Мета уроку: Повторити поняття механічних коливань, встановити залежність і зв’язки між елементами нової теми і вже засвоєними знаннями, розвивати вміння аналізувати, порівнювати, робити висновки.
Обладнання уроку: Математичний маятник, пружина, набір вантажів.
Тип уроку: Урок формування нових знань.
Вид уроку: Урок-бесіда.
Хід уроку
І. Організаційна частина.
Заходжу в клас, вітаюся з учнями та перевіряю їх готовність до уроку.
ІІ. Актуалізація опорних знань.
А тепер запишіть сьогоднішнє число, класна робота. Тема сьогоднішнього уроку “Коливальний рух. Вимушені і вільні коливання”.
Кажучи «коливання», ми відразу уявляємо коливання тягарця, підвішеного на нитці чи прикріпленого до пружини. Однак коливання означають не лише механічний рух якогось тіла «туди – сюди». Під коливанням слід розуміти будь-яку періодичну зміну деякої величини, тобто таку зміну, при якій значення цієї величини через певний інтервал часу, який називають періодом коливань, повторюється.
Для описання коливань різної фізичної природи вводяться величини, які застосовні до всіх коливань, використовуються зовсім однакові математичні рівняння. Лише там, де в механіці застосовується поняття зміщення точки, в електриці мас бути заряд конденсатора, а де швидкість точки – силу струму в колі і т. д. Найпростіше з'ясувати фізичний зміст цих величин і ознайомитися з математичним апаратом, який описує коливальні процеси, на прикладі механічних коливань, як найбільш наочних.
ІІІ. Пояснення нового матеріалу.
Іноді справді можна спостерігати коливання, що тривають надзвичайно довго. Наприклад, довгий маятник, відхилений на малий кут, може протягом багатьох годин здійснювати коливання із сталою амплітудою. Проте, хоч би як довго не тривали вільні коливання маятника, він зрештою все-таки зупиняється, його коливання, як кажуть, затухають. «Винувата» в цьому сила тертя, яка в реальних земних умовах діє на все, що рухається.
Для здійснення коливань потрібен певний час. Тривалість одного повного коливання називають періодом коливання. Позначають період літерою Т і виражають у секундах.
Сила тертя напрямлена проти руху, тому вона виконує від'ємну роботу. А ми знаємо, що коли робота від'ємна, то повна механічна енергія зменшується. Зменшення енергії означає зменшення амплітуди. У цьому зменшенні амплітуди й полягає затухання коливань. Затухаючі коливання – це коливання з амплітудою, яка зменшується. Чим більша сила тертя, тим швидше зменшується амплітуда. На малюнку зображено графік такого затухаючого коливання. Якщо сила тертя досить велика, коливання взагалі не виникають. Відхилений від положення рівноваги маятник просто поступово повертається до цього положення.
А тепер ми поговоримо про затухаючі коливання. Затухаючі коливання не можна вважати вільними коливаннями, оскільки вільні коливання – це коливання із сталою амплітудою.
Розглянемо тепер випадок, коли на коливальну систему діє зовнішня сила, але не стала сила тертя, а деяка періодично змінна сила. Наведемо такий приклад. Стержень з невеликим згином (мал. 2) може обертатися в підшипниках рр за допомогою рукоятки сі. До згину стержня прикріплено пружинний маятник. Напрямна щілина с дає змогу маятнику рухатися тільки вгору-вниз. Обертатимемо стержень з деякою сталою частотою.
На малюнку 3 зображено залежність амплітуди вимушених коливань від частоти вимушуючої сили. Амплітуда досягає максимуму при певному значенні частоти , де – власна частота коливальної системи. На різкість максимуму дуже впливає сила тертя. Крива 1 відповідає малій силі тертя: максимум дуже різкий. Крива 2 відповідає великій силі тертя: різкого максимуму немає.
Ми ознайомилися з двома коливальними системами – з пружинним і математичним маятниками. Пружинний маятник – це система тіло – пружина, математичний маятник – система нитка – вантаж – Земля. У цих системах, коли вони виведені із стану рівноваги, виникають коливання, дуже подібні одне до одного – гармонічні коливання. При цьому ми вважали, що коливальний рух визначається в них тільки силами, які діють у самій системі. У пружинному маятнику – це сила пружності деформованої пружини, в математичному маятнику – це сила пружності розтягненої нитки і сила тяжіння. Подібністю цих сил і пояснюється подібність рухів в обох системах. Зовнішні сили, зокрема сила тертя, на системи не діють.
Коливання в таких системах, що не зазнають дії зовнішніх сил, називаються вільними коливаннями. Іноді їх називають також власними коливаннями.
Вільні коливання – «вічні» коливання. Коливальні системи, на які не діють зовнішні сили – це замкнені системи. А в замкненій системі повна енергія зберігається, відбувається тільки перетворення потенціальної енергії в кінетичну і навпаки. Енергія коливань визначається квадратом амплітуди коливань. Тому вільні коливання – це коливання із сталою амплітудою. Маятник, виведений з положення рівноваги, повинен коливатись вічно!
IV. Закріплення нового матеріалу.
1. Що таке коливання?
(Під коливанням слід розуміти будь-яку періодичну зміну деякої величини, тобто таку зміну, при якій значення цієї величини через певний інтервал часу, який називають періодом коливань, повторюється.)
2. Що таке затухаючі коливання?
(Затухаючі коливання – це коливання з амплітудою, яка зменшується.)
3. За яких умов вони виникають?
(За умови припинення дії будь-яких сил.)
4. Що таке вільні коливання?
(Коливання із сталою амплітудою в системах, що не зазнають дії зовнішніх сил)
5. Що таке період коливання?
(Тривалість одного повного коливання називають періодом коливання.)
V. Підведення підсумків уроку.
А тепер запишіть будь-ласка в щоденники домашнє завдання. Параграф §8 з підручника С.У. Гончаренко. Фізика. 11 клас. Сторінка 27-31.
Урок закінчено. До побачення.