Fjærpendel: strekk, sprett, gjenta

Et pedagogisk simuleringsspill. Forutsi hvor mye en fjær strekkes av et lodd, hvor lang tid hver svingning tar eller hvor fort den går, og slipp den så og se på diagrammet.

Harmonisk svingningHookes lov

FJÆRPENDEL

Hvor mye den strekkes

Klar
Slå på JavaScript for å la fjæra svinge. Instruksjonene og det gjennomregnede eksemplet kan fortsatt leses.
Posisjon over tidFjær og loddForutsigelsen dinLikevektsstilling
Fjær og svingetidT = 2π·√(m ÷ k)

Tid

0.00 s

t

Strekk i ro

— m

x₀ = m·g ÷ k

Under likevekt

— cm

y = A·cos(ω·t)

Fart

— m/s

v = A·ω·sin(ω·t)

Svingetid

— s

T = 2π·√(m ÷ k)

Forutsi før du starter

Skriv forutsigelsen din for å henge opp loddet. Start er av til det finnes et svar.

Forutsi svingningen.

Oppdragspoeng—

Hvert svar må være riktig innenfor 2 %: hvert gir 100 poeng. Riktig på første kjøring gir 50 til. En kjøring teller så snart den starter.

✓ Riktig svar① På første forsøk

Slik spiller du Fjærpendel

  1. Velg et forsøk og les massen, fjæra, utslaget eller strekket på kortet.
  2. Hookes lov: en fjær trekker tilbake med k·x. I ro bærer den tyngden, k·x₀ = m·g.
  3. Trukket ut og sluppet svinger loddet med T = 2π·√(m ÷ k) og toppfarten A·√(k ÷ m). Skriv forutsigelsen og trykk på Start.
  4. Se på diagrammet: posisjonen tegner en sinuskurve, og svingetiden er tiden fra én topp til den neste.

Hvorfor svinger et lodd i en fjær så jevnt?

En fjær trekker tilbake i forhold til hvor mye den er strukket eller trykket sammen: F = k·x, Hookes lov. Heng et lodd i den, og fjæra strekkes til kraften er lik tyngden, ved x₀ = m·g ÷ k. Trekk loddet lenger og slipp: den ekstra kraften er alltid proporsjonal med avstanden fra likevektsstillingen og peker tilbake mot den. Det gir harmonisk svingning: loddet går opp og ned i en perfekt sinuskurve, y = A·cos(ω·t), med ω = √(k ÷ m) og svingetiden T = 2π·√(m ÷ k). Et tyngre lodd svinger saktere, en stivere fjær fortere, og størrelsen på utslaget endrer ikke svingetiden: en større svingning går bare fortere. Loddet er raskest gjennom midten, med A·ω, og står stille et øyeblikk i hver ende. Siden m ÷ k = x₀ ÷ g, kan du til og med forutsi svingetiden ut fra hvor mye fjæra synker: T = 2π·√(x₀ ÷ g).

En avgrenset læringsmodell

Fjæra er lett og følger Hookes lov nøyaktig, og det er ingen friksjon, så ingenting bremser svingningen. For å finne strekket senkes loddet forsiktig i 2 s til det henger i ro. For en svingning trekkes loddet 5 cm under likevektsstillingen og slippes, og kjøringen varer 2 s. Når fjærkonstanten er spurt om, svinger loddet i fjæra di, og diagrammet markerer den ønskede svingetiden. Lengder er i målestokk. Svar innenfor 2 % er riktige. g = 9,8 m/s². Spilles i sanntid.

Når du bytter språk, beholdes forsøket, forutsigelsen, forsøkene og forløpet.