ogarniam.edu.pl
Klasa
Zacznij naukę →Zacznij →

ogarniam.edu.pl · Fizyka · Drgania i termodynamika (rozszerzenie)klasa 3 LO · fiszki i quiz: ogarniam.edu.pl/lo/3/fizyka/sprezyna-wahadlo-energia-i-rezonans/

Fizyka · Drgania i termodynamika (rozszerzenie) · kl. 3 · zakres rozszerzony

Sprężyna, wahadło, energia i rezonans

Od czego zależy okres ciężarka na sprężynie i wahadła, jak zmienia się energia drgań i dlaczego huśtawkę trzeba pchać we właściwym rytmie.

ok. 4 min czytania8 fiszek8 pytań w quizie🔊 Posłuchaj notatki

1Okres drgań

  • Oznaczenia: T — okres [s]; ω — częstość kołowa [rad/s]; m — masa [kg]; k — współczynnik sprężystości [N/m]; l — długość wahadła [m]; g — przyspieszenie ziemskie, g ≈ 9,81 m/s².
Zapamiętaj

Ciężarek na sprężynie: ω = pierwiastek z k przez m, czyli T = 2π · pierwiastek z m przez k. Wahadło matematyczne (małe wychylenia): T = 2π · pierwiastek z l przez g.

  • Większa masa na sprężynie to dłuższy okres, a sztywniejsza sprężyna (większe k) – krótszy. Okres wahadła zależy od długości i g, ale nie od masy ani (przy małych wychyleniach) od amplitudy.
αmlT = 2π · √(l / g)
Wahadło matematyczne: dla małych wychyleń okres nie zależy od masy ani od amplitudy
  • Przykład 1. Dane: k = 100 N/m, m = 0,25 kg. Obliczenia: T = 2π · pierwiastek z 0,25 przez 100 s = 2π · 0,05 s ≈ 0,31 s. Odpowiedź: T ≈ 0,31 s.
  • Przykład 2. Dane: l = 1,0 m, g = 9,81 m/s². Obliczenia: T = 2π · pierwiastek z 1,0 przez 9,81 s ≈ 2,0 s. Odpowiedź: T ≈ 2,0 s.

2Energia

  • Bez oporów energia całkowita jest stała: E = 1 przez 2 · k · A² = 1 przez 2 · m · v² + 1 przez 2 · k · x² (A — amplituda [m], x — wychylenie [m], v — szybkość [m/s]).
xenergiaE = const−AA0EpEk
Energia potencjalna sprężystości i kinetyczna w zależności od wychylenia; ich suma jest stała
  • Przykład 3. Dane: k = 100 N/m, A = 0,04 m, m = 0,25 kg. Obliczenia: E = 0,5 · 100 · 0,04² J = 0,08 J; vmax = pierwiastek z 2E przez m = pierwiastek z 0,16 przez 0,25 m/s = 0,8 m/s. Odpowiedź: E = 0,08 J, vmax = 0,8 m/s (to samo daje vmax = Aω = 0,04 · 20 m/s).
Sprawdź, czy rozumiesz

Okres wahadła matematycznego (małe wychylenia) to

3Rezonans i doświadczenie

  • Rezonans: amplituda drgań wymuszonych silnie rośnie, gdy częstotliwość siły wymuszającej zbliża się do częstotliwości drgań własnych układu (huśtawka, kieliszek, most).
  • Wyznaczanie g wahadłem: zmierz l, a okres wyznacz z czasu wielu drgań. Wtedy g = 4π² · l przez T². Przy l = 0,80 m i 10 drganiach w 17,9 s: T = 1,79 s, g ≈ 9,86 m/s². Sprawdź też, że T nie zależy od amplitudy, i zbadaj T dla kilku długości l.
Uwaga na błąd

Mierzenie czasu jednego drgania. Czas reakcji (ok. 0,2 s) to wtedy ok. 10% okresu; przy pomiarze 10 drgań błąd okresu spada do ok. 1%.

✎Ściąga: Sprężyna, wahadło, energia i rezonans

Najważniejsze w pigułce – przeczytaj tuż przed kartkówką lub sprawdzianem.

  • Ciężarek na sprężynie: ω = pierwiastek z k przez m, czyli T = 2π · pierwiastek z m przez k. Wahadło matematyczne (małe wychylenia): T = 2π · pierwiastek z l przez g.
  • Oznaczenia: T — okres [s]; ω — częstość kołowa [rad/s]; m — masa [kg]; k — współczynnik sprężystości [N/m]; l — długość wahadła [m]; g — przyspieszenie ziemskie, g ≈ 9,81 m/s².
  • Przykład 1. Dane: k = 100 N/m, m = 0,25 kg. Obliczenia: T = 2π · pierwiastek z 0,25 przez 100 s = 2π · 0,05 s ≈ 0,31 s. Odpowiedź: T ≈ 0,31 s.
  • Przykład 2. Dane: l = 1,0 m, g = 9,81 m/s². Obliczenia: T = 2π · pierwiastek z 1,0 przez 9,81 s ≈ 2,0 s. Odpowiedź: T ≈ 2,0 s.
  • Przykład 3. Dane: k = 100 N/m, A = 0,04 m, m = 0,25 kg. Obliczenia: E = 0,5 · 100 · 0,04² J = 0,08 J; vmax = pierwiastek z 2E przez m = pierwiastek z 0,16 przez 0,25 m/s = 0,8 m/s. Odpowiedź: E = 0,08 J, vmax = 0,8 m/s (to samo daje vmax = Aω = 0,04 · 20 m/s).
  • Rezonans: amplituda drgań wymuszonych silnie rośnie, gdy częstotliwość siły wymuszającej zbliża się do częstotliwości drgań własnych układu (huśtawka, kieliszek, most).
  • Wyznaczanie g wahadłem: zmierz l, a okres wyznacz z czasu wielu drgań. Wtedy g = 4π² · l przez T². Przy l = 0,80 m i 10 drganiach w 17,9 s: T = 1,79 s, g ≈ 9,86 m/s². Sprawdź też, że T nie zależy od amplitudy, i zbadaj T dla kilku długości l.

?Quiz: powtórz przed kartkówką

8 pytań w stylu kartkówki i sprawdzianu. Odpowiedz w myślach, potem sprawdź odpowiedź. Rozwiąż quiz z wynikiem – każda odpowiedź ma wyjaśnienie.

  1. Okres ciężarka o masie m na sprężynie o współczynniku k wynosi

    1. A2π·m/k
    2. B√(m/k)
    3. C2π√(m/k)
    4. D2π√(k/m)
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź C: 2π√(m/k) – T rośnie z masą i maleje ze wzrostem sztywności sprężyny.

  2. Okres wahadła matematycznego (małe wychylenia) to

    1. A2π√(l/g)
    2. B2π√(g/l)
    3. C2π·l/g
    4. D2π√(m/l)
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź A: 2π√(l/g) – Zależy od długości i g, nie od masy.

  3. Sprężyna k = 100 N/m, ciężarek m = 0,25 kg. Okres drgań wynosi ok.

    1. A3,1 s
    2. B0,16 s
    3. C0,31 s
    4. D0,05 s
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź C: 0,31 s – T = 2π·√(0,25/100) s = 2π·0,05 s ≈ 0,31 s.

  4. Długość wahadła zwiększono 4 razy. Okres

    1. Awzrośnie 4 razy
    2. Bzmaleje 2 razy
    3. Cwzrośnie 2 razy
    4. Dnie zmieni się
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź C: wzrośnie 2 razy – T ∼ √l, a √4 = 2.

  5. Masę ciężarka wahadła matematycznego zwiększono 4 razy. Okres

    1. Awzrośnie 4 razy
    2. Bwzrośnie 2 razy
    3. Cnie zmieni się
    4. Dzmaleje 2 razy
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź C: nie zmieni się – Okres wahadła nie zależy od masy (inaczej niż ciężarka na sprężynie).

  6. Ciężarek na sprężynie o k = 100 N/m drga z amplitudą 0,04 m. Energia drgań wynosi

    1. A4 J
    2. B2 J
    3. C0,08 J
    4. D0,16 J
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź C: 0,08 J – E = ½kA² = 0,5 · 100 · 0,0016 J = 0,08 J.

  7. Co to jest rezonans mechaniczny?

    1. AZanikanie drgań wskutek oporów
    2. BDrgania bez siły wymuszającej
    3. CWzrost okresu przy dużej amplitudzie
    4. DSilny wzrost amplitudy, gdy częstotliwość wymuszająca jest bliska częstotliwości własnej
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź D: Silny wzrost amplitudy, gdy częstotliwość wymuszająca jest bliska częstotliwości własnej – Układ najskuteczniej pobiera wtedy energię z wymuszenia.

  8. 10 drgań wahadła o długości 0,80 m trwało 17,9 s. Wyznaczone g wynosi ok.

    1. A9,86 m/s²
    2. B4,9 m/s²
    3. C0,099 m/s²
    4. D2,8 m/s²
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź A: 9,86 m/s² – T = 1,79 s, g = 4π²·0,80/1,79² ≈ 9,86 m/s².

Cały dział „Drgania i termodynamika (rozszerzenie)”: ściąga i próbny sprawdzian →

Kartkówka albo sprawdzian już blisko?

Rozwiąż quiz z wynikiem i powtórz materiał na fiszkach. Każda odpowiedź ma wyjaśnienie, a postęp zapisuje się bez zakładania konta.

Więcej: Fizyka, klasa 3

Ładunek elektryczny i pole elektryczneKondensator – magazyn energii polaPrawo CoulombaNatężenie pola elektrycznegoEnergia potencjalna, potencjał i napięciePrzewodnik w polu i kondensator płaskiNatężenie, napięcie i prawo OhmaOpór przewodnika i charakterystyki I(U)I prawo Kirchhoffa i napięcia ogniwOpór zastępczy i II prawo KirchhoffaSEM i opór wewnętrzny ogniwaMoc, energia i dane znamionoweCiepło Joule’a–LenzaDioda i instalacja domowaMagnesy i linie pola magnetycznegoIndukcja magnetycznaSiła magnetyczna na ładunek i przewodnik z prądemSiła Lorentza i siła elektrodynamicznaTor cząstki, silnik i przewody równoległeFerromagnetyki i pole magnetyczne ZiemiIndukcja elektromagnetyczna i prądnicaStrumień, SEM indukcji i reguła LenzaPrąd przemiennyWartości skuteczne napięcia i natężeniaTransformator i przesył energiiFale elektromagnetyczne i widmoNatężenie faliDyfrakcja i interferencja na szczelinachSiatka dyfrakcyjnaEfekt Dopplera – wzórZałamanie światła i kąt granicznySoczewki cienkie i obrazyPolaryzacja, prawo Malusa i laserFoton, widma i poziomy energii atomuZjawisko fotoelektryczne i jonizacjaIzotopy i promieniowanie jądroweCzas połowicznego rozpaduDeficyt masy i energia wiązaniaRozszczepienie, synteza i energia gwiazdPromieniowanie jonizujące a organizmFizyka współczesna – treści fakultatywneDoświadczenia z klasy III i opis wynikuDoświadczenia R, model i uzasadnienieRuch harmoniczny – wychylenie, prędkość, przyspieszenieBilans cieplny i przemiany fazoweGaz doskonały – równanie Clapeyrona i przemianyModel kinetyczny gazu i ciepło moloweSilniki cieplne i II zasada termodynamiki