III ETAP EDUKACYJNY
Temat: Czy wahadło to huśtawka dla fizyków?
TREŚCI KSZTAŁCENIA:
Fizyka, 6.1: uczeń opisuje ruch wahadła matematycznego i ciężarka na sprężynie oraz analizuje przemiany energii w tych ruchach.
Informatyka, 6.1: uczeń wykorzystuje programy komputerowe, w tym edukacyjne, wspomagające i wzbogacające naukę różnych przedmiotów.
CELE ZOPERACJONALIZOWANE:
Uczeń:
wie, jak okres wahadła matematycznego zależy od jego długości.
wie, na czym polega izochronizm wahadła.
rozumie, co należy zrobić, aby wyregulować zegar wahadłowy, który się opóźnia lub spieszy.
NABYWANE UMIEJĘTNOŚCI:
Uczeń:
pogłębia wiedzę na temat zjawiska ruchu drgającego.
poznaje pojęcia: wahadło matematyczne, izochronizm wahadła.
umie doświadczalnie wyznaczyć okres wahadła.
szuka wzajemnej zależności między wielkościami charakteryzującymi ruch drgający.
opisuje ruch wahadła matematycznego i ciężarka na sprężynie oraz analizuje przemiany energii w tych ruchach.
posługuje się pojęciami amplitudy drgań, okresu, częstotliwości do opisu drgań, wskazuje położenie równowagi oraz odczytuje amplitudę i okres z wykresu x(t) dla drgającego ciała.
umie właściwie obserwować, poprawnie odczytywać dane i dokonywać obliczenia matematyczne.
umie poprawnie korzystać z komputera.
dostrzega konieczność korzystania z komputera na lekcjach fizyki.
umie wyciągnąć wnioski z obserwacji.
projektuje lub efektywnie wykorzystuje podany prosty arkusz kalkulacyjny.
wprowadza dane do arkusza kalkulacyjnego.
formatuje zawartość komórek arkusza.
wykonuje proste wykresy za pomocą arkusza kalkulacyjnego.
drukuje wykonany przez siebie arkusz.
zapisuje pliki w wyznaczonym miejscu.
nabywa umiejętności samodzielnej pracy, obserwacji zjawisk fizycznych, stawiania pytań i poszukiwania odpowiedzi na nie.
potrafi zainstalować program użytkowy i znaleźć instrukcje dotyczące jego obsługi.
Etapy lekcji
Przedmiot nauczania
Kompetencje kluczowe
Przebieg zajęć Środki
dydaktyczne
Metody nauczania
Formy pracy
Etap wstępny
Fizyka Porozumiewanie się w języku ojczystym;
myślenie matematyczne i podstawowe kompetencje
naukowo-techniczne;
umiejętność uczenia się
Pogadanka na temat obserwacji i doświadczeń uczniów z życia codziennego dotyczących wiedzy o ciałach drgających, wahadłach.
Nauczyciel stara się sprawdzić, co uczniowie już wiedzą o pojęciach: okres, częstotliwość.
Dyskusja Problemowa:
aktywizująca
Zbiorowa, jednolita
Etap realizacji
Fizyka Porozumiewanie się w języku ojczystym;
myślenie matematyczne i podstawowe kompetencje
naukowo-techniczne;
umiejętność uczenia się
Przypomnienie wiadomości na temat:
- pojęć takich jak okres drgań, częstotliwość drgań, amplituda drgań,
- przekazanie wzorów dotyczących wahadła.
Notatki z
poprzednich zajęć
Podająca:
wykład informacyjny
Zbiorowa, jednolita
Fizyka Myślenie Przeprowadzenie doświadczeń: Ćwiczenie Praktyczna: Grupowa,
matematyczne i podstawowe kompetencje
naukowo-techniczne;
umiejętność uczenia się
- Na wstępie nauczyciel realizuje wraz z uczniami Doświadczenie dla całej klasy, zgodnie z opisem zawartym w zasobie QWE04202.
Następnie dzieli klasę na 4 grupy, które realizują doświadczenia zgodnie z opisem zawartym w zasobie QWE04202 dla każdej grupy oraz QWE04203 (Arkusz kalkulacyjny). Każda grupa ma swojego lidera.
Po dokonanej (moderowanej przez nauczyciela) prezentacji wyników prac przez liderów 4 grup nauczyciel dokonuje podsumowania na temat poznanych w ćwiczeniach zjawisk oraz ich wyjaśnienia.
„Wahadło na stole doświadczalnym gimnazjalisty”, Karty Pracy (Załącznik nr 3.)
ćwiczenia zróżnicowana
Fizyka Porozumiewanie się w języku ojczystym;
myślenie
Nauczyciel omawia i tłumaczy uczniom przemiany energii w ruchu wahadła
Tablica Podająca:
wykład
Zbiorowa, jednolita
matematyczne i podstawowe kompetencje
naukowo-techniczne;
umiejętność uczenia się
matematycznego i ciężarka na sprężynie.
informacyjny
Fizyka Myślenie matematyczne i podstawowe kompetencje
naukowo-techniczne;
umiejętność uczenia się
Arkusz kalkulacyjny:
- nauczyciel przedstawia schemat wykonania arkusza kalkulacyjnego i prosi uczniów o postępowanie zgodne z jego wskazówkami albo nauczyciel udostępnia uczniom arkusz kalkulacyjny i prosi o wprowadzenie danych zgodnie z poleceniami oraz wzorami tabelek danych, zawartymi przy każdym doświadczeniu, opisanym w zasobie nr QWE04202.
Celem pracy uczniów jest wprowadzenie danych do arkusza kalkulacyjnego a
Arkusz kalkulacyjny
„Wahadło w Excelu”,
Eksponująca:
pokaz połączony z przeżyciem
Zbiorowa, jednolita
następnie obliczenie
właściwych zależności. Jest to także pomoc do wyciągnięcia właściwych wniosków z przeprowadzonych doświadczeń
Dane wejściowe do wykonania arkusza oraz opcjonalnie do wytworzenia wykresu będą wynikały z konkretnych pomiarów w każdym doświadczeniu opisanym w zasobie nr QWE04202.
Etap końcowy
Fizyka Myślenie matematyczne i podstawowe kompetencje
naukowo-techniczne;
umiejętność uczenia się
Podsumowanie lekcji.
Nauczyciel podsumowuje poznane wiadomości temat wzorów zależności
występujących w badaniu wahadła oraz ciała drgającego., w szczególności:
- przemiany energii w ruchu ciężarka na sprężynie oraz
Podająca:
pogadanka
Zbiorowa, jednolita
- przemiany energii ruchu wahadła.
ZAŁĄCZNIK NR 3. – KARTY PRACY
Karta pracy Doświadczenia wstępnego przeprowadzonego dla całej klasy
CEL Doświadczenia: badanie wpływu długości wahadła na jego częstotliwość drgań
Wszyscy uczniowie obserwują to ćwiczenie. Wykonuje je mała grupa osób chętnych lub wskazanych przez nauczyciela.
Materiały: Butelka plastikowa pojemności ok. 2 l , przezroczysta z nakrętką, statyw szkolny z wysięgnikiem, mocny cienki sznurek, suchy, drobny piasek, duży – długi arkusz papieru np. sklejone ze sobą krótszymi bokami 3 arkusze formatu A-3. Może być szeroka wstęga papieru perforowanego do drukarek igłowych. Opcjonalnie do wykorzystania: drukarka igłowa – na szeroki papier
perforowany, która posłuży do równomiernego przesuwania papieru po stole. Stół do doświadczeń.
Wykonanie:
1. Odkręcamy nakrętkę od butelki i robimy w niej niewielki otwór. Trzeba użyć ostrego narzędzia, szpikulca lub gwoździa i młotka, więc robimy to koniecznie z pomocą i pod nadzorem nauczyciela.
2. W dnie butelki wykonujemy 2 otwory, przez które przeciągniemy sznurek, za który powiesimy butelkę na wysięgniku statywu.
3. Do butelki wsypujemy suchy i drobny piasek do ok. połowy wysokości, zakręcamy butelkę nakrętką z otworkiem. Sprawdzamy, czy po ustawieniu butelki nakrętką w dół, piasek wysypuje się z butelki miarowo i jednostajnie.
4. Wieszamy butelkę na statywie do góry dnem tak, aby mogła się swobodnie poruszać ruchem wahadłowym.
5. Poniżej butelki, na stole, kładziemy papier. (Patrz Rys. 1 doświadczenie Nr 1.)
6. Ręką wprawiamy butelkę w ruch wahadłowy (ruszając butelką ale tak, aby jej koniec nie wychodził z żadnej strony poza papier, czyli żeby ruch obejmował niemal całą szerokość papieru), teraz mamy dwie możliwości przesuwania papieru:
a) inna osoba przesuwa powoli ale równomiernie, ruchem jednostajnym prostoliniowym papier po płaszczyźnie stołu, prostopadle do ruchu butelki, wzdłuż długiego boku stołu, a butelka wahając się nad papierem kreśli na nim linie, b) włączamy przesuw papieru w panelu sterującym drukarki, przytrzymując właściwy przycisk tak, aby papier przesuwał się
w sposób ciągły, a butelka wahając się nad papierem kreśli na nim linie.
7. Po ok. 4 sek. zatrzymujemy przesuwający się papier (osoba przestaje go przesuwać, lub osoba puszcza trzymany na drukarce przycisk przesuwu papieru), po czym odwracamy butelkę nakrętką w górę, aby przestał się z niej sypać piasek.
8. Wskazujemy na papierze oraz mierzymy: amplitudę oraz okres drgań, wyniki zapisujemy na tablicy rysując obraz powstałej sinusoidy i opisując jej amplitudę oraz okres.
9. Powtarzamy pomiar, zachowując taką sama amplitudę (na szerokość papieru) jednak tym razem skracamy długość sznurka o połowę.
10. Wskazujemy oraz mierzymy: amplitudę oraz okres drgań, wyniki zapisujemy na tablicy szkolnej rysując obraz powstałej sinusoidy i opisując jej amplitudę oraz okres.
11. Tabela wyników (rysowana jest na tablicy):
Pomiar nr Amplituda A
Długość wahadła l
Okres T [s]
Częstotliwość F [Hz]
1
2
Rys. 1 doświadczenie Nr 1 Karta pracy GRUPY Nr 1
CEL Doświadczenia: Czy okres i częstotliwość drgań wahadła zależą od jego długości?
Materiały: trzy jednakowe wahadła (np. ciężarki) o długościach razem z nićmi: 0,25 m, 1 m, 2,25 m, stopery (np. z telefonów komórkowych), statyw z wysięgnikiem, komputer, arkusz kalkulacyjny MS Excel, cienka mocna nić.
Wykonanie:
1. Przygotowujemy stopery.
2. Wieszamy pierwsze wahadło na wysięgniku.
3. Odchylamy nieco ciężarek wahadła od pionu.
3. Mierzymy czas od momentu puszczenia ciężarka do wykonania przez niego 10 pełnych wahnięć, po czym powtarzamy pomiar po raz drugi, odchylając tak samo ciężarek od pionu.
4. Wyniki pomiarów notujemy w tabeli arkusza MS Excel.
5. Powtarzamy pomiary dla dwóch pozostałych wahadeł (o długości: 1m oraz 2,25 m).
6. Uzyskane dla dwóch pozostałych wahadeł wyniki wpisujemy do arkusza Excel, który wykonuje odpowiednie obliczenia. Uzyskane wyniki czasów zaokrąglamy do 0,1 s. Wnioski zapisujemy na karcie pracy grupy.
7. Lider grupy przygotowuje się do zrelacjonowania efektów pracy grupy na forum klasy.
Tabela pomiarów. Tabela będzie wykonywana w arkuszu kalkulacyjnym MS Excel
Długość wahadła
(m)
Czas 10 wahnięć (s)
Czas 10 wahnięć
(s)
Średni czas 10 wahnięć
(s)
Okres drgań (s)
Częstotliwość drgań
(Hz)
X pomiar 1 pomiar 2
X X X
0,25 1 2,25
8. Wnioski dotyczące:
a.) okresu drgań:
... ... ... ... ...
b.) częstotliwości drgań:
... ... ... ... ... ... ...
Karta pracy GRUPY Nr 2
CEL Doświadczenia: Czy okres i częstotliwość drgań wahadła zależą od jego kąta wychylenia?
Materiały: wahadło o długości np. 1 m, stopery (np. z telefonów komórkowych), statyw z wysięgnikiem, komputer, arkusz kalkulacyjny MS Excel, cienka mocna nić, ciężarek o masie ok. 100g.
Wykonanie:
1 Przygotowujemy stopery.
2. Wieszamy pierwsze wahadło na wysięgniku.
3. Odchylamy nieco ciężarek wahadła od pionu (ok. 7°).
4. Mierzymy czas od momentu puszczenia ciężarka do wykonania przez niego 10 pełnych wahnięć, po czym powtarzamy pomiar po raz drugi, odchylając tak samo ciężarek od pionu.
5. Wyniki pomiarów notujemy w tabeli arkusza Excel.
6. Powtarzamy pomiary dla dwóch innych wychyleń ciężarka, lecz koniecznie różnych od poprzedniego wychylenia (kąty wychylenia w kolejnych pomiarach powinny być coraz większe (np. 40°,60°).
7. Uzyskane dla dwóch pozostałych wychyleń wyniki wpisujemy do arkusza MS Excel, który wykonuje odpowiednie obliczenia. Uzyskane wyniki czasów zaokrąglamy do 0,1 s. Wnioski zapisujemy na karcie pracy grupy.
Lider grupy przygotowuje się do zrelacjonowania efektów pracy grupy na forum klasy.
Tabela pomiarów.
Tabela będzie wykonywana w arkuszu kalkulacyjnym MS Excel.
Kąt wychylenia
(°)
Czas 10 wahnięć (s)
Czas 10 wahnięć
(s)
Średni czas 10 wahnięć
(s)
Okres drgań (s)
Częstotliwość drgań
(Hz)
X pomiar 1 pomiar 2
X X X
ok. 7°
ok. 40°
ok. 60°
8. Wnioski dotyczące:
a.) okresu drgań:
...
b.) częstotliwości drgań:
...
Karta pracy GRUPY Nr 3
CEL Doświadczenia: Czy okres i częstotliwość drgań wahadła zależą od jego masy?
Materiały: wahadło o długości np. 1 m, stopery (np. z telefonów komórkowych), plastelina, komputer, arkusz kalkulacyjny MS Excel, cienka mocna nić, ciężarek o masie 50g, plastelina, statyw z wysięgnikiem.
Wykonanie:
1 Przygotowujemy stopery.
2. Wieszamy wahadło na wysięgniku.
3. Odchylamy nieco ciężarek wahadła od pionu.
4. Mierzymy czas od momentu puszczenia ciężarka do wykonania przez niego 10 pełnych wahnięć, po czym powtarzamy pomiar po raz drugi, odchylając tak samo ciężarek od pionu.
5. Wyniki pomiarów notujemy w tabeli arkusza MS Excel.
6. Wymieniamy ciężarek na małą kulkę plasteliny (o masie mniejszej niż masa ciężarka).
7. Nie zmieniając długości wahadła, odchylamy nieco kulkę i zmierzymy czas jej 10 wahnięć.
8. Wyniki pomiaru zanotujcie w tabeli.
9. Wpisujemy dane do arkusza MS Excel, który wykonuje odpowiednie obliczenia. Uzyskane wyniki czasów zaokrąglamy do 0,1 s. Wnioski zapisujemy na karcie pracy grupy.
Lider grupy przygotowuje się do zrelacjonowania efektów pracy grupy na forum klasy.
Tabela pomiarów. Tabela będzie wykonywana w arkuszu kalkulacyjnym MS Excel.
Ciało zawieszone na nici
Czas 10 wahnięć (s)
Czas 10 wahnięć
(s)
Średni czas 10 wahnięć
(s)
Okres drgań (s)
Częstotliwość drgań
(Hz)
X pomiar 1 pomiar 2
X X X
Ciężarek o
masie 50 g Mała kulka plasteliny 10. Wnioski
a.) Dotyczący okresu drgań:
...
b.) Dotyczący częstotliwości:
...
Karta pracy GRUPY Nr 4
CEL Doświadczenia: Czy okres i częstotliwość drgań ciała zawieszonego na sprężynie zależą od amplitudy drgań?
Materiały:
- statyw z wysięgnikiem, sprężyna, stopery, nierozciągliwa nitka, ciężarki, arkusz kalkulacyjny MS Excel.
Wykonanie:
1. Na wysięgniku statywu wieszamy sprężynę.
2. Na sprężynie wieszamy ciężarek.
3. Trzymając ciężarek, rozciągamy nieco sprężynę (2-3 cm) i mierzymy czas dla ilości n = 10.pełnych drgań.
4. Wpisujemy dane do arkusza Excel, który wykonuje odpowiednie obliczenia. Uzyskane wyniki czasów zaokrąglamy do 0,1 s.
5. Powtarzamy doświadczenie zwiększając wychylenie ciężarka (5-6 cm).
6. Wpisujemy dane do arkusza Excel, który wykonuje odpowiednie obliczenia. Uzyskane wyniki czasów zaokrąglamy do 0,1 s. Wnioski zapisujemy na karcie pracy grupy.
Lider grupy przygotowuje się do zrelacjonowania efektów pracy grupy na forum klasy.
Tabela pomiarów. Tabela będzie wykonywana w arkuszu kalkulacyjnym MS Excel.
Pomiar Liczba drgań n Czas drgań t [s]
Okres drgań T [s]
Częstotliwość drgań f [Hz]
rozciągamy nieco sprężynę (2-3 cm)
10
rozciągamy nieco sprężynę (5-6 cm)
10
7. Wnioski
a.) Dotyczący okresu drgań:
... Okres drgań ciała na sprężynie nie zależy od amplitudy drgań: ………..
b.) Dotyczący częstotliwości:
... Częstotliwość ciała na sprężynie nie zależy od amplitudy drgań...
