Учительська світлиця

УРОК № 47 / I.4-1. ЗАСТОСУВАННЯ ЗАКОНІВ МЕХАНІКИ ДО КОЛИВАЛЬНОГО РУХУ. ГАРМОНІЧНІ КОЛИВАННЯ. РІВНЯННЯ ГАРМОНІЧНИХ КОЛИВАНЬ. УМОВИ ВИНИКНЕННЯ ВІЛЬНИХ КОЛИВАНЬ

Мета: 1) сформувати в учнів уявлення про природу механічних коливань, поширеність коливального руху в природі та техниці, з'ясувати умови виникнення вільних коливань, ввести характеристики гармонічних коливань — амплітуду, період, частоту; ввести рівняння гармонічних коливань та сформувати в учнів уміння визначати всі характеристики коливального руху, використовуючи рівняння гармонічних коливань та графіки характеристик гармонічних коливань;

2) продовжити ознайомлення учнів з навколишнім світом, навчити учнів у відомих явищах природи визначати коливальні рухи, давати їм пояснення з фізичного погляду, продовжити формування вмінь аналізувати навчальну інформацію та робити відповідні висновки, формування вмінь пояснювати спостережувані природні явища (землетруси), використовуючи фізичні закони;

3) продовжити формування наукового світогляду через пояснення явищ, що виникають під час коливального руху, продовжити формування здоров'язберігальної компетентності учнів шляхом ознайомлення з негативним впливом звуків різних діапазонів на живі істоти, правилами поведінки під час землетрусів.

Очікувані результати: учні знають і розуміють сутність коливального процесу, умов виникнення вільних коливань, поняття амплітуди, періоду та частоти коливального руху; можуть розв'язувати задачі за допомогою рівняння гармонічних коливань та графіків гармонічних коливань.

Тип уроку: урок вивчення та засвоєння нових знань.

ХІД УРОКУ

I. ОРГАНІЗАЦІЙНИЙ МОМЕНТ 0,5 хв

II. ОГОЛОШЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ КОНТРОЛЬНОЇ РОБОТИ, АНАЛІЗ ВИКОНАННЯ ЗАВДАНЬ 5 хв

III. ОГОЛОШЕННЯ ТЕМИ УРОКУ (ЦОР) 2 хв

Дидактична гра «Впізнай героя»

Твердження (або питання)

1. Те, що буде розглянуто в темі, пов’язує між собою бджолу, металеву лінійку та будь-який музичний інструмент.

2. Найдовший час такого руху було визначено астрономами.

3. Вони бувають електромагнітні, механічні, термодинамічні, хімічні, та попри це, їх описують однаковими рівняннями.

4. Для вивчення цього виду руху використовували люстру та удари власного пульсу.

5. Це питання безпосередньо пов’язане з темою, що буде розглянуто на уроці. Чи може композитор бути глухим?

IV. ОГОЛОШЕННЯ ОБОВ'ЯЗКОВИХ ВИДІВ КОНТРОЛЮ, ЯКІ ВИНОСЯТЬСЯ ДЛЯ ОПРАЦЮВАННЯ В ЦІЙ ТЕМІ

V. ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ (ЦОР) 25 хв + 7 хв

Робота в групах

1. Коливальний рух. Прояви коливального руху в природі та техніці

· Коливальним називають повторюваний рух, у якого кожен цикл точно відтворює будь-який інший цикл.

· Тривалість одного циклу називають періодом.

· Механічні коливання — рух тіла, який повторюється через рівні проміжки часу, під час якого тіло багаторазово проходить положення рівноваги.

В природі, і особливо в техніці, надзвичайно важливими є тіла і пристрої, здатні самі по собі здійснювати коливання. «Самі по собі» — це означає: не змушені чекати для цього дію періодичних зовнішніх сил. Тому такі коливання називають вільними коливаннями, на відміну від вимушених, що відбуваються під дією періодично змінних зовнішніх сил. Наприклад, в результаті першого поштовху буде коливатися вода у склянці, вантаж, підвішений на пружині, вагон або автомобіль на своїх ресорах, гойдалки, затиснута одним кінцем металева пластинка, натягнута струна, стрілка компаса тощо (див. рисунок).

Усі такі тіла або сукупності тіл, які самі по собі можуть здійснювати коливання, називають коливальними системами.

Приклади коливальних систем

З коливальними системами доводиться мати справу не тільки в різних машинах і механізмах (зокрема, годинникових механізмах). Ми побачимо далі, що коливальними системами є більшість джерел звуку, що поширення звуку в повітрі можливе лише тому, що саме повітря постає свого роду коливальною системою. Крім механічних коливальних систем, існують електромагнітні коливальні системи, у яких можуть вчинятися електричні коливання, що становлять основу всієї радіотехніки.

Властивості коливальних систем:

□ має положення стійкої рівноваги;

□ обмежена у просторі;

□ виникають сили, що повертають систему до положення рівноваги;

□ має інертність;

□ сили тертя малі.

Коливання в цих коливальних системах є вільними. Вільні коливання згасають упродовж часу.

Фізики вивчають коливання за допомогою маятників: математичного та пружинного.

2. Умови виникнення вільних коливань

Умовами для виникнення вільних коливань є:

□ наявність сил, які повертають систему у положення рівноваги;

□ відсутність (або малі значення) сил тертя в системі.

Будь-яка коливальна система повинна мати точку рівноваги,

стійку рівновагу. Саме біля цієї точки й відбуваються коливання. Для того щоб вивести систему із положення рівноваги, необхідно цій системі передати запас енергії. При цьому сили тертя повинні бути малими.

3. Характеристики коливального руху. Рівняння гармонічних коливань

Прикріпимо до маятника волосину (шматочок тонкого дроту або пружну нейлонову нитку) і будемо рухати під цією волосиною закопчену скляну пластинку, як показано на рисунку (додаток 47-002 відеофрагмент «Вільні коливання»).

Якщо рухати пластинку з постійною швидкістю в напрямку, перпендикулярному до площини коливань, то волосина прокреслить на пластинці хвилясту лінію — розгортку коливань у часі, або графік коливального руху (див. рисунок).

Будь-які коливання характеризуються амплітудою (A; [A] = м) — найбільшим відхиленням деякої величини від свого нульового значення, періодом або частотою Останні дві величини пов’язані між собою обернено пропорційною залежністю: Частота коливань в СІ вимірюється в герцах (Гц).

· 1 Гц — це частота коливань, коли тіло здійснює одне коливання за секунду.

Найпростішими серед коливальних рухів є гармонічні коливання.

· Коливання називають гармонічними, якщо їхні характеристики (наприклад, зміщення тіла з положення рівноваги) змінюються у часі за законом синуса або косинуса.

де x — відстань коливальної точки від положення рівноваги, або зміщення; A — амплітуда коливань; (ωt + φ₀) — фаза коливань; φ₀ — початкова фаза; ω — циклічна частота — число коливань за 2п секунд

Проекцію швидкості точки під час гармонічних коливань визначимо як першу похідну від зміщення за часом, а проекцію прискорення, відповідно, як другу похідну за часом. Нехай зміщення відбувається за законом x = A cos(ωt + φ₀), тоді:

Важливо! якщо залежність між проекцією прискорення тіла та його координатою має вигляд a_x = ωa²x, то ми маємо справу із гармонічними коливаннями.

4. Розв'язання задач

Задача 1

Нитяний маятник робить 10 коливань за 20 с. Визначте період і частоту маятника.

Задача 2

Коливання задається формулою x = 0,12sinωt. Визначте амплітуду, частоту й період коливання.

Задача 3

На рисунку наведено графіки залежності зміщення від часу під час коливань двох маятників. Порівняйте амплітуди A₁ і А₂ коливань маятників.

Задача 4

Тягарець маятника здійснює коливання з амплітудою A. яку відстань пройде тягарець за один період коливань?

Задача 5

На рисунку зображено графік залежності координати x тіла, яке здійснює гармонічні коливання, від часу. Визначте частоту цих коливань. Запишіть рівняння цих коливань.

VI. ЗАКРІПЛЕННЯ ЗНАНЬ УЧНІВ 2 хв

Перегляд відеофрагментів «Механічні коливання у природі» (див. ЦОР)

Відповіді на запитання

1. Що таке період, частота та циклічна частота коливань? Як ці величини пов’язані між собою?

2. Яка основна одиниця частоти? Що ви можете сказати про коливання частотою 0,5; 1,0 і 2,0 Гц?

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

4. Які коливання вважають гармонічними?

5. Які умови потрібно забезпечити, щоб коливання були гармонічними?

VII. РЕФЛЕКСІЯ

VIII. ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

Вивчити відповідний параграф підручника, конспект уроку, відповісти на запитання після параграфа, виконати завдання за задачником.