Temat

Podsumowanie wiadomości o ruchu drgającym i falach

Etap edukacyjny

Drugi

Podstawa programowa

VIII. Ruch drgający i fale. Uczeń:

4) opisuje rozchodzenie się fali mechanicznej jako proces przekazywania energii bez przenoszenia materii.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Podsumowanie wiadomości o ruchu drgającym i falach.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Podsumowanie wiadomości o ruchu drgającym.

2. Podsumowanie wiadomości o falach.

3. Kształtowanie umiejętności posługiwania się pojęciami związanymi z ruchem drgającym i falami.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- świadomie posługuje się pojęciami opisującymi ruch drgający,

- świadomie posługuje się pojęciami opisującymi ruch falowy.

Metody kształcenia

1. Pogadanka utrwalająca (powtórzeniowa).

2. Wykład problemowy.

Formy pracy

1. Współpraca z nauczycielem podczas lekcji powtórzeniowej.

2. Praca z książką.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Proszę przygotować odpowiedzi na najważniejsze pytania związane z ruchem drgającym i falowym.

Realizacja lekcji

1. Co to jest ruch drgający?

Ruch drgający to ruch odbywający się wokół charakterystycznego punktu, zwanego położeniem równowagi. Ciało porusza się po identycznym torze tam i z powrotem. Ruch powtarza się cyklicznie w takich samych odcinkach czasu.

2. Zdefiniuj podstawowe wielkości opisujące ruch drgający.

Najkrótszy czas, po upływie którego ruch zaczyna się powtarzać, nazywamy okresem drgań.

Ilość drgań wykonanych w jednostce czasu to częstotliwość drgań. Częstotliwość to nic innego jak odwrotność okresu:

Jednostką częstotliwości jest 1 Hz (herc).

Amplituda drgań -  to maksymalne wychylenie ciała z położenia równowagi.

3. Co to jest wahadło matematyczne?

Wahadło matematyczne jest przykładem ciała wykonującego drgania. Jest to małe (nazywane ciałem punktowym) ciało zawieszone na nierozciągliwej i nieważkiej nici. Okres drgań wahadła zależy od jego długości, natomiast nie zależy od masy ciała zawieszonego na nici. Jeżeli wzrasta długość wahadła matematycznego, to wzrasta również okres jego drgań.

4. Co to jest częstotliwość drgań własnych?

Częstotliwość drgań własnych jest to częstotliwość, z jaką ciało, wychylone z położenia równowagi, wykonuje drgania (bez żadnych sił oporów).

5. Przedstaw na wykresie zależność wychylenia od czasu w ruchu harmonicznym nietłumionym oraz w ruchu harmonicznym tłumionym.

Zależność wychylenia ciała z położenia równowagi od czasu można przedstawić na wykresie poniżej.

[Ilustracja 1]

W rzeczywistych warunkach, gdy istnieją opory ruchu, drgania są gasnące – amplituda z upływem czasu maleje.

[Ilustracja 2]

6. Opisz przezmiany energii mechanicznej zachodzące podczas ruchu oscylatora harmonicznego.

Ciało wykonujące drgania harmoniczne posiada dwa rodzaje energii: energię kinetyczną oraz energię potencjalną. Podczas drgań następują cykliczne zmiany jednej postaci energii w drugą.

Energia kinetyczna ciała wykonującego drgania harmoniczne jest największa w chwili przechodzenia ciała przez położenie równowagi (czyli wtedy gdy prędkość ciała jest największa), a równa jest zero, gdy ciało znajduje się w chwili największego wychylenia.

Energia potencjalna ciała wykonującego drgania jest największa w chwili maksymalnego wychylenia. Natomiast w chwili przejścia ciała przez położenie równowagi, energia potencjalna jest równa zero.

W przypadku braku oporów ruchu, całkowita energia mechaniczna (suma energii kinetycznej i potencjalnej) jest stała.

Gdy występuje niezerowa siła oporu, wtedy ciało „traci” stopniowo swoją energię mechaniczną i amplituda drgań maleje, a co za tym idzie drgania są gasnące.

7. Co to jest fala mechaniczna i na czym polega rozchodzenie się fali mechanicznej?

Falą mechaniczną nazywamy rozchodzące się ze stałą prędkością zaburzenie ośrodka sprężystego. Cząsteczki ośrodka, w którym rozchodzi się fala, nie przemieszczają się wraz z nią, tylko wykonują drgania wokół swoich położeń równowagi. Jednocześnie pobudzają do drgań cząsteczki z nimi sąsiadujące.

8. Zdefiniuj podstawowe wielkości opisujące rozchodzącą się falę.

Długością fali (oznaczmy ją literą $\lambda$) nazywamy odległość, którą przebywa fala w takim czasie, gdy dana cząsteczka danego ośrodka wykonuje jedno pełne drganie. Okresem fali nazywamy czas potrzebny na wykonanie przez cząstkę jednego pełnego drgania.

Fala rozchodzi się w danym ośrodku ze stałą prędkością, którą obliczamy ze wzoru.

Ponieważ $T=\frac{1}{f}$, to możemy też zapisać, że $v=\lambda \cdot f$.

Amplituda fali to największe wychylenie cząsteczki z położenia równowagi, w ośrodku, w którym rozchodzi się fala.

9. Dokonaj podziału fal ze względu na kierunek rozchodzenia się fali i kierunek drgań.

Fale dzielimy na podłużne i poprzeczne.

Fala poprzeczna charakteryzuje się tym, że cząsteczki ośrodka sprężystego drgają w kierunku prostopadłym do kierunku rozchodzenia się fali.

Jeżeli cząsteczki ośrodka sprężystego drgają w kierunku zgodnym z kierunkiem rozchodzenia się fali, to mamy do czynienia z falą podłużną.

10. Co to jest dźwięk?

Dźwięk jest falą mechaniczną, podłużną. Jest zazwyczaj falą kulistą i rozchodzi się we wszystkich kierunkach. Ponieważ jest to fala mechaniczna, to nie może rozchodzić się w próżni. Prędkość dźwięku jest zależna od ośrodka, w którym fala się rozchodzi i jest największa w ciałach stałych, najmniejsza natomiast w gazach.

Źródłem dźwięku mogą być ciała drgające z częstotliwością w zakresie od 16 Hz do 20000 Hz. W instrumentach muzycznych są to drgania struny (gitara, fortepian) lub membrany (bębny) oraz słupa powietrza (flet, organy).

11. Wymień i opisz cechy dźwięku.

Poszczególne dźwięki różnią się od siebie zarówno wysokością, głośnością jak i brzmieniem.

Brzmienie zależy od rodzaju źródła dźwięku.

Wysokość dźwięku zależy od częstotliwości dźwięku – im wyższa częstotliwość, tym wyższy dźwięk.

Głośność dźwięku zależy wyłącznie od amplitudy fali – im większa amplituda, tym głośniejszy dźwięk.

Poziom natężenia dźwięku mierzymy w decybelach [dB]. Poziom 0 dB uznaje się za próg słyszalności, natomiast 120 dB za próg bólu.

12. Co to jest echo i pogłos?

Echo i pogłos są to zjawiska związane z rozchodzeniem się dźwięku oraz jego odbiciem od przeszkody. Jeżeli dźwięk po odbiciu od przeszkody wraca do źródła (obserwatora) oraz opóźnienie czasowe między falą wysłaną i odbitą jest odpowiednio duże, to wtedy słyszymy echo. Jeśli natomiast opóźnienie czasowe jest niewielkie – słyszymy pogłos.

13. Co to są ultradźwięki i infradźwięki?

Fale o częstotliwościach poniżej 16 Hz nazywamy infradźwiękami, natomiast fale o częstotliwościach powyżej 20000 Hz nazywamy ultradźwiękami. Ultradźwięki mają szerokie zastosowanie w medycynie, echolokacji oraz defektoskopii, czy też zabiegach kosmetycznych. Wiele zwierząt słyszy ultradźwięki, ale ludzie ich nie słyszą.

[Ilustracja interaktywna]

Podsumowanie lekcji

Ruch drgający to najczęściej spotykany rodzaj ruchu.

Najkrótszy czas, po upływie którego ruch zaczyna się powtarzać, nazywamy okresem ruchu.

Ilość drgań wykonanych w jednostce czasu to częstotliwość drgań. Częstotliwość to nic innego jak odwrotność okresu:

Jednostką częstotliwości jest 1 Hz (herc).

Wahadło matematyczne jest przykładem ciała wykonującego drgania. Jest to małe (wręcz punktowe) ciało zawieszone na nierozciągliwej i nieważkiej nici. Okres drgań wahadła zależy od jego długości, natomiast nie zależy od masy ciała zawieszonego na nici. Jeżeli wzrasta długość wahadła matematycznego, to wzrasta również okres drgań.

Falą mechaniczną nazywamy rozchodzące się ze stałą prędkością zaburzenie ośrodka. Cząsteczki ośrodka, w którym rozchodzi się fala, nie przemieszczają się wraz z nią, tylko wykonują drgania wokół swoich położeń równowagi. Jednocześnie pobudzają do drgań cząsteczki z nimi sąsiadujące. Z powyższego wynika, że fale mechaniczne rozchodzą się wyłącznie w ośrodkach sprężystych.

Dźwięk jest falą mechaniczną, podłużną. Jest zazwyczaj falą kulistą i rozchodzi się we wszystkich kierunkach. Ponieważ jest to fala mechaniczna, to nie może rozchodzić się w próżni. Prędkość dźwięku jest zależna od ośrodka, w którym fala się rozchodzi. Największa ona największa w ciałach stałych, najmniejsza natomiast w gazach. Poszczególne dźwięki różnią się od siebie brzmieniem, głośnością i wysokością.