Implementation of Scientific Method in 

Treatment Theme Accelerated Motion

 

- Final paper - 

 

 
 
 
 
 

 

 

 
 

 
 
Mentor:   

 

 

 

 

 

Student: 

Ph. D. Dušanka Obadović, full prof.

 

 

Zouhor Zekri 

 
 
 

 

 

Novi Sad, 2012 

UNIVERSITY OF NOVI SAD 

FACULTY OF SCIENCES  

DEPARTMENT OF PHYSICS 

 

 

Contents 

1. Introduction ...................................................................................................................... 3

 

2. Theory of accelerated motion .......................................................................................... 4

 

2.2. Theory of accelerated motion .................................................................................... 4

 

Uniformly accelerated motion ....................................................................................... 5

 

3. Methodology .................................................................................................................... 7

 

4. Historiographical background .......................................................................................... 9

 

2.3. Galileo's contribution ............................................................................................... 11

 

2.3.1. Galileo Galilei .................................................................................................... 11

 

2.3.2. Galileo's Falling Bodies Experiment.................................................................. 14

 

2.3.3. Galileo's Inclined Plane Experiment.................................................................. 15

 

Introduction of the experiment .................................................................................... 17

 

The Oldenburg version of the inclined plane .............................................................. 17

 

Time measurement ..................................................................................................... 18

 

2.3.1. Scientific Method in Galileo's Acceleration Experiment .................................... 20

 

Summarizing Aristotle's View ...................................................................................... 20

 

Two New Sciences ..................................................................................................... 20

 

Naturally Accelerated Motion ...................................................................................... 21

 

Galileo's Acceleration Hypothesis ............................................................................... 21

 

Slowing Down the Motion ........................................................................................... 22

 

Galileo's Acceleration Experiment .............................................................................. 23

 

The Atwood Machine .................................................................................................. 23

 

5. »Hands-on« experiments and how they will be connected with scientific method ......... 25

 

3.1. Falling objects ......................................................................................................... 25

 

3.2. Brachistochronous fall ............................................................................................. 27

 

6. Conclusion ..................................................................................................................... 30

 

7. References .................................................................................................................... 32

 

8. Short biography ............................................................................................................. 33

 

 

 

background image

 

2. Theory of Accelerated Motion 

First  we  will  give  the definition  of acceleration  and  write  the  basis  of  accelerated  motion. 
Average and instantaneous acceleration can be defined. 

2.1. Average and Instantaneous Acceleration 

As a particle moves from one point to another along some path, its instantaneous velocity 

vector  changes  from 

i

v

  at  time 

i

t

  to 

f

v

  at  time

f

t

.  Knowing  the  velocity  at  these  points 

allows us to determine the average acceleration of the particle: 

The average acceleration of a particle as it moves from one position to another is defined 
as the change in the instantaneous velocity vector 

v

 divided by the time 

t

 

during which 

that change occurred:  

t

v

t

t

v

v

a

i

f

i

f

         

 

 

 

    (2.1) 

 

 

 

 

 

Figure 2.1 A car, modeled as a particle; moving 

along the x axis from A to B has velocity 

xi

v

 at 

i

t

t

 and velocity 

xf

v

 at

f

t

t

.  

Graph 2.1 Velocity-time graph (rust) for  particle 
moving  in  a  straight  line.  The  slope  of  the  blue 
straight  line  connecting A  and  B  is the  average 

acceleration in the time interval

i

f

t

t

t

Because it is the ratio of a vector quantity 

v

 and a scalar quantity

t

,  we conclude that 

average acceleration is a vector quantity directed  along 

v

. As indicated in Figure 2, the 

direction  of 

v

  is  found  by  adding  the  vector 

i

v

  (the  negative  of 

i

v

)  to  the  vector 

f

v

  , 

because  by  definition 

i

f

v

v

v

  When  the  average  acceleration  of  a  particle  changes 

during different time intervals, it is useful to define its instantaneous acceleration a:  

The  instantaneous  acceleration 

a

  is  defined  as  the  limiting  value  of  the  ratio 

t

v

 

as 

t

 

approaches zero:  

dt

v

d

t

v

a

t

lim

0

 

 

 

 

 

      

(2.2) 

In other words, the instantaneous acceleration equals the derivative of the velocity vector 
with respect to time. 

 

It  is  important  to  recognize  that  various  changes  can  occur  when  a  particle  accelerates. 
First, the magnitude of the velocity vector (the speed) may change with time as in straight-
line  (one-dimensional)  motion.  Second,  the  direction  of  the  velocity  vector  may  change 
with  time  even  if  its  magnitude  (speed)  remains  constant,  as  in  curved-path  (two-
dimensional)  motion.  Finally,  both  the  magnitude  and  the  direction  of  the  velocity  vector 
may change simultaneously. 

2.2. Uniformly Accelerated Motion

 

in Straight Line (Linear) 

Uniform  (constant)  acceleration  motion  is  a  type  of  motion  in  the  velocity  of  an  object 
changes by an equal amount in equal time period.  

 

Graph 2.2 Acceleration-time graph for uniformly accelerated motion in straight line 

Due  to  the  unique  algebraic  properties  of  constant  acceleration,  mathematicians  have 
derived formulae:  

   

 

 

 

 

(2.3) 

  

 

 

 

 

(2.4) 

 

 

 

 

 

(2.5) 

 

Graph 2.3 Velocity-time graph for uniformly accelerated motion in straight line 

 

Graph 2.4 Displacement-time graph for uniformly accelerated motion in straight line 

 

background image

 

3. Methodology 

A  common  misconception  in  science  is  that  science  provides  facts  or  "truth"  about  a 
subject.  Science  is  not  collection  of  facts;  rather,  it  is  a  process  of  investigation  into  the 
natural  world  and  the  knowledge  generated  through  that  process.  This  process  of 
investigation is often referred to as the scientific method and it is typically defined in many 
textbooks  and  science  courses  as  a  linear  set  of  steps  through  which  a  scientist  moves 
from observation through experimentation and to a conclusion as shown below:  

 

Figure 3.1 Science is not a linear process 

 However, this classic portrayal has a number of problems. Science is not a linear process 
– it doesn’t have to start with an observation or a question, and it commonly does not even 
involve  experiments.  Instead,  the  scientific  method  is  a  much  more  dynamic  and  robust 
process  (Figure  1).  Scientists  get  their  inspiration  from  the  natural  world,  from  reading 
what others have done, from talking to colleagues, or from experience. They use multiple 
types of research toward investigating phenomena, including experimentation, description, 
comparison,  and  modeling.  Some  scientific  investigations  employ  one  of  these  methods, 
but  many  involve  multiple  methods,  or  some  studies  may  even  have  characteristics  of 
more  than  one  method.  Results  from  one  research  study  may  lead  in  directions  not 
originally anticipated, or even in multiple directions as different scientists pursue areas of 
interest to them.  

Inquiry-based Learning and Scientific Method in Schools 

Importance  of  inquiry  is  great  because  memorizing  facts  and  information  is  not  the  most 
important skill in today's world. (Facts change, and information is readily available - what's 
needed is an understanding of how to get and make sense of the mass of data.)  

Infants begin to make sense of the world by inquiring. The process of inquiring begins with 
gathering  information  and  data  through  applying  the  human  senses  -  seeing,  hearing, 
touching, tasting, and smelling. 

An  old  adage  states:  "Tell  me  and  I  forget,  show  me  and  I  remember,  involve  me  and  I 
understand." The last part of this statement is the essence of inquiry-based learning. 

"Inquiry" is defined as "a seeking for truth, information, or knowledge - seeking information 
by questioning." 

Key principles of inquiry learning are those listed here: 

1.  All  learning  activities  should  focus  on  using  information-processing  skills  (from 

observations to synthesis) and applying the discipline "ground rules" as a means to 
learn content set in a broad conceptual context. 

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