Открытое занятие «Свободные механические колебания. Колебательные системы. Параметры колебательного движения»

Министерство образования и науки Донецкой Народной Республики

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

«Донецкий техникум промышленной автоматики имени А. В. Захарченко»

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

ОТКРЫТОГО ЗАНЯТИЯ

Специальность 09.02.01 Системное и сетевое администрирование

Дисциплина: «Физика»

Тема занятия: «Свободные механические колебания. Колебательные системы. Параметры колебательного движения.»

Разработчик – преподаватель высшей категории Столяров Г.А.

Продолжительность: 90 минут.

Тема занятия: «Свободные механические колебания. Колебательные системы. Параметры колебательного движения.»

ЦЕЛИ ЗАНЯТИЯ:

1. Образовательная: ввести понятие механических колебаний, рассмотреть колебания на примере математического и пружинного маятников.

2. Воспитательная: воспитание мировоззренческого понятия (причинно – следственных связей в окружающем мире)

3. Развивающая: развитие самостоятельности мышления и интеллекта, развитие умения анализировать, обобщать, делать выводы, развитие логического мышления, грамотной устной речи, содержащей физическую терминологию.

Задачи занятия:

оценить усвоение основных понятий темы;

проверить умение применять теорию для объяснения физических явлений;

продолжить формирование элементов творческой деятельности.

Тип занятия: урок изучения нового материала.

Вид занятия: комбинированный лекция.

Формы работы учащихся: фронтальная, индивидуальная.

Техническая поддержка занятия:

План-конспект урока, мультимедийный проектор, маятники математический на нити; маятник пружинный, грузики, штативы.

Презентации к уроку «Механические колебания».

Закрепление изученного материала: контрольный лист обучающегося.

Демонстрации:

1. Маятник математический на длинной и укороченной нити;

2. Маятник пружинный с разными пружинами и грузиками.

3. Другие колебательные системы.

4. Показ слайдов с помощью информационно – компьютерных технологий.

Методы обучения: объяснительно-иллюстративный с использованием информационных технологий, репродуктивный.

Рецензия

на методическую разработку открытого занятия по дисциплине ОУД.15 «Физика», на тему: «Свободные механические колебания. Колебательные системы. Параметры колебательного движения.»

преподавателя физики высшей категории, ГБПОУ «Донецкий техникум промышленной автоматики имени А. В. Захарченко»

Столярова Г.А., для студентов специальности: 09.02.01. «Системное и сетевое администрирование.»

Данная методическая разработка полностью соответствует современным методическим требованиям. Работа отвечает высокому теоретическому и профессиональному уровню преподавания дисциплины, соответствует требованиям методики обучения. Проведение данного занятия помогает привить студентам любовь к физике, выявить интересы и наклонности отдельных студентов, дать всем студентам обязательный минимум практических и теоретических умений и навыков, способствует развитию их умственных способностей

В работе преподаватель использует активные методы обучения (видеоролики, задачи, анимации, компьютерную презентацию, видео- ролики эксперименты), которые способствуют свободному проявлению интеллектуальных способностей студентов и поддержанию их оптимального психологического настроя, а также могут быть использованы в процессе преподавания. Для более интенсивного ведения занятия предоставлен раздаточный материал: рабочие листы-схемы для проверки домашнего задания. Прослеживается межпредметная связь, отражающая системность информации. Отражение в сознании студентов этих связей делает знания более прочными, структурированными, гибкими и подвижными.

Значимой является, и подготовка к проводимому мероприятию: работа преподавателя над поиском и отбором материала к занятию, подготовка домашнего задания, презентации, видео и анимационных материалов.

Совмещая познавательную и воспитательную функции данного занятия, данная методическая разработка достигает поставленных целей: способствует расширению кругозора студентов, их эрудированности, развитию творческих и познавательных интересов.

В разработке имеется теоретическое обоснование выбранной темы, прослеживается актуализация знаний по теме. Преподаватель владеет знаниями по дисциплине ОУД.15. «Физика», при проведении занятия применяет нестандартные формы обучения.

Данная методическая разработка имеет практическую ценность для преподавателей и студентов и может быть использована в учебно-воспитательном процессе.

Рецензент: преподаватель математики, преподаватель-методист,

специалист высшей категории ГПОУ «Донецкий техникум промышленной автоматики» Пугачева О.М.

Рецензия

на методическую разработку открытого занятия по физике на тему : «Свободные механические колебания. Колебательные системы. Параметры колебательного движения.» преподавателя физики высшей | категории ГБПОУ «Донецкий техникум промышленной автоматики имени А. В. Захарченко» для 09.02.01 Системное и сетевое администрирование

Методическая разработка открытого занятия по физике по теме: Свободные механические колебания. Колебательные системы. Параметры колебательного движения» разработана с целью формирования у студентов новых знаний, развития творческой деятельности учащихся, интеллекта, логического мышления, Актуальной является задача применения полученных знаний в повседневной жизни. На данном занятии с использованием проблемного обучения, студенты, используют ранее полученные знания, проводят исследования, связанные природными явлениями, выявляют интересные явления природы и работают над их познанием. Деятельность в рамках занятия _включает получения знания в процессе подготовки к занятию, а также исследовательскую деятельность, которая используется как рефлексия на мероприятии. При использовании таких занятий осуществляется контроль и управление процессом приобретения студентами необходимых знаний, умений, практического опыта и компетенций, по дисциплине «Физика» для специальности 09.02.01 Системное и сетевое администрирование

Таким образом, рецензируемая методическая разработка открытого занятия содержит все необходимые элементы рекомендуемой структуры, обладает достаточным объемом н законченностью. Она рекомендуется для использования в учебных заведениях системы образования СПО. В методической разработке достаточно полно раскрывается содержание материала, прослеживаются этапы занятия, которое учитывает возможности учащихся. В разработке включены различные инновационные технологи, в частности, метод проблемного изложения, частично применялись приемы из технологии критического мышления, инновационные компьютерные технологии. При проведении исследовательской части занятия применяется материал с использованием ИКТ. Используется познавательный материал, реальные физические демонстрации Данная разработка занятия носит практико-ориентированный характер и направлена на развитие учебно-познавательных компетенций студентов. Тематика занятия соответствует содержанию. Логика изложения предметного содержания прослеживается. Методическая разработка отвечает требованиям, предъявляемым в профессиональном образовательном учреждении.

Преподаватель физики высшей категории

ГБПОУ «Донецкий политехнический колледж» Ю.Б. Столярова

МОТИВАЦИЯ

Тема «Свободные механические колебания. Колебательные системы. Параметры колебательного движения.» входит в программу по учебной дисциплине «Физика» и занимает значительное место, т.к. знания, полученные при изучении данной темы необходимы для изучения многих тем как в рамках программы по физике, так и при изучении смежных дисциплин (химия, математика). В технике и окружающем нас мире часто приходится сталкиваться с периодическими процессами, которые повторяются через одинаковые промежутки времени. Такие процессы называют колебательными. В зависимости от физической природы повторяющегося процесса различают колебания: механические; электромагнитные; электромеханические и т. п.

Бег, как и ходьба, относится к циклическим движениям, где цикл движения включает двойной шаг. В беге можно выделить: а) период одиночной опоры; б) период полета; в) период переноса маховой ноги, который совпадает с периодом опоры. Наша нога похожа на маятник, состоящий из трех последовательно соединенных маятников (бедро, голень, стопа). Частота колебаний маятника зависит от его длины, а при значительных отклонениях, например, в ходьбе или беге, она будет зависеть от амплитуды движения ног. Чем короче маятник, тем чаще он будет двигаться.

На данное занятие отводится 2 учебных часа. Во время комбинированного занятия проводится актуализация знаний в форме устного опроса, с целью проверки остаточных знаний, которые необходимых при изучении нового материала; непосредственное изучение нового материала; первичного закрепление нового материала с помощью решения задач по данной теме. Контроль уровня усвоения нового материала проводится в форме тестирования студентов. Каждому образованному человеку необходимо непрерывно пополнять свои знания в области физики, развивать интерес к будущей профессии, понимать сущность и социальную значимость (ОК 1), научиться организовывать свою деятельность, уметь выбирать методы и способы выполнения задач и в дальнейшем оценивать их качество (ОК2), а также необходимо для будущего медицинского работника научится работать в коллективе и команде (ОК6).

ПРИМЕРНАЯ ХРОНОКАРТА КОМБИНИРОВАННОГО ЗАНЯТИЯ

КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ ПО ПРЕДЫДУЩЕЙ ТЕМЕ (устно)

«Самоиндукция. Индуктивность. ЭДС самоиндукции. Энергия магнитного поля». (Слайд №3)

Ответе на следующие вопросы:

Какое явление называется самоиндукция?

Что такое индуктивность? От чего она зависит?

П риведите пример ЭДС самоиндукции? Давайте разберем данный пример.

Запишите формулу энергии магнитного поля? От чего она зависит?

Записать на доске все известные формулы по изученной теме.

ИСХОДНЫЙ МАТЕРИАЛ

План изложения учебного материала по теме

«Механические колебания. Математический маятник» (Слайд №4)

Колебательные движения в окружающем мире.

Виды колебаний. Механические колебания.

Примеры простых колебательных систем.

Изменение кинетической и потенциальной энергии при механических колебаниях.

Полная механическая энергия колебательного движения.

Гармонические колебания и их характеристики. Уравнение гармонического колебания.

Характеристики колебательного движения.

Пружинный маятник.

Математический маятник.

Изучение нового материала (Слайд№5)

1.В технике и окружающем нас мире часто приходится сталкиваться с периодическими (или почти периодическими) процессами, которые повторяются через одинаковые промежутки времени. Такие процессы называют колебательными.

   Колебания – один из самых распространенных процессов в природе и технике. Крылья насекомых и птиц в полете, высотные здания и высоковольтные провода под действием ветра, маятник заведенных часов и автомобиль на рессорах во время движения, уровень реки в течение года и температура человеческого тела при болезни, звук - это колебания плотности и давления воздуха, радиоволны - периодические изменения напряженностей электрического и магнитного полей, видимый свет - тоже электромагнитные колебания, только с несколько иными длиной волны и частотой, землетрясения - колебания почвы, биение пульса - периодические сокращения сердечной мышцы человека и т.д. 

 2. Колебания бывают механические, электромагнитные, химические, термодинамические и различные другие. Несмотря на такое разнообразие, все они имеют между собой много общего.

   Колебательные явления различной физической природы подчиняются общим закономерностям. Например, колебания тока в электрической цепи и колебания математического маятника могут описываться одинаковыми уравнениями. Общность колебательных закономерностей позволяет рассматривать колебательные процессы различной природы с единой точки зрения. Признаком колебательного движения является его периодичность.

3.Примерами простых колебательных систем могут служить груз на пружине (пружинный маятник) или шарик на нити (математический маятник).

   

Механические колебания – это движения, которые точно или приблизительно повторяются через одинаковые промежутки времени. (слайд №6 Запишите определения со слайда))

   

  

4.При механических колебаниях кинетическая и потенциальная энергии периодически изменяются.

    При максимальном отклонении тела от положения равновесия его скорость, а, следовательно, и кинетическая энергия обращаются в нуль. В этом положении потенциальная энергия колеблющегося тела достигает максимального значения. Для груза на пружине потенциальная энергия – это энергия упругих деформаций пружины. Для математического маятника – это энергия в поле тяготения Земли.

    Когда тело при своем движении проходит через положение равновесия, его скорость максимальна. Тело проскакивает положение равновесия по закону инерции. В этот момент оно обладает максимальной кинетической и минимальной потенциальной энергией. Увеличение кинетической энергии происходит за счет уменьшения потенциальной энергии.

    При дальнейшем движении начинает увеличиваться потенциальная энергия за счет убыли кинетической энергии и т. д.

    Таким образом, при гармонических колебаниях происходит периодическое превращение кинетической энергии в потенциальную и наоборот.

   Если в колебательной системе отсутствует трение, то полная механическая энергия при механических колебаниях остается неизменной.

5.Полная механическая энергия колебательного движения.

Для груза на пружине: (слайд №8-9-10)

   В положении максимального отклонения полная энергия мятника равна потенциальной энергии деформированной пружины:

   При прохождении положения равновесия полная энергия равна кинетической энергии груза:

   Для малых колебаний математического маятника:

   В положении максимального отклонения полная энергия мятника равна потенциальной энергии поднятого на высоту h тела:

   При прохождении положения равновесия полная энергия равна кинетической энергии тела:

 Здесь hm – максимальная высота подъема маятника в поле тяготения Земли, xm и υm = ω0xm – максимальные значения отклонения маятника от положения равновесия и его скорости. (слайд№11)

Гармонические колебания и их характеристики. Уравнение гармонического колебания. (слайд№ 12-13)

Посмотрим колебание математического маятника с песком (прил№1) Какой вид имеет траектория нарисованная песком?

    Простейшим видом колебательного процесса являются простые гармонические колебания, которые описываются уравнением

x = xm cos (ωt + φ0).

   Здесь x – смещение тела от положения равновесия,
   xm – амплитуда колебаний, то есть максимальное смещение от положения равновесия,
   ω – циклическая или круговая частота колебаний,
   t – время.

7.Характеристики колебательного движения. (слайд №14)

   Смещение х – отклонение колеблющейся точки от положения равновесия. Единица измерения – 1 метр.

   Амплитуда колебаний А – максимальное отклонение колеблющейся точки от положения равновесия. Единица измерения – 1 метр.

   Период колебаний T – минимальный интервал времени, за который происходит одно полное колебание, называется. Единица измерения – 1 секунда.

T=t/N

   где t - время колебаний, N - количество колебаний, совершенных за это время.

   По графику гармонических колебаний можно определить период и амплитуду колебаний:

   Частота колебаний ν – физическая величина, равная числу колебаний за единицу времени.

ν=N/t

   Частота – величина, обратная периоду колебаний:

   Частота колебаний ν показывает, сколько колебаний совершается за 1 с

.Единица частоты – герц (Гц).

   Циклическая частота ω – число колебаний за 2π секунды.

   Частота колебаний ν связана с циклической частотой ω и периодом колебаний T соотношениями:

   Фаза гармонического процесса – величина, стоящая под знаком синуса или косинуса в уравнении гармонических колебаний φ = ωt + φ0. При t = 0 φ = φ0, поэтому φ0 называют начальной фазой.

   График гармонических колебаний представляет собой синусоиду или косинусоиду.

   В математике процедура нахождения предела отношения Δх/Δt при Δt → 0 называется вычислением производной функции x(t) по времени t и обозначается как x'(t).Скорость  равна производной функции х(t) по времени t.( межпредметная связь) (слайд 14)

7.Пружинный маятник.(слайд №15)

   Пружинным маятником называют груз некоторой массы m, прикрепленный к пружине жесткости k, второй конец которой закреплен неподвижно.

  Собственная частота ω0 свободных колебаний груза на пружине находится по формуле:

   Период T гармонических колебаний груза на пружине равен

   Значит, период колебаний пружинного маятника зависит от массы груза и от жесткости пружины.

   Физические свойства колебательной системы определяют только собственную частоту колебаний ω0 и период T. Такие параметры процесса колебаний, как амплитуда xm и начальная фаза φ0, определяются способом, с помощью которого система была выведена из состояния равновесия в начальный момент времени.

8.Математический маятник. (слайд №16)

   Математическим маятником называют тело небольших размеров, подвешенное на тонкой нерастяжимой нити, масса которой пренебрежимо мала по сравнению с массой тела.

    В положении равновесия, когда маятник висит по отвесу, сила тяжести уравновешивается силой натяжения нити N. При отклонении маятника из положения равновесия на некоторый угол φ появляется касательная составляющая силы тяжести Fτ = –mg sin φ. Знак «минус» в этой формуле означает, что касательная составляющая направлена в сторону, противоположную отклонению маятника.

   Период колебаний математического маятника:

   Значит, период колебаний математического маятника зависит от длины нити и от ускорения свободного падения той местности, где установлен маятник.

9.Свободные и вынужденные колебания. (Слайд 17-18)

   Механические колебания, как и колебательные процессы любой другой физической природы, могут быть свободными и вынужденными.

   Свободные колебания – это колебания, которые возникают  в системе под действием внутренних сил, после того, как система была выведена из положения устойчивого равновесия.

   Колебания груза на пружине или колебания маятника являются свободными колебаниями.

   Для того, чтобы свободные колебания совершались по гармоническому закону, необходимо, чтобы сила, стремящаяся возвратить тело в положение равновесия, была пропорциональна смещению тела из положения равновесия и направлена в сторону, противоположную смещению.

   В реальных условиях любая колебательная система находится под воздействием сил трения (сопротивления). При этом часть механической энергии превращается во внутреннюю энергию теплового движения атомов и молекул, и колебания становятся затухающими.

   Затухающими называют колебания, амплитуда которых уменьшается со временем.( Слайд №19)

   Чтобы колебания не затухали, необходимо сообщать системе дополнительную энегрию, т.е. воздействовать на колебательную систему периодической силой (например, для раскачивания качели).

   Колебания, совершающиеся под воздействием внешней периодически изменяющейся силы, называются вынужденными.

   Внешняя сила совершает положительную работу и обеспечивает приток энергии к колебательной системе. Она не дает колебаниям затухать, несмотря на действие сил трения.

   Периодическая внешняя сила может изменяться во времени по различным законам. Особый интерес представляет случай, когда внешняя сила, изменяющаяся по гармоническому закону с частотой ω, воздействует на колебательную систему, способную совершать собственные колебания на некоторой частоте ω0.

   Если свободные колебания происходят на частоте ω0, которая определяется параметрами системы, то установившиеся вынужденные колебания всегда происходят на частоте ω внешней силы. (Видео №2)

Домашнее задание: Учебник Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. 11кл §20-24 конспект. Зад с листочка

Закрепление материала видео №2 (слайды №20-21)

Давайте решим задачи (слайд 22-23-24)

ПРИЛОЖЕНИЕ №1

КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ ПО ПРЕДЫДУЩЕЙ ТЕМЕ (устно)

«Самоиндукция. Индуктивность. ЭДС самоиндукции. Энергия магнитного поля».

Самоиндукция.

Индуктивность.

ЭДС самоиндукции.

Энергия магнитного поля.

Записать на доске все известные формулы по изученной теме.

Ожидаемые ответы:

1. Самоиндукция

Ответ: Самоиндукция - явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении в нем силы тока. Возникающая при этом ЭДС называется ЭДС самоиндукции.

П роявление явления самоиндукции.

Замыкание цепи. При замыкании в электрической цепи нарастает ток, что вызывает в катушке увеличение магнитного потока, возникает вихревое электрическое поле, направленное против тока, т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая нарастанию тока в цепи (вихревое поле тормозит электроны).

В результате Л1 загорается позже, чем Л2.

Р азмыкание цепи.

При размыкании электрической цепи ток убывает, возникает уменьшение магнитного потока в катушке, возникает вихревое электрическое поле, направленное как ток (стремящееся сохранить прежнюю силу тока), т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, поддерживающая ток в цепи. В результате Л при выключении ярко вспыхивает.

2. Индуктивность

Ответ: Индуктивность, или коэффициент самоиндук­ции — параметр электрической цепи, который определяет ЭДС самоиндукции, наводимой в цепи при изменении протекающего по ней тока или (и) ее деформации. Термином «индуктивность» обозначают также катушку самоиндукции, которая определяет ин­дуктивные свойства цепи.

Индуктивность — физическая величина, чис­ленно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с.

Индуктивность можно рассчитать по формуле: Ф = L∙I, где

Ф - магнитный поток через контур, I - сила тока в контуре.

Единица индуктивности в СИ генри (Гн): [L] = [] = []= Гн; 1 Гн = 1 .

Индуктивность, как и электроемкость, зависит от геометрии проводника — его размеров и формы, но не зависит от силы тока в проводнике. Кроме того, индуктивность зависит от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.

Индуктивность катушки зависит от:

− числа витков,

− размеров и формы катушки;

− от относительной магнитной проницаемости среды (возможен сердечник).

Токи замыкания и размыкания.

При любом включении и выключении тока в цепи наблюдаются так называемые экстрато­ки самоиндукции (экстратоки замыкания и раз­мыкания), возникающие в цепи вследствие явле­ния самоиндукции и препятствующие (согласно правилу Ленца) нарастанию либо убыванию тока в цепи. Индуктивность характеризует инерционностьцепи по отношению к изменению в ней тока, и ее можно рассматривать как электродинамический аналог массы тела в механике, являющейся мерой инертности тела. При этом сила тока Iиграет роль скорости тела.

3. ЭДС самоиндукции.

Ответ: Самоиндукция — возникновение ЭДС индук­ции в проводящем контуре при изменении в нем силы тока. ЭДС индукции возникает при изменении маг­нитного потока. Если это изменение вызывается собственным током, то говорят об ЭДС самоиндук­ции:

εis =–= –L,

где L — индуктивность контура, или его коэффи­циент самоиндукции.

4.Энергия магнитного поля тока.

Ответ: Найдем энергию, которой обла­дает электрический ток в провод­нике. Согласно закону сохранения энергии энергия магнитного поля, созданного током, равна той энер­гии, которую должен затратить ис­точник тока (гальванический эле­мент, генератор на электростанции и др.) на создание тока. При прекращении тока эта энергия выделяется в той или иной форме.

Выясним, почему же для созда­ния тока необходимо затратить энергию, т. е. необходимо совершить работу. Объясняется это тем, что при замыкании цепи, когда ток начинает нарастать, в проводнике появляется вихревое электрическое поле, действующее против того электрического поля, которое со­здается в проводнике благодаря ис­точнику тока. Для того чтобы сила тока стала равной I, источник тока должен совершить работу против сил вихревого поля. Эта работа идет на увеличение энергии магнитного поля тока.

При размыкании цепи ток ис­чезает и вихревое поле совершает положительную работу. Запасенная током энергия выделяется. Это обна­руживается по мощной искре, воз­никающей при размыкании цепи с большой индуктивностью.

Записать выражение для энер­гии тока I, текущего по цепи с ин­дуктивностью L, (т. е. для энергии магнитного поля тока), можно на основании аналогии между инер­цией и самоиндукцией, о которой говорилось выше.

Если самоиндукция аналогична инерции, то индуктивность в про­цессе создания тока должна играть ту же роль, что и масса при увели­чении скорости тела в механике. Роль скорости тела в электродина­мике играет сила тока I как ве­личина, характеризующая движение электрических зарядов.

Если это так, то энергию тока Wм можно считать величиной, подобной кинетической энергии тела  в ме­ханике, и записать в виде Wм =(**).

Именно такое выражение для энер­гии тока и получается в резуль­тате расчетов.

Энергия тока (**) выражена через геометрическую характеристи­ку проводника L, и силу тока в нем I. Но эту же энергию можно выра­зить и через характеристики поля. Вычисления показывают, что плотность энергии магнитного поля (т. е. энергия единицы объема) пропор­циональна квадрату магнитной ин­дукции, подобно тому, как плот­ность энергии электрического поля пропорциональна квадрату напряженности электрического поля.

Магнитное поле, созданное элек­трическим током, обладает энергией, прямо пропорциональной квадрату силы тока.

Критерии оценки:

Оценка «5» - на поставленный вопрос студент дал полный развернутый ответ и ответил на дополнительный вопрос;

Оценка «4» - на поставленный вопрос студент дал полный развернутый ответ, но не ответил на дополнительный вопрос;

Оценка «3» - на поставленный вопрос студент дал неполный ответ и не смог ответить на дополнительный вопрос;

Оценка «2» - не ответил на поставленный вопрос.