مختبر الكتل والنوابض – الاهتزاز والطاقة

ماذا تعرض

عندما تُعلَّق كتلة m بنابض ثابته k يستطيل النابض حتى تتوازن قوته مع الوزن، أي k·s = m·g. وإذا أُزيحت الكتلة عن موضع الاتزان ثم تُركت، اهتزت حركة توافقية بسيطة زمنها الدوري T = 2π√(m/k)، فلا يعتمد على g ولا على السعة. وفي أثناء الاهتزاز تتحول الطاقة باستمرار بين الطاقة الحركية وطاقة الوضع الثقالية وطاقة الوضع المرونية، ويبقى مجموعها ثابتًا ما دام التخميد منعدمًا. أما مع التخميد فتتناقص السعة ويتحول جزء من الطاقة الميكانيكية إلى حرارة. وفي المختبر تكشف استطالة الاتزان أو الزمن الدوري لنابض معلوم الثابت عن كتلة جسم مجهول.

طريقة الاستخدام

ابدأ في شاشة «مقدمة»: غيّر «ثابت النابض k» و«الكتلة m»، وفعّل «مسطرة» و«ساعة إيقاف» لقياس الاستطالة والزمن الدوري. في شاشة «المتجهات» فعّل «الوزن (أحمر)» و«قوة النابض (برتقالي)» ولاحظ متى تتساويان. في شاشة «الطاقة» زد «التخميد b» وراقب أعمدة الطاقة، ثم اضغط «تصفير الحرارة». وفي شاشة «المختبر» اسحب «الجسم X» إلى «النابض A»، واقرأ الاستطالة، ثم أدخل الكتلة التي حسبتها واضغط «تحقق».

المعاملات القابلة للتغيير

• الشاشة مقدمة, المتجهات, الطاقة, المختبر
• ثابت النابض 5–30 N/m
• الكتلة 0.05–0.5 kg
• معامل التخميد 0–3 N·s/m
• الجاذبية (المختبر) الأرض, القمر, المشتري, الكوكب X

أسئلة للاستكشاف

1. إذا ضاعفت الكتلة المعلقة بالنابض نفسه، فكم مرة يزداد الزمن الدوري؟
2. لماذا لا يتغير الزمن الدوري لنظام الكتلة والنابض عند نقله من الأرض إلى القمر بينما تتغير استطالة الاتزان؟
3. أين تذهب الطاقة الميكانيكية عندما تتناقص سعة الاهتزاز بسبب التخميد؟