פיזיקה · כיתה י' · מעבדה

מסרטון לחוק טבע: מודדים את g

מצלמים גוף נופל, מוצאים את המשוואה שלו וקוראים ממנה את תאוצת הנפילה.

100 נקודות בסך הכול טעיתם? יופיע רמז ותוכלו לנסות שוב כל ניסיון שגוי מוריד 25% מניקוד המשימה (עד חצי) הכלי נפתח בלשונית חדשה והדף הזה נשאר פתוח
שימו לב: התשובות לא נשמרות. רענון הדף או סגירתו מוחקים הכול! בסיום, ייצאו את הסיכום למורה (בתחתית הדף) לפני שסוגרים.
התקדמות0 / 18 משימות
ניקוד 0/100

לפני שמתחילים: מה עושים כאן ולמה

במעבדה הזו תצלמו גוף נופל, תנתחו את הסרטון בכלי מיוחד, ותקבלו מספר: תאוצת הנפילה. לפני שנוגעים במצלמה צריך להבין מה מחפשים ואיך יודעים שמצאנו אותו. זה מה שהדף הזה בונה, חלק אחרי חלק.

מה עושיםהפעולה עצמה: איזה כפתור, איזה מספר, מה לכתוב.
למהמה השלב הזה נותן, ומה היה משתבש בלעדיו.
איך יודעים שהצליחסימן ברור שאפשר לבדוק בעצמכם לפני שממשיכים.
בחלקים 4, 5 ו-6 יש כפתורי „בוצע". הם לא נותנים נקודות, אבל הם נכנסים לסיכום שתשלחו למורה, והם עוזרים לכם לא לאבד את המקום.
חלק 1

הרעיון הגדול: מהמשוואה לנתונים, ובחזרה

זה החלק החשוב ביותר בדף. אם הוא ברור, כל השאר הוא רק ביצוע.

16 נק'
1

בכיתה הלכנו מהמשוואה לנתונים

הייתה לנו משוואת מקום-זמן. הצבנו זמן וקיבלנו מקום. המשוואה הייתה "מכונה לניבוי".

2

במעבדה הולכים בכיוון ההפוך

אוספים זוגות של (t, y) מהמציאות, ומחפשים איזו משוואה מייצרת בדיוק אותם.

3

מהמשוואה לומדים שני דברים שונים

  • הצורה (ישר? פרבולה?) בודקת או יוצרת תיאוריה: איזה סוג תנועה זו.
  • המקדמים מודדים קבועים פיזיקליים. הפעם: התאוצה.

אינטראקטיב 1א מהמשוואה לנתונים

כאן המשוואה נתונה, ומהמשוואה אתם מקבלים נתונים. הזיזו כל מחוון בנפרד וראו מה הוא משנה בגרף ובטבלה.

שלושה מספרים קובעים את התנועה

1.0 m
0.5 m/s
2.0 m/s²
t (s)y (m)
משימת גילוי (בלי ניקוד): קבעו a = 0. איזה צורה מקבלים, ולמה?
בדקו את עצמכםישר. בלי תאוצה אין איבר t², והמקום גדל בצעדים שווים: זו מהירות קבועה.
1אמה ההבדל בין מה שעשינו בכיתה לבין מה שעושים במעבדה?

אינטראקטיב 1ב מהנתונים למשוואה

עכשיו הכיוון ההפוך. הנקודות הכחולות הן מדידות של "עגלה מסתורית" שירדה במישור משופע. אין לכם משוואה, רק נקודות. הזיזו את שלושת המחוונים עד שהעקומה עוברת קרוב לכל הנקודות. המד מראה את המרחק הממוצע בין העקומה לנקודות (הקווים האדומים בגרף).

התאימו את העקומה

0.0 m
0.0 m/s
1.0 m/s²
מרחק ממוצע מהנקודות: 0.000 m
רחוקהסף: 0.050 mקרוב
סדר עבודה שעוזר: קודם התחילו את העקומה בנקודה הראשונה (y0), אחר כך כוונו את השיפוע בתחילת הדרך (v0), ובסוף את מידת ההתעקלות (a). אחרי כל שינוי, בדקו אם המד ירד.
1בהתאימו את העקומה עד שהמרחק הממוצע יורד מתחת לסף, ואז לחצו "בדיקה".
1גלפי ההתאמה שמצאתם, מה התאוצה של העגלה המסתורית?
a =m/s²
חלק 2

לקרוא משוואה: צורה ומקדמים

Google Sheets ייתן לכם משוואה כמו y = 0.9x² + 0.5x + 0.2. כאן לומדים לקרוא אותה: מה הצורה אומרת, ומה כל מספר אומר.

16 נק'
בפיזיקהבקו המגמהמה לומדים מזה
האיבר הקבוע y0המספר החופשיאיפה הגוף היה ב-t = 0
המקדם של t, כלומר v0המקדם של xהמהירות ב-t = 0
המקדם של t², כלומר ½aהמקדם של x²חצי מהתאוצה
הטעות הנפוצה ביותר: לקרוא את המקדם של x² כאילו הוא התאוצה. הוא רק חצי ממנה, כי במשוואה כתוב ½·a·t². כדי לקבל את a מכפילים ב-2.

דוגמה מפורקת: עגלה על מישור משופע

מצלמים עגלה שיורדת במישור משופע ומקבלים בקו המגמה: y = 0.9x² + 0.5x + 0.2

  • 0.2: ב-t = 0 העגלה הייתה 0.2 m מהראשית שבחרנו.
  • 0.5: המהירות בתחילת הצילום, v0 = 0.5 m/s.
  • 0.9: זה ½a. לכן a = 2 · 0.9 = 1.8 m/s², ולא 0.9.

כרטיסי נוסחה

משוואת מקום-זמן (תאוצה קבועה)

y(t) = y0 + v0·t + ½·a·t²
הסבר ▾
  • y(t): המקום של הגוף ברגע t, במטרים (m).
  • y0: המקום ברגע t = 0. בא מהסימון הראשון שלכם ומבחירת הראשית.
  • v0: המהירות ברגע t = 0, ב-m/s.
  • a: התאוצה, ב-m/s². ה-½ נובע מכך שהמהירות גדלה בהדרגה, וממוצע המהירות הוא חצי מהסוף.
  • יחידות: (m/s²)·s² = m, כל האיברים במטרים. כך בודקים שהנוסחה הגיונית.

משוואת מהירות-זמן

v(t) = v0 + a·t
הסבר ▾
  • v(t): המהירות ברגע t, ב-m/s.
  • כל שנייה המהירות גדלה ב-a. לכן זה ישר, והשיפוע שלו הוא a עצמה, בלי חצי.

שיפוע של ישר

slope = Δy / Δx
הסבר ▾
  • בוחרים שתי נקודות על הישר: השינוי האנכי חלקי השינוי האופקי.
  • בגרף v מול t: Δv / Δt, כלומר תאוצה. היחידות: (m/s) / s = m/s².
  • שיפוע שלילי: הערך יורד עם הזמן. זה תלוי בכיוון שבחרתם לציר y.

אינטראקטיב 2 מה הצורה מספרת

לפניכם שלושה גרפים של מקום מול זמן. הצורה של הנקודות אומרת איזה סוג תנועה זו. בחרו לכל גרף את הסוג, ולחצו "בדיקה".

2אלכל גרף, איזה סוג תנועה הוא מראה?
2בצילמו עגלה על מישור משופע, ו-Google Sheets נתן קו מגמה: y = 1.25x² + 1.2x + 0.4. מה התאוצה של העגלה?
a =m/s²
2גלמה בגרף מהירות-זמן של תנועה בתאוצה קבועה מספיק קו ישר, ומה השיפוע שלו?
חלק 3

מסרטון למספרים

בסרטון אין שניות, אין מטרים ואין נקודת ייחוס. יש רק תמונות ופיקסלים. כאן רואים איך שלושתם נכנסים לנתונים, ואיפה אפשר לטעות.

16 נק'

3.1 זמן: סרטון הוא רצף תמונות

הזמן בין שתי תמונות הוא אחד חלקי קצב הצילום: Δt = 1 / fps. הכלי לא יודע כמה זמן עבר בין שתי תמונות, אלא אם תגידו לו את הקצב האמיתי של המצלמה.

כמה תמונות נכנסות בחצי שנייה

תמונות בחצי שנייה15
הזמן בין תמונות Δt0.0333 s
קצב גבוה יותר = יותר נקודות על אותה נפילה = קל יותר לראות את הצורה. לכן מצלמים בקצב הגבוה ביותר שהטלפון מאפשר.

מלכודת ההילוך האיטי

צילמתם בהילוך איטי. הקובץ מתנגן ב-30 תמונות בשנייה, אבל המצלמה צילמה הרבה יותר מהר. מה קורה אם הכלי מקבל את הקצב הלא נכון?

הזמנים שחושבו, ביחס לאמיתיים×8
התאוצה שתימדד, ביחס לאמיתית×1/64
3אצילמתם ב-120 תמונות בשנייה. כמה זמן עובר בין תמונה לתמונה?
Δt =s

3.2 אורך: מפיקסלים למטרים

המצלמה מודדת פיקסלים. עצם באורך ידוע (מקל מדידה) נותן "שער חליפין": כמה פיקסלים יש במטר. זה עובד רק אם המקל באותו מישור של הכדור. הנה הסיבה, במבט מלמעלה.

הרחיקו את המקל ממישור הכדור

0.0 m
קרוב יותר למצלמהרחוק יותר
המקל נראהבאותו גודל
עיוות הכיול0%
הכדור נמצא 4 m מהמצלמה. עצם רחוק נראה קטן יותר: גודלו בתמונה פרופורציוני ל-1/מרחק.
3במקל של 1 m תופס בתמונה 400 פיקסלים. הכדור ירד 150 פיקסלים. כמה מטרים הוא ירד?
m

3.3 ראשית וצירים: אתם בוחרים

בסרטון אין "אפס" מובנה. אתם בוחרים איפה y = 0 ולאן הציר מצביע. מה זה משנה? עגלה יורדת במישור משופע, וה-y הוא הגובה שלה. הזיזו את הראשית והפכו את הציר, וראו מה קורה למשוואה.

הציבו את הצירים

0.0 m
גודל המקדם של t²0.9
a = 2·|מקדם|1.8 m/s²
הנקודות הפיזיקליות לא זזו: העגלה עשתה בדיוק אותו דבר. רק השפה שבה אנחנו מתארים אותה השתנתה.
3גבניתוח של נפילה הזזתם את הראשית של הצירים בחצי מטר. מה ישתנה בערך של g שתמדדו?
3דצילמתם בהילוך איטי ב-240 תמונות בשנייה, אבל בכלי נשאר הקצב 30 של הקובץ. מה יקרה לערך של g שתמדדו? (נסו את מלכודת ההילוך האיטי בסעיף 3.1 למעלה, ואז ענו.)
חלק 4

צילום: מכינים סרטון שאפשר לנתח

רוב השגיאות במעבדה נקבעות לפני הצילום. עברו על הרשימה וסמנו „בוצע" לכל שורה. לכל שורה כתוב גם למה.

4 נק'
4אלמה לא מפילים דף נייר במעבדה הזו?
חלק 5

תרגול מלא במנתח הווידאו

לפני שמצלמים בעצמכם, מתאמנים על סרטון מוכן: כדור שנופל על "כוכב לכת מסתורי". התאוצה בו לא זהה לשלכם, והשאלה בחלק 6 היא על הערך שלו.

8 נק'

הכלי נפתח בלשונית חדשה. השלבים כאן מקבילים לחמשת שלבי האשף בכלי: 1 טעינה · 2 טווח הניסוי · 3 כיול · 4 ראשית וצירים · 5 סימון. אחריהם עוד שני שלבים: בדיקת שפיות והעתקה.

5אכמה פיקסלים למטר יצא לכם בכיול על מקל המדידה של סרטון התרגול? (הערך שהכלי מציג אחרי הכיול.)
px/m
5בכמה שניות עוברות בין פריים לפריים בסרטון התרגול? (אפשר להקליד גם כשבר, למשל 1/30.)
Δt =s
חלק 6

מהטבלה לחוק: Google Sheets

זה הרגע שבו הנקודות הופכות למשוואה. תעבדו על הנתונים מסרטון התרגול (ובחלק 7, על שלכם).

26 נק'

למה מהירות בהפרש מרכזי? הסבר מפורט

הבעיה: לכל פריים יש מקום, אבל אין מהירות. מהירות היא Δy / Δt, והיא דורשת שני פריימים.

  • למה פריים לפני ופריים אחרי? אם נחסיר רק פריים n מ-n+1, נקבל מהירות ממוצעת שבין שני הפריימים, כלומר ברגע שאינו אף פריים. אם נחסיר n−1 מ-n+1, הרגע שבאמצע הוא בדיוק פריים n.
  • לאיזה רגע שייכת המהירות? ל-tn, האמצע. כשהתאוצה קבועה, המהירות הממוצעת על קטע שווה בדיוק למהירות ברגע האמצעי שלו.
  • מה ה-Δt? עברו שני מרווחים בין n−1 ל-n+1: Δt = 2 / fps. ב-60 תמונות בשנייה זה 2/60 ≈ 0.0333 s. הטעות הנפוצה היא לחלק ב-1/fps, ואז כל המהירויות יוצאות כפולות.
  • דוגמה עם עגלה (y = 0.2 + 0.5t + 0.9t², תמונה כל 0.1 s): ב-t = 0.1 המקום 0.259 m, ב-t = 0.3 המקום 0.431 m. לכן v(0.2) = (0.431 − 0.259) / 0.2 = 0.86 m/s. בדיקה במשוואה: 0.5 + 1.8 · 0.2 = 0.86.
בגיליון: אם העמודות הן A=frame, B=t, C=x, D=y, כותבים ב-E3 את =(D4-D2)/(B4-B2) וגוררים למטה. בשורה הראשונה ובאחרונה אין מהירות כי חסר שכן. בפונקציות עם כמה ארגומנטים (למשל SLOPE) ייתכן שבגיליון בעברית המפריד הוא ; ולא ,.
6אמה התאוצה בכוכב הלכת המסתורי, לפי קו המגמה של y מול t? הקלידו את גודל התאוצה (מספר חיובי).
a =m/s²
6באותה תאוצה, הפעם מהשיפוע של קו המגמה הליניארי בגרף v מול t. הקלידו גם כאן את הגודל.
a =m/s²
6גשתי הדרכים נתנו ערכים מעט שונים. למה הם לא זהים בדיוק, ובאיזו דרך תסמכו יותר? נמקו (לפחות משפט או שניים).
חלק 7

עכשיו אתם: הניסוי האמיתי

אותו תהליך בדיוק, אבל על גוף נופל שלכם. כאן הדף לא יגיד לכם אם יצא "נכון". אתם תשפטו את התוצאה בעצמכם.

14 נק'

טופס תוצאות

הממוצע–
הפיזור (חצי ההפרש בין הגדול לקטן)–
הסטייה מהערך המקובל–
הדף מחשב ומציג, אבל לא אומר אם התוצאה טובה. הפיזור מראה כמה המדידות שלכם מסכימות ביניהן. הסטייה מראה כמה הממוצע רחוק מהערך המקובל. אם הסטייה גדולה מהפיזור, חשדו בשגיאה שיטתית (שמזיזה את כל המדידות לאותו כיוון).
7אמלאו את שלושת הערכים ואת הערך המקובל (נספר כשכל השדות מלאים).
7ברפלקציה: שתי שאלות קצרות.
סיכום

לוח תוצאות

הסיכום מתעדכן בזמן אמת. בסיום, ייצאו אותו ושלחו למורה יחד עם קובץ ה-Sheets ושלושת קובצי הפרויקט מהכלי („שמור פרויקט").

0מתוך 100
משימהסטטוסניסיונות שגוייםניקוד

רענון הדף או סגירתו מוחקים את כל התשובות. ייצאו את הסיכום לפני שסוגרים את הדף.