Методическая разработка открытого урока по физике "Вынужденные механические колебания. Резонанс."

Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение
Самарской области
«Строительно-энергетический колледж им. П. Мачнева»

Методическая разработка

открытого урока по теме:

«Вынужденные механические колебания. Резонанс.»

По предмету   Физика

для  1 курса ППССЗ

Преподаватель: Загороднева Е.А

Самара

2023

Тема: «Вынужденные механические колебания. Резонанс.»

Тип урока:  урок изучения нового материала и первичного закрепления новых знаний.

Форма проведения: комбинированный урок

СОТ: мобильное обучение, проблемное обучение, AR-технология (технология дополненной реальности).

Методическая цель  учебного занятия:  создать условия для осознания и осмысления блока новой учебной информации по теме «Вынужденные механические колебания. Резонанс» средствами информационно-коммуникационных технологий, использовать  метод  проблемного обучения для  расширения и углубления понимания изученного материала, сформировать убеждение обучающихся во всемогуществе науки на героическом примере Великой Отечественной войны по спасению жителей блокадного Ленинграда, поведав о том, что ученые ленинградского физтеха совершили невероятное, обеспечив своими разработками и изобретением прибора для регистрации колебаний льда эксплуатацию ледовой «Дороги жизни», рассчитали опасную скорость техники, которая вызывала резонанс, в результате чего под лёд уходил транспорт с людьми и продовольствием.

Образовательные задачи:

·         Ввести понятие вынужденных колебаний, как незатухающих; рассмотреть, как устанавливаются вынужденные колебания;

·         Дать понятие резонанса, выявить причины возникновения резонанса;

·         Рассмотреть примеры  положительного и отрицательного проявления резонанса в жизни;

·         Привить умение применять полученные знания для объяснения наблюдений и опытов;

Развивающие задачи:

·         Развитие умения генерировать идеи, выявлять причинно-следственные связи;

·         Развитие умения отслеживать логические цепочки рассуждений, делать выводы;

·         Развитие интеллекта и творческих способностей обучающихся в ходе решения учебно-проблемной задачи;

Воспитательные задачи:

• Воспитание положительного интереса к физике;
• Воспитание чувства патриотизма:

◦   воспитание чувства гордости за историю своей страны на героическом примере Великой Отечественной войны: пробудить патриотические чувства гордости за Ленинградских ученых физтеха, которые условиях блокадного Ленинграда своими разработками опередили и время, и врага, чем  спасли сотни мирных жителей на «Дороге жизни» ;

◦   воспитание чувства гордости за то, что наша страна всегда славилась продвинутыми умами в науке и технике;

• На этом историческом факте формирование убеждения во всемогуществе знания и силы науки и воспитание ценностного отношения к обучению.

Обеспечение занятия:

·        ПК, электронные презентации: «Вынужденные механические колебания. Резонанс.»( https://infourok.ru/prezentaciya-po-teme-vynuzhdennye-mehanicheskie-kolebaniya-rezonans-6582653.html ), «Проверка» (https://infourok.ru/zadanie-svobodnye-garmonicheskie-kolebaniya-zatuhayushie-kolebaniya-6582628.html ).

·        Видео-ролик: «Вынужденные механические колебания. Резонанс.»

·        Личные мобильные устройства обучающихся с установленным приложением ARGIN (из магазина GoolePlay) для наблюдения за дополненной реальностью на маркере.

Приложение ARGIN не имеет опции выхода и сенсорные кнопки экранной панели навигации при активном приложении недоступны. Для выхода из приложения надо проделать следующие шаги: 1) опустите до конца "центр уведомлений" (шторку), 2) увидите значок настроек (шестерёнки) - коснитесь его, перейдёте в настройки, 3) далее, "Приложения", выбираете ARGIN и нажмите "остановить".

Посмотреть, как это работает по ссылке: https://drive.google.com/file/d/1kPEuD2ohAJz_czO1OkngCGpCz5syd15q/view?usp=sharing

·        Маркер дополненной реальности: рис. 14.12 на стр.269 учебника  ФИЗИКА Дмитриевой В.Ф. для профессий и специальностей технического профиля.

·        Слайд-шоу «Никакого чуда. Только – физика» об историческом факте по спасению блокадного Ленинграда, свидетельствующем, что в годы ВОВ победу одержали не столько сила оружия и мощь армии, сколько воля, самоотверженность и интеллект.

·        Интерактивное задание на облачном сервисе  LearningApps.org «Свободные механические колебания. Затухающие колебания (на два варианта)» + GoogleФорма с прикреплённой к ней GooglТаблицей для автоматизации формирования списка справившихся с заданием.

Ход урока

1.      Организационный момент (1 мин)

2.      Актуализация знаний. (6-7 мин.)

Задание с ограничением по времени:

 

Каждый выполняет свой вариант. 5 вопросов. Переход на следующий вопрос происходит при правильном ответе.

Правильно ответивший на вопросы получает ссылку на Форму для отчетности:

 

Список справившихся за отведённое время автоматически формируется:

Все справившиеся без подсказки в установленное время оцениваются на «5»,

Справившиеся в установленное время с подсказкой (на 1-й вопрос) в установленное время «4»

Далее: «СТОП» - объявляется последний в списке, затем идет оглашение оценок по сформированному  списку, после чего демонстрация правильных ответов обоих вариантов — просмотр  эл. презентации «Проверка».

3.      Изучение нового материала в форме рассказа в сопровождении электронной презентации слайды 1 ÷7 (15 мин.)

Слайд 1: Рeaльные свободные колебания являются затухающими. Их амплитуда пocтeпeннo умeньшaeтcя, так как энepгия pacxoдуeтcя нa coвepшeниe paбoты пo пpeoдaлeнию cил тpeния и coпpoтивлeния, пepexoдя вo внутpeннюю энepгию.

Чтобы колебания были незатухающими, необходимо восполнение потери энергии за каждый период. Это можно сделать при помощи внешней периодической силы. Такие колебания будут вынужденными, а внешняя сила — вынуждающей силой.

Слайд 2: Вынужденные колебания – колебания, происходящие под действием внешней периодически изменяющейся силы.

Примером такой колебательной системы являются качели. Если вывести качели из равновесия, то они начнут совершать колебательные движения с определенной собственной частотой. Но эти колебания будут затухающими.

w₀ - собственная частота качелей.

Но если в правильном ритме подталкивать качели, то можно легко их раскачать и амплитуда будет расти. Если же подталкивать их невпопад, то не то что раскачаем, наоборот, будем только гасить колебания.

w_вн.с. – частота действия внешней силы.

Значит, если внешняя сила воздействует на колебательную систему с такой же частотой, как и её собственная, то амплитуда колебаний будет увеличиваться:

w₀ = w_вн.с.

Качели – это наиболее известная механическая резонансная система.

Слайд 3: Еще один пример вынужденных колебаний: груз, висящий на пружине, точку подвеса которой периодически поднимают и опускают, вращая рукоятку.

Демонстрация видео: Просмотрите видео с экспериментом, в котором реализована колебательная система с грузиком на пружине, изображенная на рисунке.

Вместо рукоятки вращение обеспечивается электродвигателем. Частота вращения определяется напряжение на электродвигателе.

Видео демонстрирует, что амплитуда резко возрастает, когда собственная частота колебательной системы равна частоте внешней периодически изменяющейся силы. (w₀ = w_вн.с.)

Слайд 4: Факт резкого возрастания амплитуды, когда собственная частота совпадает с частотой внешней силы  можно изобразить графически. По вертикали откладываем амплитуду. По горизонтали частоту внешней силы. Н горизонтальной оси отмечаем точку соответствующую собственной частоте колебательной системы грузик на пружине. То есть в этой точке на графике w0 = wвн.с. .  Ей соответствует пик амплитуды.

Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при совпадении  частоты вынуждающей силы и собственной частоты колебательной системы называют РЕЗОНАНСОМ.

Проявление резонанса в жизни может быть и отрицательным, и положительным..

Слайд 5: Резонанс весьма полезен при проектировании звуковых устройств, большинство из которых содержат резонаторы, например, корпус скрипки, трубка у флейты, корпус у барабанов.

Слайд 6: Резонанс может привести к разрушениям и повреждениям, если колебания достигнут амплитуды, на которую колебательная система не рассчитана.

Например, 7 ноября 1940 г. сильный порывистый ветер вызвал резонансные колебания висячего Такомского моста (США), что привело к его разрушению.

Для того, чтобы не допустить наступления резонанса, применяют специальные меры. Такие как, например, уклонение от резонанса путем изменения частоты собственных колебаний: при переходе через мост воинским частям запрещается идти в ногу. Строевой шаг приводит к периодическому воздействию на мост. Если случайно частота этого воздействия совпадет с собственной частотой колебаний моста, то он может разрушиться.

4.                  Закрепление знаний в сопровождении презентации слайды 8÷

1)                  Слайд  8: Экскурс в героическую историю нашей Родины: о значимости знания, как не допустить наступления резонанса. (10 мин)

Чтобы убедиться в важности знания, как не допустить наступления резонанса, сделаем экскурс в героическую историю нашей Родины.

Просмотрите Слайд-шоу, в нём вам поведают, какое невероятное чудо совершили физики блокадного Ленинградского физико-технического института, которые, используя свои знания о РЕЗОНАНСЕ, разработали простые правила безопасного движения по ледовой «Дороге жизни» и обеспечили не только спасение жителей блокадного города, но и прорыв блокады.

Доступ к слайд-шоу «Никакого чуда. Только – физика» через мобильное Приложение для просмотра дополненной реальности ARGIN — навести на рис. 14.12 на стр.269 учебника  ФИЗИКА Дмитриевой В.Ф.:

   

   

  

  

Слайд 9: После просмотра, ответьте на вопросы:

·         Что представляла собой колебательная система? (ожидаемый ответ: колебание воспроизводит ледовое покрытие озера, которое определяется скоростью ладожской воды подо льдом)

·         Со стороны чего действовала на эту колебательную систему внешняя периодическая сила? (ожидаемый ответ: со стороны движущегося транспорта)

·         При какой скорости автомобилей наступал резонанс и под колёсами проваливался лёд? (ожидаемый ответ: при 35 км/час)

2)             Слайд 10: Решение задачи (8 мин.)

Физики блокадного Ленинграда решили поставленную войной сложнейшую задачу и ценой решения были жизни жителей города и наша победа, а перед нами задача на резонанс попроще.

Условие задачи: «Автомобиль движется по неровной дороге, на которой расстояние между буграми приблизительно равно 8 м. Частота свободных колебаний автомобиля на рессорах 0,7 Гц. При какой скорости автомобиля его колебания в вертикальной плоскости станут особенно заметными?»

Слайд 11: Разбор решения задачи:

Колебания автомобиля станут особенно заметными, когда его собственные колебания на рессорах войдут в резонанс с вынужденными толчками на неровностях дороги.

Учитываем, что следующие условия резонанса равносилны:

тогда

5.      Слайд 12: Демонстрация опыта «Наблюдение резонанса в системе маятников» — сформулировать объяснение:   

Наблюдается резонанс: На упругой нити подвешены два математических маятника с одинаковыми грузами, имеющих одинаковую длину. Если раскачать первый маятник, то амплитуда колебаний второго будет возрастать, пока не достигнет достаточно большого значения а первый маятник остановиться. Затем колебания от второго обратно передадутся первому, а второй остановиться и т.д. Если бы не было сил сопротивления, то процесс был бы бесконечным. Посмотреть опыт: https://drive.google.com/file/d/1aXU3PKKDVgkZYGB8c_fL0SjaGrwZ_L2o/view?usp=sharing (предполагаемый ответ: резонанс наблюдается, так как выполняется условие w01=w02, то есть собственные частоты обоих маятников одинаковые, так как а длины маятников одинаковые. Сначала первый маятник толкает с частотой w01  и раскачивает второй с собственной частотой w02 , при этом теряет энергию и останавливается. Потом наоборот. Толчки передаются по упругой нити.)

Не наблюдается резонанс: На упругой нити подвешены два математических маятника с одинаковыми грузами, но имеющих разные длины. Если раскачать первый маятник, то колебания второму маятнику почти не передаются. Посмотреть опыт: https://drive.google.com/file/d/1mMw0NVwI2cO5XM_qTrxknfE4fWoSKAAT/view?usp=sharing (предполагаемый ответ: резонанс не наблюдается, так как не выполняется условие w01=w02, то есть собственные частоты обоих маятников разные, так как а длины маятников разные. Первый маятник толкает с частотой  w01  , но не может раскачать второй так, как толкает не в такт. Толчки передаются по упругой нити)

6.      Слайд 13:Рефлексия: