הוראת פיסיקה בדרך החקר/הכוחות על גוף במישור משופע

הערות

פעילות חקר זו מכילה הרבה דרגות חופש. קיימות מספר שיטות לביצוע הניסויים וקיימות מספר שיטות לנתח את התוצאות. כעיקרון, התלמיד צריך למדוד שני כוחות (כח נורמלי והכח בכיוון השיפוע), וזוית. את הכוחות ניתן למדוד ע"י גומיה מכויילת, מד-כח, משקולות תלויות מחוט (דרך גלגלת). את הזוית ניתן למדוד ע"י מדידת הטנגנס שלה (אם כבר נלמד), ע"י מד זוית על השיפוע, או מד זוית עם אנך על הגוף עצמו.

בפעילות זו יש הרבה מקום לדיון. אפשר לראות את הכח הנורמלי כרכיב של המשקל. אפשר גם לראות את הכח הנורמלי כתוצאה של מכפלת המסה ברכיב התאוצה בכיוון הנורמלי (ההצגות שקולות, אל-אף כי הרבה מורים נמנעים מהצגה כזו. אבל הצגה של כח כתוצאה של רכיב תאוצה ומסה יכול להקל בהמשך הבנה של כח דלמבר)

דורש כקדם – כיול גומיה כמד כח, והעתקה של קטורים בצורה גרפית.

נועד בעיקר לחזק את ההבנה של המושג "כח נורמלי".

כישורים

עבודה עצמאית

שימוש בווקטורים בצורה גרפית

שימוש בגרף כיול של מכשיר מדידה

מדידת פרמטרים במערכת פיסיקלית (כוחות + זויות)

בנית מערכת מדידה

שרטוט של בעיה פיסיקלית

הצגה גרפית של תוצאות

ידע

חוק הוק

ווקטורים

שקול כוחות

סכום הכוחות במערכת סטטית שווה לאפס

שגיאת מדידה

סכום כוחות שונה מאפס גורם לתנועה

ציוד נדרש

גומיות מכויילות או מדי כח

סרגלים משולשים (לכל תלמיד שני סרגלים, לפחות אחד מהם משולש)

מדי זוית

מאזניים

עגלות

משקולות

גלגלות

חוטים

כלי כתיבה

ציוד אחר שניתן למצוא בכיתה

ידע קודם נדרש

גומיה כמד כח

העתקה של וקטורים

W=mg

F=ma

הנחיות לפעילות

הצגת הבעיה

כשאני שוקל משהו (רצוי להחזיק משהו ביד, ולהכין מאזניים על השולחן), אני בעצם מקבל את הכח שהו מפעיל על המשטח (או הגומיה, או מד הכח). אם יש לי משטח בזוית (הפעם רצוי לא להדגים עם המאזניים או הגומיה, אלא פשוט לקחת משטח אחר בזוית, לדוגמה, להטות את השולחן), (להניח את הגוף על המשטח) אני רוצה לדעת איך זה משפיע על הכח שמופעל על המשטח, ומה הכח שאני צריך להפעיל כדי שהגוף לא יחליק.

אני רוצה שכל קבוצה תבנה מערכת ניסוי לבדוק את הכוחות האלה בכמה זויות שונות של משטח.

הצגת האמצעים

יש הרבה מאוד שיטות לעשות את הניסוי הזה. כל השיטות טובות! כל שיטה שתמציאו ותיתן את התוצאות היא שיטה טובה. יש לכם את האמצעים האלה (להציג את הציוד שהכיננו מראש), וכל דבר אחר שאתם יכולים למצוא במעבדה ויכול לדעתכם לעזור לכם. לעבודה...

עבודה עצמאית

התלמידים מצופים ליצור מישור משופע, עם יכולת למדוד את הכוחות. הדרך הפשוטה למדוד את הכח הנורמלי היא להשתמש במאזניים כמישור משופע ומד כח. אפשר גם לבנות "מאזני גומיה" או "מאזני קפיץ". במקרה כזה, חשוב לודא שהגומיה/קפיץ/ מיתר שהולך לגלגלת ומשקולת אנכיים למישור. את הכח המקביל למישור קל למדוד באמצעות גומיה/מד כח/ מיתר מקביל העובר דרך גלגלת ומחובר למשקולת.

שימוש בעגלה כגוף יפחית את כח החיכוך.

לאחר הבניה התלמידים מצופים למדוד את הכוחות והזוית (או טנגנס הזוית), לרכז את התוצאות בטבלה, וליצור שרטוט של הכוחות. מומלץ לעודד אותם למצוא את סכום הכוחות (מה הכח החסר?)

הצגת התוצאות ודיון

התלמידים יציגו גם את השיטות וגם את התוצאות.

יש לדון בפרוק כח לרכיבים (ולוודא שהתלמידים עשו זאת על השרטוטים). יש לראות שהכח הנורמלי הוא באמת תואם למצופה. יש לדון בכח שניתן לראות את הכח הנורמלי כתוצאה של מציאת הרכיב של וקטור התאוצה.

יש למצוא את החיכוך כהסבר לכח החסר להשלמת מאזן הכוחות.

יש לדון במצבי הקיצון – משטח אופקי ומשטח אנכי, ולבדוק שהתוצאות תואמות.

לקראת סוף הדיון אפשר לקחת את אחת המערכות, להציב אותה בזוית שתבטיח תנועה במקרה של העדר גומיה שמשמשת כמד כח בכיוון המקביל למישור המשופע, לשאול: מה יקרה אם סכום הכוחות לא יהיה אפס? ולגזור את הגומיה.

רפלקציה

כל תלמיד ירשום מה היו ההצלחות שלו בשיעור.

התלמידים ישתפו בהצלחות.

ההצלחות צריכות לכלול את מה שלמדו על בניית מערכת ניסוי (טעות מזוהה=הצלחה)