Резонанс - Колебания и волны

Цели: ознакомиться с явлением резонанса; изучить физическое содержание этого явления.

Демонстрации: установка для демонстрации резонанса пружинного маятника (см. учебник, с. 50); установка для демонстрации резонанса нитяного маятника (см. учебник, рис. 39); плакаты на тему «Резонанс в технике».

Ход урока

I. Анализ итогов лабораторной работы

Перед началом объяснения новой темы нужно подвести итоги выполнения лабораторной работы. При этом внимание учащихся нужно привлечь к типичным ошибкам в работе. Обычно это ошибки в арифметических преобразованиях, небрежность в оформлении и формально сделанные выводы по работе.

II. Изучение нового материала

План изложения нового материала:

1. Понятие резонанса.

2. Демонстрация явления резонанса.

3. Роль явления резонанса в технике; доклады учащихся.

1. Изложение нового материала можно увязать с уже изученным ранее: вынужденные колебания позволяют создавать незатухающие колебательные системы.

Ранее уже было показано, что амплитуда вынужденных колебаний зависит от частоты действия внешней силы. Показав зависимость амплитуды колебаний от частоты вращения рукоятки на установке (см. учебник, с. 50), наблюдаем, что амплитуда возрастает по мере того, как частота вращения рукоятки приближается к собственной частоте пружинного маятника.

Если v = v_coбст, наблюдается наибольшая амплитуда колебаний. Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний называется резонансом.

Резонанс наступает, когда частота действия внешней силы совпадает с частотой собственных колебаний в системе:

v= v_coбст

С энергетической точки зрения максимальной амплитуде соответствует максимальная энергия в системе. Это значит, что при v = v_co6cr внешняя сила совершает самую большую полезную работу.

График зависимости амплитуды от частоты называется резонансной кривой (рис. 110). На рисунке представлены две резонансные кривые для двух систем с одинаковыми собственными частотами.

- Почему в системах разные амплитуды при резонансе?

Понятно, что поступающая энергия в систему используется по-разному. В системе II сила трения заметно меньше, чем в системе I. Поэтому и пополнение полной энергии системы происходит по-разному.

2. Далее можно продемонстрировать резонирование нитяного маятника.

Запустив маятник 1, мы заставим периодически деформироваться рейку, к которой прикреплены нити других маятников. Через некоторое время мы увидим, что маятник 6 будет совершать колебания с наибольшей амплитудой, чем остальные маятники. Это объясняется тем, что v₁ = v₆. Система начинает резонировать.

3. Говоря о применении резонанса, следует сказать, что в отдельных случаях системы должны резонировать, а в других случаях этого нельзя допускать.

На принципе резонирования работает язычковый частотомер. Прикладывая небольшие усилия, раскачивают тяжелые языки колоколов.

Если частота собственных колебаний больших сооружений (мосты, телебашни) совпадает с частотой действия внешней силы, то может произойти разрушение конструкции. Такие случаи уже были в истории - разрушение моста во Франции строем солдат, шедших в ногу.

При движении поезда по мосту специально выбирают такую скорость, чтобы частота ударов колес о стыки рельсов была отлична от собственной частоты моста.

Заранее подготовленные ученики делают сообщения о роли явления резонанса в технике и быту.

Подводя итог урока, важно заметить, что явление резонанса неизбежно всегда присутствует в тех системах, где реализованы вынужденные колебания.

Домашнее задание

1. § 20 учебника; вопросы и задания к параграфу.

2. Задачи и упражнения (учебник, с. 126) № 104-105.