Колебания и маятники
выполнили: ученики 9 класса
МБОУ СОШ с. Макарово
Карамышев Ильнур Ильшатович, Хуббутдинова Элина Ришатовна
Руководитель: учитель физики
Ахмерова Елена Ильшатовна
Макарово 2019г.
Оглавление
Введение. 2
Колебания. 4
Маятники. 5
1. Математический маятник. 5
2. Пружинный маятник. 6
3. Маятник Фуко. 7
4. Крутильный маятник. 8
5. Маятник Ньютона. 9
Эксперименты по применению и изготовлению маятников. 10
Эксперимент № 1. Определение ускорения свободного падения с помощью математического маятника. 10
Эксперимент № 2. Измерение жесткости пружины. 11
Эксперимент № 3. Изготовление модели маятника Фуко. 12
Эксперимент № 4. Изготовление игрушки «йо-йо» как один из видов крутильного маятника. 12
Эксперимент 5. Изготовление маятника Ньютона. 13
Заключение. 14
Библиографический список. 14
Приложение. 15
Введение.
Учась в школе нас очень заинтересовала тема колебания и маятники. Они окружают нас повсюду: колебания веток деревьев на ветру, качелей, автомобиля на рессорах, иглы швейной машины и так далее. Маятники используются в часах, детских кроватках, в автомобилях (механизм рулевого управления). Так же используется в строительстве, геодезии, гравиметрии, для измерении дульной энергии крупнокалиберного стрелкового оружия, в биолокациях и т.д. Но мы рассматриваем не все виды маятников, а только пружинный и математический, и нам захотелось изучить различные виды маятников.
В связи с этим возникла проблема исследования: рассмотреть колебательные движения различные виды маятников, выявить их применение в жизни и технике, сконструировать их с помощью подручных материалов. Отсюда вытекает тема исследования: «Колебания и маятники».
Объект исследования: различные маятники.
Предмет исследования: конструирование моделей маятников.
Цель исследования: изучить теоретические основы колебательного движения различных маятников, провести серию опытов по конструированию их, рассмотреть применение в жизни.
Задачи исследования:
1. Изучить учебную литературу о колебаниях и маятниках.
2. Изучить методику проведения экспериментов.
3. Провести эксперименты и сделать выводы.
Основные методы работы –поисковый, метод обобщенного анализа (сравнение имеющихся знаний с полученными данными), лабораторно – практический метод.
Этапы исследования:
1. Изучение и анализ литературы по этой теме.
2. Создание модели проведения экспериментов.
3. Проведение экспериментов.
4. Систематизация работы
5. Подбор наглядного материала. Написание работы.
Благодаря этой работе, мы научимся применять полученные знания на практике, с помощью физических законов описывать различные явления; узнаем, из каких материалов можно сделать различные модели маятников, и попытаемся экспериментально это доказать.
Мы старались использовать не только электронные ресурсы Интернета, но и библиотечные ресурсы МБОУ СОШ с. Макарово.
Колебания.
Колебательные движения широко распространены в окружающей нас жизни. Первыми учеными, изучавшими колебания, были Галилео Галилей (1564-1642) и Христиан Гюйгенс (1629-1692).
Галилей сконструировал первые маятниковые часы. (рис № 1) [3] В 1656 году в возрасте 27 лет Гюйгенсом были сконструированы первые маятниковые часы со спусковым механизмом. (рис № 2)
рис №1 рис № 2
Следует особо отметить работы с маятниками гениальных русских учёных Михаила Васильевича Ломоносова и Дмитрия Ивановича Менделеева. (рис № 3)
рис № 3
Маятники.
Свободно колеблющиеся тела всегда взаимодействуют с другими телами и вместе образуют систему тел, которая получила название колебательной системы. Мы будем рассматривать колебательные системы называемые маятниками.
Под словом «маятник» понимают твердое тело, совершающее под действием приложенных сил колебания около неподвижной токи или вокруг оси.[5]
Существует несколько типов маятников, я рассмотрю наиболее распространённые и интересные.
1. Математический маятник
Математическим маятником – это материальная точка, висящая на невесомой нерастяжимой нити. [7]
Реальный маятник можно считать математическим, если длина нити много больше размеров подвешенного на ней тела, масса нити ничтожно мала по сравнению с массой тела.
рис № 4 
Период колебаний математического маятника определяется по формуле 
. Мы видим, что период прямо пропорционален длине маятника и обратно пропорционален ускорению свободного падения.
Математический маятник нашёл широко применение в жизни.
Ускорение свободного падения меняется с географической широтой, так как плотность земной коры различна, поэтому прибор с маятником применили для разведки полезных ископаемых. Подсчитав число качаний, можно обнаружить в земных недрах руды или уголь.
Сейчас очень популярна такая методика, как биолокация. Биолокация позволяют человеку посредством индикатора — рамки или маятника определять наличие каких либо предметов или объектов в пространстве, а также получать ответы с уровня информационного поля. [3]
В наше время круг задач, решаемых биолокацией, еще более расширился. Эта техника применяется экстрасенсами для диагностики заболеваний, поиска пропавших людей, предметов и т.д. Активно используется биолокация в археологии, геологии, гидрогеологии, строительстве и т.д.
Следующий маятник, которым мы изучаем в школе, это пружинный.
2. Пружинный маятник
Это груз, прикрепленный к пружине, массой которой можно пренебречь. [2] (рис № 5) Пружинный маятник характеризуется массой тела и жесткостью пружины, поэтому период для такого маятника находиться по формуле 
.
Пружинные маятники широко используются в качестве акселерометра в системах управления баллистических ракет, контактных взрывателях артиллеристских и авиационных боеприпасов и т.п.
Следующий вид маятника – это разновидность математического маятника.
Маятник Фуко.
Маятник Фуко служит для демонстрации вращения Земли вокруг своей оси. Все мы с вами знаем, что Земля вращается вокруг своей оси и совершает полный оборот за 24 часа. Вращение Земли можно доказать многими физическими опытами. Самым знаменитым из них был опыт, проведенный Жаном Бернаром Леоном Фуко в 1851 году в парижском Пантеоне в присутствии императора Наполеона. (рис № 6) Под куполом здания физик подвесил металлический шар массой 28 кг на стальной проволоке длиной 67 м. Под ним было сделано ограждение с радиусом 6 м, внутри которого насыпали песок, чьей поверхности касалось острие маятника. После того как маятник привели в движение, все заметили, что плоскость качания поворачивается относительно пола по часовой стрелке.
рис № 6
Это следовало из того, что при каждом следующем качании острие маятника делало отметку на 3 мм дальше предыдущего. Это отклонение и объясняет то, что Земля совершает вращение вокруг своей оси. Таким образом, маятник Фуко имеет важное научное применение.
Следующий вид, это крутильный маятник.
Крутильный маятник.
Это маятник Максвелла, он позволяет выявить ряд интересных закономерностей движения твердого тела. Небольшой маховичок падает, разматывая навитые на его ось нити, и приобретает постепенно столь значительную энергию вращения, что, развернув нити до конца, продолжать вращаться, вновь наматывая их и, следовательно, поднимаясь вверх. (рис № 7) [1]
Обычно крутильный маятник применяется в механических наручных часах. Колесико-балансир под действием пружины вращается то в одну, то в другую сторону. Его равномерные движения обеспечивают точность хода часов.
Несколько лет назад большую популярность на Западе, особенно в Америке, приобрела знаменитая игрушка, называемая «йо-йо». Это – катушка, которая спускается на разматывающейся ленте и сама затем поднимается. Игрушка – не новость: ею развлекались ещё солдаты наполеоновских армий, и даже герои Гомера.
Маятник Ньютона.
Колыбель Ньютона (маятник Ньютона) — механическая система, придуманная Исааком Ньютоном для демонстрации преобразования энергии различных видов друг в друга: кинетической в потенциальную и наоборот. В отсутствие противодействующих сил трения система могла бы действовать вечно, но в реальности это недостижимо. (рис № 8) [3]
Эту популярную игрушку-сувенир, придуманную английским актёром Саймоном Пребблом в 1967 году, а сегодня часто встречаемую на письменных столах в кабинетах и офисах, можно поместить и в музей физики. Мы считаем этот маятник самым интересным и в тоже время самым сложным в изготовлении.
Эксперименты по применению и изготовлению маятников.