Конспект по физике для 9 класса «Механические колебания. Пружинный маятник». Что такое колебательные движения и система. Что такое свободные и вынужденные колебания. Что такое пружинный маятник.
Конспекты по физике Учебник физики Тесты по физике
Механические колебания
В жизни мы часто наблюдаем движения, которые повторяются с течением времени. Вы уже знакомы с одним из примеров повторяющегося движения — движением по окружности. Наблюдая за движением маятника часов, движением качелей, колебаниями струн музыкального инструмента и т. п., можно заметить одно общее во всех этих примерах — многократное повторение одного и того же цикла движений.
ПЕРИОДИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ
Периодическим называется повторяющееся движение, у которого каждый цикл в точности воспроизводит любой другой цикл. В реальных условиях точного повторения движения не всегда можно добиться. Однако в некоторых случаях отклонения от совершенно точного повторения настолько малы, что ими можно пренебречь и считать движение периодическим.
Механическое движение, которое совершает, например, маятник часов или тело, подвешенное на пружине, называют колебательным. Отличительной особенностью такого движения является то, что оно может совершаться без воздействия периодических внешних сил. Так, например, если толкнуть качели, они будут продолжать раскачиваться некоторое время без нашего воздействия на них. Почему это происходит? Первоначально была совершена механическая работа, в результате качели отклонились от положения равновесия и их потенциальная энергия увеличилась. Под действием силы, возвращающей качели в положение равновесия, они могут совершать колебательные движения. Колебания, происходящие только за счёт начального запаса энергии, называют свободными колебаниями.
В отличие от свободных колебаний, вынужденные колебания происходят в случае, когда на тело или совокупность тел периодически действует некоторая внешняя сила. Примером вынужденных колебаний может служить такое движение качелей, когда их постоянно раскачивают.
КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
Системы тел, которые способны совершать колебания, называют колебательными системами. В колебательной системе всегда присутствует сила, которая возвращает тело в положение равновесия.
ПРУЖИННЫЙ МАЯТНИК
В качестве одной из простейших колебательных систем рассмотрим пружинный маятник. Эта система состоит из грузика, пружины, стойки, к которой прикреплён левый конец пружины, и стержня, вдоль которого может двигаться груз практически без трения. Масса пружины много меньше массы груза, поэтому массой пружины пренебрегают.
Рассмотрим физическую установку, состоящую из пружины и прикреплённого к ней шарика с отверстием. Шарик может скользить по проходящему через отверстие гладкому стержню. При этом возникающее трение настолько мало, что при изучении движения шарика им можно пренебречь.
Пока пружина не деформирована, сила упругости на тело не действует. Сила тяжести уравновешена силой реакции опоры. Поэтому груз находится в положении равновесия.
Направим ось ОХ вдоль стержня, выбрав в качестве начала отсчёта точку, определяющую данное положение шарика. При этом сила упругости, скорость шарика и его ускорение равны нулю.
Выведем груз из положения равновесия, растянув пружину на некоторое расстояние А.
На груз будет действовать сила упругости пружины Fynp, которая согласно закону Гука зависит от коэффициента жёсткости пружины k, пропорциональна смещению (отклонению груза от положения равновесия) и направлена к положению равновесия. Если груз отпустить, то под действием этой силы он начнёт двигаться к положению равновесия. При этом в точке наибольшего растяжения пружины шарик будет обладать максимальным ускорением, так как сила упругости в этой точке максимальна. Направление силы упругости и направление вызванного ею ускорения совпадают с направлением скорости груза. Поэтому по мере приближения к положению равновесия его скорость всё время возрастает, достигая своего максимального значения. В положении равновесия сила упругости равна нулю и, следовательно, равно нулю и ускорение.
Далее тело продолжает своё движение по инерции. Пружина сжимается, и в ней опять возникает сила упругости, которая направлена вправо, к положению равновесия. Поэтому скорость тела уменьшается, и оно останавливается в крайнем левом положении, характеризуемым координатой х = –А. В крайнем левом положении сила упругости максимальна и направлена к положению равновесия. Поэтому сразу после остановки тело вновь начнёт движение. Груз снова пройдёт положение равновесия, но уже слева направо и опять отклонится от него на расстояние А, т. е. вернётся в точку, откуда началось движение. Таким образом, груз совершит одно полное колебание. Далее процесс повторится.
Одно из основных свойств всех колебательных систем заключается в том, что возникает периодически изменяющаяся сила, пропорциональная смещению тела, возвращающая систему в положение устойчивого равновесия.
В пружинном маятнике колебания совершаются под действием внутренней силы — силы упругости (сила трения пренебрежимо мала). Следовательно, свободные колебания — это колебания, происходящие под действием внутренних сил.
Вы смотрели Конспект по физике для 9 класса «Механические колебания. Пружинный маятник».
Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).