گزارش کار فیزیک(حرکت سقوط آزاد اجسام)

هدف آزمایش :تعیین شتاب گرانش با استفاده از سقوط آزاد اجسام

وسایل آزمایش :1. دستگاه سقوط آزاد2. منبع تغذیه3. کرنومتر الکتریکی4. منبع تغذیه5. گلوله آهنی

متن آزمایش در ادامه مطلب

تئوری آزمایش : ¹

دید کلی

هنگامی که جسمی از ارتفاعی رها شود، شتاب می‌گیرد و سرعتش از مقدار صفر افزایش می یابد. جالب توجه است که در خلا ، تمامی اجسام از قبیل سنگ ، پر ، قطرات باران و ذرات گرد و غبار بطور یکنواخت شتاب می‌گیرند و باهم به زمین می‌رسند. این قاعده صرفا به دلیل مقاومت هوا در مقابل سقوط اجسام ، که اثر آن بر «پر» مؤثرتر از اثر آن بر سنگ است، در زندگی روزمره که در محیط خلأ صورت نمی‌گیرد، صادق نیست.

شتاب حرکت سقوط آزاد

شتاب سقوط آزاد اجسام در خلا به طبیعت جسم بستگی ندارد. بلکه فقط به محل جسم بستگی دارد. این شتاب ثابت است و مقدار آن با شتاب گرانشی که با علامت g نشان داده می‌شود، برابر است که آن هم تحت عنوان شتاب ثقلی مطرح است و مقدار آن بر روی زمین برابر 9.8m/s² می‌باشد.

سقوط آزاد چیست؟

برای اینکه سنگی آزادانه سقوط کند، لازم نیست که شما آنرا در امتداد قائم رها کنید. می توانید سنگ را به طرف بالا ، پایین یا به اطراف پرتاب کنید. به محض اینکه سنگ در هر جهتی اختیاری از دست شما رها شود، سقوط آزاد خواهد کرد. اگر سنگی را در امتداد قائم به طرف بالا با سرعت 25m/s پرتاب کنید ، چون شتاب به سمت پایین و در خلاف جهت سرعت است، سنگ بایستی در نقطه اوج حرکتش متوقف شده و برگردد. چون در حالت پایین آمدن شتاب در جهت حرکت است، سنگ سرعت می‌گیرد. اگر جسم در حال سکون ، خیلی سبک و یا سطح آن تخت باشد و یا اینکه از فاصله خیلی دور سقوط کرده باشد، مقاومت هوا قابل توجه می‌شود و شتاب جاذبه زمین در چنین حالتی متغیر می‌باشد.

آزمایش ساده

فرض کنید شخصی در پشت بام خانه ایستاده و توپی را در راستای افق پرتاب می‌کند. توپ بدون هیچگونه سرعتی در راستای قائم ، از دست شخص رها می‌شود. اما ، نیروی گرانشی اجازه نمی‌دهد که این وضعیت ادامه یابد. توپ بعد از رها شدن از دست شخص رها می‌شود. اما ، نیروی گرانشی اجازه نمی‌دهد که این وضعیت ادامه یابد. توپ بعد از رها شدن از دست شخص با شتاب 9.8 m/s² به طرف پایین سرعت می‌گیرد و چون حرکت در امتداد قائم یک حرکت با شتاب یکنواخت است که از صفر شروع شده است، می‌توانیم از مجموعه معادلات استاندارد حرکت با شتاب ثابت استفاده کنیم.

معادلات حرکت سقوط آزاد

·         معادله مکان حرکت سقوط آزاد جسم بر حسب زمان یک معادله سهمی شکل است که نقطه ماکزیمم (قله) سهمی در نقطه اوج جسم می‌باشد:

y = -gt²/2 + V₀t

در این معادله Y مکان جسم ، t زمان ،  g شتاب جاذبه زمین و V₀ سرعت اولیه جسم می‌باشد.

·         معادله سرعت حرکت سقوط آزاد بر حسب زمان یک معادله خطی است که تا نقطه اوج شیب خط منفی و حرکت کند شونده و از آن زمان به بعد حرکت شتابدار تند شونده با شیب مثبت می‌باشد:

V = -gt + V₀

در این معادله V سرعت حرکت جسم می‌باشد.

·         معادله شتاب حرکت سقوط آزاد جسم مستقل از زمان بوده و در نزدیکی سطح زمین مقداری ثابت است و مقدار آن با دقت بالایی با شتاب گرانشی بر روی سطح زمین برابر است. a = g = 9.8 m/s²

·         معادله نیرو در این حرکت همانند شتاب مستقل از زمان بوده و با نیروی وزن جسم برابر است:

F = ma = mg =9.8 m/s²

·         معادله مستقل از زمان حرکت سقوط آزاد :
در این معادله سرعت اولیه و نهایی ، ارتفاع سقوط و شتاب جاذبه در غیاب زمان به هم مربوط می‌شوند:

V² - V₀² = -2gy

 

مسایل کاربردی سقوط آزاد

از این نوع حرکت و معادلاتش در توجیه حرکت جسم افتان ، پرتاب موشک ، حرکت پرتابی ، حرکت گلوله توپ ، صعود و فرود هواپیما ، حرکت نوسانی سیستم جرم و فنر آویزان و غیره که هر کدام یا خودشان کاربردهای علمی پدیده‌اند و یا مکانیزم عملشان این حرکت را در خود دارد و جهت کنترل و داشتن سیستمی پایدار با بازده بالا از مفاهیم و معادلات این حرکت در آنها استفاده می‌شود.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

روش انجام آزمایش :

 

 

کرنومتر را به برق وصل و دستگاه را روشن کنید . قرقره بالای آن ، خاصیت آهنربایی پیدا  و گلوله آهنی را جذب می کند ارتفاع سقوط عبارت است از فاصله زیر گلوله تا روی صفحه قطع و وصل ، طول آنرا توسط خط کش مدرجی که روی پایه نصب شده است به دست آورید.

دکمه شروع کرنومتر را را فشار دهید ، جریان برق قطع و گلوله سقوط می کند درست در همان زمان کرنومتر شروع به کار می کند ، گلوله پس ازطی مسافت  به صفحه برخورد و کرنومتر را متوقف می کند ، زمان سقوط را کرنومتر نشان می دهد

گلوله ی آهنی ارتفاع  را در  طی می کند .حال می توان از طریق فرمول  y = -gt²/2 + V₀t  مقدار شتاب گرانش زمین را بدست آورد:

آزمایش بدست آوردن شتاب گرانش زمین را بدون استفاده از دستگاه وبا کرنمتر دستی انجام می دهیم. بدین منظور گلوله را از ارتفاع  از سطح زمین رها می کنیم و مدت زمان سقوط را اندازه می گیریم . این زمان برابر 0.65 ثانیه می باشد . دوباره با استفاده از فرمول شتاب گرانش زمین را بدست می آوریم :

  y = -gt²/2 + V₀t

منابع

 

1. برگرفته از وب سایت آموزشی رشدwww.roshd.ir

2. دکتر محمود قرآن نویس ، پرویزامین پور _ "آزمایشگاه فیزیک پایه" تهران انتشارات دانشگاه

3. پیام نور (1382)_صفحات 80-81

4. سایتww.maghalehaa.blogfa.com