22.2. Вивчення законів динаміки в школі.

І закон Ньютона: Існують такі системи відліку (інерціальні системи), відносно яких тіла, що рухаються поступально, зберігають свою швидкість сталою, коли на них не діють інші тіла, або їхня дія компенсується.. 

ІІ закон Ньютона: прискорення якого набуває тіло під дією сили, прямо пропорційне силі, обернено пропорційне масі тіла і має той самий напрям, що і сила:

ІІІ закон Ньютона: тіла взаємодіють одне з одним, з силами, які рівні між собою, за модулем, але направлені протилежно вздовж однієї прямої.

Ця тема вивчається в 10 кл після теми «Кінематика» тому мотивація може бути такою: кінематика вивчає конкретні механічні рухи тіл без урахування їхньої взаємодії з іншими тілами. Вона фактично з’ясовує найпростіші просторово-часові зайнятості, зокрема зміну координат тіла або матеріальної точки з плином часу. Тому кінематика називається геометрією руху. В механіці крім кінетичного опису рухів виникає необхідність встановлення причини зміни стану руху, для чого розглядається механічний рух тіл, на яке діють інші тіла, або що рухаються під дією прикладних до нього тіл. Такий аспект механічного руху вивчається в розділі механіки, що називається динамікою. В даному розділі вивчаються 3 закони Ньютона.

Закони динаміки Ньютона, справедливі для тіл , які можна встановити матеріальними точками, а також для поступального руху тіл. Вони справджуються в інерціальних системах відліку, які насправді є абстрактними.

Учні вже знайомі з даною темою із 7 класу, де вивчається поняття сили, маси, ознайомилися з графічним зображенням сил, вимірюванням маси.

Важливим етапом є АОЗ, що допоможе самому усвідомленню нового матеріалу. До кожного закону доречно проводити досліди.

22.3. На відстані 5 см один від одного у повітрі знаходяться два точкові заряди 100 нКл і 500 нКл. Визначити силу, що діє на точковий заряд 10 нКл, який розміщено на відстані 3 см від першого і 4 см від другого зарядів.

Дано: Розв’язання

З

F - ?

23.1. Механічні коливання в ідеальних і реальних системах. Характеристики коливань і їх зв'язок з параметрами системи. Резонанс.

Коливаннями або коливальними рухами називають такі види механічного руху чи зміни стану системи, які періодично повторюються в часі, наприклад, механічні коливання тіла на пружині, коливання маятників, коливання струн, вібрації фундаментів будівель, електромагнітні коливання в коливальному контурі.

За фізичною природою коливання поділяють на механічні та електромагнітні, за характером коливань - на вільні, вимушені та автоколивання. Хоча коливання досить різноманітні за своєю фізичною природою, але вони мають спільні закономірності й описуються однотипними математичними методами.

Механічні коливання - періодичне зміщення тіла то в один, то в другий бік відносно положення рівноваги.

Механічна система, в якій одне або декілька тіл можуть здійснювати коливальні рухи, називають коливальною системою.

Коливання, які відбуваються лише під дією внутрішніх сил, називають вільними. Щоб система виконувала ці коливання, треба вивести тіло з положення рівноваги, тобто надати коливальній системі енергію. При цьому рівнодійна всіх сил, що діють на тіло, має бути відмінною від нуля і спрямованою до положення рівноваги, в якому рівнодійна дорівнює нулю. Вільні коливання виникали б, якби не було впливу зовнішніх сил. Цього досягти неможливо, тому вільні коливання - це абстракція. Вони з часом стають затухаючими.

Виникла потреба в коливаннях під дією зовнішньої сили, що періодично змінюється, такі коливання називають вимушеними. Ці коливання здійснюють поршні в циліндрах двигунів, голка швацької машини тощо.

Ще одним видом незатухаючих коливань є автоколивання. Це коливання, які підтримуються внутрішніми джерелами енергії системи, коли не діє зовнішня періодична сила. Наприклад, настінний годинник з маятником або наручний механічний годинник - це механічні автоколивальні системи.

Коливання називають періодичними, якщо значення фізичних величин, які змінюються в процесі коливань, повторюються через однакові проміжки часу. Найпростішим прикладом періодичних коливань є гармонічні коливання, під час яких фізична величина змінюється з плином часу за законом: , або (1)

де - постійні величини, причому .

Найпростіший приклад гармонічного коливання - це коливання вздовж осі Ох проекції кінця радіуса-вектора точки, що рухається по колу радіуса А (рис.1). Якщо t = 0 радіус вектор ОВ утворює з віссю Оу кут , а за час t описує кут , так що в довільний момент часу .

У механічних коливаннях х - зміщення тіла (коливальної системи) від положення рівноваги. У СІ [x] = м; А - амплітуда - найбільше відхилення від положення рівноваги. Якщо коливання незатухаючі, то амплітуда не змінюється. У СІ [А] = м.

Мінімальний проміжок часу Т, через який повторюється певне значення змінної величини, що характеризує коливальну систему, називають періодом коливань. Або ж простіше: період - це час одного повного коливання. Якщо за час t відбулося N коливань, тоді . У СІ [Т] = c. Величину, обернену до періоду коливань Т, називають частотою коливань: . Частота показує скільки повних коливань здійснює коливальна система за одиницю часу. У СІ [] = 1 Гц = 1/с = с^-1.

Циклічна частота - величина, яка показує скільки коливань здійснює маятник за секунд. У СІ її вимірюють у герцах (Гц). Між частотою і циклічною частотою існує зв'язок: .

У рівняннях (1) вираз в дужках під знаком синуса або косинуса називають фазою коливань . Фаза коливань визначає при заданій амплітуді стан коливальної системи в довільний момент часу. У СІ цю величину вимірюють у радіанах (рад).

Якщо відлік часу в коливальній системі розпочати з моменту проходження тілом положення рівноваги, то коливання відбуваються за законом синуса, а якщо з точки максимального відхилення - то за законом косинуса. У формулах (1) - початкова фаза - показує, на якому етапі знаходився коливальний рух у момент початку відліку часу.

Вимушені коливання. Резонанс. Графік ідеалізованого власного коливання являє собою синусоїду або косинусоїду. Однак у будь-якій реальній коливальній системі, внаслідок неминучості дії сил тертя й опору, власні коливання згасають, тобто їх амплітуда зменшується з часом.

У природі і техніці дуже часто реалізуються не власні, а вимушені коливання, тобто коливання під дією зовнішньої (змушуючої) сили. Приклади: вимушені коливання здійснюють дерева і фрагменти споруд під натиском вітру; підлога машинного залу на заводі; міст під ногами людей, мембрана мікрофона та ін.

Вимушені коливання можуть бути незгасаючими, якщо зовнішня дія буде компенсувати зменшення енергії в системі, викликане дією сил тертя й опору.

Особливим проявом дії змушуючої сили є явище резонансу — стрімкого (різкого) зростання амплітуди вимушених коливань за умови збігу частоти власних коливань системи (або ) і частоти (або ), з якою змінюється змушуюча сила.

Приклад проявів руйнівної дії резонансу: руйнування підвісних мостів. Але резонанс може бути не тільки шкідливим. Приклади корисних проявів резонансу: підсилення звуку музичними інструментами (корпус гітари, міхи баяна), настроювання радіоприймача на частоту потрібної радіостанції.