VIII. Vibrating motionvibrating motionVibrating motion and waves. The student:
1) describes the periodic movement of the pendulum; uses the concepts of amplitude, period and frequency with their units to describe the periodic motion;
3) determines the amplitude and period of vibrations based on the graph of the distance versus time.
Observing the movement of the weight suspended on the spring, answer the following questions.
1. Is the weight movement a periodic or repetitive motion in time? 2. Is there a specific position of the weight around which this movement takes place? 3. Does the weight move with constant acceleration during vibrations?
Conclusion:
The weight, which is in a periodic motion, is moving around a characteristic point known as the position of the balance in a non‑uniformly variable motion.
The weight suspended on the spring after precipitating it from the equilibrium position performs simple harmonic vibrations. It is a periodic movement that repeats in time. There is a characteristic point around which this movement takes place. This characteristic point is called the position of balance.
Selected examples of vibrating motionvibrating motionvibrating motion.
[Illustration 1]
The weight suspended on the thread performs harmonic motions.
[Illustration 2]
The clock pendulum also performs a vibrating motion.
[Illustration 3]
The weight suspended on the spring after precipitation from the equilibrium position also performs harmonic vibrations.
A weight was hung on the spring, which was then set in a vibrating motion. During vibrations, the position of the weight was recorded and the results obtained were marked on the graph. Below are some slides from the experiment.
[Slideshow]
Definitions:
The deflection of the body from the equilibrium positionequilibrium positionequilibrium position is the distance of the body from the position of equilibrium. Usually it is marked with the letter x.
The amplitude of vibration is the maximum displacement of a vibrating body from its position of rest. Usually it is marked with the letter A.
The vibration periodvibration periodvibration period is the shortest time after which the movement begins to repeat. It is a time needed to perform one full vibration.
Comment:
When we want to determine practically the period of vibrations, the best method of it is to determine the time t needed to perform n full vibrations. The vibration periodvibration periodvibration period is then determined from the formula:
Vibration frequency is the number of vibrations performed within one second:
The unit of frequency is .
Open the applet showing simple harmonic oscillationsharmonic oscillationsharmonic oscillations.
[Geogebra applet]
[Gallery]
Task
1. Set XIndeks dolny 0101 = XIndeks dolny 0202 = 0. 2. Determine TIndeks dolny 11 = TIndeks dolny 22. 3. Observe how the vibration plots change depending on the amplitudes AIndeks dolny 11 and AIndeks dolny 22. 4. Explain how the vibration amplitude influences the shape of the graphs.
Task
1. Set XIndeks dolny 0101 = XIndeks dolny 0202 = 0. 2. Determine AIndeks dolny 11 = 2AIndeks dolny 22. 3. Observe how the vibration plots change depending on TIndeks dolny 11 and TIndeks dolny 22. 4. Explain how the frequency of one and the other body can be determined on the basis of the graph.
Task
1. Set AIndeks dolny 11 = AIndeks dolny 22. 2. Determine TIndeks dolny 11 = TIndeks dolny 22. 3. Observe how the vibration plots change depending on XIndeks dolny 0101 and XIndeks dolny 0202. 4. Explain if the change of XIndeks dolny 0101 or XIndeks dolny 0202 affects the vibration frequency of both bodies.
Na sprężynie zawieszono ciężarek, który następnie wprawiono w ruch drgający. Podczas wykonywania drgań rejestrowano położenie ciężarka i nanoszono uzyskane wyniku na wykres. Poniżej przedstawiono kilka slajdów z przeprowadzonego eksperymentu.
m7efa12bab204400b_1528449000663_0
Ruch drgający prosty i wielkości go opisujące, przykłady ruchu drgającego
m7efa12bab204400b_1528449084556_0
Drugi
m7efa12bab204400b_1528449076687_0
VIII. Ruch drgający i fale. Uczeń:
1) opisuje ruch okresowy wahadła; posługuje się pojęciami amplitudy, okresu i częstotliwości do opisu ruchu okresowego wraz z ich jednostkami;
3) wyznacza amplitudę i okres drgań na podstawie przedstawionego wykresu zależności położenia od czasu.
m7efa12bab204400b_1528449068082_0
45 minut
m7efa12bab204400b_1528449523725_0
Omówienie podstawowych wielkości opisujących ruch drgający.
m7efa12bab204400b_1528449552113_0
1. Podaje przykłady ruchu drgającego.
2. Wyjaśnia na czym polega ruch drgający.
3. Definiuje pojęcia: położenie równowagi, wychylenie z położenia równowagi, amplituda, okres i częstotliwość drgań.
4. Stosuje poznane pojęcia w sytuacjach typowych i nowych.
m7efa12bab204400b_1528450430307_0
Uczeń:
- potrafi zdefiniować podstawowe pojęcia związane z ruchem drgającym prostym,
- stosuje poznane pojęcia do rozwiązywania zadań problemowych.
m7efa12bab204400b_1528449534267_0
1. Pogadanka przedstawiająca nowe wiadomości.
2. Wykład konwersatoryjny.
m7efa12bab204400b_1528449514617_0
1. Praca z książką.
2. Rozwiązywanie zadań problemowych z zastosowaniem poznanych pojęć.
m7efa12bab204400b_1528450127855_0
Obserwując ruch ciężarka zawieszonego na sprężynie odpowiedz na następujące pytania.
1. Czy ruch ciężarka jest ruchem okresowym czyli powtarzającym się w czasie? 2. Czy istnieje określone położenie ciężarka wokół którego ruch ten się odbywa? 3. Czy podczas drgań ciężarek porusza się ze stałym co do wartości przyspieszeniem?
Wniosek:
Ciężarek wykonujący drgania porusza się ruchem okresowym wokół charakterystycznego punktu zwanego położeniem równowagi ruchem niejednostajnie zmiennym.
m7efa12bab204400b_1528446435040_0
Ciężarek zawieszony na sprężynie po wytrąceniu go z położenia równowagi wykonuje drgania harmoniczne proste. Jest to ruch okresowy ( periodyczny) czyli powtarzający się w czasie. Istnieje charakterystyczny punkt wokół którego ten ruch się odbywa. Ten charakterystyczny punkt nazywa się położeniem równowagi.
Wybrane przykłady ruchu drgającego.
[Ilustracja 1]
Ciężarek zawieszony na nitce wykonuje drgania harmoniczne.
[Ilustracja 2]
Wahadło zegara wykonuje również ruch drgający.
[Ilustracja 3]
Ciężarek zawieszony na sprężynie po wytrąceniu z położenia równowagi wykonuje również drgania harmoniczne.
Na sprężynie zawieszono ciężarek, który następnie wprawiono w ruch drgający. Podczas wykonywania drgań rejestrowano położenie ciężarka, a uzyskane wyniki zaznaczano na wykresie. Poniżej przedstawiono kilka slajdów z przeprowadzonego eksperymentu.
[Slideshow]
Definicje:
Wychyleniem ciała z położenia równowagi nazywamy odległość ciała od położenia równowagi. Zazwyczaj oznaczamy literą x.
Amplitudą drgań nabywamy maksymalne wychylenie z położenia równowagi. Zazwyczaj oznaczamy literą A.
Okresem drgań nazywamy najkrótszy czas po upływie którego ruch zaczyna się powtarzać. Jest czas potrzebny na wykonanie jednego pełnego drgania.
Uwaga:
Gdy chcemy wyznaczyć praktycznie okres drgań, to najlepiej jest wtedy wyznaczyć czas t potrzebny na wykonanie n pełnych drgań. Okres drgań wtedy wyznaczamy ze wzoru:
Częstotliwość drgań to ilość drgań wykonywanych w ciągu jednej sekundy:
Jednostką częstotliwości jest .
Otwórz aplet przedstawiający przykłady ruchu drgającego.
[Geogebra aplet]
[Galeria]
Polecenie
1. Ustaw XIndeks dolny 0101 = XIndeks dolny 0202 = 0. 2. Ustaw TIndeks dolny 11 = TIndeks dolny 22. 3. Obserwuj, jak zmieniają się wykresy drgań w zależności od amplitud AIndeks dolny 11 i AIndeks dolny 22. 4. Wyjaśnij, jak amplituda drgań wpływa na kształt wykresów.
Polecenie
1. Ustaw XIndeks dolny 0101 = XIndeks dolny 0202 = 0. 2. Ustaw AIndeks dolny 11 = 2AIndeks dolny 22. 3. Obserwuj, jak zmieniają się wykresy drgań w zależności od TIndeks dolny 11 i TIndeks dolny 22. 4. Wyjaśnij, jak na podstawie wykresu można określić częstotliwość jednego i drugiego ciała.
Polecenie
1. Ustaw AIndeks dolny 11 = AIndeks dolny 22. 2. Ustaw TIndeks dolny 11 = TIndeks dolny 22. 3. Obserwuj, jak zmieniają się wykresy drgań w zależności od XIndeks dolny 0101 i XIndeks dolny 0202. 4. Wyjaśnij jak zmiana XIndeks dolny 0101 lub XIndeks dolny 0202 wpływa na częstotliwość wibracji obu ciał.
m7efa12bab204400b_1528450119332_0
Ruch drgający odbywa się wokół punktu zwanego położeniem równowagi.
Wielkościami opisującymi ruch drgający są:
Amplituda drgań A – największe wychylenie z położenia równowagi; jednostka – metr [m].
Okres drgań T – czas trwania jednego pełnego drgania; jednostka – sekunda [s].
Częstotliwość drgań f – liczba drgań w jednostce czasu; jednostka – herc [Hz].
Częstotliwość i okres są ze sobą związane: .
Przykładami układów drgających są: wahadło matematyczne i ciężarek na sprężynie, które wykonują drgania harmoniczne.
Wykresem zależności położenia od czasu w ruchu harmonicznym jest sinusoida. Z tego wykresu można odczytać amplitudę i okres drgań.