Тема урока: Колебательное движение. Гармонические колебания. Энергия колебательного движения.

Цели урока: Сформировать знания у школьников о гармо­ническом колебании, о его частоте, амплитуде, периоде, фазе.

Продолжить обучение умению выделять главное, существенное в изучаемом материале.

С целью формирования диалектико-материалистического миро­воззрения показать общность колебательного движения для разных видов материи.

Методы обучения: Беседа. Сообщение учителя. Демонстрация опытов. Моделирование. Наблюдение. Обоб­щение наблюдения.

Литература: 1. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник для 10 класса средней школы. – М.: Просвещение, 1992.

2.        В.Г. Разумовский, Л.С. Хижнякова. Современный урок физики в средней школе. – М.: Просвещение, 1983.

3.    Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе. / Под ред. А. А. Покровско­го. — М.: Просвещение, 1978.

4.        Методика преподавания физики в 8 – 10 классах средней школы. Ч. 2/Под ред. В.П. Орехова, А.В. Усовой и др. – М.: Просвещение 1980.

5.        Основы методики преподавания физики в средней школе./Под ред. А.В. Перышкина. – М.: Просвещение, 1983.

Оборудование: Демонстрационное: шарик на длинной нити, груз на пружи­не, два шарика на нитях равной длины, тележка, пружина, диск, шарик на стерж­не.

Структура урока: 1. Организационный момент………………………2 мин.

2. Изложение и закрепление нового ма­териала…………40 мин.

                План: 1) Характерные признаки колебатель­ного движения.

2) Амплитуда, период, частота гармо­нических колебаний.

3) Скорость и ускорение при колебательном движении.

4) Энергия колебательного движения.

 3. Задание на дом…………………………………………3 мин.

Ход урока.

1.Организационный момент.

1)      Приветствия учащихся.

2)      Сообщение темы и целей урока.

2. Изложение и закрепление нового ма­териала

Характерные признаки колебатель­ного движения.

Учитель. Мы начинаем изучать колебательное движение. (Привожу в колебательное движение тела: груза на пружине, груза на нити, тележки скрепленной с пружиной). Какой при­знак является наиболее характерным для всех этих движений?

Ученик. Тела движутся то в одну, то в другую сторону. Движения тел повторяются.

Учитель. Правильно. Все эти тела совершают периодически повторяющиеся движения около среднего положения, колеблются.

(Привожу в движение диск с шариком на центробежной машине.)

Можно ли это движение назвать колебательным?

Ученик. Нельзя. Нет среднего положения.

(В классе гасится свет и включает фонарь.)

Учитель. А движение тени шарика колебательное?

Ученик. Тень колеблется.

Учитель. В рассмотренных примерах колебания — про­цессы, повторяющиеся через одинаковые промежутки времени от­носительно среднего положения. Часто ли мы встречаемся с коле­бательным движением? Очень часто. Это одно из самых распростра­ненных движений. Колеблются мосты, когда по ним проходят поез­да; части работающих машин; голосовые связки, когда мы говорим. Тепловое движение молекул твердых кристаллических тел тоже колебательное. Иногда колебания полезны, и тогда их используют для практических целей, иногда — вредны, и тогда принимают ме­ры для их уменьшения или устранения. Когда мы закончим изу­ченье механических колебаний, то перейдем к электромагнитным колебаниям, которые используются в радиотехнике и телевидении. При изучении оптики вы узнаете, что свет — это электромагнитные колебания. Механические и электромагнитные колебания описы­ваются одними и теми же уравнениями, хотя и имеют совершенно разную физическую природу. Это обстоятельство еще раз указывает нам на единство материального мира. Следовательно, почти весь следующий год мы будем заниматься изучением колебаний. Начнем изучение с механических колебаний.

Амплитуда, период, частота гармо­нических колебаний.

Колебательное движение характеризуется амплитудой, т. е. максимальным смещением от положения равновесия. (Показываю на примерах см. рис. 1, груз на вертикально подвешенной пру­жине укреплен на классной доске, чтобы нагляднее показать и измерить амплитуду колебания) и записываю на доске: «А — амплитуда».)

Период Т — минимальный промежуток времени, через который движение тела полностью повторяется, или промежуток, в течение которого происходит полное колебание. (Показываю на одном из приборов, что такое полное колебание, и пишу на доске: «Т — пе­риод».) Величина, обратная периоду, — частота, т. е. число коле­баний в секунду. (Записываю на доске: « n — частота».)                     Рис. 1.

Каково соотношение между периодом и частотой? (Постепенно изменяю длину нити маятника. Нить перекинута через кольцо, закрепленное в штативе) Как изменяются период и частота?

Ученик. Уменьшается период и увеличивается частота.

Учитель. Если частота 2 с^-1, чему равен период, т. е. сколь­ко времени продолжается полное колебание?

Ученик. 1/2 с.

Учитель. Если период равен 1/4 с, чему равна частота, т. е. сколько колебаний совершается за 1 с?

Ученик. 4 колебания.

Учитель. Следовательно, период и частота — величины взаимно обратные.

   и   .

Скорость и ускорение при колебательном движении.

Учитель. Ребята, а как изменяется ли скорость и ускорение при колебательном движении?

Ученик. Должны изменятся. Ведь это движение является повторяющимся, т.е. в некоторые моменты времени повторяются не только координаты тела, но и его скорость и ускорение.

Учитель. Действительно, в точках максимального отклонения от положения равновесия (х=А и х=-А) скорость равна нулю – в этих точках тело на мгновение останавливается, чтобы начать движение в обратном направлении. В точках равновесия скорость максимальна. Ускорение, наоборот в точке равновесия равно нулю, потому что в этой точке сила равна нулю. В точках же  максимального отклонения от положения равновесия (х=А и х=-А) ускорение равно наибольшему значению.

Энергия колебательного движения.

Учитель. Определимся теперь, как изменяется энергия колебательного движения. Мы видели, что если тело, при­крепленное к пружине, было перво­начально отклонено от положения равновесия на расстояние А, на­пример, влево, то оно, пройдя через положение равновесия, откло­нится вправо. И мы утверждали, что и вправо оно отклонится на расстояние А. Но откуда это сле­дует? Почему отклонения вправо и влево при колебаниях непременно должны быть одинаковыми? Это, оказывается, следует из закона со­хранения энергии.

Из предыдущей главы мы знаем, что потенциальная энергия сжатой или растянутой пружины равна , где k—жесткость пружины и x — ее удлинение. В нашем при­мере (см. рис. 151) в крайнем левом положении удлинение пружины х=-А, следовательно, потенциальная энергия равна - . Ки­нетическая энергия в этот момент равна нулю, потому что нулю равна скорость. Значит, потенциальная энергия  это полная механи­ческая энергия системы в этот момент.

Так как мы условились, что си­ла трения равна нулю, а другие силы уравновешены, то нашу систему можно считать замкнутой и ее полная энергия при движении не может измениться. Когда тело при своем движении окажется в край­нем правом положении (х=А), его кинетическая энергия снова будет равна нулю и полная энергия опять равна потенциальной. А пол­ная энергия не может измениться.

Значит, она снова равна. Это и означает, что и вправо тело отклонится на расстояние, равное А.

В положении равновесия, на­против, потенциальная энергия рав­на нулю, потому что х=0 (пружина не деформирована!) В этом поло­жении полная энергия тела равна его кинетической энергии , где т — масса тела и V_m— его скорость (она в этот момент максимальна). Но эта кинетическая энергия тоже должна иметь значение, равное .

При колебательном движении происходит, следовательно, превра­щение кинетической энергии в потен­циальную и обратно. В любой же точке между положениями равно­весия и максимального отклонения тело обладает и кинетической энер­гией и потенциальной, но их сумма, т. е полная энергия в любом положении тела, равна . Полная механическая энергия W колеблю­щегося тела пропорциональна квад­рату амплитуды его колебаний: W=.

Из закона сохранения энергии следует  интересное  соотношение между амплитудой колебаний А и максимальной скоростью V_m ко­леблющегося тела (оно нам будет необходимо в дальнейшем).

Как мы видели, = отсюда  =, или =.

Учитель. На этом изучение новой темы закончим. У кого есть ко мне вопросы?

Ученики. Нет.

Учитель. Тогда проведем закрепление пройденного материала. Отвечайте на мои вопросы. Какое движение называется колебательным?

Ученик. Колебания — про­цессы, повторяющиеся через одинаковые промежутки времени от­носительно среднего положения.

Учитель. Верно. А что называется периодом колебания.

Ученик. Период Т — минимальный промежуток времени, через который движение тела полностью повторяется, или промежуток, в течение которого происходит полное колебание.

Учитель. Что такое частота колебаний? В чем она измеряется?

Ученик. Величина, обратная периоду, — частота, т. е. число коле­баний в секунду, а измеряется она в герцах.

Учитель. В какой точке траектории тело обладает только кинетической энергией?

Ученик. В точке равновесия, поскольку в данной точке сила упругости пружины равна нулю.

Учитель. Чему равна полная энергия колеблющегося тела в произвольной точке траектории?

Ученик. Чему равна полная энергия колеблющегося тела равна

W=  или  W=. (Выходит к доске и записывает эти формулы.)

Учитель. Таким образом, мы изучили некоторые характеристики гармо­нического колебания (амплитуда, фаза, частота, период); убедились что при гармонических колебаниях координата тела, скорость, уско­рение изменяются в зависимости от времени. Рассмотрели также изменение во времени значений кинетических энергий тела и потенциальной энергии пружины.

3. Задание на дом

 За хорошую работу на уроке следующие ученики получили оценки (перечисляю учеников получающих оценки). А теперь откройте дневники и запишите задание на дом: § 54, § 55, Повторить § 15,16 о движении тел по окружности.