Наибольший интерес при изучении вынужденных колебаний представляет явление резонанса. На той же установке (см. рис.7) наблюдают резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний в случае, когда частота вынуждающей силы приближается к собственной частоте колебаний  системы. Такое возрастание амплитуды при совпадении собственной частоты колебаний и частоты вынуждающей силы называют резонансом. Если на той же установке продолжать и дальше увеличивать частоту вынуждающей силы, то можно показать, что амплитуда вынужденных колебаний начинает уменьшаться - при очень высоких частотах из-за инертности системы она может стать очень малой. Необходимо остановиться на причинах резкого возрастания амплитуды при резонансе. На той же установке можно показать, что при резонансе сила и смещение в любой момент времени совпадают по направлению. Это означает, что вынуждающая сила в течение периода совершает максимальную положительную работу, так как, совпадая по направлению со смещением тела, она все время «подталкивает» его, максимально раскачивая систему. Энергия источника расходуется на преодоление сопротивления и увеличение амплитуды. Но с ростом амплитуды колебаний возрастает сила сопротивления, поэтому все большая часть энергии расходуется на ее преодоление. При резонансе амплитуда достигает такого значения, что энергия, которая продолжает поступать от источника в систему, целиком расходуется на преодоление сопротивления. Таким образом, амплитуда при резонансе зависит от значения сопротивления в системе. С помощью нескольких нитяных маятников, подвешенных на деревянной планке (желательно на бифилярных подвесах), целесообразно продемонстрировать резонанс при совпадении собственной частоты колебаний одного из маятников с частотой колебаний маятника, выступающего в качестве вибратора (маятники берут такой длины, чтобы, по крайней мере, по два из них были одинаковы). Можно использовать и систему попарно одинаковых между собой п ружинных маятников, подвесив их на резиновом шнуре или трубке. При этом демонстрируют передачу энергии через упругую связь всем маятникам и отмечают, что резонанс наблюдается для того маятника, который имеет те же параметры Рис.11.9 (массу груза и жесткость пружины), что и вибратор. Резонанс можно демонстрировать с помощью метронома и нитяного маятника (рис.11.9). Нитяной маятник нитью соединяют с маятником метронома. На опыте наблюдают, что при совпадении собственной частоты колебаний нитяного маятника и маятника метронома амплитуда колебаний нитяного маятника максимальна. Для домашнего эксперимента можно предложить пронаблюдать резонанс водной массы в тарелке: если тарелку быстро перемещать вправо-влево по столу, масса воды остается сравнительно спокойной, если же перейти на более медленные колебания, то для некоторой частоты вода станет переливаться через край - всплески усилятся. При еще более медленных колебаниях тарелки всплески воды опять уменьшаются. Особое внимание следует уделить учету и использованию резонансных явлений в жизни. Приводят примеры вредного влияния резонанса (разрушение опор под неуравновешенными конструкциями, например, под плохо центрированным двигателем, при работе которого в опорах возбуждаются вынужденные колебания и др.), указывают основные пути предотвращения резонанса - изменение собственной частоты колебаний системы и использование демпферов - гасителей колебаний. Рассматривая использование резонанса, целесообразно ознакомить школьников с принципиальным устройством и работой резонансного тахометра, с проблемой измерения собственных частот деталей конструкций, например, самолетов. Целесообразно использовать также фрагменты из видеофильма «Резонанс», где показано как разрушительное действие резонанса, так и его полезное применение в технике. Механические волны И зучение механических волн начинают с формирования общих представлений о волновом движении. Состояние колебательного движения передается от одного колеблющегося тела к другому при наличии связи между ними. Это демонстрируют сначала на двух связанных маятниках (рис.11.10), затем на связанных между собой колебательных системах разной конструкции (рис.11.11).  рис.11.10 Рис. 11.11 Природа связи может быть различной. Для приведенных конструкций она является упругой - колебания передаются от одного маятника к другому, благодаря силам упругости. Школьникам из базового курса физики известно, что между частицами твердого тела, жидкости, газа действуют силы упругости. Распространение волн в среде демонстрируют на цепочке шариков, связанных друг с другом пружинами, или цепочке маятников на бифилярных подвесах, также соединенных пружинами. На первой модели удобнее демонстрировать распространение продольных волн, на второй - распространение как продольных, так и поперечных волн. Ребятам показывают, что если на первый шарик подействовать периодической внешней силой, направленной вдоль цепочки, то в колебательное движение придут и все последующие шарики с той же частотой вдоль той же прямой, но колебание каждого из них будет запаздывать по сравнению с колебанием предыдущего шарика. Таким образом, можно смоделировать распространение продольных упругих волн, при этом школьники наглядно видят, что распространение продольной волны в среде сопровождается образованием сгущений и разрежений вдоль направления ее распространения. Аналогично показывают образование поперечной волны на цепочке связанных нитями маятников. Поперечные и продольные волны демонстрируют и с помощью волновой машины, но делать это целесообразнее после того, как будут показаны описанные выше опыты, так как на этой машине труднее наглядно раскрыть механизм образования волн. Волновой машиной лучше воспользоваться при закреплении материала или введении понятия длины волны. После ознакомления с поперечными и продольными волнами учащимся предлагают самим выделить характерные черты волнового движения - в пространстве происходит передача энергии, сами же колеблющиеся частицы не перемещаются, переноса вещества в волне не происходит. Это можно показать не только на приведенных выше установках (см. рис.9 и 10), но и на резиновом шнуре, на поверхности воды в волновой ванне, если разместить в ней несколько поплавков и возбудить волну с помощью вибратора.
Достарыңызбен бөлісу: |
