Дәріс 9. Тақырыбы: Механикалық тербелістер мен толқындарды оқып үйрену әдістемесі

Дәріс мазмұны:Тербелістер тақырыбын оқып үйрену негізгі мектептің 9 сыныбынан басталады. Онда алғаш рет тербелмелі қозғалыс ұғымы енгізілді, яғни белгілі бір уақыт аралығында барлық дененің қозғалысы қайталанады. Оған денелердің тепе теңдік жағдайынан шығарған кездегі қозғалыстарын демонстрациялап түсіндіру керек. Мұнда жіпке ілінген дененің резеңкеге ілінген жүктің тік, қысқышқа қысылған темір сызғыштың және ішектің, қозғалыстары көрсетіледі. Осы қозғалыстардың айырмашылықтары мен ұқсастықтарына талдау жасалынады. Олардың ортақ қасиеттері қозғалыстың қайталануы.

Қозғалыстың қайталануына кеткен уақыт аралығы тербеліс периоды деп аталады. Еркін тербелістер туралы ұғым енгізіледі. Денені тепе теңдік қалпынан қоя берсек, онда ол өздігінен тербеле бастайды. Демек, тек энергияның бастапқы берілген қорының есебінен пайда болатын тербелістерді еркін тербелістер деп атайды.

Тербелістегі денеге сыртқы күштер әсер етпесе, яғни үйкеліс күші жоқ болса, онда дененің потенциалдық энергиясының кинетикалық энергияға және керісінше түрленуі болады. Мысалы, жіпке ілінген дене үйкеліс күші жоқ болса мәңгі еркін тербеліс жасайды.

Еркін тербелетін денелер әрқашанда басқа денелермен әсерлесіп және олармен бірігіп тербелмелі жүйелер деп аталатын денелер жүйесін құрайды.

Мысалы, тербелмелі жүйе жіпке ілінген шар, жіп, штативтен және жерден тұрады.

Бұл жағдайда шар ауырлық және жіптің тартылу күштерінің әсерінен еркін тербелістер жасайды, олардың қорытқы күші тепе теңдік қалыпқа бағытталған. Еркін тербеліс жасайтын денелер жүйесін тербелмелі жүйелер деп атайды.

Біз қарастырылған тербелмелі жүйе маятник деп аталады. Тербелмелі қозғалысты сипаттайтын шамалар:

Тербелмелі дененің тепе теңдік қалпынан ең үлкен ауытқуы тербеліс амплитуласы деп аталады. Амплитуданы А әрпімен белгілейді және ұзындық өлшем бірліктері метрмен (м), сантиметрмен (см) және өлшейді.

Толық бір тербеліс жасау үшін белгілі бір уақыт керек. Толық бір тербеліс жасауға кеткен уақыт аралығын тербеліс периоды деп атайды. Тербеліс периоды Т әрпімен белгіленеді және секундпен өлшенеді.

Уақыт бірлігіндегі тербелістер санын тербеліс жиілігі деп атайды.

Оқушыларды амплитуда, период және жиілік ұғымдарын қалыптастыру үшін сапалық, сандық есептерді шығарып, жеңіл орындалатын әр түрлі практикалық тапсырмаларды жасауды ұсыну керек. Тербеліс периолы мен оның жиілігінің арасындағы байланыс:

Гармониялық тербелістер. Тербелмелі қозғалысты сипаттайтын негізгі ұғымдарды енгізгеннен кейін гармониялық тербелістер ұғымы енгізіледі.

Гармониялық тербеліс ұғымын енгізі үшін серіппелі маятникті қолдануға болады. Бұл тәжірибеде төменгі бөлігінде тесігі бар кішкене ыдысқа құм салынған, оны тербелмелі қозғалысқа келтіріп, тербеліс жазықтығына перпендикуляр бағытта таспаны тұрақты жылдамдықпен жылжытсақ, онда таспада толқын тәрізді із қалады. Суретте алынған қисықтың түpi көрсетілген. Ол синусоида деп аталады.

 

 

Егер қандай да бip дене координатасының уақытқа тәуелді графигі синусоида (косинуоида) болса, яғни координата уақыт өтуіне байланысты синус (косинус) заңымен өзгерсе, онда мұндай жағдайда координата да, дене де гармониялық тербеліс жасайды. Физикалық шамалардың уақыт өтуіне байланысты синус және косинус заңы бойынша периодты өзгepyi гармониялық тербеліс деп аталады.

Hегізгi мектептерде гармониялық тербелістер сапалық түрде қарастырылады. 10 сынып бағдарлы мектепте гармониялық тербелістердің уақыт бойынша өзгеру формуласы қорытылып шығарылады. Сондай-ақ cepпiмді маятник үшін F_x = -kx,математикалык маятник үшін F_x = әсер ететін күштерді қарастырып, дене тербелісінің үдеуін

және

қарастырып, гармониялық тербеліске басқаша аныктама беріліп нақтылана түседі. Тербелмелі қозғалыста жылдамдық пен удеу, координат сияқты периодты өзгеретінін, әpбip Т период өткен сайын жылдамдық пен удеудің векторларының модулі мен бағыты қайталанып отыратынын түсіндіру қажет.

Тербелуші дененің толық энергиясы W оның тербелістерінің амплитудасының квадратына пропорционал:

Механикалық энергияның сақталу заңын қолдана отырып, cepіппелі және математикалық маятниктер үшін периодтың формуласы қорытылып шығарылады.

Маятниктердің тербеліс периодының формуласын жақсы меңгеру үшін оқушыларға тәжірибе жүзінде маятник үшін cеріппенің қатаңдығы үлкен болса, дененің тербеліс периоды соғұрлым аз болатынын, ал дененің массасы неғұрлым көп болса, тербеліс периода соғұрлым көп болатынын тексеріп көрсетіп, түсіндіру кажет.

Негізгі мектепте механикалық толқынды оқып үйрену толқындық қозғалысты көрсету арқылы басталады. Мысалы, ұзын серіппені көлденең жіпке іліп бір шетінен қолмен қағамыз. Соққыдан серіппенің бірнеше орамдары сығылады да, серпімділік күші пайда болады, оның әсерінен бұл орамдар қайта таралады. Нәтижесінде серіппенің бір жері шоғырланып, (1,ә-сурет) екінші жері сирейді. Егер серіппенің шетін қолмен бірқалыпты қақсақ, онда бұл құбылыс қайталанады (1,б-сурет). Осылайша серіппенің орамдары өзінің тепе-теңдік қалпының маңында тербеледі. Бұл тербеліс орамнан-орамға бүкіл серіппені жағалай беріледі. Басқаша айтқанда, серіппені жағалай оның сол шетінен оң шетіне ұйытқу тарайды, яғни ортаның жағдайын сипаттайтын кейбір физикалық шамалар өзгереді. Бұл жағдайда ұйытқу уақыт өтуімен серіппедегі серпімділік күшінің, тербелістегі орамдардың қозғалыс жылдамдығы мен үдеуі, олардың тепе-теңдік қалпынан ығысуының өзгерісін көрсетеді.

Пайда болған орнынан алыстап кеңістікте таралған ұйытқу толқын деп аталады. Бұл қарастырған жағдайда пайда болған толқын тербеліс бағытымен бағыттас. Ондай толқындарды қума толқын деп атайды. Қума толқындардан басқа көлденең толқындар да пайда болады.

Тербелістері толқынның таралу бағытына перпендикуляр болатын толқындар көлденең толқындар деп аталады.

Өтілген материалдарды бекітуге және толқын ұзындығы ұғымын енгізгенді қума, көлденең толқындарды толқындық машинаның көмегімен демонстрациялық көрсетуге болады.

Қума және көлденең толқындарға тән негізгі қасиеті олар кеңістікте тарай отырып зат тасымалданбай, энергия тасымалданады. Сондай-ақ серпімді көлденең толқындар тек қатты денелерде тарайды, ал серпімді қума толқындар кез келген қатты, сұйық және газ тәрізді ортада тарай алатынын түсіндіру қажет. Оқушылар серпімді толқынды оқып үйренуде толқынның таралу жылдамдығы туралы алғаш рет мәлімет алады.

Сонымен оқушылар толқындық қозғалысты оқып үйренгенде көлденең толқындарды толқын жоталары немесе ойыс жерінің тарау жылдамдығы, ал қума толқындарда шоғырлану мен сиреудің таралу жылдамдығын қарастырады.

Оқушылардың тербелістер мен толқындар туралы алған білімдері дыбыс құбылыстарын қарастыруға мүмкіндік береді. Оқушылар толқындар және оларды сипаттайтын шамалар туралы алған білімдерін дыбыс құбылыстарын оқып үйренген кезде одан ары тереңдетіп нақтылай түседі.

Дыбыс толқындарын оқып үйренуді оқушыларға дыбыс көздері мен оларды қабылдағыштарды таныстырудан бастаған дұрыс.

Мысалыға өзіндік жиілігі бар камертон, ішек және еріксіз тербеліс көздері, электр тербелістерін дыбысқа айналдыратын қондырғыларды қарастыруға болады.

Дыбыс толқындары тарау үшін серпімді орта қажет екенін демонстарциялық эксперимент жасап, көрсетіп түсіндіріледі. Мұнда ауа сорғысы қалпағының астына қоңырауды орналастырып оны іске қосамыз. Одан кейін сорғымен ауаны сорғыза бастаймыз. Ауа сиреген сайын дыбыс нашар естіледі де ақырында мүлде жоғалады. Дыбыс ауады ғана емес басқа ортада да тарайды. Жермен немесе теміржол рельсімен дыбыстың үлкен қашықтыққа тарайтынын оқушылар жақсы біледі.

Сондай ақ дыбыстың суда, металда, кеуеу денелерде қалай тарайтынын тәжірибелер жасап көріп салыстыруға болады.

Әр түрлі ортадағы дыбыстың тарау жылдамдығын қарастырып, осы ортадағы дыбыс жылдамдықтарына нақты мысалдар келтіріледі Мысалы, дыбыстың ауадағы жылдамдығы- 300 м/с, суда- 1500 м/с, металда ауаға қарағанда 15 есе жылдам тарайтынын айтқан өте пайдалы. Дыбыстың таралу жылдамдығы неге әp түрлі ортада басқаша болатын оқушылардың өздері түсіндірсін. Cе6e6і олар толкынның тарау жылдамдығы ортаның тығыздығына, деформанияның түріне байланысты толқын тудырған серпімділікке тәуелділігін біледі. Одан кейін оқушыларға дыбысты адам құлағының қабылдауын, яғни жиілігі 20 Гц-тен 20000 Гц аралығында қабылдайтынын, ал жиілігі 20 Гц-тен кем инфрадыбыстар, ал жиілігі 20000 Гц-тен артық ультрадыбыс, 10⁹ Гц-тен үлкен гипердыбыстар деп аталатаны атылады. Сондай-ақ дыбыс толқындарының сипаттамалары (жиілігі, интенсивтілігі, спектрлік құрамы) қарастырылады. Дыбыс толкынының интенсивтілігі дыбыстың, таралу бағытына перпендикуляр орналасқан бірлік ауданға бірлік уакыт ішінде келген энергиямен сипатталады. Дыбыс толқындарының интенсивтілігінің өзгешелігін адам дыбыс каттылығымен айырады. Дыбыс қаттылығы тербеліс амилитудасына тәуелді: дыбыс амплитудасы неғұрлым үлкен болса, соғұрлым дыбыс қатты болады. Дыбыс жоғарылығы тербеліс жиілігіне тәуелді: дыбыс көзінің тербеліс жиілігі неғұрлым үлкен болса, соғұрлым шығарған дыбысы жоғары болады. Барлық басқа күрделідыбыстардың тоны обертондар (қосымша дауыс құбылысы) деп аталады. Обертондар дыбыс тембрін анықтайды, яғни 6ip дыбыс көздерін келесіден ажыратуға мүмкіндік беретін қасиеті. Мысалы рояль даусын, домбыра немесе скрипка даусынан оңай ажыратамыз.

Электронды осциллографқа микрофонды қосып камертонның қарапайым тонының (монохроматты синусоида толкыны) және музыкалық аспап дыбысын (6ірнеше жиіліктердің қосындысы негізгі тон мен обертондар) және шу (үздіксіз жиіліктер жиынтығы) осциллограммаларының айырмашылықтары көрсетіледі.

Дыбыс толкындарының резонанс құбылысы оның толқындық қасиетінің дәлелі болып табылады. Резонанс құбылысының пайдалы және зиянды жақтарын айтып өту керек. Мысалы музыкалық аспаптарда дыбысты күшейту үшін резонаторлар қолданылады. Гитарада, скрипкада және басқа да ішекті аспаптарда резонатор кызметін сыртқы қораптарының (астыңғы және үстіңгі) бөліктері атқарады. Резонаторлар аспап шығаратын дыбысты күшейтуге көмектеседі және 6ip аспаптың үнін екіншісінен ажыратуға болатын дыбыс құбылысының бояуы тембрді 6epеді. Дыбыс тембрі резонатордыңөлшемі мен формасына ғана емес, оның қандай ағаштан жасалғанына және жаққан лак құрамына тәуеді. Бұл резонанстың пайдалы жағы. Ал зиянды жағына телефон, микрофон, дыбыс зорайтқыштарда мембрана мен катушканың epіксіз тepбелісі пайда болады. Осы еріксіз тербелістер құрылғының өз тербелісімен сәйкес келгенде қаттырақ дыбыс шығып, беріліп жатқан хабардың дауысында бұзылу пайда болады. Сонымен, бұл құрылғыларда резонанс құбылысы пайдасыз.

Соңында оқушыларды дыбыстың шағылу құбылысымен таныстырып, жаңғырықтың қай уақытта болатыны түсіндіріледі. Адам құлағы екі дыбысты ажыратады, егерде олардың шығу аралығы 0,1с тан кем болмаған кезде. Тақырыпты қайталап жалпылау сабағын өткен кезде серпімді толқындар жер сілкінісін зерттеуде, әрі жер сілкінісін тіркеуде қолданылады. Инфрадыбыс көздері, атмосферадағы жел, найзағай, жер қыртысындағы жарылысты тіркеуде қолданылады.