כבידה
תרגול נוסף
3 מ 4

לעמוד הבית

שני ניסויים על מישור משופע וגרפי מהירות

פתרון - שני ניסויים על מישור משופע וגרפי מהירות (בגרות 2023, שאלה 1)

נתון: מישור משופע חלק (ללא חיכוך), נקודה K בתחתית המישור. שני ניסויים:

  • ניסוי 1: גוף מוחזק בנקודה A, ניתנת לו מהירות התחלתית  במעלה המישור.
  • ניסוי 2: גוף מוחזק בנקודה B, ניתנת לו מהירות התחלתית  במורד המישור.

מתרשים 2 (גרף מהירות-זמן): גרף א מתחיל ב- ב-, קווי, חוצה אפס ב-, ומגיע ל- ב-. גרף ב מתחיל ב- ב-, קווי, ומגיע ל- ב-.

שיפוע שני הגרפים (מהנתונים): $a=\dfrac{0-1.0}{0.2}=-5\text{m/s}^2$ עבור גרף א, ו-$a=\dfrac{-3.0-(-0.5)}{0.5}=-5\text{m/s}^2$ עבור גרף ב - זהה, כמצופה (אותו מישור, אותה תאוצה  בשני הכיוונים, ללא חיכוך).

סעיף א׳ - כיוון המהירות החיובי

גרף א מתאר גוף שמתחיל במהירות חיובית, מאט, עוצר רגעית ( ב-), וממשיך במהירות שלילית - זהו בדיוק הדפוס הצפוי לניסוי 1 (מהירות התחלתית במעלה המישור, האטה עד עצירה, ואז תאוצה במורד). לכן הכיוון החיובי הוא כיוון מעלה המישור, וגרף א מתאר את ניסוי 1, גרף ב מתאר את ניסוי 2 (מהירות התחלתית שלילית = מורד המישור, , כלומר גודלה ).

סעיף ב׳ - מרחק בין הנקודה הגבוהה ביותר לנקודה K (ניסוי 1, מגיע ל-K ב-s)

הנקודה הגבוהה ביותר מתקבלת ב- (כאשר ). מ- עד  (), הגוף יורד מנקודת השיא עד K:

$$s = 0+\frac{1}{2}a(\Delta t)^2 = \frac{1}{2}\cdot(-5)\cdot(0.3)^2 = -0.225\text{m}

כלומר המרחק בין נקודת השיא ל-K הוא  (במורד המישור).

סעיף ג׳ - מרחק AK

ממיקום A (המקום ההתחלתי, ) ועד K (s), לפי משוואת המיקום ( כראשית):

$$x(0.5)=v_1t+\frac{1}{2}at^2 = 1.0\cdot0.5+\frac{1}{2}\cdot(-5)\cdot0.5^2 = 0.5-0.625=-0.125\text{m}

בדיקה:  - תואם לגרף א. לכן , כאשר K נמצא מתחת ל-A (במורד המישור).

סעיף ד׳ - מרחק AB (ניסוי 2 מגיע ל-K ב-s)

ממיקום B (, ) ועד K:

$$x(0.6)=v_2t+\frac{1}{2}at^2 = (-0.5)\cdot0.6+\frac{1}{2}\cdot(-5)\cdot0.6^2 = -0.3-0.9=-1.2\text{m}

בדיקה: ... (מחוץ לתחום הגרף המקורי, אך עקבי עם המשך אותו קו ישר בשיפוע ).

כלומר K נמצא  מתחת ל-B. מסעיף ג׳, K נמצא  מתחת ל-A. לכן, ביחס משותף לנקודה K:

  • מיקום A ביחס ל-K:  (מעל K)
  • מיקום B ביחס ל-K:  (מעל K)

כלומר , כאשר B נמצאת גבוה יותר במישור מאשר A.

סעיף ה׳ - עם חיכוך, איזה גרף (א-ד) מתאר נכון את שני הניסויים

עם חיכוך, יש להבחין בין שני סוגי תנועה:

  • ניסוי 1 (מתחיל במעלה, חוזר במורד - הגרף שמתחיל חיובי וחוצה אפס): בעלייה, גם הכבידה וגם החיכוך פועלים נגד התנועה (שניהם מאיטים) - התאוצה (בעוצמתה) גדולה יותר מאשר ללא חיכוך. בירידה (לאחר ההיפוך בנקודת השיא), הכבידה מאיצה במורד אך החיכוך מתנגד לתנועה במורד (פועל כלפי מעלה) - התאוצה (בעוצמתה) קטנה יותר מאשר ללא חיכוך. התוצאה: קו עם שבר (קינק) בנקודה  - תלול יותר בחלק החיובי, מתון יותר בחלק השלילי.
  • ניסוי 2 (תנועה במורד המישור בלבד, ללא היפוך כיוון): החיכוך תמיד מתנגד לתנועה במורד (פועל כלפי מעלה), כך שהתאוצה (בעוצמתה) קטנה יותר מאשר ללא חיכוך, לאורך כל הדרך. התוצאה: קו ישר יחיד (ללא שבר), עם שיפוע מתון יותר מהמקורי.

לפי התיאור הזה, תרשים א הוא זה המתאים: הקו המתאר את תנועת ניסוי 1 (המתחיל בערך חיובי) מראה שיפוע תלול בתחילה (לפני חציית האפס) ושיפוע מתון יותר לאחריה (שבר בנקודת ), בעוד הקו המתאר את ניסוי 2 (תמיד שלילי, ללא חציית אפס) הוא קו ישר בודד בשיפוע מתון וקבוע - בדיוק כפי שמנבאת הפיזיקה של החיכוך.

הגשת מטלה

📎

גרור לכאן או לחץ לבחירת קובץ

PDF, JPG, JPEG, PNG · עד 10MB לקובץ · ניתן לבחור מספר קבצים