Коливальний рух. Маятники.

Мета.

Навчальна. Ввести поняття коливального руху та з’ясувати його характеристики. Ознайомити з різновидами маятників: математичним та пружинним.

Розвиваюча. Сприяти розвитку матеріалістичного світогляду на прикладі коливальних процесів.

Виховна. Виховувати працелюбність.

Тип уроку. Урок засвоєння нових знань.

Дидактичні матеріали:

• Підручник. Фізика 7 клас, Бар'яхтар В. Г. Довгий С. О., видавництво "Ранок"  
• Демонстрація. Механічні коливання (штатив, пружина, 100 г важок, нитка з кулькою на штативі)
• Демонстрація. Визначення амплітуди коливань нитяного маятника (штатив, нитка з кулькою на штативі, лінійка)
• Демонстрація. Визначення амплітуди коливань пружинного маятника (штатив, пружина, 3 важки по 100 г, лінійка)
• Відео. Затухаючі коливання маятника (Час показу 1:20)
• Демонстрація. Спостереження звукових хвиль за допомогою електронного осцилографа (ППЗ. “Електронний осцилограф” <<Закачати>>)
• Відео. Маятник Фуко 
• Відео. Маятник із свічки

План

Хід уроку

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.

Перевірка домашнього завдання.

2. Коливальний рух.  

Коливання — найпоширеніша форма руху в навколишньому світі та техніці. Коливаються дерева під дією вітру, поршні у двигуні автомобіля тощо. Ми можемо розмовляти й чути звуки завдяки коливанням голосових зв'язок, повітря і барабанних перетинок. Коливається серце. Усе це приклади  механічних коливань.

Механічні коливання. 

Механічні коливання - це рух, під час якого положення і швидкість руху тіла точно або приблизно повторюються через певні проміжки часу.

Механічні коливання - це один із видів механічного руху.

Світло - це також коливання, але електромагнітні. За допомогою електромагнітних коливань, які поширюються у просторі, відбувається радіозв'язок, радіолокація, телебачення, а також лікуються різні хвороби.

На перший погляд, наведені приклади коливань мають мало спільного. Проте під час їхнього дослідження виявилося, що різні за походженням і природою коливання мають однакові характеристики, описуються однаковими рівняннями, що значно полегшує їх вивчення.

Як же виникають механічні коливання?

Основною рисою коливань є їх періодичність. 

Але періодичними є й обертові рухи. На відміну від обертових рухів, які мають для кожної точки колові траєкторії, під час коливальних рухів точка чи тіло рухаються в протилежних напрямках по одній і тій самій траєкторії.

Демонстрація. Механічні коливання (штатив, пружина, 100 г важок, нитка з кулькою на штативі)

У коливальному русі матеріальна точка (тіло) проходить всі точки траєкторії руху (окрім двох крайніх) двічі — один раз в одному напрямі, другий - у зворотному, причому найбільшу швидкість тіло матиме під час проходження точки рівноваги, найменшу - рівну 0 м/с, у точках найбільшого відхилення.

Максимальне відхилення тіла, що коливається, від положення рівноваги називається амплітудою коливання тіла.

Демонстрація. Визначення амплітуди коливань нитяного маятника (штатив, нитка з кулькою на штативі, лінійка)

Демонстрація. Визначення амплітуди коливань пружинного маятника (штатив, пружина, 3 важки по 100 г, лінійка)

Час Т, протягом якого здійснюється одне повне коливання тіла, називається періодом коливання тіла.

Частота коливань  (ню) - це кількість коливань тіла за одиницю часу.

Одиниця частоти герц названа на честь німецького фізика Генріха Герца, який у 1884 р. експериментально довів існування електромагнітних хвиль.

Коливання, амплітуда яких з часом зменшується, називають затухаючими.

Відео. Затухаючі коливання маятника (Час показу 1:20)

Коливання, амплітуда яких з часом не змінюється, називають незатухаючими.  

Надзвичайно важливим є дослідження коливань у техніці. Деякі коливання можна виявляти лише за допомогою спеціальних датчиків. Такими коливаннями є, наприклад, коливання різних споруд, корпусів і деталей машин, літальних апаратів тощо. Датчики сприймають коливання, перетворюють їх здебільшого в електричні сигнали, які реєструються вимірювальними приладами, електронними осцилографами та ін.

Демонстрація. Спостереження за поширенням звукових хвиль, створених камертоном на акустичній коробці з молоточком, за допомогою “Електронного осцилографа”.

 Маятники. Маятник винайдений Ібн Юнусом у 10 столітті. Вивченням маятника займався й Галілео Галілей. В 16—17 ст. маятники використовували в годинниках. Сьогодні маятники, крім годинників, широко використовуються в різних механізмах, зокрема в навігаційних приладах, гравітометрах, сейсмографах, в будівництві.

Маятник - тверде тіло, яке здійснює коливання під впливом притягання до Землі або під впливом дії пружини. Маятники, які коливаються під впливом притяганням до Землі, називають фізичними маятниками.

Найпростішим маятником для досліджень є так званий нитяний маятник. Це кулька, підвішена на нитці. Довжиною такого маятника є відстань від точки підвісу нитки до центра кульки. Якщо таку кульку вивести зі стану рівноваги, вона здійснюватиме коливання по дузі кола.

Звичайно,  такі  коливання будуть характеризуватись періодом Т і частотою  та можуть мати різну амплітуду.

Для спрощення розгляду певних явищ у науці часто користуються ідеальними моделями. Такою ідеальною моделлю є математичний маятник.

Математичний маятник - це фізична модель, яка являє собою матеріальну точку, підвішену на тонкій нерозтяжній і невагомій нитці.

Зрозуміло, що у природі немає ні точкових тіл, ні нерозтяжних і невагомих ниток. Але у багатьох випадках нитяний маятник можна вважати наближеним до математичного.

Відео. Коливання нитяного маятника

Малі коливання - коливання при яких кут відхилення маятника від положення рівноваги не перебільшує 4 градусів.

Маятники, в яких тіло коливається завдяки дії пружини, називають пружинними маятниками.

Якщо такі тіла вивести зі стану рівноваги, вони будуть здійснювати коливання. Коли в системі не було б тертя, такі коливання відбувалися б дуже довго.

ОКУ. Коливальний рух. Маятники.

4. Запитання до уроку.

Запитання 25.1. Які коливання називають механічними?

Запитання 25.2. Які коливання називають затухаючими? незатухаючими?

Запитання 25.3. Амплітуда коливань, означення, позначення, одиниці вимірювання, прилад для вимірювання.

Запитання 25.4. Частота коливань, означення, позначення, одиниці вимірювання, розрахункова формула.

Запитання 25.5. Від чого і як залежить період коливань математичного маятника?

Запитання 25.6. Від чого і як залежить період коливань пружинного маятника?

Запитання 25.7. Добуток яких величин, що характеризують коливальний рух математичного маятника, завжди дорівнює одиниці ?

Запитання 25.8. Кулька на пружині здійснює вільні коливання навколо положення рівноваги , переміщуючись у точку м і навпаки. Укажіть числове значення амплітуди коливань кульки.

Запитання 25.9*. Що собою являє маятник Фуко. З якою метою  його використовують науковці?

5. Домашнє завдання.

Підручник: §13.

Усне опитування по запитаннях до уроку. 

6. Перевір себе.

7. Для допитливих.

Розширюємо кругозір. Застосування маятників у будівництві. Тайпей 101 — хмарочос, розташований у столиці Тайваня Тайбеї. Хмарочос налічує 101 поверх та сягає висоти 509 м (разом зі шпилем). П'ята за висотою будівля у світі. Ліфти в цьому хмарочосі одні з найшвидших у світі — вони підіймаються зі швидкістю 63 км/год. З першого поверху до оглядового майданчика на 89-му можна дістатись всього лише за 39 с.

Будинок зі скла, сталі та алюмінію підтримують 380 бетонних опор, кожну з яких заглиблено у землю на 80 м. Небезпеку руйнування при урагані або землетрусі знижує велетенська 728-тонна куля-маятник (або демпфер), котра міститься між 87 та 91 поверхами. За словами інженерів, вежа зможе витримувати сильні коливання протягом 2500 років.