高中物理 115 外力作用下的振动教案 新人教版选修34Word文档格式.docx
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本节课我们来学习这一问题。
(二)新课教学
1、受迫振动
演示:
用如图所示的实验装置,向下拉一下振子,观察它的振动情况。
现象:
振子做的是阻尼振动,振动一段时间后停止振动。
请一位同学匀速转动把手,观察振动物体的振动情况。
现在振子能够持续地振动下去。
分析:
使振子能够持续振动下去的原因,是把手给了振动系统一个周期性的外力的作用,外力结系统做功,补偿系统的能量损耗。
(1)驱动力:
使系统持续地振动下去的外力,叫驱动力。
(2)受迫振动:
物体在外界驱动力作用下所做的振动叫受迫振动。
要想使物体能持续地振动下去,必须给振动系统施加一个周期性的驱动力作用。
受迫振动实例:
发动机正在运转时汽车本身的振动;
正在发声的扬声器纸盒的振动;
飞机从房屋上飞过时窗玻璃的振动;
我们听到声音时耳膜的振动等。
(多媒体展示几个受迫振动的实例)
①电磁打点计时器的振针;
②工作时缝纫机的振针;
③扬声器的纸盒;
④跳水比赛时,人在跳板上走过时,跳板的振动;
⑤机器底座在机器运转时发生的振动。
(3)受迫振动的特点
做简谐运动的弹簧振子和单摆在振动时,按振动系统的固有周期和固有频率振动。
通过刚才的学习,我们知道物体在周期性的驱动力作用下所做的振动叫受迫振动;
那么周期性作用的驱动力的频率、受迫振动的频率、系统的固有频率之间有什么关系呢?
用前面的装置实验。
用不同的转速匀速地转动把手,观察振子的振动快慢情况。
当把手转速小时,振子振动较慢;
当把手转速大时,振子振动较快。
物体做受迫振动时,振动物体振动的快慢随驱动力的周期而变化。
总结:
①物体做受迫振动时,振动稳定后的频率等于驱动力的频率;
②受迫振动的频率跟物体的固有频率没有关系。
2、共振
(1)共振摆实验
受迫振动的频率等于驱动力的频率,与物体的固有频率无关,但是如果驱动力的频率接近或等于物体的固有频率时又会发生什么现象呢?
(共振演示仪)在一根张紧的绳上挂了几个摆,其中A、B、C的摆长相等。
先让A摆摆动,观察在摆动稳定后的现象。
A摆动起来后,B、C、D、E也随之摆动,但是它们摆动的振幅不同,A、B、C摆动的振幅差不多,而D摆动的振幅最小。
A、B、C摆长相同,据和得到,A、B、C三摆的固有频率相同。
D摆的摆长与A摆相差最多,两者的固有频率相差最大。
A摆振动后通过张紧的绳子给其它各摆施加驱动力,使B、C、D、E各摆做受迫振动,它们振动的频率都等于A摆的固有频率。
结论:
驱动力的频率f等于振动物体的固有频率f′时,振幅最大;
驱动力的频率f跟固有频率f′相差越大,振幅越小。
(2)共振
驱动力频率接近物体的固有频率时,受迫振动的振幅最大,这种现象叫做共振。
(3)发生共振的条件
驱动力频率与物体的固有频率相等或接近。
(4)共振曲线
通过上述实验我们知道,受迫振动的振幅A与驱动力的频率f及振动物体的固有频率f'之间的关系有关,它们之间的这种关系可用图象来表示,这个图象叫共振曲线,如下图:
纵轴:
表示受迫振动的振幅。
横轴:
表示驱动力的频率。
特点:
当驱动力频率等于物体固有频率时,物体振动的振幅最大;
驱动力频率与固有频率相差越大,物体的振幅越小。
3、声音的共鸣
两个频率相同的带有共鸣箱的音叉,放在实验台上。
先用小槌打击音叉A的叉股,使它发声,过一会儿,用手按住音叉A的叉股,使A停止发声,观察发生的现象。
可以听到没被敲打的音叉B发出了声音。
在其中的一只音叉的叉股上套上一个套管,重新做上面的实验,观察发生的现象。
音叉B下再发出声音了。
音叉A的叉股被敲时发生振动,在空气中激起声波,声波传到音叉B,给音叉B以周期性的驱动力。
第一次实验时,A、B的固有频率相同,符合产生共振的条件,于是B的振幅最大,就可以听到B发出的声音;
第二次实验时,由于给B的音叉套上了套管,使A、B的固有频率不再相同,此时B不能产生共振,发出的声音很小,甚至听不到。
声音的共振现象叫共鸣。
共鸣箱所起的作用是使音叉的声音加强。
4、共振的应用和防止
(1)利用共振时,应使驱动力的频率接近或等于物体的固有频率
共振现象有许多应用。
把一些不同长度的钢片装在同一个支架上,可用来制成测量发动机转速的转速计。
使转速计与开动着的机器紧密接触,机器的振动引起转速计的轻微振动,这时固有频率与机器转速一致的那个钢片发生共振,有显著的振幅。
从刻度上读出这个钢片的固有频率,就可以知道机器的转速。
共振筛是利用共振现象制成的。
把筛子用四根弹簧支起来,在筛架上安装一个偏心轮,就成了共振筛。
偏心轮在发动机的带动下发生转动时,适当调节偏心轮的转速,可以使筛子受到的驱动力的频率接近筛子的固有频率,这时筛子发生共振,有显著的振幅,提高了筛除杂物的效率。
实例:
共振筛、音箱、小提琴与二胡等乐器设置共鸣箱、建筑工地上浇铸混凝土时使用的振捣器、跳水运动员做起跳动作的“颠板”过程等。
(2)防止共振时,应使驱动力的频率与振动物体的固有频率不同,而且相差越大越好
在某些情况下,共振也可能造成损害。
军队或火车过桥时,整齐的步伐或车轮对铁轨接头处的撞击会对桥梁产生周期性的驱动力,如果驱动力的频率接近桥梁的固有频率,就可能使桥梁的振幅显著增大,以致使桥梁发生断裂.因此,部队过桥要用便步,以免产生周期性的驱动力.火车过桥要慢开,使驱动力的频率远小于桥梁的固有频率。
轮船航行时,如果所受波浪冲击力的频率接近轮船左右摇摆的固有频率,可能使轮船倾覆。
这时可以改变轮船的航向和速度,使波浪冲击力的频率远离轮船摇摆的固有频率。
机器运转时,零部件的运动(如活塞的运动、轮的转动)会产生周期性的驱动力,如果驱动力的频率接近机器本身或支持物的固有频率,就会发生共振,使机器或支持物受到损坏.这时要采取措施,如调节机器的转速,使驱动力的频率与机器或支持物的固有频率不一致。
同样,厂房建筑物的固有频率也不能处在机器所能引起的振动频率范围之内。
火车过桥时要放慢速度、军队过桥时用便步行走、轮船航行时要看波浪的打击方向而改变轮船的航向和速度、机器运转时为了防止共振要调节转速等。
总之,在需要利用共振时,应使驱动力的频率接近或等于振动物体的固有频率;
在需要防止共振时,应使驱动力的频率与振动物体的固有频率不同,而且相差越大越好。
(三)巩固训练
1、火车在铁轨上匀速行驶,每根铁轨长12.5cm,某旅客在小桌上放了一杯水,杯中水晃动的固有频率是2Hz,当火车行驶速度是多少km/h时,杯中水的晃动最厉害?
(参考答案:
90km/h)
2、家用洗衣机的甩干机关闭后转速逐渐减小为零的过程中,会发现有一小段时间洗衣机抖动得最厉害。
这一现象应如何解释?
洗衣机的固有频率f0小于甩干机的正常转速n,关机后,驱动力频率即甩干机转速由n减为0的过程中总有某一时刻等于f0,于是发生共振,使洗衣机抖动最厉害)
3、一只酒杯,用手指弹一下发出清脆的声音,测得其振动的固有频率为300Hz,将它放在两只大功率的音箱中间,调整音箱发音的频率,能使酒杯碎掉,这是______现象,这时音箱所发出声音的频率为______Hz.
共振;
300)
4、如图所示,两个质量分别为M和m的小球悬挂在同一根细绳上,先让M摆动,经一段时间系统达到稳定后,下面说法中正确的是(ABCD)
A.无论M和m的大小关系如何,m和M的周期都相等
B.无论m和M的关系如何,当两个摆的摆长相等时,m摆的振幅最大
C.悬挂M的细绳长度变化时,m摆的振幅也发生变化
D.当两个摆长相等时,m摆的振幅可以超过M摆的振幅
5、A、B两弹簧振子,A固有频率为f,B固有频率为4f,若它们均在频率为3f的驱动力作用下做受迫振动,则(B)
A.A的振幅较大,振动频率为fB.B的振幅较大,振动频率为3f
C.A的振幅较大,振动频率为3fD.B的振幅较大,振动频率为4f
6、某振动系统的固有频率f1,该振动系统在频率为f2的驱动力作用下做受迫振动,系统的振动频率为(B)
A.f1B.f2C.f1+f2D.(f1+f2)/2
7、下列说法中正确的是(ACD)
A.实际的自由振动必然是阻尼振动
B.在外力作用下的振动是受迫振动
C.阻尼振动的振幅越来越小
D.受迫振动稳定后的频率与自身物理条件无关
8、如图为一单摆的共振曲线,则该单摆的摆长约为多少?
共振时单摆的振幅多大?
共振时摆球的最大加速度和最大速度大小各为多少?
摆长:
L=1m;
共振时的振幅为A=8cm;
共振时的最大加速度为0.08m/s2,最大速度为0.28m/s)
(四)小结
1.物体在外界驱动力作用下所做的振动叫受迫振动。
受迫振动的频率取决于驱动力的频率;
2.共振是受迫振动的特殊情况,当驱动力的频率接近或等于物体固有频率时,受迫振动振幅最大的现象,叫做共振。
3.共振在实际中的应用,往往是利用共振振幅大的特点,但有时也要防止发生共振,避免产生有害后果。
(五)作业
P40练习七1、2
【教材分析】
本节从功能关系、动力学、运动学等多角度来研究受迫振动及其特例──共振现象。
在教学中应该充分发挥实验的作用,使学生理解物体在做受迫振动时其频率跟驱动力频率的关系,以及受迫振动的频率与物体固有频率接近时振动的特点。
另外,在本节的教学中应注意多举一些共振在实际中的应用以及避免共振的做法,培养学生理论联系实际的能力和习惯。
2019-2020年高中物理11.5《外力作用下的振动》教学设计新人教版选修3-4
【教学目标】
一、知识与技能
1.知道什么叫固有频率,理解固有的含义。
2.知道什么叫阻尼振动,能从能量的角度分析阻尼振动产生的原因。
3.知道什么叫驱动力,理解它是按效果命名的力。
4.知道什么叫受迫振动。
理解系统做受迫振动的频率等于驱动力的频率,与系统的固有频率无关。
5.知道什么叫共振,理解共振发生的条件,知道常见共振的应用和危害。
二、过程与方法
1.通过演示实验训练学生的观察能力和由实验现象提炼出规律的能力以及表达能力。
2.通过让学生列举或解释自然现象和生活中实例的方法,培养学生用物理原理和研究方法解决实际问题的意识。
三、情感态度与价值观
让学生领略物理现象与规律的奇妙与和谐,发展学生的好奇心与求知欲,体验探究的艰辛与乐趣。
【教学重点】
1.受迫振动的频率等于驱动力的频率,与系统的固有频率无关。
2.共振发生的条件。
【教学难点】
受迫振动的频率等于驱动力的频率与系统的固有频率无关的理解。
【教学方法】
演示实验,多媒体视频,启发,讨论,交流。
【课时安排】
1课时
(固有频率的概念在研究弹簧振子或单摆时已经给出,所以本节课直接从阻尼振动开始)
【教学过程】
一、复习并引入新课
师:
前面我们学习简谐运动时引入了两个理想化模型是什么?
生:
弹簧振子和单摆。
说它理想很重要的一点就是我们忽略掉振动中的摩擦阻力或空气阻力等,即忽略掉振动系统的能量损失,那么弹簧振子或单摆做什么样的振动?
振幅不变的运动(学生可能回答出别的答案,可提醒他从能量的角度考虑此问题。
)
实际的弹簧振子或单摆的振动肯定有能量损失,它会做什么样的振动呢?
演示实验:
水平弹簧振子做振幅逐渐减小的振动。
这种由于能量的损失导致的振幅逐渐减小的振动叫阻尼振动。
二、新课教学
板书
一、阻尼振动
1.振幅逐渐减小的振动叫阻尼振动。
2.阻尼振动的x-t图象(图11.5-1)
你认为振幅减小的快慢与什么相关?
讨论后得出与阻力大小有关。
演示:
单摆的摆动,第一次在空气中;
第二次在水中(用玻璃水槽盛水,便于观察)。
提醒学生观察振幅减小的快慢有什么不同。
如果进一步增大阻力,会不会造成振动不能发生呢?
可能不发生振动。
单摆摆动,小球在粘稠的泥浆中(用玻璃槽盛泥浆,只观察露在泥浆外的摆线即可。
3.振幅减小的快慢与阻力大小有关;
当阻力过大时,振动不能发生。
钟摆在摆动时受不受阻力作用呢?
它的振幅是否减小呢?
(有相当多的学生没见过带摆的表,如果学习单摆一节时让学生看过实物或视频了,此时直接提出问题即可,否则要演示实物或视频。
普遍认为受阻力,但振幅又保持不变。
是什么原因导致它的振幅不减小呢?
讨论后或经老师提醒后得出摆不断得到能量补充。
(老师可以当场给钟上弦,给出增加弹性势能的视觉感受。
象钟摆这样虽有能量损耗,但能量又不断得到补充,使振动能够持续下去的振动叫受迫振动。
二、受迫振动
1.作用在系统上,不断对系统做功的周期性外力叫驱动力。
(教师指明跟回复力一样,驱动力也是按效果命名的力。
2.受迫振动:
系统在驱动力作用下的振动。
除钟摆外,请你再列举出几个受迫振动的实例。
师、生之间;
生、生之间热烈地讨论交流(老师走到学生中与学生交流,对具体现象老师提出自己的看法,先不下定论。
)几分钟后学生发言列举出一些实例。
教师与其他学生共同甄别是不是受迫振动。
(看书的学生可以列举出教材上的实例)
教师挑出或告知几个典型的受迫振动:
电磁打点计时器振片的振动;
挑物的小扁担的振动(当场表演或看视频);
跳水比赛中跳板的振动(看视频);
被幼儿园老师有节奏推动下的秋千的摆动(看视频);
大型喷气式客机飞过时窗户的振动。
振动系统本身有固有频率,驱动力也是周期性的当然也有频率,那么系统做受迫振动时是以自己的固有频率振动呢?
还是以驱动力的频率振动?
或者都不是呢?
凭直觉猜一猜答案是什么?
绝大多数能猜出不是以固有频率振动,否则老师不会出这个问题,而两种频率都不是又过于复杂,只能是以驱动力频率振动。
老师幽默地说:
“肯定以驱动力频率振动,因为系统做受迫振动,既然是被迫的,自己当然说了不算,就得听受迫源的”
从刚才列举的几个典型的例子中你能不能找到答案?
师、生之间;
生、生之间讨论交流刚才的几个实例,几分钟后学生发言阐述答案与理由,老师与其他同学给予点评。
最后选出三个最典型的实例:
一是电磁打点计时器,当电源频率是50Hz时,振片就以50Hz的频率振动;
当电源频率是60Hz时,振片肯定以60Hz的频率振动。
二是挑物的小扁担的振动频率与人上下振动的频率相同。
三是被幼儿园老师有节奏推动下的秋千的摆动频率等于老师推力的频率。
从直觉上,从看到的现象上来看,系统做受迫振动时是以驱动力频率振动,下面我们专门做实验验证一下我们得出的结论。
图11.5-2,先不通入电流使振子自由振动,感性认识固有频率大小;
再按教材要求做实验。
3.在稳定时受迫振动的频率总等于驱动力的频率,与系统的固有频率无关。
是不是系统的固有频率对系统的振动一点影响也没有呢?
这一次我们从感性入手,通过实验看一看能否找到规律。
图11.5-3(建议再增加一个E摆,摆长比D摆还大),先让学生明白A摆提供驱动力,驱动力频率等于由A摆摆长决定的频率;
其余各摆都做受迫振动,振动频率都等于驱动力频率,即都等于A摆的频率;
同时其余各摆都具有由自己摆长决定的固有频率,其中B摆的固有频率等于驱动力频率,C摆的固有频率大于驱动力频率,D、E两摆的固有频率都小于驱动力频率。
但D摆的固有频率更接近于驱动力频率。
让学生观察实验(可以多做几次实验),说出看到的现象,总结出规律或结论,老师组织同学们互相评价。
师总结出实验结论:
做受迫振动的系统,当固有频率等于驱动力频率时,振幅最大;
当固有频率不等于驱动力频率时,二者越接近,振幅越大。
刚才的实验中由于B摆的固有频率等于驱动力频率,导致B摆振幅最大的现象在物理学上叫共振。
三、共振
1.驱动力频率等于系统的固有频率时,受迫振动的系统振幅最大的现象叫共振。
2.当固有频率不等于驱动力频率时,二者越接近,振幅越大。
3.共振曲线,图11.5-4(让学生说出横、纵轴的物理意义,f0的物理意义,教师提醒学生除峰值外,其他某一振幅都对应两个驱动力频率。
4.共振与受迫振动的关系:
共振是受迫振动的一个特殊状态。
就象受迫振动一样,共振现象也广泛存在于生产、生活当中。
四、生活中的共振与减振
阅读:
科学漫步
共振筛实验
【课堂小结】
1.阻尼振动
2.受迫振动的概念和规律
3.共振的概念、特点
【作业】
课本P21:
1、2、3、4;
通过图书、杂志、互联网等查找共振应用与防止的其他实例,以后找机会交流。
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