СВОБОДНЫЕ И ВЫНУЖДЕННЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ В КУРСЕ ФИЗИКИ СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ

APPLICATION OF DIDACTIC GAMES IN THE PROCESS OF TEACHING SCHOOLCHILDREN IN PHYSICS

Tatiana Paksuatkina

Student, Department of Physics and Technical Disciplines, Ulyanovsk State Pedagogical University named after I.N. Ulyanov,

Russia, Ulyanovsk

Vladimir Ariskin

scientific supervisor, Candidate of  Pedagogical sciences, Associate Professor, Ulyanovsk State Pedagogical University named after I.N. Ulyanov,

Russia, Ulyanovsk

АННОТАЦИЯ

В данной статье будет говориться о Свободных и вынужденных механических колебаниях в курсе физики средней школы.

ABSTRACT

Abstract: this article will talk about Free and forced mechanical vibrations in a high school physics course.

Ключевые слова: демонстрационный эксперимент, физика, методика обучения физике.

Keywords: demonstration experiment, physics, methods of teaching physics.

Предмет физика вносит большой вклад в формирование основ мировоззрения, единой картины мира благодаря раскрытию единства в многообразии взаимосвязи и обусловленности явлений, показана на конкретных примерах сущности философских категорий и терминов. Ученик, окончивший среднюю школу должен получить такой объем знаний, который позволит ему понимать различные физические явления и законы, их проявления в природе, основные идеи технического использования физики и преобразования природы, ее новейшие достижения и перспективы развития. Этому способствуют некоторые экспериментальные и интеллектуальные умения, полученные на уроках. В соответствии с ФГОС ученик в процессе обучения должен овладеть универсальными учебными действиями (УУД), а также сформировать качества, необходимые для дальнейшей профессиональной деятельности. [1, с. 10].

Школьная программа по физике состоит из нескольких больших разделов: механика, молекулярная физика и тепловые явления, электродинамика, колебания и волны оптика, квантовая физика. В данной работе уделено внимание рассмотрению темы «Механические колебания» в 9 классе.

Изучение колебаний начинают с введения понятия о колебательном движении, которое является одним из основных в этой теме. Учащиеся уже знакомы с периодическими, т. е. повторяющимися через равные промежутки времени, движениями (например, с равномерным движением по окружности). Разновидность периодического движения - колебательное, т. е. такое движение, при котором тело перемещается от своего положения равновесия то в одну сторону, то в другую. Приводят примеры колебательных движений и демонстрируют системы тел, в которых при определенных условиях могут существовать колебания (вертикальный и горизонтальный пружинные маятники, груз на нити, ножовочное полотно, зажатое в тисках, и др.). На примере этих колебательных систем подчеркивают то общее, что характерно для любых из них: наличие устойчивого положения равновесия фактор инертности, обеспечивающий прохождение телом положения равновесия и, таким образом, установление колебательного движения вместо простого возвращения тела в положение равновесия, и, наконец, достаточно малое трение в системе.

При изучении колебаний рассматривают свойства различных колебательных систем. Колебательная система - это тело или совокупность тел, в которых могут происходить колебательные движения, обусловленные внутренними силами. Колебания в таких замкнутых системах называют свободными. Свободные колебания называют собственными, если в колебательной системе можно пренебречь силами трения.

Следовательно, одна из первых задач при изучении колебаний - формирования понятия о колебательных системах. Решить ее можно с помощью рассмотрения конкретных постепенно усложняющихся примеров упругих колебаний и колебаний под действием силы тяжести. При этом для механических колебаний важно определить систему отсчёта и выделить в ней колеблющееся тело.

Далее вводят понятие о свободных колебаниях. Колебания, возникающие в системе, выведенной из положения равновесия и представленной самой себе, называют свободными. Если в системе отсутствует трение, то свободные колебания называют собственными, они происходят с собственной частотой, которая определяется только параметрами системы.

Задача №1:

Может ли летучая мышь, посылая сигнал частотой 80 кГц, обнаружить мошку размером 1 мм? Скорость звука в воздухе принять равной 320 м/c. Ответ поясните. [4, с. 16].

Как ориентируются летучие мыши.

Летучие мыши обычно живут огромными стаями в пещерах, в которых они прекрасно ориентируются в полной темноте. Влетая и вылетая из пещеры, каждая мышь издает неслышимые нами звуки. Одновременно эти звуки издают тысячи мышей, но это никак не мешает им прекрасно ориентироваться в пространстве в полной темноте и летать, не сталкиваясь друг с другом. Почему летучие мыши могут уверенно летать в полнейшей темноте, не натыкаясь на препятствия? Удивительное свойство этих ночных животных - умение ориентироваться в пространстве без помощи зрения - связано с их способностью испускать и улавливать ультразвуковые волны.

Оказалось, что во время полёта мышь излучает короткие сигналы на частоте около 80 кГц, а затем принимает отражённые эхо-сигналы, которые приходят к ней от ближайших препятствий и от пролетающих вблизи насекомых. Для того, чтобы сигнал был отражён препятствием, наименьший линейный размер этого препятствия должен быть не меньше длины волны посылаемого звука. Использование ультразвука позволяет обнаружить предметы меньших размеров, чем можно было бы обнаружить, используя более низкие звуковые частоты. Кроме того, использование ультразвуковых сигналов связано с тем, что с уменьшением длины волны легче реализуется направленность излучения, а это очень важно для эхолокации. Реагировать на тот или иной объект мышь начинает на расстоянии порядка 1 метра, при этом длительность посылаемых мышью ультразвуковых сигналов уменьшается примерно в 10 раз, а частота их следования увеличивается до 100–200 импульсов (щелчков) в секунду. То есть, заметив объект, мышь начинает щелкать более часто, а сами щелчки становятся более короткими. Наименьшее расстояние, которое мышь может определить таким образом, составляет примерно 5 см. Во время сближения с объектом охоты летучая мышь как бы оценивает угол между направлением своей скорости и направлением на источник отражённого сигнала и изменяет направление полёта так, чтобы этот угол становился все меньше и меньше.

Данные задачки тоже было бы интересно попрактиковать на уроках физики, ведь они тоже являются составляющей ОГЭ. Их решение может склоняться, как и к применению физических формул, так и основываясь на знаниях физических законов, основных понятий.

Решение в два этапа с объяснением:

1. Найдем длину волны посылаемых летучей мышью:

2. Получившаяся длина волны больше размера мошки, поэтому летучая мышь не сможет обнаружить мошку такого размера.

Вывод: в процессе проведения педагогического эксперимента было показано, что при правильном использовании физических задач, при их подробном решении и пояснении можно повысить уровень обучаемости учеников, за счет практического использования полученных знаний. Если систематически и методически грамотно проводить уроки используя качественные, расчетные и экспериментальные задачи, то у учащихся формируется интерес к урокам механики, а также повышается их уровень знаний.

Пожалуй, нет такой области техники, где бы ни применялись или не учитывались колебательные и волновые процессы. Механические колебания используют в различных технологических процессах и машинах (сортировочные машины, вибрационные конвейеры, вибролитьё и т.д.). [3, с. 25].

В современном производстве многим категориям работников массовых профессий необходимо понимание физических основ технологических процессов или принципа действия машин, механизмов и приборов, в которых используются колебательные и волновые явления. [2, с. 16].

Будущий учитель должен знать содержание и структуру школьного курса физики, понимать его образовательные и воспитательные задачи, уметь реализовывать методику развивающего обучения при изучении основных вопросов курса, учитывая возможности различных методических решений. Мы живем в такое время, когда в России уже нет единообразной школы с общей программой и стабильным учебником.

Одно из важнейших понятий теории колебаний - гармоническое колебание.

Программа общеобразовательной средней школы обычно предполагала впервые ознакомить школьников с понятием гармонического колебания в последнем классе средней школы при изучении электромагнитных колебаний. Но существует реальная возможность сделать это уже при изучении механических колебаний.

При этом возможен следующий подход: используя связь равномерного движения по окружности и колебательного движения, получают закон изменения координаты гармонически колеблющегося тела со временем . Введение основных характеристик колебательного движения - амплитуды, частоты и периода - может последовать сразу после того, как рассмотрены свободные колебания маятников и введено понятие гармонического колебания. Строго говоря, понятие частоты применимо только для гармонических колебаний, т.е. для бесконечных во времени процессов. В случае периодических процессов негармонического характера (а именно с ними чаще всего приходится встречаться) мы имеем дело не с частотой, а с целым набором (полосой) частот.

Вводят понятие амплитуды, частоты и периода колебаний, причем подчеркивают, что именно эти величины, а не смещение, скорость и ускорение колеблющейся точки в данный момент времени характеризуют колебательный процесс в целом. Для усвоения понятий амплитуды, периода и частоты колебаний необходимо предложить учащимся ряд упражнений

различного характера - качественных, количественных, связанных с проведением экспериментов.

Формулы для периода колебаний математического и пружинного маятников не могут быть строго выведены из-за отсутствия необходимой математической подготовки учащихся. Поэтому они могут быть даны в готовом виде (с последующей экспериментальной проверкой) или выведены косвенным путем.

Например, формулу периода колебаний математического маятника можно получить, используя экспериментальный фат, установленный еще X. Гюйгенсом: конический маятник длиной l совершает полный оборот за тот же промежуток времени, в течение которого математический маятник той же длины совершает полное колебание, т.е. за период. Перед учащимися можно поставить задачу: воспользовавшись этим опытным фактом, найти формулу периода колебания математического маятника.

Для лучшего усвоения формулы периода колебаний маятников  ее следует проверить на опыте, показав, что от коэффициента упругости и массы груза, так же как и от ускорения свободного падения и длины нити для математического маятника, зависит собственная частота колебаний системы.

Пожалуй, нет такой области техники, где бы ни применялись или не учитывались колебательные и волновые процессы. Механические колебания используют в различных технологических процессах и машинах (сортировочные машины, вибрационные конвейеры, вибролитьё и т.д.).

В современном производстве многим категориям работников массовых профессий необходимо понимание физических основ технологических процессов или принципа действия машин, механизмов и приборов, в которых используются колебательные и волновые явления.

В работе была рассмотрена методика преподавания физики, а именно темы «свободные и вынужденные колебания». Разработаны конспекты уроков и технологические карты с учётом методических замечаний, для последующего использования в процессе обучения учащихся учителем.

Будущий учитель должен знать содержание и структуру школьного курса физики, понимать его образовательные и воспитательные задачи, уметь реализовывать методику развивающего обучения при изучении основных вопросов курса, учитывая возможности различных методических решений.

Список литературы:

1. Каменецкий, С. Е. Теория и методика обучения физике в школе : Частные вопросы : Учеб. пособие для студ. пед. вузов / С. Е. Каменецкий, Н. С. Пурышева, Т. И. Носова и др.; Под ред. С. Е. Каменецкого. – Москва : Издательский центр «Академия», 2000.
2. Бидерман, В. Л. Теория механических колебаний / В. Л. Бидерман. – Москва : Регулярная и хаотическая динамика, 2009. – 416 с.
3. Вайнберг, Д. В. Механические колебания и их роль в технике / Д. В. Вайнберг, Г. С. Писареко. – Москва : Наука,1965. – 275 с.
4. Ланге, В. Н. Физические парадоксы, софизмы и занимательные задачи. Электричество и магнетизм. Колебания и волны. Оптика. Теория относительности. Атомная и ядерная физика / В. Н. Ланге. – Москва : Либроком, 2014. – 232 с.