פיזיקה, מעבדת חקר (בגרות קיץ 2023, שאלון 036386). הניסוי מבוצע כאן בסימולציה: מניעים את המערכת, מודדים בשעון עצר, ועונים לפי התוצאות שלכם.
לכל תלמיד ערכים מעט שונים בסימולציה, כמו במעבדה אמיתית. התשובות נשמרות אוטומטית בדפדפן זה.
השלב הראשון: השוואה בין זמני המחזור של מטוטלות שונות המתנודדות במישור אנכי
מטוטלת מתמטית: חוט דק שאורכו L, שעליו תלויה מסה נקודתית m. בהסטת המסה בזוויות קטנות היא מתנודדת במישור החוט, וכוח החיכוך זניח. זמן המחזור נתון בחוק 1:
T — זמן המחזור, g — תאוצת הנפילה החופשית, L — אורך החוט. שימו לב: זמן המחזור אינו תלוי במסת הגוף המתנודד.
המערכת מוכנה: הכדור (20 גרם) תלוי בחור מספר 0, והגומייה בגובה מרכזו. הסרטוט הוא מבט מהצד על המסגרת, ולכן התנודה המאונכת למישור המסגרת נראית אליכם.
| זמן 10 מחזורים 10T [sec] | זמן המחזור T [sec] | |
|---|---|---|
| כדור m = 20 [gr] | ||
| פס מתכת M = 195 [gr] |
טבלה 1. השורה השנייה (פס מתכת) תמולא בשאלה 2.
מטוטלת דו-חוטית: שני חוטים קלים זהים, שעליהם תלוי פס מתכת שאינו נקודתי שמסתו M = 195 גרם. שני התפסים האדומים במרכז הפס ומוט העץ בתוכם, ושני התפסים הכחולים על הקווים מספר 2 של הפס.
בחרו את החורים שאליהם נקשרו החוטים בלוח העליון. חורים מספר 2 נותנים d = 8 cm, וחורים מספר 3 נותנים d = 12 cm.
הסיטו מעט את הפס מנקודת שיווי המשקל לכיוונכם, ואז שחררו אותו כך שיתנודד מאונך למישור המסגרת. הפעילו את שעון העצר ומנו עשרה זמני מחזור. הקפידו שהפס לא ייגע במסגרת או בגומייה.
| מספר המדידה | המרחק בין החוטים d [cm] | זמן 10 מחזורים 10T [sec] | זמן המחזור T [sec] |
|---|---|---|---|
| 1 | 8 (חורים מספר 2) | ||
| 2 | 12 (חורים מספר 3) |
טבלה 2
כדי לקבוע אם זמני המחזור דומים, מחשבים את ההפרש היחסי ביניהם (באחוזים):
במערכת הנתונה קובעים שזמני המחזור דומים אם ההפרש היחסי קטן מ-5% או שווה לו.
מטוטלת סיבוב דו-חוטית היא מוט ישר התלוי אופקית על שני חוטים מקבילים המאפשרים לו להסתובב בחופשיות סביב ציר אנכי. כאן פס המתכת משמש כמוט.
מומנט ההתמד תכונה פיזיקלית המבטאת את התנגדותו של גוף שאינו נקודתי לסיבוב. למשל: סיבובו של מחליק על הקרח קל יותר כשידיו צמודות לגופו, כי התפלגות המסה סביב ציר הסיבוב השתנתה.
I — מומנט ההתמד ביחידות kg·m², ו-dm — רכיב מסת הגוף הנמצא במרחק r מציר הסיבוב. ביחס לציר מאונך למישור הפס ab:
a — אורך הפס (m), b — רוחב הפס (m), M — מסת פס המתכת (kg).
גררו את הפס מעל הסרגל כדי להציב את קצהו באפס. הסרגל מחולק למילימטרים. גללו אופקית אם המסך צר.
מדידת האורך a (הפס במבט מלמעלה):
מדידת הרוחב b (חתך קצה הפס בהגדלה):
חזקות של עשר נכתבות באות e: למשל 1.2×10⁻³ נכתב 1.2e-3.
קשרו את החוטים לחורים מספר 1 (d = 4 cm), ושני התפסים הכחולים על הקווים מספר 1 של הפס. סובבו מעט את המערכת משיווי המשקל בעזרת מוט העץ (גררו את הפס אופקית או לחצו ״סיבוב משיווי משקל״), ואז שחררו אותה כך שתסתובב סביב הציר האנכי העובר במרכז הפס. מנו עשרה זמני מחזור.
רשמו את התוצאה בטבלה 3 במדידה מספר 1, וחשבו את זמן המחזור.
מדדו את זמן המחזור כמו בשאלה 5, כשבכל פעם משנים את המרחק d בין החוטים לפי טבלה 3 (השתמשו בלחצני החורים שבסימולציה לעיל). רשמו את זמן 10 המחזורים וחשבו את זמן המחזור בכל מקרה.
| מספר המדידה | המרחק בין החוטים d [m] | אחד חלקי המרחק 1/d [1/m] | זמן 10 מחזורים 10T [sec] | זמן המחזור T [sec] |
|---|
טבלה 3. עמודת 1/d תמולא בשאלה 7.
בחוק 4 נתון זמן המחזור של מטוטלת דו-חוטית המוסטת בזוויות סיבוב קטנות:
כלומר זמן המחזור נקבע על ידי תאוצת הנפילה החופשית g, מומנט ההתמד I, מסת הפס M, המרחק בין החוטים d וממוצע אורכי החוטים L. כדי למצוא את I בעזרת השיפוע וחוק 4 יש למדוד את אורכו של כל חוט ולחשב את הממוצע.
אפשרות ״א״: מתחתית החור העליון עד חלקו העליון של פס המתכת.
אפשרות ״ב״: מתחתית החור העליון עד מקום קשירתו לתפס שעל הפס.
קבעו את האפשרות הנכונה ונמקו. אחר כך מדדו את אורכו של כל אחד מהחוטים לפי קביעתכם.
הסרגל ניתן לגרירה לכל הכיוונים. הציבו את האפס בתחתית החור. לחצן ההגדלה מסייע לקריאה בדיוק של מילימטר.
1. חשבו את ההפרש היחסי בין I₁ שקיבלתם בשאלה 4 ובין I₂ שקיבלתם בשאלה 9:
2. ציינו שני גורמים אפשריים להפרש היחסי: גורם אחד בקביעת הערך של I₁, וגורם אחר בקביעת הערך של I₂.
היעזרו בחוקים 3 ו-4. עבור המטוטלות המתנודדות במישור אנכי חזתה התיאוריה שזמן המחזור אינו תלוי במסת הגוף המתנודד (חוק 1). האם התיאוריה חוזה שגם זמן המחזור של מטוטלת הסיבוב הדו-חוטית אינו תלוי במסת הגוף המתנודד? נמקו.
ענו ביחס לאחד הניסויים שביצעתם במכניקה.
אחרי ההגשה התשובות ננעלות וציון החלקים החישוביים מופיע מיד. את החלקים המילוליים בודקת המורה.
שלחו את דף התשובות למורה: העתיקו אותו כטקסט והדביקו בהודעה, או שמרו אותו כקובץ PDF.