Uploaded by maksimnewmain87

02Collosion 2D

advertisement
‫מעבדת חובה‬
‫שימור תנע בהתנגשות דו‪-‬ממדית בין שני כדורים‬
‫מטרת הניסוי‬
‫אישוש שימור תנע בתהנגשות דו‪-‬ממדית בין שני כדורים בעלי מסות שוות ומסות שונות‪.‬‬
‫רקע תאורטי‬
‫תנע קווי של גוף מוגדר כמכפלת מסתו במהירותו‪:‬‬
‫‪.Pmv‬‬
‫המתקף של כוח הפועל על הגוף מוגדר כמכפלת הכוח ‪ F‬במשך זמן פעולתו ‪. J  F  t :  t‬‬
‫חוק שימור התנע‬
‫בתהליך שבו לא פועלים על מערכת גופים כוחות חיצוניים התנע הכולל של המערכת נשמר‪ ,‬כלומר התנע הכולל של‬
‫המערכת לפני התהליך שווה לתנע הכולל אחריו‪.  Ptotal   0 :‬‬
‫כוחות הפועלים בין הגופים המרכיבים את המערכת לא משנים את התנע הכולל שלה‪.‬‬
‫כאשר כן פועלים כוחות חיצוניים על המערכת‪( ,‬מספיק שיפעל כוח על גוף אחד) נגרם שינוי בתנע הכולל‪.‬‬
‫‪.  Ptotal ‬‬
‫הקשר בין הכוח החיצוני ושינוי התנע נתון ע"י ‪J‬‬
‫‪‬‬
‫כאשר‪ - Ptotal :‬התנע הכולל של כל המערכת (התנע הכולל הוא סכום וקטורי של התנע של כל הגופים המרכיבים את‬
‫המערכת)‪,‬‬
‫‪J‬‬
‫‪ -‬מתקף חיצוני הפועל על מרכיב או מרכיבי המערכת‪.‬‬
‫מקרה של התנגשות דו ממדית בין שני כדורים‬
‫כדור אחד בעל מסה ‪ m1‬ומהירות התחלתית ‪ v 0‬נע לעבר כדור שני שמסתו‬
‫‪ m2‬והנמצא במנוחה‪ ,‬ומתנגש בו (תרשים‬
‫‪1‬א')‪.‬‬
‫ההתנגשות איננה מצחית‪ ,‬כלומר כיוון תנועת הכדור הראשון איננו על הקו המחבר את מרכזי הכדורים בעת ההתנגשות‪.‬‬
‫לאחר ההתנגשות נעים הכדורים במהירויות‪ v 1 :‬ו‪ v 2 -‬בהתאמה היוצרות זווית ‪ ‬ו‪ -‬ביחס לכוון ‪( v 0‬תרשים ‪1‬ב')‪.‬‬
‫בהנחה שבמשך ההתנגשות לא פועלים כוחות חיצוניים על מערכת שני הכדורים והכוחות היחידים המשפיעים הם הכוחות‬
‫ההדדיים שלהם זה על זה‪ ,‬התנע הכולל של המערכת יישמר בזמן ההתנגשות (כווקטור)‪.‬‬
‫מיד אחרי התנגשות‬
‫‪P  m1 1v‬‬
‫לפני התנגשות‬
‫‪1‬‬
‫‪‬‬
‫‪1 0‬‬
‫‪P 0 m v‬‬
‫‪‬‬
‫‪2‬‬
‫‪P 2 m 2v‬‬
‫תרשים ‪1‬א'‬
‫תרשים ‪1‬ב'‬
‫תרשים ‪1‬‬
‫שימור תנע בהתנגשות דו ממדית‬
‫ניסוי חובה‬
‫התנע הכולל לפני ההתנגשות שווה לתנע הכולל אחריה‪ ,‬לפי חוק שימור התנע‪:‬‬
‫‪P  1P  P 2‬‬
‫‪0‬‬
‫(לפני ההתנגשות התנע של הכדור השני הוא ‪.)0‬‬
‫חוק שימור התנע ניתן לביטוי בצורה גרפית‪ ,‬כלומר שלושת הווקטורים שבתרשים ‪ P 1 , P 0 ( 1‬ו‪ ) P 2 -‬סוגרים משולש‪.‬‬
‫סגירת המשולש מתקיימת ללא קשר לאופי ההתנגשות (אלסטית או פלסטית) ולתופעות הקורות בתוך הכדורים‪ .‬הסגירה‬
‫נובעת רק מהעובדה שלא היו כוחות חיצוניים בזמן ההתנגשות‪ ,‬והיא מבטאת את חוק שימור התנע‪.‬‬
‫בניסוי נבדוק אם התנע נשמר במהלך ההתנגשות בין שני כדורים שווים‪ .‬במידה ולא‪,‬‬
‫נמדוד את מידת אי השימור (גודל וכוון ווקטור הפרש התנע) וננסה לזהות את הגורמים לכך‪.‬‬
‫הבדיקה נעשית ע"י השוואת וקטור התנע של הכדור הפוגע לפני ההתנגשות עם סכום וקטורי התנע של שני הכדורים לאחר‬
‫ההתנגשות‪.‬‬
‫בניסוי לא נמדוד ישירות את התנע של הכדורים וגם לא את מהירותם‪ ,‬אלא את ההעתק האופקי שהכדורים עוברים תוך‬
‫כדי נפילה לאחר ההתנגשות‪ .‬אם המערכת מכוונת כך שהמהירות האנכית ההתחלתית של הכדורים לאחר ההתנגשות היא‬
‫אפס (תנועה אופקית)‪ ,‬נוכל לקבל את מהירות הכדורים לאחר ההתנגשות מתוך ההעתק האופקי‪.‬‬
‫הוכחה לכך ניתנת להלן‪.‬‬
‫‪A‬‬
‫בניסוי משתמשים במסילה ‪ .AC‬את הכדור משחררים‬
‫ממנוחה בנקודה העליונה ‪ ,A‬וממנה הוא מתגלגל לאורך‬
‫‪v0‬‬
‫‪C‬‬
‫המסילה‪ .‬בנקודה ‪ C‬הכדור עוזב את המסילה במהירות‬
‫‪B‬‬
‫‪h‬‬
‫אופקית ‪( v0‬בתנאי שהמסילה מכוונת כך שהקטע ‪BC‬‬
‫אופקי)‪ .‬מרגע עזיבתו את המסילה הרי נוסף לתנועתו‬
‫האופקית הכדור‬
‫נופל בצורה חופשית עד פגיעתו בשולחן‪.‬‬
‫‪E‬‬
‫‪x‬‬
‫‪D‬‬
‫הכדור פוגע בשולחן האופקי בנקודה ‪ E‬הנמצאת במרחק ‪ x‬מנקודה ‪ D‬הנמצאת מתחת קצה המסילה‪ .‬בהנחה שתוך כדי‬
‫נפילתו לא פועלים כוחות אופקיים על הכדור הרי שמהירותו האופקית נשמרת‪ .‬ההעתק האופקי ‪ x‬שהכדור עובר עד פגיעתו‬
‫בשולחן נתון ע"י‬
‫‪ , x ‬כאשר ‪ t‬הוא זמן הנפילה מ‪C-‬‬
‫ל‪.E-‬‬
‫‪v 0t‬‬
‫זמן הנפילה מקיים‪:‬‬
‫‪2‬‬
‫‪1‬‬
‫‪gt‬‬
‫‪h ‬‬
‫‪2h‬‬
‫‪‬‬
‫‪2‬‬
‫הקשר הסופי בין התנע והמרחק הוא‪:‬‬
‫=‪t‬‬
‫‪g‬‬
‫‪g‬‬
‫‪x‬‬
‫‪mx‬‬
‫‪2h‬‬
‫‪ m‬‬
‫‪t‬‬
‫‪. P  m v0‬‬
‫מכיוון שכל הכדורים נופלים מאותו גובה ‪ , h‬אז תנע הכדור נמצא ביחס ישר להעתק ‪ x‬שהוא עובר בזמן הנפילה‪.‬‬
‫אפשר לייצג את משוואת שימור התנע במקרה זה ע"י משוואת ווקטורית של העתקים‪:‬‬
‫‪m 1 r0  m 1 r1  m 2r2‬‬
‫ונקבל‪):‬‬
‫נחלק את המשוואה ב‪( m1-‬מסת הכדור הפוגע‬
‫‪-‬‬
‫‪-2‬‬
‫‪m2‬‬
‫‪r2‬‬
‫‪m1‬‬
‫‪r0  r1 ‬‬
‫ניסוי חובה‬
‫במקרה שהכדורים שווים‬
‫‪-‬‬
‫‪m1=m2‬‬
‫‪‬‬
‫‪r 1 r  r2‬‬
‫‪-3‬‬
‫שימור תנע בהתנגשות דו ממדית‬
‫‪0‬‬
‫שימור תנע בהתנגשות דו ממדית‬
‫ניסוי חובה‬
‫כאשר הכדור המתגלגל פוגע בכדור השני הנמצא במנוחה בנקודה ‪ C‬שני הכדורים ינועו לאחר ההתנגשות במהירויות‬
‫‪ v‬ויפגעו בשולחן בנקודת ‪ E1‬ו ‪ E2-‬בהתאמה‪.‬‬
‫‪v1‬‬
‫ו‪-‬‬
‫‪2‬‬
‫אם מיד לאחר ההתנגשות הכדורים נעים במהירות אופקית בלבד (אין מהירות התחלתית אנכית) המרחקים ‪ DE1‬ו‪DE2-‬‬
‫יחסיים ל ‪ v 1‬ו‪ v 2 -‬ולכן גם ל‪ P1 -‬ו‪. P 2 -‬‬
‫ציוד‪:‬‬
‫(‪ )1‬מסילת שיגור‬
‫(‪ )2‬שני כדורי פלדה שקוטרם כ‪.1.6cm -‬‬
‫(‪ )3‬גולת זכוכית בעלת קוטר השווה בקירוב לקוטר כדור הפלדה‪.‬‬
‫(‪ )4‬אנך בנאים‪.‬‬
‫(‪ )5‬כליבה‪.‬‬
‫(‪ )6‬גליון נייר לבן שממדיו הם כ‪.50cmx50cm -‬‬
‫(‪ )7‬ניירות פחם בגודל כולל של כ‪.50cmx50cm -‬‬
‫(‪ )8‬סרגל שאורכו ‪.1m‬‬
‫(‪ )9‬עפרונות או טושים בצבעים שונים‪.‬‬
‫(‪ )10‬סרט הדבקה‪.‬‬
‫הרכבת מערכת הניסוי‬
‫א‪ .‬העמד את המסילה כך שהקצה התחתון שלה יהיה סמוך לשפת שולחן אופקי‪,‬‬
‫והדק אותה לשולחן באמצעות כליבה‪ ,‬כמתואר בתרשים ‪.1‬‬
‫בקצה התחתון של המסילה מותקנת זרוע קטנה‪ ,‬עם בורג בקצה הקדמי שלה‪ .‬במהלך‬
‫הניסוי שיתואר בהמשך‪ ,‬תציב על בורג זה כדור‪ ,‬שיכונה כדור המטרה‪ .‬מראש‬
‫המסילה תשחרר כדור אחר‪ ,‬שיכונה כדור הפגיעה‪ .‬כדור הפגיעה ינוע לאורך‬
‫המסילה‪ ,‬יפגע בכדור המטרה‪ ,‬ושני הכדורים יזרקו אופקית‪ ,‬ויפגעו ברצפה‪.‬‬
‫ב‪ .‬כוון את הזרוע בכיוון המסילה‪ .‬שחרר כדור פלדה מראש המסילה; אם הכדור‬
‫פוגע בבורג – הורד מעט את הבורג‪ .‬חזור על פעולות אלה עד שהכדור לא יפגע‬
‫בבורג‪ ,‬אלא יעבור ממש מעל ראשו‪ .‬אם בשחרור הראשון הכדור איננו פוגע‬
‫בבורג‪ ,‬ייתכן כי הבורג נמוך מדי‪ .‬לכן סובב אותו כך שהוא יעלה‪ ,‬ובצע את‬
‫הפעולות המפורטות בתחילת פיסקה זו (פסקה ב')‪ .‬ג‪.‬‬
‫השחל את החוט של אנך הבנאים לחור הנמצא בבורג המשמש כציר להזזת‬
‫הזרוע‪ .‬התאם את אורך החוט כך שהקצה התחתון של המשקולת ימצא סמוך‬
‫לרצפה‪.‬‬
‫‪-‬‬
‫‪-4‬‬
‫שימור תנע בהתנגשות דו ממדית‬
‫ניסוי חובה‬
‫ד‪ .‬הנח על הרצפה את נייר הפחם כך שהצד עם הפח יהיה כלפי מעלה‪,‬‬
‫והמשקולת עם אנך הבנאים תמצא בקירוב מעל אמצע הצלע של גליון נייר‬
‫הפחם‪ ,‬כמתואר בתרשים ‪ .2‬ה‪.‬‬
‫הנח את גליון הנייר הלבן על נייר הפחם‪ ,‬והדבק אותו באמצעות סרט‬
‫הדבקה‪ .‬ו‪.‬‬
‫סמן על הנייר הלבן את הנקודה הנמצאת בדיוק מתחת לאנך הבנאים ורשום‬
‫לידה את האות ‪.O‬‬
‫חלק א' – התנגשות בין כדורים שווי מסה‬
‫רעיון הניסוי‬
‫‪ .1‬קובעים נקודה על המסילה שממנה משחררים במהלך כל ניסוי את כדור הפגיעה (למשל את הקצה העליון של‬
‫המסילה)‪ ,‬ומשחררים את כדור הפגיעה (בשלב זה ללא כדור המטרה)‪ .‬הכדור ינוע לאורך המסילה ובסופו של דבר יפגע‬
‫בנייר הלבן‪ ,‬כשהוא מותיר סימן בנקודת הפגיעה שתצויין ב‪ .O' -‬נציין את החץ מנקודה ‪ O‬לנקודה '‪ O‬ב‪ , R 1 -‬כמתואר‬
‫בתרשים ‪.3‬‬
‫‪ .2‬מסובבים את הזרוע בזווית לא גדולה‪ ,‬ומניחים את אחד משני כדורי הפלדה על הבורג‪ .‬משחררים את כדור הפלדה‬
‫האחר בדיוק מהנקודה ששיחררנו אותו בפעם הקודמת‪ .‬לאחר שכדור הפגיעה יפגע בכדור המטרה‪ ,‬שני כדורים יזרקו‬
‫אופקית‪ ,‬יפגעו בנייר הלבן ויסמנו עליו נקודות‪ .‬נציין חץ מנקודה ‪ O‬לנקודה שבה פגע כדור הפגיעה ב‪ , r1 -‬ואת החץ‬
‫מנקודה ‪ O‬לנקודת הפגיעה בנייר הלבן של כדור המטרה ב‪ . r 2 -‬שני חצים אלה מתוארים בתרשים ‪.3‬‬
‫‪-‬‬
‫‪-5‬‬
‫שימור תנע בהתנגשות דו ממדית‬
‫ניסוי חובה‬
‫‪ v 1 .3‬היא מהירות כדור הפגיעה מיד לפני ההתנגשות עם כדור המטרה (או מהירות כדור הפגיעה בקצה המסילה‪ ,‬במצב‬
‫בו לא הוצב כדור המטרה על הבורג)‪ u 1 .‬ו‪ u 2-‬הן בהתאמה מהירויות כדור הפגיעה וכדור המטרה מיד לאחר‬
‫ההתנגשות‪.‬‬
‫מדוע המהירויות‬
‫‪1‬‬
‫‪ u 1, v‬ו‪-‬‬
‫‪ .4‬א‪ .‬מדוע כיווני הוקטורים‬
‫המתאימים)?‬
‫‪2‬‬
‫‪1‬‬
‫‪u‬‬
‫אופקיות? באיזה מישור נמצאים הכדורים כאשר מהירויותיהם הן‬
‫‪ r1 , R‬ו‪-‬‬
‫‪r2‬‬
‫שווים בהתאמה לכיווני המהירויות ‪, v 1‬‬
‫‪u1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪ u 1, v‬ו‪-‬‬
‫‪2‬‬
‫‪?u‬‬
‫ו‪( u 2 -‬ולכן גם לכיווני התנעים‬
‫ב‪ .‬הראה כי הוקטורים ‪ r1 , R 1‬ו‪ r2 -‬פרופורציוניים בהתאמה למהירויות ‪ u 1 , v 1‬ו‪ , u 2 -‬עם אותו מקדם פרופורציה‪.‬‬
‫‪.5‬‬
‫נסמן ב‪ m -‬מסת כדור‪ .‬הראה כי התנע הכולל של מערכת שני הכדורים נשמר‪:‬‬
‫‪mu mu‬‬
‫‪2‬‬
‫אם ורק אם‪:‬‬
‫‪R 1 r  r 2‬‬
‫‪1‬‬
‫‪mv‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫ביצוע הניסוי (כדורים שווי מסה)‬
‫‪ .6‬שחרר את כדור הפגיעה (בשלב זה ללא כדור מטרה)‪ .‬הכדור יתגלגל על המסילה ובסופו של דבר יפגע בנייר הלבן‪,‬‬
‫כשהוא מותיר סימן בנקודת הפגיעה (הסימן נוצר על ידי נייר הפחם)‪.‬‬
‫‪ .7‬שחרר מספר פעמים נוספות את כדור הפגיעה (ללא כדור מטרה)‪ .‬שים לב שהכדור אינו פוגע בדיוק באותה נקודה‪,‬‬
‫למרות שלכאורה חזרת בדייקנות על שחרור הכדור‪ .‬סמן‪ ,‬בעיפרון צבעוני‪ ,‬נקודה המציינת בצורה טובה את מיקבץ‬
‫נקודות הפגיעה סמן אותה ב‪ .O' -‬שרטט‪ ,‬על הנייר הלבן‪ ,‬חץ מהנקודה ‪ O‬עד הנקודה '‪ .O‬סמן את החץ ב‪. R 1 -‬‬
‫‪ .8‬סובב את הזרוע בזווית לא גדולה‪.‬‬
‫‪ .9‬במצב שבו זווית הזרוע קבועה‪ ,‬הנח מספר פעמים את כדור המטרה על הבורג‪ ,‬ובכל פעם שחרר את כדור הפגיעה‪ .‬גם‬
‫הפעם הכדורים אינם פוגעים בכל הפעמים בדיוק באותן נקודות‪ .‬בכל אחד משני מקבצי הנקודות‪ ,‬סמן סמן בעיפרון‬
‫צבעוני נקודה המציינת בצורה הטובה ביותר את מיקבץ נקודות הפגיעה‪ .‬שרטט‪ ,‬על הנייר הלבן‪ ,‬שני חצים – כל אחד‬
‫מהנקודה ‪ O‬עד הנקודה שקבעת במיקבץ‪ .‬סמן את החץ לנקודת הפגיעה של כדור הפגיעה ב‪ , r 1 -‬וב‪ r 2 -‬סמן את החץ‬
‫לנקודת הפגיעה של כדור המטרה‪ ,‬לאחר שהחסרת מאורכו קטע השווה לקוטר הכדור (כמוסבר בתרשים ‪.)4‬‬
‫‪ .10‬שנה מספר פעמים את הזווית של הזרוע‪ ,‬ולכל זווית בצע את ההוראה בסעיף ‪ 9‬לעיל‪ .‬לכל ניסוי השתמש בצבע אחר‬
‫לסימון החצים‪.‬‬
‫‪-‬‬
‫‪-6‬‬
‫שימור תנע בהתנגשות דו ממדית‬
‫ניסוי חובה‬
‫ניתוח ממצאי הניסוי‪ ,‬והסקת מסקנות (כדורים שווי מסה)‬
‫‪ .11‬הראה כי התנע הכולל של שני הכדורים מיד לפני ההתנגשות שווה לתנע הכולל שלהם מיד לאחר ההתנגשות‪.‬‬
‫‪ .12‬נסח את חוק שימור התנע (התייחס גם לתנאים שבהם הוא מתקיים)‪.‬‬
‫שאלות‬
‫‪.13‬‬
‫‪.14‬‬
‫‪.15‬‬
‫‪.16‬‬
‫מדוד באמצעות סרגל את האורכים של ‪ r1 , R 1‬ו‪ . r2 -‬האם האורך של החץ הראשון שווה לסכום האורכים של שני‬
‫החצים האחרים? הסבר‪.‬‬
‫ציין מקורות אפשריים לשגיאה‪.‬‬
‫האם התנע של אחד הכדורים‪ ,‬מיד לאחר ההתנגשות עם הכדור האחר‪ ,‬שווה לתנע שלו כהרף עין לפני פגיעתו בנייר‬
‫הלבן? נמק‪.‬‬
‫האם כדור המטרה וכדור הפגיעה פגעו בנייר הלבן בו זמנית? הסבר‪ ,‬ובחן באופן מעשי‪.‬‬
‫חלק ב' – התנגשות בין כדורים שוני מסה‬
‫בחלק זה של הניסוי כדור המטרה יהיה גולת זכוכית‪ .‬כדור הפגיעה יהיה כדור פלדה‪ ,‬כמו בחלק א' של הניסוי‪.‬‬
‫רעיון הניסוי‬
‫רעיון הניסוי בחלק ב' דומה מאוד לזה שבחלק א'‪ ,‬אלא שהפעם מסות הכדורים שונות‪.‬‬
‫אם התנע נשמר בהתנגשות‪ ,‬אזי צריך להתקיים‪m 1 v 1  m1 u1  m2 u2 :‬‬
‫כאשר‪ – m1 :‬מסת כדור הפלדה‪ ,‬ו‪ – m2 :‬מסת גולת‬
‫הזכוכית‪.‬‬
‫לכן‪ ,‬נקבל כי‪:‬‬
‫‪m 1R 1‬‬
‫‪m r  m2 r2‬‬
‫‪1 1‬‬
‫נחלק את המשוואה במסת כדור הפגיעה ונקבל‪:‬‬
‫‪m2‬‬
‫‪‬‬
‫‪r2‬‬
‫‪m1‬‬
‫‪r‬‬
‫‪1‬‬
‫‪R .1‬‬
‫מכאן‪ ,‬שאם נרצה להראות שהתנע הכולל של שני הכדורים נשמר‪ ,‬נצפה שהקשר לעיל מתקיים‪.‬‬
‫ביצוע הניסוי‬
‫מדוד את מסת גולת הזכוכית ‪ ,m2‬ואת מסת כדור הפלדה‬
‫‪.91‬‬
‫‪.m1‬‬
‫‪ .22‬חזור על סעיפים (‪ ,)9( – )6‬אך קבע את החץ ‪ , r 2‬כך ‪ :‬סמן ב‪ r  -‬את החץ שזנבו בנקודה ‪ O‬וראשו בנקודה המייצגת את‬
‫‪2‬‬
‫נקודות הפגיעה של גולת הזכוכית‪ .‬כיוונו של החץ‬
‫‪2‬‬
‫‪r ‬‬
‫‪m2‬‬
‫‪ r 2‬יהיה ‪ r2‬ואורכו יהיה‪:‬‬
‫ככיוון‬
‫‪r 2 ‬‬
‫‪m1‬‬
‫‪‬‬
‫ניתוח הממצאים והסקת מסקנות (כדורים שוני מסה)‬
‫‪ .21‬הראה כי התנע הכולל של כדור הפלדה וגולת הזכוכית מיד לפני ההתנגשות שווה לתנע הכולל שלהם מיד לאחר‬
‫ההתנגשות‪.‬‬
‫‪-‬‬
‫‪-7‬‬
Download