Карточка демонстрации опыта: явление резонанса

По эксперименту:

Учебная

Практикум по методике и технике школьного физического эксперимента. Анциферов Л. И., Пищиков И. М. – М.: Просвещение, 1984.

Физика. 9 кл. : учебник / А. В. Перышкин, Е. М. Гутник. — М. : Дрофа, 2014.

Лабораторный практикум по теории и методике обучения физике в школе. С.Е. Каменецкий, С.В. Степанов, - М.: Издательский центр «Академия», 2002.

Сборник задач по физике 7-9 классы. В.И. Лукашик, Е.В. Иванова, - М.: Просвещение, 2011.

№

Название

Параметры (режим)

Примечание

1

Штатив

Высокий

2 шт.

2

Шары на нити

Не очень маленькие, имеющие массу; шары подвешены на нитях разной длины

Шары – 4 шт., шары пластиковые, висят на нити между штативами

3

Нить

Крепкая

Соединяет штативы, натянута слабо

Схема демонстрации

Рисунок демонстрации

1. Натягиваем нить между штативами. К нити подвешиваем шары: 1 шар на самой длинной нити, 2 шар чуть выше, 3 шар – еще выше, 4 шар – на высоте 2 шара, он и служит вибратором, остальные шары – резонаторы.

1. Какую систему вам напоминает данная установка?
Ответ: математический маятник.

2. Приводим систему в состояние покоя

В каком состоянии находятся все 4 системы?
Ответ: в состоянии покоя.

3. Приводим 4 шар (вибратор) в колебание, наблюдаем за поведением остальных шаров (резонаторов).

Какой вид колебаний будет совершать вибратор (шар 4)?
Ответ: свободные колебания.
Как ведут себя остальные шары?
Ответ: шары пришли в движение.
Какой вид колебаний они совершают?
Ответ: они совершают вынужденные колебания.

Является ли 4 шар для остальных систем внешней вынуждающей силой?
Ответ: да, является.

4. Наблюдаем за резонансом шаров.

Что можно сказать об амплитуде движения шаров?
Ответ: амплитуда шаров разная.
Амплитуда какого шара резко увеличилась? Ответ: амплитуда 2 шара резко увеличилась и стала наибольшей по сравнению с другими.
Почему?
Потому что шары 2 и 4 висят на нитях одной длины.
Что это означает?
Ответ: Колебательные системы одинаковые и имеют одинаковые характеристики.
Какие характеристики?
Ответ: частота, период.

Какие характеристики у систем должны совпасть, чтобы можно было увидеть резкое максимальное увеличение амплитуды движения?
Ответ: собственная частота

5. Повторяем эксперимент, изменив длину нити 4 шара. Теперь вешаем его на высоте 1 шара.

Как думаете, амплитуда какого шара будет больше? Почему?

Ответ: амплитуда 1 шара, так как он находится на одной высоте с 4 шаром

Перед проведением демонстрации повторяем понятия амплитуда, собственная частота колебательной системы, внешняя вынуждающая сила

ЗДЕСЬ все понятия формулируем!

Лучше всего подготовить две установки заранее:
Первая установка: между штативами слабо натягиваем нить. К нити подвешиваем шары: 1 шар на самой длинной нити, 2 шар чуть выше, 3 шар – еще выше, 4 шар – на высоте 2 шара, он и служит вибратором, остальные шары – резонаторы.
Вторая установка: между штативами слабо натягиваем нить. К нити подвешиваем шары: 1 шар на самой длинной нити, 2 шар чуть выше, 3 шар – еще выше, 4 шар – на высоте 1 шара, он и служит вибратором, остальные шары – резонаторы.
Далее выполняем сам эксперимент сначала с первой установкой, затем со второй.
Ход эксперимента:
Изначально можно заметить, что шары на нити напоминают математический маятник. Об этом нужно помнить на протяжении всего эксперимента, это поможет сделать правильные выводы.
Все системы находится в состоянии покоя.
Отклоняем шар 4 от положения равновесия и предоставляем его самому себе, он совершает свободные колебания. Это вызовет колебания шнура, в результате чего на другие шары через их точки подвеса будет действовать вынуждающая сила, периодически меняющаяся по модулю и направлению с такой же частотой, с какой колеблется шар 4. Под действием этой вынуждающей силы остальные шары начнут совершать вынужденные колебания. Наблюдаем за поведением остальных шаров. Амплитуда движения шаров разная, но через время амплитуда 2 шара начинает резко увеличиваться. Заметим, что шары 2 и 4 висят на нитях одной длины, значит их колебательные системы одинаковы и имеют одинаковые характеристики: частоту и период. Но на резкое увеличение амплитуды движения влияет собственная частота.

Повторяем эксперимент со 2 установкой, чтобы убедиться в достоверности сделанных выводов. Повторяем все этапы эксперимента с установкой 1. Амплитуда движения шаров разная, но через время амплитуда 1 шара начинает резко увеличиваться. И здесь мы видим, что шары 1 и 4 висят на нитях одной длины. Это означает, что их колебательные системы одинаковы и имеют одинаковые характеристики: частоту и период. Но на резкое увеличение амплитуды движения влияет собственная частота колебательной системы

Резонансом называют явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний тела при совпадении частоты вынуждающей периодической силы с собственной частотой колебания тела.

При резонансе вынуждающая сила направлена в ту же сторону, что и вектор скорости колеблющегося тела в течение всего периода колебания. Поэтому эта сила все время совершает положительную работу, увеличивая амплитуду колебаний тела.

Собственная частота колебаний математического маятника 0,5 Гц. Какой должна быть частота внешней силы, чтобы возник резонанс?

Решение.
По условию собственная частота равна 0,5 Гц. Частоту вынуждающей силы надо определить.

Резонанс наступит, если частота вынуждающей силы будет равна частоте собственных колебаний. Значит частота вынуждающей силы должна быть равна 0,5 Гц.

Ответ: частота вынуждающей силы должна быть равна 0,5 Гц.

Вода, которую мальчик несет в ведре, начинает сильно расплескиваться. При каких условиях можно избежать этого процесса (расплескивания воды)?

Ответ: Вода расплескивается, так как амплитуда колебаний воды в ведре увеличивается в результате резонанса. При изменении темпа ходьбы частота вынуждающей силы (идущего мальчика) изменяется, резонанс исчезает.