Mechanické kmitání Kinematika mechanického kmitání Vojtěch Beneš



Podobné dokumenty
Digitální učební materiál

Digitální učební materiál

pracovní list studenta Kmitání Studium kmitavého pohybu a určení setrvačné hmotnosti tělesa

Digitální učební materiál

pracovní list studenta

MECHANICKÉ KMITÁNÍ. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - 3.A

pracovní list studenta RC obvody Měření kapacity kondenzátoru Vojtěch Beneš

MECHANICKÉ KMITÁNÍ POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

Mechanické kmitání (oscilace)

Příklady kmitavých pohybů. Mechanické kmitání (oscilace)

Obsah. Kmitavý pohyb. 2 Kinematika kmitavého pohybu 2. 4 Dynamika kmitavého pohybu 7. 5 Přeměny energie v mechanickém oscilátoru 9

(test version, not revised) 9. prosince 2009

KMITÁNÍ PRUŽINY. Pomůcky: Postup: Jaroslav Reichl, LabQuest, sonda siloměr, těleso kmitající na pružině

Laboratorní úloha č. 4 - Kmity II

pracovní list studenta

Mechanické kmitání a vlnění

pracovní list studenta

B. MECHANICKÉ KMITÁNÍ A VLNĚNÍ

DUM označení: VY_32_INOVACE_... Jméno autora výukového materiálu: Ing. Jitka Machková Škola: Základní škola a mateřská škola Josefa Kubálka Všenory

Několik příkladů využití elektronických snímačů mechanických veličin při výuce

Harmonické oscilátory

Experimenty se systémem Vernier

Mechanické kmitání - určení tíhového zrychlení kyvadlem

Skládání kmitů

Praktická úloha celostátního kola 48.ročníku FO

Elektromagnetický oscilátor

Mechanické kmitání a vlnění, Pohlovo kyvadlo

Laboratorní úloha č. 3 - Kmity I

Charakteristika ultrazvuku a jeho využití v praxi

Elektrický signál - základní elektrické veličiny

9.7. Vybrané aplikace

pracovní list studenta Struktura a vlastnosti pevných látek Deformační křivka pevných látek, Hookův zákon

Rezonanční jevy na LC oscilátoru a závaží na pružině

Digitální učební materiál

Testovací příklady MEC2

Kmitavý pohyb a jeho modelování metodou od oka

ω=2π/t, ω=2πf (rad/s) y=y m sin ωt okamžitá výchylka vliv má počáteční fáze ϕ 0

pracovní list studenta Struktura a vlastnosti plynů Stavová rovnice ideálního plynu Vojtěch Beneš

PROTOKOL O PROVEDENÍ LABORATORNÍ PRÁCE

pracovní list studenta

Výukové texty pro předmět Měřící technika (KKS/MT) na téma Podklady k principu měření vibrací a tlumicích vlastností

SCLPX 07 2R Ověření vztahu pro periodu kyvadla

F MATURITNÍ ZKOUŠKA Z FYZIKY PROFILOVÁ ČÁST 2017/18

pracovní list studenta Kombinatorika, pravděpodobnost, základy statistiky Jak jsou vysocí? Mirek Kubera

Laboratorní cvičení z fyziky Mechanický oscilátor

Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/

Necht na hmotný bod působí pouze pružinová síla F 1 = ky, k > 0. Podle druhého Newtonova zákona je pohyb bodu popsán diferenciální rovnicí

Pracovní list vzdáleně ovládaný experiment. Obr. 1: Matematické kyvadlo.

Fyzikální praktikum 1

Kmitání mechanického oscilátoru Mechanické vlnění Zvukové vlnění

E-II. Difrakce způsobená povrchovými vlnami na vodě

Měření tíhového zrychlení matematickým a reverzním kyvadlem

Fyzikální praktikum I

I. část - úvod. Iva Petríková

FYZIKA II. Petr Praus 9. Přednáška Elektromagnetická indukce (pokračování) Elektromagnetické kmity a střídavé proudy

Fyzika 6. ročník. přesahy, vazby, mezipředmětové vztahy průřezová témata. témata / učivo. očekávané výstupy RVP. očekávané výstupy ŠVP

Netlumené kmitání tělesa zavěšeného na pružině

8.6 Dynamika kmitavého pohybu, pružinový oscilátor

MECHANICKÉ KMITÁNÍ A VLNĚNÍ VLASTNÍ KMITÁNÍ MECHANICKÉHO OSCILÁTORU

Laboratorní cvičení z fyziky Mechanický oscilátor

1.8. Mechanické vlnění

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 10: Lineární harmonický oscilátor. Pohlovo torzní kyvadlo. Abstrakt

BIOMECHANIKA KINEMATIKA

Digitální učební materiál

pracovní list studenta

Tlumené kmitání tělesa zavěšeného na pružině

Název: Studium kmitů hudebních nástrojů, barva zvuku

Přehled veličin elektrických obvodů

FYZIKA. Netradiční experimenty

MODIFIKOVANÝ KLIKOVÝ MECHANISMUS

Název: Studium kmitů na pružině

1 Modelování systémů 2. řádu

Systém vykonávající tlumené kmity lze popsat obyčejnou lineární diferenciální rovnice 2. řadu s nulovou pravou stranou:

VY_52_INOVACE_2NOV42. Autor: Mgr. Jakub Novák. Datum: Ročník: 8.

Rovnice rovnováhy: ++ =0 x : =0 y : =0 =0,83

3.1.3 Rychlost a zrychlení harmonického pohybu

Spolupracovník/ci: Téma: Měření setrvačné hmotnosti Úkoly:

TÍHOVÉ ZRYCHLENÍ TEORETICKÝ ÚVOD. 9, m s.

Fyzika - Sexta, 2. ročník

Harmonický pohyb tělesa na pružině

Experimenty s USB teplom rem Vernier Go!Temp a se sonarem Vernier Go!Motion

Theory Česky (Czech Republic)

Kinematika Trajektorie pohybu, charakteristiky pohybu Mirek Kubera

pracovní list studenta

BIOMECHANIKA. Studijní program, obor: Tělesná výchovy a sport Vyučující: PhDr. Martin Škopek, Ph.D.

pracovní list studenta

Reálné experimenty ve výuce matematiky

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium Studijní program Fyzika obor Učitelství fyziky matematiky pro střední školy

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Pavel Ševeček stud. skup.: F/F1X/11 dne:

Graf závislosti dráhy s na počtu kyvů n 2 pro h = 0,2 m. Graf závislosti dráhy s na počtu kyvů n 2 pro h = 0,3 m

KINEMATIKA HMOTNÉHO BODU. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Mechanika - 1. ročník

Experimentální realizace Buquoyovy úlohy

Tíhové zrychlení na několik žákovských způsobů

ÚLOHA Závaží pružin kmitá harmonicky amplituda = 2 cm, doba kmitu = 0,5 s. = 0 s rovnovážnou polohou vzh ru. Úkoly l :

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze. Úloha č. 10 : Harmonické oscilace, Pohlovo torzní kyvadlo

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/ Vlnění

Laboratorní úloha č. 3 Spřažená kyvadla. Max Šauer

Derivace goniometrických funkcí

Vybrané experimenty v rotujících soustavách

Transkript:

Mechanické kmitání Vojtěch Beneš Výstup RVP: Klíčová slova: žák užívá základní kinematické vztahy při řešení problémů a úloh o pohybech mechanické kmitání, kinematika, harmonický oscilátor Sexta Příprava na hodinu Doba na přípravu: 5 min Doba na provedení: 25 min Obtížnost: střední Úkol Pomůcky Vypracování V reálném čase prozkoumejte časové závislosti, rychlosti a zrychlení pro netlumený a tlumený volný mechanický oscilátor. 1) Zaznamenejte polohu, rychlost a zrychlení závaží svisle kmitajícího na pružině. 2) Z grafů určete základní charakteristiky pohybu. 3) Porovnejte kmitání závaží o různých hmotnostech. 4) Porovnejte tlumený a netlumený oscilátor. Stojan, svorka, tyčka, pružina s nepříliš velkou tuhostí, závaží 50 g, 100 g, 200 g, sonar Go!Motion, počítač s programem Logger Pro, karton 20 x 20 cm Ke stojanu svorkou připevněte vodorovnou tyčku, na niž zavěste pružinu. Na konec pružiny připevněte závaží. Pod závaží umístěte sonar (přepínač v poloze vozíček ) a ten zapojte do USB portu počítače. Je třeba, aby bylo závaží v každém okamžiku pohybu minimálně 15 cm nad mřížkou sonaru. V programu Logger Pro v menu Experimenty Sběr dat nastavte dobu měření 10 s, ostatní parametry ponechte (viz níže). Uveďte oscilátor do pohybu a měření zahajte kliknutím na. 123

Výsledky Hmotnost 50 g, bez kartonu Kmitání volné netlumené Proložení se provede v menu Analýza Proložit křivku..., po výběru sinusoidy kliknout na Aproximovat. Pokud proložení křivky sedí, potvrdit. 124

Interpretace Graf závislosti na čase Grafem je sinusoida y(t) = y m.sin(ωt + φ 0 ) + D A je maximální výchylka (amplituda) v metrech, A = y m = 4,76 cm B je rovno úhlové frekvenci v rad/s, ω = 2πf = 2π/T = 7,038 rad/s C je počáteční fáze v radiánech (zde mezi 0 a 2π), φ 0 = 1,56 rad D je výška rovnovážné nad sonarem, D = 40,7 cm Graf závislosti rychlosti na čase Grafem je sinusoida v(t) = v m.sin(ωt + φ 1 ) A je amplituda rychlosti, čili maximální rychlost, je možno číselně ověřit vztah v m = ω y m = 7,038. 0,0476 = 0,335 m/s. Rozdíl oproti hodnotě 0,313 m/s je dán numerickou derivací. B je úhlová frekvence totožná s předchozím grafem C je počáteční fáze = + π φ φ 3,15 rad 2 = 1 0 D je nula (rychlost kmitá kolem nuly) m Graf zrychlení zobrazíme T = 2 příkazem π. k menu Vložit Graf. Automatické uspořádání oken lze provést klávesovou zkratkou CTRL + R. Fázový posuv rychlosti a zrychlení vůči grafu V těchto třech grafech studenti názorně vidí, že když je výchylka maximální, je rychlost nulová a zrychlení dosahuje maximální velikosti. Naopak když je výchylka z rovnovážné nulová, je rychlost maximální a zrychlení v tento okamžik rovněž nulové. Vyjádřeno řečí matematiky, cosinus má maximum právě tehdy, když sinus je nula, a naopak. 125

Význam derivace Závislost periody na hmotnosti Pro pokročilejší studenty (4. ročník) je možné názorně vysvětlit význam derivace. Derivace je mírou změny dané veličiny, říká, jak moc se daná veličina mění. Klesá-li poloha, její derivace (rychlost) je záporná. V okamžiku, kdy poloha nabývá = + π φ maxima 3,15 (minima), rad 2 = 1 φ 0 je její derivace nula. V intervalu, kde poloha roste, je derivace kladná (podobně pro zrychlení). m Teoreticky lze odvodit T = 2π., kde m je hmotnost závaží a k je tuhost pružiny. k Zvětšíme-li hmotnost čtyřikrát, stoupne perioda dvakrát. Následující graf je možno obdržet postupným přidáváním měření: naměřit kmity se závažím 50 g, v menu Experiment kliknout na Uchovat poslední měření a totéž provést pro 100 g a 200 g. Graf závislosti na čase 0,6 50g (m) 100 g (m) 200 g (m) 0,5 0,4 0,3 0,2 0 1 2 3 4 (0,609, 0,5205) Čas (s) Perioda při 200 g není přesně dvakrát větší než u 50 g, protože ke hmotnosti oscilátoru přispívá i pružina. 126

Tlumené kmity K pozorování tlumených kmitů připevníme k závaží 50 g karton o rozměrech 20 x 20 cm. Graf závislosti na čase Vzdálenost (m) 0,4 0,3 0,2 Automaticky proložit křivku pro: Poslední měření I Vzdálenost x = A*sin(B*t+C)exp(E*t)+D A: -0,1374 +/-0,001186 B: -4,890 +/-0,002264 C: -331,4 +/-0,008536 E: 0,1442+/-0,0023 D: 0,2680+/-0,0003027 RMSE: 0,004262 m 0,1 0,0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Čas (s) Pokročilé zpracování Není-li tlumení příliš velké, vykonává oscilátor opět sinusové kmity, jejichž amplituda se s časem snižuje. V tomto případě není odporová síla vzduchu zanedbatelná. Protože směřuje vždy proti směru pohybu, koná zápornou práci. S poklesem amplitudy se snižuje i mechanická energie oscilátoru mechanická energie se přeměňuje na vnitřní energii (oscilátoru a vzduchu). Vhodné jen pro matematicky zdatné (4. ročník SŠ nebo 1. ročník VŠ). V Logger Pro je možné definovat vlastní funkci, kterou chcete prokládat danou křivku (menu Analýza Proložit křivku...). Zkusil jsem exponenciálně tlumenou sinusoidu s 5 parametry f(t) = A.exp(-E.t).sin(B.t + C) + D K mému příjemnému překvapení to program zvládl a prokázal, že modelování tlumení členem úměrným rychlosti daným experimentálním podmínkám odpovídá. 127