高中物理人教版2019選擇性必修第一冊-6受迫振動共振-教案

1、受迫振動共振【教學目標】一、知識與技能.知道什么是阻尼振動，阻尼振動的圖像的特點。.知道什么是受迫振動，知道受迫振動的頻率等于驅(qū)動力的頻率。.知道什么是共振以及發(fā)生共振的條件。能夠解釋共振的應用和防止的實例。二、過程與方法.設置問題啟發(fā)學生的思考，讓學生掌握解決問題的思維方法。.探究和驗證過程中掌握觀察、總結(jié)、用數(shù)學處理物理問題的方法。.經(jīng)歷科學規(guī)律探究的過程、認識探究的意義、嘗試探究的方法、培養(yǎng)探究的能力。三、情感態(tài)度與價值觀1.通過受迫振動的實驗，培養(yǎng)學生的科學探究的興趣。2,通過探究實驗培養(yǎng)合作精神和積極參與的意識。3.體會自然現(xiàn)象背后的奇妙規(guī)律，培養(yǎng)求知欲極學以致用的精神?！窘虒W重點】

2、受迫振動時其頻率跟驅(qū)動力頻率的關系，共振?！窘虒W難點】受迫振動時其頻率跟驅(qū)動力頻率的關系?！窘虒W過程】一、新課導入教師引導學生通過觀看“塔科馬大橋垮塌”和歌手唱歌震碎玻璃杯視頻，引起學生 探究現(xiàn)象背后的秘密的欲望。秘密需要我們用所學的知識來揭開，我們已經(jīng)學過簡諧振動的兩種模型二、新課教學做簡諧運動的物體受到的回復力，是振動系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用力。如果振動系統(tǒng)不 受外力的作用，此時的振動叫做固有振動，具振動頻率稱為固有頻率。我們知道系統(tǒng)的固有頻率由系統(tǒng)本身的特征決定，與振幅的大小無關。簡諧振動是理想化的運動，不考慮阻力，機械能守恒。但實際上所有的振動都會受到阻力，我們蕩秋千時會發(fā)生什么現(xiàn)象？演示實

3、驗：水平彈簧振子做振幅逐漸減小的振動。師：這種由于能量的損失導致的振幅逐漸減小的振動叫阻尼振動。（一）阻尼振動.振幅隨時間逐漸減小的振動叫阻尼振動。同學們能不能參照用砂擺作簡諧振動圖像的實驗，畫出阻尼振動的振動圖像？.阻尼振動的x-t圖象我們用傳感器做出彈簧振子的阻尼振動圖像，請與自己的圖像比較并總結(jié)圖像特點:根據(jù)圖象我們可以看出阻尼振動的特點是什么？阻尼振動特點：振幅減小，表示機械能減?。蛔罱K會停止振動。（二）受迫振動想一想：我們怎樣才能讓阻尼振動能夠持續(xù)的振動下去呢？比如蕩秋千?觀看演示并總結(jié)出：.驅(qū)動力：作用于質(zhì)點的周期性的外力。.受迫振動：物體在驅(qū)動力作用下的振動。機器運轉(zhuǎn)時底座發(fā)生的

4、振動、揚聲器紙盆的振動，都是受迫振動。師：請你再列舉出幾個受迫振動的實例。師、生之間，生、生之間熱烈地討論交流（老師走到學生中與學生交流，對具體現(xiàn) 象老師提出自己的看法，先不下定論。）幾分鐘后學生發(fā)言列舉出一些實例。教師與其 他學生共同甄別是不是受迫振動。（看書的學生可以列舉出教材上的實例）教師挑出或告知幾個典型的受迫振動：電磁打點計時器振片的振動；挑物的小扁擔 的振動（當場表演）；跳水比賽中跳板的振動；被幼兒園老師有節(jié)奏推動下的秋千的擺 動；大型噴氣式客機飛過時窗戶的振動。師：振動系統(tǒng)本身有固有頻率，驅(qū)動力也是周期性的當然也有頻率， 那么系統(tǒng)做受 迫振動時是以自己的固有頻率振動呢？還是以驅(qū)動

5、力的頻率振動？或者都不是呢？師：憑直覺猜一猜答案是什么？生：絕大多數(shù)能猜出不是以固有頻率振動， 否則老師不會出這個問題，而兩種頻率 都不是又過于復雜，只能是以驅(qū)動力頻率振動。老師幽默地說： “肯定以驅(qū)動力頻率振 動，因為系統(tǒng)做受迫振動，既然是被迫的，自己當然說了不算，就得聽受迫源的” 。師：從剛才列舉的幾個典型的例子中你能不能找到答案？師、生之間，生、生之間討論交流剛才的幾個實例，幾分鐘后學生發(fā)言闡述答案與 理由，老師與其他同學給予點評。最后選出三個最典型的實例：一是電磁打點計時器，當電源頻率是50Hz時，振片就以50Hz的頻率振動；當電源頻率是60Hz時，振片肯定以60Hz的頻率振動。二是挑

6、 物的小扁擔的振動頻率與人上下振動的頻率相同。 三是被幼兒園老師有節(jié)奏推動下的秋 千的擺動頻率等于老師推力的頻率。師：從直覺上，從看到的現(xiàn)象上來看，系統(tǒng)做受迫振動時是以驅(qū)動力頻率振動，下 面我們專門做實驗驗證一下我們得出的結(jié)論。演示實驗：先不通入電流使振子自由振動， 感性認識固有頻率大?。辉侔唇滩囊笞鰧嶒?。.實驗：研究受迫振動的頻率架子上面的電動機向下面的兩組彈簧一一鉤碼系統(tǒng)施加周期性的驅(qū)動力，使鉤碼做受迫振動。改變電動機的轉(zhuǎn)速可以調(diào)整驅(qū)動力的頻率。接通電源，使鉤碼做受迫振動，記錄驅(qū)動力的頻率和鉤碼振動的頻率 改變驅(qū)動力的頻率，再做記錄。鉤碼做受迫振動的頻率與驅(qū)動力的頻率有什么關系？大量的實

7、驗都證實：物體做受迫振動達到穩(wěn)定后，物體振動的頻率等于驅(qū)動力的頻 率，與物體的固有頻率無關。（三）共振現(xiàn)象及其應用.共振演示實驗：鐵架橫梁上掛著幾個擺長不同的擺。其中， A 與D、G的擺長相同，D的擺球質(zhì)量大于其他擺球。使 D擺 偏離平衡位置后釋放，D擺在振動中通過橫梁對其他幾個擺 施加周期性的驅(qū)動力。在振動穩(wěn)定后比較各球的振幅。讓學生觀察實驗（可以多做幾次實驗），說出看到的現(xiàn)象， 總結(jié)出規(guī)律或結(jié)論，老師組織同學們互相評價。通過觀察會發(fā)現(xiàn)，固有頻率與 D擺相同的A擺、G擺振 幅最大，固有頻率與D擺相差較多的C擺、E擺振幅最小。這說明物體在做受迫振動當驅(qū)動力的頻率時，驅(qū)動力的頻率與物體的固有頻率

8、相差越小， 受迫振動的振幅越大； 與物體的固有頻率相等時，受迫振動的振幅達到最大。圖反映了受迫振動振幅A與驅(qū)動力頻率f之間的關系。圖中f0等 于物體的固有頻率，可以看出，當驅(qū)動力的頻率等于固有頻率時，物 體做受迫振動的振幅達到最大值，這種現(xiàn)象稱為共振。.共振現(xiàn)象的應用與防止共振是十分普遍的現(xiàn)象，在工程技術的許多領域都可以觀察到它，都要應用到它 把一些不同長度的鋼片安裝在同一個支架上，可以制作轉(zhuǎn)速計。把這樣的轉(zhuǎn)速計與開動 著的機器緊密接觸，機器的振動引起轉(zhuǎn)速計的輕微振動，這時固有頻率與機器轉(zhuǎn)速一致 的那個鋼片發(fā)生共振，振幅最大。讀出這個鋼片的固有頻率，就可以知道機器的轉(zhuǎn)速。有的情況下需要避免共振

9、。例如，在橋梁、碼頭等各種建筑的設計施工中，以及飛 機、汽車、輪船的發(fā)動機等機器設備的設計、制造、安裝中，都必須考慮防止共振產(chǎn)生 的危害，以保證建筑和設備的安全。小故事：約二百年前，不可一世的拿破侖率領法國軍隊入侵西班牙時， 部隊行軍經(jīng)過一座鐵 鏈懸橋時，隨著軍官雄壯的口令，隊伍跨著整齊的步伐走向?qū)Π?。這時，轟隆一聲巨響， 大橋坍塌，士兵軍官紛紛落水。唐?韋絢劉賓客嘉話錄記載：洛陽一寺院里的磬常常自鳴，僧侶為此憂患成疾其友知此事后，用鋰將磬鋰了幾處，磬從此不再自鳴?！具_標提升】1.圖為某物體做受迫振動時的共振曲線，從圖可知該物體振動的固有頻率為Hz,在驅(qū)動力的頻率由150Hz增加到250Hz的

10、過程中，物體振動的振幅變化情況是. A、B兩個彈簧振子，A固有頻率為f, B固有頻率為4f,若它們均在頻率為3f的驅(qū)動力作用下做受迫振動，則（）A.振子A的振幅較大, B .振子B的振幅較大, C.振子A的振幅較大, D .振子B的振幅較大,振動頻率為振動頻率為振動頻率為振動頻率為3f3f4f.如圖所示，是用來測量各種發(fā)動機轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速計原理圖。有固有頻率依次為 80Hz、60Hz、40Hz、20Hz的四個鋼片a、在同一鐵支架NM上焊b、c、do將M端與正在轉(zhuǎn)動的電動機接觸，發(fā)現(xiàn)幅最大，則電動機轉(zhuǎn)速為r/min, a、b、c、b鋼片振d此時振動頻率為4.如圖所示，在一根張緊的水平繩上，懸掛有a、

11、b、c、d、e五個單擺，讓a擺卜列說法中正確的有（）A.各擺的振動周期與a擺相同略偏離平衡位置后無初速釋放，在垂直紙面的平面內(nèi)振動；接著其余各擺也開始振動。B.各擺的振幅大小不同，c擺的振幅最大 C.各擺的振動周期不同，c擺的周期最長 D.各擺均做自由振動5.鐵道上每根鋼軌長12.6m,若支持車廂的彈簧和車廂組成的系統(tǒng)周期為0.6s,那么列車的速度為多大時，車廂振動得最厲害？第11章第5節(jié)基礎夯實、選擇題（14題為單選題，5、6題為多選題）手機是常用的通信工具，當來電話時，它可以用振動來提示人們。振動原理很簡單：是一 個微型電動機帶動轉(zhuǎn)軸上的葉片轉(zhuǎn)動。當葉片轉(zhuǎn)動后，電動機就跟著振動起來。其中葉

12、片的形狀你 認為是下圖中的（A ）解析：B、C、D中圖形均為中心對稱圖形，轉(zhuǎn)動起來不會引起振動。（2019吉林省扶余市第一中學高二下學期期中）在飛機的發(fā)展史中有一個階段，飛機上天后不久，飛機的機翼很快就抖動起來，而且越抖越厲害，后來人們經(jīng)過了艱苦地探索，利用在飛機機翼前緣處裝置一個配重桿的方法解決了這一問題，在飛機機翼前裝置配重桿的主要目的是（D ）A.加大飛機的慣性B .使機體更加平衡C.使機翼更加牢固D.改變機翼的固有頻率解析：飛機抖動得厲害是因為發(fā)生了共振現(xiàn)象，想要解決這一問題，需要使系統(tǒng)的固有頻率與驅(qū)動力的頻率差距增大，在飛機機翼前緣處裝置一個配重桿，改變的是機翼的固有頻率，故選項D正

13、確。（2019吉林省八校高二下學期期中聯(lián)考）下表記錄了某受迫振動的振幅隨驅(qū)動力頻率變化的 關系，若該振動系統(tǒng)的固有頻率為f固，則（B ）驅(qū)動力頻率/ Hz304050607080受迫振動振幅/ cm10.216.827.228.116.58.3A.f 固=60 HzB. 50 Hzf 固 60 HzC. 60 Hzf固70 HzD,以上三個都不對解析：固有頻率等于驅(qū)動力的頻率時，振幅最大，固有頻率越接近驅(qū)動力頻率，振幅越大；表格中當驅(qū)動力頻率為 50 Hz和60 Hz時，振幅最大，說明固有頻率在50 Hz-60 Hz之間；故選 B。8 Hz,乙彈4.如圖所示，把兩個彈簧振子懸掛在同一支架上，已

14、知甲彈簧振子的固有頻率為簧振子的固有頻率為 72 Hz,當支架在受到豎直方向且頻率為9 Hz的驅(qū)動力作用下做受迫振動時,兩個彈簧振子的振動情況是 （B ）A.甲的振幅較大，且振動頻率為8 HzB.甲的振幅較大，且振動頻率為9 HzC.乙的振幅較大，且振動頻率為9 HzD.乙的振幅較大，且振動頻率為72 Hz解析：物體做受迫振動時的頻率等于驅(qū)動力的頻率；物體的固有頻率越接近驅(qū)動力的頻率，物體振動的振幅就越大，所以B正確。5.如圖所示是單擺做阻尼振動的振動圖線，下列說法中正確的是（BD ）A.擺球A時刻的動能等于 B時刻的動能B.擺球A時刻的勢能等于 B時刻的勢能C.擺球A時刻的機械能等于 B時刻

15、的機械能D正確，C錯誤；由圖又看出 A、B兩D.擺球A時刻的機械能大于 B時刻的機械能解析：單擺做阻尼振動，因此其機械能不斷減小，選項時刻單擺的位移相同，即在同一位置，故勢能相同，選項 B正確；因機械能越來越小，所以動能B處比A處小，選項A錯誤。.兩個質(zhì)量分別為 M和m的小球懸掛在同一根細線上，如圖所示，當先讓 M擺動，過一段時 間系統(tǒng)穩(wěn)定后，下面哪幾句話正確 （BCD ）A. m和M的周期不相等B.當兩個擺長相等時，m擺的振幅最大C.懸掛M的細繩長度變化時，m擺動的振幅也會發(fā)生變化D.當兩個擺長相等時， m擺動振幅可以超過 M解析：m做受迫振動，其周期等于 M擺動的周期，當兩擺周期相等時達到

16、共振，故B、C、D正確，A錯誤。二、非選擇題.某橋梁的固有頻率為 7.5 Hz,有大量軍隊齊步過橋，軍人每跨一步距離為0.8 m。當行走速度為6m/s時，會對橋的安全造成威脅。解析：設行走速度為 v時會對橋造成威脅，此時步行頻率等于橋梁的固有頻率，則v=Lf= 0.8X7.5 m/s= 6 m/s。當驅(qū)動力頻率等于固有頻率時會發(fā)生共振。. （2019河北省唐山市高三上學期期末）如圖所示，一個豎直圓盤轉(zhuǎn)時，固定在圓盤上的小圓柱帶動一個 T形支架在豎直方向振動， T形支架 下面系著一個彈簧和小球組成的振動系統(tǒng)，小球浸沒在水中；當圓盤轉(zhuǎn)動會靜止后，小球做阻尼振動 （選填“阻尼”，“自由”，“受迫”

17、）；若彈 和小球構(gòu)成的系統(tǒng)振動頻率約為 3 Hz,現(xiàn)使圓盤以4 s的周期勻速轉(zhuǎn)動，經(jīng)過一段時間后，小球振 動達到穩(wěn)定，小球的振動頻率為 0.25 Hz ;逐漸改變圓盤的轉(zhuǎn)動周期， 當小球振動的振幅達到最大時， 此時圓盤的周期是多少？答案：0.33 s解析：當圓盤轉(zhuǎn)動一會靜止后，小球受阻力作用而做阻尼振動；小球振動達到穩(wěn)定后，小球的 ,1，一 一一_ 振動頻率等于驅(qū)動力的頻率，即為4 Hz =0.25 Hz;逐漸改變圓盤的轉(zhuǎn)動周期，當小球振動的振幅達，一，一，一，r ,1到最大時，此時圓盤的周期等于小球的固有周期，即為 a s= 0.33 So3能力提升、選擇題（13題為單選題，4題為多選題）1

18、 .部隊經(jīng)過橋梁時，規(guī)定不許齊步走，登山運動員登雪山時，不許高聲叫喊，主要原因是（C ）A.減輕對橋的壓力，避免產(chǎn)生回聲B.減少對橋、雪山的沖擊力C.避免使橋發(fā)生共振和使雪山發(fā)生共振D.使橋受到的壓力更不均勻，使登山運動員耗散能量解析：部隊過橋時如齊步走， 給橋梁施加周期性外力， 容易使橋的振動幅度增加，即發(fā)生共振,造成橋梁倒塌；登山運動員登高山時高聲叫喊，聲波容易引發(fā)雪山共振而發(fā)生雪崩，故應選Co.如圖所示，一臺玩具電機的軸上安有一個小皮帶輪甲，通帶帶動皮帶輪乙轉(zhuǎn)動（皮帶不打滑），皮帶輪乙上離軸心 O距離2 處安有一個圓環(huán) P。一根細繩一端固定在圓環(huán)P上，另一端固對面的支架上，繩呈水平方向且

19、繃直。在繩上懸掛著4個單擺a、 do已知電動機的轉(zhuǎn)速是 149 r/min ,甲、乙兩皮帶輪的半徑之比5, 4個單擺的擺長分別是 100 cm、80 cm、60 cm、40 cm。電動機勻速轉(zhuǎn)動過程中，哪個單擺的振幅最大（A ）B.單擺bD.單擺dA.單擺aC.單擺c解析：電動機的轉(zhuǎn)速是 149 r/min ,則周期T甲=黑s, n 9甲、乙的半徑比是15,則乙的周期是 丁乙=黑$,149要發(fā)生共振，由單擺周期公式T= 2 雄g得，對應單擺的擺長為 1.013 m；題中給出的四個單擺中，a最接近，所以a的振幅最大。故選 Ao. 一個擺長約1 m的單擺，在下列的四個隨時間變化的驅(qū)動力作用下振動，

20、要使單擺振動的振幅盡可能增大，應選用的驅(qū)動力是（C ）解析：據(jù)單擺的周期公式:T=2 7tJ：求出此擺的周期T-2 s,當驅(qū)動力的周期接近該單擺的固有周期時，振幅最大，C圖的周期為2 s,故選Co.將測力傳感器接到計算機上可以測量快速變化的力，將單擺掛在測力傳感器的探頭上，測大小隨時出了下列力探頭與計算機連接，用此方法測得的單擺擺動過程中擺線上拉力的 間變化的曲線如圖所示，g取10 m/s2。某同學由此圖象提供的信息做判斷，其中正確的是（BC ）A.擺球的周期 T=0.5 s.單擺的擺長l=1 mC. t=0.5 s時擺球正經(jīng)過最低點D .擺球運動過程中周期越來越小解析：由題圖可知，單擺兩次拉力極大值的時間差為1 s,所以單擺的振動周期為2 s,選項A錯誤；根據(jù)單擺的周期公式T = 2/g可得