Вынужденные колебания. Резонанс
Цели и задачи
- Цель по SMART: к концу урока учащиеся объяснят различия между затухающими и вынужденными колебаниями, сформулируют условие резонанса и применят эти знания при объяснении опыта и решении двух качественных задач.
- Образовательная задача: раскрыть причины затухания колебаний, роль внешней периодической силы и условие возникновения резонанса.
- Развивающая задача: научить сравнивать колебательные процессы по источнику энергии, амплитуде, частоте и графику, аргументировать выводы по результатам эксперимента.
- Практическая задача: сформировать умение распознавать затухающие и вынужденные колебания в жизненных ситуациях и выполнять задания формата ОГЭ.
- Воспитательная задача: показать значение физики для безопасного проектирования мостов, зданий и механизмов, снизить тревожность перед ОГЭ через пошаговую работу с понятиями.
Планируемые результаты
Личностные
- Осознают значение изучения колебаний для понимания работы технических устройств и обеспечения безопасности конструкций.
- Проявляют интерес к экспериментальной проверке физических закономерностей и готовность объяснять наблюдаемые явления.
- Понимают, что ошибка в оценке частоты внешнего воздействия может привести к опасному усилению колебаний.
- Формируют уверенность в выполнении качественных заданий формата ОГЭ через использование понятного алгоритма рассуждения.
Метапредметные
- Сравнивают процессы по заданным признакам и представляют результат в виде диагностической таблицы.
- Извлекают информацию из схем, графиков и презентации, выделяют причину и следствие.
- Планируют наблюдение, фиксируют результат эксперимента и формулируют вывод на основе данных.
- Участвуют в обсуждении, задают уточняющие вопросы и аргументируют ответ физическими понятиями.
Предметные
- Знать, что затухающие колебания происходят при уменьшении амплитуды из-за трения и сопротивления среды.
- Знать, что вынужденные колебания происходят под действием внешней периодической силы.
- Уметь объяснять постоянство амплитуды вынужденных колебаний энергетическим балансом: поступающая энергия компенсирует теряемую.
- Уметь формулировать условие резонанса: частота внешней силы совпадает или близка к собственной частоте системы.
- Уметь различать затухающие и вынужденные колебания по источнику энергии, амплитуде, частоте и виду графика.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Осмысливают практическую ценность изучения резонанса для безопасности мостов, зданий и механизмов.
- Проявляют ответственное отношение к соблюдению правил при проведении демонстрационного опыта.
- Соотносят учебную задачу с личной целью успешного выполнения заданий ОГЭ.
- Оценивают собственный вклад в парную и групповую работу.
Регулятивные УУД
- Формулируют цель урока по проблемному вопросу презентации.
- Планируют последовательность наблюдения: определить источник энергии, сравнить амплитуду и частоту, сделать вывод.
- Проверяют собственный ответ по эталону на экране и исправляют терминологические ошибки.
- Оценивают степень освоения трёх понятий с помощью листа самооценки и рефлексии.
Познавательные УУД
- Устанавливают причинно-следственную связь между сопротивлением среды, потерей механической энергии и уменьшением амплитуды.
- Сравнивают графики затухающих и вынужденных колебаний.
- Моделируют энергетический баланс вынужденных колебаний с помощью схемы «поступающая энергия — теряемая энергия».
- Применяют понятия «собственная частота», «частота внешней силы», «амплитуда» и «резонанс» при решении задач.
Коммуникативные УУД
- Обсуждают проблемный вопрос в парах по приёму «Подумай — обсуди в паре — поделись».
- Распределяют роли при эксперименте: наблюдатель, исполнитель, фиксатор результата и докладчик.
- Формулируют ответ полным предложением и подтверждают его наблюдением или данными презентации.
- Корректно сравнивают разные гипотезы и уточняют ответ одноклассника.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить презентацию по материалу источника: идеальные и реальные колебания, переход механической энергии во внутреннюю, влияние воздуха и воды, вынужденные колебания, энергетический баланс, закон частоты, резонанс, применение и опасность резонанса, диагностическая матрица.
- Подготовить демонстрационный опыт: маятник или груз на нити, штатив, секундомер, линейка; при возможности — прозрачная ёмкость с водой для сравнения сопротивления среды.
- Распечатать карточки наблюдателя по одной на пару: «Источник энергии», «Амплитуда», «Частота», «График», «Вывод».
- Распечатать карточки с двумя вопросами для закрепления по одной на каждого ученика.
- Вывести на доску или отдельный слайд схему: «трение и сопротивление среды → механическая энергия переходит во внутреннюю → амплитуда уменьшается».
- Подготовить таблицу сравнения затухающих и вынужденных колебаний для заполнения учащимися.
- Проверить исправность проектора, ноутбука, демонстрационного оборудования и заранее закрепить маятник.
- Подготовить лист самооценки с тремя пунктами: «объясняю затухание», «объясняю вынужденные колебания», «формулирую условие резонанса».
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (3 мин)
Цель этапа: включить учащихся в учебную деятельность и создать проблемную ситуацию через изображение качелей и графиков из презентации.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс и показывает первый экран презентации с заголовком «Почему всё останавливается и как это исправить?». «Здравствуйте, ребята. Сегодня мы разберёмся, почему реальные колебания не продолжаются вечно, как внешняя сила поддерживает движение и почему небольшие толчки иногда вызывают огромное раскачивание. Тема важна не только для урока физики, но и для безопасной работы мостов, зданий и механизмов». | Готовят тетради, записывают дату и тему урока, рассматривают изображение качелей. |
2 мин | Учитель показывает изображения идеальных и реальных колебаний. «Сравните два графика. В каком случае амплитуда сохраняется, а в каком уменьшается? Что может забирать энергию у маятника? Запишите один возможный ответ и обсудите его с соседом». Учитель использует приём «Подумай — обсуди в паре — поделись». | Индивидуально формулируют гипотезу, обсуждают её в парах и сообщают: «В реальной системе амплитуда уменьшается из-за трения и сопротивления среды». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы увидели, что идеальная модель отличается от реального движения. Сейчас восстановим известные сведения о колебаниях и найдём причину затруднения — почему энергия системы постепенно уменьшается».
Этап 2. Актуализация знаний (5 мин)
Цель этапа: актуализировать понятия амплитуды, периода, частоты, свободных колебаний и энергии.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель показывает на экране схему колеблющегося маятника. «Назовите максимальное отклонение от положения равновесия. Как связаны период и частота? Какая сила возвращает маятник к положению равновесия? Я буду принимать только ответы с физическим термином». | Отвечают: «Максимальное отклонение — амплитуда»; «Частота обратно пропорциональна периоду»; «Возвращающая сила направлена к положению равновесия». |
3 мин | Учитель задаёт вопросы «тонкого и толстого» типа. «Что называют свободными колебаниями? Откуда система получает первоначальную энергию? Если маятник отпустить и больше не толкать, будет ли его амплитуда постоянной? Почему?» На доске фиксируются ключевые слова: «запас энергии», «трение», «сопротивление среды». | Формулируют: «Свободные колебания происходят после начального отклонения без периодического воздействия»; «Запас энергии постепенно расходуется»; «Амплитуда уменьшается из-за трения и сопротивления среды». |
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы вспомнили, что колебательная система имеет энергию, но в реальности часть механической энергии уходит. Теперь точно определим, куда она переходит и как это отражается на графике».
Этап 3. Постановка проблемы и целеполагание (4 мин)
Цель этапа: выявить причину затруднения и совместно сформулировать план изучения нового материала.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель демонстрирует экран «Куда исчезает энергия?». «Энергия не исчезает бесследно. Посмотрите на стрелки вокруг маятника. Какой переход энергии изображён? Почему при одинаковом начальном запасе энергии маятник в воде затухает быстрее, чем в воздухе?» | Рассматривают схему и отвечают: «Механическая энергия переходит во внутреннюю, среда и детали нагреваются»; «В воде сопротивление больше, поэтому амплитуда уменьшается быстрее». |
2 мин | Учитель задаёт проблемный вопрос: «Можно ли поддерживать колебания, если система теряет энергию? Что нужно изменить во внешнем воздействии, чтобы амплитуда не уменьшалась? Предложите план ответа на урок». Учитель записывает предложения на доске. | Формулируют цель: «Узнать, как поддерживаются вынужденные колебания и при каком условии возникает резонанс». Предлагают план: «Изучить затухание, внешнюю силу, опыт и условие совпадения частот». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Проблема поставлена: система теряет энергию, но внешняя сила может её компенсировать. Сначала зафиксируем механизм затухания, затем перейдём к вынужденным колебаниям и проверим идею экспериментом».
Этап 5. Открытие нового знания: вынужденные колебания и эксперимент (9 мин)
Цель этапа: раскрыть роль внешней периодической силы и экспериментально установить зависимость движения от частоты внешних толчков.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель показывает экран «Двигатель системы: вынужденные колебания». «Чтобы движение продолжалось и амплитуда не падала, необходимо вмешательство извне. Запишите: вынужденные колебания происходят под действием внешней периодической силы. Почему амплитуда после установления колебаний может оставаться постоянной?» | Записывают определение и отвечают: «Поступающая от внешней силы энергия компенсирует энергию, теряемую из-за сопротивления». |
4 мин | Учитель проводит эксперимент с маятником. «Наблюдаем три режима. Первый: отпускаю маятник без новых толчков. Второй: толкаю его случайно, не соблюдая ритм. Третий: толкаю в один и тот же момент каждого периода, согласуя движение с маятником. Наблюдатель отмечает амплитуду и частоту, фиксатор записывает результат». Учитель напоминает не тянуть нить и не подходить к движущемуся грузу. | Распределяют роли в парах, наблюдают три режима, заполняют карточку: при отпускании амплитуда уменьшается; при случайных толчках движение сохраняется неустойчиво; при толчках в такт амплитуда возрастает. Формулируют: «Согласованные толчки передают энергию в каждом периоде». |
2 мин | Учитель показывает экран «Энергетический баланс». «Сравните поступающую и теряемую энергию. Какой вывод объясняет постоянную амплитуду? Какая частота устанавливается после начала вынужденных колебаний?» | Отвечают: «Поступающая энергия равна теряемой, поэтому амплитуда становится постоянной»; «Частота колебаний равна частоте внешней силы». |
Запись в тетрадях
Вынужденные колебания происходят под действием внешней периодической силы. После установления колебаний их частота равна частоте внешней силы, а амплитуда определяется энергетическим балансом: поступающая энергия компенсирует теряемую.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Эксперимент показал: одной внешней силы недостаточно для максимального раскачивания. Важно, как часто она действует. Теперь выясним, почему совпадение частот вызывает резкое увеличение амплитуды».
Этап 6. Открытие понятия «резонанс» и первичное закрепление (9 мин)
Цель этапа: сформулировать условие резонанса и применить его к ситуациям с качелями и техническими конструкциями.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель показывает экран «Идеальный тайминг: суперсила резонанса». «Резонанс — это резкое, многократное увеличение амплитуды вынужденных колебаний. Условие резонанса: частота внешней силы совпадает или близка к собственной частоте системы. Почему маленькие толчки могут сильно раскачать качели?» | Записывают определение и отвечают: «Частота толчков совпадает с собственной частотой качелей, поэтому энергия добавляется согласованно в каждом периоде». |
3 мин | Учитель показывает пошаговую схему сложения движения и экран «Анатомия качелей». «Сравните три действия: просто отпустить, толкать случайно, толкать в высшей точке в такт. Какой режим соответствует затуханию, какой — обычным вынужденным колебаниям, а какой — резонансу?» | Соотносят режимы: «отпустить — затухающие колебания»; «толкать случайно — вынужденные колебания с непостоянной амплитудой»; «толкать в такт — резонанс». |
3 мин | Учитель организует вопросы для закрепления. «Первый вопрос: частота внешней силы равна 3,2 Гц. Какова частота установившихся вынужденных колебаний? Второй вопрос: почему при резонансе сила помогает движению, а не мешает ему? Третий вопрос: чем резонанс полезен и чем опасен?» | Отвечают: «3,2 Гц»; «Потому что воздействие согласовано с движением и энергия добавляется в каждый период»; «Резонанс помогает раскачивать качели, но может разрушать мосты и здания». |
Запись в тетрадях
Резонанс — резкое увеличение амплитуды вынужденных колебаний при совпадении или близости частоты внешней силы к собственной частоте системы. В установившихся вынужденных колебаниях $\nu=\nu_{внеш}$.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы установили главное условие резонанса — совпадение частот. Теперь проверим понимание индивидуально: каждому нужно будет распознать вид колебаний, назвать причину и объяснить энергетический баланс».
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
4 мин | Учитель раздаёт карточки с двумя заданиями. «Работаем самостоятельно. Задание 1: амплитуда свободных колебаний за пять периодов уменьшилась с 10 до 6 см. Как называются такие колебания и почему это происходит? Задание 2: почему небольшие толчки могут сильно раскачать качели, если повторять их в такт? Запишите ответ с использованием терминов урока». | Решают индивидуально. В первом ответе указывают «затухающие колебания», трение и сопротивление среды; во втором — резонанс и совпадение частот. |
2 мин | Учитель показывает эталон ответов. «Проверьте не только правильность, но и полноту объяснения. В ответе должны быть название явления, причина и физический механизм. Исправьте один недостающий элемент зелёной ручкой». | Сверяют ответы с эталоном, исправляют формулировки и отмечают, какой элемент рассуждения пропущен. |
3 мин | Учитель проводит рефлексию «Светофор» и «Билет на выход». «Поднимите зелёную карточку, если можете объяснить затухание; жёлтую — если нужна тренировка; красную — если требуется помощь. На листке напишите одно предложение: “Резонанс возникает, когда...” и один вопрос, который у вас остался». | Показывают карточку, заполняют билет на выход: «Резонанс возникает, когда частота внешней силы совпадает или близка к собственной частоте системы». Формулируют оставшийся вопрос или отмечают, что вопросов нет. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Сегодня вы прошли путь от наблюдения затухающих колебаний до объяснения резонанса. Проверьте дома, сможете ли вы увидеть эти три режима в знакомых жизненных ситуациях и объяснить их языком физики».
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Что нового вы узнали о причине затухания колебаний? | Выявление понимания перехода механической энергии во внутреннюю. |
Чем вынужденные колебания отличаются от затухающих по источнику энергии, амплитуде и частоте? | Проверка умения сравнивать процессы по диагностической матрице. |
При каком условии возникает резонанс и почему амплитуда увеличивается? | Выявление освоения ключевого условия и механизма резонанса. |
Какой этап — объяснение, эксперимент или самостоятельная задача — потребовал наибольшего усилия? | Определение субъективных точек затруднения и планирование коррекции. |
Завершающее слово учителя
«Сегодня мы выяснили, что реальные свободные колебания затухают, потому что механическая энергия переходит во внутреннюю из-за трения и сопротивления среды. Вынужденные колебания поддерживаются внешней периодической силой, а их частота устанавливается частотой этой силы. Резонанс возникает при совпадении или близости частот и может быть как полезным, так и опасным. На следующем уроке мы продолжим применять алгоритм анализа колебательных процессов в расчётных и качественных задачах формата ОГЭ».
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Составить в тетради таблицу сравнения затухающих и вынужденных колебаний по четырём признакам: источник энергии, амплитуда, частота и график. Дополнительно письменно ответить на два вопроса урока о маятнике и качелях. | Закрепляет основные определения и умение различать виды колебаний; при проверке обратить внимание на точное употребление терминов «собственная частота» и «внешняя периодическая сила». |
Средний (повышающий) | Решить 4 качественные задачи: определить вид колебаний по описанию, объяснить ускоренное затухание маятника в воде, определить частоту вынужденных колебаний при частоте внешней силы 3,2 Гц, объяснить раскачивание качелей в такт. | Формирует алгоритм анализа и готовит к заданиям ОГЭ; при проверке смотреть на наличие причины, условия и причинно-следственного вывода. |
Продвинутый (дополнительный) | Подготовить краткое сообщение или схему «Польза и опасность резонанса» с двумя примерами: раскачивание качелей и защита мостов или зданий от опасных колебаний. | Развивает функциональную грамотность и умение переносить физическое понятие в жизненный контекст; при проверке оценивать корректность объяснения совпадения частот. |
Контрольные вопросы перед выходом из класса: «Почему амплитуда свободных колебаний уменьшается? Что является источником энергии вынужденных колебаний? Чему равна частота установившихся вынужденных колебаний? При каком условии возникает резонанс?»
