Коливальний рух. Фізичні величини, що характеризують коливальний рух

2-й семестр

МЕХАНІКА

4. Механічні коливання й хвилі

– Коливальний рух. Вільні коливання. Гармонічні коливання

– Математичний і пружинний маятники

– Вимушені коливання. Резонанс

– Поширення механічних коливань у пружному середовищі

– Поперечні й поздовжні хвилі

Тематичне планування

Урок 1/60

Тема. Коливальний рух.

Мета уроку: ознайомити учнів з одним з найпоширеніших рухів у природі й техніці – коливальним рухом; з’ясувати умови існування вільних коливань. Ознайомити учнів з фізичними величинами, що характеризують коливальний рух

Тип уроку: вивчення нового матеріалу

План уроку

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Механічні коливання

Коливання – один з найпоширеніших видів руху в природі й техніці. Коливаються дерева в лісі, пшениця в полі, струни музичних інструментів, мембрана телефону. Коливаються площини та фюзеляж літака, кузов автомобіля, поршні двигуна. Коливальні рухи відбуваються й у житті нашої планети (землетруси, припливи та відпливи), і в астрономічних явищах. З коливаннями ми зустрічаємося й у живій природі: биття серця, рух голосових зв’язок тощо.

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

Залежно від фізичної природи розрізняють механічні й електромагнітні коливання.

Підвісимо важок на нитці, відведемо його убік від положення рівноваги й відпустимо. Важок почне здійснювати коливання поблизу положення рівноваги, тобто здійснювати періодичний рух. Коливання поблизу положення рівноваги здійснює також важок, підвішений на пружині.

Механічними коливаннями називаються такі рухи тіл, за яких через однакові інтервали часу координати тіла, що рухається, його швидкість і прискорення, набувають вихідних значень.

2. Вільні й вимушені коливання

Існують два види коливальних рухів: вільні та вимушені.

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

До вільних коливань належать, наприклад, коливання маятника, важка на нитці, важка на пружині, шальок терезів тощо.

Можна дати учням ще одне формулювання визначення вільних коливань – енергетичне:

O Вільні коливання – це коливання, що відбуваються виключно за рахунок початкового запасу енергії, переданого системі.

Тіло або систему тіл можна “примусити” здійснювати коливання, застосовуючи зовнішню періодичну силу. Скажімо, гойдалку можна розгойдувати, періодично підштовхуючи її.

O Коливання, що виникають під дією зовнішніх сил і змінюються з плином часу за величиною і напрямом, називаються вимушеними.

Якщо ви говорите по телефону, то мембрана мікрофона коливається під дією коливань повітря, а повітря – під дією коливань голосових зв’язок. Коливання мембрани мікрофона й коливання повітря – вимушені.

Корпуси всіх машин і механізмів, що працюють, також здійснюють вимушені коливання. Вимушені коливання здійснює дифузор гучномовця.

3. Умови існування вільних коливань

Розглянемо коливання важка на нитці або важка на пружині. У наведених прикладах система здійснювала коливання поблизу положення стійкої рівноваги. Чому ж коливання виникають саме поблизу цього положення системи? Справа в тому, що під час відхилення системи від положення стійкої рівноваги, рівнодійна всіх сил, прикладених до тіла, прагне повернути систему в положення рівноваги. Цю рівнодійну так і називають – повертальною силою. Однак, повернувшись у стан рівноваги, система внаслідок інерції “проскакує” його. Після цього знову виникає повертальна сила, спрямована тепер у протилежний бік. Так і виникають коливання.

Щоб коливання тривали довгий час, необхідно, щоб сили тертя або сили опору були дуже малими.

Отже, для того, щоб у системі відбувалися вільні коливання, необхідне виконання двох умов:

– система має перебувати поблизу положення стійкої рівноваги;

– сили тертя або сили опору мають бути досить малими.

4. Амплітуда коливань

Під час коливань зсув тіла від положення рівноваги періодично змінюється.

O Амплітуда коливань – це фізична величина, що характеризує коливальний рух і дорівнює максимальній відстані, на яку відхиляється коливне тіло від свого положення рівноваги.

Амплітуду коливань позначають символом А. Одиниця амплітуди коливань у СІ – метр (м).

Амплітуда вільних коливань визначається початковими умовами, тобто тим початковим відхиленням або поштовхом, яким вантажі на нитці або на пружині були приведені в рух.

Якщо вантаж на нитці (або на пружині) залишити в спокої, то через якийсь час амплітуда коливань помітно зменшиться. Коливання, амплітуда яких з плином часу зменшується, називаються затухаючими. Коливання, амплітуда яких з часом не змінюється, називаються незатухаючими.

5. Період і частота

Якщо вантаж на нитці за час t зробить N повних коливань, то час одного повного коливання:

O Період коливань – це проміжок часу, упродовж якого відбувається одне повне коливання.

Одиниця періоду коливань у СІ – секунда (с).

Частота коливань – це число повних коливань, здійснених за 1 с:

Одиниця частоти коливань у СІ – герц (Гц).

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

Період і частота – взаємно обернені величини.

6. Циклічна частота

Позначимо циклічну частоту коливань символом?.

O Циклічна частота дорівнює числу повних коливань, здійснених тілом за 2 секунд:

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

Запитання до учнів під час викладу нового матеріалу

1. Які тіла утворюють систему під час коливань вантажу, що висить на нитці? Якою є природа сил у випадку взаємодії цих тіл?

2. Які тіла утворюють систему під час коливань вантажу, який знаходиться на пружині? Якою є природа сил у випадку взаємодії цих тіл?

3. Рівнодійна яких сил відіграє роль повертальної сили під час коливань вантажу, що висить:

А) на нитці?

Б) на пружині?

4. Чи можна приймати за амплітуду розмах коливань?

5. Як можна розрахувати період коливань?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Тренуємося розв’язувати задачі

1. Чи можна назвати вільними коливання:

А) поплавця на хвилях?

Б) струни скрипки?

В) вантажівки, що їде по вибоїнах?

Г) голки швейної машини?

Д) відділів камертона?

2. Які з перелічених коливань є вільними:

А) коливання підвішеного на пружині важка після випадкового поштовху;

Б) коливання поверхні ввімкненого динаміка;

В) коливання підвішеного на нитці важка (нитку вивели з положення рівноваги й відпустили)?

3. Тіло за 10 с здійснило 50 коливань. Чому дорівнює період коливань?

4. Під час коливань важок, підвішений на нитці, проходить через положення рівноваги з інтервалом 0,5 с. Чому дорівнює період коливань?

5. Поплавець, що коливається на поверхні води, за 3 с спливає й пірнає у воду шість разів. Обчисліть період і частоту коливань.

2). Контрольні запитання

1. Наведіть приклади вільних і вимушених коливань.

2. У яких випадках коливання неможливі?

3. Назвіть властивості коливальної системи.

4. У чому полягає принципова відмінність коливального руху від руху по колу?

5. Які величини, що характеризують коливальний рух, змінюються періодично?

6. У яких одиницях вимірюються період, частота і циклічна частота коливань?

Що ми дізналися на уроці

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

– Механічними коливаннями називаються такі рухи тіл, під час яких через однакові інтервали часу координати тіла в русі – швидкість і прискорення – набувають вихідних значень.

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

– Коливання, що виникають під дією зовнішніх сил і змінюються з плином часу за величиною й напрямом, називаються вимушеними.

– Умови існування вільних коливань:

– система має перебувати поблизу положення стійкої рівноваги;

– сили тертя або сили опору мають бути досить малими;

– Амплітуда коливань – це фізична величина, що характеризує коливальний рух і дорівнює максимальній відстані, на яку відхиляється коливне тіло від свого положення рівноваги.

– Період коливань – це проміжок часу, упродовж якого відбувається одне повне коливання:

– Частота коливань – це число повних коливань, здійснених за 1 с:

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

– Циклічна частота дорівнює числу повних коливань, здійснених тілом за 2 секунд:

Домашнє завдання

1. П.: § 39.

2. 36.:

Р1) – 20.1; 20.2; 20.3; 20.10, 20.21;

Р2) – 20.11; 20.22; 20.23; 22.46; 22.50.

Р3) – 20.11; 20.22; 20.23; 22.46, 22.50.