przejście do graficznego zinterpretowania zjawiska. Tam, gdzie nie jest możliwy rzeczywisty obraz zjawiska opis jest graficzną symulacją (animacją). 3.Podstawą wizualizacji informacji ogólnej, doświadczenia i wyników jest odtwarzacz wzorowany na powszechnie używanym na platformie YouTube. Taki system ułatwi studentom/ uczestnikom nawigację i dostęp do niezbędnej wiedzy. 4.Zasadą jest, że instrukcja wykonania doświadczenia jest wzbogacona o krótkie nagranie przebiegu doświadczenia z grafiką pokazującą ważne elementy stanowiska. 3

4 B. Opis wstępny opracowania i wskazówki dla wykonawcy. Zasady ogólne: 1. Wszystkie opisy oraz grafiki muszą być zgodne z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawne. 2. Poniższy opis zawiera uwagi, opis, zalecenia dla wykonawcy pisany normalną czcionką oraz pisane kursywą treści merytoryczne. Bold stosowany jest do m.in. oznaczania wektorów. 3. Uwaga: Treści merytoryczne mogą być zmienione ze względu na konieczność dopasowania instrukcji do stanu rzeczywistego. Dotyczy to szczególnie instrukcji postępowania, okien uwag oraz podpisów i grafik. C. Menu interfejsu użytkownika. Uwaga: System interfejsu użytkownika został zaprojektowany mając na uwadze dydaktyczną poprawność, łatwość obsługi i logikę postępowania podczas badań. Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji 0/Menu zerowe- występuje w przypadku obsługi dwóch lub trzech różnych ćwiczeń- umożliwia wybór ćwiczenia. a/ Menu główne- umożliwia wybór trzech opcji. Ruch obrotowy Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Opis 1 Przebieg Doświadczenia opis działań Zadania Zadanie 1 Opis 2 Zadanie 3 Zadanie n Uwagi bezpieczeństwa Uwagi bezpieczeństwa c/ Trzeci poziom Menu podpowiedź dla studentów odpowiedź na TAK lub NIE dla uczniów 4

5 Uwagi do drugiego poziomu menu. Informacje ogólne- proponowany układ strony: Górna część strony okno tytułowe Informacje ogólne i dwa mniejsze okienka przejścia do Przebieg Doświadczenia i Zadania i wnioski. Dalsza część strony - dwa okna, czyli pierwsze ujęcia klipów z tytułem i krótkim opisem informacji. Naciśnięcie okna lub informacji powoduje rozwinięcie na całą szerokość ekranu odtwarzacza z danym zagadnieniem. Zapewniona jest możliwość zwinięcia okna i przejścia do dalszych opcji. Przebieg Doświadczenia proponowany układ strony: Górna część strony okno tytułowe Przebieg Doświadczenia i dwa mniejsze okienka przejścia do Informacje ogólne i Zadania i wnioski. Niżej okno opisu działań. W centrum odtwarzacz nagrania wykonywanego doświadczenia. Najniżej ekranu okno uwag dotyczących bezpieczeństwa. Zadania i wnioski proponowany układ strony: Górna część strony okno tytułowe Przebieg Doświadczenia i dwa mniejsze okienka przejścia do Informacje ogólne i Przebieg Doświadczenia. Podstawowe menu to trzy zadania/pytania dla uczniów/uczestników. Do zadań dla studentów okienko przejścia np. Studenci. Uwagi do poziomu menu c : Dla uczniów/innych uczestników odpowiedzi/propozycje pojawiają się po wybraniu w tekście odpowiedzi TAK lub NIE. Dla studentów S odpowiedzi/propozycje pojawiają się po naciśnięciu okienka?. 5

6 D. Odtwarzacz - okno informacji ogólnych, nagrań i analizy doświadczeń: Uwagi wstępne: 1.Wszystkie animacje, filmiki, klipy, nagrania doświadczeń wyświetlane są na odtwarzaczu podobnym do powszechnie stosowanego przez portal YouTube z możliwością zatrzymania, powtórzenia, pomiarem czasu itp. Odtwarzacz wyposażony jest w przyciski funkcyjne umożliwiające w wielu przypadkach pełną interakcję i dostęp do wiedzy we właściwym czasie. Legenda: 10 Q= Q Q T,R,M T a V Opis funkcjonalny elementów odtwarzacza: 1. Włącznik odtwarzania, możliwość zatrzymania i kontynuacji / 2. Przycisk powtórzenia filmu/klipu. 3. Okno czasu odtwarzania i czasu całkowitego. 4. Okno zwolnionego tempa. Jeśli jest potrzeba, po naciśnięciu film/klip odtwarza się w tempie 5x lub 20x mniejszym. 5. Klasyczny pasek/suwak czasu odtwarzania z możliwością wyboru oglądanej sekwencji. 6,7,8,9. Przyciski funkcyjne o ilości zależnej od potrzeb. Maksymalnie sześć przycisków wywołujących fragmenty grafiki po przyciśnięciu. Po ponownym przyciśnięciu - wyłącznie tego fragmentu. 10. Przycisk zwinięcia okna - powrotu do poziomu menu o jeden wyżej. 6

7 D. Okno uwag okno informacji dotyczących bezpieczeństwa i porządku. Okno znajduje się u dołu ekranu na poziomie drugim i trzecim. Przykład okna: Uwaga: Przed włączeniem silnika upewnij się, że na talerzu pomiarowym nie ma odważników. Odważniki przekładaj ostrożnie i z uwagą. E. Zestawienie tematów doświadczeń: 1.1. Ruch obrotowy Ruch Falowy Ruch po równi pochyłej Ruch po okręgu Ruch harmoniczny. Wahadło matematyczne Zderzenie praw fizyki Niszczący rezonans Lidar Prawo Pascala Prawo Bernoulliego Tunel aerodynamiczny Energetyczny wiatr Siła wiatru Dźwięk a próżnia. Karta opisu Cząstki we mgle. Komora mgłowa Machina Coelestis. 5.1.Czujny siłownik Maszyny Leonarda I Maszyny Leonarda II W ręku robota Rozgrywka robotów Poruszająca krew Szybkość adaptacji i reakcji Sedno mięśnia Konwekcyjny chaos Wahadło magnetyczne. Karta opisu Model ruchu Browna Ruch Browna Przewodzenie ciepła Szum termiczny Propagacja informacji w sieci Ruch statków powietrznych i nawodnych. 7

8 F. Zestawienie oprogramowania i klipów. Lp Nr Klip- Klip- Interfejs Kamera Program Nagranie Zadania film animacja we/wy Dedykowany doświadczenia N 3S N 3S N 3S N 3S N 3S N 3S N 3S N 3S N 3S N 2S N 3S N 2S N 2S Karta informacyjna 1 grafika. 1N 1S N 2S N 9S N 2S N 2S N 2S N 2S N 2S N 2S N 3S N 2S N 1S Karta informacyjna-1 grafika. 1N 1S N 2S N 1S termo 1 2N 2S N 1S N 2S N 1S Opis tabeli: Kol. 1: numer kolejny. Kol. 2: oznaczenie/numer doświadczenia. Kol. 3: liczba klipów-filmów w części informacyjnej ćwiczenia. Kol. 4: liczba klipów-animacji w części informacyjnej ćwiczenia. Kol. 5. liczba interfejsów wejścia/wyjścia. Kol. 6: liczba kamer. Kol. 7: programów dedykowanych (specjalistycznych) potrzebnych w ćwiczeniu. Kol. 8: liczba nagrań instruktażowych - jak wykonać doświadczenie. Kol. 9: liczba zadań dla uczniów (N) i studentów (S). 8

9 G. Programy obsługujące interfejsy. Zestawienie: 1.1. Program włączania/wyłączania silnika z czasowym wyłącznikiem: out-1d, in-1d. 1.2.b2. Program generatora sygnałowego Hz (w przypadku zastosowania takiego rozwiązania). 1.2.b3. Program oscyloskopu wizualizacja dźwięku rury. 1.3; 1.4; 1.5 Program/interfejs nagrywania z kamery kolorowej 80klatek/s. 1.4.b2. Program sterowania silnikiem napędzającym układ ruchu po okręgu: out-1a, out-1d lub w przypadku silnika krokowego - sterownik silnika krokowego c.Program sterowania generatora sygnałowego 0,5-100Hz. 2.1.c. Program sterowania procesem pomiarowym skanowanie i pomiar: in-1d/1a i dla silników krokowych - sterowniki. Możliwość wyrysowania obrazu 3D Sterowanie włączaniem/wyłączaniem pompy z wyłącznikiem czasowym: out-1d b. Program odczytu wartości sił oporu i nosnej: in-2a/d (wejścia dla sygnału dwóch siłomierzy w przypadku zrealizowania tej opcji) b. Program odczytu wartości sił żaglówka/budynek: in-3a/d (wejścia dla sygnału dwóch siłomierzy i kąta w przypadku zrealizowania tej opcji) b. Program automatycznej reakcji odsunięcia na zbliżenie obiektu do kuli z czujnikami: in-3d; out-3a/3d (w zależności od zastosowanych układów). 7.2a Program sterowania bodźcem świetlnym i zbierania danych: in-kamera; out-1d, in-1d Program sterowania trzema światłami i zbierania danych: in-3d. 7.2a.b2 Program rysowania i analizy wykresu akomodacji oka. Program automatycznie rysuje wykres z chwilą, gdy odtwarzanie w zwolnionym tempie osiąga czas rozpoczęcia impulsu. 7.2a.b3 Program wpisywanych danych i statystyki dla Akomodacji. 7.2r.b1 Program wpisywanych danych i statystyki dla Reakcji. 7.3.b2 Program sterowania sztucznym ramieniem: out-1d; out-2a; in-2a S. Program śledzący pyłek-grafika na filmie. 8.6.b2. Program oscyloskopu pomiar napięcia szumu.: in 1A. G. Programy graficzne (bez interfejsu): 4.2.A,B,C Trzy programy graficzne- symulatory ruchu w kosmosie - zaawansowane!!! Program autonomiczny robota. Sposób i zakres zmian parametrów zależy od możliwości oprogramowania robota b Zmiany parametrów robotów -graczy. Sposób i zakres zmian parametrów zależy od możliwości zestawu jeden program ogólnodostępny, jeden program śledzenia pakietów, jeden program.zbierania danych (tabela) 9.2. jeden program ogólnodostępny, jeden program zbierania danych (tabela). 9

10 H. Zalecenia dla konstruktora i wykonawcy. Ze względu na możliwości wykonania, jakości obsługi i przede wszystkim poprawność dydaktyczną stanowisk doświadczalnych konieczne są następujące zmiany: 1.Doświadczenie 1.3,1.4,1.5: Równia, Ruch po okręgu, Wahadło. a/umieszczenie kamery za układami doświadczalnymi (za ścianką szklaną) nie jest dobrym rozwiązaniem ze względu na: -otrzymywanie lustrzanego obrazu doświadczenia -nagrywanie obrazu doświadczenia na tle pomieszczenia i ludzi co prowadzi do bardzo dużej komplikacji przy analizie obrazu oraz w znaczący sposób zaciemnia odbiór dydaktyczny. b/kamera na pionowej prowadnicy powinna znajdować się naprzeciw stanowiska w odległości gwarantującej zaniedbywalne zniekształcenia obrazu. Tło układów doświadczalnych powinno być jednorodne (poruszające się obiekty muszą być dobrze widoczne). c/układ kulki w ruchu po okręgu (rys. obok) powinien być zintegrowany z wahadłem: wahadło przed szkłem a obracająca się kulka za szkłem. W ten sposób uzyska się : -doświadczalny pokaz związku ruchu po okręgu z ruchem harmonicznym, -konieczność przesuwania kamery tylko do dwóch położeń, -lepsze rozplanowanie całości. 2. Doświadczenie 3.3 Siła wiatru. Należy zadbać, aby w doświadczeniu siły były mierzone wzdłuż osi i prostopadle do osi łódki (budynku). Jest to konieczne dla czytelnej interpretacji doświadczeń. 10

11 3. Doświadczenie 4.2 Machina Coelestis. Zaproponowany przez autorów system sterowania ruchem dłoni jest ciekawym i nowoczesnym rozwiązaniem. Jednak wadą takiego rozwiązania jest za mała rozdzielczość układu wizualizacji aby można było przekazać konieczne Informacje ogólne, dobrze opisać Przebieg Doświadczenia oraz Zadania. Dlatego należy zrezygnować z idei sterowania dłonią i całość wykonać za pomocą wbudowanego w stół obserwacyjny monitora dotykowego. Dzięki temu interfejs użytkownika będzie identyczny jak w innych doświadczeniach oraz zachowana będzie spójność przekazu dydaktycznego. 4.Doświadczenie: 8.1. Konwekcyjny chaos. 8.6.Szum termiczny 8.3 Model ruchu Browna 8.4 Ruch Browna. W projekcie zaplanowano podział czterech ww. doświadczeń w następujący sposób: stanowisko XI.8.3. oraz XI (Opis techniczny). W ten sposób proste stanowisko Model ruchów Browna występuje jako jedyne w całym stanowisku, natomiast doświadczenie z Ruchem Browna występuje na drugim stanowisku. Z punktu widzenia poprawności dydaktycznej model i rzeczywiste zjawisko powinno być prezentowane na jednym stanowisku. 11

12 1.1. Ruch obrotowy. Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji a/ Menu główne: Ruch obrotowy Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Opis 1 Przebieg Doświadczenia opis działań Zadania Zadanie 1 Opis 2 Zadanie 3 Zadanie n Uwagi bezpieczeństwa Uwagi bezpieczeństwa c/ Trzeci poziom Menu podpowiedź dla studentów odpowiedź na TAK lub NIE dla uczniów 12

13 1.1. Główne menu strony Ruch obrotowy Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia 1.1.a Drugi poziom menu: Zadania wybór Informacje ogólne Ruch obrotowy jest powszechny. Obraca się Słońce, Ziemia, powietrze podczas tornada, koła samochodów, koła mechanizmów, bakterie, molekuły tlenu. O ruchu obrotowym decydują momenty: bezwładności i sił. Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów ; i z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji klip Obracająca się Ziemia. Animacja przedstawiająca widok z kosmosu na obracającą się Ziemię. Na film/animację nałożona grafika: wektory prędkości kątowej i liniowej w trzech punktach dla szerokości geograficznej ok.: ϕ=0 0 ; 30 o ; 60 o. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Czas trwania filmu:10s pełen obrót Ziemi. Następnie powtórzenie do czasu wyłączenia. Rys Ziemia - szkic graficznego przedstawienia obrotu. ω V 2 V 1 V 0 Podpis do rys Kula materii o średnicy 12 tysięcy kilometrów i obracająca się z szybkością jeden obrót na 24 godziny to Ziemia (okres obrotu T=24h). Wszystkie fragmenty Ziemi obracają się wokół osi z tą samą prędkością kątową ω=2π/t. Jednak prędkość liniowa V zależy od odległości od osi obrotu. Obracająca się jednostajnie Ziemia posiada pewien moment bezwładności I, moment pędu L=ωI i energię kinetyczną ruchu obrotowego E ko =Iω 2 /2. 13

14 1.1.2-klip Hamowanie koła rowerowego. Klip 15 sekundowy przedstawiający obracające się koło roweru do chwili zahamowania hamulcem szczękowym. Na film nałożona grafika: wektory prędkości kątowej i liniowej oraz siły tarcia i momentu siły. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Czas trwania filmu:15-20s hamowanie obracającego się koła rowerowego. Rys Koło rowerowe podczas hamowania. T Q R M Podpis do rys Hamując rozpędzony rower zaciskamy szczęki hamulca na obręczy koła (o promieniu R). Siła tarcia T powstająca na styku obręczy i szczęk wytwarza hamujący moment siły M. To właśnie ta siła tarcia podczas hamowania pracuje nad zmniejszeniem energii ruchu rowerzysty. Energia ruchu rowerzysty jest bezpowrotnie tracona na ciepło i zniszczenie powierzchni gumy. Hamowanie roweru jest przykładem ruchu obrotowego jednostajnie opóźnionego. 14

15 1.1.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia Ruch obrotowy. W celu wykonania badań ruchu obrotowego należy: 0. Upewnić się, że na talerzu pomiarowym nie ma odważników. 1. Włączyć przyciskiem z okna Sterowanie silnikiem silnik. 2. Poczekać kilkanaście sekund, aż silnik osiągnie maksymalną prędkość obrotową. 3. Zmierzyć stroboskopem prędkość. 4.Spokojnie położyć ciężarek o masie m=1kg, silnik automatycznie zostanie wyłączony z prądu. 5. Obserwować układ i zjawisko oraz zmierzyć czas do chwili zatrzymania silnika. 6. Odłożyć ciężarek na przeznaczone miejsce. Uwaga : ze względu na bezpieczeństwo ciężarki powinny być manipulacji. "uwiązane" w granicach koniecznych do Odtwarzacz z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia. Jest to film 15 sekundowy pokazujący: włączenie silnika, położenie ciężarka, i po chwili, gdy szybkość w widoczny sposób zmaleje stopklatka. Na stopklatkę za pomocą przycisków funkcyjnych można nałożyć grafikę wektorów sił, prędkości, przyspieszenia. Okno 1.1.b1 Odtwarzacz. Szkic ekranu ze stop klatką. a -przyspieszenie Legenda: Q= Siła tarcia T Siła ciężkości Q Promień działania siły tarcia R V-prędkość liniowa M-moment siły T: M=R F Q Q R,T M V a ω 15

16 Opis funkcjonalny odtwarzacza funkcje dodatkowe: Pod przyciskami funkcyjnymi znajduje sie legenda opis przycisków. Naciśnięcie przycisku powoduje pojawienie się odpowiedniego wektora/informacji. Legenda: Q- siała ciężkości/siła nacisku; R- promień działania siły tarcia T; M-moment siły tarcia M=R T; a-wektor przyspieszenia; V-wektor prędkości liniowej; ω- wektor prędkości obrotowej Okno 1.1.b3 sterowania silnikiem (jeśli zostanie wybrana taka opcja): Włączanie silnikiem szlifierki Włącznik Okno 1.1.b2 uwag: Uwaga: Przed włączeniem silnika upewnij się, że na talerzu pomiarowym nie ma odważników. Odważniki przekładaj ostrożnie i z uwagą. 16

17 1.1.b Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów. Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 1.1.N. Poziom : Zadania dla uczniów N Czy podczas hamowania pędzącego roweru potencjalną rowerzysty? energia ruchu zamienia się na energię Tak Nie wybór TAK. Niestety nie. Siłą powodującą hamowanie, czyli utratę energii jest siła tarcia. Siła tarcia pracuje w ten sposób, że bezpowrotnie tracimy energię w postaci ciepła. Wykonaj doświadczenie zgodnie z poleceniem: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). Sprawdź, że po rozpędzeniu szlifierki przyłożenie siły do szczęki hamulcowej powoduje rozgrzanie materiału na punkcie styku szczęka - tarcza. Temperatura jest czasami tak duża, że materiał rozgrzewa się do czerwoności i powstają iskry. Dzięki sile tarcia można kształtować powierzchnie różnych materiałów, czyli na przykład szlifować. wybór NIE. Odpowiedź prawidłowa. Siłą powodującą hamowanie i utratę energii jest siła tarcia. Siła tarcia pracuje w ten sposób, że bezpowrotnie tracimy energię w postaci ciepła. Wykonaj doświadczenie zgodnie z poleceniem: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). Sprawdź, że po rozpędzeniu szlifierki przyłożenie siły do szczęki hamulcowej powoduje rozgrzanie materiału na punkcie styku szczęka - tarcza. Temperatura jest czasami tak duża, że materiał rozgrzewa się do czerwoności i powstają iskry. Dzięki sile tarcia można kształtować powierzchnie różnych materiałów, czyli na przykład szlifować. Obecnie w niektórych autobusach, pociągach i samochodach stosuje się hamowanie z częściowym odzyskiwaniem energii N Czy szybkość hamowania zależy do siły przyłożonej do szczęk hamulca? Tak Nie wybór TAK. Odpowiedź prawidłowa. Siłą powodującą hamowanie, czyli utratę energii jest siła tarcia. Siła tarcia jest proporcjonalna do siły nacisku. Im większy nacisk na hamulec, tym większa siła tarcia i szybsze hamowanie. Wykonaj doświadczenie potwierdzające tą zależność. Sprawdź jaki jest czas hamowania dla dwóch różnych obciążeń szczęki hamulca. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. 17

18 Jednak szybkość hamowania zależy do siły przyłożonej do szczęk hamulca. Siłą powodującą hamowanie, czyli utratę energii jest siła tarcia. Siła tarcia jest proporcjonalna do siły nacisku. Im większy nacisk na hamulec tym większa siła tarcia i szybsze hamowanie. Wykonaj doświadczenie potwierdzające tą zależność. Sprawdź jaki jest czas hamowania dla dwóch różnych obciążeń szczęki hamulca. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) N Czy podczas hamowania prędkość liniowa V maleje do zera? Tak Nie wybór TAK. Prawda. Prędkość liniowa V maleje podczas hamowania. W tym przypadku jest to ruch jednostajnie opóźniony. Wykonaj doświadczenie i oblicz początkową prędkość liniową ze wzoru V=ωR, gdzie R=6cm ω- wyznaczona prędkość kątowa. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). Wybór Nie Przy hamowaniu prędkość V maleje. W tym przypadku jest to ruch jednostajnie opóźniony. Wykonaj doświadczenie i oblicz początkową prędkość liniową ze wzoru V=ωR, gdzie R=6cm ω-wyznaczona prędkość kątowa. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) S. Poziom : Zadania dla studentów Zadanie S Energia kinetyczna ruchu obrotowego i praca sił tarcia. Zbadaj proces hamowania obracającej się szlifierki. Wyznacz energię kinetyczną ruchu obrotowego tuż przed hamowaniem, po czasie hamowania t 1 =10s oraz pracę siła tarcia podczas hamowania przez czas t 1 =10s. Wykonanie: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - W celu obliczenia energii kinetycznej ruchu obrotowego należy wyznaczyć prędkość kątową ω 0 oraz moment bezwładności obracającego się układu I (z legendy) o obliczyć: E k0 = Iω 0 2 /2. W podobny sposób należy określić prędkość ω 1 po czasie t 1 i obliczyć E k1 = Iω 1 2 /2. Praca siły tarcia jest równa straconej energii kinetycznej, czyli różnicy energii : W T = E k0 - E k1. Zadanie S Siły i momenty sił. Wyznacz wartość siły tarcia i momentu tej siły M T powodującej zatrzymanie koła szlifierki dla obciążenia Q=10N. Wyznacz prędkość kątową ruchu obrotowego tuż przed hamowaniem oraz czas do całkowitego zatrzymania koła t h. Wykonanie: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Jeśli działa stała siła tarcia T na punkty koła w odległości R od środka obrotu to na koło działa moment siły M T =RxT (iloczyn wektorowy R i T). Ponieważ wektory R i T są do siebie prostopadłe moment siły ma wartość M T =RT [1]. Moment siły tarcia działa na obracające się 18

19 koło o momencie bezwładności I powodując zmniejszenie prędkości z przyspieszeniem kątowym ε zgodnie z drugą zasadą dynamiki dla ruchu obrotowego: M T =εi [2]. Z drugiej strony wiadomo, że prędkość kątowa będzie malała do zera po czasie t h zgodnie z zależnością: ω 0 -εt h =0 [3]. Po określeniu wartości t h, R, ω 0, I z trzech zależności [1,2,3] można wyznaczyć wartość siły tarcia T. Zadanie S Droga, prędkość i przyspieszenie w ruchu obrotowym. Wyznacz prędkość kątową ruchu obrotowego tuż przed hamowaniem oraz czas do całkowitego zatrzymania koła t h dla dwóch różnych obciążeń Q szczęki hamującej. Oblicz drogę jaką pokonają punkty na obwodzie koła do chwili zatrzymania. Wykonanie: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - W ruchu jednostajnie opóźnionym punkty na obwodzie koła poruszają się z prędkością : V(t)=V 0 -at pokonując drogę s(t)=v 0 t-at 2 /2. Gdzie : V 0 - prędkość początkowa, a-przyspieszenie. Po czasie hamowania t h V(t h )=V 0 -at h =0, dlatego s(t h )=V 0 t h -at h 2 /2. Znając V 0 =ω 0 R, oraz t h można wyznaczyć przyspieszenie a oraz s(t h ). 19

20 1.2. Ruch Falowy. Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji a/ Menu główne: Ruch falowy Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Opis 1 Przebieg Doświadczenia opis działań Zadania Zadanie 1 Opis 2 Zadanie 3 Zadanie n Uwagi bezpieczeństwa Uwagi bezpieczeństwa c/ Trzeci poziom Menu podpowiedź dla studentów odpowiedź na TAK lub NIE dla uczniów 20

21 1.2. Główne menu strony Ruch falowy Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia 1.2.a Drugi poziom menu: Zadania wybór Informacje ogólne Wiatr wzbudza fale na wodzie, mówiąc generujemy falę dźwiękową, widzimy, bo odbieramy fale elektromagnetyczne. Wszystkie te zjawiska to fale, czyli rozchodzące się w przestrzeni drgania atomów lub rozchodzące się w przestrzeni drgania wartości wektorów pola elektrycznego i magnetycznego. Wszystkie fale można opisać za pomocą funkcji sinus lub/i cosinus Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów ; i z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji klip Fala na wodzie. Film przedstawiający falę na wodzie. Na film nałożona grafika: długość fali, prędkość, amplituda. W czasie poruszania się fali wektory podążają za falą. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Opis filmu: Fala w akwarium w Hewelianum. Czas trwania filmu: około 15s. Rys Fala na wodzie - graficzne przedstawienie ruchu. ω λ V V K V Podpis do rys Wrzucony kamień do wody lub wiatr może spowodować powstanie fali na wodzie, która w przekroju przypomina sinusoidę. Taka fala porusza się z pewną prędkością V, ma pewną długość λ i częstotliwość f przy czym f=v/ λ. Warto podkreślić, że na wodzie z prędkością V porusza się fala, czyli punkty sinusoidy opisującej powierzchnię wody. Cząsteczki wody przy powierzchni poruszają się po okręgu, co można zobaczyć obserwując pływający korek K. 21

22 1.2.3-klip Fala stojąca. Klip sekundowy przedstawiający kamerton i półotwartą rurę. Po uderzeniu w kamerton słychać dźwięk kamertonu. Po przysunięciu do rury następuje wzmocnienie dźwięku. Stopklatka z nałożoną grafiką: fala stojąca z długością, strzałką i węzłem. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Przykład filmu: typowe doświadczenie kamerton-słup powietrza w cylindrze. Czas trwania filmu:8s. Następnie stopklatka. Rys Stopklatka dla rury: model/grafika fali stojącej w rurze. Kamerton Fala biegnąca Strzałka Węzeł Fala odbita Strzałka Węzeł Podpis do rys Interferencja jest to zjawisko powstawania nowego, przestrzennego rozkładu amplitudy fali w wyniku nakładania się dwóch lub więcej fal. Dwie identyczne fale poruszające się naprzeciw siebie nakładają się i w wyniku interferencji może powstać fala stojąca. W tym doświadczeniu, dźwięk z kamertonu porusza się w rurze w dół i odbija się od dna. W efekcie mamy poruszające się naprzeciw siebie dwie fale o identycznych częstotliwościach i podobnych amplitudach. Przy pewnych częstotliwościach nastąpi zjawisko interferencji i powstaje fala stojąca. W takiej "nieruchomej" fali obserwujemy obszary o maksymalnej amplitudzie drgań ośrodka (strzałki fali) i miejsca gdzie nie ma drgań ośrodka (węzły fali). W chwili powstania fali stojącej natężenie dźwięku rośnie. Mówimy, że w takim przypadku następuje rezonans. 22

23 1.2.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia Uwaga: System sterowania parametrami generatora może być wykonany na dwa sposoby: a/ Generator mocy o stałej amplitudzie sygnału wyjściowego. Regulacja częstotliwości w zakresie Hz za pomocą pokrętła generatora. b/ Generator programowy, czyli panel generatora na monitorze z możliwością regulacji częstotliwości. Sygnał z wyjścia analogowego, np. z karty dźwiękowej, podawany jest przez wzmacniacz do głośnika. Ruch falowy fala stojąca. W doświadczeniu głośnik generuje dźwięk o określonej częstotliwości f. Wytworzona fala porusza się w rurze o długości L i odbija się od tłoka T. W efekcie w rurze mamy dwie fale o tej samej częstotliwości, ale biegnące naprzeciw siebie. Obie fala nakładają się i przy odpowiednich częstotliwościach wynikiem nakładania jest fala stojąca. O jej powstaniu świadczy wzrost głośności dźwięku oraz.zaburzenia warstwy wody na dnie rury. Tam gdzie woda burzy się najbardziej powietrze drga z maksymalną amplitudą. Te punkty fali stojącej nazywamy strzałką. 1.Włącz generator G. 2.Zmieniając gałką generatora częstotliwość dźwięku w zakresie 200Hz do 2000Hz doprowadź do powstania fal stojących. Wyznacz częstotliwości i długości fal stojących. Klasyczny pulpit do odtwarzania nagrań z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia. Na tym poziomie menu 15 sek. film pokazujący: zmianę częstotliwości, znalezienie fali stojącej. Stopklatka z opisem poszczególnych elementów: rura rezonansowa, głośnik, generator, regulacja częstotliwości f, tłok, woda. Na stopklatkę za pomocą przycisków funkcyjnych można nałożyć grafikę długości fali, strzałki i węzły, prędkości, przyspieszenie. Rys. 1.2.b1 Odtwarzacz. Szkic ekranu ze stopklatką. 23

24 Legenda: Q= T Strzałka fali stojącej Węzeł fali stojącej λ st -długość fali stojącej G Częstotliwość fali f=v/2λ st Woda Q Fontana wody = strzałka fali stojącej Opis funkcjonalny odtwarzacza funkcje dodatkowe: Pod przyciskami funkcyjnymi legenda opis przycisków. Naciśnięcie przycisku powoduje pojawienie się odpowiedniego wektora/informacji. Legenda: W- węzeł fali stojącej; S- strzałka fali stojącej; λ st - długość fali stojącej; f-częstotliwość fali; λ st S W f 1.2.b2. Okno generatora w przypadku zastosowania generatora programowego. Generator : częstotliwość dźwięku 234 Hz Włącznik 1.2.b3 Okno uwag: Uwaga: Częstotliwość należy zmieniać powoli. 24

25 1.2.b Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów (N). Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 1.2.b N. Poziom : Zadania dla uczniów N Czy jeśli fala wyemitowana z głośnika z prędkością V wraca po dobiciu po czasie t, to droga jaką pokonuje fala jest równa s=vt? Tak Nie wybór TAK. Tak. Droga pokonana przez falę s=vt. Zmierz długość rury i oblicz czas potrzebny do pokonania drogi : głośnik-tłok-głośnik fali dźwiękowej poruszającej się z prędkością V=340m/s. wybór NIE. Prawdą jest jednak, że drogę pokonaną przez falę można obliczyć ze znanego wzoru s=vt. Zmierz długość rury i oblicz czas potrzebny do pokonania drogi : głośnik-tłok-głośnik fali dźwiękowej poruszającej się z prędkością V=340m/s N Czy w instrumentach muzycznych powstaje fala stojąca? Tak Nie wybór TAK. Odpowiedź prawidłowa. W instrumentach z reguły powstaje fala stojąca wewnątrz instrumentu lub na strunie. Dzięki temu instrument jest głośniejszy, a jego kształt określa ton i barwę dźwięku. Sprawdź, czy rzeczywiście wzbudzając falę stojącą w rurze powodujemy, że rura gra. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Wybór nie jest błędem. W instrumentach z reguły powstaje fala stojąca wewnątrz instrumentu lub na strunie. Dzięki temu instrument jest głośniejszy, a jego kształt określa ton i barwę dźwięku. Sprawdź, czy rzeczywiście wzbudzając falę stojącą w rurze powodujemy, że rura gra. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) N Czy jest jakiś związek między częstotliwością, prędkością i długością fali stojącej? Tak Nie wybór TAK. 25

26 Jest. Prędkość fali V, częstotliwość f st i długość fali stojącej λ st są powiązane zależnością: f st =V/2 λ st. Zmierz częstotliwość f st i długość fali stojącej λ st oraz oblicz prędkość fali. Jeśli wynikiem będzie około 340m/s to znaczy, że zależność jest prawdziwa. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). Wybór Nie Jednak jest. Prędkość fali V, częstotliwość f st i długość fali stojącej λ st są powiązane zależnością: f st =V /2λ st. Zmierz częstotliwość f st i długość fali stojącej λ st oraz oblicz prędkość fali. Jeśli wynikiem będzie około 340m/s to znaczy, że zależność jest prawdziwa. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) S. Poziom : Zadania dla studentów Zadanie S Fala stojąca w rurze o stałej długości. Zbadaj przynajmniej trzy fale stojące w rurze dla długości L= 1m. Wyznacz częstotliwość f st i długość fali stojącej λ st. Oblicz prędkość fali dźwiękowej w powietrzu. Wykonanie: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Prędkość fali V, częstotliwość f st i długość fali stojącej λ st są powiązane zależnością: f st =V/2λ st. Dla każdej z fal stojących oblicz prędkość i wyznacz jej wartość średnią. Zadanie S Fala stojąca w rurze o zmiennej długości. Wyznacz przynajmniej trzy położenia tłoka, dla którego przy częstotliwości dźwięku f=500hz powstaje fala stojąca. Oblicz prędkość fali dźwiękowej w powietrzu. Wykonanie: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Odległość między najbliższymi położeniami tłoka, przy których powstaje fala stojąca jest długością fali stojącej. Prędkość fali V, częstotliwość f st i długość fali stojącej λ st są powiązane zależnością: f st =V/2λ st. Zadanie S Odpowiedz na pytania: a/czy iloczyn f st 2λ st jest stały dla różnych fal stojących wygenerowanych w doświadczeniu? b/czy cząsteczki powietrza drgają z maksymalną amplitudą przy powierzchni tłoka? c/jaka jest prędkość fali stojącej? Przypatrz się doświadczeniu: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - a/ Tak ponieważ jest równy prędkości fali. Prędkość dźwięku w powietrzu nie zależy od częstotliwości. b/ Nie. W przypadku powstania fali stojącej cząsteczki powietrza nie poruszają się przy powierzchni tłoka. Przy powierzchni odbijającej falę zawsze powstaje węzeł fali stojącej. 26

27 c/ Jak fala jest stojąca to jej prędkość jest równa...zero. Falę stojącą zawsze można rozpatrywać jako nałożenie dwóch fal biegnących naprzeciw siebie o prędkości V. 27

28 1.3. Ruch po równi, po okręgu i harmoniczny Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji 0/ Menu zerowe Równia pochyła Ruch po okręgu Wahadło matematyczne a/ Menu główne: Ruch po okręgu Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania Równia pochyła Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania Wahadło matematyczne Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Opis 1 Przebieg Doświadczenia opis dziłań Zadania Zadanie 1 Opis 2 Zadanie 3 Zadanie n Uwagi bezpieczeństwa Uwagi bezpieczeństwa c/ Trzeci poziom Menu podpowiedz dla studentów odpowiedz na TAK lub NIE dla uczniów 28

29 1.3.a Menu główne Ruch po równi pochyłej Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania Założenie: Ćwiczenie polega na rejestracji kamerą doświadczenia 1.3.a1 Drugi poziom menu: Informacje ogólne W codziennym życiu i technice mamy wiele przykładów ruchu po równi pochyłej. Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów ; i z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji klip Statyka na równi pochyłej. Film przedstawiający ciężarówkę wywrotkę podnoszącą skrzynię wyładowczą i zrzucającą hałdę piasku. Natychmiastowa powtórka filmu ze stopklatką w momencie tuż przed zsunięciem się ładunku. Na stopklatkę nałożona grafika zarys równi i ładunku oraz działające siły. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Przykład filmu: Czas trwania filmu:20s Stopklatka: w 12 sekundzie. Czas trwania całości:40s. Rys.1.3.1a Stopklatka podstawa do graficznego przedstawienia sytuacji. Sekwencja zdarzeń po stop klatce: 1.czas 0s stopklatka 2, czas +2s pojawia się równia z h i α ; oś X i Y z opisem słownym 3, czas +2s pojawia się obraz ładunku-piasku z środkiem masy i masą m 4, czas +2s pojawia się tło 5, czas +2s pojawia się wektor siły Q ciągła linia 6. czas +2s pojawiają się wektory F i N składowe siły Q; Q przerywana linia; F + N =Q 7. czas +2s pojawiają się wektory T i R; F + N +T +R=0 29

30 Rys.1.3.1a.Efekt końcowy przejścia z obrazu rzeczywistego na grafikę ośy m R-siła reakcji h Siła tarcia- T F-składowa siły Q Siła nacisku N Q siła ciężkości α max Oś X F + N =Q F + N +T +R=0 Podpis do rys.1.3.1b Na piasek w pochyłej skrzyni ciężarówki działa siła ciężkości Q,, siła tarcia T i siła reakcji podłoża R. W wyniku podnoszenia skrzyni zwiększa się kąt α nachylenia powierzchni skrzyni względem poziomu. Zgodnie pierwszą zasadą dynamiki Newtona do momentu, gdy wypadkowa sił jest równa zero Q+T+R=0 ładunek się nie zsunie. Jednak, gdy przekroczony zostanie pewien kąt krytyczny α max, wpływ siły ciężkości przeważy nad siłą tarcia i nastąpi zsunięcie ładunku. Rysunek przedstawia wywrotkę w stanie krytycznym dla ładunku, czyli tuż przed zsunięciem klip Ruch obrotowy po równi. Film przedstawiający staczające się koło samochodowe ze zbocza. Ujęcie lekko pod kątem do osi. Koniec filmu stopklatka. Na stopklatkę nałożona grafika zarys równi i ciała oraz działające siły. Dwa zdania wyjaśniające. Przykład: Czas: 5-10s. 30

31 Rys Stopklatka koła- obraz podstawa do graficznego przedstawienia sytuacji. Sekwencja zdarzeń po stop klatce- idea identyczna jak w klipie 1,3,1 i zgodna z zasadami fizyki 1.czas 0s 2, czas +2s pojawia się równia z h i α oraz oś X i Y 3, czas +2s pojawia się obraz koła z środkiem masy m 4, czas+2s tło 5, czas +2s pojawia się wektor siły Q ciągła linia 6. czas +2s pojawiają się wektory F i N składowe siły Q; Q przerywana linia; F + N =Q 7. czas +2s pojawiają się wektory T i R; oraz F>T to F-T=ma 8. czas +2s pojawia si ę wektor a, V i ω Podpis pod grafiką 1.3.3: Koło się stacza się po zboczu (równi pochyłej), ponieważ składowa F siły ciężkości Q ściąga je na dół. Siła tarcia T przeciwdziała zsuwaniu się koła, ale jednocześnie ta sama siła tarcia powoduje obrót koła wokół osi. Podczas toczenia siła tarcia zapewnia, że powierzchnie równi i obracającego koła w punkcie styku nie przesuwają się względem siebie - nie ma poślizgu. W takim przypadku koło porusza się ruchem postępowym jednostajnie przyspieszonym i jednocześnie ruchem obrotowym jednostajnie przyspieszonym. Toczenie następuje przy spokojnej jeździe samochodem. Podczas gwałtownego przyspieszania (tzw. palenia gumy) lub hamowania mamy ruch z poślizgiem. 31

32 1.3.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia Ruch po równi pochyłej z tarciem. W celu wykonania badań ruchu na równi pochyłej należy: 1. Ustawić pożądany kąt równi, (odkręcić śrubę mocującą i po ustawieniu zablokować układ). 2. Ustawić kamerę tak, aby rejestrowała obraz całej równi. 3. Rozpocząć rejestrację. 4. Spokojnie położyć na szczycie równi badany obiekt i puścić. 5. Po zakończeniu ruchu zatrzymać rejestrację. Klasyczny pulpit do odtwarzania nagrań z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na tym poziomie na ekranie cały czas wyświetla się obraz z kamery. Po rejestracji ruchu, program przelicza parametry ruchu : siły, prędkości, przyspieszenia co umożliwi pokazanie ich wartości i wektorów w dowolnym miejscu i czasie ruchu. Idea działania jest taka sama jak jednak poszczególne wielkości fizyczne pojawiają się na żądanie i są rzeczywistymi wynikami obliczonymi dla aktualnej pozycji obiektu. W legendzie pojawiają się wartości rzeczywiste α,q,f,n,r,t,v,a. Wektory Q,F,N,R,T i ich wartości pojawiają się na odtwarzaczu i w legendzie 1 z chwilą zatrzymania obrazu w dowolnym czasie. Klawisze funkcyjne pozwalają na wyłączanie i włączanie poszczególnych grafik. W czasie ruchu obiektu pokazywana jest droga, prędkość i przyspieszenie. 1.3.b1. Okno odtwarzacza z grafiką. Legenda: Q= oś Y siła tarcia T s- droga R-siła reakcji podłoża a-przyspieszenie F-składowa Q wzdłuż równi V-prędkość Legenda1: α= 32 0 Q= F= N= R= T= V= a= oś X siła nacisku N Q- siła ciężkości α Q α,x,y Q F N T R a V 32

33 Opis funkcjonalny odtwarzacza funkcje dodatkowe: Pod przyciskami funkcyjnymi legenda2 opis przycisków. α, kąt równi; X,Y osie układu współrzędnych Q- siała ciężkości/siła nacisku; N,F składowe wektora Q; R- siła reakcji podłoża; T- siła tarcia; a-wektor przyspieszenia; V-wektor prędkości liniowej; 1.1.b2 Okno uwag: Uwaga: Z kamerą, piłką i klockiem należy postępować delikatnie. Po zakończeniu doświadczenia piłkę i klocek umieść w przeznaczonym miejscu.. 33

34 1.3.c Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów (N). Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 1.3. N. Poziom : Zadania dla uczniów N Czy z każdej ośnieżonej górki jest możliwy zjazd na sankach? Tak Nie wybór TAK. Niestety nie z każdej. Wykonaj doświadczenie: Ustaw równię poziomo. Połóż klocek na końcu równi. Delikatnie zwiększaj kąt równi do momentu kiedy klocek zacznie się zsuwać. (przejście do poziom menu Przebieg Doświadczenia) Na klocek działają siły tarcia, które dla małym nachyleniu równi powstrzymują ruch. Podobnie jest z sankami. Aby sanki zsunęły się z górki składowa siły ciężkości działająca wzdłuż zbocza (równi) musi być większa od siły tarcia. Dlatego dopiero przy odpowiednio dużym nachyleniu stoku można cieszyć się zjazdem. wybór NIE. Racja: nie z każdej. Wykonaj doświadczenie potwierdzające odpowiedź: Ustaw równię poziomo. Połóż klocek na końcu równi. Delikatnie zwiększaj kąt równi do momentu kiedy klocek zacznie się zsuwać. (przejście do poziom menu Przebieg Doświadczenia) Na klocek działają siły tarcia, które przy małym nachyleniu równi powstrzymują ruch. Podobnie jest z sankami. Aby sanki zsunęły się z górki, składowa siły ciężkości działająca wzdłuż zbocza (równi) musi być większa od siły tarcia. Dlatego dopiero przy odpowiednio dużym nachyleniu stoku można cieszyć się zjazdem N Czy, jeśli klocek położony na równię nie porusza się, to oznacza, że nie działają na niego żadne siły? Tak Nie wybór TAK. Jednak nie. Pierwsza Zasada Dynamiki Newtona mówi, że jeśli siły działające na ciało się równoważą to ciało nie porusza się lub porusza się ruchem jednostajnym. W doświadczeniu mamy nieruchomy klocek względem równi, na który działają trzy siły: siła ciężkości, tarcia i reakcji podłoża. Prawdą jest, że te siły się równoważą (wypadkowa siła jest równa zero) i dlatego klocek jest w spoczynku. wybór NIE. 34

35 Prawda. W doświadczeniu mamy nieruchomy klocek względem równi, na który działają trzy siły: siła ciężkości, tarcia i reakcji podłoża. Prawdą jest, że te siły się równoważą ( wypadkowa siła jest równa zero) i dlatego klocek jest w spoczynku N Czy zjeżdżając z góry rowerem bez pedałowania (na luzie) prędkość końcowa zależy od wysokości punktu startu? Tak Nie wybór TAK. Prawda. Im wyżej jest punkt startu tym większą energię potencjalną grawitacji posiadamy względem mety (podnóża góry). W czasie swobodnego zjazdu energia potencjalna zamienia się na energię kinetyczną, co wyraża się zwiększeniem prędkości. Dlatego prędkość końcowa jest tym większa, im wyżej znajduje się punkt startu. Uwaga: ta zależność jest prawdziwa tylko do chwili, gdy rosnące z prędkością opory powietrza nie zrównoważą składowej siły ciężkości. Warto sprawdzić odpowiedź: Ustaw równię pod kątem Ustaw klocek na szczycie równi i puść. Zarejestruj ruch i wyznacz prędkość końcową. Powtórz doświadczenie ustawiając klocek np. w połowie równi. (przejście do poziom menu Przebieg Doświadczenia) Wybór Nie Jednak prawda. Prędkość na końcu zjazdu zależy od wysokości startu. Im wyżej jest punkt startu tym większą energię potencjalną grawitacji posiadamy względem mety (podnóża góry). W czasie swobodnego zjazdu energia potencjalna zamienia się na energię kinetyczną co wyraża się zwiększeniem prędkości. Dlatego prędkość końcowa jest zwiększa się im wyżej startujemy. Uwaga: ta zależność jest prawdziwa tylko do chwili, gdy rosnące z prędkością opory powietrza nie zrównoważą składowej siły ciężkości. Doświadczenie sprawdzające : Ustaw równię pod kątem Ustaw klocek na szczycie równi i puść. Zarejestruj ruch i wyznacz prędkość końcową. Powtórz doświadczenie ustawiając klocek np. w połowie równi. (przejście do poziom menu Przebieg Doświadczenia) N Beczka o masie m stacza się z pochyłej rampy o wysokości h. Czy cała energia potencjalna zamieni się na energię kinetyczną ruchu postępowego? Tak Nie wybór TAK. Nie. Energia potencjalna E p =mgh zamieni się na końcu równi na energię ruchu postępowego E kp =mv 2 /2 i na energię ruchu obrotowego E ko. Dlatego energia potencjalna E p będzie zawsze większa od energii kinetycznej ruchu postępowego E kp. Oznacza to, że gh>v 2 /2. Rozumowanie jest prawdziwe dla wszystkich toczących się ciał. Przeprowadź doświadczenie: Ustaw piłkę tenisową na szczycie równi i puść. Zarejestruj ruch i wyznacz wysokość równi h oraz prędkość końcową V. Policz, czy dla g=10m/s 2 gh> V 2 /2. (przejście do poziom menu Przebieg Doświadczenia) 35

36 wybór NIE. Rzeczywiście cała energia potencjalna nie zamieni się na energię kinetyczną ruchu postępowego. Energia potencjalna E p =mgh zamieni się na końcu równi na energię ruchu postępowego E kp =mv 2 /2 i na energię ruchu obrotowego E ko. Dlatego energia potencjalna E p będzie zawsze większa od energii kinetycznej ruchu postępowego E kp. Oznacza to, że gh> V 2 /2. Rozumowanie jest prawdziwe dla wszystkich toczących się ciał. Przeprowadź doświadczenie: Ustaw piłkę tenisową na szczycie równi i puść. Zarejestruj ruch i wyznacz wysokość równi h oraz prędkość końcową V. Policz, czy dla g=10m/s 2 gh> V 2 /2 (przejście do poziom menu Przebieg Doświadczenia) 1.3. S. Poziom : Zadania dla studentów Zadanie S Wyznaczenie współczynnika tarcia statycznego za pomocą równi pochyłej. Wykonaj i zarejestruj doświadczenie: Ustaw równię poziomo. Połóż klocek na końcu równi. Delikatnie zwiększaj kąt równi do momentu kiedy klocek zacznie się zsuwać. Odczytaj kąt i oblicz współczynnik tarcia statycznego. Wykonanie: (skrót do Przebieg badań.) (? pomoc) - W każdym momencie na ładunek działa siła ciężkości Q=mg. Ten wektor można zastąpić dwoma wzajemnie prostopadłymi wektorami: siłą nacisku ładunku na powierzchnię równi N=Q cosα i siłą działającą wzdłuż powierzchni równi F= Q sinα. Ładunek się nie zsunie dopóki siła tarcia T będzie równoważyła siłę F. Podczas zwiększania kąta nachylenia α wzrasta siła F i równocześnie siła tarcia T. Tak się dzieje do momentu, gdy siła tarcia osiągnie swoją maksymalną wartość T max. =µ N, gdzie - µ to współczynnik tarcia statycznego, N- siła nacisku na powierzchnię trącą. W tym krytycznym stanie T max. =F, czyli µn = µq cosα max = Q sinα max. Z tego równania można wyznaczyć współczynnik tarcia statycznego znając wartość największego kąta równi, przy którym ładunek jeszcze się nie zsuwa. Zadanie S Dynamika ruchu postępowego na równi. 1. Wykonaj i zarejestruj ruch klocka K o masie m po równi pochyłej o kącie nachylenia α=45 o. Wykonanie: (skrót do Przebieg badań.) 2.Zmierz czas ruchu wykorzystując nagranie i drogę ruchu (miarką) oraz wyznacz przyspieszenie ruchu po równi. (? pomoc) Droga w ruchu jednostajnie przyspieszonym, przy prędkości początkowej równej zero wynosi: S(t)= at 2 /2. (skrót do Przebieg badań.) 3.Oblicz składową siły ciężkości Q działającą wzdłuż równi F i składową do niej prostopadłą N. (? pomoc). Wykorzystaj opcje programu lub funkcję sinα i cosα. 4.Oblicz przyspieszenie ruchu wzdłuż równi i porównaj do wartości doświadczalnej-pkt.2. Co może oznaczać, że wartości przyspieszeń są różne? (? pomoc) 36

37 Trzeba pamiętać, że pomiary wykonane są z pewną dokładnością. Niepewność pomiaru i błędy są przyczyną różnic między wartością zmierzoną a teoretyczną. 5.Zmierz zmianę wysokości, jaką pokonuje klocek K i oblicz prędkość końcową V k klocka (tuż przed uderzeniem w ogranicznik). Porównaj wynik z rzeczywistym pomiarem i oblicz energię straconą podczas ruchu oraz siłę tarcia. (? pomoc) W idealnym przypadku, gdy tarcie nie występuje, można zastosować prawo zachowania energii mechanicznej podczas ruchu. Oznacza to, że energia całkowita E c, czyli suma energii kinetycznej E k i potencjalnej E p podczas ruchu nie zmienia się. Podczas ruchu klocka energia potencjalna E p zamienia się w energię kinetyczną E k. W chwili startu energia całkowita jest równa energii potencjalnej E c =E p =mgh, gdzie: m- masa obiektu, g-przyspieszenie ziemskie; h-zmiana wysokości klocka podczas ruchu. Na końcu równi cała energia potencjalna zamieniła się na energię kinetyczną: E c = E k =mv 2 /2. Dlatego można napisać: E c =mv 2 /2=mgh. W przypadku ruchu z tarciem, siła tarcia wykonuje pracę i ta energia jest stracona. Dlatego w bilansie energii musi się pojawić czynnik W=Ts, gdzie s droga, na której działa stała siła tarcia T. Na szczycie równi mamy : E c =E p =mgh Natomiast na końcu równi W+E k = Ts+ mv 2 /2. Dlatego tym razem bilans energii ma postać: Ts+ mv 2 /2=mgh. Zadanie S Dynamika ruchu obrotowego na równi. 1.Zarejestruj ruch piłki tenisowej o masie m po równi pochyłej o kącie nachylenia α=30 o. Wykonanie: (skrót do Przebieg badań.) 2.Zmierz czas ruchu (nagranie) i drogę ruchu (miarka) oraz wyznacz przyspieszenie toczącej się piłki po równi. (? pomoc) Droga w ruchu jednostajnie przyspieszonym, przy prędkości początkowej równej zero wynosi: S(t)= at 2 /2. 3.Oblicz składową siły ciężkości Q działającą wzdłuż równi F i wyznacz wartość siły tarcia T. (? pomoc). Wykorzystaj opcje programu lub funkcję sin α, wartość przyspieszenia a i następnie wykorzystaj II zasadę dynamiki dla ruchu wzdłuż równi. 4.Wyznacz prędkość końcową ruchu postępowego piłki oraz oblicz prędkość kątową ruchu obrotowego w tym momencie. (? pomoc) Wykorzystaj opcje programu oraz fakt, że przy toczeniu prędkość liniowa V punktów piłki dotykających równi (na obwodzie) jest równa prędkości liniowej środka masy piłki V. Jeśli zmierzysz promień piłki R to można wykorzystać wzór: V=ωR. 5.Oblicz energię kinetyczną ruchu postępowego i obrotowego piłki na końcu równi. Czy całkowita energia kinetyczna jest równa zmianie energii potencjalnej? (? pomoc). Wykorzystaj opcje programu. Jeśli energia kinetyczna nie będzie równa zmianie energii potencjalnej to nie oznacza, że zasada zachowania energii nie działa. Trzeba pamiętać o ograniczonej dokładności pomiarów. 37

38 1.4 Ruch po okręgu Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji 0/ Menu zerowe Równia pochyła Ruch po okręgu Wahadło matematyczne a/ Menu główne: Równia pochyla Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania Ruch po okręgu Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania Wahadło matematyczne Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Opis 1 Przebieg Doświadczenia opis dziłań Zadania Zadanie 1 Opis 2 Zadanie 3 Zadanie n Uwagi bezpieczeństwa Uwagi bezpieczeństwa c/ Trzeci poziom Menu podpowiedz dla studentów odpowiedz na TAK lub NIE dla uczniów 38

39 1.4.a Menu główne Ruch po okręgu Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania Założenie: Ćwiczenie polega na rejestracji kamerą doświadczenia 1.4.a1 Drugi poziom menu: Informacje ogólne Ruchem jednostajnym po okręgu poruszają się mikroobiekty (np. elektrony), duże obiekty (np. koła zegarów) i obiekty w skali makro (np. planety). Przyczyną takiego ruchu zawsze jest działanie stałej siły prostopadłej do prędkości ciała. Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów ; i z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji klip Satelita komunikacyjny na orbicie geostacjonarnej. Animacja przedstawiający satelitę na orbicie geostacjonarnej. Na obrazie grafika sił i prędkości w ciągłym ruchu. Dwa zdania wyjaśniające. Założenia dla animacji 1.4.1: 1.Plan ogólny: rzut na Ziemię z osi obrotu-zdjęcie z kosmosu północnej półkuli. 2.Satelita w odległości proporcjonalnej do promienia Ziemi-orbita. Rozmiar satelitywidoczny bez konieczności zachowywania skali. 3.Satelita obraca się wokół Ziemi. Ziemia obraca się z tą sama prędkością kątową np. 1obrót w ciągu 5-7s. Od strony satelity na powierzchni Ziemi czasza anteny TV. 4.idoczne wektory sił do Satelity i Ziemi oraz prędkości satelity. Przykład filmu: Czas trwania pełnego obiegu satelity: ok.10s Czas trwania całości: powtarzalna sekwencja do momentu wyłączenia Odtwarzacz. Szkic. Satelita geostacjonarny. R Satelita-Ziemia F Siła grawitacji 39

40 Opis do rys Orbita geostacjonarna to orbita okołoziemska, która zapewnia krążącemu po niej satelicie zachowanie stałej pozycji nad wybranym punktem równika Ziemi. Orbita geostacjonarna jest orbitą kołową zawartą w płaszczyźnie równika. Przebiega na wysokości R Z-S = km od środka Ziemi. Prędkość ciała na orbicie geostacjonarnej wynosi około V=3,08 km/s, a czas okrążenia przez niego Ziemi jest równy 23 godziny 56 minut i 4 sekundy, czyli dokładnie tyle, ile trwa doba gwiazdowa klip Wiadro z wodą w ruchu po okręgu. Film/klip przedstawiający (widok z góry) poruszające się po okręgu wiadro z wodą na lince. Na obrazie grafika sił i prędkości w ciągłym ruchu. Dwa zdania wyjaśniające. Przyspieszenie a F d siła dośrodkowa V -prędkość Podpis rys a punkt widzenia obserwatora w laboratorium: Z punktu widzenia obserwatora patrzącego z boku na zdarzenie (układ laboratoryjny) operator za pomocą linki przyciąga siłą F r do siebie wiadro. Jest to siła dośrodkowa. W tym doświadczeniu wektor siły dośrodkowej jest prostopadły do prędkości, dlatego wiadro porusza się ruchem jednostajnym po okręgu. Oznacza to, że wartość prędkości V jest stała (nie zmienia się) natomiast jej kierunek ciągle się zmienia pod wpływem siły F r. Zgodnie z drugą zasadą dynamiki, ponieważ działa siła F r to wiadro o masie m jest przyspieszane przyspieszeniem dośrodkowym a r. 40

41 1.4.b Drugi poziom menu: Przebieg Doświadczenia Ruch po okręgu. W celu wykonania badań ruchu po kręgu należy: 1.Za pomocą przycisku w oknie Sterowanie silnikiem włączyć silnik napędzający zamocowaną na ramieniu kulkę. 2.Ustawić pożądaną prędkość obrotową np. 1obr/s. 3.Ustawić kamerę tak, aby rejestrowała obraz całego zjawiska. 4.Rozpocząć rejestrację, a po kilkunastu sekundach zakończyć rejestrację. 5.Wyznacz siłę dośrodkową, prędkość kątową. Klasyczny pulpit do odtwarzania nagrań z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na tym poziomie ekranu cały czas wyświetla się obraz równi. Po rejestracji ruchu, program przelicza parametry ruchu : siły, prędkość, przyspieszenie, co umożliwi ich pokazanie w dowolnym miejscu i czasie ruchu. Idea działania jest taka sama jak 1.3.1, jednak poszczególne wielkości fizyczne pojawiają się na żądanie i są rzeczywistymi wynikami obliczonymi dla aktualnej pozycji obiektu. W legendzie 1 pojawiają się wartości rzeczywiste F r,r,v,a r a na odtwarzaczu odpowiednie wektory. Klawisze funkcyjne pozwalają na wyłączanie i włączanie poszczególnych grafik. 1.4.b1: Odtwarzacz nagrania: Szkic rzeczywistego układu z grafiką. Legenda: Q= F r - siła dośrodkowa Legenda1: r= m= F r = a r = v= przyspieszenie dośrodkowe a r Q V - prędkość liniowa F r r a r V 41

42 Opis funkcjonalny odtwarzacza funkcje dodatkowe: Pod przyciskami funkcyjnymi legenda opis przycisków. F r - siła dośrodkowa; r- promień działania siły tarcia; a r -wektor przyspieszenia dośrodkowego; V-wektor prędkości liniowej; Naciśnięcie przycisku powoduje pojawienie się odpowiedniego wektora/informacji. W oknie legendy wewnętrznym pojawiają się wartości odpowiednich wielkości. 1.4.b2.Sterowanie prędkością ruchu program sterujący. D-IV.1.3;4;5 Silnik krokowy jest sterowany przez interfejs. Program powinien w oknie dialogowym umożliwić włączenie silnika oraz ustawianie prędkości obrotowej układu (np.suwak, lub przyciski) w zakresie 4 do 0,25 obr/s z jednoczesnym wyświetlaniem aktualnej wartości prędkości. Ponadto program powinien automatycznie wyłączać silnik po czasie np. 1 minuty. Rys.1.4.b2 Okno sterowania silnikiem napędzającym układ. Włącznik Prędkość obrotowa 3.4 obr/s 1.4.b2 Okno uwag: Uwaga: Z kamerą i układem postępować delikatnie. 42

43 1.4.c Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników. Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 1.4. N. Poziom : Zadania dla uczniów N Dwa satelity krążą po różnych orbitach kołowych wokół Ziemi. Czy satelita krążący na niższej orbicie porusza się szybciej od tego poruszającego się na wyższej orbicie? Tak Nie wybór TAK. Tak. Zmniejszenie promienia orbity spowoduje zwiększenie przyczyny ruchu, czyli siły dośrodkowej (siły grawitacji). Należy spodziewać, że żeby utrzymać się na niższej orbicie kołowej satelita musi mieć większą prędkość. wybór NIE. Zmniejszenie promienia orbity spowoduje zwiększenie przyczyny ruchu, czyli siły dośrodkowej (siły grawitacji).należy spodziewać, że żeby utrzymać się na niższej orbicie kołowej satelita musi mieć większą prędkość N Czy, jeśli stwierdzimy, że siła powodująca ruch jest stała i działa zawsze prostopadle do prędkości, to ciało porusza się po okręgu? Tak Nie wybór TAK. Tak, jeśli wektor siły i prędkości leżą na tej samej płaszczyźnie. Warto sprawdzić, czy ruch kulki w naszym doświadczeniu jest jednostajny. Wykonaj doświadczenie i zobacz jakie parametry opisują ruch tej kuli. Sprawdź, czy prędkość w kilku punktach toru ma taka samą wartość. (przejście do poziom menu Przebieg Doświadczenia) wybór NIE. Jednak to prawda. Jeśli masz wątpliwości, czy ruch kulki w naszym doświadczeniu jest jednostajny, wykonaj doświadczenie i zobacz jakie parametry opisują ruch tej kuli. Sprawdź, czy prędkość w kilku punktach toru ma taka samą wartość. (przejście do poziom menu Przebieg Doświadczenia) N Czy, gdy zwiększymy prędkość obrotową w ruchu po okręgu to siła bezwładności działająca na poruszające ciało się zmniejszy? Tak Nie wybór TAK. Odpowiedź nie jest dobra. Siła odśrodkowa bezwładności jest proporcjonalna do prędkości podniesionej do kwadratu F o ( V 2 ).Dlatego siła wciskająca nas w fotel na karuzeli szybko rośnie z prędkością. 43

44 Wybór Nie Rzeczywiście, gdy prędkość rośnie siła bezwładności rośnie. Siła odśrodkowa bezwładności jest proporcjonalna do prędkości podniesionej do kwadratu F o ( V 2 ). Dlatego siła bezwładności wciskająca nas w fotel na karuzeli szybko rośnie z prędkością S. Poziom : Zadania dla studentów Zadanie S Weryfikacja hipotezy o ruchu po okręgu. Z prostej analizy wynika, że na kulkę zawsze działa siła ciężkości. W ruchu po okręgu w płaszczyźnie pionowej siła ciężkości powinna spowodować, że ruch nie powinien być jednostajny. Sprawdź hipotezę, że w mimo to w tym doświadczeniu wpływ siły ciężkości jest pomijalny. Dokładność wyznaczenia prędkości, czyli niepewność pomiaru wynosi V/V=4%. Wykonanie: (skrót do Przebieg badań.) (? pomoc) Trzeba wyznaczyć wartości prędkości w kilku punktach toru V i (np. i=1,2,3 8) i wyliczyć średnią wartość V. Następnie i ocenić, czy wyznaczone prędkości V i w zakresie określonym przez niepewność pomiaru: (V - V< V i <V+ V) Zadanie S Wyznaczenie parametrów ruchu po okręgu. Wykonaj i zarejestruj doświadczenie: Dla prędkości obrotowej 2obr/s wyznacz prędkość liniową i wartość siły dośrodkowej przy dwóch różnych długościach promienia wodzącego. Np. R 1 =8cm i R 2 =16cm. Wykonanie: (skrót do Przebieg badań.) (? pomoc) Siłę bezwładności w ruchu po okręgu obliczamy: F b =mv 2 /R. Zadanie S Prędkość kątowa. Wykonaj i zarejestruj doświadczenie: Przy stałym promieniu R dla prędkości obrotowych 1, 2 i 4 obr/s wyznacz prędkość liniową, prędkość kątową i wartość siły odśrodkowej. Czy zmierzona wartość ω jest równa oczekiwanej. Wykonanie: (skrót do Przebieg badań.) (? pomoc) V=ωR 44

45 1.5. Ruch harmoniczny. Wahadło matematyczne. Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji 0/ Menu zerowe Równia pochyła Ruch po okręgu Wahadło matematyczne a/ Menu główne: Ruch po okręgu Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania Wahadło matematyczne Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania Równia pochyła Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Opis 1 Przebieg Doświadczenia opis dziłań Zadania Zadanie 1 Opis 2 Zadanie 3 Zadanie n c/ Trzeci poziom Menu Uwagi bezpieczeństwa Uwagi bezpieczeństwa podpowiedź dla studentów odpowiedź na TAK lub NIE dla uczniów 45

46 1.5. Menu główne Wahadło matematyczne Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania i wnioski Założenie: Ćwiczenie polega na rejestracji kamerą doświadczenia 1.5.b1 Drugi poziom menu: Informacje ogólne Często obserwujemy ruch "tam i z powrotem". W taki sposób porusza się np. wahadło, drgający most, drgające atomy i elektrony w wielu obwodach elektrycznych. W wielu przypadkach jest to ruch harmoniczny, w którym zawsze występuje siła proporcjonalna do odchylenia. Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów ; i z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji klip Wahadło Foucaulta na PG. Film/klip przedstawiający wahadło Foucaulta na PG. Ujęcie ogólne całości i przejście do zbliżenia wahadła. Po 20 sekundach grafika siły ciężkości wraz z rozkładem na składowe oraz siła naprężenia linki. Uwaga: składowa pozioma Q ulega ciągłej zmianie. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Czas trwania filmu: minimum 40s Wahadło Foucaulta na PG: Stop klatka wraz z grafiką. N F Q Podpis pod rysunkiem. Wahadło Foucaulta, czyli duża masa podwieszona na długiej lince i wytrącona z położenia równowagi porusza się ruchem drgającym - harmonicznym. Wypadkowa siły ciężkości Q i siły 46

47 N naprężającej linkę, siła F jest przyczyną ruchu wahadłowego. Jej wartość jest proporcjonalna do wychylenia wahadła. Uwaga: Na wahadło działają jeszcze inne niewielkie siły bezwładności. Istnienie jednej z nich jest dowodem na obracanie się Ziemi... ale to już inna historia klip Ruch harmoniczny tłumiony. Film/klip do 15 sekund przedstawiający ruch tłumiony spławika na wodzie. Powtórzenie filmu tylko w zwolnionym tempie i na nim nałożona grafika oś X, siły ciężkości Q, wyporu W oraz mniejszy wektor siły oporu T. Uwaga: siła wyporu ulega ciągłej zmianie. Zmiany siły tarcia w idei takie same jak składowej W. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Czas trwania filmu: ok. 15s.Powtórzenie w zwolnionym tempie ok.30s. Dalej to powtórzenia sekwencji Szkic grafiki spławika T W F=Q+W Q Podpis Pływające w wodzie ciała mogą drgać. Wystarczy zwiększyć ich zanurzenie i puścić. Na ciało będzie działała siła ciężkości Q i siła wyporu W. Wypadkowa tych sił F=Q+W powoduje ruch drgający harmoniczny. Jednak z powodu występowania dużych sił tarcia T ruch jest silnie tłumiony i po pewnym czasie drganie zanika. Siła tarcia (oporu powietrza lub wody) zleży od prędkości obiektu. W wielu przypadkach taki ruch można nazwać ruchem harmonicznym tłumionym. 47

48 1.5.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia Ruch harmoniczny wahadła matematycznego. W celu wykonania badań ruchu wahadła należy: 1. Ustawić kamerę tak, aby rejestrowała ruch kulki wahadła. 2. Odchylić kulkę od położenia równowagi o około 5 cm i puścić. 3. Rozpocząć rejestrację. 4. Po 15 sekundach zakończyć rejestrację. Klasyczny pulpit do odtwarzania nagrań z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na tym poziomie ekranu cały czas wyświetla się obraz wahadła. Po rejestracji ruchu, program przelicza parametry ruchu: siły, prędkości, przyspieszenie co umożliwi pokazanie ich wartości i wektorów w dowolnym miejscu i czasie ruchu. Idea działania jest taka sama jak jednak poszczególne wielkości fizyczne pojawiają się na żądanie i są rzeczywistymi wynikami obliczonymi dla aktualnej pozycji obiektu a.Odtwarzacz : Szkic rzeczywistej sytuacji wraz z grafiką. Legenda: Q= N-siła naciągu Legenda 1: Q= N= F= x= V= a= L= wypadkowa sił F x wychylenie Q Q-siła ciężkości Q F N L x a V 48

49 Opis funkcjonalny odtwarzacza funkcje dodatkowe: Pod przyciskami funkcyjnymi legenda 2 opis przycisków. Q- siła ciężkości N-siła naprężenia linki F wypadkowa siły Q i N x-wychylenie L- długość wahadła a -wektor przyspieszenia V-wektor prędkości liniowej Naciśnięcie przycisku powoduje pojawienie się odpowiedniego wektora/informacji, a w oknie legendy wewnętrznym wartości odpowiednich wielkości b Okno uwag: Uwaga: Z kamerą i wahadłem należy postępować delikatnie. 49

50 1.5.c Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów (N). Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 1.5. N. Poziom : Zadania dla uczniów N Czy serce wykonuje ruch drgający harmoniczny? Tak Nie wybór TAK. Nie. Owszem serce drga z częstotliwością około 1Hz jednak nie jest to ruch harmoniczny. wybór NIE Prawdą jest, że serce drga z częstotliwością około 1Hz jednak nie jest to ruch harmoniczny N Czy mały ciężarek wiszący na lince można wprawić w ruch drgający - harmoniczny? Tak Nie wybór TAK. Tak. Pod warunkiem, że będzie on drgał z małą amplitudą, czyli zostanie wychylony o niewielki kąt. Dla pewności wykonaj doświadczenie: Zarejestruj ruch kulki wahadła i zobacz czy siła działająca na kulkę zależy od wychylenia wahadła. Wyznacz okres i częstotliwość drgań. (przejście do poziom menu Przebieg Doświadczenia) wybór NIE Jednak można. Pod warunkiem, że będzie on drgał z małą amplitudą, czyli zostanie wychylony o niewielki kąt. Dla pewności wykonaj doświadczenie: Zarejestruj ruch kulki wahadła i zobacz czy siła działająca na kulkę zależy od wychylenia wahadła. Wyznacz okres i częstotliwość drgań. (przejście do poziom menu Przebieg Doświadczenia) N Czy prędkość ruchu drgającego jest stała? Tak Nie wybór TAK. To nie jest dobra odpowiedź. W ruchu drgającym prędkość zmienia wartość i kierunek. Aby zobaczyć jak się zmienia V wykonaj doświadczenie: Zarejestruj ruch kulki i zobacz, czy siła zależy od odchylenia wahadła. (przejście do poziom menu Przebieg Doświadczenia) 50

51 wybór NIE Dobra odpowiedź. W ruchu drgającym prędkość zmienia wartość i kierunek. Aby zobaczyć jak się zmienia V wykonaj doświadczenie: Zarejestruj ruch kulki i zobacz, czy siła zależy od odchylenia wahadła. (przejście do poziom menu Przebieg Doświadczenia) 1.5. S. Poziom : Zadania dla studentów S Okres drgań. Przy stałej długości wahadła wyznacz wartość okresu drgań dla trzech kątów wychylenia układu: około 5 o, 30 o 80 o. Czy zmierzona wartość T jest równa oczekiwanej. Wykonanie: (skrót do Przebieg badań.) (? pomoc) Oczekiwana wartość to T wyliczona dla wahadła matematycznego S Przyspieszenie i prędkość. Sprawdzić, czy maksymalna prędkość ruchu spełnia równanie V max =Aω. Wyznacz przyspieszenie maksymalne i siły działające na kulkę, gdy posiada ona prędkość maksymalną. Wykonanie: (skrót do Przebieg badań.) (? pomoc) Opis ruchu harmonicznego - równanie ruchu to: x: X(t)= A sin(ωt+ϕ) X: V(t)= Aω cos(ωt+ϕ) X: a(t)= -Aω 2 sin(ωt+ϕ) Trzeba wyznaczyć T i A oraz... pamiętać, że parametry ruchu wyznaczone są z ograniczoną dokładnością. Względna niepewność pomiaru to V/V=5%, A/A=3% i T/T=2% S Zależność okresu od długości. Wyznacz parametry ruchu układu wahadła dla dwóch długości wahadła: l 1 =15cm i l 2 =30cm i stałej amplitudy A=5cm. Sprawdź, czy nastąpiła oczekiwana zmiana okresu i częstotliwości drgań. Wykonanie: (skrót do Przebieg badań.) (? pomoc) Oczekiwana wartość to T wyliczona dla wahadła matematycznego. X: X(t)= A sin(ωt+ϕ) X: V(t)= Aω cos(ωt+ϕ) X: a(t)= -Aω 2 sin(ωt+ϕ) Między obliczonym okresem ruchu a zmierzoną wartością może być różnica ponieważ parametry ruchu wyznaczone są z ograniczoną dokładnością. Względna niepewność pomiaru to V/V=5%, A/A=3% i T/T=2% S Czy ruch jednostajny po okręgu ma coś wspólnego z ruchem harmonicznym? Spróbuj zsynchronizować (np. zmieniając prędkość obrotową) ruch wahadła i ruch kulki po okręgu tak aby skrajne położenia w lewo i w prawo oba obiekty osiągały w tym samym czasie. Czy można zaryzykować stwierdzenie, że patrząc na obracającą się kulkę w płaszczyźnie ruchu widzimy ruch...harmoniczny? 51

52 1.6. Zderzenie praw fizyki. Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji a/ Menu główne: Zderzenie praw fizyki Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Opis 1 Przebieg Doświadczenia opis dziłań Zadania Zadanie 1 Opis 2 Zadanie 3 Zadanie n c/ Trzeci poziom Menu Uwagi bezpieczeństwa Uwagi bezpieczeństwa podpowiedz dla studentów odpowiedz na TAK lub NIE dla uczniów 52

53 1.6. Główne menu strony Zderzenie praw fizyki Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania 1.6.a Drugi poziom menu: Informacje ogólne Rzut kamienieniem to rzut ukośny w polu ciężkości Ziemi. Upadek kamienia w piasek to przypadek zderzenia niesprężystego, w którym cała energia kinetyczna kamienia zamienia się na ciepło lub na zerwanie wiązań między atomami. Piłka odbijająca się od ściany to zderzenie sprężyste. We wszystkich przypadkach można opisać ruch wykorzystując podstawowe prawa fizyki: prawo zachowania pędu i energii oraz zasady dynamiki. Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów ; i z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji klip Rzut ukośny. Klip/film przedstawiający rzut do kosza. Tuż przed wpadnięciem do kosza stopklatka. Na stopklatce nałożona piłka tuż przed wyrzutem i piłka w najwyższym punkcie lotu. Na stopklatce grafika prędkości osi XY, V 0, α, V cosα, V k i g. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Czas trwania filmu:15s jedna sekwencja i stopklatka. Rys Rzut do kosza. Stopklatka z grafiką. Y V 0 sinα V 0 V 0 cosα X 53

54 Podpis do rys Piłka rzucona do kosza z prędkością V 0 porusza się ruchem jednostajnym poziomo z prędkością V 0 cosα i ruchem przyspieszonym pod wpływem siły ciężkości z prędkością początkową V 0 sinα. Można powiedzieć, że piłka porusza się ruchem jednostajnym w poziomie oraz ruchem jednostajnie przyspieszonym w pionie. W efekcie piłka porusza się po paraboli i dobrze rzucona często trafia do kosza klip Prawo zachowania pędu. Klip 10 sekundowy przedstawiający centralne zderzenie kul bilardowych. Po zakończeniu filmu na ekranie podzielonym na pół jedno ujęcie/stopklatka przed zderzeniem a na drugim po zderzeniu. Nałożona grafika masy i prędkości przed i po. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Czas trwania filmu:8-10s. Następnie dwie stopklatki Odtwarzacz: grafika końcowa. Przed zderzeniem M 1 M 2 V 1 V 2 =0 V 1 Po zderzeniu M 1 M 2 V 1po =0 V 2po V 2po P całk. = P 1 + P 2 = = M 1 V 1 + M 2 V 2 = = M 1 V 1 P całk.po = P 1po + P 2po = = M 1 V 1po + M 2 V 2po = = M 2 V 2po Rys Stopklatki dla zderzenia kul. Podpis do rys Kule bilardowe zderzają się sprężyście. Przy takim zderzeniu całkowita energia układu E całk i pęd P całk. nie zmieniają się. Mówimy, że całkowity pęd i energia są zachowane. W zderzeniu centralnym kule przed i po poruszają się w tym samym kierunku. Jeśli kule bilardowe mają tą samą masę, czyli M 1 =M 2 =M, kula nr 1 straci pęd p 1 = MV 1 i zatrzymuje się, natomiast kula nr 2 po zderzeniu pęd zyskuje p 2po =MV 1. Także energia kinetyczna pierwszej kuli po zderzeniu przekazywana jest drugiej. Prawo zachowania energii i pędu działa! 54

55 1.6.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia Zderzenie praw fizyki. Doświadczenie polega na obserwacji zderzenia dwóch kul oraz rzutu poziomego kuli w polu ciężkości. 0. Wstaw kulę o masie m 2 =0,5kg w miejsce zderzenia Z. 1. Odchyl kulę o masie m 1 =0,5kg na wysokość h=25 cm. 2. Puść kulę i obserwuj zdarzenia. Zmierz odległość upadku kuli D. 3. Powtórz doświadczenie mocniej odchylając kulę np. h=50cm. Klasyczny pulpit do odtwarzania nagrań z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia. Na film za pomocą przycisków funkcyjnych można nałożyć grafikę. Na tym poziomie menu jest: film 25 sek. Pokazujący umieszczanie kuli 1, odchylanie kuli 2, puszczenie, zderzenie, rzut i upadek. Stopklatka po upadku. Grafika pokazująca oś XY, miejsce zderzenia, kule M 1, M 2, prędkość V, odległość D. Rys a Odtwarzacz. Szkic ekranu ze stopklatką i grafiką. siła naciągu N Y g-przyspieszenie ziemskie h Z V o - prędkość początkowa rzutu Q 1 = M 1 g H Q =M 2 g X 0 zasięg rzutu D X,Y, h,h, M 1,M 2 g Q 1 Q 2 D V 55

56 Opis funkcjonalny odtwarzacza funkcje dodatkowe: Pod przyciskami funkcyjnymi legenda opis przycisków. M 1, M 2 masy kul; XY- osie układu współrzędnych; Q 1,Q 2 siły ciężkości; h- wysokość podniesienia kuli M 1 ; H - wysokość rzutu poziomego; D- zasięg rzutu poziomego kuli M 2 ; g -wektor przyspieszenia ziemskiego; V-wektor prędkości po zderzeniu ; 1.6.1a Okno uwag: Uwaga: Z kulami obchodzić się ostrożnie. 56

57 1.6.c Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów (N). Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 1.6. N. Poziom : Zadania dla uczniów N Czy prędkość spadającej kuli zależy od wysokości, z której spada? Tak Nie wybór TAK. Tak. Energia potencjalna kuli E p = mgh podczas spadku zamienia się na energię kinetyczną E k =mv 2 /2. Większa wysokość h, to większa energia potencjalna, większa energia kinetyczna i większa prędkość. Sprawdź to rozumowanie wykonując doświadczenie zderzenia kul dla dwóch różnych wysokości początkowych np. dla h 1 =5cm i h 2 =25cm. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Jednak tak. Energia potencjalna kuli E p = mgh podczas spadku zamienia się na energię kinetyczną E k =mv 2 /2. Większa wysokość h to większa energia potencjalna, większa energia kinetyczna i większa prędkość. Sprawdź to rozumowanie wykonując doświadczenie zderzenia kul dla dwóch różnych wysokości początkowych np. dla h 1 =5cm i h 2 =25cm. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) N Czy w doświadczeniu ze zderzanymi kulami prędkość kuli po uderzeniu zależy od jej masy? Tak Nie wybór TAK. Odpowiedź prawidłowa. Prędkość kuli po uderzeniu zależy od jej masy. Można to udowodnić wykonując doświadczenie zderzenia kuli odchylonej do wysokości h=20cm z kulami o masach m 1 =0,5kg raz następnie powtórzyć doświadczenie dla m 2 =0,2kg. Zobacz, czy kula mniejsza upadnie dalej od kuli większej? (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Jednak tak. Prędkość kuli po uderzeniu zależy od jej masy. Można to udowodnić wykonując doświadczenie zderzenia kuli odchylonej do wysokości h=20cm z kulami o masach m 1 =0,5kg 57

58 raz następnie powtórzyć doświadczenie dlam 2 =0,2kg. Zobacz, czy kula mniejsza upadnie dalej od kuli większej? (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) N W zderzeniu centralnym uczestniczą dwie kule o różnych masach m 1 i m 2. Kula m 2 jest w spoczynku. Czy w tym zderzeniu całą energię kinetyczną i pęd kuli m 1 uzyska po zderzeniu kula m 2? Tak Nie wybór TAK. Nie! Tylko gdy masy kul są takie same nastąpi, zgodnie z prawem zachowania energii i pędu przekazania całości energii i pędu. Warto to sprawdzić wykonując doświadczenie, zderzenia kuli odchylonej do wysokości h=20cm z kulą o masie m 1 =0,5kg, a z następnie powtórzyć doświadczenie dla m 2 =0,2kg. Zobacz, czy dla przypadku gdy m 1 =m 2 kula uderzająca zatrzyma się i czy w przypadku różnych mas kula m 1 po zderzeniu ma energię. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Nie. Tylko, gdy masy kul są takie same nastąpi, zgodnie z prawem zachowania energii i pędu przekazanie całości energii i pędu. Warto to sprawdzić wykonując doświadczenie, zderzenia kuli odchylonej do wysokości h=20cm z kulą o masie m 1 =0,5kg, a następnie powtórzyć doświadczenie dla m 2 =0,2kg. Zobacz, czy dla przypadku gdy m 1 =m 2 kula uderzająca zatrzyma się i czy w przypadku różnych mas kula m 1 po zderzeniu ma energię. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) S. Poziom : Zadania dla studentów Zadanie S Prawo zachowania energii i pędu. Zbadaj, czy w układzie dwóch kul energia i pęd podczas zderzenia nie ulega zmianie. W tym celu wyznacz wysokość i zasięg rzutu kuli m 2 przy parametrach doświadczenia: m 1 =0,5kg, m 2 =0,5kg, h=20cm. Wykonanie: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Z zasięgu rzutu poziomego z wysokości H można obliczyć prędkość początkową rzutu V 02. Z wysokości "spadku" h można wyznaczyć prędkość kuli m 1 tuż przed zderzeniem V 01. Porównaj obie prędkości. Uwaga: pomiary wykonana są z pewną dokładnością. Zadanie S Prawo zachowania energii. Wyznacz energię i pęd przed i po zderzeniu dla zderzenia kul o różnych masach. W tym celu wyznacz wysokość i zasięg rzutu kuli m 2 przy parametrach doświadczenia: m 1 =0,5kg, h=20cm dla m 2 =0,2kg. Sprawdź czy pęd i energia w tym zderzeniu zostały zachowane. Wykonanie: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - 58

59 Z zasięgu rzutu poziomego z wysokości H można obliczyć prędkość początkową rzutu V 02. Z wysokości spadku h można wyznaczyć prędkość kuli m 1 tuż przed zderzeniem V 01. Porównaj pędy i energie przed i po zderzeniu. Uwaga: pomiary wykonana są z pewną dokładnością. Zadanie S Wyznacz czas rzutu i prędkość początkową rzutu poziomego na podstawie badań parametrów rzutu. W tym celu wyznacz wysokość i zasięg rzutu kuli przy parametrach doświadczenia: m 1 =0,5kg, h=20cm dla m 2 =0,2kg. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Z wysokości spadku swobodnego H można obliczyć czas rzutu. Z zależności zasięgu od czasu wyznaczyć można prędkość początkową. 59

60 1.7. Niszczący rezonans. Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji a/ Menu główne: Niszczący rezonans Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Opis 1 Przebieg Doświadczenia opis dziłań Zadania Zadanie 1 Opis 2 Zadanie 3 Zadanie n c/ Trzeci poziom Menu Uwagi bezpieczeństwa Uwagi bezpieczeństwa podpowiedz dla studentów odpowiedz na TAK lub NIE dla uczniów 60

61 1.7. Główne menu strony Niszczący rezonans Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia 1.7.a Drugi poziom menu: Zadania Informacje ogólne Rezonans powstaje, gdy źródło fali lub siły dopasowane jest do możliwości odbiornika. Oznacza to, że częstotliwość źródła jest równa częstotliwości własnej odbiornika. W rezonansie następuje maksymalne przekazywanie energii ze źródła do odbiornika. Rezonans można wykorzystać. Na przykład radio, komórki telefoniczne w sposób rezonansowy wybierają z otoczenia fale o określonej częstotliwości. Rezonans może niestety spowodować zniszczenie całych urządzeń i konstrukcji (domy,mosty, statki, szyby..). Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów ; i z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji klip Huśtawka. Film przedstawiający rozbujanie huśtawki. Na film nałożona grafika: siła wymuszająca- wektor siły w przypadku jej przyłożenia. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Czas trwania filmu:15s do rozbujania. Rys Huśtawka- szkic. V ω V okres drgań huśtawki T h =0,7s okres działania siły T F =0,7s jeżeli T h=t F to rezonans V impulsowa siła F Podpis do rys Huśtawka bujająca się swobodnie jest drganiem o pewnej częstotliwości nazywanej częstotliwością własną. Proste rozbujanie huśtawki wymaga siły. Jednak trzeba działać siłą zwiększającą energię dziecka w odpowiednim czasie w chwili maksymalnego wychylenia. Działanie impulsami siły o częstotliwości równej częstotliwości własnej huśtawki jest działaniem dającym największy efekt. Mówimy, że układ działa w rezonansie. Można samemu rozbujać huśtawkę odpowiednio zmieniając ułożenie ciała. W tym przypadku też trzeba działać z częstotliwością rezonansową. 61

62 1.7.3-klip Niszczący rezonans. Klip 20 sekundowy przedstawiający zniszczenie mostu przez wiatr. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Przykład filmu: Czas trwania filmu:20s. Ujęcie powtarzane do wyłączenia. Rys most Podpis do rys Przy złej konstrukcji mostu nawet niewielki wiatr o zmiennym natężeniu może zniszczyć most. Wystarczy, aby powstały warunki do rezonansu. Problemy może też sprawiać marsz kolumny żołnierzy lub nawet zwykłe przejście pieszych (Londyn). 62

63 1.7.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia Niszczący rezonans. Uwaga: System sterowania parametrami generatora za pomocą interfejsu USB Napięcie z generatora o częstotliwości f zasila wzbudnik W. Wzbudnik jest zamontowany na środku mostu i uderza trzpieniem w model mostu powodując jego drgania z częstotliwością generatora. Zmieniając częstotliwość można dostroić się do częstotliwości drgań własnych mostu. W stanie rezonansu energia wzbudnika pochłaniana przez most jest maksymalna i drgania mostu mają coraz większą amplitudę. To, co obserwujemy z mostem w stanie rezonansu jest wzbudzeniem fali stojącej. 1.Upewnić się, że generator G jest włączony. 2.Zmieniając powoli gałką generatora częstotliwość dźwięku w zakresie 1Hz do 20Hz znaleźć częstotliwość rezonansową mostu. Klasyczny pulpit do odtwarzania nagrań z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia. Na tym poziomie menu jest film 15 sek. pokazujący: zmianę częstotliwości, znalezienie fali stojącejrezonansu i stopklatka. Na stopklatkę nałożona grafika: kształt fali, amplituda, węzeł i strzałka fali. Rys a Odtwarzacz. Szkic ekranu ze stopklatką. Węzeł Generator F siła wymuszająca Strzałka s w F Opis funkcjonalny analizy obrazu: S - strzałka; W- węzeł; F- siła wymuszająca drgania; 63

64 1.7.1b Okno sterowania generatorem : Generator : częstotliwość uderzeń 4,1 Hz Włącznik 1.7.1c Okno uwag: Uwaga: Zmieniać częstotliwość powoli. 64

65 1.7.c Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów (N). Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 1.7.N. Poziom : Zadania dla uczniów N Czy maszerująca krokiem marszowym kolumna żołnierzy może wprawić w niebezpieczne drgania most? Tak Nie wybór TAK. Tak. Wystarczy, by częstotliwość uderzania butów o most była równa częstotliwości drgań własnych. Jeśli most nie jest dobrze zaprojektowany może wpaść w rezonans i ulec zniszczeniu. Wyobraź sobie, że elektromagnetyczny wzbudnik symuluje kompanię wojska idącą krokiem defiladowym. Co może się stać sprawdź wykonując doświadczenie: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Jednak tak. Tak się stało w Holandii. Wystarczy, by częstotliwość uderzania butów o most była równa częstotliwości drgań własnych. Jeśli most nie jest dobrze zaprojektowany może wpaść w rezonans i ulec zniszczeniu. Wyobraź sobie, że elektromagnetyczny wzbudnik symuluje kompanię wojska idącą krokiem defiladowym. Co może się stać sprawdź wykonując doświadczenie: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) N Czy drgający w rezonansie most można porównać do drgającej struny? Tak Nie wybór TAK. Tak. Most i struna to sprężysty element przymocowany na końcach na stałe. Pobudzenie w postaci szarpnięcia lub pobudzenia rezonansowego powoduje wprowadzenie struny/mostu w drgania rezonansowe. Powstaje fala stojąca i drgająca struna staje się źródłem dźwięku. Podobnie zachowuje się nasz most doświadczalny. W rezonansie most jest źródłem dźwięku o małej częstotliwości i amplitudzie dlatego trudno go usłyszeć. Wykonaj doświadczenie a może usłyszysz. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Jednak w stanie rezonansu most i struna mają wiele wspólnego. Most i struna to sprężysty element przymocowany na końcach na stałe. Pobudzenie w postaci szarpnięcia lub pobudzenia rezonansowego powoduje wprowadzenie struny/mostu w drgania rezonansowe. Powstaje fala stojąca i drgająca struna staje się źródłem dźwięku. Podobnie zachowuje się 65

66 nasz most doświadczalny. W rezonansie most jest źródłem dźwięku o małej częstotliwości i amplitudzie dlatego trudno go usłyszeć. Wykonaj doświadczenie, a może usłyszysz. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) N Czy przedmiot leżący na moście w rezonansie zawsze będzie miał kontakt z powierzchnią? Tak Nie wybór TAK. Nie zawsze. Przy małej amplitudzie przedmiot będzie leżał na powierzchni mostu. Jednak przy dużej amplitudzie przedmiot zacznie skakać i zsunie się z mostu. Warto sprawdzić, czy rzeczywiście tak jest. Połóż na moście w pobliżu wzbudnika przedmiot np. klucze. Powoli wprowadź most w rezonansowe drgania. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). Wybór Nie Rzeczywiście nie zawsze. Przy małej amplitudzie przedmiot będzie leżał na powierzchni mostu. Jednak przy dużej amplitudzie przedmiot zacznie skakać i zsunie się z mostu. Warto sprawdzić, czy rzeczywiście tak jest. Połóż na moście w pobliżu wzbudnika przedmiot np. klucze. Powoli wprowadź most w rezonansowe drgania. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) S. Poziom : Zadania dla studentów Zadanie S Fala stojąca rezonans. Wyznacz częstotliwość rezonansową mostu, długość fali i amplitudę drgań. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Amplitudę i długość zmierz miarką. Zadanie S Przyspieszenie w układzie nieinercyjnym. Oceń wartość amplitudy, przy której przedmiot położony na moście w rezonansie zacznie podskakiwać. Określ wartość przyspieszenia a b działającego na przedmiot w tym momencie. Jaki związek jest a b z przyspieszeniem ziemskim? (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Przyspieszenie dowolnego punktu mostu drgającego z częstotliwością F r i amplitudą A wynosi a=aω 2. Na ciało położone na moście oprócz siły ciężkości działa siła bezwładności nadająca przyspieszenie a b =a. Dlatego. 66

67 Zadanie S Czy częstotliwość rezonansowa mostu zmieni się, gdy obciążymy go dodatkowym ciężarem? Wykonaj doświadczenie umożliwiające odpowiedź. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Większy ciężar (porównywalny z ciężarem mostu) powinien spowodować zmniejszenie częstotliwości rezonansowej. 67

68 2.1. Lidar. Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji a/ Menu główne: Lidar Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Opis 1 Przebieg Doświadczenia opis dziłań Zadania Zadanie 1 Opis 2 Zadanie 3 Zadanie n Uwagi bezpieczeństwa Uwagi bezpieczeństwa c/ Trzeci poziom Menu podpowiedz dla studentów odpowiedz na TAK lub NIE dla uczniów 68

69 2.1. Główne menu strony Lidar Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania 2.1.a Drugi poziom menu: Informacje ogólne Badania powierzchni i wnętrza różnych materiałów często przeprowadza się za pomocą skanowania. Jest to metoda, gdzie wąska analizująca wiązka fal przesuwana jest po badanym obiekcie. W ten sposób informacja o powierzchni lub wnętrzu obiektu zbierana jest punkt po punkcie, linia po linii, aż do uzyskania informacji o całym obiekcie. Skanuje się wielkie obszary Ziemi, zabytki i przedmioty do kopiowania, pacjentów w celach diagnostycznych, a także atomy na powierzchni. Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów ; i z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji klip Badania tomografią komputerową.. Klip/film przedstawiająca zdjęcie tomografu IV generacji wraz z pacjentem. Na to nałożona grafika przedstawiająca lampę rentgenowską, na obwodzie detektory (2000 w rzeczywistości - na grafice ok.100) i strumień. Lampa i strumień powoli się obraca. Po pełnym obrocie, pacjent jest przesuwany i wykonany jest następny obrót. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Czas trwania filmu:15s jedna sekwencja ciągłego napływania fal. Rys Tomograf komputerowy zdjęcie i szkic grafiki. D LR Obraz 69

70 Podpis do rys Sercem tomografu komputerowego jest lampa rentgenowska LR, system tysięcy detektorów wokół pacjenta i bardzo dobre oprogramowanie. Kilkuminutowe skanowanie pozwala na uzyskanie zdjęć wnętrza człowieka o doskonałej jakości klip Skanowanie w skali atomów. Film/animacja przedstawiający skanowanie głowicą mikroskopu AFM oraz zdjęcie atomów. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Rys Mikroskop AFM Podpis do rys Skaningowy mikroskop sił atomowych to głównie bardzo ostra igła C przesuwająca sie tuż nad powierzchnią materiału skanując całą interesująca powierzchnię (powierzchnia XY). Jeśli odległość podczas skanowania między czubkiem igły i atomami powierzchni będzie stała to igła będzie odwzorowywać kształt powierzchni. Wystarczy dobrze zmierzyć zmiany położenia igły w kierunku osi Z, aby na ekranie można było zobaczyć nawet pojedyncze atomy. 70

71 2.1.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia Uwaga: Układ jest sterowanym programowo skanerem na obszarze górnej powierzchni akwarium XY (ok.40x80cm 2 ). Położenie detektora/dalmierza, czyli obszar skanowania na płaszczyźnie XY wybierany jest programowo. Dalmierz powinien pokazywać aktualny wynik. Lidar. Do badań powierzchni dna akwarium służy dalmierz laserowy D wykorzystujący pomiar czasu powrotu wysłanego i odbitego od obiektu impulsu światła laserowego. Pomiar wykonywany jest z prędkością n=10imp/s. W celu poznania powierzchni można przeskanować dowolnie wybrany obszar. Całością steruje się z poziomu okna na monitorze. Ponadto układ wyposażony jest w laser pomocniczy L oraz skale pomiarowe. Procedura pomiaru morfologii powierzchni: 0.W oknie z akwarium wybrać obszar skanowania. 1.Rozpocząć skanowanie przyciskiem START SCAN. 2.Obserwować, czy zmiany w rzeźbie tereny dobrze są odwzorowywane na ekranie. Klasyczny pulpit do odtwarzania nagrań z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia. Grafika: opis elementów typu D-dalmierz, L- laser pomocniczy, A-akwarium,oś X, oś Y, Dno Na tym poziomie menu : czas trwania filmu - 20 sek. Rys. 2.1.b Szkic rzeczywistego układu z opisem graficznym poszczególnych elementów. oś Z D - dalmierz oś Y Skale oś X Laser pomocniczy 71

72 Opis funkcjonalny rejestracji powierzchni dna akwarium: Program zapewnia wybór obszaru skanowania, szybkości skanowania. Rys. 2.1.c Okno sterowania procesem pomiarowym: p s 3D Opis możliwości sterowania: 1. Okno startowe - obraz/zdjęcie całej powierzchni akwarium 2.Okno wyboru obszaru skanowania: ramka z linii przerywanych, którą można dotykając w środku przesunąć powiększyć lub zmniejszyć przesuwając jeden z czterech punktów narożnych. 3. Start/ zatrzymanie pomiaru ( II ) 4. Powtórzenie skanowania P 5. Przycisk szybkości skaningu S: szybki/wolny : przeskalowanie czasu skanowania np. x4 6. Przycisk przejścia do rysowania w 3D. 2.1.d Okno uwag: i Uwaga: Prosimy nie dotykać układu przesuwania dalmierza. 72

73 2.1.c Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów (N). Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 2.1.N. Poziom : Zadania dla uczniów N Czy promienie światła przechodząc do wody zmieniają prędkość, częstotliwość i kierunek? Tak Nie wybór TAK. Wiele parametrów promienia się zmienia podczas przejścia granicy dwóch ośrodków o różnej gęstości np. wody i powietrza. Zmienia się prędkość fali i zmienia się kierunek promienia (z wyjątkiem tego padającego prostopadle do powierzchni granicy). Widać to w postaci "załamania" się promieni świetlnych na powierzchni wody. Natomiast nie zmienia się częstotliwość fali, czyli kolor promienia światła. Sprawdź, czy rzeczywiście kolor promienia lasera nie zmienia się oraz zobacz jak załamuje się promień wychodzący z wody. Wykonaj doświadczenie: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Nie. Wiele parametrów promienia się zmienia podczas przejścia granicy dwóch ośrodków o różnej gęstości np. wody i powietrza. Zmienia się prędkość fali i zmienia się kierunek promienia (z wyjątkiem tego padającego prostopadle do powierzchni granicy). Widać to w postaci "załamania" się promieni świetlnych na powierzchni wody. Natomiast nie zmienia się częstotliwość fali, czyli kolor promienia światła. Sprawdź, czy rzeczywiście kolor promienia lasera nie zmienia się oraz zobacz jak załamuje się promień wychodzący z wody. Wykonaj doświadczenie: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) N Czy dalmierz laserowy przeznaczony do pracy w powietrzu działał w wodzie? Dalmierz jest "wodoodporny". Tak Nie będzie poprawnie wybór TAK. Nie. Fale elektromagnetyczne poruszają się w powietrzu z prędkością światła c=300000km/h. Jednak poruszając się w gęstszej materii poruszają się wolniej z prędkością V<c. O tym ile razy mniejsza jest to prędkość mówi współczynnik załamania n= V/c. Dla wody współczynnik załamania wynosi n=1,33. Warto sprawdzić, czy tak jest. Dla nieruchomego dalmierza odczytaj wskazania dalmierza D. Zmierz miarką rzeczywistą głębokość H. Ile wynosi iloczyn H/D i dlaczego? Wykonaj doświadczenie: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). 73

74 wybór NIE. Nie, ale można wyniki skorygować i uzyskać poprawne rezultaty. Fale elektromagnetyczne poruszają się w powietrzu z prędkością światła c=300000km/h. Jednak poruszając się w gęstszej materii poruszają się wolniej z prędkością V<c.. O tym ile razy mniejsza jest to prędkość mówi współczynnik załamania n= V/c. Dla wody n=1,33. Warto sprawdzić, czy tak jest. Dla nieruchomego dalmierza odczytaj wskazania dalmierza D. Zmierz miarką rzeczywistą głębokość H. Ile wynosi iloczyn H/D i dlaczego? Wykonaj doświadczenie: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) N Sprawdź, czy skanowanie wiązką lasera jest dobrym sposobem zbadania powierzchni obiektów? Tak Nie wybór TAK. Tak. Laser emituje wąską, równoległą wiązkę światła o jednakowej barwie. Taki promień prawie zawsze częściowo odbija się od obiektów i granic ośrodków. Mimo, że czas powrotu w naszym doświadczeniu jest rzędu 10-9 s, czyli nanosekund to i tak ten dalmierz mierzy z dokładnością +/- 1cm. Przeprowadź doświadczenie skanując fragment dna i zobacz, czy odwzorowanie jest dobre. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). Wybór Nie Jednak tak. Laser emituje wąską, równoległą wiązkę światła o jednakowej barwie. Taki promień prawie zawsze częściowo odbija się od obiektów i granic ośrodków. Mimo, że czas powrotu w naszym doświadczeniu jest rzędu 10-9 s, czyli nanosekund to i tak ten dalmierz mierzy z dokładnością +/- 1cm. Przeprowadź doświadczenie skanując fragment dna i zobacz, czy odwzorowanie jest dobre. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) S. Poziom : Zadania dla studentów Zadanie S Współczynnik złamania wody. Za pomocą lasera pomocniczego, akwarium i skal na akwarium wyznacz współczynnik złamania wody. Wykonanie: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Trzeba wykorzystać zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia. Po skierowaniu na powierzchnię wody od dołu promienia lasera zmieniaj kąt między promieniem w wodzie i pionem do momentu, gdy nastąpi całkowite odbicie promienia od granicy woda-powietrze. Wyznacz tangens kąta granicznego i S Współczynnik korekcji. 74

75 Sprawdź, czy wodoodporny dalmierz laserowy mierzący w powietrzu będzie poprawnie działał w wodzie? Dla nieruchomego dalmierza odczytaj wskazania dalmierza D. Zmierz miarką rzeczywistą głębokość H. Oblicz Ile wynosi iloczyn H/D i porównaj z oczekiwana wartością? (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) Fale elektromagnetyczne poruszają się w powietrzu z prędkością światła c=300000km/h. Jednak poruszając się w gęstszej materii poruszają się wolniej z prędkością V<c.. O tym, ile razy mniejsza jest to prędkość mówi współczynnik załamania n= V/c. Dla wody n=1,33 dlatego dane z dalmierza wymagają korekcji... Zadanie S Sprawdź, czy skanowanie wiązką lasera jest dobrym sposobem zbadania powierzchni obiektów? Wybierz interesujący fragment dna, przeprowadź skanowanie i oceń jego jakość. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Skaning laserem jest bardzo rozpowszechniony. Laser emituje wąską, równoległą wiązkę światła o jednakowej barwie. Taki promień prawie zawsze częściowo odbija się od obiektów i granic ośrodków. Mimo, że czas powrotu w naszym doświadczeniu jest rzędu 10-9 s, czyli nanosekund to i tak ten dalmierz mierzy z dokładnością +/- 1cm. 75

76 2.2. Prawo Pascala. Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji a/ Menu główne: Prawo Pascala Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Opis 1 Przebieg Doświadczenia opis dziłań Zadania Zadanie 1 Opis 2 Zadanie 3 Zadanie n c/ Trzeci poziom Menu Uwagi bezpieczeństwa Uwagi bezpieczeństwa podpowiedz dla studentów odpowiedz na TAK lub NIE dla uczniów 76

77 2.1. Główne menu strony Prawo Pascala Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia 2.1.a Drugi poziom menu: Zadania wybór Informacje ogólne Jeśli na płyn w zbiorniku zamkniętym wywierane jest zewnętrzne ciśnienie, to ciśnienie wewnątrz zbiornika jest wszędzie jednakowe i równe ciśnieniu zewnętrznemu. To twierdzenie znane jako prawo Pascala jest prawdziwe, gdy można zaniedbać ciśnienie hydrostatyczne. Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów ; i z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji klip Kolba z dziurkami. Film/animacja przedstawiająca kolbę z płynem i dziurkami. Przyłożone zewnętrzne ciśnienie powoduje wypływ strumieniami prostopadle do powierzchni. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Przykład: Czas trwania filmu:15s. Następnie powtórzenie do czasu wyłączenia. Rys Przykład grafiki: kolba z dziurkami. ω V V V Podpis do rys Siła F działając na tłok o powierzchni S wytwarza ciśnienie p=f/s. Takie ciśnienie posiada ciecz w każdym punkcie naczynia. Jeśli w naczyniu będzie dziurka to ciecz będzie wypływać strumieniem prostopadłym do powierzchni otoczenie dziury. Im większe ciśnienie p, tym większa szybkość wypływu płynu. 77

78 2.2.2-klip Podnośnik hydrauliczny. Klip/film przedstawiający podnośnik hydrauliczny podczas pracy. Po dwukrotnym ruchu stopklatka. Na stopklatkę nałożona grafika przestawiająca komory i tłoki układu, powierzchnie, ciśnienie siły. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Czas trwania filmu:15s dwukrotne "pompowanie", a następnie stopklatka. Rys Podnośnik hydrauliczny : stopklatka z grafiką. F - siła działania operatora F 2 =ps 2 - siła "podnoszenia" S 2 p ciśnienie S 1 F 1 =ps 1 - siła "działania" Podpis do rys Można stosunkowo niewielką siłą podnieść nawet znaczne ciężary. W podnośniku hydraulicznym tłok o powierzchni S 1 naciska na ciecz siłą F 1. Ciśnienie cieczy zwiększa się do p i ciecz działając na tłok o dużej powierzchni S 2 działa na podnoszony przedmiot siłą F 2 wielokrotnie większą od F 1 : F 2 = F 1 S 2 /S 1. Warto podkreślić, że siła F 1 została także zwielokrotniona poprzez użycie dźwigni jednostronnej. Dzięki podobnym urządzeniom można podnosić samochody, mosty i..góry. 78

79 2.2.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia Prawo Pascala. Przedmiotem badań jest hydrauliczny podnośnik, w którym rolę tłoka wykonuje szczelna poduszka T. Poduszka T podłączona jest do zbiornika z wodą Z. Podniesienie zbiornika o wysokość h zwiększa ciśnienie p w poduszce, co umożliwia podnoszenie znaczących ciężarów. Procedura pomiaru: 1. Zmierzyć położenie ciężaru przy opuszczonym zbiorniku Z. 2. Podnosić zbiornik i co 20 cm obserwować zmiany położenia ciężaru Q. 3. Badania przeprowadzić do osiągnięcia maksymalnej wysokości H. 4.Po zakończeniu badań opuścić zbiornik. Klasyczny pulpit do odtwarzania nagrań z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia. Grafika: opis elementów typu Z-zbiornik, H- wysokość względna, Q-ciężar, T-poduszka, p-ciśnienie. Na tym poziomie menu : czas trwania filmu - 20 sek. Rys. 2.2.b1 Szkic rzeczywistego układu z opisem graficznym poszczególnych elementów. Zbiornik H M- manometr F=pS- siła reakcji P- ciśnienie T-poduszka Q- siła ciężkości T Z h M,p Q F 79

80 Opis funkcjonalny analizy obrazu: Legenda dla 2.2b1 T,Z- poduszka i zbiornik z wodą M - manometr mierzący ciśnienie p; Q- siła ciężkości ; F- siła reakcji poduszki F=pS; H- różnica poziomu cieczy 2.2.b2 Okno uwag: Zbiornik należy podnosić i opuszczać powoli. Jeśli nie jest konieczne nie przesuwać ciężarków. 80

81 2.2.c Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów (N). Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 2.2. N. Poziom : Zadania dla uczniów N Czy ciśnienie hydrostatyczne wody zależy od kształtu naczynia? Tak Nie wybór TAK. Nie. Ciśnienie zależy od wysokości słupa cieczy h nad mierzonym punktem, od gęstości cieczy ρ i od przyspieszenia ziemskiego g: p=ρgh. We wzorze nie ma śladu informacji o kształcie naczynia! Sprawdź ten wzór. Unieś zbiornik na wysokość H=2m. Oblicz ciśnienie dla ρ=1kg/m 3 oraz porównaj z odczytaną na manometrze wartością ciśnienia p. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Oczywiście, że nie. Ciśnienie zależy od wysokości słupa cieczy h nad mierzonym punktem, od gęstości cieczy ρ i od przyspieszenia ziemskiego g; p=ρgh. We wzorze nie śladu informacji o kształcie naczynia! Sprawdź ten wzór. Unieś zbiornik na wysokość H=2m. Oblicz ciśnienie dla ρ=1000kg/m 3 oraz porównaj z odczytaną na manometrze wartością ciśnienia p. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) N Czy badany podnośnik podniesie każdy ciężar? Tak Nie wybór TAK. Niestety nie. Aby podnieść ciężarek Q trzeba działać siłą większą od jego siły ciężkości. Przy maksymalnym podniesieniu zbiornika słup wody będzie miał wysokość H max. =2m. Maksymalne ciśnienie p max. = ρgh max = N/m 2, gdzie g=10m/s 2, ρ=1000kg/m 3. Na ciężar o powierzchni styku z poduszką wynoszącej około S=100 cm 2 =0,01 m 2 działa siła maksymalna F max. = p max. S= 200N. Taki ciężar posiada masa m=20kg. Sprawdź, że do pewnej wysokości podniesionego zbiornika ciężar nawet nie drgnie. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. 81

82 Rzeczywiście nie. Aby podnieść ciężarek Q, trzeba działać siłą większą od jego siły ciężkości. Przy maksymalnym podniesieniu zbiornika słup wody będzie miał wysokość H max. =2m. Maksymalne ciśnienie p max. = ρgh max = N/m 2, gdzie g=10m/s 2, ρ=1000kg/m 3. Na ciężar o powierzchni styku z poduszką wynoszącej około S=100 cm 2 =0,01 m 2 działa siła maksymalna F max. = p max. S= 200N. Taki ciężar posiada masa m=20kg. Sprawdź, że do pewnej wysokości podniesionego zbiornika ciężar nawet nie drgnie. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) N Czy cała energia zużyta na podniesienie wody w zbiorniku zostanie zużyta na podniesienie ciężaru na podnośniku? Tak Nie wybór TAK. Niestety nie. Sporo energii zostanie bezpowrotnie stracona m.in. na tarcie. Wykonaj doświadczenie i porównaj energię potencjalną wody o masie m w =20kg podniesionej na wysokość maksymalną H max, (E pw =m w gh max ) z energią potencjalną ciężaru m Q =15kg podniesionego na wysokość h max (E pq =m Q gh max ). (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). Wybór Nie Rzeczywiście nie. Sporo energii zostanie bezpowrotnie stracona m.in. na tarcie. Wykonaj doświadczenie i porównaj energię potencjalną wody o masie m w =20kg podniesionej na wysokość maksymalną H max, (E pw =m w gh max ) z energią potencjalną ciężaru m Q =15kg podniesionego na wysokość h max (E pq =m Q gh max ). (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) S. Poziom : Zadania dla studentów Zadanie S Ciśnienie słupa cieczy. Sprawdzić, czy wzór określający ciśnienie słupa cieczy p= ρgh jest prawidłowy. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Należy podnieść zbiornik na maksymalna wysokość, odczytać H oraz ciśnienie p (z manometru). Obliczenia wykonać dla g=9,81m/s S Parcie, a siła ciężkości. Wyznacz ciśnienie, przy którym ciężarek o masie m Q =15kg zacznie się podnosić. Oceń powierzchnię styku ciężarka z poduszką-podnośnikiem (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) Należy podnosić powoli zbiornik i obserwować ciężarek...z chwilą gdy ciężar zacznie się poruszać siła ciężkości będzie mniejsza lub równa sile parcia. 82

83 2.2.3.S Bilans energii w układzie Oceń straty energii powstałe podczas podnoszenia ciężarka Q wiedząc, że przy maksymalnym podniesieniu w zbiorniku znajduje się woda o masie m w.(przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Sporo energii zostanie bezpowrotnie stracona m.in. na tarcie. Znajdź różnicę energii potencjalnej wody o masie m w =20kg podniesionej na wysokość maksymalną H max, i energii potencjalnej ciężaru m Q =15kg podniesionego na wysokość h. 83

84 2.3. Prawo Bernoulliego. Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji a/ Menu główne: Prawo Bernoulliego Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Opis 1 Przebieg Doświadczenia opis dziłań Zadania Zadanie 1 Opis 2 Zadanie 3 Zadanie n c/ Trzeci poziom Menu Uwagi bezpieczeństwa Uwagi bezpieczeństwa podpowiedz dla studentów odpowiedz na TAK lub NIE dla uczniów 84

85 2.3. Główne menu strony Prawo Bernoulliego Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania 2.3.a Drugi poziom menu: wybór Informacje ogólne Przepływ cieczy przez systemy rur o różnych przekrojach opisuje prawo Bernoulliego. Zgodnie z tym prawem nieściśliwa ciecz o małej lepkości, podczas laminarnego przepływu nie zmienia swojej energii całkowitej. Oznacza to między innymi, że wpływając do rury o mniejszym przekroju ciecz zwiększa swą prędkość zmniejszając swoje ciśnienie statyczne. Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów ; i z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji klip Wąż ogrodowy a prawo Bernoulliego. Film przedstawiający podlewanie trawnika z węża ogrodowego. Zbliżenie na wylot wody i stopklatka. Nałożona grafika: prędkość wody V 1 w przekroju węża S 1, prędkość końcowa V 2 przy wylocie z otworu o powierzchni S 2. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Czas trwania filmu:10s Całe zdarzenie potem stopklatka. Rys Wąż ogrodowy - stopklatka z graficznym przedstawieniem parametrów układu. ω λ V S 1 V 1 S 2 V V 2 V Podpis do rys Z węża ogrodowego o przekroju S 1 wypływa woda z prędkością V 1. Przepływając przez otwór zraszacza o mniejszym przekroju S 2 zwiększa prędkość do V 2 =V 1 S 1 /S 2. Dzięki temu można podlewać rośliny nawet z dużych odległości. 85

86 2.3.2-klip Wypływ wody z beczki. Klip/film przedstawiający beczkę z otworem w dolnej części ścianki beczki/szklanego zbiornika. Woda wypływa z beczki i po 5 sekundach stopklatka. Na stopklatce grafika wysokości H, prędkości V. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Czas trwania filmu:15s jedna sekwencja i stopklatka. Rys Beczka z wodą stopklatka z grafiką. B H V Podpis do rys Woda o gęstości ρ wypływa z otworu przy dnie beczki osiągając prędkość V taką... jaką by uzyskała spadając swobodnie z wysokości H. Równanie Bernoulliego dla tego przypadku ma postać: ρh=v 2 /2. Wypływającą wodę opisujemy jako rzut poziomy w polu przyspieszenia g. 86

87 2.3.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia Przebieg badań. Prawo Bernoulliego. Doświadczenie polega na obserwacji przepływu wody przez trzy połączone rury o coraz mniejszej średnicy. Celem jest sprawdzenie, czy w każdym badanym punkcie energia wody jest zachowana, czyli ρgh+p+ρv 2 /2= const. Gdzie: ρ- gęstość wody, p-ciśnienie statyczne, V- prędkość cieczy, h- wysokość względem poziomu odniesienia, g-przyspieszenie ziemskie 10m/s 2. Prędkość przepływu P v odczytać należy z miernika przepływu, ciśnienia statyczne mierząc wysokość słupa cieczy w trzech rurkach R 1. Sprawdź, czy zawór Z jest otwarty. Jeśli tak to włącz pompę P. 2. Zbadaj wartości przepływu M p oraz trzech ciśnień statycznych. Klasyczny pulpit do odtwarzania nagrań z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia. Na film za pomocą przycisków funkcyjnych można nałożyć grafikę. Na tym poziomie menu jest: film 10 sek. pokazujący włączenie przepływu i stopklatka układu. Grafika pokazująca rurki R i i ciśnienia p i, miernik przepływu, przekroje S i. zawór Z, Rys. 2.3.b Odtwarzacz. Szkic ekranu ze stopklatką. M 1 p 1 -ciśnienie Y p 2 p 3 statyczne h Z V Z M 2 P M p S 1 S 2 S 3 X 0 D Z Mp S 1 S 2 S 3 p 1 p 2 p 3 Opis funkcjonalny analizy obrazu: M p - miernik przepływu S 1 S 2 S 3 - przekroje rur p 1 p 2 p 3 - ciśnienia statyczne. z- zawór odcinający 87

88 2.3.b3. Okno sterowania pompą: Włączanie pompy Włącznik 2.3.b2. Okno uwag: Uwaga: Po zakończeniu doświadczenie wyłączyć przepływ cieczy. 88

89 2.3.c Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów (N). Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 2.3.N. Poziom : Zadania dla uczniów N Gdy w układzie doświadczalnym rur o coraz mniejszych przekrojach płynie woda, w pionowych rurkach pojawi się woda. Czy wysokość wody w tych rurkach będzie taka sama? Tak Nie wybór TAK. Jednak nie. Przepływająca w rurach woda wywiera ciśnienie statyczne na ścianki rury. Wysokości słupów wody w pionowych rurkach są miarą tego ciśnienia. Wysokość słupa wody w rurce pomiarowej H świadczy o tym, że ciśnienie statyczne wody w rurze wynosi p =ρgh. Z prawa Bernoulliego wynika, że im prędkość wody jest większa tym ciśnienie statyczne mniejsze, czyli wysokość słupa wody w rurce pomiarowej mniejsze. Wniosek: wysokość wody w tych rurkach nie będzie taka sama. Sprawdź to rozumowanie doświadczalnie: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Rzeczywiście nie Przepływająca w rurach woda wywiera ciśnienie statyczne na ścianki rury. Wysokości słupów wody w pionowych rurkach są miarą tego ciśnienia. Wysokość słupa wody w rurce pomiarowej H świadczy o tym, że ciśnienie statyczne wody w rurze wynosi p =ρgh. Z prawa Bernoulliego wynika, że im prędkość wody jest większa tym ciśnienie statyczne mniejsze, czyli wysokość słupa wody w rurce pomiarowej mniejsze. Wniosek: wysokość wody w tych rurkach nie będzie taka sama. Sprawdź to rozumowanie doświadczalnie: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) N Z kranu płynie woda z dużą prędkością. Czy, gdy szybko zamkniemy kran ciśnienie wody wzrośnie? Tak Nie 89

90 wybór TAK. Tak. W czasie wypływu z kranu wody, duża ilość wody w rurach porusza się mając stosunkowo dużą energię kinetyczną i pęd. Szybkie zamknięcie kranu powoduje gwałtowne zatrzymanie tej wody. Ciśnienie wody nagle wzrasta, co czasami może spowodować uszkodzenie wodociągu. To zjawisko nazywa się uderzeniem hydrodynamicznym. Sprawdź, czy w naszym wodociągu występuje uderzenie. Uruchom przepływ, popatrz na wysokości wody w rurkach pomiarowych, po czym szybko zamknij kran Z. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Jednak tak.. W czasie wypływu z kranu wody, duża ilość wody w rurach porusza się mając stosunkowo dużą energię kinetyczną i pęd. Szybkie zamknięcie kranu powoduje gwałtowne zatrzymanie tej wody. Ciśnienie wody nagle wzrasta, co czasami może spowodować uszkodzenie wodociągu. To zjawisko nazywa się uderzeniem hydrodynamicznym. Sprawdź, czy w naszym wodociągu występuje uderzenie. Uruchom przepływ, popatrz na wysokości wody w rurkach pomiarowych, po czym szybko zamknij kran Z. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) S. Poziom : Zadania dla studentów Zadanie S Prawo Bernoulliego. Zbadaj, czy w układzie doświadczalnego wodociągu spełnione jest prawo Bernouliego. Wykonanie: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Trzeba sprawdzić, czy dla każdego z trzech przekrojów S 1 =10cm 2, S 2 =4cm 2, S 3 =2cm 2 zachowana jest: ρgh+p+ρv 2 /2= const (h=0 ponieważ analizowane przekroje znajdują się na tym samym poziomie). W tym celu zmierzyć rurkami pomiarowymi ciśnienie p 1, p 2, p 3, przepływ M p. Pamiętaj, że woda nie jest ściśliwa i tyle samo wody w ciągu sekundy przepłynie przez kazdy przekrój rury. Zadanie S Uderzenie hydrodynamiczne.. Sprawdź, czy w układzie badawczym występuje uderzenie hydrodynamiczne i czy jego wielkość zależy od szybkości zamykania zaworu Z. Wykonanie: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - W czasie przepływu, duża ilość wody w rurach porusza się mając stosunkowo dużą energię kinetyczną. Szybkie zamknięcie kranu powoduje gwałtowne zatrzymanie tej wody. Ciśnienie wody nagle wzrasta, co czasami może spowodować uszkodzenie wodociągu. Zjawisko to nazywa się uderzeniem hydrodynamicznym. Zobacz co się dzieje z wodą w rurkach pomiarowych podczas zamykania zaworu. 90

91 3.1. Tunel aerodynamiczny. Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji a/ Menu główne: Tunel aerodynamiczny Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Opis 1 Przebieg Doświadczenia opis dziłań Zadania Zadanie 1 Opis 2 Zadanie 3 Zadanie n Uwagi bezpieczeństwa Uwagi bezpieczeństwa c/ Trzeci poziom Menu podpowiedz dla studentów odpowiedz na TAK lub NIE dla uczniów 91

92 3.1. Główne menu strony Tunel aerodynamiczny. Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania 3.1. Drugi poziom menu: Informacje ogólne Wszędzie tam, gdzie opór powietrza odgrywa dużą rolę w fazie projektowania urządzenia przeprowadza się badania w tunelu aerodynamicznym. Nowe samoloty, sterowce, samochody, ubiory biegaczy i skoczków testuje się w tunelach. Badania polegają na obserwacji jak laminarny strumień powietrza o konkretnej prędkości opływa badanie przedmioty i urządzenia. Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów ; i z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji Skrzydło. Film/lub zdjęcie skrzydła samolotu. Stopklatka i nałożona grafika: strumienie powietrza, siła nośna Czas trwania filmu:10s potem stopklatka. Rys Skrzydło z grafiką. Siła nośna F Obszar podciśnienia Obszar nadciśnienia Podpis do rys Specjalny kształt skrzydła powoduje, że prędkość strumienia powietrzna nad skrzydłem jest większa o prędkości pod skrzydłem. Zgodnie z prawem Bernoulliego nad skrzydłem ciśnienie statyczne jest mniejsze od ciśnienia pod skrzydłem. Różnica ciśnień działając na skrzydło wytwarza siłę nośną F n. Siła nośna może zrównoważyć lub przewyższyć siłę ciężkości samolotu i samolot leci klip Gol z efektem Magnusa. 92

93 Klip przedstawiający gol uzyskany z rzutu rożnego. Na stopklatce grafika: prędkości V piłki, obrót dookoła osi piłki, siła Magnusa. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Przykład: Po 6sek powtórzenie, i po 4 sekundach stopklatka. Czas trwania filmu:10s potem stopklatka. Rys Strzał z rogu. F M V V Podpis do rys Piłka kopnięta centralnie leci prosto. Można kopnąć piłkę nadając jej oprócz prędkości liniowej prędkość obrotową. Lecącą piłkę opływają strumienie powietrza. Gdy piłka się obraca z jej jednej strony prędkość względna powietrza jest większa niż z drugiej strony. Podobnie jak w skrzydle samolotu pojawia się różnica ciśnień powodująca powstanie siły F M. Siła Magnusa działa prostopadle do prędkości piłki V powodując zakrzywienie toru piłki w kierunku bramki. Dzięki temu zjawisku możliwe jest zdobycie gola z rzutu rożnego (tzw.rogal). 93

94 3.1.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia Uwaga: stan podstawowy układu to zamontowane skrzydło. Uczniowie mają możliwość tylko zmiany kąta natarcia. Możliwość zmiany obiektu mają tylko studenci. Wiatromierz powinien być umieszczony na stałe lub mieć osobne okienko do wsunięcia w badany obszar. Pomiar wiatromierzem bez udziału komputera. Opis dotyczy rozwiązania z dwoma siłomierzami. Tunel aerodynamiczny. Tunel aerodynamiczny posiada komorę pomiarową, w której następuje laminarny przepływ powietrza z żądaną prędkością. Celem badań jest określenie sił działających na skrzydło, obracający się obiekt i modele domów. 1. Włącz wentylator tunelu, otwórz okno serwisowe O komory badawczej, wsuń ręczny wiatromierz do komory i zmierz wartość prędkości powietrza. 2. Wyłącz wentylator i delikatnie umieść w komorze pomiarowej badany obiekt. Zamknij okno O. 3. Włącz wentylator, obserwuj przepływ powietrza i po chwili zmierz odpowiednie siły. Klasyczny pulpit do odtwarzania nagrań z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia. Na tym poziomie menu jest: film 20 sek. pokazujący pomiar prędkości powietrza oraz zamocowanie obiektu badanego. Następnie stopklatka z grafiką: W-włącznik wentylatora, O- okno serwisowe, mierniki siły. Rys b Odtwarzacz. Szkic ekranu ze stopklatką. O M F W O W M F Opis funkcjonalny analizy obrazu: w- włącznik wentylatora M F - manometr mierzący ciśnienie p; 94

95 O-okno serwisowe b3.Okno wyników badań sił : obiekt F op = 1,5 N F nośna = 0,5 N W 3.1.1b2 Okno uwag: Uwaga: Po zakończeniu doświadczenie wyłączyć wentylator. 95

96 3.2.c Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów (N). Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 3.1. N. Poziom : Zadania dla uczniów N Czy siła nośna skrzydła zależy od kąta natarcia? Tak Nie wybór TAK. Tak. Trzeba to sprawdzić doświadczalnie. Zbadaj zgodnie z instrukcją siłę nośną skrzydła. Zmieniaj powoli kąt natarcia i obserwuj wskazania siły nośnej. Wyznacz kąt, przy którym siła nośna jest największa. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Tak. Trzeba to sprawdzić doświadczalnie. Zbadaj zgodnie z instrukcją siłę nośną skrzydła. Zmieniaj powoli kąt natarcia i obserwuj wskazania siły nośnej. Wyznacz kąt, przy którym siła nośna jest największa. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) S. Poziom : Zadania dla studentów Zadanie S Siła nośna. Wyznacz zależność siły nośnej skrzydła od kąta natarcia. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Po umieszczeniu w komorze badawczej skrzydła włączyć wentylator i przeprowadzić badania. Zadanie S Siła Magnusa. Wyznacz siłę Magnusa dla obracającego się walca w strumieniu powietrza. Badania przeprowadź dla trzech prędkości obrotowych. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Po umieszczeniu w komorze badawczej układu walca, włączyć wentylator, włączyć napęd walca i przeprowadzić badania. 96

97 3.1.3.S Czy dom z płaskim dachem stawia większy opór powietrza niż dom ze spadzistym dachem? Przeprowadź odpowiednie badania. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Po umieszczeniu w komorze badawczej modelu budynku, włączyć wentylator i przeprowadzić badania. Badania powtórz dla drugiego budynku. 97

98 3.2. Energetyczny wiatr. Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji 0/Menu zerowe Energetyczny wiatru Siła wiatru a/ Menu główne: Energetyczny wiatr Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania Siła wiatru... b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Opis 1 Przebieg Doświadczenia opis dziłań Zadania Zadanie 1 Opis 2 Opis 3 Uwagi bezpieczeństwa Zadanie 3 Zadanie n Uwagi bezpieczeństwa c/ Trzeci poziom Menu podpowiedz dla studentów odpowiedz na TAK lub NIE dla uczniów 98

99 3.2. Główne menu strony Energetyczny wiatr Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania 3.2. Drugi poziom menu: wybór Informacje ogólne Wiatr to poruszające się masy powietrza o energii kinetycznej zależącej od siły wiatru. Energię wiatru można wykorzystać. Często niestety, wiatr jest przyczyną katastrof. Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów ; i z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji Suszarka do włosów. Film przedstawiający suszenie włosów. Stopklatka i nałożona grafika: prędkość powietrza V i temperatura T. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Czas trwania filmu:10s Całe zdarzenie potem stopklatka. Rys Suszarka - stopklatka z graficznym przedstawieniem parametrów układu. λ V T Podpis do rys Skuteczne suszenie włosów zapewnia ciepłe powietrze o odpowiedniej prędkości klip Elektrownia wiatrowa. Klip/film przedstawiający działającą elektrownię wiatrową. Po 10 sekundach stopklatka. Na stopklatce grafika prędkości V, strumienia powietrza, generatora, i linii przesyłowej. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Czas trwania filmu:10s potem stopklatka. 99

100 Rys Wiatrak z grafiką. V 230V P=? Podpis do rys Energia elektryczna uzyskana z wiatru należy do energii odnawialnych. Pojedyncze wiatraki mają moc nominalną 0d 0,1 do 5MW jednak o ilości uzyskanej energii decyduje wiatr lub inaczej... jego brak. 100

101 3.2.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia Uwaga: pomiar prędkości powietrza ręczny. Przebieg badań. Energetyczny wiatr. Wydajność elektrowni wiatrowej zależy od kształtu łopatek wirnika. Stosuje się różne rozwiązania wirnika. Doświadczenie polega na sprawdzeniu, które z trzech rozwiązań turbiny wiatrowej przetwarza energię wiatru z największą wydajnością. 1. Nakieruj wentylator W na odpowiednią turbinę. 2. Włącz wentylator i zbadaj szybkość strumienia powietrza. 3. Wyznacz prąd i napięcie wytwarzane przez turbinę. 4. Badania powtórz dla pozostałych turbin. Klasyczny pulpit do odtwarzania nagrań z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia. Na tym poziomie menu jest: film 10 sek. pokazujący przesunięcie wentylatora i jego włączenie. Następnie i stopklatka z grafiką : W-włącznik, Strumień powietrza, M- miernik przepływu, A- amperomierz, V-woltomierz i obciążenie Ż. Rys b Odtwarzacz. Szkic ekranu ze stopklatką. W E i h M A V Ż 3.2.1c Okno uwag: Uwaga: Po zakończeniu doświadczenie wyłączyć wentylator. 101

102 3.2.c Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów (N). Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 3.2.N. Poziom : Zadania dla uczniów N Czy prędkość wiatru przed i za śmigłami wiatraka jest taka sama? Tak Nie wybór TAK. Jednak nie. Strumień powietrza pracuje nad obracaniem łopat wiatraka. Część tej pracy zamienia się na energię prądu elektrycznego. Praca wiatru odbywa się kosztem jego energii kinetycznej, więc licząc średnio jego prędkość się zmniejsza. Sprawdź to rozumowanie doświadczalnie. Przytrzymaj lekko łopaty wiatraka i odczytaj szybkość przepływu powietrza z aerometru. Następnie puść łopaty i po chwili odczytaj ponownie przepływ. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Nie ponieważ, strumień powietrza pracuje nad obracaniem łopat wiatraka. Część tej pracy zamienia się na energię prądu elektrycznego. Praca wiatru odbywa się kosztem jego energii kinetycznej, więc średnio jego prędkość się zmniejsza. Sprawdź to rozumowanie doświadczalnie. Przytrzymaj lekko łopaty wiatraka i odczytaj szybkość przepływu powietrza z aerometru. Następnie puść łopaty i po chwili odczytaj ponownie przepływ. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) N Czy energia uzyskana przez wiatrak zależy od kształtu łopat wirnika? Tak Nie wybór TAK. Tak. Ilość energii uzyskiwanej zdecydowanie zależy od jej budowy. Porównaj uzyskaną moc prądu P=Ui dla trzech różnych w konstrukcji elektrowni. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Jednak tak. Ilość energii uzyskiwanej zdecydowanie zależy od jej budowy. Porównaj uzyskaną moc prądu P=Ui dla trzech różnych w konstrukcji elektrowni. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). 102

103 3.2.1 S. Poziom : Zadania dla studentów Zadanie S Wydajność elektrowni. Oszacuj wydajność jednej z trzech elektrowni. Wykonanie: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Trzeba wyznaczyć prędkość strumienia powietrza przed wiatrakiem V s, promień wirnika R, napięcie U oraz natężenie prądu i płynącego przez obciążenie. Moc wiatru to energia kinetyczna powietrza o gęstości ρ przeniesiona przez powierzchnię wirnika πr 2 w ciągu 1 sekundy: czyli P w =ρvπr 2 /2. Moc prądu obciążenia P=Ui. Sprawność : η=p/p w. Zadanie S Budowa, a wydajność. Mimo, że jest sporo różnych rozwiązań konstrukcyjnych najczęściej stosuje się wirniki trzyłopatkowe. Sprawdź, która z elektrowni jest najbardziej wydajna. Wykonanie: (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Dla trzech modeli. Trzeba wyznaczyć prędkość strumienia powietrza przed wiatrakiem V s, promień wirnika R, napięcie U oraz natężenie prądu i płynącego przez obciążenie. Moc wiatru to energia kinetyczna powietrza o gęstości ρ przeniesiona przez powierzchnię wirnika πr 2 w ciągu 1 sekundy: czyli P w =ρvπr 2 /2. Moc prądu obciążenia P=Ui. Sprawność : η=p/p w. 103

104 3.3. Siła wiatru. Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji 0/Menu zerowe Energetyczny wiatru Siła wiatru a/ Menu główne: Siła wiatru Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania Energetyczny wiatr... b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Opis 1 Przebieg Doświadczenia opis dziłań Zadania Zadanie 1 Opis 2 Zadanie 3 Zadanie n Uwagi bezpieczeństwa Uwagi bezpieczeństwa c/ Trzeci poziom Menu podpowiedz dla studentów odpowiedz na TAK lub NIE dla uczniów 104

105 3.3. Główne menu strony Siła wiatru Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia 3.3.a Drugi poziom menu: Zadania Informacje ogólne Wiatrem jest lekka bryza, silne podmuchy, huragan i tornado. Bryzę i silny wiatr można wykorzystać. Huragan i tornada najczęściej niestety są niszczycielskimi siłami. Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów ; i z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji klip Tornado. Klip 10 sekundowy przedstawiający tornado i jego niszczące efekty. Dwa zdania wyjaśniające. Czas trwania filmu:10-15s. Przykład filmu: Odtwarzacz: zdjęcie końcowe zniszczenia. Podpis do Rys Wiatr może niszczyć. 105

106 3.3.3-klip Żaglówka. Klip 10 sekundowy przedstawiający płynąca żaglówkę. Stopklatka i grafika sił: N- nacisk wiatru na żagle, R-reakcja wody, T- siła oporu ruchu, F- wypadkowa sił N i R. Dwa zdania wyjaśniające. Czas trwania filmu:10s. Następnie stopklatka. Rys Żaglówka. W T N R F Podpis do Rys Wiatr działa na ożaglowanie pewną siłą N. Siła reakcji R wody na kil/miecz i kadłub żaglówki przeciwdziała przesunięciu żaglówki po wodzie. Wypadkowa sił N i R, czyli F=N+R jest siłą powodująca płynięcie żaglówki w pożądanym kierunku. Siła oporu wody i powietrza T ogranicza maksymalną prędkość łódki. 106

107 3.3.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia Uwaga: Jasność przekazu dydaktycznego wymaga aby, że siłomierze mierzyły siłę wzdłuż osi łódki i siłę prostopadłą do osi łódki. Konstrukcja układu powinna umożliwiać kontrolowaną i mierzalną zmianę kierunku wiatru względem osi łódki. Przebieg badań. Siła wiatru. Żeglowanie polega na wykorzystaniu wiatru, wody i żagla. Wiatr może uszkodzić konstrukcję budynku. Oba zjawiska występują dzięki sile oddziaływania wiatru na obiekt. Celem doświadczenia jest zbadanie sił oporu jakie stawia żagiel lub budynek. Procedura wymiany żagla na budynek (i odwrotnie): 1.Odchyl zacisk Z, wyjmij żagiel z prowadnicy i włóż go na oznaczone miejsce. 2.Wyciągnij z uchwytu model budynku, odchyl zacisk i włóż model do prowadnicy. Metodyka badań sił działających na żagiel/budynek: 1. Nakieruj wentylator W na żagiel/budynek. 2. Włącz wentylator i odczytaj wartość sił w kierunku X i Y. 3.Wyznacz wartości sił dla różnych kątów ustawienia żagla/budynku względem kierunku wiatru. Klasyczny pulpit do odtwarzania nagrań z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia. Na tym poziomie menu jest: film sek. pokazujący ustawienie żagla/budynku, ustawienie wentylatora i włączenie przepływu i stopklatka układu. Grafika pokazująca wentylator elementy układu, strumień powietrza, siły działające /mierzone przez siłomierze a Odtwarzacz: szkic układu. W- wentylator Żaglówka/budynek Siłomierz X Siłomierz Y Opis funkcjonalny : W- wentylator Ż- żaglówka/budynek Siłomierz X 107

108 Siłomierz Y b Okno odczytu wartości sił. Ł/B F x α F y F x = 1,5 N F y = 0,5 N W W oknie grafika przedstawiająca układ (widok z góry) : wentylatora -W, łódki/budynku -Ł/B, Sił F x i F y, kąta α oraz dwa okienka z odczytem rzeczywistej wartości sił. 108

109 3.3.c Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów (N). Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 3.3.N. Poziom : Zadania dla uczniów N Czy żaglówka może płynąć prosto pod wiatr? Tak Nie wybór TAK. Nie może. Jednak, jeśli jej ożaglowanie jest odpowiednie i posiada kil lub miecz, to można halsować i zygzakiem efektywnie płynąć pod wiatr. Cała sztuka, aby kierunek łódki i ustawienie żagla względem wiatru było optymalne. Sprawdź, że siła oddziaływania wiatru na żagiel zależy od kierunku wiatru. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Nie może. Jednak, jeśli jej ożaglowanie jest odpowiednie i posiada kil lub miecz, to można halsować i zygzakiem efektywnie płynąć pod wiatr. Cała sztuka aby kierunek łódki i ustawienie żagla względem wiatru było optymalne. Sprawdź, że siła oddziaływania wiatru na żagiel zależy od kierunku wiatru. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) N Czy okrągły budynek stawia większy opór wiatrowi niż prostopadłościenny budynek podobnej wielkości? Tak Nie wybór TAK. Nie powinien. Płaskie powierzchnie stawiają większy opór strumieniowi powietrza niż powierzchnie zaokrąglone. Zbadaj siłę oporu modelu budynku The Gherkin (zwanym jajem) i modelu typowego budynku z dzielnicy Morena w Gdańsku (prostopadłościenne pudełko). (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Nie ponieważ, płaskie powierzchnie stawiają większy opór strumieniowi powietrza niż powierzchnie zaokrąglone. Zbadaj siłę oporu modelu budynku The Gherkin (zwanym jajem) i modelu typowego budynku z dzielnicy Morena w Gdańsku (prostopadłościenne pudełko). (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). 109

110 3.3.1 S. Poziom : Zadania dla studentów Zadanie S Opory powietrza dla kształtnych budynków. Zbadaj wartość sił działających na budynek w funkcji kąta w zakresie od Zbadaj budynek The Gherkin oraz typowy budynek z dzielnicy Morena w Gdańsku (prostopadłościenne pudełko). Zbadaj przy jakim kącie siły oporu są największe. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Warto wyznaczyć np. co 10 0 wartości sił F x i F y. Następnie obliczyć wartość siły wypadkowej F=F x +F y, czyli F=(F x 2 +F y 2 ) 0,5. Zadanie S Siła żagla. Zbadaj wartość sił działających na żagiel w funkcji kąta w zakresie od Zbadaj przy jakim kącie siła działająca wzdłuż osi jest największa. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Warto wyznaczyć np. co 10 0 wartości sił F x i F y. Następnie obliczyć składowe tych sił działające wzdłuż osi łódki i je w odpowiedni sposób dodać. 110

111 3.4. Karta opisu : Dźwięk a próżnia 3.4. Informacje ogólne Dźwięk jest falą mechaniczną poruszającą się w ośrodku sprężystym. Takim ośrodkiem jest gaz, ciecz i ciało stałe. W każdym z ośrodków dźwięk jest to poruszające się zaburzenie gęstości ośrodka Zdjęcie układu doświadczalnego z zaznaczonymi elementami: 3.4. Przebieg Doświadczenia. Włącz układ przyciskiem P. Włącz radio, posłuchaj chwilę i otwórz zawór Z między pompą próżniową P p i kloszem K. Obserwuj manometr i słuchaj radia Odpowiedz na pytania. Dlaczego dźwięk radia pod kloszem zanika po odpompowaniu powietrza pod kloszem? Czy w rzeczywistym (nie filmowym SF) kosmosie słychać będzie silniki przelatującego obok statku kosmicznego? 111

112 4.1. Cząstki we mgle. Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji a/ Menu główne: Komora mgłowa Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Opis 1 Przebieg Doświadczenia opis dziłań Zadania Zadanie 1 Opis 2 Zadanie 3 Zadanie n Uwagi bezpieczeństwa Uwagi bezpieczeństwa c/ Trzeci poziom Menu podpowiedz dla studentów odpowiedz na TAK lub NIE dla uczniów 112

113 4.1. Cząstki we mgle. Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania 4.1 Drugi poziom menu: Informacje ogólne Przez całe życie przenikają przez nas cząstki jonizujące z kosmosu i te wytworzone na Ziemi. Oprócz protonów, elektronów, neutronów, kwantów promieniowania gamma i innych docierających z głębi kosmosu wiele cząstek pochodzi ze Słońca. Dzięki polu magnetycznemu Ziemi tylko niewielka część z nich dociera do nas. Do cząstek pochodzących z kosmosu dołączają cząstki powstałe w wyniku promieniotwórczości naturalnej niektórych pierwiastków. Całe nasze środowisko, w którym człowiek żyje od setek tysięcy lat wypełnione jest cząstkami jonizującymi o poziomie promieniowania nazywanym promieniowaniem tła. Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów ; i z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji Zorza. Grafika/ zdjęcie przedstawiające jak pole magnetyczne chroni Ziemię. Na zdjęciu (rys a) poruszają się wektory symulacja ruchu cząstek. Po 10 s. płynne przejście do zdjęcia zorzy. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Czas trwania filmu:15s. Rys a Słońce i pole Ziemi. Grafika. λ Strumień cząstek wiatr słoneczny Ziemia i pole magnetyczne Rys b Zorza- przykład zdjęcia. 113

114 Podpis do rys Pole magnetyczne Ziemi kieruje większość wiatru słonecznego, czyli cząstek jonizujących w kierunku biegunów. Tam cząstki jonizują powietrze tworząc fantastyczne w kształcie i kolorystyce zorze. Czasami wiatr słoneczny jest tak duży, że cząstki pojawiają się masowo i w naszych szerokościach geograficznych. Wtedy można spodziewać się zakłóceń w działaniu sieci energetycznej, Internetu i elektroniki komunikacyjnej Pomiar tła. Film przedstawiający działający licznik GM - słychać impulsy i wskazania. Po zbliżeniu do KCl 10 s odczytu. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Czas trwania filmu:20s. Rys Licznik GM np. typu ECO. 114

115 λ KCl Podpis do rys Wokół nas i w nas można znaleźć pierwiastki promieniotwórcze. Licznik Geigera może zmierzyć poziom promieniowania tła, a także wykazać, że na przykład część potasu znajdującego się w ciele jest promieniotwórcza. To jest jeden z aspektów środowiska, w którym żyjemy od setek tysięcy lat. 115

116 4.1.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia Komora mgłowa. Dzięki zdolności cząstek do jonizacji można obserwować tor pojedynczych cząstek. W komorze mgłowej, w której oprócz powietrza są pary alkoholu, szybka cząstka jonizuje na swojej drodze molekuły powietrza. Jony powodują kondensację par alkoholu i powstaje widoczna gołym okiem ścieżka z mgły. W ten sposób w pośredni sposób poznajemy tor, tor ruchu cząstki jonizującej. Pomiar toru i prędkości takiej cząstki w polu magnetycznym pozwala na jej identyfikację. Doświadczenie polega na obserwacji promieniowania tła i cząstek materiałów promieniotwórczych. Ze względu na zaawansowaną technikę doświadczenie wykonuje się tylko pod okiem opiekuna-prowadzącego zajęcia. 4. Po zakończeniu obserwacji wyłącz układ. W przypadku braku opiekuna warto przeanalizować nagranie tego doświadczenia. Klasyczny pulpit do odtwarzania nagrań z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia: pokaz tła i promieniotwórczości naturalnej. Rys. 4.1.b Odtwarzacz. Szkic ekranu. Nagranie doświadczenia dla uczniów/uczestników bez opieki prowadzącego. 4.1.b Podpis: Wyjaśnienie doświadczenia 4.1.cOkno uwag 116

117 Uwaga: Środowisko z promieniowaniem elektromagnetycznym i jonizującym to nasze środowisko. 4.1.c Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów (N). Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 4.1. N. Poziom : Zadania dla uczniów N Czy szybkie cząstki typu elektron, neutron, proton, kwant promieniowania elektromagnetycznego mogą zjonizować inne cząstki? Tak Nie wybór TAK. Tak. Szybka cząstka zderzając się z inną może oddać pewną część swojej energii i wybić elektron z innej cząstki. Powstanie swobodny elektron (ujemny ładunek) i dodatni jon. Popatrz na nagraniu, że właściwie nie widać cząstek tylko skutek ich zderzeń powstanie mgły w miejscu, gdzie te jony powstały. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Szybka cząstka zderzając się z inną może oddać pewną część swojej energii i wybić elektron z innej cząstki. Powstanie swobodny elektron (ujemny ładunek) i dodatni jon. Popatrz na nagraniu, że właściwie nie widać cząstek tylko skutek ich zderzeń powstanie mgły w miejscu, gdzie te jony powstały. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) N Czy pole magnetyczne zakrzywia tor cząstek jonizujących? Tak Nie wybór TAK. I tak i nie. Tak w przypadku cząstek naładowanych ładunkiem elektrycznym q np. elektrony, pozytony, protony, cząstki α. Na poruszający się w polu magnetycznym ładunek może działać siła Lorentza zmieniająca tor. Na cząstki nieposiadające ładunku np. neutrony, kwanty gamma pole nie działa i nie zakłóca ich toru. Zobacz jak magnes wpływa na obraz ruchu cząstek. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. 117

118 I tak i nie. Tak w przypadku cząstek naładowanych ładunkiem elektrycznym q np. elektrony, pozytony, protony, cząstki α. Na poruszający się w polu magnetycznym ładunek może działać siła Lorentza zmieniająca tor. Na cząstki nieposiadające ładunku np. neutrony, kwanty gamma pole nie działa i nie zakłóca ich toru. Zobacz jak magnes wpływa na obraz ruchu cząstek. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) S. Poziom : Zadania dla studentów S Tło. Zbadaj ile cząstek tła udało się zarejestrować w ciągu minuty na powierzchni 100cm 2. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Zgodnie z instrukcją i pod okiem opiekuna uruchomić doświadczenie. Uwaga: Trzeba z uwagą na wyznaczonym obszarze policzyć ślady. Powtórzyć pomiar 6-7 razy i uśrednić S Preparat promieniotwórczy. Zbadaj produkty rozpadu preparatu promieniotwórczego przy użyciu magnesu. Czy można rozpoznać jony dodatnie i elektrony? (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Zgodnie instrukcją i pod okiem opiekuna uruchomić doświadczenie. Zauważ, że w przypadku cząstek naładowanych ładunkiem elektrycznym q np. elektrony, pozytony, protony, cząstki α na poruszający się w polu magnetycznym ładunek może działać siła Lorentza zmieniająca tor. Na cząstki nieposiadające ładunku np. neutrony, kwanty gamma pole nie działa i nie zakłóca ich toru. 118

119 4.2. Machina Coelestis. Uwaga ogólna: Opis dotyczy sterowania układem za pomocą wbudowanego w stół obserwacyjny monitora dotykowego. Poniższy projekt jest interfejsem użytkownika opartym na 20 calowym monitorze dotykowym. Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji 4.2.A.Satelita na orbicie Ziemi 0/ Podstawowy poziom Menu Machina Coelestis Satelita na orbicie Ziemi Kometa w Układzie Słonecznym Podróż na Księżyc a/ Menu główne: Satelita na orbicie Ziemi. Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania Kometa Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania Podróż... Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania Opis 1 opis dziłań Zadanie 1 Opis 2 Info: Bada nie V Uwaga: ruch pr W Satelita u celu Uwagi na ęd uruchomi satel orbicie bezpieczeństwa Ziemi ko enia ity M=1000kg ść aplikacji geos Na orbicie Sa naciśnij tacjo geostacjonar narn tel nej przycisk ego ity Odległość Startu siła Hot prędkość okres Bird. obiegu podpowiedz dla studentów Zadanie 3 Zadanie n Uwagi bezpieczeństwa odpowiedz na TAK lub NIE dla uczniów R S-Z [km] F[N] V[km/s] T[godz] 119

120 4.2 Drugi poziom menu: Informacje ogólne Uwaga: Informacje ogólne są takie same dla wszystkich trzech zadań głównych, czyli Satelita na orbicie Ziemi, Kometa w Układzie Słonecznym i Podróż na Księżyc. W przestrzeni kosmicznej o swobodnym ruchu ciał decydują siły grawitacji. W przypadku ruchu małych mas M i m rządzi prawo powszechnego ciążenia Newtona F=GMm/r 2, gdzie r jest odległością między masami, a G stałą grawitacji. W przestrzeni kosmicznej mamy do czynienia z obiektami o dużych i bardzo dużych masach. Wtedy właściwym opisem jest opis ruchu na bazie Ogólnej Teorii Względności Einsteina, dla której przestrzeń jest zaginana przez pole grawitacyjne. Trzy zdjęcia ; i z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji. Aplikacja wyświetlana jest na stole-ekranie a Satelita na orbicie. Grafika/zdjęcie przedstawiające Ziemię i bardzo dużo torów kołowych niskich orbit satelity GPS, dalekich geostacjonarnych oraz eliptycznych. Układ ten sam co ekranie 4.2.A. Prawo grawitacji w oknie. Dwa zdania wyjaśniające. Model zgodny z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Czas trwania filmu:15-25s. Rys Ziemia i satelity. Grafika. F g =G M z m s /r 2 M z gdzie r F g m s a Podpis: Wokół Ziemi po niskich i dalekich orbitach kołowych lub eliptycznych krąży tysiące satelitów komunikacyjnych i naukowych oraz kosmiczne śmieci. Jedyną siłą działająca na te obiekty jest siła grawitacji F g. To ona powoduje, że obiekty orbitują po torach eliptycznych lub kołowych (koło to szczególny przypadek elipsy) Komety. Grafika przedstawiająca Układ słoneczny taki jak 4.2.B. Na grafice kilka torów komet : okresowych i hiperbolicznych. Prawo grawitacji w oknie. Dwa zdania wyjaśniające. 120

121 Model zgodny z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Czas trwania filmu:15-25s. Rys Układ Słoneczny i komety. Grafika. F g =G M z m s /r 2 gdzie r F g m s W Układzie Słonecznym porusza się mnóstwo obiektów. Komety, asteroidy, planety poruszają się po niskich i dalekich orbitach, po orbitach kołowych, eliptycznych, hiperbolicznych zmiennych. Jedyną siłą działająca na te obiekty jest siła grawitacji F g. Ruch po orbitach eliptycznych opisują prawa Keplera. I prawo: Każda planeta Układu Słonecznego porusza się wokół Słońca po elipsie, w której w jednym z ognisk jest Słońce. II prawo: W równych odstępach czasu, promień wodzący planety poprowadzony od Słońca zakreśla równe pola. III prawo: Stosunek kwadratu okresu obiegu planety wokół Słońca do sześcianu wielkiej półosi jej orbity (czyli średniej odległości od Słońca) jest stały dla wszystkich planet w Układzie Słonecznym Apollo 11. Zdjęcie człowieka na Księżycu. Dwa zdania wyjaśniające. 121

122 Podpis Apollo 11 misja kosmiczna, której głównym celem było pierwsze lądowanie człowieka na Księżycu. Lądowanie nastąpiło 20 lipca 1969 roku. Był to mały krok człowieka, ale wielki krok ludzkości Uwaga: W Archiwach Narodowych w Waszyngtonie znajduje się kopia notatki z 18 czerwca 1969 r., zatytułowanej Na wypadek katastrofy na Księżycu. Notatka zawiera tekst orędzia, które prezydent Richard Nixon miał wygłosić, gdyby astronauci nie byli w stanie powrócić na Ziemię. 122

123 4.2.A Machina Coelestis. Satelita na orbicie Ziemi. 4.2.A.b.Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia Założenia programowe: 1. Główne założenia scenariusza: Jest to pokaz ruchu satelity w płaszczyźnie równika wokół obracającej się Ziemi. Parametry początkowe programu to ruch po orbicie geostacjonarnej. Pierwszym etapem doświadczenia jest obserwacja ruchu konkretnego satelity geostacjonarnego przy zadanym kierunku i wartości wektora prędkości początkowej. Po wykonaniu tej części doświadczenia program umożliwia zmianę parametrów prędkości początkowej i wykonanie doświadczenie z ruchem satelity w dowolnym kierunku. Tor satelity obliczony jest uwzględniając tylko pole grawitacyjne Ziemi. W przypadku uderzenia w Ziemię program powinien przewidywać pokazanie efektu zderzenia. 2. Zasada działania: Po starcie program oblicza tor ruchu na podstawie prawa ciążenia oraz informacji o prędkości początkowej. Na ekranie - stole następuje wizualizacja ruchu satelity z zachowaniem praw ruchu z przeskalowanym czasem i odległości. Jednocześnie pokazane są wektory promienia wodzącego R, siły grawitacji F, okres obiegu T i prędkości satelity V. Ich długość odwzorowuje wartość i może być zmienne podczas ruchu. Wartości pokazywane są w oknach parametrów zmieniają się co np.1sekundę. 3. Skalowanie: ze względu na długość czasu i rozmiar badanego układu konieczne jest przeskalowanie czasu i odległości. Propozycja: skalowanie czasu dla tego przypadku: 10s=24h, skalowanie odległości: 1 cm= 1000km, rozmiar Ziemi i promień orbity proporcjonalne, rozmiar satelity bez skalowania (np.2cm). 4. Interfejs użytkownika: monitor dotykowy wbudowany w stół. Na monitorze typowy odtwarzacz z niezbędnymi informacjami. 10. Ogólny obraz ekranu/stołu R Satelita-Ziemia F Siła grawitacji Monitor operator a 123

124 4.2.A.b1. Ogólny obraz ekranu monitora sterującego: Info: Badanie ruchu satelity geostacjonarnego Hot Bird. Back Satelita na orbicie Ziemi M=1000kg Na orbicie geostacjonarnej Odległość siła prędkość okres obiegu R S-Z [km] F[N] V[km/s] T[godz] , F g V prędkość Satelity Uwaga: W celu uruchomienia aplikacji naciśnij przycisk Startu Powrót Replay Opis funkcjonalny: 1. Przyciski odtwarzacza: Przycisk Start/Stop: możliwość wystartowania, zatrzymania, kontynuacji. Przycisk Powtórka/Replay: powrót do parametrów początkowych satelity geostacjonarnej. Program powinien automatycznie przechodzić do menu głównego w przypadku braku działania operatora np. przez 3minuty. Przycisk Powrót/Back: powrót do menu głównego. 2.Okno Info: Aktualny temat badań. 3. Okno uwag: Informacje dla operatora zależne od sytuacji np. Uwaga: Naciśnij start i obserwuj jak porusza się satelita geostacjonarny. Po wykonaniu pierwszego doświadczenia - obserwacji satelity geostacjonarnego w oknie Uwag dla operatora: Zmień prędkość - przesuń początek wektora prędkości i obserwuj, jak porusza się satelita wystrzelony z tą prędkością. W przypadku, gdy okres obiegu T jest nieracjonalnie duży np. T>60s generowany jest odpowiedni komunikat. 4.Okno parametrów lotu: dane satelity, odległości, sił, prędkości i okresu obiegu. Wartości zmiennych wielkości wyświetlają się w tabeli i są aktualizowane np. co.1s. 5. Wektor prędkości : wektor od długości ok. 3cm=1km/s, przyczepiony do zdjęcia satelity. Po wykonaniu badania satelity geostacjonarnego, przeciągając czerwony punkt można zmienić parametry jego prędkości początkowej. 124

125 4.2.A.c Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów (N). Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 4.2.A.N. Poziom : Zadania dla uczniów 4.2A.1.N Czy energia potencjalna i kinetyczna satelity geostacjonarnego nie zmienia się w czasie? Tak Nie wybór TAK. Tak. Ruch satelity geostacjonarnego to przypadek ruchu jednostajnego po okręgu. Siła grawitacji działając prostopadle do wektora prędkości zmienia jego kierunek, ale nie zmienia wartości prędkości. Satelita na tej orbicie ma energię kinetyczną E k =mv 2 /2 i energię potencjalną grawitacji E p =-GMm/r. Oblicz energię kinetyczną satelity i sprawdź, czy rzeczywiście wartość prędkości nie ulega zmianie. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Jednak tak. Ruch satelity geostacjonarnego to przypadek ruchu jednostajnego po okręgu. Siła grawitacji działając prostopadle do wektora prędkości zmienia jego kierunek, ale nie zmienia wartości prędkości. Satelita na tej orbicie ma energię kinetyczną E k =mv 2 /2 i energię potencjalną grawitacji E p =-GMm/r. Oblicz energię kinetyczną satelity i sprawdź, czy rzeczywiście wartość prędkości nie ulega zmianie. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). 4.2.A.2.N Czy satelita geostacjonarny może spaść na Ziemię w przypadku np. zmniejszeni prędkości w wyniku zderzenia z kosmicznym śmieciem? Tak Nie wybór TAK. Tak. Wykonaj doświadczenie sprawdzające hipotezę.:(przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Tak. Wykonaj doświadczenie sprawdzające hipotezę. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). 125

126 4.2A.1S. Poziom : Zadania dla studentów 4.2A.1.S Energia w polu grawitacyjnym. Wyznacz energię kinetyczną, energię potencjalną i całkowitą satelity geostacjonarnego. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Odczytaj wartości odpowiednich wektorów. Satelita na tej orbicie ma energię kinetyczną E k =mv 2 /2 i energię potencjalną grawitacji E p =-GMm/r. E c = E k +E p. M-masa Ziemi M= kg. G-stała grawitacji G=6, m 3 /kgs A.2.S Energia ucieczki. Wyznacz prędkość przy której satelita opuści na zawsze obszar przyciągania Ziemi. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Prędkość musi być minimalnie taka, aby energia całkowita była równa zero. 4.2.A.3.S Sprawdź zasadność trzeciego prawa Keplera dla modelu satelity poruszającego się po kole i elipsie. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Ustaw prędkość satelity tak, aby poruszał się po elipsie. Zmierz półoś elipsy i okres oraz porównaj wynik z orbitą kołową. Rys.423s. Graficzne przedstawienie drugiego prawa Keplera oraz definicja wielkiej półosi elipsy. ΔA Półoś elipsy Δs=VΔt Δs=VΔt - droga satelity/komety w ciągu krótkiego czasu Δt ΔA - pole wyznaczone przez ruch promienia wodzącego w ciągu krótkiego czasu Δt ΔA 126

127 4.2. Machina Coelestis. 4.2.B Kometa w Układzie Słonecznym Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji 0/ Podstawowy poziom Menu Machina Coelestis Satelita na orbicie Ziemi Kometa w Układzie Słonecznym Podróż na Księżyc a/ Menu główne: Kometa w Układzie Sł. Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania Satelita na orbicie Ziemi. Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania Księżyc Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania Op opis dziłań Zadanie 1 Op, Zadanie 3 Zadanie n Uwagi bezpieczeństwa Uwagi bezpieczeństwa podpowiedz dla studentów odpowiedz na TAK lub NIE dla uczniów 127

128 4.2.B Kometa w Układzie Słonecznym 4.2.B.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia Założenia programowe: 1. Główne założenia scenariusza: Jest to pokaz ruchu komet/asteroid w płaszczyźnie równika Słońca. Tłem to Układ Słoneczny do orbity Jowisza włącznie, jednak tor jest obliczany uwzględniając tylko pole grawitacyjne Jowisza i Słońca. Pozostałe planety można zaniedbać. Po zbliżeniu do Słońca pojawia się warkocz komety i rośnie do peryhelium. W przypadku kolizji z Jowiszem lub Słońcem program automatycznie rozwija okno powiększenia, na którym na tle zdjęcia Jowisza lub Słońca następuje eksplozja komety w przypadku uderzenia. Parametry początkowe programu to ruch Komety 4P/Faye. Pierwszym etapem doświadczenia jest obserwacja ruchu komety Faye przy zadanym kierunku i wartości wektora prędkości początkowej. Po wykonaniu tej części program umożliwia zmianę parametrów prędkości początkowej i wykonanie doświadczenie z ruchem komety w dowolnym kierunku. 2. Zasada działania: Po starcie program oblicza tor ruchu na podstawie prawa ciążenia oraz informacji o prędkości początkowej. Potem następuje wizualizacja ruchu komety z zachowaniem praw ruchu z przeskalowanym czasem. Jednocześnie pokazane są wektory promienia wodzącego R, siły grawitacji F i prędkości komety V. Wartości pokazywane są w oknach parametrów zmieniają się co np.1sekundę. 3. Skalowanie: ze względu na długość czasu i rozmiar badanego układu konieczne jest przeskalowanie czasu i odległości. Propozycja: skalowanie czasu dla tego przypadku: 10s=2 lata, skalowanie odległości: 4 cm= 1 j.a., rozmiar Słońca, promień orbity; rozmiar komety bez zachowania proporcji. Jowisz w odległości ok. 2/3 promienia ekranu. 4. Interfejs użytkownika: monitor dotykowy wbudowany w stół. Na monitorze typowy odtwarzacz z niezbędnymi informacjami. 10. Ogólny obraz ekranu/stołu Jowisz R kometa-słońce F Siła grawitacji Monitor operator a 128

129 4.2.B.b1. Ogólny obraz ekranu monitora sterującego: Info: Badanie ruchu komety Faye. Back Kometa Faye M= kg, Średnica =4,5km Na orbicie okresowej Odległość siła prędkość okres obiegu R K-S [j.a] F[N] V[km/s] T[lata] 6,2 yyy xxx 7,5 V prędkość kometty Uwaga: W celu uruchomienia aplikacji naciśnij przycisk Startu Powrót Replay Opis funkcjonalny: 1. Przyciski odtwarzacza: Przycisk Start/Stop: możliwość wystartowania, zatrzymania, kontynuacji. Przycisk Powtórka/Replay: powrót do parametrów początkowych komety. Program powinien automatycznie przechodzić do menu głównego w przypadku braku działania operatora np. przez 3minuty. Przycisk Powrót/Back: powrót do menu głównego. 2.Okno Info: Aktualny temat badań. 3. Okno uwag: Informacje dla operatora zależne od sytuacji np. Uwaga: Naciśnij start i obserwuj jak porusza się kometa Faye. Po wykonaniu pierwszego doświadczenia - obserwacji komety Faye w oknie uwag dla operatora: Zmień prędkość - przesuń początek wektora prędkości i obserwuj, jak porusza się kometa poruszająca się z tą prędkością. W przypadku, gdy okres obiegu T jest nieracjonalnie duży np. T>60s generowany jest odpowiedni komunikat. 4.Okno parametrów lotu: dane komety, odległości, sił, prędkości i okresu obiegu. Wartości tych wielkości wyświetlają się w tabeli i są aktualizowane np. co.1s. 5. Wektor prędkości: wektor od długości ok. 10cm, przyczepiony do zdjęcia komety. Po wykonaniu badania komety Faye, przeciągając czerwony punkt można zmienić parametry jego prędkości początkowej. 129

130 4.2.B.c Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów (N). Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 4.2.B.N. Poziom : Zadania dla uczniów 4.2B.1.N Czy kometa może zmienić swój tor ruchu przemierzając obszar planet? Tak Nie wybór TAK. Tak. Szczególnie ważny jest Jowisz zwany wymiataczem komet. Jowisz ma tak silne pole grawitacyjne, że może wytrącić z toru, pochłonąć kometę lub wykreować nową. Wykonaj doświadczenie kierując kometę w pobliże Jowisza. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Tak. Szczególnie ważny jest Jowisz zwany wymiataczem komet. Jowisz ma tak silne pole grawitacyjne, że może wytrącić z toru, pochłonąć kometę lub wykreować nową. Wykonaj doświadczenie kierując kometę w pobliże Jowisza. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). 4.2B.2.N Czy kometa Faye będzie podróżowała przez milion lat po tym samym torze? Tak Nie wybór TAK. Nie. Z każdym zbliżeniem do Słońca kometa traci miliony ton materiału (lodu i pyłów) systematycznie zmieniając swoją orbitę. Czeka ją w końcu zagłada. Warkocz komety to utracony materiał komety odbijający światło słońca. Ciekawe, że warkocz komety tworzy się zawsze od Słońca. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Nie. Z każdym zbliżeniem do Słońca kometa traci miliony ton materiału (lodu i pyłów) systematycznie zmieniając swoją orbitę. Czeka ją w końcu zagłada. Warkocz komety to utracony materiał komety odbijający światło słońca. Ciekawe, że warkocz komety tworzy się zawsze od Słońca. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). 4.2.B S. Poziom : Zadania dla studentów 130

131 4.2.1.S Komety okresowe. Wyznacz energię całkowitą komety Faye w co najmniej trzech punktach lotu (punkt startu, peryhelium i w innym dowolnym punkcie) Wyznacz prędkość komety dla, której kometa opuści Układ Słoneczny na zawsze. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Można doświadczalnie próbować zwiększać prędkość. Można też oszacować wartość prędkości na bazie zasady zachowania energii. 4.2.B.2.S Sprawdź zasadność trzeciego prawa Keplera dla komety poruszającej się po kole i elipsie. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Ustaw prędkość satelity tak aby poruszał się po elipsie. Zmierz półoś elipsy i okres orbity oraz porównaj wynik z orbitą kołową. 131

132 4.2. Machina Coelestis. 4.2.C Podróż na Księżyc Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji 0/ Podstawowy poziom Menu Machina Coelestis Satelita na orbicie Ziemi Kometa w Układzie Słonecznym Podróż na Księżyc a/ Menu główne: Podróż na Księżyc Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania Satelita na orbicie Ziemi. Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania Kometa.. Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania Op opis dziłań Zadanie 1 Op Zadanie 3 Zadanie n Uwagi bezpieczeństwa Uwagi bezpieczeństwa podpowiedz dla studentów odpowiedz na TAK lub NIE dla uczniów 132

133 4.2.C.b Machina Coelestis. Podróż na Księżyc. 4.2.C.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia Założenia programowe: 1. Główne założenia scenariusza: Jest to pokaz ruchu statku Apollo11 na tle Ziemi i Księżyca. Tor obliczany uwzględniając pole grawitacyjne Ziemi i Księżyca. W przypadku włączenia silników hamujących program uwzględnia dodatkową siłę. W sytuacji, gdy statek znajduje się w pobliżu Księżyca (np. ok.10 tys.km) program automatycznie powiększa obraz sytuacji. W ten sposób można będzie pokazać tarczę/zdjęcie Księżyca i moment wejścia na orbitę (lub katastrofy). Opcja: Uwzględnić ruch orbitalny Księżyca. Parametry początkowe programu to ruch Apollo 11. Pierwszym etapem doświadczenia jest obserwacja ruchu Apolla przy zadanym kierunku i wartości wektora prędkości początkowej. Po wykonaniu tej części program umożliwia zmianę parametrów prędkości początkowej i wykonanie doświadczenie z ruchem statku w dowolnym kierunku. 2. Zasada działania: Po starcie program oblicza tor ruchu na podstawie prawa ciążenia oraz informacji o prędkości początkowej. Potem następuje wizualizacja ruchu statku z zachowaniem praw ruchu z przeskalowanym czasem. Jednocześnie pokazane są wektory promienia wodzącego R, siły grawitacji F i prędkości statku V. Wartości zmiennych pokazywane są w oknach parametrów zmieniają się co np.1sekundę. 3. Skalowanie: ze względu na długość czasu i rozmiar badanego układu konieczne jest przeskalowanie czasu i odległości. Propozycja: skalowanie czasu dla tego przypadku: 10s=1 dzień skalowanie odległości: 30 cm= km, rozmiar Ziemi i Księżyca: ok. Ziemia 4cm, Księżyc 1.2 cm promień orbity; rozmiar statku bez zachowania proporcji. 4. Interfejs użytkownika: monitor dotykowy wbudowany w stół. Na monitorze typowy odtwarzacz z niezbędnymi informacjami. 10. Ogólny obraz ekranu/stołu Księżyc Ekran operatora 133

134 4.2.C.b1. Ogólny obraz ekranu monitora sterującego (full screen): Info: Podróż Apollo 11 Droga Z-K =380000km Apollo 11 M= kg, Odległość siła prędkość okres obiegu R S-Z [tys.km] F[MN] V[km/s] t[godz] V prędkość Statku 62 yyy xxx 56 Uwaga: W celu uruchomienia aplikacji naciśnij przycisk Startu Silnik hamujący p Powrót Opis funkcjonalny: 1. Przyciski odtwarzacza: Przycisk Start/Stop: możliwość wystartowania, zatrzymania, kontynuacji. Przycisk Powtórka/Replay: powrót do parametrów początkowych komety. Program powinien automatycznie przechodzić do menu głównego w przypadku braku działania operatora np. przez 3minuty. Przycisk Powrót/Back: powrót do menu głównego. Przycisk Silniki hamujące: włączanie silników 2.Okno Info: Aktualny temat badań. 3.Okno uwag: Informacje dla operatora zależne od sytuacji np. Uwaga: Naciśnij start i zobacz jak wyglądała historyczna podróż Apolla11. Po wykonaniu pierwszego doświadczenia - obserwacji lotu Apolla11 w oknie uwag dla operatora: Zmień prędkość - przesuń początek wektora prędkości i obserwuj, jak porusza się statek z tą prędkością początkową. Sprawdź, czy wejdziesz na orbitę Księżyca za pomocą silników hamujących. W przypadku, gdy okres obiegu T jest nieracjonalnie duży np. T>60s generowany jest odpowiedni komunikat typu. Wyleciałeś poza układ Ziemi. Przewidywany czas powrotu - nigdy. 4.Okno parametrów lotu: dane statku, odległości, sił, prędkości i okresu obiegu. Wartości tych wielkości wyświetlają się w tabeli i są aktualizowane np. co.1s. 134

135 5. Wektor prędkości: wektor od długości ok. 10cm, przyczepiony do zdjęcia statku. Po wykonaniu lotu na Księżyc Appolla, przeciągając czerwony punkt można zmienić parametry jego prędkości początkowej i polecieć

136 4.2.C.c Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów (N). Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 4.2.C.N. Poziom : Zadania dla uczniów 4.2.C1.N Czy załoga Apolla 11 miała szansę wrócić na Ziemię, gdyby w wyniku błędu statek przeleciał by zbyt daleko od Księżyca? Tak Nie wybór TAK. Niestety nie. Zapas paliwa wystarczał na powrót tylko przy założeniu wejścia na orbitę Księżyca. Wykonaj doświadczenie: skieruj Statek obok Księżyca. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Niestety nie. Zapas paliwa wystarczał na powrót tylko przy założeniu wejścia na orbitę Księżyca. Wykonaj doświadczenie: skieruj Statek obok Księżyca. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). 4.2.C.2.N Czy istnieje punkt na osi Ziemia-Księżyc dla którego siły przyciągania się równoważą? wybór TAK. Tak. Jest taki punkt. Wyznacz go doświadczalnie obserwując siłę działającą na statek lecący na Księżyc. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Jednak tak. Jest taki punkt. Wyznacz go doświadczalnie obserwując siłę działającą na statek lecący na Księżyc. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). 4.2.C.3.N Czy podczas podróży na Księżyc astronauci cały czas odczuwali stan nieważkości? wybór TAK. Nie. Podczas przyspieszania i hamowania statku działała na nich siła bezwładności. W przypadku lotu swobodnego astronauci pracowali w stanie nieważkości. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Nie. Podczas przyspieszania i hamowania statku działała na nich siła bezwładności. W przypadku lotu swobodnego astronauci pracowali w stanie nieważkości. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). 136

137 4.2.C S. Poziom : Zadania dla studentów 4.2.C1.S Wyznacz jaką energię statku w punkcie równowagi sił grawitacyjnych Ziemi i Księżyca. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Wyznacz punkt doświadczalnie obserwując siłę działającą na statek lecący na Księżyc i sprawdź jaką prędkość ma statek w tym punkcie. 4.2.C2.S Oszacuj jaką pracę muszą wykonać silniki hamujące) aby statek wszedł na niską orbitę Księżyca. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Określ energię jaką miałby statek gdyby przeleciał w pobliżu Księżyca bez hamowania oraz energię statku na orbicie Księżyca. Różnica tych energii musi być pracą silników. 4.2.C3.S Droga Ziemia Księżyc. Znajdź punkt równowagi sił grawitacyjnych Ziemi i Księżyca. Jakie będą skutki zbyt wczesnego lub zbyt późnego włączenia silników hamujących? (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Sprawdź wynik kilku symulacji - dla różnych czasów włączenia silników. 137

138 5.1.Czujny siłownik. Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji a/ Menu główne: Czujny siłownik Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Opis 1 Przebieg Doświadczenia opis dziłań Zadania Zadanie 1 Opis 2 Zadanie 3 Zadanie n Uwagi bezpieczeństwa Uwagi bezpieczeństwa c/ Trzeci poziom Menu podpowiedz dla studentów odpowiedz na TAK lub NIE dla uczniów 138

139 5.1.Czujny siłownik. 5.1.a Drugi poziom menu: Informacje ogólne Siłowniki to urządzenia pozwalające na kontrolowany ruch obiektów. Źródłem siły może być różnica ciśnień płynów (siłowniki pneumatyczne i hydrauliczne) lub pole elektromagnetyczne siłowniki elektryczne. Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów ; i z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji klip Siłownik pneumatyczny. Film przedstawiający siłownik pneumatyczny użyty w doświadczeniu. Następnie stopklatka i przejście do animacji korpus, przekrój, tłok, zawory. Film 10 sekund, animacja do 20 sekund Odtwarzacz: Przykład początku animacji ruch tłoka w lewą stronę. F= ( p 1 -p 2 ) S p 2 T S powierzchnia tłoka p 1 F siła ciśnienie wyjściowe P 2 P 1 ciśnienie wejściowe Podpis do Rys Siłownik pneumatyczny to urządzenie mechaniczne, zamieniające ciśnienie powietrza lub innego gazu na przemieszczenie elementów albo wzdłużne, albo wokół swojej osi. Doprowadzenie gazu pod ciśnieniem p 1 większym lub mniejszym od ciśnienia atmosferycznego do jednej z komór siłownika powoduje przemieszczenie się tłoka wewnątrz cylindra i końcówki roboczej zamocowanej do tego tłoka. Konstrukcja siłownika określa, czy przemieszczenie to będzie wzdłużne, czy kątowe., 139

140 5.1.2-klip Siłownik liniowy elektryczny. Film przedstawiający siłownik elektryczny użyty w doświadczeniu. Następnie stopklatka i przejście do animacji korpus, przekrój. Film 10 sekund, animacja do 20 sekund. Całość zgodna z wiedzą na siłownika Odtwarzacz: Przykład przekroju siłownika podstawa do animacji. Śruba długa Silnik elektryczny Trzpień wyjściowy Tłok na prowadnicach Podpis do rys Elektryczne siłowniki (aktuatory liniowe) stosowane są powszechnie w automatyce przemysłowej. Jest wiele rozwiązań zamiany energii prądu elektrycznego na ruch posuwisty. Można np. silnikiem elektrycznym obracać długą śrubę, powodując ruch wzdłużny tłoka na prowadnicach. Trzpień połączony z tłokiem jest elementem wykonawczym. 140

141 5.1.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia Czujny siłownik. Doświadczenie polega na zbadaniu reakcji ruchomego obiektu wyposażonego w czujniki ruchu. Obiektem jest kula K uzbrojona w dwa czujniki ruchu C. Możliwość obrotu zapewnia siłownik O, ruchu w pionie siłownik pneumatyczny P i elektryczny EL. Odpowiednie oprogramowania powoduje, że kula unika zbliżających się obiektów manewr uniku Wykonanie badań: 1. Zobacz jak porusza się kula sterowana ręcznie z poziomu komputera. 2. Włącz program unik. Zbliż wolno dłoń do kuli i obserwuj jej reakcję. 3. Zbliżaj wolno dłoń do kuli z różnych kierunków. Klasyczny pulpit do odtwarzania nagrań z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia. Na tym poziomie menu w odtwarzaczu 15 sek. klip pokazujący działanie kuli b Odtwarzacz: Rzeczywisty układ b. Program automatycznej reakcji-odsunięcia na zbliżenie obiektu do kuli z czujnikami d. Okno programu sterującego: dwa suwaki pozwalające na ruch siłowników, jeden obrotowy i włącznik/wyłącznik programu z wyłącznikiem czasowym. Siłownik pneum. Siłownik elektr. Sił. obrotowy Włącznik programu 5.1.1c Okno uwag: Uwaga: Z kulą obchodzić się należytą ostrożnością. 141

142 5.1.c Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów. Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 5.1.N. Poziom : Zadania dla uczniów N Czy reakcja na próbę zbliżenia dłoni układu kuli jest natychmiastowa? Tak Nie wybór TAK. Nie. Każdy z elementów układu reaguje z pewnym opóźnieniem. Szczególnie duży czas reakcji mogą wykazać siłowniki. Sprawdź, jak układ kuli reaguje, gdy wolno zbliżysz rękę do kuli. Zobacz jak reaguje układ, gdy nieco szybciej zbliżysz dłoń (tylko nie uderzaj). (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór Nie. Nie. Każdy z elementów układu reaguje z pewnym opóźnieniem. Szczególnie duży czas reakcji mogą wykazać siłowniki. Sprawdź, jak układ kuli reaguje, gdy wolno zbliżysz rękę do kuli. Zobacz jak reaguje układ, gdy nieco szybciej zbliżysz dłoń (tylko nie uderzaj). (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) N Czy kula czujna jest ze wszystkich stron? Tak Nie wybór TAK. Raczej nie. Musiała by mieć więcej czujników ruchu dookoła. Przy trzech czujnikach można znaleźć tzw. martwą strefę. Sprawdź czy ten układ ma martwą strefę i czy możesz delikatnie dotknąć palcem powierzchnię kuli nie powodując jej reakcji. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Raczej nie. Musiała by mieć więcej czujników ruchu dookoła. Przy trzech czujnikach można znaleźć tzw. martwą strefę. Sprawdź czy ten układ ma martwą strefę i możesz delikatnie dotknąć palcem powierzchnię kuli nie powodując jej reakcji. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). 142

143 5.1. S. Poziom : Zadania dla studentów S Siłowniki. Zbadaj maksymalne obszar działania zachowania typu unik w układzie. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Naszkicuj obszar S Znajdź strefę martwą układu śledzenia oraz sprawdź, czy można oszukać czujnik zbliżając bardzo wolno dłoń do kuli. Oceń maksymalną prędkość reakcji układu. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Należy oszacować czas potrzebny na ucieczkę kuli od maksymalnego wychylenia w przód do maksymalnego wychylenia do tyłu. 143

144 5.2. Maszyny Leonarda I. Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji a/ Menu główne: Maszyny Leonarda Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Opis 1 Przebieg Doświadczenia opis dziłań Zadania Zadanie 1 Opis 2 Zadanie 3 Zadanie n Uwagi bezpieczeństwa Uwagi bezpieczeństwa c/ Trzeci poziom Menu podpowiedz dla studentów odpowiedz na TAK lub NIE dla uczniów 144

145 5.2. Maszyny Leonarda I Główne menu strony Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia 5.2.a Drugi poziom menu: Zadania Informacje ogólne Leonardo da Vinci był mistrzem zasad mechaniki. Wprowadził do użycia dźwignie, wsporniki, koła pasowe, korby, mechanizmy zębatkowe. Wynalazki Leonarda są sprzed ery patentów, dlatego nie można z całą pewnością stwierdzić, jak wiele z jego wynalazków weszło do użytku, wywierając wpływ na życie wielu ludzi. Niektóre z nich to podpierane mosty, automatyczna nawijarka, maszyna do testowania wytrzymałości drutu na rozciąganie. Wikipedia. Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów ; i z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji klip Leonardo da Vinci. Zdjęcia ważnych szkiców Leonarda. Rys Szkice. ω Podpis do rys Leonardo da Vinci ( ) - malarz, architekt, filozof, muzyk, pisarz, odkrywca, matematyk, mechanik, anatom, wynalazca, geolog - jednym słowem geniusz. Namalował, naszkicował, zaprojektował rzeczy, które dzisiaj podziwiamy, budujemy i wykorzystujemy. 145

146 5.2.2-klip Przekładnia łańcuchowa. Zdjęcie modelu przekładni łańcuchowej z podpisem Model przekładni łańcuchowej Leonarda da Vinci. Po 5 sekundach film przedstawiający przekładnię rowerową podczas pracy (10s) i stopklatka: nałożona grafika - Siły, promienie, Momenty sił i prędkości obrotowe. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Czas trwania filmu:15s. Rys.5.2.2a Przekładnia łańcuchowa L. ω Model przekładni łańcuchowej Rys.5.2.2b Przekładnia łańcuchowa roweru. R 2 N R 1 N R F Podpis do rys Przekładnia łańcuchowa Leonarda przydaje się w rowerze. Naciskając pedał siłą F powodujemy obrót koła zębatego o promieniu R 1 i naprężenie nałożonego na nie łańcucha 146

147 siłą N. Tę siłę N łańcuch "przenosi" na mniejsze koło zębate o promieniu R 2, wymuszając jego obrót. Obrót koła zębatego oznacza obrót całego koła. 147

148 5.2.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia Maszyny Leonarda. Celem badań jest obserwacja zasady działania ciągu maszyn prostych wzorowanych na pomysłach Leonarda. Kołowrotem K, nawijając stalową linkę przechodzącą przez bloczek B, można podnieść ciężar Q=100N na wysokość H=1,8m. W ten sposób energia operatora zamienia się na energię potencjalną ciężaru Q. Opadający ciężar Q za pośrednictwem przekładni łańcuchowej PŁ, przekładni kątowej PK, przekładni pasowej PP napędza kształtkę KP. Obracająca się kształtka, z każdym obrotem podnosi i opuszcza młot MŁ. W Ten sposób zmagazynowana energia człowieka częściowo oddana jest w postaci pracy młota. Podobne rozwiązanie zastosowano w zabytkowej kuźni w Gdańsku Oliwie z tym, że w kuźni wykorzystano energię wody. Klasyczny pulpit do odtwarzania nagrań z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia. Na tym poziomie menu w odtwarzaczu 15 sek. klip pokazujący: poniesienie Q, uruchomienie i ruch młota. Stopklatka, na której opis poszczególnych elementów. Rys. 5.2.b Odtwarzacz. Szkic ekranu ze stop klatką. Legenda: Q= BK B PŁ K H PK PP MŁ Q Q KP KD K BK Pł PP PK KP Mł KD Opis funkcjonalny (legenda): 1.K- korba 2.B-bloczek nieruchomy 3.BK- bloczek nieruchomy z kołem zębatym przekładni łańcuchowej 4.Pł- przekładnia łańcuchowa 5.PK- przekładnia kątowa 148

149 6.PP-przekładnia pasowa 8.Mł- młot 7.KP- kształtka na kole przekładni 9.KD- kowadło. 5.2.b2Okno uwag: Uwaga: Podniesienie ciężaru Q wymaga trochę wysiłku. Po zakończeniu (puszczeniu korby) ciężar automatycznie zacznie opadać. 149

150 5.2.c Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów. Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 5.2.N. Poziom : Zadania dla uczniów N Czy zastosowanie kołowrotu pomaga przy podniesieniu znacznych ciężarów? Tak Nie wybór TAK. Tak. Kołowrót działa tak ja dźwignia jednostronna. Kręcąc korbą o promieniu R siłą F, nawijamy linkę lub łańcuch na wewnętrzny wał o promieniu r kilkukrotnie mniejszy od promienia korby. W ten sposób można podnieść na lince znaczny ciężar. Gdy podnosimy ciężar ruchem jednostajnym, spełniona jest równość momentów siły: FR=rQ. Policz, jaką siłą F musisz działać, aby w układzie doświadczalnym Podnieść ciężar Q =100N, jeśli R=20cm i r=5cm. Wykonaj doświadczenie. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). r Q R F wybór Nie. Jednak tak. Kołowrót działa tak ja dźwignia jednostronna. Kręcąc korbą o promieniu R siłą F nawijamy linkę lub łańcuch na wewnętrzny wał o promieniu r kilkukrotnie mniejszy od promienia korby. W ten sposób można podnieść na lince znaczny ciężar. Gdy podnosimy ciężar ruchem jednostajnym spełniona jest równość momentów siły: FR=rQ. Policz, jaką siłą F musisz działać, aby w układzie doświadczalnym Podnieść ciężar Q =100N jeśli R=20cm i r=5cm. Wykonaj doświadczenie. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) r Q R F N Czy cała energia zgromadzona w podniesionym ciężarze Q zamieni się na energię zużytą przez młot na kucie? Tak Nie 150

151 wybór TAK. Raczej nie. Trzeba pamiętać o siłach tarcia występujących przy ruchu wszystkich elementów biorących udział procesie kucia. Sprawdź, ile razy młot uderza w kowadło podczas całego opadania ciężaru Q. Porównaj energię układu przed kuciem E p =MgH=QH i energię młota zamienioną na pracę kucia E k = n mgh. H=1,8m - wysokość podniesienia ciężaru Q=100N. n- liczba uderzeń młota; m=3kg masa młota, h- maksymalna wysokość młota nad kowadłem (trzeba zmierzyć!); g=10m/s 2 -przyspieszenie ziemskie. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Raczej nie. Trzeba pamiętać o siłach tarcia występujących przy ruchu wszystkich elementów biorących udział kuciu. Sprawdź, ile razy młot uderza w kowadło podczas całego opadania ciężaru Q. Porównaj energię układu przed kuciem E p =MgH=QH i energię młota zamienioną na pracę kucia E k = n mgh. H=1,8m - wysokość podniesienia ciężaru Q=100N. n- liczba uderzeń młota; m=3kg masa młota, h- maksymalna wysokość młota nad kowadłem (trzeba zmierzyć!); g=10m/s 2 -przyspieszenie ziemskie. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) N Czy prędkości obrotowe kół zębatych w przekładni łańcuchowej są równe? Tak Nie wybór TAK. Nie, jeśli liczba zębów pierwszego koła Z 1 i drugiego koła Z 2 się różni. Można wywnioskować, że spełniona jest równość: Z 1 ω 1 =Z 2 ω 2. Gdzie ω 1 i ω 2 prędkości obrotowe odpowiednich kół. Sprawdź tą zależność licząc zęby kół i ich liczbę obrotów w czasie np. 60sekund. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). Wybór Nie Nie, jeśli liczba zębów pierwszego koła Z 1 i drugiego koła Z 2 się różni. Można wywnioskować, że spełniona jest równość: Z 1 ω 1 =Z 2 ω 2. Gdzie ω 1 i ω 2 prędkości obrotowe odpowiednich kół. Sprawdź tą zależność licząc zęby kół i ich liczbę obrotów w czasie np. 60sekund. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) S. Poziom : Zadania dla studentów S Bilans energii w układzie. Zbadaj relację między energią potencjalną ciężaru Q na początku doświadczenia, a energią pracą użyteczną. Dane: H=1,8m - wysokość podniesienia ciężaru Q=100N; m=3kg masa młota; g=10m/s 2 -przyspieszenie ziemskie. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Zbadaj, ile razy młot uderza w kowadło podczas całego opadania ciężaru Q. Wyznacz wysokość podniesienia młota i porównaj energie. 151

152 5.2.2.S Siły, momenty sił, relacje prędkości. Wyznacz wartości sił i momenty sił w kołowrocie. Wyznacz wartość przełożenia dla wszystkich przekładni. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) Należy zmierzyć promienie działania sił w układzie kołowrotu oraz policzyć zęby lub zmierzyć promienie kół w przekładniach S Prędkości obrotowe. Wyznacz prędkości obrotowe elementów ruchomych (kół przekładni). Czy relacje prędkości sprzężonych ze sobą kół związane są z liczbą zębów, lub średnicami kół (? pomoc) Należy zmierzyć za pomocą stopera (np. w komórce) czas kilku obrotów koła i policzyć ω. Policzyć zęby lub zmierzyć promienie kół w przekładniach i wyliczyć 152

153 5.3. Maszyny Leonarda II. Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji a/ Menu główne: Maszyny Leonarda II Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Opis 1 Przebieg Doświadczenia opis dziłań Zadania Zadanie 1 Opis 2 Zadanie 3 Zadanie n Uwagi bezpieczeństwa Uwagi bezpieczeństwa c/ Trzeci poziom Menu podpowiedz dla studentów odpowiedz na TAK lub NIE dla uczniów 153

154 5.3. Maszyny Leonarda II Główne menu strony Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia 5.3.a Drugi poziom menu: Zadania Informacje ogólne Leonardo da Vinci był mistrzem zasad mechaniki. Wprowadził do użycia dźwignie, wsporniki, koła pasowe, korby, mechanizmy zębatkowe. Wynalazki Leonarda wyprzedzały epokę i większość z nich znalazła zastosowanie w późniejszych czasach. Można pewnością stwierdzić, że wiele z jego wynalazków weszło do użytku, wywierając wpływ na życie wielu ludzi. Niektóre z nich to podpierane mosty, automatyczna nawijarka, maszyna do testowania wytrzymałości drutu na rozciąganie. Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów ; i z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji klip Leonardo da Vinci II. Zdjęcia ważnych szkiców Leonarda. Rys Szkice - humanizm. Podpis do rys Leonardo da Vinci ( ) - malarz, architekt, filozof, muzyk, pisarz, odkrywca, matematyk, mechanik, anatom, wynalazca, geolog jednym słowem geniusz. Doskonale szkicował i malował rośliny, zwierzęta i ludzi. 154

155 5.3.2-klip Leonardo da Vinci II. Zdjęcia ważnych szkiców Leonarda. Rys Szkice-machiny. Podpis do rys Humanista Leonardo da Vinci ( ) wymyślał urządzenia pomagające człowiekowi i wojenne. Ich masowe użycie mogło rozpocząć rewolucję przemysłową i mogło zmienić obraz wojen klip Przekładnia ślimakowa. Zdjęcie modelu przekładni ślimakowej z podpisem Model przekładni ślimakowej Leonarda da Vinci. Po 5 sekundach film przedstawiający przekładnię ślimakową podczas pracy (10s) i stopklatka: nałożona grafika - kierunek obrotu, przekładnia. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Czas trwania filmu:15s. Rys.5.3.3a Przekładnia ślimakowa L. 155

156 ω Przekładnia ślimakowa wg Leonarda da Vinci Model przekładni łańcuchowej Rys.5.2.2b Przekładnia ślimakowa. nn 1 n 1 Podpis do rys Przekładnia ślimakowa Leonarda jest konieczna, gdy chcemy znacznie zredukować obroty układu, jednocześnie zwiększając moment sił. Jeden obrót ślimaka powoduje obrót koła zębatego o...jeden ząb. Dlatego przełożenie ślimakowej jest jak 1:Z, gdzie Z jest liczbą zębów na kole. 156

157 5.3.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia Maszyny Leonarda II. Celem badań jest zbadanie wytrzymałości na zerwanie żyłki lub drutu za pomocą maszyny, której konstrukcja jest inspiracją rozwiązań zaproponowanych przez Leonarda da Vinci. Doświadczenie polega na zamocowaniu badanej żyłki w uchwytach U 1 i U 2, rozciąganie jej za pomocą przekładni ślimakowej PS i pomiarze siły rozciągającej za pomocą sprężyny S o znanym współczynniku sprężystości k. F s =kδx Klasyczny pulpit do odtwarzania nagrań z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia. Na tym poziomie menu w odtwarzaczu 15 sek. klip pokazujący: zamocowanie żyłki w uchwytach, rozciąganie i pomiar rozciągnięcia sprężyny. Stopklatka, na której opis poszczególnych elementów. Rys. 5.3.b Odtwarzacz. Szkic ekranu ze stop klatką. Legenda: Q= x S U 1 Ż U 2 K D Q B PS Q K x s U 1 U 2 PS K Opis funkcjonalny: 1. S- sprężyna o współczynniku sprężystości k 2. U 1,U 2 - uchwyty żyłki Ż 3. PS- przekładnia ślimakowa 4. K-korba 5. x- rozciągnięcie sprężyny 157

158 5.3.b2Okno uwag: Uwaga: Rozciąganie żyłki należy wykonywać po przykryciu układu ochronną pokrywą. 5.3.c Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów. Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 5.3.N. Poziom : Zadania dla uczniów N Czy przełożenie przekładni ślimakowej w tym doświadczeniu to 1:25 (1 obrót koła zębatego=25 obrotów korbą)? Tak Nie wybór TAK. Jednak nie. Policz zęby na kole zębatym. Przełożenie w ślimaku wynosi jak 1:Z. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór Nie. Rzeczywiście nie. Policz zęby na kole zębatym. Przełożenie w ślimaku wynosi jak 1:Z. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) N Czy żyłka stosowana w tym doświadczeniu wytrzyma podczas złowienia 100 kilogramowego szczupaka? Tak Nie wybór TAK. Nie możesz wiedzieć bez sprawdzenia. Przeprowadź doświadczenie, zrywając żyłkę. Odczytaj maksymalne rozciągnięcie sprężyny x (tuż przed zerwaniem). Policz F=k x dla k=10000n/cm. Porównaj wynik z ciężarem szczupaka. Uwaga: trzeba pamiętać, że złapany szczupak walczy! 158

159 Uwaga: Q=mg= 100kg 10m/s 2 =1000 N (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Nie możesz wiedzieć bez sprawdzenia. Przeprowadź doświadczenie zrywając żyłkę. Odczytaj maksymalne rozciągnięcie sprężyny x (tuż przed zerwaniem). Policz F=k x dla k=10000n/cm. Porównaj wynik z ciężarem szczupaka. Uwaga: trzeba pamiętać, że złapany szczupak walczy! Uwaga: Q=mg= 100kg 10m/s 2 =1000 N. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) S. Poziom : Zadania dla studentów S Granica sprężystości. Materiały sprężyste rozciągnięte, po ustaniu naprężenia wracają do pierwotnego kształtu. Jednak zwiększając odkształcenie można dojść do granicy, przy której materiał już odkształci się trwale. Wyznacz granicę sprężystości żyłki. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Zmierz pierwotną długość żyłki. Naprężaj żyłkę tak, aby wydłużyć ją np. o 2mm. Odkręcając ślimak, zmniejsz naprężenie do zera i zobacz, czy żyłka ma nadal długość pierwotną. Powtórz doświadczenie dla wydłużeń: 4mm, potem 6mm itd. Aż do momentu trwałego rozciągnięcia żyłki S Wytrzymałość na zerwanie. Wyznacz wartości siły i naprężenie zrywające żyłkę. Średnica żyłki ϕ=1mm, współczynnik sprężystości pomiarowej sprężyny k=10000n/cm. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) Przeprowadź doświadczenie zrywając żyłkę. Odczytaj maksymalne rozciągnięcie sprężyny x (tuż przed zerwaniem). Policz F=k x i ϭ=f/s S przekrój żyłki. 159

160 6.1. W ręku robota. Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji a/ Menu główne: W ręku robota Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Opis 1 Przebieg Doświadczenia opis dziłań Zadania Zadanie 1 Opis 2 Zadanie 3 Zadanie n c/ Trzeci poziom Menu Uwagi bezpieczeństwa Uwagi bezpieczeństwa podpowiedz dla studentów odpowiedz na TAK lub NIE dla uczniów 160

161 6.1. Główne menu strony W ręku robota. Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia 6.1.a Drugi poziom menu: Zadania Informacje ogólne Coraz częściej posługujemy się maszynami, które mogą pracować w miejscach, w których człowiek nie powinien (zabójcze środowisko), nie chce (monotonna praca na taśmie prze 24 godziny) lub nie może (np. w mikroświecie i świecie poza Ziemią). Maszyny programowalne lub z własną inteligencją są robotami. Ich rola w naszym życiu ciągle rośnie. Istnieją uzasadnione obawy, że wraz ze wzrostem ich liczebności, znaczenia i możliwości, roboty mogą się stać dużym problemem (patrz Matrix). Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów ; i z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji klip Roboty na taśmie. Zdjęcie z linii montażowej. Rys Zdjęcie z linii montażowej. Podpis do rys Roboty wykonują powtarzające sekwencje ruchów zgodnie z żądaniem programu. Pracują dokładniej i wydajniej od ludzi oraz 24 godziny na dobę. 161

162 6.1.3-klip Nanoroboty. Zdjęcie/ film nanorobota.. Czas trwania filmu:15s. Rys Nanoroboty. Podpis do rys Roboty stają się coraz mniejsze. Zbudowanie robotów mniejszych od komórki krwi już nie jest fantazją. Takie nanoroboty będą mogły dotrzeć do każdej chorej komórki i ją uleczyć lub zniszczyć. Świat nanorobotów staje się coraz bardziej realny i bogatszy w nowe rozwiązania. 162

163 6.1.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia W ręku robota. Doświadczenie polega na poznaniu możliwości robota XXX. Klasyczny pulpit do odtwarzania nagrań z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia. Na tym poziomie menu w odtwarzaczu 15 sek. klip pokazujący działanie ręki robota b Odtwarzacz: Rzeczywisty robot. Legenda: Q= Q Opis funkcjonalny: zależy od modelu robota b Okno uwag: Uwaga: na rękę. 163

164 6.1.c Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów. Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 6.1.N. Poziom : Zadania dla uczniów N Czy robot badany w doświadczeniu może wykonać każde zadanie? Tak Nie wybór TAK. Jednak nie. Może zrobić tylko to, co się zaprogramuje w obszarze ograniczonym zasięgiem ramienia. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór Nie. Jednak nie. Może zrobić tylko to co się zaprogramuje w obszarze ograniczonym zasięgiem ramienia. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) N Czy robot ułoży rozrzucone klocki w piramidę? Tak Nie wybór TAK. Tak, ponieważ jeden z programów takie działanie przewiduje. Uruchom program i sprawdź czy ułoży porządną wieżę. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Tak, ponieważ jeden z programów takie działanie przewiduje. Uruchom program i sprawdź czy ułoży porządną wieżę. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) N Czy robot może ułożyć jednokolorowymi warstwami rozrzucone klocki? Tak Nie wybór TAK. 164

165 Tak, ponieważ jeden z programów takie działanie przewiduje. Uruchom program i sprawdź, czy ułoży strukturę warstwową. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). Wybór Nie Tak, ponieważ jeden z programów takie działanie przewiduje. Uruchom program i sprawdź, czy ułoży strukturę warstwową. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) S. Poziom : Zadania dla studentów 6.1.S Układanie. Zbadaj czas układania wieży i warstw klocków. Badania przeprowadź dla różnych ułożeń rozsypanych klocków. Czy czas wykonania zadania zależy od pierwotnego układu klocków? (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Uruchom odpowiednie programy. Powtórz doświadczenie dla minimum trzech układów klocków S Uszkodzony robot. Zbadaj proces układania wieży z klocków w przypadku uszkodzenia któregoś z czujników koloru. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Z poziomu oprogramowania można wyłączyć pewne umiejętności robota. 165

166 6.2. Rozgrywka robotów. Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji a/ Menu główne: Rozgrywka robotów Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Opis 1 Przebieg Doświadczenia opis dziłań Zadania Zadanie 1 Opis 2 Zadanie 3 Zadanie n c/ Trzeci poziom Menu Uwagi bezpieczeństwa Uwagi bezpieczeństwa podpowiedz dla studentów odpowiedz na TAK lub NIE dla uczniów 166

167 6.2. Rozgrywka robotów. 6.2.a Drugi poziom menu: Informacje ogólne Nawet niewielkie roboty mogą otrzymać elektroniczny mózg wzorowany na owadzich zwojach nerwowych, zdolny do planowania i przewidywania przyszłości. Dwa roboty mogą walczyć, współzawodniczyć lub współpracować. Chmara robotów uczących się od siebie może działać z siłą roju. Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów ; i z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji klip Roboty owady. Film 15 sekundowy przedstawiający kilka robotów-owadów w ruchu. Koniec filmu - kilka różnych robotów na jednym zdjęciu. Przykład filmu: Rys Roboty owady. Szkic ostatniego ujęcia. Podpis do rys "Szpiegowskie muchy". Tak się określa konstrukcje, które mają być wyposażone w czujniki i mikrokamery do wykrywania sił nieprzyjaciela, broni nuklearnych i ofiar ataków, uwięzionych np. w gruzach zburzonych budynków. Roboty owady mogą szpiegować i mogą ratować. Szpiegowskie karaluchy przemieszczają się wzdłuż ścian, gromadzą się w pobliżu światła z lampy lub nawet ustawiają w szeregu. Umieszczone w otoczeniu żywych karaluchów, urządzenia te szybko adaptują ich sposób zachowania się, poprzez naśladowanie ruchów owadów. Dodatkowo roboty są w stanie wydzielać specjalne feromony, które sprawiają, że karaluchy "dają się oszukać" i reagują na mechanizmy tak jak na żywe organizmy klip Roboty walczące. Film przedstawiający walkę robotów sumo. 167

168 Czas trwania filmu:15s. Przykład filmu: (56s-1.10s) Odtwarzacz: Roboty piłkarze. Podpis do rys Sportowa walka robotów jest coraz bardziej popularna. Może się zdarzyć, że w niedalekiej przyszłości roboty spotkają się na prawdziwym polu walki. 168

169 6.2.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia Rozgrywka robotów Doświadczenie polega na obserwacji możliwości działania dwóch robotów, których jedynym celem jest umieszczenie piłki w bramce. Wygrana należy się lepszemu. Z poziomu oprogramowania można wpłynąć na możliwości gracza zmieniając lekko jego parametry. 1. Włącz układ i obserwuj rozwój rozgrywki. 2. Zmień w oknie Parametry Gracza A i B szybkość reakcji o 50% i zobacz, jaki wpływ ma ta zmiana na obraz gry. Klasyczny pulpit do odtwarzania nagrań z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia. Na tym poziomie menu w odtwarzaczu 20 sekundowy klip pokazujący włączenie i grę robotów. Po wyborze zadań na odtwarzaczu widok z kamery śledzącej rozgrywkę b Odtwarzacz: Nagarnie gry robotów. Legenda: Q= Q 6.2.2b Okno zmiany parametrów. Sposób i zakres zmian parametrów zależy od możliwości zestawu. 169

170 Włącznik główny Info: układ działa prawidłowo Start Stop Zawodnik Zielony Zmiana parametrów Zawodnik Czerwony Zmiana parametrów Uwaga: po włączeniu układu i sprawdzeniu w okienku informacji Info informacja o stanie układu np. układ działa prawidłowo., brak zasilania wezwij obsługę. W przypadku gotowości można rozpocząć rozgrywkę przyciskiem Start b Okno uwag:. Uwaga: Nie opierać się o gablotę. Jeśli roboty nie chcą grać, proszę powiadomić obsługę. 170

171 6.2.c Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów. Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 6.2.N. Poziom : Zadania dla uczniów N Czy wiadomo, który robot pierwszy strzeli gola? Tak Nie wybór TAK. Chyba jednak nie. Większe szanse ma robot, który jest bliżej piłki i bramki, ale to tylko szanse. Poobserwuj rozgrywkę. Oceń, czy któryś z robotów jest lepszy? (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór Nie. Chyba jednak nie. Większe szanse ma robot, który jest bliżej piłki i bramki, ale to tylko szanse. Poobserwuj rozgrywkę. Oceń, czy któryś z robotów jest lepszy? (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) N Czy zmiana szybkości reakcji robota może wpłynąć na wynik rozgrywki? Tak Nie wybór TAK. Tak, ponieważ np. zmęczony robot o mniejszej szybkości reakcji -będzie grał gorzej. Zmień na w oknie przyciskiem szybkość reakcji robota zielonego i zobacz efekt. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Tak, ponieważ np. zmęczony robot o mniejszej szybkości reakcji -będzie grał gorzej. Zmień na w oknie przyciskiem szybkość reakcji robota zielonego i zobacz efekt. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) S. Poziom : Zadania dla studentów S Gra. Zbadaj, czy gracz zawsze śledzi piłkę. Czy czas dojścia do piłki zależy od pozycji gracza względem piłki? (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Rozpocznij grę wielokrotnie i przeanalizuj początkowe ruchy robota S Zmęczony robot. Zbadaj wpływ na jakość gry zmianę parametru : szybkość reakcji. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) -Z poziomu oprogramowania można wyłączyć pewne umiejętności robota. 171

172 7.1. Poruszająca krew. Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji a/ Menu główne: Poruszająca krew Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Opis 1 Przebieg Doświadczenia opis dziłań Zadania Zadanie 1 Opis 2 Opis 3 Uwagi bezpieczeństwa Zadanie 3 Zadanie n Uwagi bezpieczeństwa c/ Trzeci poziom Menu podpowiedz dla studentów odpowiedz na TAK lub NIE dla uczniów 172

173 7.1. Poruszająca krew. 7.1.a Drugi poziom menu: Informacje ogólne Heraklit z Efezu (5wiek p.n.e. powiedział słynne panta rei (wszystko płynie). Dzisiaj można dopowiedzieć, że pantha rei.i można to zmierzyć. Prędkość obiektów w ruchu można zmierzyć na różne sposoby. Dokładność pomiarów prędkości jest bardzo dobra bo umiemy zmierzyć upływający czas z niesamowitą dokładnością. Mając za wzorzec światło (jego prędkość) mierzymy prędkości gwiazd, planet, satelitów, kontynentów, samochodów, reakcji chemicznych, atomów. Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów ; i z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji klip Efekt Dopplera. Film przedstawiający karetkę pogotowia stojąca w dali na ulicy. Słychać dźwięk o f 0. Karetka zbliża się do kamery : wyższa częstotliwość. Karetka mija kamerą i oddala się : niższa częstotliwość. Na filmie grafika fali o odpowiedniej częstotliwości. Opis: fala, częstotliwość f. Film 15 sekund. Całość zgodna z wiedzą na temat zjawiska. Rys Przykład grafiki na ujęciu: zbliżanie karetki. Karetka stoi: częstotliwość f 0 = 5000 Hz Soczewka f 1 Karetka zbliża się : częstotliwość f 0 = 5150Hz Soczewka f 1 V karetki =20m/s V dźwięku =340m/s Podpis do rys Karetka gdy rusza na ratunek włącza sygnał dźwiękowy o częstotliwości około f 0 =5000 Hz. Dźwięk dochodzi da nas z prędkością około V D =340m/s. W przypadku gdy ta karetka zacznie się zbliżać się do nas z dużą prędkością usłyszymy dźwięk o wyższej częstotliwości. Z chwilą minięcia częstotliwość słyszanego dźwięku gwałtownie zmaleje co można usłyszeć. Zjawisko zmiany częstotliwości dźwięku z zależności od prędkości źródła 173

174 (zjawisko Dopplera) powstaje ponieważ ruchome źródło dogania (gdy się zbliża do nas) lub ucieka ( gdy się oddala od nas) od dopiero co wyemitowanej fali (dźwięku) klip Policyjny radar. Film przedstawiający zbliżający się samochód i ręczny radar. Na filmie grafika fali wysłanej w kierunku samochodu i potem odbitej od samochodu i wzór Czas ok. 20s. Całość zgodna z wiedzą fizyki. Rys Przykład klatki filmu wraz z przykładem grafiki. Mikrofale o częstotliwości F 0 Prędkość samochodu V D Podpis do rys Efekt Dopplera następuje także gdy sygnał o częstotliwości f 0 odbija się od ruchomego obiektu. Gdy obiekt się zbliża do źródła fali odbita fala zwiększa częstotliwość. Różnica częstotliwości fali padającej i odbitej ( f od. - f 0 ) w prosty sposób zależy od prędkości obiektu V D. Policja wykorzystuje ten efekt (Dopplera) w tzw. radarach. Wykorzystując odbicie fal radarowych policjant może odczytać prędkość samochodu. Jednak coraz częściej kwestionowane są tego typu pomiary (m.in. jest problem identyfikacji samochodu w grupie) kilku samochodów). 174

175 7.1.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia Poruszająca krew. Celem doświadczenia jest zbadanie szybkości przepływu krwi w fantomie ręki. Pomiar metodą Dopplera jest nieinwazyjnym sposobem pomiaru przepływu cieczy w różnych przewodach, rurach, itp. Przyrządy zwane Dopplerami naczyniowymi mierzą prędkość krwi poprzez analizę wysłanego i rozproszonego przez poruszająca krew impulsu ultradźwiękowego. Wykonanie badań: 1.Włącz Dopplera naczyniowego. 2.Uruchom pompę fantomu ręki. 3.Podłóż sondę Dopplera pod zasobnik żelu do USG i naciśnij na zasobnik. W ten sposób naniesiona zostanie porcja żelu umożliwiająca dobry przepływ fal między sondą i skórą. 4.Pryłóż sondę do fantomu ręki i zlokalizuj "żyłę lub tętnicę i zmierz prędkość krwi w układzie. 5. Po zakończonym badaniu wyłącz pompę, Dopplera. Za pomocą papierowych ręczników wytrzyj żel z sondy i fantomu. Klasyczny pulpit do odtwarzania nagrań z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia. Na tym poziomie menu w odtwarzaczu sekundowy klip: wykonanie doświadczenia z opisem poszczególnych elementów -Doppler, ręczniki, fantom, żel itp. 7.1.b1 Okno odtwarzacza: Szkic układu rzeczywistego. 7.1.b2 Okno uwag: D Uwaga: Zużyte ręczniki wrzuć do kosza. 175

176 7.1.c Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów. Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 7.1.N. Poziom : Zadania dla uczniów N Czy prędkość krwi w żyłach jest mniejsza niż krwi w tętnicach? Tak Nie wybór TAK. Raczej tak. W tętnice wtłaczana jest krew przez serce, natomiast przez żyły krew spływa z powrotem do serca. Najlepiej sprawdź, czy w fantomie ręki tak jest. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór Nie. Raczej tak. W tętnice wtłaczana jest krew przez serce, natomiast przez żyły krew spływa z powrotem do serca. Najlepiej sprawdź, czy w fantomie ręki tak jest. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) N Czy promienie ultradźwiękowe mogą zniszczyć tkanki ciała? Tak Nie wybór TAK. I tak i nie. W badaniach wykorzystuje się powszechnie ultrasonografy wykorzystujące fale ultradźwiękowe ale o bardzo małym natężeniu. Takie fale poruszają się, odbijają, zmieniają częstotliwość ale nie są w stanie dokonać zniszczeń. Inna sprawa gdy źródło fal emituje falę o dużym natężeniu. Jednak gdy potrafimy kontrolować takie intensywne fale to można je użyć do zniszczenia chorobowych elementów.(np. kamienie nerkowe). (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. I tak i nie. W badaniach wykorzystuje się powszechnie ultrasonografy wykorzystujące fale ultradźwiękowe ale o bardzo małym natężeniu. Takie fale poruszają się, odbijają, zmieniają częstotliwość ale nie są w stanie dokonać zniszczeń. 176

177 Inna sprawa gdy źródło fal emituje falę o dużym natężeniu. Jednak gdy potrafimy kontrolować takie intensywne fale to można je użyć do zniszczenia chorobowych elementów.(np. kamienie nerkowe). (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) S. Poziom : Zadania dla studentów S Fantom. Zbadaj prędkości krwi w żyłach i tętnicach fantomu. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Wykonaj badanie zgodnie z instrukcją S Ręka. Zbadaj prędkości krwi w żyłach i tętnicach własnej ręki. Czy fantom jest dobrym modelem? (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Po badaniu wytrzyj żel z ręki. 177

178 7.2. Szybkość adaptacji i reakcji. Wybór: Szybkość adaptacji Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji o/menu zerowe Szybkość adaptacji Szybkość reakcji a/ Menu główne: Szybkość adaptacji Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania Szybkość reakcji Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Opis 1 Przebieg Doświadczenia opis dziłań Zadania Zadanie 1 Opis 2 Zadanie 3 Zadanie n Uwagi bezpieczeństwa Uwagi bezpieczeństwa c/ Trzeci poziom Menu podpowiedz dla studentów odpowiedz na TAK lub NIE dla uczniów 178

179 7.2a. Główne menu strony 7.2a.A Drugi poziom menu: Szybkość adaptacji. Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania wybór Informacje ogólne Człowiek ma oczy ułożone blisko siebie z przodu głowy co pozwala widzieć przestrzennie (stereoskopowo). Każde z oczu odbiera minimalnie inny obraz, który scala się w ośrodku wzrokowym i dzięki temu umożliwia widzenie trójwymiarowo (przestrzennie). Może oczami poruszać dzięki kilku mięśniom, widzieć wyraźnie dalekie i bliskie przedmioty (akomodacja). W oku ludzkim jednym z najbardziej zmieniającym rozmiar organem człowieka jest źrenica oka (adaptacja). Dzięki temu oko ludzkie może przyjmować informację wizualną w bardzo dużym zakresie poziomów oświetlenia. Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów 7.2a.1 ; 7.2a.2 i 7.2a.3 z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji. 7.2a.2-klip Akomodacja. Film przedstawiający twarz człowieka patrzącego na daleki obiekt (sytuacja A), a potem na swój palec (sytuacja B). Koniec ujęcie i przejście do animacji/grafiki. Na ujęciu graficznym podstawowe oko w sytuacji A i B. Opis: soczewka, ogniskowa, siatkówka. Film 5 sekund, grafika do wyłączenia okna. Całość zgodna z wiedzą na temat oka. Rys.7.2a.2 Przykład grafiki oczu tuż po ostatnim kadrze filmu. Soczewka f 1 Soczewka f 1 Siatkówka Podpis do rys.7.2a.2. Akomodacja jest to automatyczna zmiana kształtu soczewki oka następująca, gdy zmieniamy punkt widzenie z odległego na bliski i odwrotnie. Wskutek tego procesu zmieniana 179

180 jest ogniskowa soczewki tak, aby obraz rzeczywisty oglądanego przedmiotu padł dokładnie na siatkówkę. 7.2a.3-klip Adaptacja. Film przedstawiający kurczącą i rozszerzająca się źrenicę na skutek oświetlenia np. latarką. Czas ok. 20s. Całość zgodna z wiedzą na temat oka i fizyki. Rys.7.2a.3 Przykład. Oko w mroku. Podpis do rys.7.2a.3 Mechanizm, przez który oko zmienia swoją czułość na światło nazywamy adaptacją. Adaptacja przejawia się przede wszystkim jako zmiana wielkości źrenicy. Zależnie od ilości dostępnego światła, średnica źrenicy przeciętnej dorosłej osoby zmienia się od 2 do 8 milimetrów, dając zmienność w czułości oka od 1:16. Adaptacja szerokości źrenicy zachodzi w ciągu kilku dziesiątych sekundy. Badania możliwości adaptacji źrenicy należą do grupy jednych z podstawowych badań okulistycznych. 180

181 7.2a.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia Adaptacja oka. Celem doświadczenia jest zbadanie szybkości reakcji źrenicy oka na impulsowy wzrost natężenia oświetlenia. Reakcja oka na impuls światła jest rejestrowana przez szybką kamerę. Odpowiednie oprogramowanie umożliwia pokazanie zmian w funkcji czasu. Wykonanie badań: 1.Zbliż głowę do uchwytu i oprzyj brodę. Podczas badania oczy powinny być szeroko otwarte oraz należy unikać mrugania. 2.Po 20 sekundach automatycznie nastąpi start badania i przez 5 sekund oświetlenie wzrośnie. 3. Przeanalizuj nagranie w zwolnionym tempie oraz zobacz jak zmienia się twoja źrenica w czasie zwiększonego oświetlenia. Uwaga: Program rejestracji uruchamia czujnik w uchwycie głowy. Wymagania programowe interfejs 72a: 1. Odtwarzacz nagrania typowy dla całego laboratorium. 2. Sygnał we/wy interfejsu: 721. Wejście sygnału wideo szybkiej kamery - co najmniej 100klatek/s Wejście cyfrowe włącznika nagrania (przy uchwycie głowy) 733. Wyjście cyfrowe włączenia diody oświetlającej Klasyczny pulpit do odtwarzania nagrań z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia. Na tym poziomie menu w odtwarzaczu 15 sek. klip wykonanie doświadczenia z opisem poszczególnych elementów: uchwyt, kamera. Przyłożenie głowy do uchwytu automatycznie powoduje nagrywanie. Przycisk funkcyjny Twoje nagranie umożliwia analizę wyniku. Przycisk zwalniania tempa: przeskalowanie czasu np. x20. Podczas pokazu w zwolnionym tempie pojawia się grafika pokazująca obwód źrenicy i jej średnicę. 7.2a.b1 Okno odtwarzacza: Obraz klatki rzeczywistego nagrania z grafiką. 181

182 7.2a.b2 Okno wykresu. Program automatycznie rysuje wykres z chwilą, gdy odtwarzanie w zwolnionym tempie osiąga czas rozpoczęcia impulsu. Wykres zależności średnicy źrenicy ϴ w funkcji czasu t ϴ 7 [mm] S Impuls światła Impuls światła 2 0 t r t [ms] 7.2a.b3 Okno wpisywanych danych i statystyki. W tym oknie jest miejsce do wpisania wyznaczonego czasu reakcji t r. Wpisany wynik po akceptacji Tak zapisany zostaje do bazy i pokazuje się jako czerwona kreska na krzywej Gaussa reprezentacji statystycznej wszystkich dotychczasowych wyników badań. Ponadto wyświetlane są : liczba pomiarów N i średnia arytmetyczna t rśr. Zapisywanie danych i statystyka wyników Średni czas reakcji dla N=178 badań Tt r.śr. op =261 =258ms Średni czas reakcji dla tego badania t r =250 ms ms Zapisać? Liczba pomiarów n=334 Tak ms 7.2a.b4 Okno uwag: Uwaga: Badanie wymaga czasu i spokoju. Jeśli rejestracja się nie udała powtórz doświadczenie. 182

183 7.2a.c Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów. Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 7.2a.N. Poziom : Zadania dla uczniów 7.2a.1.N Czy źrenica natychmiast zmniejsza średnicę po nagłym zwiększeniu natężenia światła? Tak Nie wybór TAK. Nie. Przez pewien czas źrenica nie zmienia średnicy. Ten czas reakcji-opóźnienia jest rzędu 0,25 sekundy. Po tym czasie średnica źrenicy zaczyna się zmniejszać. Takie opóźnienie reakcji (adaptacja) powoduje, że przez pewien czas jesteśmy oślepieni po wyjściu z ciemnego pokoju na słońce. Zobacz, jak twoje oko reaguje na impuls światła. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór Nie. Nie. Przez pewien czas źrenica nie zmienia średnicy. Ten czas reakcji-opóźnienia jest rzędu 0,25 sekundy. Po tym czasie średnica źrenicy zaczyna się zmniejszać. Takie opóźnienie reakcji (adaptacja) powoduje, że przez pewien czas jesteśmy oślepieni po wyjściu z ciemnego pokoju na słońce. Zobacz, jak twoje oko reaguje na impuls światła. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). 7.2a.2.N Czy czas reakcji oka (adaptacji) jest taki sam dla wszystkich ludzi? Tak Nie wybór TAK. Nie. Każdy z nas może mieć nieco inny czas reakcji. Na wykresie w oknie Zapisywanie danych i statystyka pokazany jest średni czas opóźnienia wielu ludzi (zielona kreska na wykresie). Zobacz, czy twój czas (czerwona kreska) jest mniejszy, czy większy od średniej. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Nie. Każdy z nas może mieć trochę inny czas reakcji. Na wykresie w oknie Zapisywanie danych i statystyka pokazany jest średni czas opóźnienia wielu ludzi. Zobacz (czerwona kreska), czy twój czas jest mniejszy, czy większy od średniej. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). 183

184 7.2a. S. Poziom : Zadania dla studentów 7.2a.1.S Czas opóźnienia i szybkość reakcji źrenicy. Zbadaj czas opóźnienia i szybkość reakcji źrenicy własnego oka. Wynik wpisz do bazy danych. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Z wykresu ϴ(t) odczytaj t op oraz ze stycznej S wyznacz prędkość zamykania źrenicy, czyli V= ϴ/ t. 7.2a.2.S Statystyka. Każdy z nas może mieć trochę inny czas reakcji t r. Na wykresie w oknie Zapisywanie danych i statystyka pokazany jest średni czas reakcji wielu ludzi. Ponadto krzywa dzwonowa (krzywa Gaussa) reprezentuje wszystkie dotychczasowe wyniki badań. Krzywa pokazuje prawdopodobieństwo wystąpienia danego wyniku czasu t r. Z wykresu wynika, że najbardziej prawdopodobny jest czas równy średniej wszystkich badań. Im bardziej odległy jest nasz wynik od średniej tym jego prawdopodobieństwo wystąpienia w populacji jest mniejsze. Zastanów się jak twój wynik mieści się w statystyce. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Ocena jakościowa naszego wyniku może zawierać tylko stwierdzenia, że nasz czas t r jest mniejszy lub większy od wartości średniej. Można jeszcze określić, czy znajduje się blisko średniej, czy może w ogonie wykresu. Do ilościowej oceny potrzebny jest parametr krzywej Gaussa odchylenie standardowe wartości średniej S trśr. Wtedy można powiedzieć wynik mieszczący się w przedziale (t r.śr. -S trśr ; t r.śr. +S trśr ) wystąpi w naszym badaniu z prawdopodobieństwem 0,68. Sprawdź swój wynik dla S trśr =50ms. 184

185 7.2. Szybkość adaptacji i reakcji. Wybór: Szybkość reakcji Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji o/menu zerowe Szybkość adaptacji Szybkość reakcji a/ Menu główne: Szybkość reakcji Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania Szybkość adaptacji Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania c/ Trzeci poziom Menu Opis 1 Opis 2 opis dziłań Reakcja na bodźce wzrokowe. Celem Test doświadczenia jest psychotechnic zbadanie zny..szybkości reakcji człowieka St Uwagi na włączanie i a bezpieczeństwa St wyłączenie rt oan trzech ali p kolorowych za świateł. Zadanie podpowiedz dla studentów Zadanie 1 Zadanie 3 Zadanie n Uwagi bezpieczeństwa odpowiedz na TAK lub NIE dla uczniów 185

186 7.2r. Główne menu strony 7.2r.a Drugi poziom menu: Szybkość reakcji Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania Informacje ogólne Człowiek postrzega i komunikuje się z otoczeniem za pomocą zmysłów takich jak: dotyk, węch, wzrok, słuch oraz smak. Obecnie uważa się,że grono pięciu podstawowych zmysłów uzupełniają 4 inne. Bardzo przydatny w życiu zmysł temperatury, który pozwala odczuwać ciepło i zimno oraz zmysł równowagi ciała, dzięki niemu można sprawnie się poruszać. Bardzo odczuwalny czasami bywa nocycepcja - zmysł odpowiadający za odczuwanie bólu. Mniej wyraźny jest zmysł pozwalający na podświadome widzenie zewnętrznych elementów ciała nawet w sytuacji, kiedy mamy zamknięte oczy (propriocepcja). Na bodźce środowiska odpowiedź reakcja człowieka jest zawsze opóźniona. Na czas opóźnienia składa się czas potrzebny na zamianę bodźca na impuls elektryczny w układzie nerwowym, czas na przekazywanie impulsów oraz analizę impulsów przez ośrodki nerwowe oraz na czas reakcji układu mięśniowego. Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów 7.2r.1 ; 7.2r.2 i 7.2r.3 z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji. 7.2r.1-klip Kolano i młotek. Film przedstawiający uderzenie młoteczkiem w kolano i reakcję nogi. Film- 10 sekund. Rys.7.2r.1 Pierwszy kadr grafiki po ostatnim kadrze filmu ramienia. Podpis do Rys.7.2r.1 Lekkie uderzenie w przednią część kolana jest badaniem odruchów ścięgnistych kończyny. W tym neurologicznym badaniu ocenia się, czy odruchy są obecne, prawidłowe i symetryczne. 186

187 7.2r.2-klip Reakcja na dźwięk. Film przedstawiający reakcję człowieka na nagły bodziec słuchowy np. wybuch balonu /wystrzał. Film 10-15sekund. Całość zgodna z wiedzą na temat oka. Rys.7.2r.2 Przykład reakcji twarzy na różne bodźce. Podpis do rys.7.2r.2. Nagły hałas może zaskoczyć. Najpierw fala akustyczna dociera do ucha, gdzie drgania mechaniczne młoteczka zamieniają się na impulsy elektryczne. Elektryczna informacja o zdarzeniu dociera do mózgu, gdzie przygotowuje się reakcję. Impulsy z mózgu aktywują odpowiednie mięśnie i człowiek kuli się, ucieka, zastyga itp. 187

188 7.2r.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia Reakcja na bodźce wzrokowe. Celem doświadczenia jest zbadanie szybkości reakcji człowieka na włączanie i wyłączenie trzech kolorowych świateł. Zadanie polega na jak najszybszym wyłączeniu czerwonej, zielonej i żółtej lampki odpowiednim wyłącznikiem. Czas trwania badania T=60s. Wynikiem badania jest średni czas opóźnienia reakcji. Wykonanie badań: 1.Włącz przyciskiem układ. 2.Po włączeniu zapalą się wszystkie trzy lampy. Po 5 sekundach automatycznie zgasną. Staraj się szybko wyłączać pojawiające się przypadkowo światła. 3.Porównaj swoje wyniki z innymi. Wymagania programowe interfejsu 72r: 724. Wejście cyfrowe wyłączników szt.3 7.2r.b1 Ekran dla przebiegu doświadczenia. Reakcja na bodźce wzrokowe. Celem doświadczenia jest zbadanie..szybkości reakcji człowieka na włączanie i wyłączenie trzech Test psychotechniczny kolorowych świateł. Zadanie Start Stop Analiza Start przycisk się podświetla włączenie badania Stop naciśnięcie przycisku powoduje podświetlenie i zatrzymanie badania po zakładanych czasie T=60s automatycznie przycisk jest podświetlany Analiza przejście do okna wpisywanych danych i statystyki. 188

189 7.2r.b1 Okno wpisywanych danych i statystyki. W tym oknie jest miejsce na wynik średni czas reakcji t r. Ten wynik można wpisać do ogólnej bazy danych przyciskiem Tak. Wpisany wynik pokazuje się jako czerwona kreska na krzywej Gaussa reprezentacji statystycznej wszystkich dotychczasowych wyników badań. Ponadto wyświetlane są : liczba pomiarów N i średnia arytmetyczna t rśr. Zapisywanie danych i statystyka wyników Średni czas reakcji dla N=178 badań Tt r.śr. op =261 =258ms Średni czas reakcji dla tego badania t r =250 ms ms Zapisać? Liczba pomiarów n=334 Tak ms 7.2r.b3 Okno uwag: Uwaga: Badanie wymaga szybkiego działania, ale bez użycia siły. 189

190 7.2r.c Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów. Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 7.2r.N. Poziom : Zadania dla uczniów 7.2r.1.N Czy dobry kierowca powinien mieć szybkie reakcje na bodźce świetlne? Tak Nie wybór TAK. Oczywiście tak. Jadący z prędkością 60km/godz., czyli około 17m/s przy nagłym zdarzeniu przejedzie jeszcze około 8 metrów zanim naciśnie hamulec i samochód zacznie hamować. Wyznacz średni czas reakcji na bodziec świetlny w tym doświadczeniu. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór Nie. Oczywiście tak. Jadący z prędkością 60km/godz, czyli około 17m/s przy nagłym zdarzeniu przejedzie jeszcze około 8 metrów zanim naciśnie hamulec i samochód zacznie hamować. Wyznacz średni czas reakcji na bodziec świetlny w tym doświadczeniu. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). 7.2r.2.N Czy czas reakcji na nagłe zdarzenie świetlne jest taki sam dla wszystkich ludzi? Tak Nie wybór TAK. Nie. Każdy z nas może mieć nieco inny czas reakcji. Na wykresie w oknie Zapisywanie danych i statystyka pokazany jest średni czas opóźnienia wielu ludzi (zielona kreska na wykresie). Zobacz, czy twój czas (czerwona kreska) jest mniejszy, czy większy od średniej. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Nie. Każdy z nas może mieć trochę inny czas reakcji. Na wykresie w oknie Zapisywanie danych i statystyka pokazany jest średni czas opóźnienia wielu ludzi. Zobacz (czerwona kreska), czy twój czas jest mniejszy, czy większy od średniej. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). 190

191 7.2r. S. Poziom : Zadania dla studentów 7.2r.1.S Czas reakcji. Zbadaj czas reakcji na nagłe zdarzenie świetlne. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - W przypadku nieudanego badania powtórz doświadczenie i wpisz wynik do bazy. 7.2r.2.S Statystyka. Każdy z nas może mieć trochę inny czas reakcji t r. Na wykresie w oknie Zapisywanie danych i statystyka pokazany jest średni czas reakcji wielu ludzi. Ponadto krzywa dzwonowa (krzywa Gaussa) reprezentuje wszystkie dotychczasowe wyniki badań. Krzywa pokazuje, prawdopodobieństwo wystąpienia danego wyniku czasu t r. Z wykresu wynika, że najbardziej prawdopodobny jest czas równy średniej wszystkich badań. Im bardziej odległy jest nasz wynik od średniej tym jego prawdopodobieństwo wystąpienia w populacji jest mniejsze. Zastanów się jak twój wynik mieści się w statystyce. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Ocena jakościowa naszego wyniku może zawierać tylko stwierdzenia, że nasz czas t r jest mniejszy lub większy od wartości średniej. Można jeszcze określić, czy znajduje się blisko średniej, czy może w ogonie wykresu. Do ilościowej oceny potrzebny jest parametr krzywej Gaussa odchylenie standardowe wartości średniej S trśr. Wtedy można powiedzieć wynik mieszczący się w przedziale (t r.śr. -S trśr ; t r.śr. +S trśr ) wystąpi w naszym badaniu z prawdopodobieństwem 0,68. Sprawdź swój wynik dla S trśr =50ms. 191

192 7.3. Sedno mięśnia. Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji a/ Menu główne: Sedno mięśnia Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Opis 1 Przebieg Doświadczenia opis dziłań Zadania Zadanie 1 Opis 2 Zadanie 3 Zadanie n Uwagi bezpieczeństwa Uwagi bezpieczeństwa c/ Trzeci poziom Menu podpowiedz dla studentów odpowiedz na TAK lub NIE dla uczniów 192

193 7.3. Główne menu strony Sedno mięśnia. Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania 7.3.a Drugi poziom menu: Informacje ogólne Mięśnie w naszym organizmie pełnią różne funkcje, w zależności od rodzaju. Mięśnie szkieletowe połączone są z kośćmi za pomocą ścięgien przenoszących działanie sił na kość. Skurcz mięśnia łączącego dwie kości powoduje ich przemieszczenie się względem siebie, czyli ruch kończyny bądź innej części ciała. Ruch przeciwstawny odbywa się przy udziale innego mięśnia. Z tego powodu mięśnie zawsze współpracują ze sobą w parach i ze względu na rodzaj wykonywanych ruchów, określa się je jako zginacze i prostowniki oraz przywodziciele i odwodziciele. Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów ; i z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji klip Mięsień-sedno ruchu. Film przedstawiający ramię w ruchu zginającym. Następnie stopklatka i przejście do animacji budowa mięśnia, zasada działania komórki mięśnia. Film 5 sekund, animacja do 45 sekund. Przykładowa animacja: Całość zgodna z wiedzą na temat mięśnia. Rys Pierwszy kadr animacji po ostatnim kadrze filmu ramienia. Podpis do Rys Mięsień dwugłowy ramienia zwany bicepsem przyczepiony jest do kości ścięgnami i działa na dwa stawy: staw ramienny i staw łokciowy. Skurcz mięśnia podlega działaniu układu nerwowego. Impuls biegnący odpowiednim nerwem, dociera do zakończenia nerwowego w błonie otaczającej włókno mięśniowe. W synapsie tej uwolniony zostaje neuroprzekaźnik, który pobudza uwalnianie jonów wapnia. Te z kolei przedostają się do wnętrza miofibryli i uczestniczą w wytworzeniu połączeń mostkowych pomiędzy filamentami 193

194 miozynowymi i aktynowymi. Po połączeniu się filamentów oraz przy udziale energii pochodzącej z ATP, produkowanego przez mitochondria, grube włókienka miozynowe wciągają pomiędzy siebie cienkie włókienka aktynowe. Długość samych filamentów nie ulega przy tym zmianie, ale skraca się cały sarkomer. Skraca się więc całe włókno, a skrócenie wszystkich włókien, tworzących mięsień, powoduje jego skurcz klip Umięśnione ramię. Film przedstawiający ramię w ruchu zginającym. Następnie stopklatka i przejście do animacji/grafiki. Na ujęciu graficznym podstawowe kości, biceps i triceps. Opis: oznaczenie mięśni, staw ramienny i łokciowy. Film 5 sekund, grafika do wyłączenia okna. Całość zgodna z wiedzą na temat mięśnia. Rys Przykład grafiki ramienia tuż po ostatnim kadrze filmu ramienia. Podpis do rys Mięsień dwugłowy ramienia zwany bicepsem działa na dwa stawy: staw ramienny i staw łokciowy. W stawie ramiennym mięsień podnosi ramię do przodu. Dodatkowo głowa długa odwodzi ramię i obraca do wewnątrz, a głowa krótka przywodzi ramię. W stawie łokciowym mięsień dwugłowy ramienia jest zginaczem oraz najsilniejszym mięśniem odpowiedzialnym za odwracanie przedramienia i ręki. Mięsień trójgłowy zwany tricepsem wymusza ruch w stawie ramiennym i stawie łokciowym, przy czym siła działania na staw ramienny jest większa niż na staw łokciowy. Jest on najsilniejszym prostownikiem stawu ramiennego oraz silnym przywodzicielem ramienia. Ponadto triceps jestodpowiedzialny za ruch wyprostny w stawie łokciowym. 194

195 7.3.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia Sedno mięśnia. Doświadczenie polega na poznaniu możliwości modelu ramienia, gdzie mięśniami są pneumatyczne mięśnie McKibbena. Te syntetyczne mięśnie można skurczyć lub rozciągnąć zmieniając ciśnienie dostarczanego do nich powietrza. W ten sposób model ręki może wykonywać podstawowe ruchy przemieszczając nawet znaczne ciężary. Zasada obsługi: 1. Włączyć układ włącznik w oknie Sterowanie modelem 2. Zwiększać i zmniejszać ciśnienie w bicepsie P b i obserwować ruch ramienia. 3. Zwiększać i zmniejszać ciśnienie w tricepsie P T i obserwować ruch ramienia. 4. Odpowiednio zmieniając ciśnienie przestaw ciężar z jednego kolorowego koła na drugie. Klasyczny pulpit do odtwarzania nagrań z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia. Na tym poziomie menu w odtwarzaczu 15 sek. klip pokazujący działanie ręki. Rys. 7.3.b Rzeczywisty model ramienia. 195

196 7.3.b2 Okno sterowania ramieniem. Sterowanie modelem Wł.. Bicep Triceps Kąt stawu łokciowego s Max. Max. P B P T Kąt stawu ramiennego 7.3.b3 Okno uwag: Uwaga: Odważnikami należy posługiwać się z należytą ostrożnością. 196

197 7.3.c Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów. Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 7.3.N. Poziom : Zadania dla uczniów N Czy w modelu do przesunięcia ciężarka można użyć tylko bicepsa? Tak Nie wybór TAK. Tak. Biceps w modelu pozwala tylko na ruch przedramienia zginanie i rozginanie. W układzie biceps za pomocą przewieszonej przez bloczek linki może ruszyć ciężarek. Sprawdź tą możliwość i podnieś ciężar Q=20N na wysokość H=10cm. Jaką pracę wykonało ramię? (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór Nie. Tak. Biceps w modelu pozwala tylko na ruch przedramienia zginanie i rozginanie. W układzie biceps za pomocą przewieszonej przez bloczek linki może ruszyć ciężarek. Sprawdź tą możliwość i podnieś ciężar Q=20N na wysokość H=10cm. Jaką pracę wykonało ramię? (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) N Czy siła działania mięśnia bicepsa F B w modelu musi być większa od siły ciężkości podnoszonego ciężaru Q? Tak Nie wybór TAK. Tak, ponieważ względem stawu łokciowego siła F B działa na krótkim ramieniu około R B =3cm. Ciężar Q działa na ramieniu około R Q =40cm. W przypadku, gdy przedramię jest poziome ( jak na rys.), żeby utrzymać ciężar musi zajść równość momentów sił: QR Q =F B R B. Ustaw układ ramienia jak na rysunku i wyobraź sobie gdzie i jakie siły działają na przedramię. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). F B Q R Q R B 197

198 wybór NIE. Tak, ponieważ względem stawu łokciowego siła F B działa na krótkim ramieniu około R B =3cm. Ciężar Q działa na ramieniu około R Q =40cm. W przypadku, gdy przedramię jest poziome ( jak na rys.), żeby utrzymać ciężar musi zajść równość momentów sił: QR Q =F B R B. Ustaw układ ramienia jak na rysunku i wyobraź sobie gdzie i jakie siły działają na przedramię. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). F B Q R Q R B 7.3. S. Poziom : Zadania dla studentów S Momenty sił w układzie (statyka). Ręka trzyma ciężar Q na wysokości H. Naszkicuj siły działające w układzie. Oszacuj wartość momentów sił działających w układzie w przypadku. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Uruchom ramię, podnieś ciężar i zmierz odpowiednie odległości S Wyznacz czas maksymalnego podniesienia ciężaru Q przy działaniu tylko bicepsem Powtórz doświadczenie działając tylko tricepsem. Określ szybkość podnoszenia w obu przypadkach. Czy jest taka sama? (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Wykonać zgodnie z instrukcją. 198

199 8.1. Konwekcyjny chaos. Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji 0/Menu zerowe Konwekcyjny chaos, Szum termiczny. a/ Menu główne: Konwekcyjny chaos Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania Szum termiczny b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Opis 1 Przebieg Doświadczenia opis dziłań Zadania Zadanie 1 Opis 2 Zadanie 3 Zadanie n c/ Trzeci poziom Menu Uwagi bezpieczeństwa Uwagi bezpieczeństwa podpowiedz dla studentów odpowiedz na TAK lub NIE dla uczniów 199

200 8.1. Główne menu strony Konwekcyjny chaos. Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania 8.1. Drugi poziom menu: wybór Informacje ogólne Drobiny cieczy i gazu mogą poruszać się względem siebie niezależnie. Ich średnia energia kinetyczna jest miarą temperatury. Różnica temperatury między różnymi obszarami płynów jest powodem ruchu całych mas drobin. Taki ruch nazywamy konwekcją. Ruch konwekcyjny jest powszechny i...chaotyczny. Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów ; i z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji Szklanka herbaty. Film przedstawiający rozpuszczanie barwnika herbaty w szklance z gorącą wodą. Stopklatka i nałożona grafika: dużo wektorów prędkości o różnych kierunkach. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Czas trwania filmu:10s Całe zdarzenie potem powtórka do wyłączenia. Rys Szklanka - stopklatka z graficznym przedstawieniem parametrów układu. λ V T Podpis do rys Gorąca woda w szklance na skutek chłodzenia przez szkło szklanki i powietrze porusza się w całej objętości. Ten ruch konwekcyjny pięknie ujawnia rozpuszczająca się herbata klip Konwekcja w domu. 200

201 Klip/film przedstawiający pokój mieszkania z oknem i grzejnikiem. Po 10 sekundach stopklatka. Na stopklatce strumienie powietrza. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Czas trwania filmu:10s potem stopklatka. Rys Pokój. Podpis do rys Grzejniki pod oknami w pokoju podgrzewają powietrze i wymuszają ruch konwekcyjny w całym pokoju. Dzięki temu mamy w pokoju prawie jednakową temperaturę. 201

202 8.1.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia Przebieg badań. Konwekcyjny chaos. Doświadczenie polega na obserwacji, czy rzeczywiście różnica temperatur cieczy powoduje konwekcję cieczy. 1. Włącz przyciskiem P ogrzewanie układu. 2. Obserwuj na mierniku M różnicę temperatury i obraz konwekcji (na ekranie E). 3. Po zakończeniu obserwacji wyłącz układ. Klasyczny pulpit do odtwarzania nagrań z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia. Na tym poziomie menu jest: film 10 sek. pokazujący włączenie układu. Następnie i stopklatka z grafiką :W-włącznik, ekran E, M- miernik temperatury. Rys. 8.1.b Odtwarzacz. Szkic ekranu ze stopklatką. E M W 8.1.b2 Okno uwag: Uwaga: Po zakończeniu doświadczenia wyłączyć układ. 202

203 8.1.c Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów (N). Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 8.1. N. Poziom : Zadania dla uczniów N Czy ruch konwekcyjny powoduje wyrównywanie temperatury? Tak Nie wybór TAK. Tak jest w układach odizolowanych od otoczenia. Przyczyną ruchu konwekcyjnego są różnice temperatur fragmentów płynu. Wraz z ruchem konwekcyjnym następuje wymiana ciepła i mieszanie się płynów i w przypadku układów odizolowanych powinno nastąpić wyrównanie temperatury. W układach, gdzie różnica temperatur cieczy jest podtrzymywana przez zewnętrzne czynniki, konwekcja może trwać bardzo długo (np. wewnątrz Ziemi). Sprawdź to rozumowanie doświadczalnie. Popatrz na ciecz, gdy temperatury są wyrównane. Włącz grzałkę i obserwuj jak różnica temperatury wywołuje chaotyczny ruch cieczy. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Tak jest tylko w układach odizolowanych od otoczenia. Przyczyną ruchu konwekcyjnego są różnice temperatur fragmentów płynu. Wraz z ruchem konwekcyjnym następuje wymiana ciepła i mieszanie się płynów i w przypadku układów odizolowanych powinno nastąpić wyrównanie temperatury. W układach, gdzie różnica temperatur cieczy jest podtrzymywana przez zewnętrzne czynniki, konwekcja może trwać bardzo długo (np. wewnątrz Ziemi). Sprawdź to rozumowanie doświadczalnie. Popatrz na ciecz, gdy temperatury są wyrównane. Włącz grzałkę i obserwuj, jak różnica temperatur wywołuje chaotyczny ruch cieczy. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) S. Poziom : Zadania dla studentów S Konwekcja w cieczy. Zbadaj ruch konwekcyjny dla małych i dużych gradientów (różnic) temperatury w cieczy. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Uwaga: W chwili rozpoczęcia doświadczenia ciecz powinna być w równowadze termodynamicznej, czyli różnica temperatur powinna równać się zero. Włącz grzałkę o mocy P=50W i obserwuj ruch cieczy. Po 10 minutach włącz grzałkę o mocy P=250W i zobacz jak tym razem wygląda ruch cieczy Karta opisu : Wahadło magnetyczne 203

204 8.2. Informacje ogólne Wahadło matematyczne porusza się pod wpływem siły ciężkości w sposób przewidywalny i łatwy do opisania. Jednak, gdy sercem wahadła będzie silny magnes poruszający się nad polem magnetycznym wytworzonym przez przypadkowo ułożone inne magnesy to ruch takiego wahadła będzie nieprzewidywalny. Sprawdź, czy ruch wahadła jest przypadkowy Zdjęcie układu wahadła z zaznaczonymi magnesami i szkicem pola magnetycznego Przebieg Doświadczenia. Odchyl wahadło w dowolnym kierunku i puść. Obserwuj, czy jest w tym ruchu jakiś ślad porządku Zadania Policz, ile razy wahadło pojawiło się w swoim ruchu nad żółtym oraz nad niebieskim polem. Czy obie wartości coś mówią o przypadkowości ruchu wahadła? 204

205 8.3. Model ruchu Browna. Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji 0/Menu zerowe Model ruchu Browna Ruch Browna a/ Menu główne: Model ruchu Browna Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania Ruch Browna Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Opis 1 Przebieg Doświadczenia opis dziłań Zadania Zadanie 1 Opis 2 Zadanie 3 Zadanie n c/ Trzeci poziom Menu Uwagi bezpieczeństwa Uwagi bezpieczeństwa podpowiedz dla studentów odpowiedz na TAK lub NIE dla uczniów 205

206 8.3. Model ruchu Browna. Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania 8.3. Drugi poziom menu: wybór Informacje ogólne Gazem nazywamy układ wielu cząsteczek lub atomów niezależnie poruszających się w przestrzeni. Gazem doskonały jest to gaz, w którym cząsteczki gazu zderzają się sprężyście ze sobą lub ściankami pojemnika i poruszają się ruchem jednostajnym między zderzeniami. Jeśli w objętości V znajduje się N cząstek gazu o temperaturze T to na ścianki pojemnika działa ciśnienie p. Związek między tymi mierzalnymi parametrami gazu opisuje równanie Clapeyrona: pv=nkt gdzie k jest stałą Boltzmana. Obserwacja przez doskonały mikroskop cząsteczek gazu wykazałaby, że cząsteczki gazu poruszają się w przypadkowych kierunkach i różnymi prędkościami. Ciśnienie gazu to jest wynik zderzania się cząstek gazu ze ściankami pojemnika (zmiana pędu cząstek podczas zderzenia podzielona przez czas obserwacji jest siłą nacisku na powierzchnię zderzeń). Wprawdzie nie mamy doskonałego mikroskopu ale zjawisko zachowania się cząstek gazu doskonałego można pokazać na modelu dobrze oddającym zjawisko. Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów ; i z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji Przemiana izotermiczna. Film przedstawiający powolny ruch tłoka pompki pompującej koło rowerowe. Stopklatka i nałożona grafika: zarys pompki, tłok, ciśnienie P, temperatura T. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Czas trwania filmu:15s. Całe zdarzenie potem powtórka do wyłączenia. Rys Pompka - stopklatka z graficznym przedstawieniem parametrów układu. λ T ł pv=const. P V T Podpis do rys

207 Bardzo powolne sprężanie powietrza jest izotermiczną przemianą gazu. Wsuwanie tłoka T ł w dół zmniejsza objętość gazu V i zwiększa ciśnienie gazu p. Ponieważ przemiana jest powolna gaz może nadmiar ciepła oddać otoczeniu i temperatura T pozostaje stała. W tej przemianie iloczyn pv nie zmienia się, czyli pv=const Przemiana adiabatyczna. Film przedstawiający działającą gaśnicę śniegową. Stopklatka i nałożona grafika: zarys objętości V, tłok, ciśnienie P i P 0, temperatura T i T 0. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Czas trwania filmu:15s. Całe zdarzenie potem powtórka do wyłączenia. Rys Pompka - stopklatka z graficznym przedstawieniem parametrów układu. λ P V T pv/t=const. P p 0 V 0 T 0 Podpis do rys W tej szybkiej przemianie gaz nie zdążył wymienić ciepła z otoczeniem. Jest to przykład adiabatycznej przemiany gazu. Bardzo szybkie rozprężanie CO 2 powoduje gwałtowne zmniejszenie ciśnienie do P, zwiększenie objętości do V i zmniejszenie temperatury T. Obniżenie temperatury jest tak duże, że gaz się zestalił w postaci śniegu. 207

208 8.3.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia Przebieg badań. Model ruchów Browna. Doświadczenie polega na obserwacji, modelu gazu doskonałego. 1. Włącz przyciskiem P model i obserwuj ruch kulek w naczyniu 2. Za pomocą magnesu M wstaw do modelu gazu krążek K i obserwuj ruch krążka. 3. Po zakończeniu obserwacji wyłącz układ. Klasyczny pulpit do odtwarzania nagrań z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia. Na tym poziomie menu jest: film 10 sek. pokazujący włączenie układu. Włożenie krążka i stopklatka : P-włącznik, M-magnes, K-krążek. Rys b Odtwarzacz. Szkic ekranu ze stopklatką. M-magnes K-krążek K P-włącznik 8.3.1b2Okno uwag: Uwaga: Po zakończeniu doświadczenie wyłączyć układ. 208

209 8.3. c Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów (N). Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 8.3.N. Poziom : Zadania dla uczniów N Czy prędkość cząsteczek gazu zależy od jego temperatury? Tak Nie wybór TAK. Tak. Im większa temperatura tym większa średnia prędkość cząstek gazu. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Jednak tak. Im większa temperatura tym większa średnia prędkość cząstek gazu. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) N Czy kulki symulujące cząsteczki gazu zderzają się ze ściankami naczynia i ze sobą sprężyście? Tak Nie wybór TAK. Tak. Tak jest w gazach doskonałych. Jeśli model ma być dobry to kule też muszą zderzać się sprężyście. Włącz układ modelu i uważnie przypatrz się ruchowi kulek. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Tak. Tak jest w gazach doskonałych. Jeśli model ma być dobry to kule też muszą zderzać się sprężyście. Włącz układ modelu i uważnie przypatrz się ruchowi kulek. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) N Czy plastikowy krążek włożony w środek pędzących kulek zacznie się poruszać? Tak Nie wybór TAK. Tak. Kulki w swoim przypadkowym ruchu uderzają sprężyście w krążek i w takim zderzeniu przekazują jemu energię i pęd. Krążek powinien się poruszyć. Szczególnie daleki skok może wykonać krążek, gdy przypadkowo uderzy w niego z tej samej strony więcej kulek. Takie przypadkowe zgęszczenie kulek nazywa się fluktuacją. Przedstawiony układ jest dobrym modelem tzw. ruchów Browna. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. 209

210 Jednak tak. Kulki w swoim przypadkowym ruchu uderzają sprężyście w krążek i w takim zderzeniu przekazują jemu energię i pęd. Krążek powinien się poruszyć. Szczególnie daleki skok może wykonać krążek, gdy przypadkowo uderzy w niego z tej samej strony więcej kulek. Takie przypadkowe zgęszczenie kulek nazywa się fluktuacją. Przedstawiony układ jest dobrym modelem tzw. ruchów Browna. przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) S. Poziom : Zadania dla studentów S Model gazu doskonałego. Zbadaj ruch kulek modelu gazu doskonałego. Czy model spełnia założenia gazu doskonałego? (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Uwaga: Model jest całkiem dobry. Kulki odbijają się sprężyście a między zderzeniami poruszają się ruchem jednostajnym S Model gazu doskonałego. Zbadaj ruch krążka włożonego w układ poruszających się kulek. Jak porusza się krążek? (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Kulki w swoim przypadkowym ruchu uderzają sprężyście w krążek i w takim zderzeniu przekazują jemu energię i pęd. Krążek powinien się poruszyć. Szczególnie daleki skok może wykonać krążek, gdy przypadkowo uderzy w niego z tej samej strony więcej kulek. Takie przypadkowe zgęszczenie kulek nazywa się fluktuacją. Przedstawiony układ jest dobrym modelem tzw. ruchów Browna 210

211 8.4. Ruch Browna. Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania 8.4 Drugi poziom menu: Informacje ogólne Ruchami Browna nazywamy zjawisko polegające na tym, że niewielkie cząsteczki, pyłki znajdujące się w gazie, lub w zawiesinie samorzutnie i pozornie bez powodu wykonują stałe chaotyczne ruchy w różne strony. Na pierwszy rzut oka nie widać ani celu ruchu, ani przyczyny ruchu. Zjawisko odkrył Robert Brown, który też początkowo poruszające się pyłki potraktował właśnie jako małe istoty żywe. Albert Einstein (w 1905 roku) i Marian Smoluchowski (w 1906) niezależnie odkryli, że zjawisko można opisać jako efekt zderzeń cząstek cieczy z pyłkiem przy założeniu, że w tym procesie pojawiają się fluktuacje. Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów ; i z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji klip Model gazu doskonałego. Klip/film przedstawiający pompowanie małego balonu. Po 10 sekundach zbliżenie do balonu i stopklatka. Na stopklatce grafika zderzeń drobin płynu ze ścianką balonu/naczynia i ze sobą. Zamiast grafiki może być nagranie modelu z kulkami. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Czas trwania filmu:10s potem zbliżenie. Przejście do animacji lub filmu z kulkami około 15s. Rys Stopklatka balonu wraz z fragmentem do powiększenia. Podpis do rys Gaz i ciecz to atomy lub cząsteczki poruszające się względem siebie i naczynia chaotycznie. W modelu gazu doskonałego przyjmuje się, że cząsteczki gazu poruszają się ruchem 211

212 jednostajnym do momentu zderzenia sprężystego ze ściankami naczynia lub z inną cząsteczką. Efekt ciągłych zderzeń ze ściankami naczynia, czyli ciśnienie gazu można zmierzyć. Średnia prędkość kulek jest miarą temperatury modelowego gazu. Model zderzających się kulek jest dobrym opisem gazów doskonałych klip Niebieskość nieba. Klip/animacja przedstawiający pejzaż z niebieskim niebem. Stopklatka i przejście do animacji. Na animacji pokazane jak promienie niebieskie i czerwone padają na fluktuacje gęstości powietrza i się rozpraszają. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Czas trwania filmu:8s potem stopklatka i animacja. Rys Widok grafiki model rozpraszania. Podpis do rys Na skutek chaotycznego ruchu cząstek gazu zdarza się, że w jednym miejscu może pojawić się więcej cząstek niż w innym. Nazywamy to fluktuacją. W powietrzu ciągle występują fluktuacje gęstości. Światło słoneczne ma tendencje do rozpraszania się na przeszkodach. Lokalne zagęszczenie (fluktuacja) powoduje większe rozpraszanie światła o krótszej fali. W efekcie, z widma światła słonecznego rozpraszane są fale światła niebieskiego podczas, gdy dłuższe fale czerwone przechodzą przez powietrze prawie bez przeszkód. Dlatego niebo jest niebieskie. 212

213 8.4.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia Przebieg badań. Ruch Browna. Doświadczenie polega na obserwacji ruchu Browna. Klasyczny pulpit do odtwarzania nagrań z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia. Na tym poziomie menu 15 sekundowe nagranie procesu wkładania preparatu do mikroskopu i nagrywania. W przypadku powrotu z zadań-poziom uczniowski odtwarza się nagrany wynik doświadczenia. W przypadku powrotu z zadań-poziom studencki jest możliwość nagrywania i odtwarzania. W czasie odtwarzania program rysuje tor ruchu oraz skalę. Rys Pyłek w cieczy - stopklatka z graficznym przedstawieniem toru. λ Start Przesunięcie 100µm 8.4.1b Okno uwag: Uwaga: Po zakończeniu doświadczenia wyłączyć układ. 213

214 8.4.c Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów (N). Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 8.4. N. Poziom : Zadania dla uczniów Uwaga: Przejście z tego poziomu na menu Przebieg Doświadczenia powoduje wywołanie odtwarzacza z nagranym doświadczeniem N Czy pyłek poruszający się ruchem Browna w efekcie odsuwa się od swojego punktu startu? Tak Nie wybór TAK. Tak. Mimo, że ruch Browna odbywa się w przypadkowych kierunkach, systematycznie odsuwa się od punktu startu. Sprawdź to rozumowanie analizując nagrane doświadczenie. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Jednak tak. Mimo, że ruch Browna odbywa się w przypadkowych kierunkach, systematycznie odsuwa się od punktu startu. Sprawdź to rozumowanie analizując nagrane doświadczenie. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) S. Poziom : Zadania dla studentów Uwaga: przejście z tego poziomu na menu Przebieg Doświadczenia powoduje wywołanie odtwarzacza z możliwością nagrania i odtwarzania doświadczenia S Błądzenie przypadkowe.. Ruch Browna należy do grupy przemieszczeń opisywanych jako błądzenie przypadkowe. Zbadaj ruch Browna w.. W tym celu: wykonaj preparat zgodnie z instrukcją, włóż do mikroskopu i zarejestruj wynik. Instrukcja wykonania preparatu: Procedura otrzymania obrazu mikroskopowego: Nagraj obserwowane zdarzenie (około 60s) Analiza wyników: 1.Po wywołaniu opcji Tor Ruchu podczas odtwarzania pojawi się tor ruchu pyłku. 2.Wyznacz średnią odległość jaką pokonał pyłek od chwili startu. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) -Uwaga: 214

215 8.5. Przewodzenie ciepła. Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji a/ Menu główne: Przewodzenie ciepła Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Opis 1 Przebieg Doświadczenia opis dziłań Zadania Zadanie 1 Opis 2 Zadanie 3 Zadanie n c/ Trzeci poziom Menu Uwagi bezpieczeństwa Uwagi bezpieczeństwa podpowiedz dla studentów odpowiedz na TAK lub NIE dla uczniów 215

216 8.5. Przewodzenie ciepła. Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania 8.5. Drugi poziom menu: wybór Informacje ogólne Energia wewnętrzna ciała jest to suma energii kinetycznych cząstek tego ciała. Im większa energia wewnętrzna, tym większa jest temperatura tego ciała. Ciepło jest to jeden (obok pracy) z dwóch sposobów przekazywania energii wewnętrznej ciał stałych, cieczy i gazów. Jest to przekazywanie energii chaotycznego ruchu cząstek, czyli atomów, cząsteczek, elektronów i jonów. Ciepło (jako energia) przepływa między ciałami, które mają różne temperatury, czyli nie znajdują się w równowadze termicznej. Przepływ ciepła wywołuje zwykle zmianę temperatur ciał pozostających w kontakcie termicznym. O szybkości przepływu ciepła decyduje różnica temperatur, powierzchnia i grubość materiału oraz jego współczynnik przenikalności ciepła k. W celu ochrony przed utratą ciepła wybieramy materiały o odpowiednio małym współczynniku k. W przypadku, gdy zależy nam na jak najlepszym odprowadzeniu ciepła stosujemy materiały o dużym współczynniku przenikalności ciepła k. Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów ; i z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji Dom w podczerwieni. Film przedstawiający dom sfilmowany w świetle widzialnym i potem w podczerwieni. Stopklatka i nałożona grafika: wartości temperatur poszczególnych segmentów domu. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Czas trwania filmu:10s. Całe zdarzenie potem powtórka do wyłączenia. Rys Dom stopklatka z graficznym przedstawieniem parametrów układu. λ Podpis do rys

217 Przenikanie ciepła ma duże znaczenie przy płaceniu rachunków za ogrzewanie mieszkań i domów. W dobie oszczędności warto ograniczyć straty ciepła. Miejsca, w których "ucieka" ciepło widać na zdjęciach kamerą termowizyjną. Kamera rejestruje promieniowanie podczerwone cieplne, dając w efekcie obraz różnic temperatur obiektu oraz pogląd, co należy ocieplić Chłodzenie procesorów. Film przedstawiający wnętrze komputera - procesora wraz z radiatorem. Stopklatka i nałożona grafika: procesor C, radiator, wentylator i powietrze z wentylatora 40 0 C. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Czas trwania filmu:10s. Całe zdarzenie potem powtórka do wyłączenia. Rys Procesor - stopklatka z graficznym przedstawieniem parametrów układu. λ Wentylator 40 0 C Procesor graficzny C Procesor C Podpis do rys Szybkie procesory wydzielają bardzo dużo ciepła, dlatego konieczne jest odprowadzenie jego nadmiaru. W laptopach i notebookach procesory ( główny i graficzny) oddają ciepło parującej cieczy w rurce miedzianej. Gorąca para przenosi ciepło do radiatora chłodzonego wentylatorem i tam się skrapla. Powietrze wyprowadza nadmiar ciepła na zewnątrz komputera i komputer może pracować bez przerwy. 217

218 8.5.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia Uwaga: włączenie układu powoduje ogrzewanie do tej samej temperatury tylnej części badanych obiektów. Przebieg badań. Przewodzenie ciepła. Doświadczenie polega na obserwacji przenikania ciepła przez płyty zbudowanych z 5-ciu różnych materiałów. Jednakowego kształtu płyty podgrzewane są jednakową mocą cieplną z jednej strony. Temperaturę drugiej strony płyt można zmierzyć lub...obserwować kamerą termowizyjną. 1. Włącz rejestrację kamerą termowizyjną. Zobacz, czy płyty mają temperaturę pokojową. 2. Włącz włącznikiem W grzanie układu i obserwuj zmiany temperatury. 3. Po czasie t=5min zmierz temperatury płyt i wyłącz układ. 3. Przeanalizuj nagranie. Określ temperaturę końcową płyt. Klasyczny pulpit do odtwarzania nagrań z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na odtwarzaczu nagranie z przygotowania rzeczywistego doświadczenia. Na tym poziomie menu jest: film 20 sek. pokazujący włączenie układu i rozgrzewanie płyt. Stopklatka z grafiką: włącznik W, płyta miedziana M, płyta drewniana D,... W czasie wykonywania badania na ekranie 8.5 pojawia się obraz termowizyjny. Rys. 8.5.b Odtwarzacz. Szkic ekranu ze stopklatką. drewno metal b2 Okno uwag: Uwaga: Przed rozpoczęciem doświadczenia płyty powinny mieć tą samą pokojową temperaturę. Jeśli jej nie mają należy poczekać. Po zakończeniu doświadczenia wyłączyć układ. 218

219 8.5.c Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów (N). Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 8.5. N. Poziom : Zadania dla uczniów N Czy metale najlepiej chronią przed przenikaniem ciepła? Tak Nie wybór TAK. Na pewno nie. Metale są najlepszymi przewodnikami ciepła. Ciepło przekazują nie tylko związane ze sobą w sieć jony, ale także bardzo dobrze przenoszą ciepło swobodne elektrony. Można powiedzieć, że metale są dobrymi przewodnikami ciepła i prądu bo posiadają chmurę swobodnie poruszających się elektronów. Sprawdź to wykonując doświadczenie. Porównaj temperatury końcowe płyt po ogrzaniu. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Na pewno nie. Metale są najlepszymi przewodnikami ciepła. Ciepło przekazują nie tylko związane ze sobą w sieć jony, ale także bardzo dobrze przenoszą ciepło swobodne elektrony. Można powiedzieć, że metale są dobrymi przewodnikami ciepła i prądu bo posiadają chmurę swobodnie poruszających się elektronów. Sprawdź to wykonując doświadczenie. Porównaj temperatury końcowe płyt po ogrzaniu. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) N Czy kamera termowizyjna może odkryć chorobę w człowieku? Tak Nie wybór TAK. Tak. Duża część chorób wywołuje reakcję organizmu w postaci podwyższonej temperatury. Dokładna kamera termowizyjna odkryje tzw. gorączkę, lecz nie poda jej przyczyn. Zobacz, jak wygląda twoja głowa w widmie promieniowania podczerwonego. Zobacz, jak różni się temperatura końca ucha i języka. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Jednak tak. Duża część chorób wywołuje reakcję organizmu w postaci podwyższonej temperatury. Dokładna kamera termowizyjna odkryje tzw. Gorączkę, lecz nie poda jej przyczyn. Zobacz, jak wygląda twoja głowa w widmie promieniowania podczerwonego. Zobacz, jak różni się temperatura końca ucha i języka. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). 219

220 8.5. S. Poziom : Zadania dla studentów S Przenikalność ciepła. Wyznacz temperatury końcowe powierzchni płyt po ogrzewaniu w czasie t-5min i porównaj iloraz współczynnika przewodności ciepła k metalu do pozostały czterech materiałów. Jak uszeregować materiały pod względem wartości k? (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Uwaga: Należy wykonać doświadczenie i wyznaczyć temperatury końcowe (najlepiej z obrazu kamery). Układ doświadczalny nie jest idealnie dostosowany do dokładnego zbadania wartości k. Można dobrze oszacować względne relacje. P=Q/t= k S ΔT/L gdzie S-powierzchnia, L-grubość, k- współczynnik przenikalności, P =moc cieplna (ilość ciepła przechodząca przez powierzchnię S w ciągu sekundy),δt=t 0 -T k - różnica temperatury powierzchni ogrzewanej i powierzchni chłodzonej. Zakładając, że ogrzewane powierzchnie mają tą samą temperaturę T 0 =400K, przepływający strumień ciepła przez płytę jest odbierany przez chłodzące powietrze. Wtedy: P=P chł. =C pow ( T k -T pok ), gdzie C pow. - pewna stała, T pok. - temperatura otoczenia (pokojowa). Dla metalu M: P=Q/t= k M S (T 0 -T km )/L= C pow ( T km -T pok ) Dla drewna D: k D S (T 0 -T kd )/L= C pow ( T kd -T pok ) Przy takich samych S,L,c pow. : k M /k D =( T km -T pok ) /(T 0 -T km ) (T 0 -T kd )/ ( T kd -T pok ) S Kamera termowizyjna. Zbadaj możliwości kamery termowizyjnej. Wyznacz temperatury przynajmniej 5-ciu elementów twarzy? (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) -zarejestruj obraz i odczytaj wartości. 220

221 8.6. Szum termiczny. Schemat ogólny dostępu do poszczególnych opcji 0/Menu zerowe Konwekcyjny chaos, Szum termiczny. a/ Menu główne: Szum termiczny Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania Konwekcyjny chaos b/ Drugi poziom Menu Informacje ogólne Opis 1 Przebieg Doświadczenia opis dziłań Zadania Zadanie 1 Opis 2 Zadanie 3 Zadanie n Uwagi bezpieczeństwa Uwagi bezpieczeństwa c/ Trzeci poziom Menu podpowiedz dla studentów odpowiedz na TAK lub NIE dla uczniów 221

222 8.6. Główne menu strony Szum termiczny. Informacje ogólne Przebieg Doświadczenia Zadania 8.6. Drugi poziom menu: Informacje ogólne Chaos obserwowany w świecie dotyczy także gazu elektronów w metalach. W metalach swobodne elektrony mogą poruszać się po całej objętości metalu zderzając się z siecią jonów. W takim ruchu chaotycznym gazu elektronów także występują fluktuacje ruchu, które mogą spowodować chwilowe zagęszczenie elektronów z jednej strony metalu (nadmiar ładunku ujemnego) i rozrzedzenie z drugiej strony (nadmiar ładunku dodatniego). W efekcie, taka fluktuacja powoduje powstanie napięcia U(t) zmieniającego swą wartość w sposób przypadkowy. Mówimy o tym, że na końcach metalu (np.opornika) pojawia się szum. Trzy zdjęcia początkowych ujęć klipów ; i z podpisami. Kliknięcie na zdjęciu powoduje uruchomienie aplikacji Szumiąca elektronika. Film przedstawiający wzmacniacz odtwarzający muzykę. Po 10 sekundach siła głosu skręcona do zera natomiast wzmocnienie do maksimum. Słychać szum i jest rysowany graficznie. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Czas trwania aplikacji: 10s. Rys Szkic stopklatka z graficznym przedstawieniem odbioru mikrofalowego szumu. V T Podpis do rys Elektronika opiera się na ruchu elektronów w opornikach, kondensatorach, diodach, tranzystorach i procesorach. Wszystkie te elementy szumią, ponieważ w chmurze 222

223 poruszających się elektronów występują fluktuacje gęstości ładunku. Dużym wyzwaniem jest zbudowanie elektronicznych elementów o jak najniższym szumie Szumiący kosmos. Grafika przedstawiająca niebo nocne, fragment powierzchni Ziemi wraz z czaszą anteny. Stopklatka i nałożona grafika: dużo fal ze wszystkich kierunków poruszają się do anteny. Z anteny wychodzi sygnał szumów. Dwa zdania wyjaśniające. Całość zgodna z zasadami fizyki i dydaktycznie poprawna. Czas trwania aplikacji: 10s. Rys Szkic stopklatka z graficznym przedstawieniem odbioru mikrofalowego szumu. λ V T Podpis do rys Szum przychodzi do nas także z kosmosu. W latach dwóch młodych pracowników Bell Labs słuchało radiowych sygnałów z kosmosu. Obserwacje utrudniał jednak radiowy szum, stukrotnie silniejszy od przewidywanego. Nie zależał on ani od kierunku, w którym była zwrócona antena, ani od pory obserwacji. Okazało się, że natrafili na promieniowanie będące pozostałością wielkiego wybuchu. Ten wszechobecny szum jest jednym z koronnych dowodów na zasadność teorii powstania naszego świata, teorii Big-Bang. 223

224 8.6.b Drugi poziom menu Przebieg Doświadczenia Uwaga: wyjście wzmacniacza podane jest także na głośnik komputera w celu usłyszenia szumu. Przebieg badań. Termiczny szum. Doświadczenie polega na obserwacji, czy rzeczywiście elementy elektroniczne szumią. Badane są oporniki o oprze R 1 =10MΩ i R 2 =40MΩ podłączone do wzmacniacza o małym poziomie szumów. 1.Włącz wzmacniacz. Ustaw przełącznik wejściowy w pozycji. 0. Wzmacniacz jest zwarty na wejściu. Na oscyloskopie określ poziom szumów wzmacniacza np. maksymalną amplitudę sygnału. Posłuchaj szumu własnego wzmacniacza. 2. Ustaw przełącznik wejściowy w pozycji 1. Na wejściu wzmacniacza podłączony jest opornik R 1 - jako źródło szumów. Na oscyloskopie określ poziom szumów wzmacniacza np. maksymalną amplitudę. Posłuchaj szumu opornika i wzmacniacza. 3. Ustaw przełącznik wejściowy w pozycji 2. Na wejściu wzmacniacza podłączony jest opornik R 2 - jako źródło szumów. Na oscyloskopie określ poziom szumów wzmacniacza np. maksymalną amplitudę. Posłuchaj szumu opornika i wzmacniacza. 4. Po zakończeniu obserwacji wyłącz układ. Klasyczny pulpit do odtwarzania nagrań z możliwością zatrzymywania, przesuwania itp. Na odtwarzaczu nagranie z rzeczywistego doświadczenia. Na tym poziomie menu jest: film 10 sek. pokazujący włączenie układu. Następnie i stopklatka z grafiką :W-włącznik, oscyloskop Osc.,opornik R 1 i R 2. A-wzmacniacz Rys. 8.6.b Odtwarzacz. Szkic ekranu ze stopklatką. W Wzmacniacz Osc R b2. Program oscyloskopu pomiar napięcia szumu Okno uwag: Uwaga: Po zakończeniu doświadczenie wyłączyć układ. 224

225 8.6.c Drugi poziom menu Zadania Podstawowy układ strony jest przeznaczony dla innych uczestników-uczniów (N). Do zadań dla studentów można przejść za pomocą przycisku Studenci 8.6. N. Poziom : Zadania dla uczniów N Czy wielkość szumu zależy od wartości opornika? Tak Nie wybór TAK. Tak. Napięcie szumów zależy od wartości opornika R. Wykonaj badania dwóch oporników i zobacz, czy na większym oporniku generowane jest większe napięcie szumu. Zwiększenie szumu powinno być słychać w głośniku. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). wybór NIE. Tak. Napięcie szumów zależy od wartości opornika R. Wykonaj badania dwóch oporników i zobacz, czy na większym oporniku generowane jest większe napięcie szumu. Zwiększenie szumu powinno być słychać w głośniku. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia) S. Poziom : Zadania dla studentów S Szum opornika. Zbadaj, czy wielkość szumu zależy od wartości opornika. (przejście do poziomu menu Przebieg Doświadczenia). (? pomoc) - Uwaga: Od szumu opornika należy odjąć szum własny wzmacniacza. Wartość napięcia szumów U(t) zależy od oporu opornika R, temperatury T : U(t) 2 =4TR f gdzie k- stała Boltzmanna, f- szerokość analizowanego pasma częstotliwości. Przy stałej wartości f i T kwadrat napięcia szumów jest proporcjonalny do wartości R: U(t) 2 R. 225

226 9.1. Propagacja informacji w sieci. Uwagi wstępne: 1.Stanowisko składa się z monitora obsługi 22' i monitora ogólnego 42'. Na monitorze 22 znajdują się wszystkie dane: okno tytułu i informacji użytkownika, okno programu głównego. No monitorze ogólnym: w menu drugiego poziomu tylko okno programu głównego. 2. Poniższy opis zawiera uwagi, opis, zalecenia wykonawczy pisany normalną czcionką oraz pisane kursywą treści merytoryczne. Schemat ogólny dostępu do poszczególnych poziomów a/ Menu główne: Propagacja informacji w Internecie. Informacje ogólne Informacja Przebieg Doświadczenia Informacja Zadania Zadanie Zadanie b/ Drugi poziom Menu Propagacja informacji w Internecie. Zadanie: Okno informacji użytkowych i zadanie 9.1.1A Propagacja informacji w Internecie.Zadanie: Okno informacji użytkowych i zadanie 9.1.1B Okno programu głównego - dla zadania 9.1.1A Okno programu głównego - dla zadania B Uwagi: Z menu głównego przechodzi się do drugiego poziomu poprzez wybór zadania nr 1 lub

227 9.1. Menu główne Propagacja informacji w sieci Informacja ogólna Sieć Internetu oplata Ziemię pozwalając na praktycznie nieograniczony ruch informacji. Droga i szybkość przekazywania informacji w postaci pakietów zależy od szeregu czynników, w tym od stanu łączy i ich obciążenia. Dostępne oprogramowanie pozwala na zobrazowanie działania sieci poprzez śledzenie historii adresowanych pakietów informacji. Celem doświadczenia jest zbadanie szybkości docierania pakietu informacji do docelowego adresu oraz przedstawienie drogi pakietu do celu. Przebieg Doświadczenia Badania propagacji informacji w sieci wykonuje się za pomocą programów dedykowanych. Po ich wywołaniu należy zapoznać się z uwagami i z programem Zadania Wyznacz liczbę skoków (hops) i czas dotarcia informacji do następujących serwerów:.. Czy czas propagacji informacji zależy od odległości między nadawcą i odbiorcą? (przejście do menu drugiego poziomu program główny w trybie traceroute) Zbadaj czas propagacji pakietów w zależności od ich wielkości. Czy czas propagacji jest proporcjonalny do objętości informacji? (przejście do menu drugiego poziomu program główny w trybie ping) 227

228 9.1.1.b Drugi poziom menu: zadania Okno informacji użytkownika zadanie nr 9.1.1A: Do zbadania trasy pakietu służy program. W trybie traceroute w oknie programu należy wpisać adres dowolnej strony www. Program pobiera adresy kolejnych routerów, przez które przechodzi pakiet danych i wyświetla kolejność, adresy punktów oraz wartość odległości pokonanej w kilometrach. Na mapie świata pojawiają się linie łączące tzw. Hopy, dzięki czemu obserwowana jest trasa, jaką pokonuje pakiet Okno programu głównego zadanie 9.1.1A Rys Wykres trasy pakietu (ping) z Kalifornii w USA do popularnego portalu w Polsce b Drugi poziom menu: zadanie Okno informacji użytkownika zadanie nr 9.1.1B: Do zbadania trasy pakietu służy program. W trybie ping dostępne jest pole, w które należy wpisać adres docelowej strony www lub adres IP serwera. Po wpisaniu dowolnego adresu aplikacja wyszukuje serwer na mapie świata i wykreśla schematyczne połączenie z Hewelianum. Obok mapy wypisane zostają informacje: Adres www, Adres Ip, Lokalizacja geograficzna, Odległość fizyczna (rys 9.1.2). W drugiej części ekranu znajduje się wykres czasu rzeczywistego, pokazujący opóźnienie doręczenia pakietów wysyłanych w określonych odstępach, np. co sekundę. Aplikacja posiada 228

229 rozwijane menu, w którym można wybrać wielkość badanego pakietu i obserwować zależność wielkość/czas doręczenia (Rys 9.1.3). Okno programu głównego zadanie 9.1.1B Rys Rys Przykład okna dla programu śledzenia pakietów. 229