Колебательное движение - МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ - КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ

Идея изучения колебаний и волн разной природы в одном разделе существует давно. В новом издании учебника она также реализована. При чётком разделении природы рассматриваемых явлений единообразное их описание даёт преимущество в формировании умений школьников. Авторы учебника особо подчёркивают, что в физике разработаны достаточно универсальные модели описания явлений. Умение их использовать — во многих случаях залог успеха. К таким моделям относится математическая модель колебательного движения — дифференциальные уравнения колебаний. Идею и логику использования этой модели школьники могут усвоить. Помимо этого, при изучении всех тем раздела сохраняется общий подход к рассмотрению физических явлений (табл. 9).

Таблица 9

Все физические явления происходят с какими-либо физическими объектами и в итоге проявляются в движении (изменении состояния) этих объектов. После выделения, а таким образом, и определения явления необходимо указать его характеристики — физические величины, принципы, модели, законы, теории. Можно описать явление в целом, можно это сделать более точно (что, естественно, труднее). Но нет абсолютно точного знания в физике. Всё имеет свои границы применимости.

Общая установка для формирования мотивации учения такова: для чего же нужны физические знания, порой такие сложные? (Ответ. Для понимания мира, в котором мы живём, для формирования умений видеть и решать различные проблемы; изученные понятия и законы можно применять во многих сферах жизни.)

Глава III. МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ

Механические колебания — частный случай механического движения. Модель колебательного движения весьма распространена, и не только в физике. В теме изучаются общие закономерности колебательного движения на конкретном (и наглядном) примере. Особое значение при разработке методики имеют задачи пропедевтики изучения темы.

Тема небольшая, поэтому мало манёвра при планировании уроков. В условиях дефицита времени, по-видимому, следует вместо шести уроков ограничиться четырьмя. Они строятся по логике: а) виды колебательного движения, их феноменологические свойства; б) модели колебательных систем, характеристики колебаний, уравнение движения; в) прикладные задачи. В таблице 10 расшифровано содержание темы по этапам цикла познания.

Таблица 10

Механические колебания

При отборе содержания уроков учитель должен в равной мере использовать как теоретический, так и экспериментальный методы изучения явлений, показать их взаимосвязь и взаимодополняемость. Так, например, экспериментально измерив длину математического маятника, можно теоретически рассчитать период его колебаний. Принципиально важную роль играет не столько изучение идеальных колебательных систем, сколько исследование реальных систем природы и техники. Необходимо подчёркивать, что в итоге на основе законов науки познаётся окружающий мир.

Урок 1. Колебательное движение

Задачи урока: дать определение колебательного движения; познакомить с видами колебаний; повторить понятие о физической системе и дать примеры колебательных систем; ввести представление о кинематических характеристиках колебаний; продолжить формирование умений выделять, наблюдать и описывать механические колебания физических систем.

План урока

Этапы урока	Время, мин	Приёмы и методы
I. Организационное введение: постановка целей изучения темы, план работы на уроке	1—2	Сообщение учителя
II. Изучение нового материала	20—25	Рассказ учителя. Демонстрация опытов. Работа с учебником
III. Отработка изученного материала	10—15	Самостоятельная работа. Эксперимент
IV. Подведение итогов. Домашнее задание	3—5	Фронтальное повторение. Запись на доске

I. Введение.

II. В основной части урока учитель кратко излагает новый материал, демонстрирует три наиболее распространённые колебательные системы (рис. 44), с помощью беседы вводит и сразу же закрепляет основные понятия (см. табл. 11). Обратимся к организации изучения нового материала.

Таблица 11

Свойства колебаний	Характеристики колебаний
Пространственная ограниченность движения	А — амплитуда, т. е. максимальное отклонение тела (материальной точки) от положения равновесия; х — координата материальной точки; траектория — отрезок прямой линии, окружность и т. п.
Периодичность движения	Т — период, т. е. время одного колебания; v — частота, т. е. число колебаний за 1 с; λ — длина волны
Свободные колебания — незатухающие	Изменение координаты с течением времени
Неравномерность движения	Изменение скорости, т. е.	Изменение ускорения, т. е.

1. Изучение нового материала можно начать с вопроса: какое движение называют механическим? После ответа учитель демонстрирует колебание пружинного маятника и задаёт вопросы: можно ли назвать наблюдаемое явление механическим движением? Почему? Затем, после первичного определения явления, следует краткий рассказ о распространённости колебательного движения в природе: колеблются деревья, ветки и листья, струны гитары, руки человека при ходьбе и т. п.

2. Каковы виды колебаний и каковы характерные особенности колебательного движения, каковы основные кинематические характеристики механических колебаний — учебные проблемы урока.

Изучение любого явления начинается с выделения объекта, движение которого определяет явление. Учитель даёт определение физической системы из учебника (с. 53), а далее конкретизирует: физическая система, в которой происходят колебания, получила название колебательной системы. Приводят примеры таких реально существующих систем: металлическая линейка, один конец которой зажат в тисках; шарик в чаше; гиря, подвешенная на нити.

На примерах знакомят со свободными и вынужденными колебаниями.

3. В науке для изучения явлений строят модели. В частности, для изучения колебаний используют две распространённые модели колебательных систем — математический маятник и пружинный (горизонтальный или вертикальный) маятник (рис. 44, а, б). По определению математический маятник — это материальная точка, подвешенная на невесомой и нерастяжимой нити. Вопросы для обсуждения: что такое модель? Зачем нужны модели? Есть ли модели в природе?

На примере одного из маятников выделяют особенности механических колебаний, вводят их характеристики. Заполняют или комментируют таблицу 11. Подчеркнём, что это лишь первичное введение характеристик колебаний. Вопросы для организации беседы: как изменяется координата тела (материальной точки) при его колебательном движении? Как определить амплитуду колебаний? Как экспериментально определить период колебаний? Какие характеристики колебаний остаются постоянными за всё время движения? Почему свободные колебания называют идеальными?

Как экспериментально получить график изменения положения тела с течением времени? Для ответа в зависимости от условий демонстрируют “механическую” (рис. 3.9 учебника) или “электрическую” осциллограмму (рис. 45). В последнем случае обсуждают вопросы: каково условие возникновения колебаний плоского маятника? Как происходит превращение механических колебаний керамического магнита в электрические колебания, регистрируемые осциллографом? Как в математике называют график свободных колебаний? Что можно сказать об амплитуде наблюдаемых колебаний? Оборудование: осциллограф, дроссельная катушка с сердечником, металлическая линейка с керамическим магнитом на конце, провода, штатив.

III. Формирование представлений продолжается при решении фронтальных экспериментальных задач.

Вариант I (или ряд I)

1. Пронаблюдайте колебания груза, подвешенного на резиновом шнуре (пружине).

2. Определите траектории движения тела, направления скорости в двух-трёх точках (рисунок выполняется в тетрадях).

3. Докажите, что движение груза происходит с переменным ускорением.

4. Определите амплитуду колебаний, укажите причину её изменения.

Вариант II

Аналогично для математического маятника.

IV. Подведение итогов урока организуют в виде фронтального повторения: какое движение называют колебаниями? Охарактеризуйте движение математического (пружинного) маятника по плану: движущийся объект; траектория, скорость, ускорение; причина движения (пропедевтика учебной проблемы следующего урока).

Домашнее задание: § 13; упр. на с. 58 (ЕГЭ).