Коливальний рух

2-й семестр

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

4. Електромагнітні коливання й хвилі

Тематичне планування

УРОК

Тема. Коливальний рух

Мета уроку: нагадати учнем про один із найпоширеніших видів рухів у природі – механічні коливання.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

ПЛАН УРОКУ

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Види коливань і умови їх виникнення

Коливання – один із найпоширеніших видів руху в природі й техніці. Коливаються дерева в лісі, пшениця в полі, струни музичних інструментів, мембрана телефону. Коливаються площини й фюзеляж літака, кузов автомобіля, поршні двигуна. Коливальні рухи відбуваються й у житті нашої планети (землетрус, припливи й відливи), і в астрономічних явищах, і в живій природі: биття серця, рухливість голосових зв’язок і т. ін.

Коливаннями називаються фізичні процеси, які точно або приблизно повторюються через однакові інтервали часу.

Залежно від фізичної природи розрізняють механічні й електромагнітні коливання.

O Коливання, що відбуваються тільки під дією періодично змінюваної за величиною й напрямком зовнішньої сили, називають вимушеними.

O Вільні коливання – це коливання, що відбуваються в механічній системі під дією внутрішніх сил системи після короткочасної дії якоїсь зовнішньої сили.

Щоб у коливальній системі відбувалися вільні коливання, необхідне виконання двох умов:

1) система повинна наближатися до положення стійкої рівноваги;

2) сили тертя або сили опору мають бути досить малими.

2. Гармонічні коливання

Коли тіло здійснює механічні коливання, змінюються його координата, швидкість і прискорення. У випадку електромагнітних коливань змінюються сила струму в колі, заряд і напруга на обкладках конденсатора, ЕРС. У рамках шкільного курсу фізики ми будемо розглядати тільки гармонічні коливання.

У Коливання, за яких фізична величина, що здійснює коливання, змінюється з часом за законом косинуса (або синуса), називають гармонічними.

Рівняння гармонічних коливань має вигляд:

Де x – значення змінної величини в цей момент часу; A – амплітуда коливань; ? – циклічна частота; ?0 – початкова фаза коливань.

Графік гармонічних коливань має вигляд кривої, що у математиці зветься синусоїдою або косинусоїдою.

3. Фізичні величини, що характеризують коливальний рух

Під час коливань зміщення тіла від положення рівноваги періодично змінюється.

O Амплітуда коливань – це фізична величина, що характеризує коливальний рух і дорівнює максимальному значенню змінної величини.

Одиниця амплітуди коливань визначається одиницею змінної величини.

Якщо вантаж на нитці за час t зробить N повних коливань, то час одного повного коливання: T = t/N, тобто період коливань – проміжок часу, протягом якого відбувається одне повне коливання. Або інакше:

O Період коливань T – це фізична величина, що характеризує коливання й дорівнює мінімальному інтервалу часу, через який значення змінної величини повторюється.

Одиниця періоду коливань у СІ – секунда (с).

O Частота коливань – це фізична величина, що характеризує коливання й дорівнює числу повних коливань в одиницю часу: v = N/t.

Одиниця частоти коливань у СІ – герц (Гц).

1 Гц дорівнює частоті коливань, під час яких тіло за 1 с здійснює одне повне коливання.

Період і частота – взаємообернені величини.

O Циклічна частота – це фізична величина, що характеризує коливання й дорівнює числу повних коливань, здійснюваних за 2 секунд:

Одиниця циклічної частоти коливань у СІ – радіан на секунду (рад/с або 1/с).

O Фаза коливань – це фізична величина, що характеризує стан коливальної системи в цей момент часу: ? = ?t + ?0.

Фаза коливань визначається їхнім періодом (оскільки? = 2/T), моментом часу t, у який фіксується значення змінної величини, і початковою фазою коливань?0 – фазою коливань у момент початку відліку часу.

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Перший рівень

1. Наведіть приклади вільних і вимушених коливань.

2. Наведіть приклади гармонічних коливань.

3. Які величини, що характеризують коливальний рух, змінюються періодично? Наведіть приклади.

4. У яких одиницях вимірюються період, частота й циклічна частота коливань?

Другий рівень

1. У чому принципова відмінність коливального руху від руху по колу?

2. Яка крива є графіком вільних коливань за відсутності тертя?

3. Чи можна за амплітуду механічних коливань приймати розмах коливань?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. Чи можна назвати вільними коливання: а) поплавця на хвилях; б) струн скрипки; в) вантажівки, що їде по вибоїнах; г) голки швейної машини; д) віток камертона?

2. Поплавець, що коливається на поверхні води, за 3 с спливає й поринає шість разів. Визначте період і частоту коливань.

2). Навчаємося розв’язувати задачі

1. За графіком коливань тіла на пружині, наведеним на рисунку: 1) визначте амплітуду, період, частоту й циклічну частоту коливань; 2) запишіть рівняння коливань; 3) визначте зміщення тіла за фази /6.

Розв’язання. Із графіка визначимо: а) амплітуду коливань (максимальний зміщення тіла): xmax = 2 см = 0,02 м; б) проміжок часу, за який відбувається одне повне коливання, дорівнює 2 с, отже, Т = 2 с ; в) частоту v = 1/T = 0,5 Гц; г) циклічну частоту

? = 2V= 2 – 0,5 = (с-1).

2. У початковий момент часу (t = 0) тіло перебуває в стані рівноваги (х0 = 0), тому рівняння коливань має вигляд: x = xmaxsin? t. З’ясовуємо значення величин і одержуємо: x = 0,02sinT. Якщо? = /6, то x (t) = 0,01 (м).

3. Коливання вантажу на пружині описано рівнянням x = 0,1sin0,5T. Визначте амплітуду, період, циклічну частоту й частоту коливань.

4. Амплітуда коливання 2 см, зміщення 1 см. Скільки часу минуло від початку коливань?

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ

– Коливаннями називаються фізичні процеси, точно або приблизно повторювані через однакові інтервали часу.

– Коливання, що відбуваються тільки під дією періодично змінюваної за величиною й напрямком зовнішньої сили, називають вимушеними.

– Вільні коливання – це коливання, що відбуваються в механічній системі під дією внутрішніх сил системи після короткочасної дії якоїсь зовнішньої сили.

– Коливання, за яких фізична величина, що здійснює коливання, змінюється з часом за законом косинуса (або синуса), називають гармонічними.

– Амплітуда коливань – це фізична величина, що характеризує коливальний рух і дорівнює максимальному значенню змінної величини.

– Період коливань T – це фізична величина, що характеризує коливання й дорівнює мінімальному інтервалу часу, через який значення змінної величини повторюється.

– Частота коливань – це фізична величина, що характеризує коливання й дорівнює числу повних коливань за одиницю часу:

– Циклічна частота – це фізична величина, що характеризує коливання й дорівнює числу повних коливань, здійснюваних за 2 секунд:

– Фаза коливань – це фізична величина, що характеризує стан коливальної системи в цей момент часу? = ?t + ?0.

Домашнє завдання

1. Підр-1: § 26; підр-2: конспект.

2. Зб.:

Рів1 № 10.18; 10.19; 10.20; 10.21.

Рів2 № 10.33; 10.34; 10.35; 10.37.

Рів3№ 10.52, 10.53; 10.54; 10.55.