Rezgő testek. 48 C A biciklitől a világűrig

Hasonló dokumentumok
Rezgőmozgás, lengőmozgás

Rezgőmozgás. A mechanikai rezgések vizsgálata, jellemzői és dinamikai feltétele

Mechanikai rezgések Ismétlő kérdések és feladatok Kérdések

Rezgés tesztek. 8. Egy rugó által létrehozott harmonikus rezgés esetén melyik állítás nem igaz?

Gépészmérnöki alapszak, Mérnöki fizika ZH, október 10.. CHFMAX. Feladatok (maximum 3x6 pont=18 pont)

A mérés célkitűzései: A matematikai inga lengésidejének kísérleti vizsgálata, a nehézségi gyorsulás meghatározása.

KÖRMOZGÁS, REZGŐMOZGÁS, FORGÓMOZGÁS

Mechanika I-II. Példatár

Rezgések és hullámok

Méréstechnika. Rezgésmérés. Készítette: Ángyán Béla. Iszak Gábor. Seidl Áron. Veszprém. [Ide írhatja a szöveget] oldal 1

Mit nevezünk nehézségi erőnek?

1. Feladatok merev testek fizikájának tárgyköréből

Inga. Szőke Kálmán Benjamin SZKRADT.ELTE május 18. A jegyzőkönyv célja a matematikai és fizikai inga szimulációja volt.

W = F s A munka származtatott, előjeles skalármennyiség.

Rezgőmozgás, lengőmozgás, hullámmozgás

PÉLDÁK ERŐTÖRVÉNYEKRE

rnök k informatikusoknak 1. FBNxE-1 Klasszikus mechanika

11.3. Az Achilles- ín egy olyan rugónak tekinthető, amelynek rugóállandója N/m. Mekkora erő szükséges az ín 2 mm- rel történő megnyújtásához?

Gépészmérnöki alapszak Mérnöki fizika ZH NÉV: október 18. Neptun kód:...

2. REZGÉSEK Harmonikus rezgések: 2.2. Csillapított rezgések

Az inga mozgásának matematikai modellezése

Mechanika, dinamika. p = m = F t vagy. m t

Osztályozó, javító vizsga 9. évfolyam gimnázium. Írásbeli vizsgarész ELSŐ RÉSZ

Fizika. Fizika. Nyitray Gergely (PhD) PTE PMMIK február 13.

Irányításelmélet és technika I.

Mérést végezte: Varga Bonbien. Állvány melyen plexi lapok vannak rögzítve. digitális Stopper

DIONYSIS KONSTANTINOU ANDREAS MEIER ZBIGNIEW TRZMIEL MARADJON A LEVEGŐBEN

Tömegmérés stopperrel és mérőszalaggal

FIZIKA I. RÉSZLETES VIZSGAKÖVETELMÉNYEK

Munka, energia Munkatétel, a mechanikai energia megmaradása

2. MECHANIKA 2. MECHANIKA / 1. ω +x

3. Az alábbi adatsor egy rugó hosszát ábrázolja a rá ható húzóerő függvényében:

Lendület. Lendület (impulzus): A test tömegének és sebességének szorzata. vektormennyiség: iránya a sebesség vektor iránya.

Gyakorló feladatok Feladatok, merev test dinamikája

28. Nagy László Fizikaverseny Szalézi Szent Ferenc Gimnázium, Kazincbarcika február 28. március osztály

Komplex természettudomány 3.

Ha műszereinkkel apró részleteket is érzékelni tudunk, akkor nagy dolgokat láthatunk meg

1. Feladatok a dinamika tárgyköréből

2.4. Coulomb-súrlódással (száraz súrlódással) csillapított szabad rezgések

1. MECHANIKA Periodikus mozgások: körmozgás, rezgések, lengések

Felvételi, 2017 július -Alapképzés, fizika vizsga-

Diagnosztika Rezgéstani alapok. A szinusz függvény. 3π 2

A +Q töltés egy L hosszúságú egyenes szakasz mentén oszlik el egyenletesen (ld ábra ábra

Kifejtendő kérdések december 11. Gyakorló feladatok

Lineáris erőtörvény vizsgálata és rugóállandó meghatározása

Nehézségi gyorsulás mérése megfordítható ingával

Tárgymutató. dinamika, 5 dinamikai rendszer, 4 végtelen sok állapotú, dinamikai törvény, 5 dinamikai törvények, 12 divergencia,

2. MECHANIKA Periodikus mozgások: körmozgás, rezgések, lengések

1. ábra. 24B-19 feladat

1. Feladatok munkavégzés és konzervatív erőterek tárgyköréből. Munkatétel

Rezgőmozgás, lengőmozgás, hullámmozgás

1. Az egyenes vonalú egyenletes mozgás kísérleti vizsgálata és jellemzői. 2. A gyorsulás

Az elméleti mechanika alapjai

Dinamika. p = mυ = F t vagy. = t

Rezgés, Hullámok. Rezgés, oszcilláció. Harmonikus rezgő mozgás jellemzői

Rezgőmozgások. Horváth András SZE, Fizika és Kémia Tsz szeptember 29.

Speciális mozgásfajták

A 2014/2015. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny döntő forduló FIZIKA II. KATEGÓRIA MEGOLDÁSI ÚTMUTATÓ

Csillapított rezgés. a fékező erő miatt a mozgás energiája (mechanikai energia) disszipálódik. kváziperiódikus mozgás

Emelt szintű fizika érettségi kísérletei

1. Egyensúlyi pont, stabilitás

ÁLTALÁNOS JÁRMŰGÉPTAN

Mechanikai rezgések = 1 (1)

Drótos G.: Fejezetek az elméleti mechanikából 4. rész 1

Galilei lejtő golyóval (golyó, ejtő-csatorna) stopperóra, mérőszalag vagy vonalzó (abban az esetben, ha a lejtő nincsen centiméterskálával ellátva),

Egyenes vonalú egyenletes mozgás vizsgálata

Harmonikus rezgőmozgás

Az alábbi fogalmak és törvények jelentését/értelmezését/matematikai alakját (megfelelő mélységben) ismerni kell: Newtoni mechanika

Tanári mydaq pályázat

1. Súlymérés. Eszközjegyzék: Mikola-cső mm beosztással digitális mérleg ékek A/4 lapok ismeretlen súlyú test (kő) Mikola-cső.

Newton törvények és a gravitációs kölcsönhatás (Vázlat)

. T É M A K Ö R Ö K É S K Í S É R L E T E K

a) Valódi tekercs b) Kondenzátor c) Ohmos ellenállás d) RLC vegyes kapcsolása

Periódikus mozgások Az olyan mozgást, amelyben a test ugyanazt a mozgásszakaszt folyamatosan ismételi, periodikus mozgásnak

Az emelt szintű fizika szóbeli vizsga méréseihez használható eszközök

A FIZIKA KÖZÉPSZINTŰ SZÓBELI VIZSGA TÉMAKÖREI június

Előszó.. Bevezetés. 1. A fizikai megismerés alapjai Tér is idő. Hosszúság- és időmérés.

3. Fékezett ingamozgás

Differenciálegyenletek

A lendületmegmaradás vizsgálata ütközı kiskocsikkal PIC idıméréssel fotokapukkal

Tudnivalók. Dr. Horváth András. 0.1-es változat. Kedves Hallgató!

Elméleti kérdések 11. osztály érettségire el ı készít ı csoport

Fizika. Tanmenet. 7. osztály. 1. félév: 1 óra 2. félév: 2 óra. A OFI javaslata alapján összeállította az NT számú tankönyvhöz:: Látta: ...

Oktatási Hivatal FIZIKA I. KATEGÓRIA. A 2016/2017. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny döntő forduló FELADATOK

, és tömege m 400g. . A bot B végét egy surlódás nélküli csuklóhoz rögzitve, Mihai azt észleli, hogy ha F 3N

Felvételi, 2018 szeptember - Alapképzés, fizika vizsga -

Modern Fizika Labor. 2. Elemi töltés meghatározása

3. Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

Osztályozó vizsga anyagok. Fizika

Egy módszertani lehetőség a matematika, fizika és informatika oktatásának határterületéről

Jegyzőkönyv. hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálatáról (3)

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

Érettségi témakörök fizikából őszi vizsgaidőszak

MEMS eszközök redukált rendű modellezése a Smart Systems Integration mesterképzésben Dr. Ender Ferenc

Q 1 D Q 2 (D x) 2 (1.1)

Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

TANMENET Fizika 7. évfolyam

1. MECHANIKA. Periodikus mozgások: körmozgás, rezgések, lengések

Hatvani István fizikaverseny Döntő. 1. kategória

Rezgőmozgás, lengőmozgás, hullámmozgás

Átírás:

48 C A biciklitől a világűrig Anjuli Ahooja Corina Toma Damjan Štrus Dionysis Konstantinou Maria Dobkowska Miroslaw Los Učenca: Nandor Licker és Jagoda Bednarek C Rezgő testek

A biciklitől a Length világűrig of the CDay49 BEVEZETÉS Rezgő tárgyak vesznek körül bennünket. Minden egyes hangot rezgő forrás képez. A rezgés tanulmányozása nem a legkönnyebb dolog, de leegyszerűsítettük a rugó és az inga mozgására. Ez az anyagrész 14 16 éves (első szint), illetve 17 19 éves (második szint) diákoknak ajánlott. Az alkalmazott tantárgyak a következők:fizika, matematika, illetve információs és kommunikációs technológia. Első szint A diákok felfüggesztenek egy ingát vagy egy rugót, és rezgésbe hozzák. Megfigyelik az egyszerű mozgást és rögzítik videókamerával vagy egy mobiltelefon kamerájával. Tracker vagy VirtualDub használatával (lásd a függelékben) elemzik a videót kockáról kockára a mozgás jellemzőinek (elmozdulás-idő függvény meghatározásához. A videók és a grafikus elemzés segítségével a diákok meg tudják határozni egy inga rezgésszámát, periódusidejét, amplitúdóját, a rugóállandót vagy a nehézségi gyorsulás értékét. Második szint A: Ezek a diákok ugyanazokat a lépéseket végzik, mint a fiatalabbak, de részletesebben elemzik a grafikont. A videó és a grafikus elemzés segítségével a diákok megfigyelik a rugóút fázisváltásait és képesek megtalálni az alábbi mennyiségeket: rezgésszám, periódusidő, amplitúdó, sebesség, gyorsulás, valamint ezek időbeli függését. Megvizsgálják továbbá a mechanikai energiák megmaradásának törvényét. B: A diákok rákapcsolnak egy gyorsulásmérőt a rezgő testre. Feljegyzik a gyorsulási értékeket, amiből aztán ki tudják számítani az időtartamot, a gyorsulást, az amplitúdót, a rugóutat, valamint a mozgási és helyzeti energiákat. Ezután grafikonokat szerkesztenek, és a következő módszerek használatával megvizsgálják ugyanannak a mozgásnak a paramétereit: differenciálszámítással (rugóút sebesség gyorsulás) és integrálszámítással (gyorsulás sebesség rugóút). FORRÁSOK Az anyagrésszel folytatandómunkához a diákoknak a következőkre van szükségük: digitális videókamera, webkamera vagy mobiltelefon kamera; egy vonalzó vagy valamilyen más mérőeszköz (amit a rezgő test közelében kell elhelyezni úgy, hogy a videón is látható legyen); különböző rugók és a rájuk akasztható 3 4 különböző tömegű tárgy; 3 4 különböző hosszúságú inga, egy számítógép vagy laptop; videóelemző szoftver, például Tracker vagy VirtualDub; az Osc Java alkamazás, amely a www. science-on-stage.de oldalon érhető el. el. ALAPOK A legegyszerűbb mechanikai rezgő rendszerek egy rugóra vagy egy kis kitérésű ingára felfüggesztett m tömegű testből állnak. Az m tömegű test tehetetlensége az eszközt kibillenti az egyensúlyából. Newton rezgő testre vonatkozó második törvényét alkalmazva megkapjuk a rendszer mozgásegyenletét. A diákok ismételjék át a különböző fizikai mennyiségek kiszámításhoz szükséges képleteket. Első szint Ezen a szinten a diákoknak az alábbi fizikai mennyiségeket érdemes átismételniük: Rezgésidő: Lengésidő: a nehézségi gyorsulás, ahol m a rezgő test tömege, ahol l az inga hossza, g pedig Második szint A diákoknak a következő fizikai mennyiségeket kell átismételniük: Rugóerő: F=kx, ahol k a rugóállandó, x a rezgő test elmozdulása Periódusidő: rugó esetében test tömegét fejezi ki; inga esetében, ahol m a rezgő az az inga hossza, g pedig a nehézségi gyorsulás, ahol Az egyszerű harmonikus mozgású rezgő test kitérése: x = A sin (ωt + φ), ahol A az amplitúdó, ω a körfrekvencia és φ a fázisállandó Csillapított rezgésben levő test kitérése: x = Ae (b/2 m)t cos (ωt+ф) z közegellenállás együttható A rezgő test sebessége: v = ω A cos (ωt + φ) A rezgő test gyorsulása: a = -ω 2 A sin (ωt + φ), ahol b a

50 C A biciklitől a világűrig ¹ º Kapcsoljunk egy gyorsulásmérőt a rezgő testre, és mentsük el az adatokat (csak a második szint esetében) A kiválasztott paraméterek megváltoztatásával derítsük ki, hogy miként befolyásolják azok a mért adatokat Elemzés 1. A Tracker szoftver használatának megkezdéséhez a tanulóknak először importálniuk kell a videóklipet és kiválasztaniuk az elemezni kívánt részt. A teljes mechanikai energia a mozgási és a helyzeti energia összegénkt írható le: rugóra: ingára: Kísérlet az első és a második szint részére Függesszünk fel egy rugót vagy egy ingát, amelynek aljára egy testet rögzítettünk. Helyezzünk egy vonalzót a megfelelő helyre a kitérés méréséhez ¹ Jegyezzük fel a tömeget (a rugós kísérlet esetében), illetve a hosszúságot (az inga esetében) º Állítsuk be a webkamerát a rugó/inga felé úgy, hogy az rögzíteni tudja a teljes beállítást Engedjük el a testet és várjuk meg, amíg a lengésből visszatér a középső helyzetbe Mentsük el a videót Egy stopperórával mérjük a periódusidőt vagy olvassuk le a rögzített felvételről A program feldolgozza a megfigyelt test helyzetéről szóló információkat az idő függvényében. Ezeket alapul véve a program grafikonokat szerkeszt a különböző mennyiségek időfüggvényével: vízszintes és függőleges pozíció, ebben a két dimenzióban meglévő sebesség, aktuális sebesség, gyorsulás, mechanikai energia (mozgási és helyzeti). Ha a diákok tanulmányozni és elemezni kívánják eltéréseiket, a program lehetőséget ad új fizikai mennyiségek meghatározására. 2. Tracker vagy VirtualDub segítségével a diákok megfigyelhetik a rugós rezgés és az ingamozgás közös kitérési jellemzőit. A 4 7-es ábrák a VirtualDub szoftverével készült gyorsított (time-lapse) felvételeket mutatnak. A képeket összehasonlítva hasonló jellemzőket fedezhetünk fel a rugó rezgése és az inga mozgása között. Rugó rezgések (kockáról kockára) ¼ Inga rezgések (kockáról kockára)» Inga (kockáról kockára) ½» ¼ ½

A biciklitől a Length világűrig of the CDay51 ¾ A kísérleti és szimulációs adatok összehasonlítása Osc szoftverrel készített diagram 3. A rugó vagy inga egyszerű harmonikus rezgőmozgásának tanulmányozásához használhatunk gyorsulásmérőt, valamint rögzíthetjük a rezgő test gyorsulását. Az adatok feldolgozását a diákok ezt követően az Osc szoftver felhasználásával végezhetik el, amely a www. science-on-stage.de oldalon található meg. A szoftver négyféle grafikont bocsát rendelkezésre: a gyorsulás, a sebesség, az elmozdulás és az összes energia (mozgási és helyzeti) időfüggvényét. Miután a diákok importálják az adatokat, meg kell rajzolniuk az a = f(t) grafikont. Ez alapján meg tudják becsülni a mozgás periódusidejét, és ki tudják számolni a rezgő test körfrekvenciáját és elmozdulását. Ezután összevetik a kísérleti adatokat a szoftver adataival. ¾ Összefoglaló kérdések A Tracker, a VirtualDub és az Osc használatával az alábbi főbb feladatokon dolgozhatnak a diákok: Figyeljék meg a rezgések jellemzőit (1. és 2. szint) Állapítsák meg a rezgések jellemzőit (1. és 2. szint) Szerkesszék meg a grafikonokat: T = f(m), ha k állandó és T = f(k), ha a tömeg állandó (2. szinten rugó esetében), illetve T = f(l) (mindkét szinten inga esetében) Figyeljék meg a fázisváltásokat az elmozdulás és sebesség, illetve az elmozdulás és gyorsulás között Igazolják a mechanikai energiamegmaradás törvényét grafikonon ; a fekete görbe jelzi az összes energiát, ami megegyezik a helyzeti energia (kék görbe) és a mozgási energia (zöld görbe) összegével Ellenőrizzék, hogy a helyzeti energia és a mozgási energia változásának időtartama fele a rezgés-időtartamának Igazolják a T = f(m) függvényt k állandóval egy rugó esetében, ha több fájl áll rendelkezésre különböző tömegekre vonatkozó adatokkal, vagy a T = f(k) függvényt azonos tömegű test esetén különböző rugókkal Ellenőrizzék a T = f (l) függvényt egy inga esetében (1. és 2. Szint) Ugyanennek az Osc szoftvernek a használatával (www. science-on-stage.de) a diákok szimulálhatják a csillapított rezgést. À Kiválaszthatják a rezgés paramétereit: a rezgésszámot, az amplitúdót, a fázisállandót és a b/2met is (ahol b a közegellenállási együttható és m a rezgő test tömege) (2.szint). A diákok megfogalmazhatják a véleményüket az alábbiakról: a kitérési értékekről a sebesség vagy a gyorsulás maximumának vagy kezdőpontjának pillanatában, a mozgás időtartama és a mozgási vagy helyzeti energia közti különbségről és végül, de nem utolsó sorban, a mozgás paramétereire ható súrlódásról. À Csillapított rezgés szimulációja az Osc szoftver használatával

52 C A biciklitől a világűrig ó Csillapított rezgéstesztelése egyszerű eszközökkel ô Tracker használatával készített elemzés eredménye A ó ábra azt mutatja, hogyan mutassunk be egy egyszerű kísérletet a csillapított rezgések tesztelésére. A ô ábra a Tracker segítségével készített elemzés eredményét mutatja. A diákok következtetéseket vonhatnak le az alábbiakról: Elmozdulási értékek maximum vagy nulla sebességnél Elmozdulási értékek maximum vagy nulla gyorsulásnál Miért kétszer akkora a mozgási periódus, mint a helyzeti energia vagy a mozgási energia változásának periódusa A súrlódás mozgási paraméterekre gyakorolt hatása KÖVETKEZTETÉS Egy rugó egyszerű mozgását nem olyan könnyű megvizsgálni. Kísérletek elvégzésével és a választott szoftverben valós adatokkal dolgozva a diákok azonban könynyen megértik a rezgő mozgás különböző paramétereinek összefüggéseit, és információs és kommunikációs technológiai ismereteiket is fejlesztik. A megszerzett tudást a későbbiekben más rezgő mozgások vizsgálatánál lesznek képesek használni.