Pomiń nawigację
Materiał edukacyjny · Fizyka

MODUŁ 08 · SPRAWDZIAN WIEDZY II

Sprawdzian II: sprężyny, wahadło i dźwięk (moduły 05–07)

PPrezentacja dla nauczyciela

Drugi sprawdzian podsumowuje blok o tym, co wywołuje drgania, jakie siły ściągają ciało z powrotem do równowagi oraz jak drgania zamieniają się w słyszalny dźwięk.

Trzy poziomy zadań: A (rozumienie) — Część 2; B (zastosowanie) — Część 1; C (transfer) — Część 1b.
Co obejmuje ten zestaw: rozumienie pojęć, obliczenia z jednostkami, zadanie z samodzielnym doborem metody oraz zadanie z błędnym rozumowaniem do poprawienia.

Podsumowanie: trzy źródła drgań obok siebie

Wymagane i dla zainteresowanych: musisz umieć powiedzieć, co ciągnie z powrotem w każdym układzie (sprężystość, ciężkość, naciąg) oraz jakościowe reguły (cięższy klocek — wolniej, dłuższa nić — wolniej, krótsza struna — wyżej). Wzory ($F = -k \cdot x$, wpływ masy $m$ i sztywności $k$) są dla zainteresowanych.
Układ drgający Siła zwracająca do równowagi Od czego zależy okres i częstotliwość
Klocek na sprężynie Siła sprężystości ($F_{spr}$) — dąży do przywrócenia naturalnego kształtu sprężyny; im większe odkształcenie, tym większa siła. W modelu oscylatora wypadkowa siła przywracająca względem położenia równowagi wynosi $F_{\text{wyp}} = -k \cdot x$, gdzie $x$ to wychylenie od równowagi (patrz moduł 05) Od sztywności sprężyny ($k$) oraz od masy klocka ($m$). Większa masa = wolniejsze drgania.
Wahadło grawitacyjne (huśtawka) Siła ciężkości (grawitacji) — jej składowa ściąga ciężarek po łuku w dół ku pionowi Wyłącznie od długości nici ($L$) i przyspieszenia grawitacyjnego ($g$). Masa i amplituda NIE wpływają na okres (dla małych wychyleń).
Struna i źródła dźwięku Siła naciągu struny / sprężystość materiału — dąży do wyprostowania struny lub powrotu membrany Wysokość tonu zależy od częstotliwości ($f$) (krótsza i mocniej napięta struna = wyższy dźwięk). Głośność zależy od amplitudy ($A$).
siła sprężystości F (w górę ↑) sprężyna rozciągnięta w dół składowa ciężkości (ku pionowi ↵) wahadło odchylone w prawo siła naciągu struny częstotliwość wyznacza wysokość tonu
Trzy mechanizmy ruchu drgającego: siła powrotna zawsze przeciwdziała odkształceniu lub odchyleniu ciała z położenia równowagi.

Część 1 — zadania ze wskazówkami (poziom B: zastosowanie)

Zadanie 1. Na placu zabaw stoją dwie huśtawki: krótka (łańcuch 1,2 m) i długa (łańcuch 2,5 m). Dzieci na obu huśtawkach wychylono o taki sam niewielki kąt i puszczono swobodnie. Która huśtawka będzie kołysać się wolniej i czy na podstawie tych informacji można stwierdzić, że ich amplitudy są jednakowe? Zadanie 1. Na placu zabaw stoją dwie huśtawki: krótka (łańcuch 1,2 m) i długa (łańcuch 2,5 m). Dzieci na obu huśtawkach wychylono o taki sam niewielki kąt i puszczono swobodnie. Która huśtawka będzie kołysać się wolniej i czy na podstawie tych informacji można stwierdzić, że ich amplitudy są jednakowe?
Wskazówka 1 — okres drgań a długość
O tym, jak szybko huśtawka wraca do środka (okres $T$), decyduje długość łańcucha: dłuższe wahadło ma dłuższy okres.
Wskazówka 2 — kąt wychylenia a amplituda
Obie huśtawki wychylono o ten sam kąt, ale tor ruchu jest łukiem o promieniu równym długości łańcucha. Dłuższy łańcuch oznacza dłuższy łuk — więc wychylenie mierzone w centymetrach może być inne. Porównuj więc kąt, a nie długość łuku.
Zadanie 2. Podczas strojenia skrzypiec struna A gra za nisko (zbyt niska częstotliwość). Co skrzypek powinien zrobić z kluczem stroika i dlaczego? Zadanie 2. Podczas strojenia skrzypiec struna A gra za nisko (zbyt niska częstotliwość). Co skrzypek powinien zrobić z kluczem stroika i dlaczego?
Wskazówka 1 — jak podwyższyć dźwięk?
Niski dźwięk oznacza zbyt wolne drgania. Aby podwyższyć dźwięk, struna musi drgać szybciej (wyższa częstotliwość $f$).
Wskazówka 2 — naciąg struny
Mocniejszy naciąg zwiększa siłę powrotną, dzięki czemu struna odskakuje szybciej.

Część 1b — zadanie transferowe (poziom C: nowe dane pomiarowe)

Nie liczy się do paska postępu. Odpowiedź znajdziesz w rozwijanym polu.

Zadanie transferowe — które wahadło ma większą częstotliwość?

Polecenie: Uczniowie zmierzyli dwa wahadła. Wahadło A: nić $25\text{ cm}$, czas 10 wahnięć $t_A = 10\text{ s}$. Wahadło B: nić $100\text{ cm}$, czas 10 wahnięć $t_B = 20\text{ s}$. Które wahadło ma większą częstotliwość? Uzasadnij rachunkami i regułą z modułu 06.

Rozwiązanie
Okresy: $T_A = 10\text{ s} \div 10 = 1\text{ s}$, $T_B = 20\text{ s} \div 10 = 2\text{ s}$. Częstotliwości: $f_A = 1/T_A = 1\text{ Hz}$, $f_B = 1/T_B = 0{,}5\text{ Hz}$. Większą częstotliwość ma wahadło A — krótsze wahadło kołysze się szybciej (moduł 06: dłuższa nić — dłuższy okres). Czterokrotna długość daje dwukrotny okres ($T_B = 2 T_A$), zgodnie z pierwiastkową zależnością dla zainteresowanych.

Zadanie transferowe — co pozostaje bez zmian?

Polecenie: Do tej samej sprężyny, która zachowuje się zgodnie z prawem Hooke’a, przymocowano kolejno dwa klocki. Drugi ma większą masę. Pomijamy tarcie i opory ruchu. Który układ wykonuje drgania wolniej? Napisz, co w tym doświadczeniu pozostaje bez zmian, a co się zmienia.

Rozwiązanie
Wolniej drga układ z cięższym klockiem. Bez zmian pozostaje: ta sama sprężyna (ta sama sztywność $k$), brak tarcia i oporów. Zmienia się tylko masa klocka. Większa masa = większa bezwładność = dłuższy okres (mniejsza częstotliwość). Gdyby użyto dwóch różnych sprężyn, nie byłoby wiadomo, czy wynik pochodzi od masy, czy od sztywności — to byłoby doświadczenie niekontrolowane.

Zadanie transferowe — znajdź i popraw błąd

Polecenie: Kolega rozwiązał zadanie i napisał:

„Ciężarek drga między dwoma skrajnymi punktami oddalonymi o $16\text{ cm}$. Amplituda wynosi więc $16\text{ cm}$. Okres drgań to $T = 0{,}5\text{ s}$, więc częstotliwość wynosi $f = 0{,}5\text{ Hz}$.”

Wskaż dwa błędy i podaj poprawne wartości.

Rozwiązanie
Błąd 1 — amplituda. $16\text{ cm}$ to odległość między skrajnymi punktami, czyli cała rozpiętość ruchu $2A$. Amplituda to połowa: $A = 8\text{ cm}$. Błąd 2 — częstotliwość. Kolega przepisał okres jako częstotliwość. Poprawnie: $f = 1/T = 1/0{,}5\text{ s} = \mathbf{2\text{ Hz}}$. Wartość $0{,}5$ należy do okresu, nie do częstotliwości — to dwie różne wielkości, odwrotnie proporcjonalne.

Część 2 — sprawdzian wiedzy (poziom A: rozumienie)

1. Co sprawia, że odciągnięty klocek na sprężynie wraca do położenia równowagi? 1. Co sprawia, że odciągnięty klocek na sprężynie wraca do położenia równowagi?
2. Co pełni rolę siły zwracającej w wahadle grawitacyjnym (np. huśtawce)? 2. Co pełni rolę siły zwracającej w wahadle grawitacyjnym (np. huśtawce)?
3. Które wahadło kołysze się z mniejszą częstotliwością (ma dłuższy okres)? 3. Które wahadło kołysze się z mniejszą częstotliwością (ma dłuższy okres)?
4. Mocniejsze uderzenie pałką w membranę bębna skutkuje: 4. Mocniejsze uderzenie pałką w membranę bębna skutkuje:
5. Dźwięk o wysokiej częstotliwości (np. 3000 Hz) jest odbierany przez ludzkie ucho jako: 5. Dźwięk o wysokiej częstotliwości (np. 3000 Hz) jest odbierany przez ludzkie ucho jako:
6. Jaka jest rola drewnianego pudła rezonansowego w gitarze akustycznej? 6. Jaka jest rola drewnianego pudła rezonansowego w gitarze akustycznej?

Podsumowanie modułu

Zapamiętaj
  1. Trzy siły przywracające: sprężystość (sprężyna), ciężkość (wahadło), naciąg (struna).
  2. Zależności jakościowe: cięższy klocek — wolniej; dłuższa nić — wolniej; krótsza i mocniej napięta struna — wyżej.
  3. Każdy model ma założenia — nie przenoś wzoru z jednego układu na drugi bez sprawdzenia.
Uważaj na błąd

Wnioskowanie o amplitudzie z samej siły pchnięcia. Amplituda zależy od przekazanej energii i warunków początkowych, a nie tylko od tego, jak silne było jedno pchnięcie.

Sprawdź, czy rozumiesz

Co jest siłą przywracającą w pionowej sprężynie z ciężarkiem?

Odpowiedź
Wypadkowa siły sprężystości i siły ciężkości, liczona od położenia równowagi. Sama siła sprężystości nie wystarcza — ciężar nie znika.