Інформація для вчителів
Опис
Гармонічні коливання
Цей експеримент закладає основи розуміння гармонічного осцилятора. У фізиці ми повсюди стикаємося з гармонійним осцилятором (маятником). У класичній механіці його використовують для опису пружинних і математичних маятників, а в електродинаміці - для опису електромагнітних коливальних контурів. Також він використовується у квантовій механіці.
При вивченні гармонічних коливань учні мають ознайомитися з поняттями "амплітуда", "період" і "частота". Ці поняття використовуються для вивчення принципів акустики.
Додаткова інформація для вчителів (1/2)
Попередні знання
Перед проведенням експерименту учні мають знати, що поняття "коливання" означає періодичний процес. Вони також повинні вміти характеризувати звуки (тони) за гучністю та висотою тональності.
Принцип
Гармонічне коливання - це періодичний рух тіла біля певного положення рівноваги, при якому відновлювальна сила пропорційна відхиленню від положення рівноваги. Воно характеризується амплітудою і періодом або частотою. Учні вивчають ці характеристики на прикладах коливання лінійки, що хитається, та пружинного маятника.
Додаткова інформація для вчителів (2/2)
Мета навчання
Гармонічне коливання характеризується амплітудою та періодом або частотою. Амплітуда описує максимальне відхилення від положення рівноваги. Період вказує час, необхідний осцилятору для здійснення одного повного коливання, а частота описує, скільки коливань відбувається за одиницю часу.
Завдання
У цьому експерименті ми розглянемо два приклади коливань: Коливання лінійки на краю столу та коливання пружинного маятника.
Учні спочатку тільки спостерігають за обома коливаннями, а потім досліджують, які величини можна використовувати для опису цих коливань.
Друга частина експерименту (пружинний маятник) має бути проведена удвох.
Інструкції з техніки безпеки
До цього експерименту застосовуються загальні інструкції щодо безпечного проведення експериментів під час викладання природничих наук.
Інформація для учнів
Мотивація
Машина швидкої допомоги
Звукові хвилі зазвичай виникають там, де середовище, наприклад, повітря, стискається, а потім знову розширюється. Причиною виникнення звуків є повторювані рухи, які називаються вібраціями (коливаннями). Вібрації відбуваються навколо нас усюди, радіо- і телепрограми передаються хвилями, породжуваними коливаннями електромагнітних хвиль, а звук - це не що інше, як хвиля, і навіть в атомах відбуваються коливання
Завдання
- Спостерігайте за коливаннями лінійки на краю столу.
- Розгляньте, які параметри можна використати для опису коливання пружини, до якої підвішено тягарець
Матеріал
| Позиція | Матеріал | Пункт №. | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Лінійка, пластмасова, 200 мм | 09937-01 | 1 |
| 2 | Рулетка, l=2 м | 09936-00 | 1 |
| 3 | Спіральна пружина, 3 Н/м | 02220-00 | 1 |
| 4 | Тримач для важків із прорізами, 10 г | 02204-01 | 1 |
| 5 | Гиря, 50 г, срібло/ бронза | 02206-03 | 2 |
| 6 | Секундомір, цифровий, 24 години, 1/ 100 с та 1 с | 24025-00 | 1 |
Підготовка та виконання роботи (1/3)
- Покладіть лінійку на стіл. Тримайте її однією рукою. Рука має бути якомога ближче до краю столу, але не виступати за край.
- Тепер натисніть на вільний кінець лінійки так, щоб вона почала коливатися, коли Ви її відпустите.
- Повторіть цей процес кілька разів, змінюючи також довжину розмаху лінійки.
Коливання лінійки
Підготовка та виконання роботи (2/3)
- Розтягніть рулетку так, щоб вона, не згинаючись, діставала від столу до підлоги. Прикріпіть рулетку до краю столу смужкою скотчу. Шкала рулетки повинна бути повернута до експериментатора, а нульова точка шкали знаходитися точно на підлозі.
- Учень 1: Візьміть пружину за один кінець, а на інший - підвісьте тягарець. Пружина розтягується до положення рівноваги.
- Учень 2: Тримайте пружину і тягарець перед рулеткою так, щоб він знаходився на висоті 20 см над підлогою, тобто на позначці "20 см" на рулетці.
Підготовка та виконання роботи (3/3)
- Учень 1: Тримайте руку нерухомо на тому ж місці;
- Учень 2: Витягніть пружину з тягарцем на 20 см до підлоги ("0 см") і відпустіть.
- Спостерігайте за пружинним маятником і повторіть процес, помінявшись місцями. Уважно стежте за тим, як положення тягарця змінюється з часом.
- Учень 1: Тримайте пружинний маятник у тому самому положенні, що й раніше;
- Учень 2: Візьміть секундомір і відтягніть тягарець донизу на 20 см до підлоги. Натисніть кнопку пуску секундоміра в момент відпускання тягарця.
- Виміряйте час, потрібний для здійснення 10 повних коливань. Запишіть результат у Протокол.
Протокол
Завдання 1
Питання
Завдання 2
Вставте слова в потрібне місце Завдяки тому, що лінійка коливається, звук створюється безпосередньо на ____. Там ____ починає вібрувати, щоб ____ міг рухатися у просторі у вигляді хвилі. Чим далі Ви відхиляєте лінійку, тим голосніше звук. Якщо пересунути лінійку далі до краю столу, звук стає ____.
Завдання 3
Час за 10 коливань, с
1
2
3
4
5
Початкове положення, см
Максимальне відхилення, см
Завдання 4
Вставте слова в тексті в потрібне місце Тягарець на пружинному маятнику коливається вгору-вниз так само, як і вільний кінець лінійки. У разі таких коливань найбільше відхилення від положення рівноваги називається амплітудою. Амплітуда пружинного маятника визначається як: Максимальна точка відхилення - ____ = ____. Амплітуда обох коливань визначається ____ від положення рівноваги на початку руху. Чим ____ амплітуда коливань лінійки, тим ____ звук.
Завдання 5
Коливальний процес може відбуватися з різною швидкістю. Період коливань - це час, протягом якого тіло здійснює одне повне коливання. Обчисліть період коливань пружинного маятника.
Період
Період, с:
Величина обернена періоду вказує кількість повних коливань за секунду. Ця величина називається частотою коливання. Обчисліть частоту коливань пружинного маятника.
Період
Частота, 1/с:
Завдання 6
Заповніть пропуски Чим довший вільний кінець лінійки, тим ____ частота. Чим коротший вільний кінець, тим ____ частота. Якщо частота лінійки більша, звук, що видається, є ____. Якщо вона менша, звук буде ____.
