نوشته شده توسط : hamid pursoleymani parizi

هدف آزمایش:بررسی قوانین حرکت با استفاده از تخت هوا

وسایل آزمایش:دستگاه تخت هوا ،پمپ هوا،شیلنگ رابط خرطومی ،تایمر دیجیتال ،دو چشم الکتریکی یا حسگر ،ریل منشوری شکل ،جسم یا سره ،نخ ،وزنه،پایه یا میز

قوانین حرکت نیوتن:مسأله حرکت یکی از موضوعات اصلی فلسفه طبیعی ، یا به اصطلاح امروز فیزیک می‌باشد. تا زمانگا لیله و نیوتن پیشرفت چشمگیری در این زمینه حاصل نشد. نیوتن عقاید گالیله و سایر دانشمندان قبل از خود را کاملا به ثمررسانید. سه قانون او درباره حرکت ، اولین بار در سال 1686/1065 در کتاب اصول ریاضی فلسفه طبیعی که معمولا به اصول معروف است، منتشر شد. قوانین حرکت نیوتن عبارت است از سه  قانون فیزیکی که ارتباط مابین نیروهای وارد آمده بر یک جسم و حرکت آن را به دست می‌دهد.دومین قانون نیوتن  به این پرسش پاسخ می‌دهد که اگر بر یک جسم نیروی خارجی وارد شود، حرکت آن چگونه خواهد بود.آهنگ تغییر اندازهٔ حرکت یک جسم، متناسب با نیروی برآیندِ وارد بر آن جسم است و در جهت نیرو قرار دارد.فرمولی که از این قانون برمی‌آید (ma =F) به معادله بنیادین مکانیک کلاسیک معروف است که مطابق آن، شتاب یک جسم برابر است با نیروهای خالص وارده تقسیم بر جرم جسم.

قوانین:نیرو عامل تغییر حرکت در اجسام است و قانونهایی که رابطه میان نیرو و کمیتهای مربوطه به حرکت را بیان می‌کنند، قانونهای حرکت نامیده می‌شوند. حرکت یک ذره را ماهیت و آرایش اجسام دیگری که محیط ذره را تشکیل می‌دهند، مشخص می‌کند. قوانین نیوتن شامل سه قانون است.

قانون اول:فیلسوفان کهن بر این باور بودند که اجسام در حالت طبیعی ساکن هستند و برای اینکه یک جسم با سرعت یکنواخت به حرکت خود ادامه دهد، باید پیوسته نیرویی بر آن وارد شود در غیراین صورت به حالت «طبیعی» خود برمی‌گردد و ساکن می‌شود. اما نیوتن با بهره‌گیری از پژوهشهای  گالیله به این پندار درست رسید که اگر جسمی با سرعت یکنواخت به حرکت درآید و نیرویی بیرونی به آن وارد نشود تا ابد با شتاب صفر به حرکت خود ادامه خواهد داد. در قانون اول تفاوتی میان جسم ساکن و جسمی که با سرعت ثابت حرکت می‌کند، وجود ندارد. در ضمن میان نبودن نیرو و بودن نیروهایی که برآیندشان صفر است، تفاوتی وجود ندارد.این ویژگی را نیوتن در نخستین قانون حرکت خود چنین بیان می‌کند: (اگر برآیند نیروهای وارد بر یک جسم صفر باشد،اگر جسم در حالت سکون باشد تا ابد ساکن می ماند،و اگر جسم در حال حرکت باشد تا ابد با همان سرعت و در همان جهت به حرکتش ادامه می دهد.)


قانون دوم:این قانون در سال ۱۶۸۷ در کتاب Philosophiae Naturalis Principia Mathematica توسط نیوتن  منتشر شد. این قانون به رابطه بین نیروهای واردآمده به یک جسم و شتاب همان جسم می‌پردازد.iFi=ma                    

بنا بر قانون اول نیوتن اگر بر جسمی نیرو وارد نشود جسم یا ساکن می‌ماند و یا حرکت یکنواخت بر خط راست خواهد داشت. نتیجه آشکار قانون اول این است که اگر بر جسم نیرو وارد شود جسم ساکن نمی‌ماند و حرکت یکنواخت بر خط راست نیز خواهد داشت، در این صورت وارد کردن نیرو بر جسم در آن شتاب می‌دهد. قانون دوم نیوتن در واقع رابطه شتاب با نیرویی که بر آن وارد می‌شود را بیان می‌کند. شتاب جسمی به جرم m که نیروی F بر آن وارد می‌شود هم جهت و متناسب با نیروی وارد بر آن است و با جرم جسم نسبت عکس دارد. این بیان را می‌توان بصورت زیر نوشت: a = F/m             

F برآیند نیروهایی است که به علت اثر اجسام دیگر روی جسم مورد نظر وارد می‌شود. a شتاب آن و m جرم جسم است.
قانون سوم
:سومین قانون حرکت نیوتون  به این صورت بیان می‌شود که "هر عملی همواره با عکس العملی مساوی و در جهت مخالف آن.. "این قانون به قانون کنش و واکنش هم معروف می باشد.یعنی که هرگاه جسمی به جسمی دیگر نیرو وارد کند جسم دوم نیز نیرویی به همان بزرگی ولی در خلاف جهت بر جسم اوّل وارد می کند.    باید توجه داشت که این دو نیرو به دو جسم مختلف وارد می گردند و نباید آنها را با هم بر آیندگیری کرد. مثلاً هنگامی که شخصی بر دیوار نیرو وارد می‌کند دیوار نیز بر شخص نیرو وارد می‌کند اندازه این دو نیرو باهم برابر می‌باشد ولی نیروی اول به دیوار وارد می شود و نیروی دوم به شخص.
بررسی قوانین حرکت:حرکت امری نسبی است برای توصیف موقعیت و وضعیت حرکت یک جسم در فضا تعریف یک دستگاه مختصات مرجع ضروری است .موقعیت یک نقطه در دستگاه مختصات با تعدادی مختصه معین می شود مثلا در دستگاه مختصات قائم سه مختصه
xyz موقعیت یک نقطه را نسبت به مبدا اختیار شده برای سه محور متعامد دستگاه مختصات مذکور معین می کند . مختصات یک نقطه که در حال حرکت است با زمان تغییر خواهد کرد . به عبارت دیگر مختصات آن نقطه تابعی از زمان می باشد سرعت و شتاب دو کمیت برداری هستند که چگونگی حرکت هر نقطه از فضا را تشریح می کنند .
سرعت یک نقطه یا جسم در واقع میزان جا به جایی آن نسبت به زمان است .
حرکت یکنواخت
: حرکتی است که متحرک در زمان های مساوی ومتوالی جابه جایهای مساوی را طی می کند اگر جسم بر روی یک خط مستقیم حرکت می کند در لحظه
t0  در موقعیت x0 (نسبت به مبدا اختیار شده ) باشد ودر لحظه t در موقعیت x قرار گیرد جابه جایی آن x-x0 خواهد بود سرعت متوسط ذره در این فاصله بنابر تعریف عبارت است از    t-t0 / x-x0   v=سرعت متوسط
اگر ذره طوری حرکت کند که سرعت متوسطش در فواصل زمانی مختلف یکسان نباشد در این حالت ذره با سرعت متغیر حرکت می کند . در این مورد باید سرعت ذره را در هر لحظه پیدا کنیم . این کمیت را سرعت لحظه ای می نامند .
 لحظه ای
v=v متوسط
در این حالت (حرکت یکنواخت ) سرعت ثابت و شتاب صفر می باشد .
          Δx=vt   V=Δx / Δt   

حرکت شتابدار با شتاب ثابت : حرکتی که متحرک در زمانهای مساوی و متوالی جابه جایهای مساوی را طی نکند . شتاب آهنگ تغییر سرعت با زمان تعریف می شود اگر سرعت جسم در لحظه t0  برابر v0 ودر لحظه t  برابر v باشد  .
شتاب متوسط (
a ) وشتاب لحظه ای a  جسم به صورت زیر تعریف می شود .

a =v-v0 / t-t0          a = Δv /Δt                 a =a    

 اگر شتاب جسم ثابت با شد در حالت t0=0 برای سرعت لحظه ای جسم می توان نوشت :                                                       v=at +v0  
یعنی سرعت لحظه ای در حرکت با شتاب ثابت تابع خطی از زمان است .
از این رابطه با توجه به تعریف سرعت می توان  رابطه مکان جسم را با زمان به صورت مقابل نوشت :                                                     
x=1/2at2+v0t+x0                                      
در حرکت شتاب دار با شتاب ثابت :  سرعت متغیر و شتاب ثابت می ماند .

روش انجام آزمایش :در انجام این آزمایش زمانی که جسم را روی سطح منشوری شکل قرار می دهیم و دستگاه خاموش است جسم متوقف است و این به علت وجود اصطکاک بین جسم و سطح منشوری می باشد و زمانی که برای انجام آزمایش های مورد نظر دستگاه را روشن می کنیم هوا از طریق روزنه های روی سطح منشور به زیر جسم یا سره وارد می شود و اصطکاک را از بین می برد و ما می توانیم آزمایشهای حرکت را انجام دهیم . وبا تنظیم دو حسگر فاصله مورد نظر را اندازه گیری کرده . از طریق قسمت نوار متری که در یک طرف قسمت منشوری است
Δx  را محاسبه  می کنیم و برای هر فاصله آزمایش را انجام داده و Δtرا محاسبه می کنیم که t0  زمان شروع حرکت زمانی که جسم از جلوی اولین چشم رد شد تایمر حرکت     می کند و زمانی که از جلوی چشم دوم رد شد t ثبت می شود .

1- حرکت یکنواخت : پس از تراز کردن دستگاه تخت هوا یکی از سره ها را بر روی ریل هوا قرار می دهیم . در یک طرف ریل هوا متری وجود دارد برای تنظیم فاصله بین دو حسگر زمان که با آن اندازه مورد نظر را تنظیم می کنیم . حسگرها را جا به جا می کنیم و در ابتدا فاصله را روی 40 سانتی متر تنظیم کرده و ضربه ای به سره وارد می کنیم و آن را به حرکت در می آوریم  و با عبور سره از مقابل اولین حسگر تایمر دیجیتال به کار می افتد و زمان آن شروع به حرکت می کند و زمانی که سره از مقابل حسگر دوم عبور کند تایمر دیجیتال متوقف می شود و به این ترتیب زمانی را که سره فاصله 40 سانتی متر را طی می کند ثبت می شود که t0 زمان اولیه تایمر دیجیتال است و t زمان متوقف شدن آن . وبرای فاصله 40cm دو زمان را ثبت می کنیم که در آن t حرکت قبل و  t0 حرکت بعد است و اگر زمان قطع شد همان زمانی که روی تایمر بود t0 است واز رابطه    t=t-t0 Δ  تغیرات زمان را برای هر حرکت بدست می آوریم وآن را در رابطه زیر گذاشته و برای فاصله اول v1(40)  را بدست آورده و از این روش برای فاصله 60cm ،v2 وبرای فاصله 80cm ،v3 را بدست می آوریم ودر جدول ثبت می کنیم . واز سه    t Δ میانگین گرفته و t Δ کل بدست می آید . V=Δx / Δt             
 

از رابطه   v=v1+v2+v3 /3   سرعت متوسط را برای حرکت یکنواخت بدست می آوریم .

 

2- حرکت شتابدار با شتاب ثابت : دستگاه تخت هوا را کاملا تراز می کنیم اگر دستگاه تراز نباشد سره موجود بر روی سطح منشوری شکل با وجود روشن بودن پمپ هوا ساکن نمی ماند . زمانی که پمپ هوا خاموش است علت اینکه جسم حرکت نمی کند این است که : نیروی اصطکاک ونیروی جرم جسم با هم برابر است .

W=fs→                   w-fs=0                 F≠0 →ma
سره یا جسم را روی سطح منشوری شکل قرار می دهیم یک سر نخ را که برای انجام آزمایش آماده کرده بودیم را به سره و طرف دیگر آن را به نگه دارنده وزنه وصل می کنیم طول نخ را طوری انتخاب می کنیم که نگدارنده وزنه ضمن کشیدن سره از لبه میزتا کف آزمایشگاه جابه جا شود. دو حسگر(چشم الکتریکی )را در فاصله مشخص 
Δx از یکدیگر قرار می دهیم که در اینجا نیز برای فاصله 40cm و سپس 60cm  و 80cm  آزمایش می کنیم و هر فاصله را در دو زمان آزمایش می کنیم وزنه را به وسیله نخ به سره وصل کرده و سره را در نزدیکترین فاصله از اولین حسگر قرار می دهیم و زمان اولیه t0 را یادداشت کرده و دستگاه را روشن می کنیم ودر آخر زمان t  پایان را نیز یادداشت کرده و از Δt  = t-t0 تغییرات زمان را محاسبه می کنیم و برای دو فاصله دیگر محاسبه کرده وسپس از سه Δt   میانگین گرفته وآن را در رابطه زیر گذاشته وشتاب را محاسبه می کنیم .
                                                                
/t2 Δx a=2
و همین کار را برای فاصله های بعدی نیز انجام می دهیم یعنی
60cm و80cm

 که a2 و a3 را بدست می آوریم .

 (شتاب متوسط)a = a1+a2+a3 / 3                   

 نتیجه گیری کلی:از این آزمایش نتیجه می گیریم که چگونه با استفاده از دستگاه تخت هوا می توانیم قوانین حرکت را آزمایش کنیم . اینکه زمانی که دستگاه خاموش است بین سره و سطح منشوری شکل اصطکاک وجود دارد که این نیروباعث متوقف ماندن سره می شود زمانی که ما دستگاه را روشن می کنیم اصطکاک بین سره و سطح از بین می رود و جسم به حرکت در می آید ( در اثر ضربه یا اثر وزنه) . در xΔ های مختلف زمانها هم متغیر خواهد بود . واینکه در این آزمایش نیروی اصطکاک ونیروی جرم جسم با هم برابر خواهد بود. در زمان خاموش بودن دستگاه جسم متوقف است. اگرf=0   جسم یا ساکن ،یا در حال تعادل ،یا حرکت یکنواخت یا سرعت ثابت است .f≠0 ma=

منابع خطا:در حرکت یکنواخت :  در این حرکت احتمال خطا بیشتر است زیرا در این حرکت نیروی انسانی نقش بیشتری دارد زمانی که ما به جسم یا سره ضربه می زنیم در دفعه بعد ضربه ما یکسان نخواهد بود . احتمال اینکه در تنظیم  xΔ هم اشتباه و خطا کرده باشیم ویا در ثبت دقیق زمان نیز وجود دارد .
در حرکت شتاب دار با شتاب ثابت :در این حرکت احتمال خطا نسبت به حرکت یکنواخت کمتر خواهد بود و اینکه ما در اندازه
xΔ اشتباه کنیم و یا در اندازه گیری تایمر زمان خطا کنیم وجود دارد .
احتمال اینکه در این دو حرکت در انجام محاسبات نیز خطا کرده باشیم وجود دارد .



تاریخ انتشار : جمعه 2 اردیبهشت 1390 | نظرات ()
 
   
یکتا رایانه بزرگترین مرکز فروش لپ تاپ جنوب شرق.