Overview
ソース: アンドリュー ダフィー博士は、物理学教室、ボストン大学、ボストン、マサチューセッツ
この実験は、2 つの相互作用するオブジェクトを含むさまざまな状況を調べます。
まず、実験は衝突する間、2 つのオブジェクトが互いに適用されます力を調べます。オブジェクトは、変数の固まりを持っている輪の荷車。この実験の目的は、これらの 2 つを強制するとき異なる大きさがあると同様、発見するとき最初のカートが他に及ぼす力は、最初に戻って 2 番目のカートを発揮力と同じ大きさです。
第二に、それは 1 つカートを押したり、2 つ目を引くとき、2 つのオブジェクトは互いに発揮力を調べます。再び、焦点は、二つの力がある同じ大きさして異なる大きさのある状況を探索します。
Principles
この実験の主な目的は、ニュートンの第 3 法則を探求することです。
装置はそれぞれ上部 (図 1) に装着した力センサーを持つ 2 つのカートから成っています。力センサーは、専用のコンピューター インターフェイス経由でコンピューターに接続されます。各力センサーは、衝突またはプッシュ/プル状況中に他の力センサーによってそれに加えられた力を測定します。
図 1。基本的なセットアップです。装置のキー コンポーネントがそれぞれトップとコンピューターのインタ フェースに装着した力センサーを持つ 2 つの動かされたカート。
Procedure
1. 衝突状況
- 各力センサーにゴム製のバンパー (図 1) をねじ込みます。
- 50 N の設定に各力センサーを設定します。
- データ コレクションを開始する緑の矢印の横にある「ゼロ」のボタンを押して各公判前に力センサーをゼロします。
- 正の方向 (すなわち右に) が、力センサーごとに適切に定義されていることを確認します。
- カートの右側に装着した力センサーを押してください。これは肯定的な力の読書になります。ショッピングカートの左側に装着した力センサーを押してください。これにより、負の力を読む必要があります。
- 両方が間違っている場合は、カートの位置を単に逆します。
- 1 つが間違っている場合にのみ「実験メニュー」に移動し、「セットアップ センサー」を選択適切な力センサーを選択し、「逆方向」を選択
- 最初の衝突には、同じ質量のカートが含まれます。1 つのカートに衝突する前に静止を指定します。他のカート、カートの衝突定常カートに向かって初速が与えられます。
- 1 つの他の方へカートを押す前に「収集」ボタン (緑の矢印) を押します。1 つカートに小さな突き出すを与える、カートを解放し、衝突を観察します。典型的な試験でピーク力値は約 8 ~ 20 N を守らなければなりません。ピーク力の値よりはるかに小さいまたはこの範囲よりもはるかに大きい場合は、プッシュを調整します。
- 衝突の後、各力センサーで記録されたコンピューター「対時間、力」のグラフが表示されます。
- グラフが表示されない場合は、トリガーをリバースします。
- 「収集」ボタンを押した後実際に記録がない上 (または下) 値を記録力センサーのいずれかまで特定のトリガー レベル。ただし、トリガー レベルは正の値に設定されてと力センサーは負のフォース値を与えているのみまたはコンピューターは決してその逆は、レコード データに伝える信号を受信します。
- 確認、または逆に、トリガー設定は (すぐに「ゼロ」ボタンの左)「データ集」アイコン押すし、、"トリガー"タブを選択します。
- この実験で使用される 2 つのオプションは、"0.2 N の増加"と「-0.2 (名) にわたって減少」これらの設定が必要なトリガー、原因ではない場合、他に切り替えます。
- 2 回目の衝突で静止したカート カートが衝突する前に動いているの 2-3 倍の質量が必要です。これを達成するために、静止のカートに 1 つ以上の重みを追加します。手順を繰り返します (手順を参照してください)。
- 衝突前に静止するように高い質量カートを指定します。
- 「収集」ボタンを押すし、より小さい質量の高い質量カート方へカートをプッシュします。
- 「対時間力」の 2 つのグラフをが表示されます。
3 衝突の衝突の前に移動するカート静止したカートの 2-3 倍の質量が必要です。他に 1 つのカートから余分な重量を転送することによってこれを達成します。衝突の実施及びデータの収集のプロセスを繰り返します。
2 プッシュとプルの状況
- 各力センサーについてのゴム製バンパーをフックに置き換えます。
- 一緒に押すかまたは他のカートを引く 1 つのカートを許可するためにカートをフックします。
- トリガーの条件を逆に 1.8 の手順で説明するよう。
- 等しい質量のカートを始めます。
- 「収集」ボタンを押します。
- プルまたはプルや, 他のカートをプッシュできるようにカートの 1 つをプッシュまたはそれを揺するように前後があるプルとプッシュの両方が発生します。
- カートの中を与えるプルおよび/または他のカートの 2-3 倍の質量をプッシュします。データ収集プロセスを繰り返します。
- このシナリオで押し引き「力対時間」データを記録します。
- 引きを行うおよび/または他のカートの 2-3 倍の質量を押してカートを与えます。データ収集プロセスを繰り返します。
- この押し引きのシナリオで「力対時間」データを記録します。
ニュートンの運動の法則は古典力学の基礎であり、オブジェクトとそれに加わる力との関係を記述します。
たとえば、ロケットは、打ち上げ前にパッドの残りの部分では、ロケットと地面は互いに等しいと反対の力を発揮します。取るオフ、またはとき、ロケットは宇宙、ロケットに対して燃焼燃料プッシュから拡大のガスで、前方にそれを推進します。少なく明らかである, は、ロケットが同時にガスに押し付けます。これらの単純な現象の仕事では、軍は軍は常にされていないのでわかりにくいがニュートンの運動の法則に従います。
このビデオはニュートンの運動の法則の基本を紹介し、さまざまな状況で 2 輪カート間力測定実験の一連の概念を紹介し。
ニュートンの運動の法則は、3 つの主要法律で構成されます。最初の法律は最も簡単な力によって作用しない限り、静止している物体が、安静時ままの状態。同様に、モーション内のオブジェクトは、力が作用しない運動に留まります。具体的には、オブジェクトに純力はゼロである場合オブジェクトの速度は、速度がゼロかどうか定数です。ただし、ボールを蹴るか、または壁を打つなどの応用力を変更するオブジェクトの速度が発生します。
ニュートンの第 2 法則の状態のオブジェクト速度、加速度と呼ばれる変化率が直接に適用される力に比例しています。比例要因は、オブジェクト自体の質量です。
つまり、オブジェクトが加速、それに正味の力あります。この法律は最初の法律と一貫性のあるオブジェクトの速度の加速度の変化率がゼロ純力がないとき。
最後に、ニュートンの第 3 法則の状態、2 つのオブジェクトが互いに演技力が大きさが方向の反対に等しく
この動作は多くの場合を理解するは難しいです。たとえば、異なる質量の 2 つのオブジェクトが衝突すると、しばしば見做されますより大規模なオブジェクトが巨大なオブジェクトよりも大きな力を発揮します。ただし、力は等しく、反対側の.
「すべてのアクションは等しいと反対の反応」フレーズ、とニュートンの第 3 法則を一般的に表明した具体的には、2 つの相互作用するオブジェクト間の力は大きさと方向で反対に等しい「作用反作用の組」と呼ばれます。
オブジェクトの応答が-つまり、彼らの加速度は等値になりません。これは加速度が反比例するニュートンの第 2 法則によると質量。
非常に小さい車と非常に大型トラックが衝突したときに何が起こるかを検討してください。場合は、アクションと反応アクションは確かに等しいを生成し、逆の反応、それらの間の影響力を参照してください。しかし、大衆のトラックと車の間の重要な違いのため、これらの力の影響は非常に異なります。車は、はるかに大規模なトラックはほとんどコースを変更しながら破滅的リバウンドします。
今ではニュートンの運動の法則の原理を提示されている、移動物体の挙動を見て、ニュートンの運動の第 3 法則に関連して彼らの行動してみましょう。
次の実験は、長い、低摩擦トラック上をスライドさせて 2 つの動かされたカートを使用します。
力センサーのデータを記録するためのコンピューターのインターフェイスに接続されている各カートが備わっています。各センサーは、衝突時に他のカートのセンサーをストライクするかプッシュまたはトラックにはスライド、その他のカートのセンサーでプル配置されます。
衝突実験を開始、する前に力センサーを影響のためセットアップされ、力の予想されるレベルで構成する必要があります。まず、ネジを各力センサーのピストンにゴム製のバンパー。力センサーの上にスライド スイッチを位置付けます。各センサー 50 ニュートン位置にこのスイッチを設定します。
緑の矢印のように見える、「収集」ボタンは、データの収集を開始します。各実験の前に力センサーをゼロにこの緑色の矢印の横にあるボタンを押します。
両方力センサーをゼロ、右にそれぞれの正の方向が定義されているかどうかを確認するを確認します。右を向きプランジャーでセンサーを押し上げます力読書は正でなければなりません。
左ポイント プランジャーでセンサーを押し上げます力読書は負になります。両方の力の測定値が間違っている場合は、カートの位置を戻します。
間違って読んでいる 1 つだけの場合は、「実験」メニューに移動し、「セットアップ センサー」を選択適切な力センサーを選択し、「逆方向」を選択
力センサーが正しく構成されて後、装置は等しい質量のカートを使用して、最初の実験の準備ができて。テストの開始で固定する 1 つのカートを選択します。
両方力センサーをゼロにデータの記録を開始する「収集」ボタンを押します。独自のスライド固定のカートに衝突、その他のカートを押して外し。
インパクト後の, コンピューター各センサーによって記録された「対時間力」のプロットが表示されます。ピーク力の大きさは、8 と 20 のニュートンの間でなければなりません。ピーク力がこの範囲外にある場合は、実験を繰り返すし、カートを押すとどのようにハードを調整します。
このプロットが彼ら経験力が等しいことを示して ときに等しい質量を持つカートの衝突、および反対。加速力を質量で割った値に等しい、ので、同じ大きさが反対の方向で各カートが加速します。
2 番目の衝突実験が最初の実験を繰り返すが等しくない大量のカート。静止してそれが移動カートの 2 倍から 3 倍の質量を持っているので、1 つ以上の重みを持つロードする 1 つのカートを選択します。
両方力センサーをゼロ、「収集」ボタンを押すし、加重のカートに重みがないカートを押すことで衝突実験を繰り返す
大規模な静止した 1 つに衝突する巨大な台車の移動、彼らは非常に異なる速度でリバウンド。外見にもかかわらず、力の大きさは、実際に等しい、プロットを明らかに示します。この動作は混乱を招く可能性がありますがため、あまり大規模なカート経験より大規模なものよりも大きな加速度再び加速力を質量で割った値に等しいので。
次に、カートの役割を逆転させる移動カートに固定のカートから重みを転送します。大規模なされている移動カートおよびさ巨大な静止したカートを実験を繰り返します。両方力センサーをゼロし、「収集」ボタンを押します。非加重 1 つに重み付きのカートを押すことにより、実験を繰り返します。
前の実験と同様 2 つのカートは質量の違いのため、非常に異なる速度でリバウンドします。ただし、衝撃力はまだ等しい大きさがあります。だから、カートが等しいまたは別の固まりをあるかどうかに関係なく衝突力は大きさと方向で反対の等しい常に。
ニュートンの運動の第 3 法則は、衝突だけでなく、2 つのオブジェクトが対話するすべての状況にも適用されます。
ニュートンの第 3 法則は、2 つのオブジェクト間の押し、引きの相互作用にも適用されます。この現象を確認するには、カート実験がフック、力センサーのゴム製バンパーを交換し、一緒にカートをフックに変更されました。トリガーの条件は、データ収集ソフトウェアにも逆転されました。
力が等しいときに等しい質量のカートもプッシュやプル他、モーションの変更の方向にもかかわらず反対。不平等な質量の 2 つのカートがプッシュおよびプル現象ときまだ有効です。
惑星形成頻繁を理解しようとする物理学者は、衝突を研究します。この例では、ダスト粒子が初期太陽系における衝突をシミュレートするために用意しました。粒子が落とされたと彼らの衝突を記録しました。
衝突の粒子大きさと方向で反対で等しかった、お互いに力を発揮しました。両方のオブジェクトは、そのまま残った、衝撃力でリバウンドする原因です。
ちょうど動きのニュートンの法則にゼウスの導入を見た。3 つの法則の基礎を理解する必要があります今、運動しオブジェクトへ強制的にどのようにそれらを記述します。見てくれてありがとう!
Results
ニュートンの第 3 法律の状態は 2 つのオブジェクトが対話するたびに 2 番目のオブジェクトは最初のオブジェクトが等しい大きさと最初のオブジェクトが 2 番目に及ぼす力の方向の反対に力を発揮します。状態、方法は簡単ですが、受け入れるが難しいことができます。たとえば、大きなオブジェクトより小さいオブジェクトに及ぼす力、小さいオブジェクトを大きいオブジェクトに戻って発揮力より大きいことを多くの場合と見なされます。
図 2。最初の衝突の結果。カートによって経験される力が等しいと反対。
図 3.2 回目の衝突の結果。カートによって経験される力が等しいと反対。
図 4.3 番目の衝突の結果。カートによって経験される力が等しいと反対。
図 5.最初の押し引き状況の結果。カートによって経験される力が等しいと反対。
図 6.2 番目の押し引き状況の結果。カートによって経験される力が等しいと反対。
図 7.3 プッシュの結果/状況を引っ張ってします。カートによって経験される力が等しいと反対。
Applications and Summary
この実験では、すなわち、すべての相互作用は、1 つのオブジェクトは、別の力に等しい大きさで反対方向に最初に戻って 2 番目のオブジェクトによって適用されるフォースは、対処の概念は、多くのアプリケーションを持っています。たとえば、(1) 太陽は、地球重力の力は等しい重力に適用される地球の反対側 (2) 地球の月は、重力の力は等しいと地球に重力とは逆月が適用されます。(3) 重力地球に及ぼすリンゴが等しく、地球に重力とは逆、apple が適用されます。(4) 車と路上でトラックの間または 2 つのサッカー選手の間など、衝突力が常に等しいと反対、どんなに大衆の比較します。(5) 人が床の上に立つ、椅子に座るときに、床や椅子で人が等しい人が床や椅子に及ぼす力反対力。
