Опыты, страница 102 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

Оглядитесь вокруг, найдите примеры колебательного движения в природе. Укажите, к какому типу колебаний оно относится.

Исследуйте колебания пружинного маятника. Для этого закрепите пружину в штативе и подвесьте на неё груз массой 100 г. Запустите колебательный процесс, сместив груз на 4–5 см вниз. Посчитайте, сколько колебаний совершит система за 2–3 мин.

Затем поставьте снизу сосуд с водой. Колебания будут совершаться в более упругой среде. Также запустите колебательный процесс и зафиксируйте, сколько колебаний совершит система в новых условиях.

Сделайте вывод о влиянии среды на процесс затухания колебаний.

Оглядитесь вокруг, найдите примеры колебательного движения в природе. Укажите, к какому типу колебаний оно относится.

В природе можно наблюдать множество примеров колебательных процессов:

1. Качание ветвей деревьев на ветру. Это пример вынужденных колебаний, так как они происходят под действием внешней периодической силы — ветра. Одновременно эти колебания являются затухающими из-за сопротивления воздуха и внутреннего трения в древесине.

2. Колебания паутины после попадания в нее насекомого. Это свободные колебания, которые возникают после начального воздействия и затем происходят под действием внутренних упругих сил паутины. Из-за сопротивления воздуха они являются затухающими и со временем прекращаются.

3. Морские приливы и отливы. Это гигантские вынужденные колебания уровня воды, вызванные гравитационными силами со стороны Луны и Солнца.

4. Биение сердца. Это пример автоколебаний. Система сама регулирует поступление энергии из внутреннего источника (биологические процессы) для поддержания незатухающих колебаний (сердечного ритма).

Ответ: Примерами колебаний в природе являются качание ветвей деревьев на ветру (вынужденные затухающие), колебания паутины (свободные затухающие), морские приливы и отливы (вынужденные), биение сердца (автоколебания).

Исследуйте колебания пружинного маятника.

Дано:

Масса груза: $m = 100 \text{ г}$

Начальное смещение: $\Delta x = 4-5 \text{ см}$

Время наблюдения: $t = 2-3 \text{ мин}$

Среда 1: воздух

Среда 2: вода

Перевод в систему СИ:

$m = 0.1 \text{ кг}$

$\Delta x = 0.04-0.05 \text{ м}$

$t = 120-180 \text{ с}$

Найти:

Сделать вывод о влиянии среды на процесс затухания колебаний на основе сравнения числа колебаний в воздухе и в воде.

Решение:

Это задание описывает мысленный или реальный эксперимент по изучению затухающих колебаний. Проанализируем его этапы и ожидаемые результаты.

Этап 1: Колебания в воздухе.

После смещения груза из положения равновесия и его освобождения, пружинный маятник начнет совершать свободные колебания. В воздухе на груз действует сила сопротивления, но она относительно мала. Поэтому колебания будут слабозатухающими: их амплитуда будет убывать медленно, и за 2–3 минуты маятник совершит большое число полных колебаний ($N_{воздух}$).

Этап 2: Колебания в воде.

При перемещении маятника в сосуд с водой условия кардинально меняются. Вода является гораздо более плотной и вязкой средой по сравнению с воздухом. Сила сопротивления, действующая на груз со стороны воды, будет значительно больше. Эта сила вызывает быструю диссипацию (рассеяние) механической энергии колебательной системы. В результате колебания в воде будут сильнозатухающими. Амплитуда колебаний будет убывать очень быстро, и маятник совершит лишь небольшое число колебаний ($N_{вода}$) до полной остановки. Скорее всего, колебания прекратятся значительно раньше, чем истекут 2–3 минуты.

Сравнение и вывод:

В ходе эксперимента мы бы обнаружили, что число колебаний в воде значительно меньше, чем в воздухе: $N_{вода} \ll N_{воздух}$.

Сравнивая результаты двух экспериментов, можно сделать вывод, что среда, в которой происходят колебания, оказывает ключевое влияние на скорость их затухания. Сопротивление среды приводит к потере энергии колебательной системой и, как следствие, к уменьшению амплитуды. Чем больше сопротивление среды (выше ее плотность и вязкость), тем быстрее затухают колебания.

Ответ: В ходе эксперимента будет обнаружено, что в воде пружинный маятник совершит намного меньше колебаний и остановится гораздо быстрее, чем в воздухе. Вывод: затухание колебаний напрямую зависит от свойств среды. Более плотная и вязкая среда (вода) создает большее сопротивление движению, что приводит к более быстрому затуханию колебаний по сравнению с менее плотной средой (воздухом).