אורי חוקר תנועה על מסילה חלקה AB המחוברת לשולחן שגובהו H. הקצה התחתון של המסילה אופקי ומגיע בדיוק לקצה השולחן, כמתואר בתרשים א'. אורי מבצע ניסוי שבו הוא "יורה" כדור קטן על המסילה במהירות התחלתית \( v_0 \) שגודלה וכיוונה משיק למסילה.
הכדור נע לאורך המסילה עד שמגיע לקצה השולחן B, וממשיך בתנועתו באוויר עד שפוגע ברצפה. אורי מדד את המרחק האופקי x מקצה השולחן עד נקודת הפגיעה כמה פעמים, ובכל פעם שינה את הגובה h שממנו "נורה" הכדור, אך גודל המהירות ההתחלתית \( v_0 \) נשאר קבוע (וכיוון המהירות משיק למסילה). בתרשים ב' מוצג גרף \( x^2 \) כפונקציה של h.
א. הוכחת הקשר בין x² ל-h
שימור אנרגיה לאורך המסילה החלקה, מהנקודה שבה נורה הכדור (גובה h מעל השולחן) ועד לקצה השולחן B:
$$ \tfrac12 m v_0^2 + mgh = \tfrac12 m v_B^2 \quad\Rightarrow\quad v_B^2 = v_0^2 + 2gh $$
מקצה השולחן, הכדור מבצע זריקה אופקית מגובה H: זמן הנפילה \( t=\sqrt{2H/g} \), והמרחק האופקי \( x=v_Bt \). מעלים בריבוע ומציבים:
הביטוי שהתקבל, \( x^2=\dfrac{2H}{g}v_0^2+4Hh \), הוא משוואת קו ישר במשתנים \( x^2 \) (ציר אנכי) ו-h (ציר אופקי), מהצורה \( y=mx+c \). המקדם של h במשוואה הוא \( 4H \) - וזהו בדיוק השיפוע של קו ישר כזה.
ג. גובה השולחן H
מהגרף: חיתוך הציר האנכי (ב-h=0) הוא \( x^2\approx1\ \mathrm{m^2} \), והישר עולה עד \( x^2\approx11\ \mathrm{m^2} \) ב-\( h=2.0\ \mathrm{m} \). השיפוע:
באחת הפעמים, אורי ירה את הכדור מהגובה \( h=0.5\ \mathrm{m} \). ברגע שהכדור עזב את קצה המסילה, שחרר עוזר של אורי כדור נוסף ממנוחה, מגובה H מעל הקרקע, במרחק אופקי של \( 1.5\ \mathrm{m} \) מקצה השולחן.
מהירות הכדור הראשון בקצה השולחן (מסעיף א', עם \( h=0.5\ \mathrm{m} \)):
עקרון ההוכחה: אילו לא פעלה כבידה כלל, הכדור הראשון (הנע אופקית במהירות \( v_B \)) היה מגיע בדיוק למיקומו ההתחלתי של הכדור השני - שהרי שניהם נמצאים באותו גובה H, והכיוון האופקי מכוון בדיוק אליו. הכבידה משפיעה באותה מידה בדיוק על שני הכדורים (אותה תאוצה g, ללא תלות במהירות או במסה) - כך ששניהם "נופלים" אותו מרחק אנכי נוסף ביחס למסלול היפותטי זה, באותו זמן נתון. לכן המפגש האופקי מובטח, ללא תלות בכבידה.
נותר לוודא שהמפגש קורה לפני שמי מהכדורים מגיע לקרקע. זמן ההגעה למרחק האופקי של הכדור השני:
$$ t = \frac{1.5}{v_B} = \frac{1.5}{\sqrt{14}} \approx 0.401\ \mathrm{s} $$
הירידה האנכית של כל אחד מהכדורים בזמן זה:
$$ \Delta y = \tfrac12 g t^2 = \tfrac12\times10\times0.401^2 \approx 0.80\ \mathrm{m} $$
מכיוון ש-\( \Delta y \approx 0.80\ \mathrm{m} \) קטן מ-\( H=1.25\ \mathrm{m} \), שני הכדורים עדיין נמצאים מעל הקרקע בזמן זה - ולכן הם אכן נפגשים לפני שהם פוגעים בקרקע.
מצגת פתרון: שימור אנרגיה, זריקה אופקית, ניתוח גרף, ושני כדורים שנפגשים באוויר.
שימור אנרגיהזריקה אופקיתיישור קושיפוע וחיתוך
לפני שפותרים
שני שלבים בתנועה
אורי משנה את גובה השיגור h, אבל המהירות ההתחלתית \(v_0\) נשארת קבועה. בכל ניסוי הוא מודד את המרחק x. הנקודות מראות איפה היה הכדור בפרקי זמן שווים: המרחקים ביניהן גדלים, כי המהירות גדלה.
סעיף א
הוכחת הקשר בין \(x^2\) ל-h
מההתחלההצג פתרון
שאלה למחשבה: מה קובע את המהירות בנקודה B? ומה קובע את זמן הנפילה מהשולחן?
1. המסילה חלקה, ולכן האנרגיה נשמרת מהשיגור עד B:\(\tfrac12 mv_0^2+mgh=\tfrac12 mv_B^2\ \Rightarrow\ v_B^2=v_0^2+2gh\)
2. זמן הנפילה מגובה H תלוי רק בגובה:\(H=\tfrac12 gt^2\ \Rightarrow\ t^2=\frac{2H}{g}\)
3. בכיוון האופקי המהירות קבועה:\(x=v_B t\ \Rightarrow\ x^2=v_B^2t^2\)
2.הרעיון: בלי כוח כובד, הכדור הראשון היה נע בקו ישר אופקי ופוגע בכדור השני. כוח הכובד מוריד את שניהם באותה מידה בכל רגע, \(\tfrac12 gt^2\), כי לשניהם יש אותה תאוצה g. לכן הם עדיין נפגשים, רק נמוך יותר.
3. הזמן עד המפגש (תנועה אופקית):\(t=\frac{1.5}{\sqrt{14}}\approx 0.40\ \text{s}\)
הירידה עד המפגש:\(\tfrac12\cdot10\cdot0.40^2\approx0.80\ \text{m}\), פחות מ-\(H=1.25\ \text{m}\)נפגשים באוויר
סיכום
התשובות והמלכודות
א. הקשר\(x^2=4H\,h+\frac{2H}{g}v_0^2\)
ב. שיפוע הגרף\(4H\)
ג. גובה השולחן\(H=1.25\ \text{m}\)
ד. מהירות התחלתית\(v_0=2\ \tfrac{\text{m}}{\text{s}}\)
ה. מפגשכן, אחרי ירידה של 0.8 m
טעויות נפוצות
שוכחים את \(v_0\): הכדור "נורה" ולא שוחרר ממנוחה, ולכן יש לו אנרגיה קינטית כבר בשיגור.
מחשבים את השיפוע לפי נקודה אחת: \(\frac{11}{2}\) במקום \(\frac{11-1}{2}\). הקו לא עובר בראשית.
"הכדור המהיר נופל לאט יותר": זמן הנפילה תלוי רק בגובה, לא במהירות האופקית.
מסתפקים ברעיון בסעיף ה: צריך גם להראות שהירידה \(0.8\ \text{m}\) קטנה מ-H.
→ הקודם1 / 7מסך מלאהבא ←
הגשת מטלה
📎
גרור לכאן או לחץ לבחירת קובץ
PDF, JPG, JPEG, PNG · עד 10MB לקובץ · ניתן לבחור מספר קבצים
התחבר לקורס
הגישה לקורס זה דורשת התחברות. עליך להזין את פרטי ההתחברות להלן!