Механикалық толқындарды оқыту әдістемесі

 

Резонанс құбылысымен қай-қайсымыз да жиі ұшырасамыз.

 

Бірақ көбінесе оған мән бермейміз. Мысалы, үйдің тұсынан трамвай, трактор, пойыз, жүк машинасы, т.б. өте шыққан кезде, терезенің әйнегі дірілдеп, шыныаяқтар сылдырлайды. Өйткені сыртқы тербелістер жиілігі үйдегі денелердің меншікті жиілігімен сәйкес келеді де, соның салдарынан резонанс құбылысы пайда болады.

 

Резонанс пайдалы да, зиянды да болуы мүмкін. Пайдалы болған кезде оны арттыруға тырысады. Мысалы, жол құрылысында, үйдің іргетасын құйғанда, құйматасты (бетонды) немесе сусыма нәрселерді тығыздау үшін арнайы вибратор-тығыздағыштар пайдаланылады. Ал зиянды болғанда, резонансты болдырмау үшін әртүрлі шаралар қолданылады. Мысалы, электрқозғалтқыштар, бу және газ турбиналарының табаны іргетасқа бекітілген болса, олардың тербелісі біртұтас еден арқылы машина орналасқан үйге беріледі. Соның салдарынан іргетастың еріксіз тербелістерінің амплитудасы үлкен мәнге жетіп, нәтижесінде үйдің құлауы да мүмкін.

 

Мұндай жағдайларда тербелістердің меншікті жиілігі сыртқы күштің жиілігімен дәл келмейтіндей ету керек.[1]

 

 

 

                    1.6 Электромагниттік тербелістер

 

  Электромагниттік тербелістердің механикалық толқындардан ерекшелігін айтып кеткен жөн.

    Тербелмелі контурда пайда болған электромагниттік тербелістер кезінде конденсатор астарларындағы q заряд және контурдағы і ток күші периодты түрде өзгеріп отырады. Енді математикалық немесе серіппелі маятниктің тербелістерін еске түсірейік. Онда дененің х координатасы мен v жылдамдығы периодты өзгеріске ұшырайды. Бұл екі жағдайдағы периодты өзгерістерге түсетін шамалардың физикалық табиғаты әр түрлі, ал тербелістердің теңдеулері, математикалық тұрғыдан алғанда, бірдей.

   Механикалық тербелістерді  көзбен көре аламыз, яғни табиғатта  кездесетін тербелістер  ал электромагниттік  тербелістеді көре алмаймыз. Оларды  арнайы құрылғылар арқылы көре  аламыз. Электромагниттік тербелістерді  көруге арналған құрылғылар- осциллограф деп аталады. Электромагниттік тербелістерді алу үшін конденсаторды катушка арқылы зарятағанда тербеліс пайда болады.

       Сонымен, конденсатордың разрядталуы кезінде  заряд, ток, кернеу, электр және магнит  өрістері периодты түрде өзгеріп  отырады. Аталған шамалардың периодты  түрде өзгеріп отыруын электромагниттік тербелістер деп атайды.

      Электромагниттік  тербеліс алуға болатын, тізбектей  жалғанған конденсатор мен катушкадан  тұратын тізбек тербелмелі контур деп аталады.

Тербелмелі контурдағы еркін электромагниттік тербелістердің периоды контурдың L индуктивтілігі мен С сыйымдылығы арқылы мына формуламен өрнектеледі: Т=2

    Бұл формуланы 1853ж ағылшын физигі У. Томсон қорытып шығарған болатын. Сол себепті оны Томсон формуласы деп аталалы.

 

                              

                                1.7 Есеп шығару мысалдары

Қазіргі таңда білім беру жүйесін реформалаудың маңызды бағыттары қатарынан білім сапасын көтеру мәселесі жетекші орын алады. Жалпы білім беретін мектептерде білім сапасын арттыру, білім беру мазмұнын жетілдіру, оқыту үрдісін жаңа сапалық денгейге көтеру мұғалімдердің әдістемелік шеберліктерін арттыру сияқты факторлармен байланысты.

 Соңғы жылдарда педагогикалық  процесті ізгілендіру тенденцияларын  күшейуі жаратылыстану пәндерін  оқытуға аса көңіл бөлініп, болашақ  ұрпақтың техникалық білімдерінің  терең болуын талап етіп отыр. Мектептерде арнайы жабдықталған  физикалық лабораториялар, жаңа  буын оқулықтары т.б. оқыту үрдісін  жетілдіруге қажетті оқу-техникалық  және әдістемелік құралдармен  қамтамасыз етуге үлкен қаржы  бөлініп отыр.

 Болашақ ұрпаққа «Тербелістер»  бөлімін тереңінен түсіндіру  еліміздің ғылым мен техниканың  дамуы үшін үлкен маңызға ие. Себебі тербелмелі қозғалыс - табиғат  пен техникадағы ең көп тараған  қозғалыс. Тербеліс кездеспейтін  салаларды айту қиын: ормандағы  ағаштар да, егістіктелі жайқалған  бидай да, музыкалық аспаптардың  шектері, машинаның арқауы, ракете  корпусы, іштен жану двигателінің  поршені де тербелмелі қозғалысқа  түседі. Тербелмелі қозғалыстар  біздің планетамыздың тіршілігінде  жер сілкіну, судың қайтуы мен  тасуы, жүректің сорғуы, дыбыс желбезегінің  дірілі сияқты мысалдарда көруге  болады.

 Тербелістің адам өмірінде  атқаратын маңызы зор. Тербеліс  заңдарын білмей радио, теледидар, қазіргі көптеген құрылғылар  мен машиналарды жасай алмаған  болар едік.

 Дипломдық жұмыста  табиғатта және техникада өте  маңызды болған физиканың «Тербелістер»  бөлімінің теориясын практикада  қолдану, бөлім бойынша физикалық  есептерді шығарудың әдістерін  зерттеу және есеп

1. Есеп. Маятник ұзындығы 98см, жеңіл жіпке ілінген, диаметрі 4см болатын шардан тұрады. Егер маятниктің тербеліс периоды 2с болса, оның еркін түсу үдеуін анықтаңдар.

   Есеп шартын талдау. Есепті шығару үшін маятниктің тербеліс периодының формуласын пайдаланамыз. Бізге маятниктің ұзындығы белгісіз. Ал маятник массасының центрі маятниктің іліну нүктесінен D/2-ге темен орналасқандықтан, маятник ұзындығы l=100 см болады.

Шешуі. Маятниктің тербеліс периодының формуласынан

                            

                       g=

             Есептеу.               g=986см/с2

            Т=2c

             l=100cm

                g-?                                   Жауабы: g=986 см/с2

 

 

 

  2.Есеп. Сыйымдылық мкФ болған кезде 1000Гц жиілік алу үшін тербелмелі       контурға қандай индуктивтілік қосу керек?

 

Шешуі. Контурдағы электромагниттік тербеліс периоды

Томсон формуласы бойынша анықталады.                     

Берілгені:               Т=2            (1)                 

С= 2 мкФ                  Тербеліс жиілігі

*=1000 Гц

L-?                       *=         (2)

                                   Болғандықтан (1) мен (2) өрнектерінен

                                  =      (3)

екені шығады. Осы (3) теңдеуінің екі бөлігін де квадраттап, алатынымыз

              =,

бұдан контурдың индуктивтілігі

            L=    шығады.

   L==12,66=12,66 мГн

3Есеп. Ауа қысымымен істейтін балғаның темір қашауына соққысының тербеліс периоды 0.02c. Тербеліс жиілігі қандай?

Шешуі. Тербелмелі қозғалысының жиілігі формуласымен анықталады

Берілгені:

Т=0.02c                      = =50 Гц                                                                                                        *-?

 

 

 

 

II.Механикалық толқындарды оқыту әдістемесі

 

              

 

     Суға лақтырылған тастың түскен жерінде пайда болады. Тас түскен           жердегі су ығысады да, ол жерде ойыс пайда болады. Ойыс төңірегінде ығысқан су дөңгелек сақина пішінді өркеш түзеді. Бұл өркеш сол мезетте-ақ жан-жағына қарай кеңейе отырып, тастың түскен жерінен алыстай бастайды. Біріншіден кейін екінші, содан соң үшінші, т.с.с. өркештер пайда болады. Өркештер бір-бірінен ойыстармен бөлшеді. Бұл процесс толқындық қозғалыс болып табылады. Мұндағы ең маңызды анықтап алатын жай — судың толқынмен бірге ығыспайтыны. Егер сол толқын бетіне суда қалқып жүретін кез келген денені (қалтқы, ойыншық қайық, тал қабығы, т. б.) тастасақ, онда олардың жағалауға жақындамайтынын, тек сол толқынның еркештеріне келгенде көтеріліп, ойыстарына келгенде төмен түсіп, тербеліп қана тұратынын байқауға болады.

      Серіппенің тербелісі процесінде жіп бөлшегі (түсінуге оңай болу үшін оны біреу деп есептейік) тепе-теңдік күйінен шығып, серіппеге ілінген жүк сияқты жоғары-төмен қарай тербеле астайды. Жіптің осылай деформациялануы кезінде туындайтын серпімділік күші әрекетінен бірінші бөлшектен кейін кезекпен жіптің келесі бөлшектері де тербеле бастайды. Жіптің әрбір бөлшегі сәл кешеуілдеп жоғары-төмен ығысатын болады, яғни "өзінің" тепе-теңдік күйінің айналасында тербеледі. Бұл кешеуілдеу бөлшектердің арасында серпімділік күштерінің пайда болуына қайсыбір уақыт қажет болуынан туындайды. Сондықтан жіптің келесі бөлшектері алдыңғысына қарағанда "кешігіңкірейді".

       Тербелістердің серпімді ортаның бір бөлшегінен екінші бір бөлшегіне таралу процесі механикалық толқын деп аталады.

      Ортаның бөлшегі тербеліс жасауы үшін оған энергия берілуі қажет. Бұл энергия толқын көзінен немесе тербелмелі қозғалысқа түскен көршілес бөлшектен беріледі. Сондықтан серпімді ортада тербелістердің таралуы кезінде энергияның бір бөлшектен екінші бөлшекке берілуі жүзеге асады, бірақ тербелістегі бөлшектер толқынмен тасымалданбайды. Бұдан шығатын қорытынды:

     Толқын тербелістпегі бөлшекттерді тасымалдамайды, тек энергияны ғана тасымалдайды.

    Біз қарастырған мысалдардағы толқындар көлденең толқындар деп аталады, өйткені орта бөлшектері толқынның таралу бағытына перпендикуляр бағытта тербеледі.

     Бөлшектерінің тербелісі толқынның таралу бағытына перпендикуляр бағытта жүзеге асатын толқынды көлденең толқын деп айтады.

     Мұндай толқынды мектептегі толқындық машина көмегімен бақылау өте ыңғайлы, мұнда орта бөлшектерінің рөлін атқаратын кішкене шарлар вертикаль бойымен тербеледі, ал толқын ойыстарымен және өркештерімен кезектесе отырып, горизонталь бойымен ығысады.

     Сондықтан да енді бізге суға лақтырылған тастың түскен жерінен тарайтын толқындар неліктен, мысалы, қалтқыны жағаға қарай итермейтіні де түсінікті болады. Қалтқының қозғалысы да оның астындағы су бөлшектерінің қозғалысы сияқты тек жоғары-төмен қарай секіріп, тербелмелі қозғалысқа түседі.

      Көлденең толқындар бір қабаттың екінші қабатқа қатысты ығысуы кезінде пайда болатын серпімділік күштері әрекетінен ғана туындайды. Мұндай қасиет тек қатты денелерге ғана тән. Сұйықтар мен газдарда олардың аққыштығы салдарынан қабаттардың ығысуы кезінде серпімділік күштері пайда болмайды.

     Алайда біз жоғарыда сұйық бетінде де көлденең толқындар пайда болуы мүмкін екенін қарастырдық. Бірақ олар серпімділік күші әрекетінен емес, ауырлық және беттік керілу күштері әрекетінен туындайды, сондықтан да оларды кейде гравитациялық толқындар деп те атайды. Теңіз толқындары — тек дене бетін қамтитын толқындық қозғалыс мысалдарының бірі. Терендік артқан сайын толқулар тез өше бастайды.

    Толқынның маңызды сипаттамасына толқын ұзындығы жатады. Толқын ұзындығын гректің λ әрпімен белгілейді.

    Толқын ұзындығы — Т периодқа тең уақыт аралығында толқын таралатын арақашықтық. Басқаша айтқанда, толқын ұзындығы деп толқын ішіндегі бірдей қозғалатын және тепе-теңдік күйінен ауытқұлары да бірдей болатын бір-біріне ең жақын жатқан екі нүтктенің арақашықтығын айтамыз.

     Механикалық толқын серпімді ортада таралатындықтан, оның таралу жылдамдығы ортаның қасиетіне байланысты. Толқынның бір ортадан екінші бір ортаға өтуі кезінде оның жылдамдығы өзгереді.

       λ толқын ұзындығының бөлшектердің Т тербеліс периодына қатынасы арқылы анықталатын физикалық шама толқын жылдамдығы деп аталады:

                       ν=λ/Т

    Ал Т тербеліс периоды ν тербеліс жиілігімен Т = 1/ν қатынасы арқылы байланысатындығын еске түсірсек, онда толқын жылдамдығы

                     v=λν

өрнегімен анықталады.

     Көлденең толқындардан басқа толқынның таралу бағытында тербелуі кезінде бойлық толқындар да болады. Бойлық толқындардың пайда болуын бір ұшы тірекке бекітілген серіппенің көмегімен бақылайық. Егер серіппенің бос ұшы жағынан соғатын болсақ, онда серіппе бойымен сиреулер мен шоғырланулардан тұратын толқын жүгіріп өтеді.

     Бөлшектерінің тербелісі толқынның таралуы бойында жүзеге асатын толқынды бойлық толқын деп атайды.

     Бұл толқынды мектептегі толқындық машина көмегімен бақылау өте ыңғайлы. Онда кішкене шарлар горизонталь бойымен тербеледі және толқын да горизонталь бойымен таралады.

     Толқын жылдамдығын жиілікпен және толқын ұзындығымен байланыстыратын көлденең толқынға қатысты формула бойлық толқын үшін де жарамды. Бойлық толқын кез келген газ тәрізді, сұйық, қатты орталарда пайда болып, таралады. Өйткені осы орталардың бәрінде сығылу немесе созылу кезінде көршілес қабаттардың арасында әрекет ететін серпімділік күші пайда болады.

Толқын — ай мен күннің тартылыс күштерінен, желдің әсерінен, атмосфералық қысымның ауытқуларынан, су асты жер сілкіністері мен жанартау атқылауларынан немесе кеме қозғалыстарынан пайда болатын теңіздер мен мұхиттардағы сулы ортаның тербелмелі қозғалысы.

 

Қума толқын

Қума толқын (Бегущая волна) — желі бойымен жүктемеге қарай энергия тасымалдайтын толқын. Фидердің толқындық кедергісі антеннаның кіріс кедергісімен үйлескен жағдайда радиотаратқыш фидерге беретін энергия қума толқын арқылы антеннаға толығымен беріледі.

Қума толқын антеннасы (Антенна бегущей волны) — геометриялық осі бойынша қума толқын таралатын (қабылданатын) антенналар. Мұндай антенналар қатарына "толқындық канал", спиральдық антенна, диэлектрлік антенна, Бевереджа антеннасы, ромбалық антенна, т.б. антенналар жатады. Көбіне барлық толқындағы радиоқабылдағыш құрылғыларда қолданылады.