Оборудование для экспериментов: математический маятник, пружинный маятник.
Тип урока: комбинированный.
План урока
1. Актуализация опорных знаний (10 мин).
Фронтальный опрос.
2. Основная часть. Изучение нового материала (50 мин).
Изложение нового материала с использованием материалов мультимедийной презентации с дополнительными комментариями учителя, элементами беседы.
3. Закрепление (25мин).
4. Подведение итогов. Рефлексия (5 мин).
Ход урока
1.Актуализация опорных знаний
Фронтальный опрос:
Что называется механическим движением?
Что значит определить положение тела в пространстве?
Какие виды движений вы знаете?
Какое движение называют поступательным?
Что является основным признаком прямолинейного движения?
Что является основным признаком движения по окружности?
В чем отличие и сходство между прямолинейным равномерным движением и движением по окружности?
Как направлены скорость, ускорение и равнодействующая сила при равноускоренном прямолинейном движении и равномерном движении тела по окружности?
2. Основная часть. Изучение нового материала
Учитель: Мы с вами рассмотрели основные виды движений. При прямолинейном движении направление скорости и перемещения (ускорения) всегда параллельны, при движении по окружности скорость и ускорение перпендикулярны друг другу. (Демонстрация прямолинейного движения с тележкой и шарика по окружности). Возникает вопрос «Существует ли движение, при котором скорость и ускорение могут меняться от минимального до максимального значения в зависимости от момента движения. Кто может предложить эксперимент, подтверждающий или опровергающий данную гипотезу.
(Учащиеся предлагают различные виды эксперимента), на основании которых вводится понятие колебательное движение.
Сегодня на уроке мы и будем вести речь о колебательном движении, условиях его возникновения, основных характеристиках описывающих колебательные движения и их определение по графикам колебаний. Запишем тему урока: «Свободные и вынужденные механические колебания. Маятник. Основные характеристики колебательного движения».
Смотрим внимательно на примеры колебаний и отвечаем на вопрос «Что общего у всех колебательных систем?» (слайд №2)
Ответ: во всех этих примерах движение повторяется.
Колебания – один из самых распространенных процессов в природе и технике.
Учитель: приведите примеры колебательных движений.
Колеблются крылья насекомых и птиц в полете, высотные здания и высоковольтные провода под действием ветра, маятник заведенных часов и автомобиль на рессорах во время движения, уровень реки в течение года и температура человеческого тела при болезни. Звук – это колебания плотности и давления воздуха, радиоволны – периодические изменения напряженностей электрического и магнитного полей, видимый свет – тоже электромагнитные колебания, только с несколько иными длиной волны и частотой.
Землетрясения – колебания почвы, приливы и отливы – изменение уровня морей и океанов, вызываемое притяжением Луны и достигающее в некоторых местностях 18 метров, биение пульса – периодические сокращения сердечной мышцы человека и т.д.
Смена бодрствования и сна, труда и отдыха, зимы и лета... Даже наше каждодневное хождение на работу и возвращение домой попадает под определение колебаний, которые трактуются как процессы, точно или приближенно повторяющиеся через равные промежутки времени.
Для изучения механических колебаний используют колебательные системы: математический маятник и пружинный маятник. Математический маятник-это математическая точка, находящаяся на длинной, абсолютно упругой, невесомой нити.
Пружинный маятник - колебательная система, состоящая из закрепленной пружины, на которой находится груз (слайд №3).
Учитель: Каковы условия возникновения механических колебаний?
Ученики выдвигают гипотезы и пытаются их доказать экспериментально (слайд №4, Гиперссылка « Условия»).
Чтобы тело совершало свободные колебания, необходимо вывести его из состояния равновесия.
Хотя бы одна сила должна зависеть от координат.
Наличие в колеблющейся системе избыточной энергии;
Равнодействующая сила (если тело вывести из положения равновесия) должна возвращать его к этому положению;
Силы трения в системе должны быть малы.
Основными видами колебаний являются свободные (колебания, происходящие только благодаря начальному запасу энергии) и вынужденные колебаниями (совершаемые под действием внешней периодически изменяющейся силы) Эксперимент и объяснение.
Если мы имеем колебательную систему, то должны уметь определять основные физические величины которые характеризуют её. Любые колебания характеризуются следующими параметрами:
Смещение (х) - отклонение колеблющейся точки от положения равновесия в данный момент времени [м]. Амплитуда колебаний (A) – наибольшее смещение от положения равновесия [м]. Если колебания незатухающие, то амплитуда постоянна (слайд №5)
Период колебаний (Т) – время, за которое совершается одно полное колебание. Выражается в секундах [с].
Частота колебаний (ν) - число полных колебаний за единицу времени. В СИ измеряется в герцах (Гц). Единица измерения названа так в честь известного немецкого физика Генриха Герца (1857-1894). 1 Гц – это одно колебание в секунду. Примерно с такой частотой бьется человеческое сердце. Слово «херц» по-немецки означает «сердце». Период и частота колебаний связаны между собой обратно пропорциональной зависимостью:
T = 1/ν (слайд №6 гиперссылка « Колебаний»).
Каковы значения частот некоторых колебательных процессов, с которыми мы встречаемся в повседневной жизни. Сердце мыши сокращается гораздо чаще, чем сердце кита. Точные значения этих величин соответственно – 600 и 15 ударов в минуту (в покое). Но, между прочим, то и другое сердце сокращается за свою жизнь около 750 миллионов раз (слайд №7).
Фаза колебаний - физическая величина, определяющая смещение Х в данный момент времени. Измеряется в радианах (рад). Во время движения маятник проходит четыре условных процесса: от крайнего правого к положению равновесия, от положения равновесия к крайнему левому и в обратном порядке. В разные промежутки времени тело имеет одну и ту же координату. Как в данном случае определить направление движения, для этого необходимо определить фазу (слайд № 8 гиперссылка « Фаза»).
Учитель: Мы с вами определили основные характеристики: период, координату, частоту, амплитуду и фазу. Можно ли выделить какие-то существенные признаки, по которым можно классифицировать эти величины. Это статические и динамические.
Учитель: Все ли мы с вами рассмотрели физические величины, которые характеризуют колебательные движения?
Ученики: Необходимо рассмотреть изменение равнодействующей силы, скорости, ускорения и энергии. Демонстрация анимации движения математического маятника(слайд №9 гиперссылка «Модель маятника»),пружинного маятника (слайд №10 гиперссылка «Пружинный» Слайд 3,4) изменение энергии в результате колебаний(слайд №11 гиперссылка «Энергия» слайд 6).
В результате колебаний меняется энергия, но при этом выполняется закон сохранения энергии (слайд № 12).
Учитель: Свободные колебания являются затухающими, на каждом периоде амплитуда уменьшается (слайд № 13 ). Можно ли создать условия, чтобы амплитуда оставалась постоянной.
Ученик: Устранить силы трения, или воздействовать внешней периодически повторяющейся силой.
Учитель: Такие колебания называют вынужденными. Приведите примеры (поршень двигателя, качели, веер)
Учитель: Давайте рассмотрим, что представляет график колебаний (слайд №14 гиперссылка « Свободные»). График зависимости координаты от времени представляет собой синусоиду или косинусоиду, такие колебания называются гармоническими. Рассмотрим график гармонических колебаний (слайд №15,16 гиперссылка « График»). По данному графику можно определить следующие параметры: амплитуду, период, частоту, фазу.
Первыми учеными, изучавшими колебания, были Галилео Галилей (1564-1642) и Христиан Гюйгенс (1629-1692). Полагают, что соотношение между длиной маятника и временем каждого качания открыл Галилей (слайд №17) Однажды в церкви он наблюдал, как качалась огромная люстра, и засекал время по своему пульсу. Позже он открыл, что время, за которое происходит один взмах, зависит от длины маятника - время наполовину уменьшается, если укоротить маятник на три четверти. Гюйгенс (слайд №18)изобрел первые часы с маятником (1657) и во втором издании своей монографии «Маятниковые часы» (1673) исследовал ряд проблем, связанных с движением маятника, в частности нашел центр качания физического маятника.
3. Закрепление материала:
Учитель: Много интересной информации вы получили на уроке. Что наиболее запомнилось? Теперь проверим глубину усвоения материала, поработав в системе «Единица».
Что понимают под механическими колебаниями?
Какие виды колебаний вы знаете?
Какие колебания называются свободными? Их отличительная особенность?
Какие колебания называются вынужденными?
Какие из перечисленных колебаний являются свободными или вынужденными:
колебания листьев на деревьях во время ветра; биение сердца; колебания качелей; колебание груза на пружине; колебание струны после того, как её выведут из положения равновесия; колебания поршня в цилиндре; колебание шарика на нити; колебание травы в поле на ветру колебание голосовых связок.
Какие обязательные условия для возникновения механических колебаний?
Как изменится период колебаний маятника, если его перенести из воздуха в воду или в вязкое масло.
Как изменится период колебаний маятника с железным шариком, если под ним поместить электромагнит?
По какой траектории будет двигаться шарик математического маятника. Если нить оборвется в тот момент, когда шарик проходит положение равновесия?
Решить задачи №1,2,3. (слайд №19-22)
Учитель: Решить задачу. Определить период колебаний материальной точки, совершившей 50 полных колебаний за 20с.
Решить задачу: №859 (л) Ученики у доски решают задачи.
