ΠΕΙΡΑΜΑ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ

ΕΚΦΕ ΠΙΕΡΙΑΣ

http://ekfepierias.blogspot.gr/

ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ

ΠΕΙΡΑΜΑ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ

ΣΚΟΠΟΣ

Με το πείραμα αυτό σκοπός είναι να μπορέσουν οι μαθητές να κατανοήσουν τις έννοιες, όπως: ελεύθερη, εξαναγκασμένη ταλάντωση, ιδιοσυχνότητα, ιδιοπερίοδος, πλάτος εξαναγκασμένης ταλάντωσης (και τη γραφική της παράσταση), συχνότητα διεγέρτη και φυσικά να αφομοιώσουν την έννοια του συντονισμού.

ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΓΝΩΣΕΙΣ

Πρέπει να γνωρίζουν τις έννοιες απλή αρμονική ταλάντωση, περίοδος, συχνότητα και την μεταξύ τους σχέση, σύστημα ελατηρίων, την χρήση και λειτουργία φωτοπυλών. Προαιρετικά την δημιουργία γραφικής παράστασης με τη βοήθεια του λογιστικού φύλλου excel.

ΟΡΓΑΝΑ ΚΑΙ ΣΥΣΚΕΥΕΣ

·         Ηλεκτρικό κατσαβίδι με αλκαλικές μπαταρίες. Στη θήκη του θα προστεθούν δύο λεπτά καλώδια με μπανάνα, για να παίρνει ρεύμα από το τροφοδοτικό.

·         Ένα κομμάτι κόντρα πλακέ 2 cm Χ 6 cm περίπου με πρόσθετο κομματάκι το οποίο θα πιέζει το κατσαβίδι για συνεχή λειτουργία ή να κάνουμε κάτι άλλο, ώστε το κατσαβίδι να λειτουργεί συνεχώς.

·         Δύο καλαμάκια περίπου 6-10 cm το καθένα. Το ένα στην άκρη του κατσαβιδιού, για να δίνει εντολή στη φωτοπύλη, και το άλλο στη μάζα που ταλαντώνεται, για να διαβάζουμε τις ενδείξεις στον χάρακα.

·         Μια ροδέλα.

·         Ένα καρφί με κεφάλι κομμένο και σφιγμένο στη μύτη του κατσαβιδιού με σφικτήρα σωλήνα ή χαρτοταινία.

·         Δύο ελατήρια, να έχουν 100 σπείρες περίπου το κάθε ένα, η διάμετρός τους είναι 2cm, η διατομή του σύρματος είναι από 0,30 έως 0,75mm.

·         Νήμα μήκους περίπου 1 m.

·         Μία μάζα 15-50 gr η οποία είναι ανάμεσα στα ελατήρια.

ΕΠΙΣΗΜΑΝΣΕΙΣ

Το σύστημα πρέπει να είναι καλά «ζυγισμένο», ευθυγραμμισμένο και κατακόρυφο. Η μάζα που ταλαντώνεται να είναι σφιχτά στερεωμένη στα ελατήρια και το κάτω ελατήριο σφιγμένο με ροδέλα στη βάση (σύνδεσμο). Η ιδιοπερίοδος αυξομειώνεται μεταβάλλοντας τη μάζα. Επάνω στη μάζα προσαρμόζουμε ένα καλαμάκι. Το καλαμάκι κινείται ανάμεσα στις δύο κατακόρυφες ράβδους και εκτός από δείκτης χρησιμεύει και ως οδηγός, ώστε το σύστημα να κάνει μόνο κατακόρυφη ταλάντωση.

Παράπλευρες ωφέλειες

Με το ηλεκτρικό κατσαβίδι (έχει ευρύ φάσμα στροφών) μπορούμε φυσικά να βιδώνουμε και να ξεβιδώνουμε ή να το χρησιμοποιήσουμε και να κάνουμε άλλα πειράματα, όπως τη δημιουργία κυμάτων, κατασκευή μαγνητικού αναδευτήρα κ.α.

Τα ελατήρια που κατασκευάσαμε μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σε άλλα πειράματα, όπως στο φύλλο εργασίας 3 της Α΄ Γυμνασίου ή Νόμος Hook της Β΄ Γυμνασίου.

Το δεύτερο video αναφέρεται και στη κατασκευή πηνίου. Αν τροφοδοτήσουμε το πηνίο (ΠΡΟΣΟΧΗ: ΣΤΙΓΜΙΑΙΑ) με μπαταρία αυτοκινήτου ή UPS, μπορούμε να μαγνητίσουμε μαγνητικές βελόνες.

Βελτιώσεις

Οπωσδήποτε μπορούμε να κάνουμε και κάτι παραπάνω. Π.χ. να πάρουμε καλύτερες ενδείξεις πλάτους. Αν έχετε παρατηρήσει, πάνω στο καλαμάκι για τη μέτρηση του πλάτους είχαμε βάλει μελάνη και πάνω στη ράβδο στερεώσαμε χάρτινη μετροταινία από το ΙΚΕΑ (σε άλλο video). Ακόμα μια πιο εξελιγμένη έκδοση θα μπορούσε να έχει και αυτογραφικό τύμπανο τύπου σεισμογράφου.

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ

Στήνουμε την συσκευή σύμφωνα με την φωτογραφία.

Απομακρύνουμε από την θέση ισορροπίας τη μάζα που βρίσκεται ανάμεσα στα ελατήρια. Έχουμε θέση σε λειτουργία τις φωτοπύλες (κατάσταση F3) και φροντίζουμε το καλαμάκι που είναι στερεωμένο πάνω στη μάζα να διακόπτει το φώς στη φωτοπύλη. Με τη διαδικασία αυτή μετράμε την περίοδο ταλάντωσης της μάζας (ιδιοπερίοδος). Τοποθετούμε τη φωτοπύλη σε τέτοια θέση, ώστε, όταν περιστρέφεται το καλαμάκι του διεγέρτη, να ενεργοποιεί τη φωτοπύλη.

Αρχίζουμε με λίγες στροφές να δίνουμε ενέργεια στο σύστημα αυξάνοντας προοδευτικά και παίρνουμε τις τιμές του πλάτους ταλάντωσης της μάζας σε σχέση με τις στροφές (περίοδος) του κατσαβιδιού (διεγέρτης). Δίνουμε μεγάλη προσοχή στη φάση που η περίοδος του διεγέρτη πλησιάζει την τιμή της ιδιοπεριόδου. Συνεχίζουμε μέχρι το ανώτατο όριο στροφών του κατσαβιδιού ( η μέγιστη τάση τροφοδοσίας είναι 20 V).

Στον παρακάτω πίνακα συμπληρώνουμε τις τιμές.

Ιδιοσυχνότητα (Hz):
α/α	Περίοδος T (sec)	Συχνότητα f (Hz)	Πλάτος A (cm)
1
2
3
4
5
6
7
8
9

Κατασκευάστε την γραφική παράσταση του πλάτους Α ως προς την συχνότητα f.

Απαντήστε στις παρακάτω ερωτήσεις:

α) Τι συμβαίνει με το πλάτος της ταλάντωσης, όταν η συχνότητα του διεγέρτη είναι μικρότερη από την ιδιοσυχνότητα του συστήματος;

β) Τι συμβαίνει με το πλάτος της ταλάντωσης, όταν η συχνότητα του διεγέρτη είναι ίση με την ιδιοσυχνότητα του συστήματος;

γ) Τι συμβαίνει με το πλάτος της ταλάντωσης, όταν η συχνότητα του διεγέρτη είναι μεγαλύτερη από την ιδιοσυχνότητα του συστήματος;

δ) Από τα παραπάνω μπορούμε να συμπεράνουμε για το πότε έχουμε συντονισμό;

ε) Σε ποια από τις τρεις πρώτες περιπτώσεις έχουμε μεγαλύτερη απορρόφηση ενέργειας του συστήματος από τον διεγέρτη;

στ) Τι θα πάθει η ιδιοπερίοδος του συστήματος, αν τοποθετήσουμε μεγαλύτερη μάζα;

Σχετικοί σύνδεσμοι:

https://www.youtube.com/watch?v=XggxeuFDaDU

https://www.youtube.com/watch?v=WEQrt_w7gN4