"Динамика свободных колебаний"
методическая разработка по физике (11 класс) по теме

Конспект открытого  урока по  физике в 11 классе по теме:

 «Динамика свободных колебаний

(свободные и вынужденные колебания)».

(Тема урока на слайде)

Класс: 11

Учитель: Кислицына М.В.

Дата проведения: 

Количество учащихся:

Тип урока: урок изучения нового материала.

Цели урока:

Образовательные:

1. Добиться усвоения учащимися вывода уравнения движения пружинного и математического маятников и формул периода колебаний.
2. Продолжить формирование понятия о гармоническом колебании.
3. Познакомить учащихся с причинами и особенностями колебаний пружинного и математического маятников.
4. Продолжить развивать умения сравнивать явления, выделять основное, применять законы механики к анализу колебательного движения.
5. Сформировать умение решать задачи по данной теме.

Развивающие:

1. Развивать мотивацию изучения физики, используя разнообразные приёмы.

Воспитательные:

1. Используя опережающие задания, развивать умение работы с дополнительной литературой.
2. Способствовать развитию умения самостоятельной работы с учебником.

Оборудование: учебник “Физика-11”, тестовые задания, слайды, нитяной и пружинный маятники.

Эпиграф:

“Науку все глубже постигнуть стремись.

Познанием вечного жаждой тянись.

Лишь первых познаний блеснёт тебе свет.

Узнаешь: предела для знания нет…”

Фирдоуси (персидский и таджикский поэт 940-1030 гг.)

План урока:

Ход урока

1. Организационный момент.

Здравствуйте ребята. Я рада приветствовать вас на уроке физики. Физике, которую любят многие, и на уроке, которого ждут с нетерпением. (Слайд)

2. Мотивация и целеполагание.

Всюду в нашей жизни мы встречаемся с колебательными движениями: периодически движутся участки сердца и легких, колеблются ветви деревьев при порыве ветра, ноги и руки при ходьбе, колеблются струны гитар, колеблется спортсмен на батуте и школьник, пытающийся подтянуться на перекладине, пульсируют звезды (будто дышат), а возможно и вся Вселенная, колеблются атомы в узлах кристаллической решетки…

Остановимся! Тема сегодняшнего занятия “Динамика свободных колебаний”. Запишем её в тетрадь.

Ученый Л.И. Мандельштам говорил, что если посмотреть историю физики, то можно увидеть, что главные открытия были связаны по существу с колебаниями. И нам тоже сегодня предстоят открытия (Слайд 1 с эпиграфом) (Слайд 2 с целью урока). Цель нашего урока – проанализировать причины и основные закономерности свободных колебаний.

3. Актуализация знаний.

Для достижения цели урока нам необходимо вспомнить материал изученный ранее..

Фронтальная беседа.

- Что такое механические колебания?

- Какие колебания называют свободными?

- Какие условия необходимы для возникновения свободных колебаний?

- Какие колебания называются гармоническими?

- Перечислите основные кинематические характеристики колебательного движения.

Вставка к понятию амплитуда: амплитуда колебаний вершины Останкинской башни в Москве (высота 540 м) при сильном ветре около 2.5 м.

- По графику определить основные кинематические характеристики колебательного движения, давая им определения. Получить уравнение зависимости х от t (Слайд 3 с графиком). Учащиеся в тетрадях выполняют работу, один у доски.

4. Изучение нового материала.

Динамику колебаний рассмотрим на двух классических примерах – на примере колебаний тела, прикреплённого к пружине, и на примере колебаний груза, подвешенного на нити (Слайд 4).

Анализ этих примеров мы будем проводить по общему плану:

1. определение колебательной системы;
2. формулировка упрощающих предположений;
3. составление уравнения движения;
4. выяснение причин колебаний;
5. определение периода колебания.

Пример 1. Математический маятник (Слайд 5).

1) Математический маятник – это материальная точка, подвешенная на невесомой и нерастяжимой нити, находящейся в поле тяжести Земли. Идеальный и реальный маятники.

2) Прежде, чем приступить к выводу уравнения движения математического маятника, примем два упрощающих условия:

- силы трения должны быть малы, и поэтому их можно не учитывать:

- будем рассматривать лишь малые колебания маятника с небольшим углом размаха.

3) На слайде рисунок. По второму закону Ньютона произведение массы тела на его ускорение равно сумме всех сил приложенных к телу. Этих сил в данном случае две: сила натяжения нити и сила тяжести. Поэтому уравнение движения маятника примет вид:

ma = T+mg.

Перепишем уравнение в проекциях на ось ОХ. Имеем:

max = -mg sin a.

sin a = x/l.

Разделив левую и правую части этого уравнения на m, получим

ax = - gx/l

4) Для установления причин свободных колебаний математического маятника рассмотрим процесс колебания более подробно (Слайд 6).

Причинами свободных колебаний математического маятника являются:

- действие на маятник силы натяжения нити и силы тяжести, препятствующей его смещению из положения равновесия и заставляющей его снова опускаться.

- инертность маятника, благодаря которой он, сохраняя свою скорость, не останавливается в положении равновесия, а продолжает движение.

5) Выводом формулы периода свободных колебаний мы займёмся на следующем уроке, а сейчас просто запишем итоговую формулу:

Устали? Тогда я предлагаю отвлечься на небольшую историческую паузу (Выступление учащегося, слайд 7).

Галилео Галилей – великий итальянский ученый – один из создателей точного естествознания, всю свою жизнь посвятил физике и астрономии, сделав ряд важных открытий. Родился в городе Пизе, известном своей наклонной башней. Учился сначала в монастырской школе, а затем в университете. Уже в студенческие годы Галилей увлекся изучением колебаний. Он обнаружил, что колебания маятника не зависят от его массы, а определяются длиной подвеса. Сохранилось предание о том, как молодой студент медицинского факультета Галилео Галилей в одно из воскресений 1583 года с интересом следил за качанием зажженных лампад в церкви. По ударам пульса он определил время, необходимое для полного размаха лампад. С этого времени медицину ему пришлось оставить и сосредоточиться на физике.

Пример 2. Пружинный маятник (слайд 8).

1) Колебательная система в этом случае представляет собой совокупность некоторого тела и прикрепленной к нему пружины. Вертикальный и горизонтальный маятники.

2) Попробуем вместе по аналогии с математическим маятником принять упрощающие предположения. Анализ свободных колебаний, совершаемых пружинным маятником, значительно упрощается, если:

- силы трения, действующие на тело, пренебрежимо малы и, поэтому их можно не учитывать;

- деформации пружины в процессе колебаний тела не велики, так что можно их считать упругими и пользоваться законом Гука.

3) Предлагаю получить уравнение свободных колебаний учащегося. Получим уравнение движения пружинного маятника.

- запишем второй закон Ньютона в векторном виде и в проекциях на ось ОХ:

ma = F(упр) 

ma = -kx

a = -kx/m – это уравнение называют уравнением свободных колебаний пружинного маятника.

4) Для установления причин свободных колебаний пружинного маятника, рассмотрим процесс более подробно. Задание классу: прочитать в параграфе 19 на стр.52 последний абзац. Таким образом, колебания пружинного маятника имеют следующие причины:

- действие на тело силы упругости, пропорциональной смещению тела от положения равновесия и направленной к этому положению;

- инертность колеблющегося тела, благодаря которой оно не останавливается в положении равновесия, а продолжает двигаться в прежнем направлении.

5) Запишем формулу периода свободных колебаний пружинного маятника

T = 2π√m/k

Отвлечемся еще на одну историческую паузу (Выступление учащегося, слайд 9).

Христиан Гюйгенс – голландский физик, математик, механик и астроном. Родился в Гааге. Обучался в Лейденском университете юридическим наукам, но не прекращал занятия математикой. Опираясь на исследования Галилея, он решил ряд задач механики. В 1656 году в возрасте 27 лет им были сконструированы первые маятниковые часы со спусковым механизмом. Создание часов, измеряющих время с невиданной для той поры точностью, имело далеко идущие последствия для развития физического эксперимента и практической деятельности человека. До этого ведь время измеряли по истечению воды, горению факела или свечи. Созданная Гюйгенсом к 1673 году теория колебаний явилась одним из оснований для понимания потом природы света.

5. Закрепление изученного материала.

Воспользуемся полученными знаниями для решения задач.

6. Первичная проверка усвоения материала.

Тестовое задание с взаимопроверкой. Варианты правильных ответов на слайде 10. По количеству правильных ответов поставьте оценку соседу по парте.

7. Рефлексия.

- Что заинтересовало вас на уроке больше всего?

- Как вы усвоили пройденный материал?

- Какие были трудности? Удалось ли их преодолеть?

-Помог ли сегодняшний урок лучше разобраться в вопросах темы?

- Пригодятся ли вам знания, полученные сегодня на уроке?

8. Домашнее задание.

Физик видит то, что видят все: предметы и явления. Он, так же как все восхищается красотой и величием мира, но за этой, всем доступной красотой, ему открывается еще одна: красота закономерностей в бесконечном разнообразии вещей и событий. Физику доступна редкая радость – понимать Природу и даже беседовать с ней.

§§ 18-20, С-500, 503.