2022年秋新教材高中物理第二章機(jī)械振動(dòng)第五節(jié)受迫振動(dòng)共振課件粵教版選擇性必修第一冊(cè)

第五節(jié)受迫振動(dòng)共振物理觀念1.知道阻尼振動(dòng)、驅(qū)動(dòng)力、受迫振動(dòng)的概念。2.知道共振現(xiàn)象及發(fā)生共振的條件?？茖W(xué)思維1.理解受迫振動(dòng)的頻率是由驅(qū)動(dòng)力的頻率決定的。2.理解受迫振動(dòng)的振幅與驅(qū)動(dòng)力頻率的關(guān)系曲線，并能解決相關(guān)問(wèn)題?？茖W(xué)探究阻尼振動(dòng)能量的轉(zhuǎn)化、受迫振動(dòng)的特點(diǎn)?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任了解共振在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用和危害。核心素養(yǎng)點(diǎn)擊一、受迫振動(dòng)的頻率1．填一填(1)等幅振動(dòng)：

保持不變的振動(dòng)。(2)阻尼振動(dòng)：

逐漸減小的振動(dòng)。(3)受迫振動(dòng)：在系統(tǒng)外界

作用下的振動(dòng)。(4)固有頻率：彈簧振子和單擺的自由振動(dòng)頻率。(5)受迫振動(dòng)的頻率：等于

的頻率，與彈簧振子的固有頻率

。振幅振幅驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)力無(wú)關(guān)2．判一判(1)單擺在空中的擺動(dòng)屬于阻尼振動(dòng)。

()(2)受迫振動(dòng)的頻率等于振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率。

()(3)物體做受迫振動(dòng)時(shí)，振幅可能是不變的。

()3．選一選下列振動(dòng)中屬于受迫振動(dòng)的是

(

)A．用重錘敲擊一下懸吊著的鐘后，鐘的擺動(dòng)B．電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接通電源后，振針的振動(dòng)C．小孩睡在自由擺動(dòng)的吊床上，小孩隨著吊床一起擺動(dòng)D．彈簧振子在豎直方向上沿上下方向振動(dòng)√×√解析：敲擊后的鐘不再受驅(qū)動(dòng)力，其振動(dòng)是自由振動(dòng)，不屬于受迫振動(dòng)，故A錯(cuò)誤；電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接通電源后，振針的振動(dòng)受電源的驅(qū)動(dòng)，屬于受迫振動(dòng)，振蕩頻率等于交流電的頻率，故B正確；小孩睡在自由擺動(dòng)的吊床上，小孩隨著吊床一起擺動(dòng)，由于空氣阻力的作用，小孩和吊床一起做阻尼振動(dòng)，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤；忽略空氣阻力，彈簧振子在豎直方向上沿上下方向振動(dòng)時(shí)，受到的合外力具有簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)回復(fù)力的特點(diǎn)，故屬于簡(jiǎn)諧振動(dòng)，故D錯(cuò)誤。答案：B二、共振共振的應(yīng)用和防止1．填一填(1)共振：當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率

固有頻率時(shí)，物體做受迫振動(dòng)的

達(dá)到最大值的現(xiàn)象。(2)受迫振動(dòng)的振幅與驅(qū)動(dòng)力頻率的關(guān)系曲線。f0為振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率。等于振幅(3)共振的應(yīng)用和防止

①應(yīng)用：共振篩、地震儀、電子表、原子鐘等。

②防止：橋梁、建筑物、機(jī)器設(shè)備等，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮共振產(chǎn)生的危害。2．判一判(1)發(fā)生共振的物體所做的振動(dòng)必定是受迫振動(dòng)，其振動(dòng)頻率等于驅(qū)動(dòng)力的頻率。

()(2)生活中應(yīng)盡量使驅(qū)動(dòng)力的頻率接近振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率。

()(3)當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率增大時(shí)，振動(dòng)的振幅也一定增大。

()√××√××3．想一想用扁擔(dān)挑水時(shí)，有時(shí)桶里的水會(huì)蕩得厲害，甚至從桶中濺出來(lái)，這是為什么？如何避免這一現(xiàn)象的發(fā)生？提示：挑水時(shí)，由于行走時(shí)肩膀的起伏，人通過(guò)扁擔(dān)對(duì)水桶作用，使水受到驅(qū)動(dòng)力而做受迫振動(dòng)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率接近(或等于)桶里水的固有頻率時(shí)，水桶里的水就發(fā)生共振，所以水會(huì)蕩得厲害，以至于飛濺出來(lái)。為了避免發(fā)生這種現(xiàn)象，就要使驅(qū)動(dòng)力的頻率盡量遠(yuǎn)離桶里水的固有頻率，解決的辦法有改變行走的步頻或停止走動(dòng)片刻，也可以在桶里放些漂浮物，增大阻力，使振動(dòng)系統(tǒng)克服阻力做功，消耗部分機(jī)械能，以減小水的振幅。探究(一)比較簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)與阻尼振動(dòng)[問(wèn)題驅(qū)動(dòng)]如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置為一掛在曲軸上的彈簧振子，勻速搖動(dòng)手柄，下面的彈簧振子就會(huì)振動(dòng)起來(lái)。實(shí)際動(dòng)手做一下，然后回答以下幾個(gè)問(wèn)題。(1)如果手柄不動(dòng)而用手拉動(dòng)一下振子，會(huì)看到什么現(xiàn)象？這種振動(dòng)屬于什么振動(dòng)？(2)阻尼振動(dòng)的振幅在減小的過(guò)程中，頻率是否隨著減?。刻崾荆?1)振子的振幅逐漸減小，屬于阻尼振動(dòng)。(2)阻尼振動(dòng)的振動(dòng)頻率保持不變。

[重難釋解]1．簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)是一種理想化的模型，物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的一切阻力都不考慮。2．阻尼振動(dòng)考慮阻力的影響，是更貼合實(shí)際的一種運(yùn)動(dòng)。3．簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)和阻尼振動(dòng)的比較

振動(dòng)類型比較項(xiàng)目簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)阻尼振動(dòng)產(chǎn)生條件不受阻力作用受阻力作用頻率固有頻率頻率不變振幅不變減小振動(dòng)圖像實(shí)例彈簧振子振動(dòng)，單擺做小角度擺動(dòng)敲鑼打鼓發(fā)出的聲音越來(lái)越弱典例1(多選)如圖所示是單擺做阻尼振動(dòng)的振動(dòng)圖線，下列說(shuō)法正確的是(

)A．?dāng)[球在A時(shí)刻的動(dòng)能等于B時(shí)刻的動(dòng)能B．?dāng)[球在A時(shí)刻的勢(shì)能等于B時(shí)刻的勢(shì)能C．?dāng)[球在A時(shí)刻的機(jī)械能等于B時(shí)刻的機(jī)械能D．?dāng)[球在A時(shí)刻的機(jī)械能大于B時(shí)刻的機(jī)械能[解析]在單擺做阻尼振動(dòng)的過(guò)程中，因不斷克服空氣阻力做功使動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，C項(xiàng)錯(cuò)誤，D項(xiàng)正確；雖然單擺總的機(jī)械能在逐漸減小，但在振動(dòng)過(guò)程中動(dòng)能和勢(shì)能仍在不斷地相互轉(zhuǎn)化。由于A、B兩時(shí)刻，單擺的位移相等，所以勢(shì)能相等，但動(dòng)能不相等，A項(xiàng)錯(cuò)誤，B項(xiàng)正確。[答案]

BD阻尼振動(dòng)的三個(gè)特點(diǎn)(1)振幅逐漸減小，最后停止振動(dòng)。(2)系統(tǒng)的機(jī)械能逐漸減少，最后耗盡。(3)周期、頻率不隨振幅的變化而變化。[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．(多選)一單擺做阻尼振動(dòng)，則在振動(dòng)過(guò)程中

(

)A．振幅越來(lái)越小，周期也越來(lái)越小B．振幅越來(lái)越小，周期不變C．在振動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)某一位置時(shí)，機(jī)械能始終不變D．在振動(dòng)過(guò)程中，機(jī)械能不守恒，周期不變解析：因單擺做阻尼振動(dòng)，所以振幅越來(lái)越小，機(jī)械能越來(lái)越小，振動(dòng)周期不變。答案：BD2．(多選)下列說(shuō)法中正確的是

(

)A．阻尼振動(dòng)是減幅振動(dòng)B．實(shí)際的振動(dòng)系統(tǒng)不可避免地要受到阻尼作用C．阻尼過(guò)大時(shí)，系統(tǒng)將不能發(fā)生振動(dòng)D．發(fā)生阻尼振動(dòng)，振動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能不發(fā)生變化解析：阻尼振動(dòng)即振動(dòng)過(guò)程中受到阻力作用的振動(dòng)，因?yàn)閷?shí)際的運(yùn)動(dòng)在空氣中要受到空氣的阻力作用，因此不可避免地受到阻尼作用，即B選項(xiàng)正確；由于振幅是振動(dòng)系統(tǒng)能量大小的標(biāo)志，阻尼振動(dòng)過(guò)程中由于要克服阻力做功，消耗系統(tǒng)的機(jī)械能，因此系統(tǒng)機(jī)械能減小，所以振幅要減小，則A選項(xiàng)正確；當(dāng)阻尼過(guò)大時(shí)由于合外力可能為零，將不能提供回復(fù)力，則振動(dòng)系統(tǒng)將不能發(fā)生振動(dòng)，C選項(xiàng)正確；發(fā)生阻尼振動(dòng)，振動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能逐漸減小，D錯(cuò)誤。答案：ABC3．自由擺動(dòng)的秋千，擺動(dòng)的振幅越來(lái)越小，下列說(shuō)法正確的是

(

)A．機(jī)械能守恒B．能量正在消失C．總能量守恒，機(jī)械能減小D．只有動(dòng)能和勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化解析：自由擺動(dòng)的秋千可以看作阻尼振動(dòng)的模型，振動(dòng)系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)化包括動(dòng)能、勢(shì)能和內(nèi)能之間的相互轉(zhuǎn)化。系統(tǒng)由于受到阻力，系統(tǒng)的機(jī)械能不斷減小，但總能量守恒。答案：C探究(二)受迫振動(dòng)和共振[問(wèn)題驅(qū)動(dòng)]如圖所示，兩個(gè)彈簧振子懸掛在同一個(gè)支架上，已知甲彈簧振子的固有頻率為8Hz，乙彈簧振子的固有頻率為72Hz，支架受到豎直方向且頻率為9Hz的驅(qū)動(dòng)力作用而做受迫振動(dòng)。兩個(gè)彈簧振子的振動(dòng)情況是怎樣？提示：支架在受到豎直方向且頻率為9Hz的驅(qū)動(dòng)力作用下做受迫振動(dòng)時(shí)，甲、乙兩個(gè)彈簧振子都做受迫振動(dòng)，它們振動(dòng)的頻率都等于驅(qū)動(dòng)力的頻率9Hz，由于甲的固有頻率接近于驅(qū)動(dòng)力的頻率，所以甲的振幅較大。

[重難釋解]1．受迫振動(dòng)和共振的比較振動(dòng)類型受迫振動(dòng)共振受力情況周期性驅(qū)動(dòng)力周期性驅(qū)動(dòng)力振動(dòng)周期或頻率由驅(qū)動(dòng)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(dòng)能量由產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力的物體提供振動(dòng)物體獲得的能量最大常見例子機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)底座發(fā)生的振動(dòng)共振篩、聲音的共鳴等2．對(duì)共振曲線的理解(1)兩坐標(biāo)軸的意義橫軸：驅(qū)動(dòng)力頻率。縱軸：受迫振動(dòng)的振幅，如圖所示。(2)f0的意義：表示固有頻率。(3)認(rèn)識(shí)曲線形狀：f＝f0，共振；f＞f0或f＜f0，振幅較小；f與f0相差越大，振幅越小。(4)結(jié)論：驅(qū)動(dòng)力的頻率f越接近振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率f0，受迫振動(dòng)的振幅越大，反之振幅越小。典例2下表記錄了某受迫振動(dòng)的振幅隨驅(qū)動(dòng)力頻率變化的關(guān)系，若該振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率為f固，則

(

)A．f固＝60Hz

B．60Hz<f固<70HzC．50Hz<f固<60Hz D．以上三項(xiàng)都不對(duì)驅(qū)動(dòng)力頻率/Hz304050607080受迫振動(dòng)振幅/cm10.216.827.228.116.58.3[解析]

畫出共振曲線如圖所示，從如圖所示的共振曲線，可判斷出f驅(qū)與f固相差越大，受迫振動(dòng)的振幅越??；f驅(qū)與f固越接近，受迫振動(dòng)的振幅越大；f驅(qū)越接近f固，振幅的變化越慢。比較各組數(shù)據(jù)知50Hz<f固<60Hz，即C選項(xiàng)正確。[答案]

C[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．(多選)下列說(shuō)法中正確的是

(

)A．有阻力的振動(dòng)叫作受迫振動(dòng)B．物體振動(dòng)時(shí)受到外力作用，它的振動(dòng)就是受迫振動(dòng)C．物體在周期性外力作用下的振動(dòng)叫作受迫振動(dòng)D．物體在周期性外力作用下振動(dòng)，它的振動(dòng)頻率最終等于驅(qū)動(dòng)力頻率解析：物體在周期性外力作用下的振動(dòng)叫作受迫振動(dòng)，選項(xiàng)C對(duì)，B錯(cuò)；這個(gè)周期性的外力應(yīng)當(dāng)能給振動(dòng)物體補(bǔ)充能量，而阻力不行，選項(xiàng)A錯(cuò)；受迫振動(dòng)的頻率最終等于驅(qū)動(dòng)力頻率，選項(xiàng)D對(duì)。答案：CD解析：這是一個(gè)受迫振動(dòng)的問(wèn)題，由D擺提供驅(qū)動(dòng)力，提供A、B、C、E擺振動(dòng)的能量，A、B、C、E擺做受迫振動(dòng)，其振動(dòng)的頻率和周期等于D擺的振動(dòng)頻率和周期，故C選項(xiàng)錯(cuò)誤。因?yàn)锽擺的擺長(zhǎng)與D擺相等，B擺的固有周期等于驅(qū)動(dòng)力的周期，滿足發(fā)生共振的條件，B擺發(fā)生共振，振幅最大，故A選項(xiàng)正確。答案：A3．(多選)一個(gè)單擺做受迫振動(dòng)，其共振曲線(振幅A與驅(qū)動(dòng)力的頻率f的關(guān)系)如圖所示，則

(

)A．此單擺的固有周期為2sB．此單擺的擺長(zhǎng)約為1mC．若擺長(zhǎng)增大，單擺的固有頻率增大D．若擺長(zhǎng)增大，共振曲線的峰將向右移動(dòng)一、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維

(選自魯科版新教材“物理聊吧”)蕩過(guò)秋千的人都有這種經(jīng)驗(yàn)：輕推一下使它微微擺動(dòng)后，只要按照它的固有頻率周期性地施加推力，盡管每次的推力都很小，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，秋千也會(huì)蕩得很高。這是為什么？請(qǐng)與同學(xué)討論交流。

提示：按照秋千的固有頻率周期性地施加推力時(shí)，盡管每次的推力都很小，它每次都對(duì)系統(tǒng)做正功，系統(tǒng)振動(dòng)的能量越來(lái)越大，秋千蕩得越來(lái)越高。二、注重學(xué)以致用和思維建模1．“共振”與生活

共振技術(shù)普遍用于機(jī)械、化學(xué)、力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)及分子、原子物理學(xué)、工程技術(shù)等幾乎所有的科技領(lǐng)域。如音響設(shè)備中揚(yáng)聲器紙盆的振動(dòng)，各種弦樂(lè)器中音腔在共鳴箱中的振動(dòng)等利用了“力學(xué)振；電磁波的接收和發(fā)射利用了“電磁共振”；激光的產(chǎn)生利用了“光學(xué)共振”；醫(yī)療中則有已經(jīng)非常普及的“核磁共振”等。2．利用共振解決問(wèn)題(1)在分析解答有關(guān)共振問(wèn)題時(shí)，要抓住產(chǎn)生共振的條件分析：驅(qū)動(dòng)力的頻率等于固有頻率時(shí)產(chǎn)生共振，此時(shí)振動(dòng)的振幅最大。(2)在解決有關(guān)共振的實(shí)際問(wèn)題時(shí)，要抽象出受迫振動(dòng)這一物理模型，弄清驅(qū)動(dòng)力頻率和固有頻率，然后利用共振的條件進(jìn)行求解。(3)圖像法解決問(wèn)題直觀方便，如圖所示，利用共振圖線可以找出最大振幅，以及振動(dòng)的固有頻率或固有周期，然后再利用周期公式進(jìn)行分析。[對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練]1．部隊(duì)經(jīng)過(guò)橋梁時(shí)，規(guī)定不許齊步走，登山運(yùn)動(dòng)員登高山時(shí)(高山上有積雪)，不許高聲叫喊，主要原因是

(

)A．減輕對(duì)橋的壓力，避免產(chǎn)生回聲B．減小對(duì)橋、高山的沖力C．避免使橋、積雪發(fā)生共振D．使橋受到的壓力均勻，使登山運(yùn)動(dòng)員耗散能量減小解析：部隊(duì)過(guò)橋時(shí)如果齊步走，會(huì)給橋梁施加周期性的外力，容易使橋梁的振動(dòng)幅度增加，可能發(fā)生共振，造成橋梁倒塌。登山運(yùn)動(dòng)員登高山時(shí)(高山上有常年積雪，高山內(nèi)部溫度較高，有部分雪融化成了水，對(duì)覆雪起了潤(rùn)滑作用)高聲叫喊，聲波容易引起積雪共振從而發(fā)生雪崩，故應(yīng)選C。答案：C2．(多選)把一個(gè)篩子用四根彈簧支起來(lái)，篩子上安一個(gè)電動(dòng)偏心輪，它每轉(zhuǎn)一周給篩子一個(gè)驅(qū)動(dòng)力，這樣就做成了一個(gè)共振篩，如圖所示。篩子做自由振動(dòng)時(shí)，完成10次全振動(dòng)用時(shí)15s，在某電壓下，電動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)速是36r/min。已知增大電壓可使偏心輪轉(zhuǎn)速提高；增加篩子質(zhì)量，可以增大篩子的固有周期。那么要使篩子的振幅增大，下列做法正確的是

(

)A．提高輸入