Ответьте на вопросы, страница 159 - гдз по физике 9 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

Что необходимо сделать, чтобы амплитуда колебаний оставалась постоянной? При каком условии амплитуда может превысить первоначальное значение? Может ли оказаться меньше первоначального значения? Убедитесь в своих предположениях на опыте: периодически воздействуйте на маятники.

Что необходимо сделать, чтобы амплитуда колебаний оставалась постоянной?

В любой реальной колебательной системе (например, маятнике) существуют силы сопротивления, такие как трение в точке подвеса и сопротивление воздуха. Эти силы приводят к потере механической энергии, из-за чего амплитуда свободных колебаний со временем уменьшается. Такие колебания называют затухающими. Чтобы амплитуда колебаний оставалась постоянной, необходимо компенсировать эти потери энергии. Для этого на систему нужно периодически воздействовать внешней силой, которая будет сообщать ей энергию. Энергия, сообщаемая внешней силой за один период, должна быть в точности равна энергии, теряемой системой за тот же период из-за трения. Такие колебания, происходящие под действием внешней периодической силы, называются вынужденными. Если амплитуда постоянна, то это установившиеся вынужденные колебания.

Ответ: Чтобы амплитуда колебаний оставалась постоянной, необходимо воздействовать на колеблющуюся систему с помощью внешней периодической силы, которая компенсирует потери энергии, вызванные силами трения и сопротивления среды.

При каком условии амплитуда может превысить первоначальное значение?

Амплитуда колебаний может не только поддерживаться на постоянном уровне, но и значительно превысить свое первоначальное значение. Это происходит при явлении резонанса. Резонанс — это резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний, которое наблюдается, когда частота $f_{вн}$ внешней вынуждающей силы приближается к собственной (природной) частоте колебательной системы $f_0$. В условиях резонанса ($f_{вн} \approx f_0$) система наиболее эффективно поглощает энергию от внешнего источника. Даже небольшая по величине, но резонансная по частоте внешняя сила способна раскачать систему до очень больших амплитуд, которые могут во много раз превышать первоначальную амплитуду.

Ответ: Амплитуда может превысить первоначальное значение при явлении резонанса, то есть когда частота внешней периодической силы совпадает или очень близка к собственной частоте колебательной системы.

Может ли оказаться меньше первоначального значения?

Да, амплитуда может оказаться и, как правило, оказывается меньше первоначального значения. Это основной сценарий для свободных затухающих колебаний. Если вывести систему из положения равновесия (задав ей начальную амплитуду) и предоставить самой себе, то из-за неизбежных потерь энергии на трение и сопротивление среды амплитуда колебаний будет постепенно уменьшаться, пока колебания полностью не прекратятся. Даже в случае вынужденных колебаний, если частота внешней силы далека от резонансной, или если внешняя сила действует в противофазе с движением системы (например, толкая качели в момент, когда они движутся навстречу), она будет не раскачивать, а, наоборот, тормозить систему, что приведет к уменьшению амплитуды.

Ответ: Да, может. В отсутствие внешней подпитки энергией амплитуда любых реальных колебаний всегда уменьшается со временем из-за сил трения и сопротивления.

Убедитесь в своих предположениях на опыте: периодически воздействуйте на маятники.

Для проведения опыта можно использовать простой маятник, например, грузик на нитке.
1. Отклоните маятник на некоторый угол и отпустите. Вы увидите, что с каждым последующим колебанием максимальное отклонение (амплитуда) становится все меньше и меньше. Через некоторое время маятник остановится. Это подтверждает, что без внешнего воздействия амплитуда уменьшается.
2. Снова запустите маятник. Теперь попробуйте легонько подталкивать его в такт его собственным колебаниям, например, каждый раз, когда он достигает крайней точки и начинает движение обратно. Вы заметите, что если делать это с правильной частотой (собственной частотой маятника), амплитуда колебаний начнет заметно расти и может стать гораздо больше первоначальной. Это демонстрация резонанса.
3. Поддерживая колебания с помощью таких толчков, можно добиться того, чтобы маятник качался с постоянной большой амплитудой. Это происходит, когда энергия, добавляемая вашими толчками, в среднем равна энергии, теряемой на трение за то же время.
4. Попробуйте толкать маятник с частотой, сильно отличающейся от его собственной (например, гораздо чаще или реже). Вы увидите, что раскачать маятник до большой амплитуды не удается, его движение может стать хаотичным. Если же толкать его против движения, он быстро остановится.

Ответ: Опыт с маятником подтверждает, что для поддержания постоянной амплитуды нужна внешняя сила, компенсирующая затухание. Если частота этой силы совпадает с собственной частотой маятника, амплитуда резко возрастает (резонанс), а при несовпадении частот или при воздействии в противофазе амплитуда уменьшается или остается небольшой.