Practicum 2 Trillingen: Massa veersysteem
Omschrijving
In dit practicum wordt met behulp van een afstandssensor en een krachtsensor de beweging van een massa-veersysteem in de tijd onderzocht. Dit practicum kan als individueel practicum worden uitgevoerd maar ook als demo-practicum waarbij de metingen later gedeeld worden met de leerlingen. De data uit dit practicum zijn ook nodig voor practicum 3. Noteer de volgende gegevens: veerconstante en de massa aan de veer. Vooraf aan dit practicum kan W1 gedaan worden, maar dit kan ook als herhaling achteraf.
Leerdoelen
- u(t)-, v(t)- en a(t)- diagrammen van een massaveersysteem
- F(t)-diagram (indien mogelijk)
- Fase of tegenfase van de verschillende diagrammen
- \(F\propto-a\)
- Meten van plaats met behulp van sensoren
- Voorspellen en verklaren van de diagrammen en hun onderlinge relaties
Voorkennis
- Verband tussen x,t-diagram, v,t-diagram en a,t-diagram (algemeen)
- \(F_{res}=m·a\)
- In evenwichtstand \(F_z=F_v\)
Benodigdheden
- Afstandssensor (ranger)
- Krachtsensor
- IP-Coach of ander meetprogramma (b.v van de grafische rekenmachine)
- Veer met een gewichtjes (bij demo : toch ieder groepje een opstelling zonder sensoren)
- Statief
Klassikale introductie van het practicum
- Demonstreer hoe leerlingen de apparatuur en de opstelling moeten bouwen
- Geef richtlijnen voor de totale meettijd en de sample frequentie
- Wijs leerlingen erop dat ze een kleine amplitude moeten gebruiken (demonstreer)
- Herhaal nog de relaties tussen (u,t), (v,t) en (a,t) diagrammen uit eerdere hoofdstukken
- Optioneel: Doe nog een (loop)proefje met de afstandssensor ter ondersteuning van de verschillende diagrammen
Uitvoering
- Hang de veer met de massa aan de krachtsensor
- Stel de krachtsensor en de afstandssensor in op nul als de massa stil hangt
- Stel het meetprogramma (bijvoorbeeld IpCoach) zo in dat je onder elkaar de volgende grafieken krijgt als functie van de tijd:
- Plaats tegen tijd
- Snelheid tegen tijd
- Versnelling* tegen tijd
- Kracht* tegen tijd
*Versnelling en kracht mogen ook in 1 diagram
- Geef de massa een kleine uitwijking (ongeveer een centimeter) en start de metingen.
- Stel de meettijd zo in dat je ongeveer 2 tot 3 hele trillingen meet met genoeg meetpunten
- Als het experiment niet als demo gedaan wordt, geef dan elke groep een andere combinatie van veerconstante en massa
Organisatie
Tijdsplanning:
- Introductie (+ uitleg meten) 5 (+5) minuten
- Start experiment 5 minuten
- Experiment 15 minuten
- Uitwerken metingen 10 minuten
- Kringgesprek 10 minuten
- Logboek 5 minuten
Organisatie
- Dit experiment kan als demo-experiment gedaan worden of door alle groepen
- Als leerlingen geen ervaring hebben met het meten met een meetprogramma (bv IpCoach) kan het nodig zijn om hier eerst aandacht aan te besteden
- Je kunt ook de metingen van het demo-experiment delen met de leerlingen zodat ze zelfstandig de analyse kunnen doen
- Laat de groepjes op het whiteboard alle diagrammen onder elkaar (versnelling en kracht in één diagram) tekenen (minimaal 2 trillingen, nauwkeurigheid is belangrijk)
- Laat de leerlingen onder de diagrammen een overzicht maken van de krachten op het blokje op positie A t/m G (zie figuur hiernaast)
- Voor snelle groepjes: a,u diagram, F,a diagram en F,u diagram. Wat betekenen de richtingscoëfficiënten
- Laat leerlingen de metingen bewaren
Inhoud kringgesprek
- Laat de leerlingen elkaars borden bekijken
- Laat leerlingen werkblad 1 erbij halen (dit was hun verwachting) en vergelijken met de metingen
- Laat leerlingen de overeenkomst tussen het a(t) en F(t) diagram ontdekken
- Laat leerlingen de overeenkomst tussen het a(t) en het u(t) diagram ontdekken
- Tijdens het trillen van het blokje overheerst afwisselend de zwaartekracht en de veerkracht
- Bespreek de richting van zwaartekracht, veerkracht en nettokracht
- Haal de opstelling er nog eens bij en laat leerlingen aangeven welke positie in de beweging overeenkomt met hun diagram
- Laat leerlingen een relatie leggen tussen v = 0 en de uiterste standen
- Welke grafieken zijn er in fase, uit fase en verschoven in fase?
Optioneel
- Laat leerlingen de relatie leggen tussen helling/oppervlakte van de verschillende grafieken
Inhoud logboek
- Begrip fase
- a(t) en F(t) in fase
- a(t) en u(t) uit fase (fase verschil van een halve trillingstijd), tegengesteld
- v(t) diagram een kwart trillingstijd verschoven
- Kracht is recht evenredig met de uitwijking maar met een tegengesteld teken.
- Krachten in de evenwichtstand, de uiterste standen en er tussen in (tekening)
Voorbeeld resultaten
Helling a,u-diagram = 
Helling F,a-diagram = 
Helling F,u-diagram = 
Optioneel kun je de leerlingen vragen waarom de punten in het onderste diagram rond het midden verder uit elkaar liggen.
