Інші завдання дивись тут...

§ 21. КОЛИВАЛЬНИЙ РУХ. АМПЛІТУДА КОЛИВАНЬ. ПЕРІОД КОЛИВАНЬ. МАЯТНИКИ.

Коливальний рух (коливання) - один з найпоширеніших процесів у природі й техніці (знання про коливальні процеси потрібні суднобудівникам і літакобудівникам, фахівцям промисловості й транспорту, конструкторам радіотехнічної і звукової апаратури, багатьом іншим). 

Коливальні явища вивчає спеціальний розділ фізики - теорія коливань. 

Дослід 1. Найпростіший маятник для спостереження та вивчення коливань. 

Візьмемо кульку, підвісимо її на нитці до якоїсь опори; якщо кульку відхилити від початкового положення рівноваги і відпустити, то вона почне рухатися зліва направо, справа наліво доти, доки коливання не припиняться. Під час коливань певні положення тіла повторюються або майже повторюються (коливання теж є періодичним рухом).

У фізиці маятник подібної будови називають математичним маятником (він складається з кількох тіл, які взаємодіють між собою: Земля і кулька, кулька і нитка, нитка і опора в точці підвісу). Якщо дією інших тіл на маятник можна знехтувати, то тіла у складі маятника утворюють коливальну систему (якщо вивести коливальну систему з етапу рівноваги - відхилити кульку з початкового положення і відпустити, то далі коливання будуть продовжуватися без зовнішнього втручання за рахунок взаємодії між тілами системи). Коливання, які відбуваються в коливальній системі за рахунок взаємодії між тілами, що її утворюють, називають вільними (коливання кульки на нитці є прикладом вільних коливань).

Дослід 2. Графік коливань маятника.

Візьмемо маятник; замість кульки підвісимо тягарець з наскрізним отвором (за допомогою такого пристрою можна записувати коливання); установимо в отвір тягарця фломастер; виведемо тягарець із положення рівноваги і відпустимо; маятник почне здійснювати коливання, а фломастер, торкаючись аркуша картону, який ми рівномірно протягуватимемо під час коливань, залишатиме на ньому слід. 

Отримаємо графік коливань маятника (залежність відхилення маятника від часу) у вигляді накресленої лінії (синусоїди). Амплітуда коливань — це найбільше відхилення тіла від положення рівноваги (у певний момент маятник завжди відхиляється від положення рівноваги на деяку максимальну відстань).

Амплітуду коливань позначають літерою А, її одиницею в СІ є один метр (1м). Значення амплітуди залежить тільки від того, на яку відстань тіло відвели від положення рівноваги перед початком коливань.

Маятник Фуко, що знаходиться в паризькому Пантеоні (Франція), доводить те, що Земля обертається навколо своєї осі.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО.

1. Що таке коливання? Наведіть приклади механічних коливань.

Механічні коливання — це такий рух, під час якого положення і швидкість руху тіла точно або приблизно повторюються через певні інтервали часу (під дією вітру коливання висотних будинків, високовольтних ліній електропередач, коливання маятника заведеного годинника, коливання автомобіля па ресорах під час руху, коливання земної кори - землетруси, коливання рівня води морів та океанів через  притягання Місяцем – припливи та відпливи, періодичні скорочення серцевих м'язів людини – биття пульсу, рухи поршня у двигуні автомобіля, човнів - на хвилях, стержня відбійного молотка, сита сортувальної установки). 

2. Що називають періодом коливань?

Період коливань — це найменший інтервал часу, через який певний етап руху тіла повністю повторюється (тобто тривалість одного повного коливання).

Період коливань позначають літерою Т. Його одиницею в СІ є одна секунда (1 с).

Дослід 3. Залежність періоду коливань від довжини маятника.

Візьмемо маятник з довшою ниткою; запишемо графік коливань нового маятника; порівняємо його з графіком у досліді 2; період коливань маятника залежить від його довжини (що довший маятник, то більший період його коливань).

Дослід 4. Залежність періоду коливань від маси підвішеного тіла.

Візьмемо пружинний маятник (складається з пружини і підвішеного до нього тіла); виявиться, що більша маса підвішеного до пружини тіла, то більший період коливань пружинного маятника.

3. Як практично визначити період коливання?

Щоб визначити період коливання Т, потрібно час коливань поділити на кількість повних коливань за час коливань: T = t/N, де T – період коливання,  t – час коливань, N – кількість повних коливань за час коливання.

4. Що показує частота коливань?

Частота коливань показує число коливань, виконаних коливальною системою за одиницю часу. Позначають грецькою літерою ѵ (ню).

Щоб визначити частоту коливань ѵ , потрібно кількість коливань N поділити на час коливань t:  ѵ = N/t = 1/T, де  ѵ – частота коливань (кількість коливань за одиницю часу), N – кількість коливань за час коливань,  t – час коливань, Т – період коливання (час одного коливання).

5. Який зв'язок існує між періодом і частотою коливань?

Частота коливань й період коливань пов'язані обернено пропорційною залежністю: T = 1/ ѵ , де Т - період коливань; ѵ - частота коливань.

Одиницею частоти коливання в СІ є один герц 1 Гц = 1/с (названа одиниця так на честь відомого німецького фізика Генріха Герца (1857-1894)).

Якщо частота коливань 1 Гц, то це означає, що відбувається одне коливання за секунду (якщо  ѵ — 50 Гц, то відбувається 50 коливань за секунду).

Лабораторна робота № 5

Дослідження коливань нитяного маятника.

Мета роботи: визначити дослідним шляхом, від яких умов залежить період коливань маятника.

Прилади і матеріали: кульки різної маси, нитки, секундомір, штатив.

Хід роботи

1. Підвісьте кульку на нитку завдовжки 30-40 см. Відхиліть її від положення рівноваги. Підрахуйте кількість коливань кульки і час, протягом якого ці коливання відбувалися. Визначте період коливань маятника. Результати запишіть у таблицю.

2. До цієї самої нитки підвісьте кульку іншої маси. Повторіть попередній дослід. Результати запишіть у таблицю. Зробіть висновок.

3. Змініть довжину нитки і виконайте попередні досліди. Результати запишіть у таблицю. Зробіть висновок.

4. Перевірте, чи зміниться період коливань маятника, якщо кульку відхиляти на різні кути.

Для допитливих.

1. Закріпіть пружину у штативі, підвісьте до неї тягарець. Визначте період коливань тягарця на пружині.

2. Дослідіть, чи залежить період коливань пружинного маятника від маси тягарця.

Інші завдання дивись тут...