Лекционный материал "Резонанс"

Занятие 2.6

Явление резонанса. Примеры резонанса. Применение в технике. Акустический резонанс

Ожидаемые результаты:

− учащийся должен знать: понятия «колебание», «частота колебания», «амплитуда», «резонанс»;

− учащийся должен уметь: приводить примеры явления резонанса в окружающей реальности

Послайдовый текст

Номер слайда

Текст

Примечания

Ссылки на медиаматериал

1

Резонанс

–

–

2

Каждый из нас в детстве качался на качелях. И каждый знает определённый способ раскачивания…

Какой способ знаете вы?

После предложенных вариантов смена картинок – ПО КЛИКУ

Варианты: с помощью друга, который подталкивает сзади каждый раз, когда вы приближаетесь к нему; самостоятельно мышечным усилием ног и движением торса в определённый момент.

http://rutheh.files.wordpress.com/2011/07/aunt-lala-pushes-3-swings2.jpg?w=1024&h=681

http://my-ivanovo.ru/wp-content/uploads/2012/09/9-1px-Little_girl_on_swing.jpg

3

Выясним физическую природу этого явления.

Перед вами шарик на нити (маятник). который совершает повторяющиеся движения. Такое движение называется колебанием. Говорят: маятник совершает колебания.

Максимальный размах колебаний называется амплитудой.

Число колебаний за единицу времени – это частота (маятник, который колеблется чаще, имеет бóльшую частоту).

Можно спросить у детей: что делает тело? Колеблется. Значит, движение называется колебанием.

Амплитуду можно показать рукой на экране: от этой точки до этой (от положения равновесия до крайнего положения).

Внимание: при самостоятельной сборке презентации рекомендуется зациклить видео (в настройках фильма выбрать «непрерывное воспроизведение»).

http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/669bc79a-e921-11dc-95ff-0800200c9a66/2_1.swf

4

Вернёмся к качелям: у качелей есть своя (собственная) частота, а человек действует на качели силой мышц со своей частотой. Делает он это не как попало, а «в такт», то есть каждый раз подталкивает качели в определённой точке. В результате качели раскачиваются всё сильнее, а это означает, что амплитуда колебаний (размах) увеличивается.

Видео по клику*

Внимание: при самостоятельной сборке презентации рекомендуется зациклить видео (в настройках фильма выбрать «непрерывное воспроизведение»).

http://www.youtube.com/watch?v=HU0hMmvUH10

5

Резонанс – явление резкого возрастания амплитуды колебаний при совпадении частоты колеблющейся системы с частотой действия силы.

Определение не совсем корректное (… при совпадении резонансной частоты системы с частотой действия действующей силы), но для учащихся 5–6-го классов достаточно усвоить на данном этапе, что при вынужденных колебаниях возможно увеличение размаха колебаний и что сила должна действовать не постоянно и не как попало, а в такт совершающимся колебаниям системы.

–

6

Попробуйте самостоятельно объяснить происходящее.

Видео по клику*

Проговорите вместе с детьми: в такт колебаниям маятника на него (на нить) действует внешняя сила (в крайних точках), при совпадении частоты действия силы с частотой колебания маятника возрастает амплитуда.

http://www.youtube.com/watch?v=XniyoaHLF74

7

Примеры резонанса в реальной жизни

–

–

8

При переноске воды в каком-либо сосуде иногда возникает явление резонанса: при совпадении собственной частоты колебаний сосуда с водой с ритмом шага наблюдается увеличение размаха колебаний воды в ведре, и как следствие, её выплёскивание.

Что надо изменить, чтобы прекратить расплёскивание воды?

Ответ: изменить скорость движения – тогда изменится ритм шага, резонанса не будет.

http://www.picturesof.net/_images_300/A_Man_Carrying_Buckets_Water_Royalty_Free_Clipart_Picture_110509-144379-871053.jpg

9

На протяжении более 2500 лет тибетские поющие чаши применяются монахами для вхождения в медитацию.

Обычно поющие чаши изготавливают из бронзового сплава, в состав которого включают медь, олово, цинк, железо, серебро, золото и никель. Водя по краю чаши деревянным покрытым кожей пестом, музыкант извлекает из чаши густые, наполненные обертонами звуки.

Видео по клику*.

Укажите, что при определённой частоте воздействия на чашу её стенки вибрируют всё с большой амплитудой и издают звук (возникает акустический резонанс).

http://ru.wikipedia.org/wiki/Поющие_чаши

http://www.youtube.com/watch?v=nmOIKi5I6ac

10

Интересным оказалось поведение воды, налитой в такую чашу. Когда амплитуда колебаний становится достаточно большой, в воздух начинают подниматься отдельные капельки.

Учёные наблюдали поведение воды в поющих чашах при помощи высокоскоростных видеокамер. Установка состояла из чаши с водой, камеры и источника звука. При некоторых частотах звука стенки чаши начинали сильно колебаться (из-за явления резонанса), причём на разных частотах картина колебаний была разная. Так, в одном из режимов на воде образовывались волны как будто исходящие из стенок квадрата.

Когда вибрации достаточно сильны, вода начинает вести себя хаотическим образом (регулярные волны уже не наблюдаются). При этом в воздух поднимаются отдельные капельки, которые могут отскакивать от поверхности воды несколько раз, подобно человеку, прыгающему на батуте.

Видео по клику*.

Обязательно проговорите, что кипения в обычном понимании (то есть фазового превращения) здесь нет; движение капель воды и их дробление на мелкие капельки (туман) просто ПОХОЖЕ на кипение.

http://forum.emule-rus.net/index.php?showtopic=48454

на этом сайте два видео:

– одно мы дали в презентации (длительность – 2:49; титры на английском языке) – с детальной и замедленной съёмкой, без звука; оно есть также в youtube http://www.youtube.com/
watch?v=2QAPCXkAmXU

– второе вы можете скачать сами (длительность 0:34; на русском языке).

11

Архитектурные сооружения тоже имеют собственную частоту колебаний. Если на них действует внешняя периодически сила, изменяющаяся с такой же частотой, то резкое увеличение амплитуды может привести к разрушению моста, как например, это произошло с Такомским мостом.

Видео по клику*.

–

http://www.youtube.com/watch?v=t53iN3xlKlQ

12

Представьте себе: на большой тяжёлой ветви яблони вы видите спелое яблоко, которое хотите сорвать, но дотягиваетесь только до маленькой веточки, отходящей от этой ветви. Если вы за неё дёрнете, веточка обломится. Но всё-таки есть способ получить яблоко. Какой?

Надо слегка подёргивать веточку, стараясь раскачать большую ветку – и ветка с яблоком начнёт раскачиваться всё сильнее, постепенно достигая всё более низкой точки. В конце концов ритмичные колебания ветки настолько усилятся, что вы сможете легко достать яблоко рукой.

http://kulinarnik.pl/wp-content/uploads/2011/08/panthermedia_022667091.jpg

13

Возможно, американские учёные смогли раскрыть загадку огромных статуй с острова Пасхи, выяснив, каким образом полинезийцы могли перемещать их на большие расстояния.

–

http://tx.english-ch.com/teacher/jocelyn/maoi6.jpg

14

По новой теории, полинезийцы сначала вырезали каменных истуканов из гигантских монолитов, затем передвигали их на 18 км от карьера к священным местам на острове, размещая группами по семь-восемь истуканов. При этом не использовались телеги, подъёмные краны и даже крупные тягловые животные. Осенью 2011 г. группа из 18 учёных смогла переместить статую массой 3 т и высотой 3 м. При этом гигантская фигура передвигалась как бы танцуя, что вполне соответствует преданиям, согласно которым истуканы «пришли сами».

Видео по клику*.

Можно сказать учащимся, что данный способ передвижения массивных тел называется кантованием.

http://tainy.net/33710-amerikanskie-uchenye-zastavili-dvigatsya-gigantskie-figury-s-ostrova-pasxi.html

Полный видеоролик содержит несколько гипотез о способе передвижения фигур: http://www.youtube.com/watch?v=J5YR0uqPAI8

длительность полного ролика: 4 мин 15 с

длительность фрагмента: 3:00 – 4:00

15

Можно ли разбить стекло… голосом?

Видео по клику*.

–

http://www.youtube.com/watch?v=htok8x559dM

длительность полного ролика: 21 мин 7 с

длительность фрагмента: 10:55 – 13:15

16

Попробуйте догадаться – в чём секрет этого опыта: почему метрономы синхронизируются?

Видео по клику*

Секретом является стол, на жёстко закреплённой статической поверхности эксперимент никогда бы не удался. Если присмотреться, то во время опыта поверхность стола немного колеблется из стороны в сторону. Выступая в качестве единой однородной среды, этот стол стал тем общим знаменателем, который синхронизировал все метрономы. Каждый из них, работая, возбуждает вокруг себя колебания, которые передаются ближайшим соседям. Рано или поздно спонтанно создаётся единый ритм, который «устраивает» большинство метрономов, они сообщают поверхности бóльшее количество энергии, чем остальные, и в итоге эти самые остальные «подчиняются» большинству.

http://www.youtube.com/watch?v=SfK2wKAqlo0

http://www.gizmonews.ru/2012/09/30/32-metronomes-sync/

17

Фигуры Хладни — фигуры, образуемые мелкими частицами (например, песка) вблизи узловых линий на поверхности упругой колеблющейся пластинки.

В опыте использовался генератор звуковой частоты динамик (громкоговоритель) и прикреплённая к нему металлическая пластина. Сначала на пластину насыпают песок, затем включают звуковой сигнал. При определённых частотах на некоторых участках пластины вибраций нет (узлы), а на других они сильные (пучности). В узлах песок скапливается, создавая красивые геометрические узоры. По мере увеличения частоты структура становится всё более сложной. Видео по клику*.

Видео рекомендуется показать, если на занятии осталось время.

http://egofree.ru/figuryi-hladni/

http://www.youtube.com/watch?v=wvJAgrUBF4w&list=TLJDsjooVGIVVt3OnHsgCrgmyaOLU6dqG2