физика 9 класс

Тема: Затухающие и вынужденные колебания. Резонанс.

Изучение новой темы.

• Внутренние свободные всегда затухающие силы.

.

Вынужденные колебания пружинного маятника

Рассмотрим, как в колебательной системе, обладающей собственной частотой возникают и поддерживаются вынужденные колебания. Если вращать рукоятку установки, то на тело начнет действовать периодическая внешняя сила. Тело будет раскачиваться с увеличивающейся амплитудой. Через некоторое время, колебания будут иметь установившийся характер, амплитуда перестанет увеличиваться. Частота колебаний груза будет равна частоте вращения рукоятки (частоте изменения внешней силы).

Превращение энергии при механических колебаниях.

Рассмотрим процесс превращения энергии на примере колебаний груза на нити (рис 10).

,

При отклонении маятника от положения равновесия он поднимается на высоту h относительно нулевого уровня следовательно, в точке А маятник обладает потенциальной энергией mgh. При движении к положению равновесия, к точке О, уменьшается высота до нуля, а скорость груза увеличивается, и в точке О вся потенциальная энергия mgh превратится в кинетическую энергию mυ²/2. В положении равновесия кинетическая энергия имеет максимальное значение, а потенциальная энергия минимальна. После прохождения положения равновесия происходит превращение кинетической энергии в потенциальную, скорость маятника уменьшается и при максимальном отклонении от положения равновесия становится равной нулю. При колебательном движении всегда происходят периодические превращения его кинетической и потенциальной энергии.

При свободных механических колебаниях неизбежно происходит потеря энергии на преодоление сил сопротивления. 

Если колебания происходят под действием периодической внешней силы, то такие колебания называют вынужденными. Например, родители раскачивают ребенка на качелях, поршень движется в цилиндре двигателя автомобиля, колеблются нож электробритвы и игла швейной машины.

Характер вынужденных колебаний зависит от характера действия внешней силы, от ее величины, направления, частоты действия и не зависит от размеров и свойств колеблющегося тела. Например, фундамент мотора, на котором он закреплен, совершает вынужденные колебания с частотой, определяемой только числом оборотов мотора, и не зависит от размеров фундамента.

При совпадении частоты внешней силы и частоты собственных колебаний тела амплитуда вынужденных колебаний резко возрастает. Такое явление называют механическим резонансом. Графически зависимость амплитуды вынужденных колебаний от частоты действия внешней силы показана на рисунке 11.

При отсутствии трения амплитуда вынужденных колебаний при резонансе должна возрастать со временем неограниченно. В реальных системах амплитуда в установившемся режиме резонанса определяется условием потерь энергии в течение периода и работы внешней силы за то же время. Чем меньше трение, тем больше амплитуда при резонансе.

2. Резонанс (от латинского слова resonans –дающий отзвук)

Пользуясь все той же установкой, проверим, как зависит от частоты внешней силы амплитуда установившихся колебаний. Амплитуда начинает расти при дальнейшем увеличении частоты внешней силы. Она достигает максимума, если свободные колебания груза будут действовать в такт с внешней силой. Амплитуда стремится к нулю, если частота внешней силы очень большая.

Вследствие, инертности тело не успевает смещаться и «дрожит на месте».

Зависимость амплитуды от внешней частоты представлена на рисунках.

Резонансом называется резкое увеличение амплитуды вынужденных колебаний при совпадении частоты свободных колебаний с частотой изменения внешней силы.

Применение резонанса и борьба с ним. Явление резонанса играет большую роль в ряде природных, научных и производственных процессов. Например, необходимо учитывать явление резонанса при проектировании мостов, зданий и других сооружений, испытывающих вибрацию под нагрузкой, в противном случае при определенных условиях эти сооружения могут быть разрушены. Явление резонанса может быть причиной разрушения машин, зданий, мостов, если собственные их частоты совпадают с частотой периодически действующей силы. Поэтому, например, двигатели в автомобилях устанавливают на специальных амортизаторах, а воинским подразделениям при движении по мосту запрещается идти «в ногу».

Закрепление. Самостоятельная работа с учебником.

«Применение резонанса и борьба с ним»

Подготовить ответы на вопросы.

1. Какие тела, сооружения, машины представляют собой колебательную систему?

2. Насколько может увеличиться амплитуда, работающей машины?

3. Какие меры предпринимают, чтобы резонанс не наступил или хотя бы ослабить его?

4. Почему строевой шаг воинской части может привести к разрушению моста, через который часть переходит?

5. Привести примеры полезного действия резонанса.

Вопросы для закрепления.

1. Какие колебания называются вынужденными? (Колебания, происходящие под действием внешней периодической силы).

2. Как происходят вынужденные колебания, под действием каких сил? ( Внешняя периодическая сила, называемая вынуждающей, сообщает колебательной системе дополнительную энергию, которая идет на восполнение энергетических потерь, происходящих из-за трения.)

3. Чем отличаются вынужденные колебания от свободных? (В отличие от свободных колебаний, когда система получает энергию лишь один раз (при выведении системы из состояния равновесия), в случае вынужденных колебаний система поглощает эту энергию от источника внешней периодической силы непрерывно.)

4. Чему при этом равна полная энергия колебательной системы? (Эта энергия восполняет потери, расходуемые на преодоление трения, и потому полная энергия колебательной системы no-прежнему остается неизменной.)

5. Как зависит частота вынужденных колебаний от частоты вынуждающей силы? (Частота вынужденных колебаний равна частоте вынуждающей силы.)

6. Что мы называем явлением резонанса? (В случае, когда частота вынуждающей силы υ совпадает с собственной частотой колебательной системы υ₀, происходит резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний —резонанс. )

7. Из-за чего возникает явление резонанс? (Резонанс возникает из-за того, что при υ = υ₀ внешняя сила, действуя в такт со свободными колебаниями, все время сонаправлена со скоростью колеблющегося тела и совершает положительную работу: энергия колеблющегося тела увеличивается, и амплитуда его колебаний становится большой.)

8. Какую роль играет явление резонанса?. (Явление резонанса играет большую роль в ряде природных, научных и производственных процессов. )

9. Приведите примеры явление резонанса. (Например, необходимо учитывать явление резонанса при проектировании мостов, зданий и других сооружений, испытывающих вибрацию под нагрузкой, в противном случае при определенных условиях эти сооружения могут быть разрушены.)

Тема урока «Звуковые волны »

Изучение нового материала.

Мы живем в мире звуков. Нас окружает шум нашего города, шелест листвы, голоса друзей, звуки железной дороги. Одни звуки успокаивают, другие поднимают настроение, третьи вызывают грусть, четвертые зовут к действию, движению. Человек, который не слышит от рождения, не может овладеть речью, мир для него лишен многообразия.

Раздел физики, занимающийся изучением звуковых явлений, называется акустикой.

О том, как рождаются звуки и что они собой представляют, люди начали догадываться очень давно. Заметили, к примеру, что звук создают вибрирующие в воздухе тела. Еще древнегреческий ученый Аристотель, исходя из наблюдений, верно объяснил природу звука, полагая, что звучащее тело создает попеременное сжатие и разрежение воздуха. Так, колеблющаяся струна то уплотняет, то разряжает воздух, благодаря упругости которого эти чередующиеся воздействия передаются в пространство от слоя к слою, вызывают упругие звуковые волны.

Проблемы акустики интересовали Леонардо да Винчи, Г.Галилея, И.Ньютона, Д.Бернулли, Г.Ома, П.Н.Лебедева и других крупнейших ученых. В этой области наук было сделано столько много, что к концу XIX века многие ученые считали дальнейшее развитие акустических исследований бесперспективными. Однако не прошло и нескольких десятилетий, как эта наука вновь заняла умы многих ученых. И сейчас в мире существуют множество направлений современной акустики.

(Общая (физическая) акустика — теория излучения и распространения звука в различных средах, теория дифракции, интерференции и рассеяния звуковых волн. Линейные и нелинейные процессы распространения звука.

Геометрическая акустика — раздел акустики, предметом изучения которого являются законы распространения звука. В основе лежит представление о том, что звуковые лучи — это линии, касательные к которым совпадают с направлением распространения энергии акустических колебаний.

Архитектурная акустика — законы распространения звука в закрытых (полуоткрытых, открытых) помещениях, методы управления структурой поля и т. д.

Строительная акустика — защита от шума зданий, промышленных предприятий (расчёт конструкций и сооружений, выбор материалов и т. д.).

Психоакустика — основные законы слухового восприятия, определения связи объективных и субъективных параметров звука, определения законов расшифровки «звукового образа».

Музыкальная акустика — проблемы создания, распространения и восприятия звуков, используемых в музыке.

Биоакустика — теория восприятия и излучения звука биологическими объектами, изучение слуховой системы различных видов животных и др.

Электроакустика — раздел прикладной акустики, занимающийся теорией, методами расчёта и созданием электроакустических преобразователей

Аэроакустика (авиационная акустика) — излучение и распространение шумов в авиационных конструкциях.

Гидроакустика — распространение, поглощение, затухание звука в воде, теория гидроакустических преобразователей, теория антенн и гидроакустических эхолокаторов, распознавание движущихся объектов и др.

Акустика транспорта — анализ шумов, разработка методов и средств звукопоглощения и звукоизоляции в различных видах транспорта (самолётах, поездах, автомобилях и др.)

Медицинская акустика — разработка медицинской аппаратуры, основанной на обработке и передаче звуковых сигналов (слуховые аппараты, диагностические приборы)

Ультразвуковая акустика — теория ультразвука, создание ультразвуковой аппаратуры, в том числе ультразвуковых преобразователей для промышленного применения в гидроакустике, измерительной технике и др.

Квантовая акустика (акустоэлектроника) — теория гиперзвука, создание фильтров на поверхностных акустических волнах

Акустика речи — теория и синтез речи, выделение речи на фоне шумов, автоматическое распознавание речи и т. д.

Цифровая акустика — связана с созданием микропроцессорной (аудиопроцессорной) и компьютерной техники.

Что такое звук? Как он возникает?

Колеблющееся тело создает звук.

Камертон - представляет собой изогнутый в виде двух ветвей металлический стержень с держателем посередине. При ударе резиновым молоточком по камертону мы слышим звук(440 Гц), но колебания ветвей мы не видим. Но их можно обнаружить, если к звучащему камертону поднести полоску бумаги или прикоснуться рукой (происходит вибрация).

Вопрос: Зачем устанавливают камертон на деревянном ящике, открытом на одной стороне? (ящик является усилителем колебаний или резонатором, поэтому звук усиливается)

Звуковые волны - упругие волны, способные вызывать у человека слуховые ощущения (записать понятие в тетрадь).

Какие бывают источники звука?

Источники звука бывают естественные - голос, шелест листьев, шум прибоя и искусственные - камертон, струна, сирена.

Человеческое ухо способно воспринимать упругие волны с частотой от 16 Гц до 20000Гц. Колебания этих частот называются звуковыми. Поэтому колебания руками 16 и более раз в секунду никто не может сделать. Итак, источник звука - это любое тело, совершающее колебания от 16 Гц до 20 к Гц. (слайд 10).

Любой источник звука обязательно колеблется. Звук распространяется в пространстве только при наличии упругой среды, которая необходима для передачи колебаний от источника звука к приемнику, например к уху человека. В вакууме звуковые волны не распространяются .

Колебания источника звука создают в окружающей среде звуковую волну, которая распространяется в пространстве от источника звука. При своих колебаниях тело попеременно то - сжимает слой воздуха, прилегающий к его поверхности, то, наоборот, создаёт разряжение в этом слое. Волна, достигая уха, воздействует на барабанную перепонку, заставляя ее колебаться с частотой источника звука.

С точки зрения физики, звук – это механические колебания, которые распространяются в упругой среде: воздухе, воде, твёрдом теле и т. п. Звуковые волны делятся на инфразвук, слышимый звук и ультразвук.

Если звук – это волна, то для определения скорости звука используются формулы: V=S/t

Скорость звука в теплом воздухе несколько больше, чем в холодном. Скорость распространения в твердых телах больше, чем в воздухе. Звуковые волны в жидкостях всегда распространяются лучше, чем в газах.

Скорость звука в твердых телах больше, чем в жидкостях и газах, а скорость звука в жидкостях больше скорости звука в газах.

 Твердые тела хорошо проводят звуковые волны, на этом принципе основано обучение глухих людей игре на музыкальных инструментах и танцам. Вибрация пола, корпуса музыкального инструмента позволяет глухим людям распознавать музыкальные такты и даже ноты.

Рассмотрим характеристики звуковых волн – это высота, тембр, громкость Высота звука зависит от частоты колебаний: чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук. Колебаниям малых частот соответствуют низкие звуки. Громкость звука зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук. Громкость звука зависит также от его длительности и от индивидуальных особенностей слушателя. Тембр – это особая окраска звука.

Свойства звуковых волн

Положив звенящий будильник в коробку, мы слышим звук. Стоит только поверх будильника положить кусок ваты, как звук становится неслышным.

Почему так происходит?

Мягкие, пористые тела – плохие проводники звука. Звуковые волны в них затухают, поглощаются. Это свойство звуковых волн называется поглощение.

Какие вы можете предложить способы защиты своей квартиры от шума?

Вторым свойством звуковой волны является отражение

Итак, чтобы услышать звук, необходимы:

1.Источник звука

2.Упругая среда между ним и ухом

3.Диапозон частот колебаний звука между 16 Гц и 20000 Гц.

Вопрос: Как влияет шум на организм человека и методы борьбы с шумом?

Используя полученные знания ответим на вопросы:

Мини тест

1.При полёте большинство насекомых издают звук. Чем это вызывается?

а) голосовыми связками;

б) ветром;

в) взмахами крыльев;

г) строением тела

2. Какое насекомое – бабочка или муха – делает большее количество взмахов крыльями?

а) бабочка;

б) муха и бабочка делают одинаковое количество взмахов;

в) муха;

г) они не взмахивают крыльями

Домашнее задание: прочитать параграф 12,13,14,15,16,17.