受迫振動 共振創(chuàng)新實驗及教學設(shè)計

2.6

受迫振動共振教師：吳莎學校：安徽省馬鞍山市第二十二中學O1教材分析O2O3O4O5學情分析O6實驗設(shè)計思路及創(chuàng)新實驗教學目標實驗內(nèi)容實驗效果評價2.6受迫振動共振教材分析01一、教材分析從理想到實際簡諧運動

外力作用下的振動多個物理概念固有頻率、阻尼振動、驅(qū)動力、受迫振動、共振……豐富實驗內(nèi)容課標要求：通過實驗認識受迫振動的特點、了解共振現(xiàn)象產(chǎn)生的條件人教2019版選擇性必修一第二章第6節(jié)學情分析02二、學情分析

1.學生已有的知識：通過本章前幾節(jié)內(nèi)容的學習，學生具備了分別從運動學角度、動力學角度和能量角度認識簡諧運動特征的能力，對機械振動的概念比較了解，知道影響彈簧振子周期的因素。2.學生的認知特點及困難：本節(jié)從簡諧運動的理想模型過渡到外力作用下的實際運動，難點在于區(qū)分固有頻率、驅(qū)動力頻率和受迫振動的頻率，這也是認識共振現(xiàn)象的前提。實驗教學目標03三、實驗教學目標1．物理觀念：認識固有頻率、驅(qū)動力頻率與受迫振動頻率之間的區(qū)別與聯(lián)系；從能量角度理解阻尼振動；了解產(chǎn)生共振的條件，認識共振是受迫振動的一種特殊情況。2．科學思維：通過不同外力作用下振動現(xiàn)象的研究，培養(yǎng)學生從運動學、動力學和能量觀點綜合分析機械振動現(xiàn)象的科學思維；3．科學探究：通過從現(xiàn)象提出猜想到定量實驗最后通過實驗數(shù)據(jù)總結(jié)規(guī)律生成結(jié)論的過程，培養(yǎng)學生自主探究的能力；4．科學態(tài)度與責任：經(jīng)歷科學探究從數(shù)據(jù)走向?qū)嶒灲Y(jié)論的過程，領(lǐng)略實驗是解決物理問題的一種基本途徑，培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度?；谖锢砗诵乃仞B(yǎng)和新課程理念，將本實驗的教學目標制定如下：實驗設(shè)計思路及創(chuàng)新04四、實驗設(shè)計思路與創(chuàng)新2.實驗過程中連續(xù)記錄的物理量隨時間變化的圖像更加生動地反映了物理規(guī)律數(shù)據(jù)采集器傳感器計算機1.緊扣教材

實驗現(xiàn)象

概念生成(phyphox)實驗教學過程05五、實驗教學內(nèi)容1.描繪阻尼振動的a-t圖教材：測自由落體加速度簡諧運動的回復力F=-kx，a-t圖可以反映振動圖像改變阻力得到不同情景下的阻尼振動的a-t圖周期不隨振幅的減小而變化T振幅衰減的不明顯在水中振動的a-t圖教材上的阻尼振動圖像對

比在水中振動概念生成固有頻率電磁打點計時器啟發(fā)：受迫振動頻率與驅(qū)動力頻率的關(guān)系？教材：驅(qū)動力頻率與受迫振動頻率均由學生數(shù)數(shù)獲得——既不準確又容易混淆如何更準確地分別測量驅(qū)動力頻率與振子做受迫振動的頻率呢？振片做受迫振動2.探究受迫振動的頻率與驅(qū)動力頻率的關(guān)系教材上的實驗裝置從阻力到驅(qū)動力從阻尼振動到受迫振動轉(zhuǎn)速可調(diào)電動機：提供驅(qū)動力手機：測量受迫振動的頻率轉(zhuǎn)速計：測量電動機轉(zhuǎn)速改進的實驗裝置2.探究受迫振動的頻率與驅(qū)動力頻率的關(guān)系驅(qū)動力的頻率與受迫振動頻率分別由兩種定量方式測得，更準確且不易混淆。2.探究受迫振動的頻率與驅(qū)動力頻率的關(guān)系實驗時，兩部手機同時投屏，方便對比和記錄數(shù)據(jù)實驗時記錄的數(shù)據(jù)生成

結(jié)論隱藏一列數(shù)據(jù)設(shè)置單位換算大量的實驗都證實：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(guān)。展開數(shù)據(jù)進行對比3.探究受迫振動的振幅與驅(qū)動力頻率的關(guān)系固定一個刻度尺和指針用頻閃照片記錄振幅實驗觀察到的現(xiàn)象：手機振幅發(fā)生變化，有段時間手機振動得很劇烈啟發(fā)：受迫振動的振幅與驅(qū)動力頻率的關(guān)系實驗驗證課堂上拍攝的頻閃照片驅(qū)動力頻率2.50Hz，振幅0.8cm驅(qū)動力頻率3.42Hz，振幅4.0cm驅(qū)動力頻率3.97Hz，振幅2.2cm驅(qū)動力頻率4.90Hz，振幅0.8cm頻閃照片驅(qū)動力頻率2.52Hz，振幅0.8cm驅(qū)動力頻率2.78Hz，振幅0.9cm驅(qū)動力頻率2.87Hz，振幅1.1cm驅(qū)動力頻率3.08Hz，振幅2.0cm頻閃照片驅(qū)動力頻率3.23Hz，振幅2.3cm驅(qū)動力頻率3.63Hz，振幅10.4cm驅(qū)動力頻率3.90Hz，振幅3.1cm驅(qū)動力頻率3.55Hz，振幅5.1cm頻閃照片驅(qū)動力頻率3.97Hz，振幅2.1cm驅(qū)動力頻率4.45Hz，振幅1.0cm驅(qū)動力頻率4.27Hz，振幅1.0cm驅(qū)動力頻率（Hz）振幅（cm）2.520.82.780.92.871.13.082.03.232.3驅(qū)動力頻率（Hz）振幅（cm）3.555.13.6310.43.903.13.972.14.271.1驅(qū)動力頻率（Hz）振幅（cm）4.451.03.424.12.500.93.972.14.900.8手機受迫振動振幅隨驅(qū)動力頻率變化關(guān)系表A-f

圖振幅最大的點對應(yīng)的橫坐標有何意義？生成

結(jié)論4.探究共振條件近似等于1.振幅最大——共振概念2.圖像上振幅最大的橫坐標——共振時的驅(qū)動力頻率3.手機自由振動傳感器的示數(shù)——系統(tǒng)的固有頻率4.發(fā)生共振現(xiàn)象的條件課本的圖實驗效果評價06六、實驗效果評價2．相較于以前的數(shù)字實驗設(shè)備，智能手機每家都有，學生在課堂實驗后回去也進行了一些新的嘗試：比如用彈簧傳感器測量了不同彈簧系統(tǒng)的固有頻率以驗證彈簧振子的周期公式、利用擺傳感器驗證單擺的周期公式測量重力加速度等；還有的學生“腦洞大開”，比如在普通的彈簧振子上安裝遮光條用光傳感器記錄現(xiàn)象，或是在振子上吸上強磁球用磁力計傳感器記錄因振子振動帶來的磁感應(yīng)強度的變化等，并都獲得了一些周期性的圖像，然而受制于物理量之間的非線性關(guān)系，圖像不能定量解釋物理規(guī)律，但這些嘗試對于學生無疑是非常有意義的。智能時代，讓我們擁抱創(chuàng)新，生活處處是物理