(9 класс)
Опыт 1
Цель: демонстрация одного из способов записи механических колебаний (элемент системы научных знаний - метод эмпирического исследования).
Оборудование: I) держатель со спиральной пружиной, 2) гиря массой I кг с крючком, 3) кисточка для рисования, 4) чернила, 5) бумага белая, б) скотч 7) лист картона, 8) штатив лабораторный.
Порядок выполнения:
1. К нижнему концу пружины, укрепленной на лабораторном штативе, подвесьте гирю массой I кг. К гире горизонтально прикрепите кисточку. Пружину поверните вокруг вертикальной оси так, чтобы кисточка своим металлическим наконечником оказалась слегка прижатой к стойке штатива. Это необходимо сделать для устранения крутильных колебаний.
2. Смочите кисточку чернилами. Напротив кисточки расположите лист картона, на котором закреплена скотчем белая бумага.
Вначале при неподвижном маятнике переместите белый лист в горизонтальном направлении, следя за тем, чтобы кисточка вычерчивала на бумаге прямую линию (ось X).
Верните лист в прежнее положение, а маятник приведите в колебание. На неподвижной бумаге получите вертикальную линию (ось У), равную по длине двум амплитудам.
После этого снова приведите маятник в колебательное движение, белый лист при этом перемещайте в горизонтальном направлении. Получите на бумаге волнистую линию (рис. 1) – график затухающих колебаний пружинного маятника.
 |
Рис. 1
Опыт 2
Цель: демонстрация особенностей колебаний математического маятника (факт независимости периода колебаний маятника при малых углах отклонения от массы и амплитуды, эмпирическая формула 
Оборудование: 1) стержень с тремя маятниками, 2) секундомер электромеханический, 3) метр демонстрационный, 4) штатив лабораторный, 5) катушка на 220 В от универсального трансформатора, 6) ВС - 4-12, ВС-24М, 7) провода соединительные.
Порядок выполнения:
1. Продемонстрируйте свойство изохронности колебаний математического маятника (независимость периода малых колебаний от амплитуды колебаний). Для этого исключите из опыта пластмассовый и стальной шарики (рис.2).
 |
Рис. 2
Отведите свинцовый шарик от положения равновесия на небольшой угол (5 - 7 градусов). Измерьте с помощью электромеханического секундомера время 10 полных колебаний и вычислите период колебаний. Затем проделайте те же измерения, отведя шарик на несколько больший, чем в первом случае угол (10 – 12 градусов). Для достижения максимальной убедительности следует провести измерение периода еще раз (например, для угла отклонения нити 2-3 градуса).
2. Продемонстрируйте тот факт, что период колебаний математического маятника не зависит от массы подвешенного тела, а зависит от длины подвеса. Сначала с помощью динамометра покажите различие в массах пластмассового, стального и свинцового шариков (рис. 3).
 |
Рис. 3
Исключите из опыта стальной шарик. Тщательно уравняйте длины подвесов двух оставшихся маятников. Отведите оба шарика линейкой в сторону от положения равновесия на угол не более 5° и одновременно отпустите их. Наблюдайте одинаковую частоту колебаний маятников.
Исключите из опыта свинцовый шарик. Уравняйте длины подвесов стального и пластмассового шариков. Пластмассовому шарику и стальному сообщите колебательное движение. В момент, когда стальной шарик будет проходить положение равновесия, немного подтяните его нить. Обратите внимание на то, что при этом частота колебаний стального шарика в сравнении с частотой колебаний пластмассового заметно изменилась. Еще раз укоротите нить и пронаблюдайте значительное изменение частоты колебаний. Сформулируйте вывод
3. Используя эту же установку, покажите, что период колебаний математического маятника прямо пропорционален корню квадратному из длины подвеса Т~√L. Самостоятельно спланируйте порядок действий при проведении данного исследования.Используйте для измерений демонстрационный метр и электромеханический секундомер. Результаты измерений и вычислений оформите в виде таблицы. Постройте график данной зависимости (рис. 4).
 |
Рис. 4
4. Продемонстрируйте зависимость периода колебаний математического маятника от ускорения свободного падения. Ускорение свободного падения напрямую зависит от силы, с которой тело притягивается вниз (к земле). Поэтому изменение величины g можно смоделировать с помощью электромагнита, укрепленного под стальным шариком (рис. 5).
 |
Рис. 5
Сначала приведите в колебательное движение стальной и пластмассовый шарики (длины их подвесов должны быть одинаковыми) и убедитесь в одинаковой частоте этих колебаний. Затем подайте на зажимы электромагнита от ВС – 24М напряжение 4 В. Возникшие магнитное поле приведет как – бы к локальному увеличению гравитации (но только в отношении стального шарика). В результате «стальной маятник» начинает частить, и синфазность его колебаний с колебаниями соседнего маятника разрушается.
Опыт 3
Цель: демонстрация справедливости эмпирической закономерности 
для периода колебаний пружинного маятника.
Оборудование: 1) держатель со спиральной пружиной 2) гири массой 250 г и 1 кг, 3) секундомер электромеханический демонстрационный, 4) штатив лабораторный, 5) метр демонстрационный.
Порядок выполнения:
1.Покажите, что период колебаний пружинного маятника прямо пропорционален квадратному корню из его массы. Для этого используйте сборно – разборную батарею грузов и электромеханический секундомер.
Сначала подвесьте к пружине груз массой 100 г. Приведите маятник этой массы в колебательное движение, измерьте время 10 полных колебаний, а затем вычислите период колебаний. Аналогичные измерения проделайте для колебаний грузов массами 200 г, 300 г, 400 г, 600 г. Результаты измерений занесите в таблицу (рис. 6).
 |
Рис. 6
На основе данных таблицы постройте график зависимости периода колебаний от квадратного корня из массы маятника (рис. 7).
 |
Рис. 7
2. Покажите, что период колебаний пружинного маятника обратно пропорционален корню квадратному из коэффициента жесткости пружины. Для проведения данного опыта вам потребуется несколько раз изменить жесткость пружины, фиксируя каждый раз ее численное значение. Рассмотрим, как это осуществить на практике.
Наименьшая жесткость пружины соответствует наибольшей ее длине (рис. 8). Подвесьте к такой пружине груз массой 1 кг. Пружина растянется, и новое состояние равновесия груза наступит при равенстве силы тяжести и силы упругости: кх = mg. Измерив, растяжение пружины с помощью демонстрационной линейки, найдите из уравнения коэффициент жесткости к1. Теперь определите для пружины с этой жесткостью период колебаний T1. Чтобы изменить жесткость пружины нужно укоротить ее рабочую длину. Для этого пружину частично вкрутите в обойму. Определите период колебаний маятника для нескольких значений (4 -5) ее жесткости. Результаты занесите в таблицу. Постройте график зависимости периода колебаний от корня квадратного из коэффициента жесткости.
 |
Рис. 8
3. Согласно результатам проведенных опытов период колебаний вертикального пружинного маятника прямо пропорционален корню квадратному из массы и обратно пропорционален корню квадратному из коэффициента жесткости. Это утверждение можно записать в виде формулы 
, где а – некоторый коэффициент пропорциональности. Используя проведенные ранее измерения, покажите, что коэффициент а равен 2π (6,28).
Опыт 4
Цель: демонстрация резонанса маятников (факт существования явления механического резонанса).
Оборудование: установка для демонстрации резонанса маятников (самодельная).
Порядок выполнения:
1, Познакомьтесь с установкой. В ней (рис. 9) маятники 1,2,4,5,6 и 7 имеют фиксированную длину подвеса. Длину нити маятника обозначенного цифрой 3 можно изменять.
 |
Рис. 9
Нити маятников прикреплены верхними концами к деревянной перекладине, чуть ниже которой находится металлический стержень АВ, вокруг которого каждая из нитей образует петлю. Если стержень АВ раскачивать в горизонтальной плоскости, то это воздействие, передаваясь маятникам, может инициировать их вынужденные колебания. Начните раскачивать стержень АВ, периодически толкая от себя его концы. Частоту раскачивания стержня задайте достаточно большой (а амплитуду маленькую) и добейтесь такой ситуации, при которой в колебательное движение вовлечется лишь один из маятников – самый короткий (№5). Остальные маятники лишь слабо реагируют на внешнее воздействие. Очевидно, вы сумели задать такую частоту вынуждающей силы, которая совпала с собственной частотой колебаний пятого маятника, то есть создали условия для возникновения резонанса.
2. Изменяя частоту раскачивания стержня АВ добейтесь резонанса для остальных маятников установки.
3. Укоротите длину нити третьего маятника так, чтобы она сравнялась с длиной подвеса маятника №5. Отведите от положения равновесия маятник №5 и предоставьте ему возможность совершать свободные колебания. Следите за тем, как на это отреагирует третий маятник и остальные маятники. Аналогичные действия произведите, сравняв длину нити маятника №3 сначала с длиной нити маятника 6, а затем с длиной нити маятника №4. Объясните результаты этих опытов.
Опыт 5
Цель: демонстрация автоколебаний (эмпирическое понятие автоколебания, научно - техническое понятие анкерный механизм в чесах).
Оборудование: 1) маятник в часах, 2) держатель со спиральной пружиной, 3) гиря массой 1кг с крючком, 4) катушка дроссельная от универсального трансформатора с ярмом, 5) реостат с сопротивлением 200 Ом, 6) лампа электрическая 220 В, 100 Вт, 7) штатив лабораторный, 8) стальное полотно, 9) провода соединительные.
Порядок выполнения
1. Познакомьтесь с основными частями механической автоколебательной системы по модели маятника в часах (рис.10). Это собственно колебательная система (маятник), источник энергии, приспособление, обеспечивающее поступление энергии в систему (храповое колесо с анкерной вилкой).
 |
Рис. 10
2. Заведите часы. Покажите, что при любом начальном отклонении маятника амплитуда его колебаний через некоторое время достигает определенной постоянной величины. Данная величина определяется величиной энергии, поступающей от источника, и ее расходом на преодоление сил сопротивления.
3. Измените частоту колебаний маятника перемещением груза на стержне. Покажите, что частота автоколебаний определяется приведенной длиной маятника.
 |
4. Соберите установку, позволяющую продемонстрировать электромеханическую автоколебательную систему (рис 11). Самостоятельно разберитесь с принципом ее действия. Выясните, что в этой системе служит источником энергии, клапаном; как осуществляется обратная связь.
 |
Рис. 11
Пронаблюдайте незатухающие колебания (вертикальные) груза на пружине. (Соблюдайте осторожность: в цепи открытые контакты, напряжение 220 В).
Опыт 6
Цель: демонстрация образования и распространения поперечных и продольных волн (эмпирическое понятие - поперечные механические волны, продольные механические волны).
Оборудование: машина волновая.
Порядок выполнения
1. Познакомьтесь с устройством, принципом действия и методикой использования волновой машины. В качестве источника информации используйте видеозапись (рис. 12).
 |
Рис. 12
Задание 2. Проведите демонстрации аналогичные тем, которые представлены на видео.
Опыт 7
Цель: демонстрация явлений интерференции и дифракции волн на воде.
Ввиду неисправности оборудования с данными опытами студентам предлагается ознакомиться на основе видео (рис. 13,14)
 |
Рис. 13
Рис. 14
Вопросы для самоподготовки
1. Какие движения называются колебательными? Какие колебания называют вынужденными? Примеры.
2. Какие колебания называются свободными? Назовите условия их возникновения. Почему свободные колебания маятника затухают? При каких условиях колебания могут стать незатухающими?
3. Какие колебания называют гармоническими? Уравнение гармонических колебаний?
4. Что называют амплитудой гармонических колебаний, частотой, периодом? Определение. Формула. График.
5. Что называют фазой гармонических колебаний? Что понимают под начальной фазой? Как понимать, что колебания происходят в одинаковых фазах? В противофазах? Со сдвигом фаз? Поясните эти понятия чертежом.
6. Что такое маятник? Какой маятник называют пружинным? Напишите формулу периода свободных колебаний пружинного маятника.
7. Что такое маятник? Какой маятник называют математическим? Чему равен период свободных колебаний математического маятника.
8. Опишите процесс превращения энергии при гармоническом колебательном движении на примере математического, пружинного маятников.
9. По каким формулам определяют полную механическую энергию гармонически колеблющегося тела (пружинного, математического маятников)? Чему равна энергия в момент прохождения точки равновесия и крайних точек движения?
10. Что такое автоколебания? Что такое автоколебательная система? Перечислите основные элементы автоколебательной системы. Условная схема.
11. В чем состоит сходство и отличие автоколебаний, вынужденных и свободных колебаний?
12. Что называют резонансом? Приведите примеры вредного и полезного проявления механического резонанса.
13. Что называют волной? Что понимают под скоростью распространения волны, длиной волны? Напишите формулу, связывающую скорость распространения волны с длиной волны, частотой, периодом. Что такое волновая поверхность (волновой фронт)? График поперечной волны.
14. Что называют лучом? При каком условии луч является прямой линией? Какая волна называется плоской, сферической. Изобразите лучи и волновые поверхности для плоской и сферической волны.
15. Какие волны называются поперечными, продольными? Приведите примеры поперечных и продольных волн.