SciSimulator
Deneye Geri Dön

Mekanik Enerjinin Korunumu: Serbest Düşme Rehber

FizikOrtaOkuma süresi: 3 dk

Genel Bakış

Ağır bir nesnenin serbest düşüşünü gözlemleyerek mekanik enerjinin korunumu yasasını doğrulayın. Sadece yerçekimi iş yaptığında yerçekimi potansiyel enerjisindeki azalmanın kinetik enerjideki artışa eşit olduğunu onaylayın.

Arka Plan

Mekanik enerjinin korunumu fikri, sarkaç hareketini inceleyen ve tokmağın her zaman serbest bırakılma noktasıyla aynı yüksekliğe çıktığını bulan Galileo'nun çalışmalarına kadar uzanır. Daha sonra Leibniz, 'vis viva' (yaşam gücü, yani mv2mv^2) korunumu kavramını önerdi. Sonunda, Joule ve diğerleri enerjinin korunumu yasasını tam olarak oluşturdu. Bu deney, serbest düşüş hareketini kaydetmek ve mekanik enerjinin korunumunu nicel olarak doğrulamak için bir şerit zamanlayıcı kullanır.

Temel Kavramlar

Yerçekimi Potansiyel Enerjisi (EpE_p)

Ep=mghE_p = mgh

Bir nesnenin dikey konumu nedeniyle sahip olduğu enerji, yükseklikle orantılıdır.

Kinetik Enerji (EkE_k)

Ek=12mv2E_k = \frac{1}{2}mv^2

Bir nesnenin hareketi nedeniyle sahip olduğu enerji, hızının karesiyle orantılıdır.

Mekanik Enerji (EE)

E=Ep+EkE = E_p + E_k

Bir sistemdeki kinetik ve potansiyel enerjinin toplamı.

Formüller ve Türetme

Mekanik Enerjinin Korunumu Yasası

ΔEp=ΔEk⇒mgh=12mv2\Delta E_p = \Delta E_k \Rightarrow mgh = \frac{1}{2}mv^2
İlk hız 0 ise, hh yüksekliğinden düştükten sonra kaybedilen potansiyel enerji, kazanılan kinetik enerjiye eşittir.

Anlık Hız Hesaplama

vn=hn+1−hn−12Tv_n = \frac{h_{n+1} - h_{n-1}}{2T}
Düzgün hızlanan bir nesne için, bir zaman aralığındaki ortalama hız, o aralığın orta noktasındaki anlık hıza eşittir.

Deney Adımları

  1. 1

    Cihaz Ayarı

    Şerit zamanlayıcının dikey olarak sabitlendiğinden ve şerit sürtünmesini en aza indirmek için sınırlama deliklerinin dikey olarak hizalandığından emin olun. Güç kaynağını bağlayın (simülasyonda varsayılan olarak bağlıdır).
  2. 2

    Şerit İşlemi

    Önce zamanlayıcı gücünü açın (sabit tıkırtı), sonra ağırlığı serbest bırakın. Ağırlığın düzgün bir şekilde düşüp düşmediğini gözlemleyin.
  3. 3

    İz Seçimi

    Net bir ilk nokta (t=0t=0) bulun. 1. ve 2. noktalar arasındaki mesafe 2mm2mm'ye yakınsa (50Hz50Hz frekansında), ilk hız 0 kabul edilebilir.
  4. 4

    Ölçüm ve Hesaplama

    Geniş aralıklı sayım noktaları seçin (örneğin, her 5 noktada 1 sayım noktası alın, böylece T=0.1sT=0.1s). Her nokta için düşüş yüksekliği hh'yi ölçün ve karşılık gelen anlık hızı vv hesaplayın.

Öğrenme Çıktıları

  • Mekanik enerjinin serbest düşüş sırasında deneysel hata aralığında korunduğu doğrulandı.
  • Şerit zamanlayıcı verilerini işlemek için 'yarı zamanlı anlık hız' yöntemini kullanma konusunda ustalaşıldı.
  • Hava direnci ve şerit sürtünmesi nedeniyle sistematik hataların (EpE_p azalmasının EkE_k artışından biraz daha büyük olması) nedenleri analiz edildi.

Gerçek Dünya Uygulamaları

  • Hidroelektrik Güç: Suyun yerçekimi potansiyel enerjisi bir baraj tarafından kinetik enerjiye dönüştürülür, bu da elektrik üretmek için türbinleri çalıştırır.
  • Kazık Çakıcı: Ağır bir çekiç potansiyel enerji kazanmak için kaldırılır, bu da kazıkları yere çakmak için düşerken büyük kinetik enerjiye dönüşür.
  • Hız Treni: Trenler raylarda yukarı ve aşağı hareket ederken sürekli olarak kinetik ve potansiyel enerji arasında dönüşüm yapar.

Yaygın Hatalar

Yanlış
Bir nesnenin düşüş hızı kütlesine bağlıdır; daha ağır nesneler daha hızlı düşer.
Doğru
Serbest düşüş ivmesi gg kütleden bağımsızdır. Düşüş hızı sadece hava direncinden etkilenir (bu deneyde göz ardı edilmiştir).
Yanlış
Önce şeridi serbest bırakın, sonra gücü açın.
Doğru
Şeridi serbest bırakmadan önce tıkırtıyı sabitlemek için güç önce açılmalıdır. Aksi takdirde, şeridin başı boş olabilir veya noktalar kararsız olabilir.
Yanlış
Hız, v=gtv = gt veya v=2ghv = \sqrt{2gh} kullanılarak hesaplanabilir.
Doğru
Bir doğrulama deneyinde, verileri hesaplamak için doğrulanmakta olan yasanın formülünü kullanamazsınız. Anlık hızı ölçmek için şeridin ortalama hızını v=stv = \frac{s}{t} kullanmalısınız.

Ek Okuma

Başlamaya hazır mısın?

Temelleri anladığına göre, etkileşimli deneye başla!

Deneyi BaşlatSınavı Başlat