Период колебания на пружине

Свободные колебания совершаются под действием внутренних сил системы после того, как система была выведена из положения равновесия.

Для того, чтобы свободные колебания совершались по гармоническому закону, необходимо, чтобы сила, стремящаяся возвратить тело в положение равновесия, была пропорциональна смещению тела из положения равновесия и направлена в сторону, противоположную смещению (см. §2.1):

.

В этом соотношении – круговая частота гармонических колебаний. Таким свойством обладает упругая сила в пределах применимости закона Гука:

.

Силы любой другой физической природы, удовлетворяющие этому условию, называются квазиупругими .

Таким образом, груз некоторой массы , прикрепленный к пружине жесткости , второй конец которой закреплен неподвижно (рис. 2.2.1), составляют систему, способную в отсутствие трения совершать свободные гармонические колебания. Груз на пружине называют линейным гармоническим осциллятором .

Рисунок 2.2.1.

Круговая частота свободных колебаний груза на пружине находится из второго закона Ньютона:

откуда

Частота называется собственной частотой колебательной системы.

Период гармонических колебаний груза на пружине равен

При горизонтальном расположении системы пружина–груз сила тяжести, приложенная к грузу, компенсируется силой реакции опоры. Если же груз подвешен на пружине, то сила тяжести направлена по линии движения груза. В положении равновесия пружина растянута на величину , равную

и колебания совершаются около этого нового положения равновесия. Приведенные выше выражения для собственной частоты и периода колебаний справедливы и в этом случае.

Строгое описание поведения колебательной системы может быть дано, если принять во внимание математическую связь между ускорением тела и координатой : ускорение является второй производной координаты тела по времени :

Поэтому второй закон Ньютона для груза на пружине может быть записан в виде

или

(*)

где

Все физические системы (не только механические), описываемые уравнением (*), способны совершать свободные гармонические колебания, так как решением этого уравнения являются гармонические функции вида

m cos .

Уравнение (*) называется уравнением свободных колебаний . Следует обратить внимание на то, что физические свойства колебательной системы определяют только собственную частоту колебаний или период . Такие параметры колебательного процесса, как амплитуда m и начальная фаза , определяются способом, с помощью которого система была выведена из состояния равновесия в начальный момент времени.

Если, например, груз был смещен из положения равновесия на расстояние и затем в момент времени отпущен без начальной скорости, то m = , .

Если же грузу, находившемуся в положении равновесия, с помощью резкого толчка была сообщена начальная скорость то

Таким образом, амплитуда m свободных колебаний и его начальная фаза определяются начальными условиями .

Существует много разновидностей механических колебательных систем, в которых используются силы упругих деформаций. На рис. 2.2.2 показан угловой аналог линейного гармонического осциллятора, совершающий крутильные колебания. Горизонтально расположенный диск висит на упругой нити, закрепленной в его центре масс. При повороте диска на угол возникает момент сил упругой деформации кручения:

.

Это соотношение выражает закон Гука для деформации кручения. Величина аналогична жесткости пружины . Второй закон Ньютона для вращательного движения диска записывается в виде (см. §1.23)

где – момент инерции диска относительно оси, проходящий через центр масс, – угловое ускорение.

По аналогии с грузом на пружине можно получить:

Крутильный маятник широко используется в механических часах. Его называют балансиром. В балансире момент упругих сил создается с помощью спиралевидной пружинки.

1. Жесткость пружинного маятника 8000 Н/м. Чему равен период и частота его колебаний?

2. Два одинаковых пружинных маятника колеблются с амплитудами – 3 и 6 см. Как различаются периоды их колебаний?

Читайте также:  Как открутить заклинивший болт

3. Пружинный маятник совершил 15 колебаний за одну минуту. Каковы период и частота колебаний?

4. Координаты пружинного маятника изменяются по закону

Чему равны амплитуда, период и частота колебаний. В формуле все величины выражены в системе СИ.

Краткая теория:

Пружинный маятник – это груз, колеблющийся на пружине. Он соверщает возвратно-поступательное движение. Пружинный маятник подчиняется законам движения, по которым можно определить период его колебаний, зная массу груза и жесткость пружины. Период колебаний пружинного маятника не зависит от места его расположения и амплитуды колебаний.

Формулы для решения :

Алгоритм решения типовой задачи:

1. Кратко записываем условие, изображаем его графически. На рисунке обозначаем необходимые данные: силы, действующие на маятник, направление его движения и другие.
2. Записываем основную формулу для определения периода колебаний пружинного маятника и другие необходимые формулы колебательного движения. Определяем, какие величины надо найти из других механических соотношений, записываем их.
3. Решаем полученные уравнения в общем виде.
4. Подставляем данные, вычисляем. Перед подстановкой переводим все данные в единую систему.
5. Записываем ответ.

Примеры решения:

Задача 1.

Масса груза пружинного маятника 0,5 кг, жесткость пружины 8000 Н/м. Чему равен период и частота его колебаний?

1. Кратко записываем условие, изображаем его графически.

2. Записываем основную формулу для определения периода колебаний пружинного маятника и соотношение между периодом и частотой колебаний.

3. Решаем полученные уравнения в общем виде. Формулы сразу дают общее решение.

4. Подставляем данные, вычисляем.

5. Ответ: Частота колебаний примерно 20 герц, их период – 0,05 секунды.

Задача 2.

Два одинаковых пружинных маятника колеблются с амплитудами – 3 и 6 см. Как различаются периоды их колебаний?

1. Кратко записываем условие, изображаем его графически.

2. Записываем основную формулу для определения периода колебаний пружинного маятника.

3. Решаем полученные уравнения в общем виде.

4. Подставляем данные, вычисляем.

5. Ответ: Период колебаний пружинного маятника не зависит от амплитуды.

Задача 3.

Пружинный маятник совершил 15 колебаний за одну минуту. Каковы период и частота колебаний?

1. Кратко записываем условие, изображаем его графически.

2. Частота колебаний – это их количество в единицу времени. Единица времени в системе СИ – секунда. Значит, надо просто найти количество колебаний в секунду. Для этого количество колебаний в минуту надо разделить на 60, так как в минуте 60 секунд.

Период – величина, обратная частоте.

3. Решаем полученные уравнения в общем виде. Формулы сразу дают общее решение.

4. Подставляем данные, вычисляем.

5. Ответ: период колебаний равен 4 секундам, их частоту – 0,25 герца.

Задача 4.

Координаты пружинного маятника изменяются по закону

Чему равны амплитуда, период и частота колебаний. В формуле все величины выражены в системе СИ.

1. Кратко записываем условие, изображаем его графически.

2. Записываем общее уравнение гармонического колебания. Сравниваем заданное уравнение движения маятника с общим уравнением.

3. Из сравнения получаем:

Отсюда легко вычисляется частота и период колебаний.

4. Подставляем данные, вычисляем

5. Ответ: Амплитуда колебаний равна 0,5 метра, период – четырем секундам, частота – 0,25 Гц.

Образовательные цели: формирование представления о процессе научного познания, организация и систематизация знания по теме; формирование представления о зависимости периода колебаний от массы тела и жёсткости пружины; развитие экспериментальных навыков, исследовательских умений.

Оборудование: магнитофон, компьютеры, программа [1] или [2] (раздел «Механические колебания и волны», «Колебания тела на пружине»), § 31 учебника [3].

Читайте также:  Как точить волнистый нож

Ход урока

1. Начало занятия

Преподаватель (начинает урок со стихотворения Б. Пастернака: «Во всём мне хочется дойти//До самой сути //Свершать открытья»). Что для вас, ребята, значат слова «Я сделал открытие?» (Выслушивает ответы.) Правильно ли я вас поняла: если человек своим трудолюбием, упорством достигает истины в чём-либо, то это и означает, что он совершил открытие? Сегодня мы также будем совершать хотя и маленькие, но самостоятельные открытия. Итак, тема нашего занятия «Колебания тела на пружине».

2. Повторение и обобщение

Преподаватель. Сначала давайте вместе восхитимся своими глубокими знаниями по теме «Механические колебания». Запишите в карточках пропущенные левые части формул (один учащийся выполняет задание у доски):

(Класс проверяет свои записи, каждый ставит себе в лист самоконтроля баллы по числу правильно написанных самим формул и числу найденных с ошибками.)

А теперь вытащим из тайников памяти кое-что ценное. Перед вами таблица с физическими величинами, их единицами, цифрами. Я буду задавать вопрос, а вы будете зачёркивать клетку с правильным ответом:

• Интервал времени, в течение которого происходит одно полное колебание • Максимальное отклонение колеблющейся величины от положения равновесия • Число колебаний в единицу времени • Единица периода колебаний • Единица частоты колебаний • Единица амплитуды колебаний • За какое время маятник совершил n = 20 колебаний, если период колебаний равен 0,5 с? • Чему равна частота этих колебаний? • Тело совершает колебание вдоль оси X. Его координата изменяется со временем по закону x = 0,2cos0,63t (СИ). Чему равна амплитуда колебаний тела? • Чему равна циклическая частота этих колебаний? • Очень мягкая большая пружина за 2 с сокращается от максимально растянутого до исходного состояния. Чему равен период колебаний пружины? • Если длина пружины при этом изменилась на 0,5 м, чему равен путь, пройденный незакреплённым концом пружины за период колебания?

(Правильные ответы «рисуют» на карточке цифру «5». Ребята ставят в лист самоконтроля оценку – по 1 баллу за правильный ответ.)

В основе любого раздела физики лежат наблюдения или эксперимент. Сегодня я предлагаю вам провести исследования механических колебаний. Разбейтесь на четыре группы по желанию. Каждая группа берёт карточку с заданием и выполняет его, а потом рассказывает, что делали и что получили.

Задание № 1. Сделайте секундный маятник (период колебаний 1 с). Приборы и материалы: нить, груз, линейка, секундомер.

Задание № 2. Определите период колебаний метрового нитяного маятника. Чему он будет равен, если длину нити уменьшить в четыре раза? Приборы и материалы: метровый маятник, секундомер.

Задание № 3. Определите период, частоту и циклическую частоту колебаний маятника. Запишите уравнение колебаний этого маятника. Приборы и материалы: шарик, линейка, секундомер, нить.

Задание № 4. Определите на практике ускорение свободного падения для данной местности с помощью нитяного маятника. Приборы и материалы: нить, шарик, линейка, секундомер.

(Преподаватель оценивает работу групп. Ребята выставляют баллы в лист самоконтроля: 1 балл – за проведение эксперимента, 1 балл – за защиту.)

3. Изучение нового материала

Преподаватель. А теперь переходим к теме нашего занятия «Колебания тела на пружине». попробуем установить зависимости периода свободных колебаний от массы груза, жёсткости пружины и амплитуды колебаний. (Ребята распределяются на пары по желанию, получают карточки, в ходе компьютерного эксперимента устанавливают эти зависимости и записывают в карточки результаты и выводы * .)

Читайте также:  Как изготовить гипсовые формы

Установите зависимость периода свободных колебаний от массы и жёсткости пружины

m, кг 0,5 0,7 1
Т, с 1,99 2,35 2,81

Сделайте вывод: если увеличить массу, то период увеличивается .

k, Н/м 5 7 10
Т, с 1,99 1,68 1,4

Сделайте вывод: если увеличить жёсткость пружины, то период: уменьшается .

А, см 5 7 10
Т, с 1,4 1,4 1,4

Сделайте вывод: если увеличить амплитуду колебаний, то период: не изменяется .

Запишите формулу периода свободных колебаний

Используйте § 38 учебника В.А. Касьянова «Физика-10»:

Сделайте вывод: период свободных колебаний пружинного маятника не зависит от амплитуды колебаний, а полностью определяется жёсткостью, массой (собственными характеристиками колебательной системы) .

Проверьте экспериментально зависимость периода свободных колебаний от массы и жёсткости.

Напутствовать вас в работе мне хочется словами А. Толстого: «Знания только тогда знания, когда они приобретены усилиями своей мысли, а не памяти». Удачи вам в ваших исследованиях!

(Ребята устанавливают зависимости, ставят в лист самоконтроля по 1 баллу за каждую формулу.)

4. Закрепление, тренировка, отработка умений

Преподаватель. Теперь порешаем задачи на карточках, а ответ проверим с помощью компьютерного эксперимента. Решение первой задачи оценивается максимально в 1 балл, второй – в 2 балла.

Задача 1. Определите период колебаний пружинного маятника, если масса груза равна 0,5 кг, жёсткость пружины 10 Н/м.

Задача 2. Напишите уравнение движения пружинного маятника x(t), если m = 1 кг, k = 10 Н/м, A = 10 см. Определите координату в момент времени t = 4 с.

Проверьте ответ по графику, для этого выберите параметры, нажмите Cтарт и следите за показаниями t.

Творческое задание. Придумайте, сформулируйте и решите задачу, проведите компьютерный эксперимент и проверьте ваш ответ. Проставьте в лист самоконтроля оценку преподавателя (до 2 баллов).

5. Рефлексия. Подведение итогов

Преподаватель. Подводим итоги. Что было главным? Что было интересным? Что нового сегодня узнали? Чему научились? (Выслушивает мнения. Ребята считают баллы и выставляют себе отметки: 24–25 баллов – «3», 26–27 баллов – «4», 28–29 баллов – «5».)

ДЗ. § 38, задачи 1, 2. Составьте сами задачи для будущих студентов. Обязательно подпишите свои работы, авторство будет сохранено. А сегодняшнее занятие я хочу закончить словами М. Фарадея: «Искусство экспериментатора состоит в том, чтобы уметь задавать природе вопросы и понимать её ответы». И я думаю, что вам сегодня это удалось. Урок завершён. Спасибо за урок. Успехов вам. До встречи на следующем уроке.

  1. Физика в картинках 6.2. НЦ ФИЗИКОН, 1993. 1 электрон. опт. диск (DVD-ROM); [Электронный ресурс] URL: http://torrents.ru/forum/.
  2. Открытая физика 2.6: Ч. 1 : ООО ФИЗИКОН, 1996–2005 [Электронный ресурс] URL: http://physics.ru
  3. Касьянов В.А. Физика : учеб. для общеобразоват. учреждений. 10 кл. М. : Дрофа, 2003. С. 123–133.

Яна Владимировна Бочарникова в 1990 г. окончила ДВГУ по специальности «Физик, преподаватель физики», работала в Хабаровском институте инженеров железнодорожного транспорта, затем в ДОУ вела информатику для детей 3–7 лет, преподавала физику в школе и вот уже 9 лет – в колледже. Победитель городского конкурса «Учитель года-99» и конкурса «Преподаватель года-2005» в колледже, лауреат краевого конкурса «Преподаватель года-2005». В своей работе руководствуется словами С. Соловейчика: «Вырастить людей с глубоким чувством собственного достоинства, полных самоуважения и уважения к окружающим, людей, способных выбирать, самостоятельно действовать, – это ли не значит содействовать укреплению и процветанию страны?»

* Записи учащихся выделены здесь серым шрифтом. – Ред.