人教版物理選修3-4講義第11章5外力作用下的振動Word版含答案

5外力作用下的振動[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.知道阻尼振動和阻尼振動能量的轉(zhuǎn)化情況.2.知道什么是受迫振動及產(chǎn)生條件，掌握物體做受迫振動的特點(diǎn)．(重點(diǎn))3.知道共振現(xiàn)象，掌握產(chǎn)生共振的條件，知道常見的共振的應(yīng)用和危害．(重點(diǎn))一、固有振動、阻尼振動1．固有振動如果振動系統(tǒng)不受外力的作用，此時的振動叫做固有振動，其振動頻率稱為固有頻率．2．阻尼振動(1)阻力作用下的振動當(dāng)振動系統(tǒng)受到阻力的作用時，振動受到了阻尼，系統(tǒng)克服阻尼的作用要做功，消耗機(jī)械能，因而振幅減小，最后停下來．(2)阻尼振動振幅逐漸減小的振動．振動系統(tǒng)受到的阻尼越大，振幅減小得越快，阻尼振動的圖象如圖所示，振幅越來越小，最后停止振動．二、受迫振動、共振1．受迫振動(1)驅(qū)動力：作用于振動系統(tǒng)的周期性的外力．(2)受迫振動：振動系統(tǒng)在驅(qū)動力作用下的振動．(3)受迫振動的頻率：做受迫振動的系統(tǒng)振動穩(wěn)定后，其振動頻率等于驅(qū)動力的頻率，跟系統(tǒng)的固有頻率沒有關(guān)系．2.共振(1)定義：驅(qū)動力的頻率等于振動物體的固有頻率時，受迫振動的振幅最大的現(xiàn)象．(2)條件：驅(qū)動力頻率等于系統(tǒng)的固有頻率．(3)特征：共振時受迫振動的振幅最大．(4)共振曲線：如圖所示．表示受迫振動的振幅A與驅(qū)動力頻率f的關(guān)系圖象，圖中f0為振動物體的固有頻率．1．思考判斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)固有頻率由系統(tǒng)本身決定． (√)(2)阻尼振動的頻率不斷減?。?(×)(3)阻尼振動的振幅不斷減?。?(√)(4)受迫振動的頻率等于振動系統(tǒng)的固有頻率． (×)(5)驅(qū)動力頻率越大，振幅越大． (×)2．一單擺做阻尼振動，則在振動過程中()A．振幅越來越小，周期也越來越小B．振幅越來越小，周期不變C．通過某一位置時，機(jī)械能減小D．機(jī)械能不守恒，周期不變E．機(jī)械能守恒，頻率不變BCD[單擺做阻尼振動時，振幅會減小，機(jī)械能減小，振動周期不變，故選項B、C、D對，A、E錯．]3．下列振動，不屬于受迫振動的是()A．用重錘敲擊一下懸吊著的鐘后，鐘的振動B．打點(diǎn)計時器接通電源后，振針的振動C．小孩睡在自由擺動的吊床上，小孩隨著吊床一起擺動D．彈簧振子在豎直方向上沿上下方向振動E．共振篩的振動ACD[受迫振動是指在周期性驅(qū)動力作用下的振動，故A、C、D都是自由振動，B、E是受迫振動．]固有振動；阻尼振動阻尼振動與簡諧運(yùn)動(無阻尼振動)的比較振動類型阻尼振動無阻尼振動(簡諧運(yùn)動)產(chǎn)生條件受到阻力作用不受阻力作用振動能量振動能量有損失振動能量保持不變振幅如果沒有能量補(bǔ)充，振幅越來越小振幅不變頻率不變不變振動圖象常見例子懸掛的電燈被風(fēng)吹動后開始振動，振幅越來越小，屬于阻尼振動彈簧振子的振動【例1】一單擺在空氣中振動，振幅逐漸減小．下列說法正確的是()A．機(jī)械能逐漸轉(zhuǎn)化為其他形式的能B．后一時刻的動能一定小于前一時刻的動能C．后一時刻的勢能一定小于前一時刻的勢能D．后一時刻的機(jī)械能一定小于前一時刻的機(jī)械能E．后一時刻的動能可能大于前一時刻的動能ADE[單擺振動過程中，因不斷克服空氣阻力做功，使機(jī)械能逐漸轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，選項A、D對；雖然單擺總的機(jī)械能在逐漸減小，但在振動過程中動能和勢能仍不斷地相互轉(zhuǎn)化，動能轉(zhuǎn)化為勢能時，動能逐漸減小，勢能逐漸增大，而勢能轉(zhuǎn)化為動能時，勢能逐漸減小，動能逐漸增大，所以不能斷言后一時刻的動能(或勢能)一定小于前一時刻的動能(或勢能)，故選項B、C不對，選項E對．]阻尼振動的能量和周期(1)阻尼振動的振幅不斷減小，能量不斷減少，但阻尼振動的頻率不變，其頻率為固有頻率，由系統(tǒng)本身決定．(2)自由振動是一種理想情況，也叫簡諧運(yùn)動．實際中的振動都會受到阻力的作用，當(dāng)阻力較小時，可認(rèn)為是簡諧運(yùn)動．(3)阻尼振動中，機(jī)械能E等于動能Ek和勢能Ep之和，即E＝Ek＋Ep，E減小，但動能和勢能相互轉(zhuǎn)化，當(dāng)Ep相等，Ek不相等，而從振動圖象上可以確定Ep的關(guān)系．1．如圖所示是單擺做阻尼振動的振動圖線．則擺球A時刻的動能________B時刻的動能，擺球A時刻的勢能________B時刻的勢能．[解析]該題考查阻尼振動的圖象以及能量的轉(zhuǎn)化關(guān)系．在單擺振動過程中，因不斷克服空氣阻力做功使機(jī)械能逐漸轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；雖然單擺總的機(jī)械能在逐漸減小，但在振動過程中動能和勢能仍不斷地相互轉(zhuǎn)化．由于A、B兩時刻，單擺的位移相等，所以勢能相等，但動能不相等．[答案]大于等于受迫振動；共振1．自由振動、受迫振動及共振的比較振動類型自由振動受迫振動共振受力情況僅受回復(fù)力周期性驅(qū)動力周期性驅(qū)動力振動周期或頻率由系統(tǒng)本身性質(zhì)決定，即固有周期或固有頻率由驅(qū)動力的周期或頻率決定，即T＝T驅(qū)或f＝f驅(qū)T驅(qū)＝T固或f驅(qū)＝f固振動能量振動物體的機(jī)械能不變由產(chǎn)生驅(qū)動力的物體提供振動物體獲得的能量最大常見例子彈簧振子或單擺機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時底座發(fā)生的振動共振篩、聲音的共鳴等2．共振曲線的理解和應(yīng)用(1)兩坐標(biāo)軸的意義：縱軸：受迫振動的振幅，如圖所示．橫軸：驅(qū)動力頻率．(2)f0的意義：表示固有頻率．(3)認(rèn)識曲線形狀：f＝f0，共振；f＞f0或f＜f0，振幅較?。籪與f0相差越大，振幅越?。?4)結(jié)論：驅(qū)動力的頻率f越接近振動系統(tǒng)的固有頻率f0，受迫振動的振幅越大，反之振幅越?。纠?】如圖所示，在曲軸A上懸掛一個彈簧振子，如果轉(zhuǎn)動把手，曲軸可以帶動彈簧振子上下振動．問：(1)開始時不轉(zhuǎn)動把手，而用手往下拉振子，然后放手讓振子上下振動，測得振子在10s內(nèi)完成20次全振動，振子做什么振動？其固有周期和固有頻率各是多少？若考慮摩擦和空氣阻力，振子做什么振動？(2)在振子正常振動過程中，以轉(zhuǎn)速4r/s勻速轉(zhuǎn)動把手，振子的振動穩(wěn)定后，振子做什么運(yùn)動？其周期是多少？[解析](1)用手往下拉振子使振子獲得一定能量，放手后，振子因所受回復(fù)力與位移成正比，方向與位移方向相反(F＝－kx)，所以做簡諧運(yùn)動，其周期和頻率是由它本身的結(jié)構(gòu)性質(zhì)決定的，稱固有周期(T固)和固有頻率(f固)，根據(jù)題意T固＝eq\f(t,n)＝eq\f(10,20)s＝0.5s，f固＝eq\f(1,T固)＝eq\f(1,0.5)Hz＝2Hz.由于摩擦和空氣阻力的存在，振子克服摩擦力和阻力做功消耗能量，使其振幅越來越小，故振動為阻尼振動．(2)由于把手轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)速為4r/s，它給彈簧振子的驅(qū)動力頻率為f驅(qū)＝4Hz，周期T驅(qū)＝0.25s，故振子做受迫振動．振動達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)后，其頻率(或周期)等于驅(qū)動力的頻率(或周期)，而跟固有頻率(或周期)無關(guān)．即f＝f驅(qū)＝4Hz，T＝T驅(qū)＝0.25s．又因為振子做受迫振動得到驅(qū)動力對它做的功，補(bǔ)償了振子克服阻力做功所消耗的能量，所以振子的振動屬于受迫振動．[答案](1)簡諧運(yùn)動0.5s2Hz阻尼振動(2)受迫振動0.25s1．分析受迫振動的方法(1)在分析受迫振動時，首先要弄清驅(qū)動力的來源．(2)受迫振動的頻率等于驅(qū)動力的頻率，與物體的固有頻率無關(guān)，因而首先應(yīng)確定驅(qū)動力的頻率．(3)當(dāng)驅(qū)動力的頻率等于固有頻率時，發(fā)生共振．2．改變受迫振動的振幅的方法當(dāng)f驅(qū)＝f固時，振幅最大．若改變受迫振動的振幅，可采取兩種方法：(1)改變給予振動系統(tǒng)周期性外力的周期，即改變驅(qū)動力頻率．(2)了解影響固有頻率的因素，改變固有頻率．2.如圖所示為兩個單擺受迫振動的共振曲線．兩個單擺的固有周期之比為TⅠ∶TⅡ＝________.若兩個受迫振動分別在月球上和地球上進(jìn)行，且擺長相等，則圖線________是月球上的單擺的共振曲線．[解析]由共振曲線及共振的條件可知，Ⅰ和Ⅱ的固有頻率分別為0.2Hz和0.5Hz，周期之比TⅠ