物理人教版選修3-4學(xué)案第十一章第5節(jié)外力作用下的振動(dòng)

5外力作用下的振動(dòng)課堂合作探究問(wèn)題導(dǎo)學(xué)一、阻尼振動(dòng)活動(dòng)與探究11．根據(jù)你對(duì)阻尼振動(dòng)的理解，說(shuō)說(shuō)同一簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的能量大小由什么物理量決定。2．查閱資料說(shuō)明無(wú)阻尼振動(dòng)是不是不受任何阻力的振動(dòng)。3．你用力敲鑼，注意聽(tīng)其音調(diào)，在響度減小的過(guò)程中，體驗(yàn)其音調(diào)是否變化。并分析思考為什么會(huì)這樣。遷移與應(yīng)用1如圖所示是單擺做阻尼振動(dòng)的振動(dòng)圖象，下列說(shuō)法正確的是（）A．?dāng)[球A時(shí)刻的動(dòng)能等于B時(shí)刻的動(dòng)能B．?dāng)[球A時(shí)刻的勢(shì)能等于B時(shí)刻的勢(shì)能C．?dāng)[球A時(shí)刻的機(jī)械能等于B時(shí)刻的機(jī)械能D．?dāng)[球在做減幅振動(dòng)中周期沒(méi)有減小1．從能量角度來(lái)看，實(shí)際的振動(dòng)都是阻尼振動(dòng)。由于摩擦和介質(zhì)阻力做負(fù)功，系統(tǒng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能等其他形式的能，機(jī)械能的總量減少，如果沒(méi)有能量補(bǔ)充，最終振動(dòng)要停下來(lái)，這就是阻尼振動(dòng)。2．阻尼振動(dòng)中振幅雖然逐漸減小，但振動(dòng)的頻率不會(huì)變化，此頻率稱為固有頻率，由振動(dòng)系統(tǒng)決定。3．是否是阻尼振動(dòng)，關(guān)鍵是看振幅是否逐漸減小。振幅不變的振動(dòng)稱為無(wú)阻尼振動(dòng)，無(wú)阻尼振動(dòng)機(jī)械能不變。4．實(shí)際的振動(dòng)嚴(yán)格看都是阻尼振動(dòng)，要使振幅恒定，可定期補(bǔ)充能量，如機(jī)械擺鐘。二、受迫振動(dòng)活動(dòng)與探究21．有的同學(xué)認(rèn)為“阻尼振動(dòng)就是受迫振動(dòng)，穩(wěn)定振動(dòng)就是自由振動(dòng)”，對(duì)不對(duì)？與同學(xué)討論后說(shuō)出自己的看法。2．受迫振動(dòng)中，若周期性的驅(qū)動(dòng)力給系統(tǒng)補(bǔ)充的能量與系統(tǒng)因阻尼振動(dòng)消耗的能量相等，那么物體振動(dòng)的振幅是否變化？它能否看成簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)？遷移與應(yīng)用2如圖，兩個(gè)彈簧振子懸掛在同一支架上，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，當(dāng)支架在受到豎直方向且頻率為9Hz的驅(qū)動(dòng)力作用做受迫振動(dòng)時(shí)，則兩個(gè)彈簧振子的振動(dòng)情況是（）A．甲的振幅較大，且振動(dòng)頻率為8HzB．甲的振幅較大，且振動(dòng)頻率為9HzC．乙的振幅較大，且振動(dòng)頻率為9HzD．乙的振幅較大，且振動(dòng)頻率為72Hz1．受迫振動(dòng)的周期和頻率由驅(qū)動(dòng)力決定，與振動(dòng)物體的固有周期和頻率無(wú)關(guān)。受迫振動(dòng)的周期和頻率等于驅(qū)動(dòng)力的周期和頻率，即T＝T驅(qū)，f＝f驅(qū)。2．驅(qū)動(dòng)力頻率越接近固有頻率，受迫振動(dòng)的振幅越大。三、共振活動(dòng)與探究31．在如圖所示的實(shí)驗(yàn)中，某同學(xué)先讓A擺振動(dòng)起來(lái)，則它通過(guò)張緊的繩給其他各擺施加驅(qū)動(dòng)力。你親自實(shí)踐并注意觀察各擺的振動(dòng)步調(diào)，說(shuō)出它們的不同。2．用扁擔(dān)挑水時(shí)，有時(shí)桶里的水會(huì)蕩得厲害，并從桶中濺出來(lái)，這是為什么？如何避免發(fā)生這一現(xiàn)象？要記得親自實(shí)踐一下喲！不清楚原因可以去問(wèn)有經(jīng)驗(yàn)的人。遷移與應(yīng)用3鋪設(shè)鐵軌時(shí)，每?jī)筛撥壗涌p處都必須留有一定的間隙，快速運(yùn)行的列車經(jīng)過(guò)軌端接縫處時(shí)，車輪就會(huì)受到一次沖撞，由于每一根鋼軌長(zhǎng)度相等，所以這個(gè)沖擊力是周期性的，列車受到周期性的沖擊做受迫振動(dòng)，普通鋼軌長(zhǎng)為12.6m，列車固有振動(dòng)周期為0.315s，下列說(shuō)法正確的是（）A．列車的危險(xiǎn)速率為40m/sB．列車過(guò)橋需要減速，是為了防止列車發(fā)生共振現(xiàn)象C．列車運(yùn)行的振動(dòng)頻率和列車的固有頻率總是相等的D．增加鋼軌的長(zhǎng)度有利于列車高速運(yùn)行對(duì)共振產(chǎn)生的條件可從兩個(gè)角度理解：1．從受力角度看：當(dāng)振動(dòng)物體所受驅(qū)動(dòng)力的方向跟它的運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí)，驅(qū)動(dòng)力對(duì)它起加速作用，使它的振幅增大，驅(qū)動(dòng)力的頻率跟物體的固有頻率越接近，使物體振幅增大的力的作用次數(shù)就越多，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率等于物體的固有頻率時(shí)，它的每一次作用都使物體的振幅增加，從而使振幅達(dá)到最大。2．從功能關(guān)系看：當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率越接近物體的固有頻率時(shí)，驅(qū)動(dòng)力方向與物體運(yùn)動(dòng)方向一致的次數(shù)越多，驅(qū)動(dòng)力對(duì)物體做正功越多，振幅就越大，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率等于物體的固有頻率時(shí)，驅(qū)動(dòng)力始終對(duì)物體做正功，使振動(dòng)能量不斷增加，振幅不斷增大，直到增加的能量等于克服阻尼作用損耗的能量，振幅才不再增加。3．共振既有其有利的一面，也有其有害的一面。在利用共振時(shí)，應(yīng)使驅(qū)動(dòng)力的頻率接近或等于振動(dòng)物體的固有頻率，在需要防止共振時(shí)，應(yīng)使驅(qū)動(dòng)力的頻率與振動(dòng)物體的固有頻率不同，而且相差越大越好。當(dāng)堂檢測(cè)1．下列敘述中不屬于共振現(xiàn)象的有（）A．大隊(duì)人馬邁著整齊步伐過(guò)橋可能會(huì)導(dǎo)致橋梁斷裂B．耳朵湊近空熱水瓶口能聽(tīng)到嗡嗡的聲音C．海上風(fēng)暴引起強(qiáng)烈的震動(dòng)產(chǎn)生次聲波（頻率f＜20Hz）D．把彈簧振子拉到距離平衡位置最遠(yuǎn)時(shí)放手，則此時(shí)振幅最大2．如果存在摩擦和空氣阻力，那么任何物體的機(jī)械振動(dòng)嚴(yán)格地講都不是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，在振動(dòng)過(guò)程中振幅、周期和機(jī)械能將（）A．振幅減小，周期減小，機(jī)械能減少B．振幅減小，周期不變，機(jī)械能減少C．振幅不變，周期減小，機(jī)械能減少D．振幅不變，周期不變，機(jī)械能減少3．如圖所示，曲軸上懸掛一彈簧振子，轉(zhuǎn)動(dòng)搖把，曲軸可以帶動(dòng)彈簧振子上下振動(dòng)。開(kāi)始時(shí)不轉(zhuǎn)動(dòng)搖把，讓振子上下自由振動(dòng)，測(cè)得振動(dòng)頻率為2Hz，然后勻速轉(zhuǎn)動(dòng)搖把，轉(zhuǎn)速為240r/min，當(dāng)振子振動(dòng)穩(wěn)定后，它的振動(dòng)周期為（）A．eq\f(1,2)sB．eq\f(1,4)sC．2sD．4s4．把一個(gè)篩子用四根彈簧支起來(lái)，篩子上裝一個(gè)電動(dòng)偏心輪，它每轉(zhuǎn)一周，給篩子一個(gè)驅(qū)動(dòng)力，這就做成了一個(gè)共振篩（如圖所示）。不開(kāi)電動(dòng)機(jī)讓這個(gè)篩子自由振動(dòng)時(shí)，完成20次全振動(dòng)用15s；在某電壓下，電動(dòng)偏心輪的轉(zhuǎn)速是88r/min。已知增大電動(dòng)偏心輪的電壓可以使其轉(zhuǎn)速提高，而增加篩子的總質(zhì)量可以增大篩子的固有周期。為使共振篩的振幅增大，以下做法可行的是（）A．降低輸入電壓B．提高輸入電壓C．增加篩子質(zhì)量D．減小篩子質(zhì)量5．汽車的車身一般支撐在固定于軸承上的若干彈簧上，彈簧的等效勁度系數(shù)k×105N/m，汽車開(kāi)動(dòng)時(shí)，在振幅較小的情況下，其上下自由振動(dòng)的頻率滿足f＝eq\f(1,2π)eq\r(\f(g,l))（l為彈簧壓縮的長(zhǎng)度）。若人體可以看成一個(gè)彈性體，其固有頻率約為2Hz，已知汽車的質(zhì)量為600kg，每個(gè)人的質(zhì)量為70kg，則這輛車乘坐幾個(gè)人時(shí)，人感覺(jué)到最難受？（g取10m/s2）答案：課堂·合作探究【問(wèn)題導(dǎo)學(xué)】活動(dòng)與探究1：1．答案：同一簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的能量大小由振幅大小決定。2．答案：物體做無(wú)阻尼振動(dòng)，并不一定指它不受阻力，而是指它在振動(dòng)過(guò)程中保持振幅不變。3．答案：用力敲鑼，由于鑼受到阻尼作用，振幅越來(lái)越小，鑼聲減弱（響度減?。?，但音調(diào)不變（頻率不變）。這是因?yàn)?，物體做阻尼振動(dòng)時(shí)，振幅雖然不斷減小，但振動(dòng)的頻率仍由振動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所決定，并不會(huì)隨振幅的減小而變化。遷移與應(yīng)用1：BD解析：由于振幅逐漸減小，擺球的機(jī)械能逐漸減小，故C錯(cuò)。阻尼振動(dòng)在做減幅振動(dòng)的過(guò)程中周期沒(méi)有變化，故D正確。由于A、B兩時(shí)刻擺球的位移相同，故在這兩個(gè)時(shí)刻擺球相對(duì)零勢(shì)能點(diǎn)的高度相同，擺球質(zhì)量不變，勢(shì)能也相同，故B正確。由于A時(shí)刻的機(jī)械能大于B時(shí)刻的機(jī)械能，而A、B兩時(shí)刻的勢(shì)能相同，故A時(shí)刻的動(dòng)能大于B時(shí)刻的動(dòng)能，A錯(cuò)?；顒?dòng)與探究2：1．答案：阻尼振動(dòng)是在阻力作用下的振動(dòng)，受迫振動(dòng)是在周期性驅(qū)動(dòng)力作用下的振動(dòng)，所以兩者不是一回事。自由振動(dòng)是振動(dòng)系統(tǒng)在固有周期下的振動(dòng)，是自由的，不受外力驅(qū)動(dòng)的；而穩(wěn)定振動(dòng)是指振動(dòng)特征相對(duì)穩(wěn)定的振動(dòng)，比如受迫振動(dòng)在穩(wěn)定后，振動(dòng)的周期和頻率與驅(qū)動(dòng)力的周期和頻率相等。2．答案：物體振動(dòng)的振幅不變，即物體將做等幅振動(dòng)。振動(dòng)系統(tǒng)的總機(jī)械能不變，但不是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，因?yàn)楹?jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)所受阻力可以忽略，并且振動(dòng)的頻率等于固有頻率，屬于自由振動(dòng)。遷移與應(yīng)用2：B解析：因?yàn)榧椎墓逃蓄l率接近驅(qū)動(dòng)力的頻率，可知甲的振幅較大。做受迫振動(dòng)的物體的頻率等于驅(qū)動(dòng)力的頻率，無(wú)論其固有頻率是多少，此時(shí)做受迫振動(dòng)的頻率都等于驅(qū)動(dòng)力頻率9Hz，所以B選項(xiàng)正確。活動(dòng)與探究3：1．答案：A做自由振動(dòng)，其他各擺做受迫振動(dòng)，由于是通過(guò)上面張緊的水平繩對(duì)其他擺施加驅(qū)動(dòng)力，所以A與其他各擺的振動(dòng)步調(diào)相反，而B(niǎo)、C、D三擺的振動(dòng)步調(diào)一致。2．答案：挑水時(shí)，由于行走時(shí)肩膀的起伏，人通過(guò)扁擔(dān)對(duì)水桶施加力的作用，使水因受到周期性的驅(qū)動(dòng)力而做受迫振動(dòng)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力頻率接近或等于桶里水的固有頻率時(shí)，水桶里的水就會(huì)發(fā)生共振，所以水的動(dòng)蕩越來(lái)越厲害，直到濺出來(lái)。為了避免發(fā)生這種現(xiàn)象，就要使驅(qū)動(dòng)力的頻率和水桶里的水的固有頻率相差較多，可行的辦法：改變行走的快慢或停止走動(dòng)片刻，或在桶里放些漂浮物，增大阻尼，使振動(dòng)系統(tǒng)克服阻力做功，消耗些能量，也可有效減小水的振動(dòng)幅度。遷移與應(yīng)用3：AD解析：當(dāng)列車受到?jīng)_擊力的周期T等于列車固有的周期0.315s時(shí)，列車車廂將會(huì)發(fā)生共振，而列車所受沖擊力的周期T＝eq\f(l,v)?v＝eq\,0.315)m/s＝40m/s，即火車的危險(xiǎn)速率為40m/s，選項(xiàng)A正確。列車過(guò)橋時(shí)減速的目的是為了防止橋梁發(fā)生共振（使沖擊力的頻率遠(yuǎn)離橋梁振動(dòng)的固有頻率），而不是防止列車發(fā)生共振，選項(xiàng)B錯(cuò)。列車運(yùn)行的振動(dòng)頻率由鋼軌長(zhǎng)度L和車速v決定，f＝eq\f(1,T)＝eq\f(v,l)，而列車的固有頻率是由車廂質(zhì)量和車廂下面板簧的勁度系數(shù)決定的，選項(xiàng)C錯(cuò)。直接增加火車的速度，會(huì)使車速接近危險(xiǎn)速度；若提高鋼軌長(zhǎng)度，則危險(xiǎn)速度增大，從而使車速遠(yuǎn)離危險(xiǎn)速度。選項(xiàng)D正確?！井?dāng)堂檢測(cè)】1．D2．B解析：在振動(dòng)過(guò)程中，由于摩擦和空氣阻力要損失機(jī)械能，所以機(jī)械能減少，振幅減小，但其周期為固有周期，只與其本身有關(guān)，與振幅無(wú)關(guān)，即周期不變，所以選項(xiàng)B正確。3．B解析：彈簧振子做受迫振動(dòng)時(shí)，其振動(dòng)周期等于驅(qū)動(dòng)力的周期，就等于曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的周期，故T＝eq\f(60,240)s＝eq\f(1,4)s。4．AD解析：篩子的固有頻率為f固＝eq\f(20,15)Hz＝eq\f(4,3)Hz，而當(dāng)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力頻率為f驅(qū)＝eq\f(