UTMANING 1 Tyngdlös Utmaningen är en del av Mot nya höjder - Gymnasienivå! Mot nya höjders mål är att öka intresset för naturvetenskap, teknik och matematik bland skolelever i Kronobergs län. Det är ett samarbete mellan Länsstyrelsen i Kronoberg, Linnéuniversitetet, Region Kronoberg och GoTech. Läs gärna mer på www.motnyahojder.com. 1 UTMANING Gymnasienivå
Lärarhandledning Denna utmaning berör tyngdlöshet och kan genomföras som lärarledd demonstration eller som en laboration. Innehållet i denna utmaning belyser tyngdlöshet ur perspektivet att en slinky får falla fritt och kan kopplas till centralt innehåll och elevförmågor i ämnesplanen för gymnasiefysiken. Utmaningen kan till exempel relateras till rörelse, matematisk modellering och utvärdering av mätdata. När en utsträckt slinky får falla fritt så kommer den nedre delen att stå still i luften tills dess att den når hopdragen form, se figur 1 nedan. Därefter faller slinkyn nedåt i hoptryckt form, se filmklipp på youtube.com/watch?v=maa613hqqz0. Försöket går ut på att filma en slinkys fall med kamera och analyserar fallrörelsen i ett program för videoanalys, till exempel Logger Pro (www.vernier.com/) eller Capstone (ww.pasco.com/capstone/). Bild 1. Slinkyns undre del står still tills dess att den når hopdraget läge 1 Slinky
I programmet markeras slinkyns övre del för varje filmruta (se bild 2) och ger en graf som visar hur hastigheten varierar med tiden (se figur 1). Bild 2. Inritade mätpunkter för slinkyns övre del under fallet. I den här bilden har längden på armen fungerat som referenslängd för programmet. Figur 1. Ett exempel på hur hastigheten för slinkyns övre del varierar med tiden tillsammans med linjära anpassningar i tre olika tidsintervall. 2
Det första tidsintervallet, fram till 1,88 sekunder i figur 1 på förra sidan, visar när den övre delen av slinkyn faller och den undre står still. En linjär anpassning ger en acceleration som är större än tyngdaccelerationen! Detta kan förklaras med att kraften i fjädern accelererar den övre delen ner mot tyngdpunkten, samtidigt som fjädern i sin helhet befinner sig i fritt fall. Alltså faller slinkyns tyngdpunkt fritt, även om den undre delen står still, se bild 3. Bild 3 Slinkyns fall och där tyngdpunkten är inritad som en prick. I tidsintervallet 1,88-1,96 sekunder ger en linjär anpassning av hastigheten en uppåtriktad acceleration. Detta kan tolkas som att slinkyns övre del studsar upp något när den når hopdragen form. Den sista delen, efter 1,98 sekunder, ger accelerationen för slinkyn då den är i hopdragen form och ger ett värde som är nära tyngdaccelerationen. I diagrammet ges att den nedåtriktade accelerationen för denna del är något mindre än 9,82 m/s2 vilket också kan påverkas av hur mätpunkterna väljs. Slinky 3
Tips och erfarenheter Försöket inleds med fördel med att eleverna får se ett filmklipp av en slinkys fall i slow motion, samt att eleverna ombeds fundera över varför den nedre delen av slinkyn är tyngdlös. Under arbetets gång kan läraren återkomma till denna film och fråga eleven om tyngdpunktens position under olika delar av slinkyns fall. I videoanalysen är det vanligt att bilderna av slinkyn ger oskarpa konturer vilket kan påverka resultatet negativt. Samtidigt ger detta ett tillfälle för eleven att fundera över felkällor. Vid en utprövning av försöket framkom dubbla tabellvärdet på tyngdaccelerationen. Detta belyser vikten av att vara observant på att kamera och videoanalysprogram är inställda på samma bildfrekvens. Vid utprövningen hade kameran ställts in på 60 bilder per sekund och programmet på 30 bilder per sekund, vilket ger att värdena på accelerationen blir dubbelt så stora. 9 2 3 6 FIXARHYLLAN A 12 1 10 11 2 9 3 8 4 7 6 5 4
Elevförsök I det här försöket ska du studera när en slinky faller fritt. Börja med att fundera på hur du tror att en upphängd slinky kommer att falla. Diskutera sedan din hypotes tillsamman med en klasskamrat och jämför sedan med resten av klassen. Titta därefter på en film av en slinkys fall i slow motion: youtube.com/watch?v=maa613hqqz0. Din uppgift är att filma en när en slinky faller och att bestämma accelerationen för slinkyns övre del med hjälp av videoanalys. Filma fallet för en utsträckt slinky, öppna filmen i ett videoanalysprogram och markera positionen för slinkyns övre del i varje filmruta. Kom ihåg att använda en referenssträcka som befinner sig på samma avstånd från kameran som slinkyn, så att programmet kan beräkna position och hastighet. Använd sedan programmets analysfunktioner för att bestämma slinkyns acceleration. 5
Håll slinkyn så högt att den hänger fritt. Frågor att fundera på: Förklara grafens utseende. Vilket/vilka värden får du på slinkyns acceleration? Vilka felkällor har du? Vad skulle hända om man släppte en slinky på rymdstationen ISS? Släpp den! 6
Text: Simon Holmström, Katedralskolan Växjö. Illustration och layout: Catti Sammelin, Länsstyrelsen i Kronobergs län. Materialet är skyddat i enlighet med lagen om upphovsrätt.