2013年8月11日 星期日

用IKEA木製小火車做功能轉換實驗

家裡面如果有小朋友而且喜歡IKEA的人,可能都會買一些這種木頭小火車放在家裡。我之前也買了兩三組放家裡給小朋友玩。


這組有斜坡的剛好可用來作實驗。



很多年前在NHK有看到一個實驗,就是用一個軌道斜坡,放一個小滑車從坡道上滑下去碰撞到物體後,將物體向前推。由於摩擦力的關係,滑車和物體會煞停。那麼滑車所在的高度和滑車重量就會影響煞停的距離。

用物理的術語來說,就是滑車高度越高或質量越大,滑車的位能就越大。滑車向下滑的時候,位能會釋放轉成動能,滑到底部時,撞到物體,動能又被摩擦力做的負功拿走直到速度降低到0為止。

前兩天又看到阿簡po了類似的東西,於是就想把這個實驗在家裡做一下,也做成記錄。

這個實驗前兩年有在學校進行相關課程的時候做過一次,但是準確度不太夠。定性說明一下可以,如果要做出數據用定量分析,數據就不夠漂亮了。

STEP1. 將木塊放到起點,並把尺的0切齊木塊。


STEP2.將滑車拿到指定高度的位置(事先量好)然後釋放...

STEP3.滑車會撞到木塊,並將木塊往前推後煞停

STEP4.量一下木塊往前走了多少?
STEP5.同樣高度的實驗,重複做至少三次。取平均。

STEP6.改變不同的高度,重複做實驗取得數據

數據如下:


高度(cm)
第1次(cm)
第2次(cm)
第3次(cm)
撞擊平均距離(cm)
標準差
2.7
1.5
1.6
1.5
1.5
0.058
5.4
3.3
3.4
3.5
3.4
0.100
8.3
4.5
4.6
4.5
4.5
0.058
10.5
5.5
5.5
5.3
5.4
0.115


從數據可以看到,標準差不算太大,以國中實驗來說,尚可接受。所以就來分析一下趨勢,作圖囉。(居然可以直接從numbers copy圖過來貼,blogger會不會太方便了?)


可以看到,R^2不太好,只有0.98而已。另外我也還沒想清楚截距的意思。所以說如果這實驗拿來觀察定性關係還ok,要做定量分析的話,可能還是太複雜或太勉強了點。

接著我們來使用Video Physics這套軟體來分析看看。由於需要拍攝,所以就請到鄭小軒同學來當做實驗助理。攝影完畢後,就打開Video Physics,把影片匯入。選擇左邊的:analyze a Video。



接著在火車上找一個清楚的指標(其實有點難,因為速度越快車子越糊),每一個要分析的瞬間(1/30秒)都點下去,標出滑車的位置。

看到那些藍點了嗎?就是標示的點。

標示完畢後,就直接幫你把點的位置-時間關係圖和速度-時間關係圖分析出來囉:

可以看到一開始加速還蠻明顯的,後來就沒那麼明顯(不知道是不是我標示點的不夠好),當然這邊的加速度會不穩定是正常的,因為軌道的坡度一直變。(緩、陡、緩、陡、緩)理論上可以在v-t看到這樣的變化,但是似乎時間太短,拍攝到的畫面太模糊,所以不太容易標示)

大約在2.3秒多一點的地方發生碰撞,速度瞬間降低。但是這邊的v-t圖也不是直線下降,而是漸趨平緩,是不是過程中摩擦力有變呢?

詳細的數據目前無法取得,因為從Video Physics輸出的資料是cmpl的格式,目前還不知道用什麼程式可以開?或者只能有Vernier公司出的另一個APP來讀呢?(詳情)

OK,總之我覺得這個木頭小火車,還蠻適合用來作功能轉換這實驗的一些定性


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