Вынужденные колебания. Резонанс - МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ - КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ

Задачи урока: ввести понятие о вынужденных колебаниях; изучить условия и характеристики резонанса; познакомить с применением резонанса в технике; систематизировать знания о видах колебаний и средствах их описания.

Ход урока

I. Может ли колебательное движение механической системы быть вечным? С этого вопроса начинается повторение материала.

В окружающей нас природе мы не наблюдаем “вечных” (т. е. свободных) колебаний. Понятно, что это идеальные колебания. Они возможны лишь в замкнутой механической системе, но в природе таких идеальных систем нет.

Как влияет на колебания системы превращение части её механической энергии во внутреннюю — первая учебная проблема урока.

Почему колебания маятника с течением времени затухают? (Ученик демонстрирует один из возможных случаев.) Обсуждают вопросы: как меняется колебательное движение маятника с течением времени? Остаётся ли постоянной полная механическая энергия маятника? Как доказать, что она уменьшается? В какую энергию и энергию каких тел переходит механическая энергия колебаний? Какие аргументы можно привести в пользу такого предположения? В результате какого процесса это происходит? (Учитель обращает внимание школьников на нагревание подвеса качелей, на разрушение верёвочного подвеса и т. п.)

Какие ещё силы трения могут действовать на маятник? Учитель демонстрирует опыт (рис. 49).

II. Далее следует переход к решению основной учебной проблемы: как влияют на колебания системы действия внешних тел? Приведём последовательность изложения материала.

1. Кратковременное действие может увеличить или уменьшить амплитуду колебаний, что равносильно одноразовому сообщению энергии системе. Примеры таких случаев: мальчик подтолкнул друга, качающегося на качелях; при прохождении положения равновесия мальчик на качелях задел ногой землю; по колеблющемуся телу щёлкнули линейкой.

Иногда кратковременное воздействие может привести к прекращению колебаний. Демонстрируют опыт.

2. Внешнее действие периодично. В этом случае система совершает колебания с частотой внешней силы. Такие колебания называют вынужденными.

Затем обсуждают вопрос: зависит ли амплитуда колебаний маятника от частоты изменения внешней силы?

Для ответа на вопрос проще всего обратиться к известному опыту (рис. 50). Внешнее периодическое действие осуществляет маятник 2 при своём движении — раскачивает подвес. Последовательность выполнения опыта: маятники 1, 3, 4 приводятся в колебательное движение с небольшими одинаковыми амплитудами, затем “включается” действие внешней силы. Следуют вопросы: одинакова ли амплитуда колебаний маятников? У какого маятника она наибольшая? Можно ли определить частоту внешней силы? Какова собственная частота колебаний маятника 4? Какой можно сделать вывод? (Ответ. Максимальная амплитуда колебаний возникает в случае, когда частота внешней силы совпадает с частотой собственных колебаний маятника.)

Учитель формулирует общий вывод: явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний маятника при совпадении частоты изменения внешней силы с частотой свободных колебаний называется резонансом.

3. С помощью учебника выясняют ответы на вопросы: как зависит амплитуда собственных колебаний от частоты внешней силы? Как объяснить возрастание амплитуды колебаний при частоте резонанса v_р? Почему при увеличении трения амплитуда колебаний уменьшается (кривая 2 на рисунке 3.12 учебника)?

4. С помощью таблицы 12 школьник делает доклад о применении резонанса в технике.

Таблица12

Роль резонанса в технике и быту

Положительная	Отрицательная
Вибраторы	Действие ветра на провода и опоры высоковольтных линий
Частотометр	Разрушение фундаментов машин и механизмов, разрыв болтов при работе двигателей
Раскачивание качелей	Звон посуды в шкафу, вибрация оконных стёкол при движении тяжёлых машин по мостовой, раскатах грома и т. п.

III. Рассматривают решение следующих задач: пример № 2 (с. 66 учебника); П., № 640.

IV. Подведение итогов урока, выделение главного и установление связи с ранее изученным материалом организуется с помощью таблицы 13. Дополнительно приводят примеры проявлений явления в природе и технике.

Таблица 13

Виды колебательного движения

Виды колебаний	Характеристики
	Физические величины	График
Свободные (идеальные)	v = const А = const
Затухающие	v = const А уменьшается
Вынужденные	vкол = vвн. силы А возрастает А = const
Резонанс	vсоб = vвн. силы А возрастает

Домашнее задание: § 16; упр. на с. 68 (4); индивидуально - упр. на с. 73 (4, 5).