Опыт № 1 . З а п и с ь г а р м о н и ч е с к и х к о л е б а н и й .

а) Для записи применяют самодельный прибор. С помощью двух нитей на штати­ве подвешивают воронку. Под ней пере­мещается тележка, либо длинная полоска бумаги. Колебания воронки совершаются поперек движения тележки. Вначале тележку устанавливают так, чтобы во­ронка оказалась у ее края. Прикрыв от­верстие воронки пальцем, заполняют ее песком. Воронку отводят от положения равновесия на 5-10 см и отпускают. За­тем равномерно перемещают тележку, либо полоску бумаги. Чтобы синусоида получилась удовлетво­рительной, необходимо приобрести опре­деленный навык равномерного движения тележки. Для того, чтобы полученная картина могла быть показана всему классу, полоску бумаги необходимо смочить при помощи мокрой губки. Для лучшего понимания учениками сути данного опыта учитель должен объяснить, что равномерное движение ленты моделирует равномерность течения времени, а каждая песчинка отмечает координату колеблющегося тела в данный момент времени.

б) Собирают следующую установку:

В лапке штатива укрепляют камертон (вибратор) с керамическим магнитом у основания. Камертон располагают так над дроссельной катуш­кой, чтобы он не касался ее сердечника при своих колебаниях. На вход "У" осциллографа подается сигнал с 3600 витков. Ударив по камертону молоточком, на экране осциллографа наблюдают синусоиду. В процессе подготовки демонстрации выразительной картины добиваются с помощью ручек развертки. Объясните для себя роль керамического магнита и роль катушки индуктивности в этом опыте.

ОПЫТ № 2. П е р и о д к о л е б а н и й н и т я н о г о м а я т н и к а .

На нити подвешивают шарик, ее конец придерживают рукой. Сооб­щают маятнику колебательное движение и, когда он проходит положение равновесия, немного подтягивают нить. Частота колебаний маятника за­метно увеличивается. После 3-4 полных колебаний снова уменьшают длину маятника, частота колебаний становится еще больше. Не дожидаясь зату­хания колебаний, нить отпускают до первоначальной длины и наблюдают восстановление прежней частоты. Приходят к выводу, что период колеба­ний зависит от длины маятника.

Для установления количественных соотношений штатив с маятником устанавливают на краю стола. Шарик опускают ниже крышки стола, чтобы длина маятника от точки подвеса до центра шарика была равна 100 см. Маятник отводят немного в сторону и отпускают. В момент, когда он проходит крайнее положение, включают секундомер и измеряют время 10 полных колебаний. Определяют период колебаний. Опыт повторяют, умень­шив длину маятника до 25 см, т.е. в 4 раза, и убеждаются, что период колебаний уменьшился в два раза. Из результатов проведенного опыта делают вывод: период колебаний маятника прямо пропорционален корню квадратному его длины.

Чтобы показать зависимость периода колебаний от ускорения, надо иметь возможность изменять это ускорение. Для этого под железным шариком помещают электромагнит.

Подбирают длину маятника такой величины, чтобы шарик в положе­нии равновесия отстоял от сердечника электромагнита на расстояние 5-7 мм и не прикасался к нему при включении тока. Сообщают шарику колеба­тельное движение с малой амплитудой при разомкнутой цепи электромаг­нита. После нескольких колебаний включают ток в момент, когда шарик проходит положение равновесия. Период колебаний уменьшается, что позволяет сделать вывод о зависимости периода колебаний математического маятника от ускорения.

ОПЫТ № 3 . П е р и о д к о л е б а н и й п р у ж и н н о г о м а я т н и к а .

Держатель с пружиной укрепляют в лапке штатива. К концу пружи­ны подвешивают груз массой 400 г. Маятник приводят в вертикальное ко­лебание. В один из моментов, когда маятник проходит положение равно­весия, включают секундомер и измеряют время 10 полных колебаний.

К пружине подвешивают груз массой 100 г и снова определяют пе­риод колебаний, который становится в два раза меньше. Уменьшают длину пружины, подвешивают груз 400 г и снова определяют период колебаний. Он оказывается меньше. Делают вывод, что период колебаний пружинного маятника прямо пропорционален квадратному корню из числа витков пру­жины, т.е. период обратно пропорционален квадратному корню из коэффи­циента упругости пружины.

Для определения коэффициента упругости пружины в первом и третьем случаях измеряют с помощью линейки абсолютные удлинения пру­жины при действии силы в 4 Н.

ОПЫТ № 4 . В ы н у ж д е н н ы е к о л е б а н и я . Р е з о н а н с .

Между штативами натягивают нить длиной 1-1,5 м. К нити подвешивают 4 шара как показано на рисунке. Крайний левый шар служит вибратором, остальные - резона­торами. При демонстрации опыта приво­дят вибратор в колебание и наблюдают за поведением остальных маятников. Убеждаются, что через некоторое время амплитуда резонатора с такой же длиной будет наибольшей по сравнению с други­ми. Обращают внимание на сдвиг фаз колебаний между вибратором и резонатором.

При демонстрации опытов нить между штативами должна быть натянута слабо.

ОПЫТ № 5 . А в т о к о л е б а н и я .

Собирают установку по рисунку. К пружине подвешивают груз мас­сой 300 г (цилиндр от ведерка Архимеда). Между грузом и вибратором должен быть электрический контакт, когда груз находится на расстоянии более 2 см от электромагнита (им служит дроссельная катушка с желез­ным сердечником).

Электрическая цепь замыкается через электромагнит, штатив, пружину, вибратор и лампу. При демонстрации опыта обращают внимание на периодическое включение тока в определенные моменты. Учитель должен обратить внимание учащихся на составные части автоколебательной системы: источник энергии, колебательная система, элемент положительной обратной связи, регулятор поступления энергии.

ОПЫТ № 6 . П р и м е н е н и е м а я т н и к а в ч а с а х .

Механические автоколебания демонстрируют на модели часов. Вна­чале показывают основные части механи­ческой автоколебательной системы: собственно колебательную систему (ма­ятник), источник энергии, поддерживающий незатухающие колебания (гирю), и приспособление, регулирующее поступле­ние энергии в колебательную систему (храповое колесо с анкерной вилкой). Заводят часы, поднимая гирю на некоторую высоту, и показывают, что при любом начальном отклонении маятни­ка амплитуда его колебаний через некоторое время достигает определенной величины, и после этого остается пос­тоянной. Величина амплитуды определяется с одной стороны величиной энергии, поступающей от источника (гири), а с другой - расходом ее на преодоление различных сил сопротивления.

При установившихся колебаниях количество энергии, расходуемое маятником за один период, равно количеству энергии, поступающей за это же время от источника. Такие стационарные, незатухающие колебания, под­держивающиеся в системе за счет энергии постоянного источника, называют автоколебаниями.

Далее изменяют частоту колебаний маятника, перемещая груз на стержне. При этом устанавливают, что частота автоколебаний не зависит от внешних условий, как это наблюдается в случае вынужденных колебаний. Она определяется приведенной длиной маятника.

ОПЫТ № 7. И с т о ч н и к и и п р и е м н и к и з в у к а .

Оборудование: звуковой генератор, осциллограф, микрофон, громкоговоритель, камертон на резонирующем ящике, резиновый молоточек, усилитель низкой частоты, провода.

Вначале демонстрируют источники свободных колебаний - звучание камертона. Звучащий камертон сначала держат в руке, затем ставят ножкой на крышку стола и, наконец, помещают на резонаторный ящик. Учащиеся совер­шенно отчетливо замечают разницу в громкости звучания во всех трех слу­чаях.

Затем демонстрируют наиболее распространенные в настоящее вре­мя электроакустические излучатели - динамический громкоговоритель (ди­намик). Его подключают к звуковому генератору и заставляют звучать на различных частотах. Обращают внимание учащихся, что диффузор громкого­ворителя лишь воспроизводит колебания, к которым его вынуждает перемен­ный ток звуковой частоты.

Из приемников звука демонстрируют динамический микрофон. Его включают на вход усилителя низкой частоты и располагают подальше от громкоговорителя. К микрофону подносят какой-либо источник звука (нап­ример, звучащий камертон). Учащиеся слышат громкий звук того же тона. Показывают, что вместо микрофона можно использовать динамик (явление обратимости).

Для получения графика колебаний любого источника звука исполь­зуется электронный осциллограф. На вход "У" осциллографа подается сиг­нал от микрофона. Переключатель ставят в положение "5В", диапазон раз­вертки - в положение 30. Перед микрофоном устанавливают звучащий камер­тон на резонаторном ящике и, пользуясь регулятором плавного изменения частоты, получают на экране изображение синусоиды. Регулятором усиления по вертикали подбирают необходимую амплитуду. Затем перед мик­рофоном произносят гласные и согласные звуки и наблюдают их осциллог­раммы.

ОПЫТ № 8. З в у к о п р о в о д н о с т ь р а з л и ч н ы х т е л .

Оборудование: насос Камовского, электрический звонок под колоколом воз­душного насоса, источник постоянного тока, камертон на резонаторном ящике, набор различных стержней, химический стакан или мензурка с водой, провода.

а) Электрический звонок помещают под колокол воздушного насо­са. При откачивании воздуха из-под колокола, звук становится тихим. Ес­ли снова впустить воздух, то громкость звука восстанавливается. Рекомендуется электрический звонок помещать на кусок паралона для устранения звукопроводности через основание тарелки.

б) На крышку резонаторного ящика ставят деревянный стержень, а к верхнему концу его прижимают звучащий ка­мертон. Звучание камертона резко уси­ливается. Опыт повторяют с другими твердыми те­лами.

в) Для демонстрации звукопроводности воды ее наливают в мензурку и ставят на крышку резонаторного ящика. На ножку камертона надевают корковую или дере­вянную пробку, диаметр которой на 1-2 см меньше диаметра сосуда, и опускают ножку в воду. Громкость звука заметно усиливается. Сравнивают звукопроводность одинаковой длины водяного столба и твердого тела.

ОПЫТ № 9. З а в и с и м о с т ь в ы с о т ы т о н а з в у к а о т ч а с т о т ы

к о л е б а н и й . С и л а и г р о м к о с т ь з в у к а .

Оборудование: звуковой генератор, осциллограф, громкоговоритель, УНЧ, демонстрационный гальванометр от амперметра.

Зависимость высоты тона звука от частоты колебаний можно пока­зать с помощью звукового генератора и осциллографа.

К выходным зажимам звукового генератора подключают динамик и параллельно ему электронный осциллограф. Заставляют негромко звучать динамик на частоте 300-500 Гц и настраивают осциллограф так, чтобы на экране получилась устойчивая картина нескольких синусоид. При увеличе­нии частоты звукового генератора учащиеся слышат повышение тона звука и одновременно видят на экране увеличение числа синусоид.

Сила звука (громкость) зависит от величины амплитуды колеблющегося тела. Динамический микрофон включают на вход усилителя низкой часто­ты, а выход усилителя соединяют с демонстрационным гальванометром, включенным для измерения переменного тока. Перед микрофоном располагают динамик, включенный на выход звукового генератора. При этом гальвано­метр обнаруживает ток, величина которого зависит от интенсивности зву­чания динамика. Располагая микрофон на различном расстоянии от громко­говорителя, убеждаются, что сила звука зависит от расстояния до источни­ка.

Контрольные вопросы.

1. Где и когда изучается эта тема? Сколько часов отведено на ее изучение? Какие демонстрации обязательны по программе?

2. Дать определение колебательного движения. Какими физическими величинами оно характеризуется.

3. Вывести уравнение координаты колеблющегося тела и периода колебания математического и пружинного маятников.

4. Какие превращения энергии происходят в маятниках.

5. Выделите условия возникновения и существования механических колебаний при анализе сил, действующих в колебательной системе, и изменении энергии в системе.

6. В каких агрегатных состояниях могут существовать продольные и поперечные волны.

7. Что такое инфразвук, слышимый звук и ультразвук?