В статье рассматривается способ демонстрации резонанса механических колебаний. Демонстрация предлагается учащимся 9–10 классов средних образовательных школ при изучении раздела «Механические колебания и волны». В качестве колебательной системы используется акустическая гитара. Источником вынуждающих колебаний выступает электромагнит, создающий переменное магнитное поле, частота которого задается при помощи звукового генератора.
Ключевые слова: резонанс, струна, акустическая гитара, физический эксперимент.
Механические колебания изучаются учащимися в курсе физики 9–10 классов. Существует методическая проблема, связанная с демонстрацией резонанса, которая заключается в том, учащиеся не связывают изучаемое на уроке явление резонанса с аналогичными явлениями, встречающимися в обыденной жизни.
Использование в качестве физического прибора музыкального инструмента наглядно демонстрирует учащимся, что физические явления происходят в повседневной жизни непрерывно. Выявление в повседневных действиях физических процессов, понимание и объяснение их, формирует у учащегося интерес к познавательной деятельности. Увеличение интереса учащегося к познанию мира способствует развитию интеллектуальных способностей и личности в целом.
В учебной литературе явление резонанса определяется как резкое возрастание амплитуды колебаний системы при совпадении частот собственных колебаний системы и колебаний вынуждающей силы [1]. Традиционным способом демонстрации явления акустического резонанса является опыт, описанный в учебной литературе, в котором используются два камертона, имеющих одинаковую частоту собственных колебаний [2]. Камертон — физический прибор, представляющий собой металлическую вилку, соединенную с деревянной коробкой (резонатором), усиливающей звуковые колебания вилки. При возбуждении звуковых колебаний на первом камертоне ударом молоточка, на втором камертоне также происходит возбуждение звуковых колебаний. Говорят, что второй камертон резонирует, то есть улавливает энергию звуковых волн от перового камертона, в результате чего увеличивает амплитуду собственных колебаний. Устройство акустической гитары имеет сходства с механическим камертоном. В качестве колебательной системы у гитары выступает струна. Барабан гитары является резонатором, усиливающим звуковые колебания, создаваемые струной.
Схема опыта. Оборудование: акустическая гитара с металлическими струнами, звуковой генератор, цифровой двухканальный осциллограф, компьютер, катушка-электромагнит, микрофон.
Важной особенностью при проведении такого эксперимента является наличие у гитары металлических струн, которые могут взаимодействовать с магнитным полем электромагнита. Штатив, с закрепленными на нем катушкой и микрофоном, располагается напротив резонатора так, чтобы микрофон оказался напротив резонаторного отверстия, а сердечник катушки располагался напротив какой-либо из струн гитары, не соприкасаясь с ней. К одному из каналов осциллографа подключается сигнал, идущий со звукового генератора. На данном канале происходит визуализация гармонических вынуждающих колебаний. Ко второму каналу осциллографа подключен микрофон, который регистрирует звуковые колебания, создаваемые струной. Гитару для устойчивости располагают горизонтально на демонстрационном столе, оперев гриф на штатив. Все элементы установки следует расположить компактно, убрав соединительные провода для обеспечения наглядности.
Ход демонстрации. Вначале с учащимися обсуждается устройство гитары, а так же назначение элементов демонстрируемой установки.
Демонстрация начинается с формулировки учителем вопроса: различаются ли частоты колебаний у каждой из струн гитары? Учащиеся высказывают предположения, которые учитель предлагает проверить экспериментально. Для этого медиатором поочередно приводятся в колебание струны. Учащиеся слышат, что каждая из шести струн обладает своей частотой звучания. Учитель обращает внимание учащихся на осциллограмму, где можно пронаблюдать, что частоты колебаний струн различны.
Далее учителем формулируется проблемная ситуация: что будет происходить, если частоты собственных колебаний струны и вынуждающих колебаний совпадут? Учащиеся выдвигают предположения, которые следует проверить. Учитель подбирает на звуковом генераторе значения частоты колебаний до тех пор, пока струна не начнет колебаться. Учащиеся слышат звучание гитары. Учитель зажимает колеблющуюся струну для того, чтобы продемонстрировать, что колебания металлической струны вызываются переменным магнитным полем, создаваемым катушкой-электромагнитом. Следует при этом обратить внимание учащихся на идентичность осциллограмм собственных и вынуждающих колебаний. Вследствие этого учащиеся делают вывод о том, что частоты колебаний совпадают, а условие резонанса строго соблюдается.
После этого резонанс нарушается, для этого учитель сначала уменьшает, а потом увеличивает частоту вынуждающих колебаний звукового генератора. Учащиеся слышат, что звучание гитары постепенно пропадает. Это означает, что струна перестает колебаться из-за нарушения условия резонанса. Учащиеся делают вывод о том, что резонанс возникает лишь при точном совпадении частот собственных и вынуждающих колебаний.
Следующим этапом демонстрации является установление зависимости частоты собственных колебаний струны от силы ее натяжения. Учитель вопрос: что будет происходить со звуком гитары при изменении натяжения струны гитары? Учащиеся выдвигают предположения, которые экспериментально проверяются. Для этого установка настраивается на резонанс. Далее уменьшают натяжение струны, поворачивая колок гитары. Обращается внимание учащихся на то, что звучание гитары прекращается из-за нарушения условия резонанса. Учитель подбирает на звуковом генераторе то значение частоты вынуждающих колебаний, при котором вновь возникнет резонанс. Учащиеся обращают внимание на то, что звук гитары становится ниже. Делают вывод о том, что начинает колебаться уже другая гитарная струна. Обращает внимание учащихся на то, что при уменьшении натяжения струны частота вынуждающих колебаний уменьшается, поэтому в резонанс вступила та гитарная струна, частота собственных звуковых колебаний которой ниже. Учащиеся делают вывод о том, что частота колебаний прямым образом зависит от натяжения струны.
Заключение и выводы. Предлагаемая схема эксперимента проста в реализации и не требует создания специальных условий, может быть реализована как учителем для демонстрации резонанса, так и учащимися в рамках проведения ими научно-исследовательской работы, например, по установлению зависимостей частоты колебаний струны от различных параметров — силы натяжения, массы, длины.
Литература:
- Касьянов В. А. Физика. 10 класс: Учебник для общеобразовательных учебных заведений / В. А. Касьянов. — М.: Дрофа, 2000. — 416 с.
- Усова А. В. Методика преподавания физики в 7–8 классах средней школы: Пособие для учителя / А. В. Усова, В. П. Орехов, С. Е. Каменецкий и др.; Под ред. А. В. Усовой. — М.: Просвещение, 1990.– 319 с.
