Физика 9 класс.
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
Vm— 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 Vm 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.
Напишите мне: demkin-nik@yandex.ru ICQ: 276-807-301 E-mail школы: stshkola1@mail.ru
