Lesbrief Hellingproef Korte beschrijving van een kant en klare praktische opdracht. Op het Comenius College (Hilversum) wordt met succes een zelfgemaakte rail gebruikt om een verband te vinden tussen de hellingshoek en de versnelling van een wagonnetje dat van de helling afrijdt. Op het wagonnetje is een lenslampje gemonteerd. In de rail zit om de 5 cm een lichtsensor. (Het CC heeft in een IT-lokaal zeventien ruime werkplekken met pc s met (o.a.) Coach 5 en CoachLab II.) Via het signaal van de sensoren produceert Coach 5 een (x,t)- (v,t) en een (a,t)-diagram. Voor de uitvoering van het PO moeten leerlingen al kennis hebben gemaakt met dit soort diagrammen, eenparige bewegingen en eenparig versnelde bewegingen. De bepalingen tijdens het practicum worden voornamelijk gedaan aan het (v,t)-diagrammen. Kleine storingen zijn in het (a,t)-diagram terug te vinden (en te verbeteren door de (v,t)-grafiek te filteren). Leerlingen voeren eerst bijwijze van oefening een meting uit en leren daarna uit het meetresultaat de versnelling te bepalen. Daarna volgt het eigenlijk onderzoek. De lesbrief en de Coach 5 activiteit zijn beschikbaar gesteld door Barto Oranje en Reinout Slagter, docenten natuurkunde en Dirk Sloeserwij, toa, Comenius College (Hilversum). Het lesmateriaal (tekst en Coach 5 activiteit) is op te halen op de CMA-site www.cma.science.uva.nl keuze Ondersteuning>Lesmateriaal>Coach 5 >Natuurkunde. Wet van Newton: als variatie kan de versnelling gemeten worden niet onder invloed van de hellingshoek maar van een vallende massa dat als trekgewichtje aan de wagon wordt bevestigd. CMA Signaal26 Digitaal mei 2004
CoachLab HELLINGPROEF Comenius College Hilversum Namen: Inleiding Je laat een treinwagonnetje van een hellende rail af rijden (rail met lichtsluisjes). In de rail zitten om de 5 cm sensoren; de computer weet daardoor op welke tijdstip de wagon voorbijkomt. De lichtsluisjes in de rail zijn verbonden met de computer via het interface CoachLab II. We gebruiken het programma Coach, start daarin de Hellingproef (treinrails). Op het scherm zie je twee diagrammen: (x,t), (v,t). Wanneer je de tekst op het scherm hebt gelezen kun je daar ok nog het diagram van (a,t) plaatsen. Het (v,t)-diagram wordt door Coach berekend uit het (x,t)-diagram; zo ook wordt het (a,t)-diagram berekend uit het (v,t)-diagram. Een gevolg van de manier waarop het programma Coach dat berekent is wel dat begin en eind van de diagrammen niet helemaal deugen. Daar zullen we rekening mee moeten houden. Doel van de proef Uit de grafiek bepalen of er een verband is tussen a en 4, en zo ja welk verband dan. We gaan bij verschillende hellingshoeken 4 van de rail meten wat de versnelling a is die de wagon krijgt. Daarmee maken we een grafiek a (verticaal) tegen 4 (horizontaal). Vragen vooraf Als de beweging waarmee de wagon van de helling afrolt een eenparig versnelde beweging is, welke vorm moeten we dan (in het ideale geval) krijgen voor a. het (x,t)-diagram? Antwoord: b. het (v,t)-diagram? Antwoord: c. het (a,t)-diagram? Antwoord: (Suggesties: rechte, door de oorsprong, horizontaal, kromme, oplopend, aflopend, parabool) Bijlage bij CMA Signaal26 Digitaal mei 2004 1
Voorbereidingen, testen Zoek het goede computerprogramma (Coach) en de juiste proef. Sluit alles aan; aanwijzingen vind je op het scherm of vraag erom aan de docent. Geef de plank/goot een kleine helling. Meet de lengte van de goot of van de plank: l = m. Start het programma (groene knop), laat de kogel/wagon van de helling rollen en kijk of je alle drie de diagrammen ervan correct op je scherm krijgt. (NB: Tijdens het rijden moet het lampje van de treinwagon branden. Zet daarna de lamp steeds weer uit anders haalt de batterij het eind van de proef niet!) (NB: Wees voorzichtig met het treinwagonnetje en laat het niet hard tegen het stootblok knallen, anders haalt het wagonnetje het eind van de proef niet!) Versnelling a bepalen Als de proef lukt en ook het nieuwe (a,t)-diagram op het scherm verschijnt dan moeten we daaruit in principe a kunnen bepalen. Maar je zult zien dat het diagram nogal springt. Er zijn in Coach allerlei mogelijkheden en trucs om een gemiddelde a te bepalen. MAAR: we gaan er gebruik van maken dat de versnelling ook uit het (v,t)- diagram is te bepalen. De helling van het (v,t)-diagram is immers de versnelling a! Ga met de cursor naar het (v,t)-diagram (eventueel eerst het diagram groot maken op volledig scherm) en ga in het pop-up-menu (rechtsklikken) naar Analyse en daarin naar Helling. Je kunt nu een rechte lijn op het scherm zo manipuleren dat hij zo goed mogelijk aansluit bij de (bruikbare) punten en de helling van die lijn aflezen. Let op de aanwijzingen in het scherm. Kijk of dat lukt en controleer of het antwoord kan kloppen met wat het (a,t)- diagram te zien geeft. Tot zover de inleidende testproefjes. Metingen 1. Leg een blokje, schrift, boek o.i.d. onder een uiteinde van de rails en zorg dat dat uiteinde daardoor ongeveer 2 cm hoger ligt dan het andere einde (h = 2 cm). 2. Laat de wagon van de helling rollen en bepaal uit het (v,t)-diagram de versnelling a. 3. Noteer de waarde van h (in mm nauwkeurig!) en van a in de tabel hierna. 4. Bereken uit de hoogte h en de lengte l van de rails de hoek 4 en noteer die in de tabel ( gebruik sin 4 = h / l ). 5. Herhaal bovenstaande voor andere hellingen met h = 3 cm, h = 4 cm enz. 2 Bijlage bij CMA Signaal26 Digitaal mei 2004
lengte 1 hoogte h hellingshoek 4 versnelling a (m/s 2 ) Uitwerking 1. Druk van één meting het hele scherm met de drie diagrammen af en zet je naam erop, of nog mooier: zet je naam erbij en laat dan het scherm afdrukken. (Een heel scherm afdrukken vind je linksboven onder Bestand; door in een diagram op de rechtermuisknop te klikken en in het menu Commentaar - zo kun je je naam in het diagram krijgen.) 2. Het (v,t)-diagram dat je hebt afgedrukt klopt vast niet voor 100% met je antwoord op vraag b van de vooraf gestelde vragen (z.o.z.). I er kan een bocht in zitten II er kunnen kleine onregelmatigheden in zitten. a. Bedenk een (of meer) oorzaken voor I en geef die hieronder. b. Bedenk een (of meer) oorzaken voor II en geef die hieronder. 3. Bedenk hoe je kunt nagaan of je verklaringen kloppen. Voer die controle zo mogelijk uit en vermeldt de resultaten: 4. Maak een grafiek van a tegen 4 ( a verticaal, 4 horizontaal). Trek er de beste lijn doorheen. 5. Is er een verband tussen a en 4? Kun je dat verband in woorden beschrijven? Kun je er een formule voor vinden? Bijlage bij CMA Signaal26 Digitaal mei 2004 3