新教材適用2023-2024學(xué)年高中物理第二章機(jī)械振動(dòng)5.阻尼振動(dòng)受迫振動(dòng)課件教科版選擇性必修第一冊

5.阻尼振動(dòng)受迫振動(dòng)第二章內(nèi)容索引010203自主預(yù)習(xí)新知導(dǎo)學(xué)合作探究釋疑解惑隨堂練習(xí)課標(biāo)定位素養(yǎng)闡釋1.通過實(shí)驗(yàn),認(rèn)識受迫振動(dòng)的特點(diǎn)。2.了解產(chǎn)生共振的條件及其應(yīng)用。3.知道阻尼振動(dòng)、自由振動(dòng)、固有頻率等物理概念。1.知道阻尼振動(dòng)和阻尼振動(dòng)能量的轉(zhuǎn)化情況,形成正確物理觀念。2.知道什么是受迫振動(dòng)及產(chǎn)生條件,掌握物體做受迫振動(dòng)的特點(diǎn),培養(yǎng)科學(xué)思維。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,形成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。自主預(yù)習(xí)新知導(dǎo)學(xué)一、阻尼振動(dòng)1.阻尼振動(dòng):振動(dòng)逐漸減弱,即振幅逐漸變小,振動(dòng)能量逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌芰?這種振動(dòng)叫作阻尼振動(dòng)。2.自由振動(dòng):系統(tǒng)不受外力作用,只在自身回復(fù)力作用下的振動(dòng),稱為自由振動(dòng)。3.無阻尼振動(dòng):理想情況下(即不受任何外力,沒有任何能量損耗)振幅保持不變,叫作無阻尼振動(dòng)。4.系統(tǒng)的固有頻率:自由振動(dòng)的頻率,叫作系統(tǒng)的固有頻率。固有頻率由系統(tǒng)本身的特征決定。5.實(shí)際的彈簧振子的運(yùn)動(dòng)是阻尼振動(dòng)嗎?答案:實(shí)際的彈簧振子在運(yùn)動(dòng)中除受彈力外,還受摩擦力等阻力的作用,振幅逐漸變小,因此振子做的是阻尼振動(dòng)。當(dāng)阻力很小時(shí),在不太長時(shí)間內(nèi)看不出振幅有明顯的變小,于是就可以把它當(dāng)作簡諧運(yùn)動(dòng)來處理。二、受迫振動(dòng)1.驅(qū)動(dòng)力:如果用周期性的外力作用于振動(dòng)系統(tǒng),補(bǔ)償系統(tǒng)的能量損耗,使系統(tǒng)持續(xù)等幅地振動(dòng)下去,這種周期性的外力叫作驅(qū)動(dòng)力。2.受迫振動(dòng):系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)力作用下振動(dòng)叫作受迫振動(dòng)。三、共振1.共振:驅(qū)動(dòng)力的頻率等于振動(dòng)物體的固有頻率時(shí),受迫振動(dòng)的振幅最大,這種現(xiàn)象叫作共振。2.當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率f等于振動(dòng)物體的固有頻率f0時(shí),振幅最大;驅(qū)動(dòng)力的頻率f跟固有頻率f0相差越大,振幅越小。3.做受迫振動(dòng)的物體一定會發(fā)生共振嗎?答案:不一定。物體做受迫振動(dòng)時(shí),當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率等于固有頻率時(shí),才會發(fā)生共振,即發(fā)生共振的物體一定做受迫振動(dòng),做受迫振動(dòng)的物體不一定發(fā)生共振。四、共振的應(yīng)用與防止在需要利用共振時(shí),應(yīng)使驅(qū)動(dòng)力的頻率接近或等于振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率;在需要防止共振時(shí),應(yīng)使驅(qū)動(dòng)力的頻率遠(yuǎn)離振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率?！舅伎加懻摗?/p>

1.判斷下列說法的正誤。(1)受迫振動(dòng)的頻率與振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率無關(guān)。(

)(2)驅(qū)動(dòng)力頻率越大,振幅越大。(

)(3)共振只有害處沒有好處。(

)(4)做受迫振動(dòng)的物體一定會發(fā)生共振。(

)(5)阻尼振動(dòng)的頻率隨振幅的減小而不斷減小。(

)√××××2.(多選)某振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率為f0,在周期性驅(qū)動(dòng)力的作用下做受迫振動(dòng),驅(qū)動(dòng)力的頻率為f。若驅(qū)動(dòng)力的振幅保持不變,下列說法正確的是(

)A.當(dāng)f<f0時(shí),該振動(dòng)系統(tǒng)的振幅隨f增大而減小B.當(dāng)f>f0時(shí),該振動(dòng)系統(tǒng)的振幅隨f減小而增大C.該振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)穩(wěn)定后,振動(dòng)的頻率等于f0D.該振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)穩(wěn)定后,振動(dòng)的頻率等于f答案:BD解析:當(dāng)f=f0時(shí),系統(tǒng)達(dá)到共振,振幅最大,故f<f0時(shí),隨f的增大,振幅增大,故A錯(cuò)誤;當(dāng)f>f0時(shí),隨f的減小,驅(qū)動(dòng)力的頻率接近固有頻率,故該振動(dòng)系統(tǒng)的振幅增大,故B正確;該振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)穩(wěn)定后,振動(dòng)的頻率等于驅(qū)動(dòng)力的頻率f,故C錯(cuò)誤,D正確。3.如圖所示的裝置,彈簧振子的固有頻率是4Hz。現(xiàn)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)把手,給彈簧振子以周期性的驅(qū)動(dòng)力,測得彈簧振子振動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的頻率為1Hz。則把手轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率為(

)A.1Hz B.3HzC.4Hz D.5Hz答案:A解析:振子做受迫振動(dòng),其振動(dòng)頻率等于驅(qū)動(dòng)力頻率,則把手的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為1

Hz,選項(xiàng)A正確。合作探究釋疑解惑知識點(diǎn)一簡諧運(yùn)動(dòng)、阻尼振動(dòng)和受迫振動(dòng)問題引領(lǐng)任何實(shí)際振動(dòng),只在初始時(shí)刻具有一定能量,在阻尼作用下最終會停下來,怎樣才能使振動(dòng)持續(xù)不斷地進(jìn)行下去呢?提示:施加周期性的驅(qū)動(dòng)力。

歸納提升1.三種振動(dòng)的理解(1)簡諧運(yùn)動(dòng):一種理想化的模型,物體運(yùn)動(dòng)過程中的一切阻力都不考慮。(2)阻尼振動(dòng):考慮阻力的影響,是更實(shí)際的一種運(yùn)動(dòng)。(3)受迫振動(dòng):物體做阻尼振動(dòng)時(shí)受到周期性驅(qū)動(dòng)力作用下的振動(dòng)。2.三種振動(dòng)的比較

比較項(xiàng)目簡諧運(yùn)動(dòng)阻尼振動(dòng)受迫振動(dòng)產(chǎn)生條件不受阻力作用受阻力作用受阻力和驅(qū)動(dòng)力作用頻率固有頻率頻率不變由驅(qū)動(dòng)力的頻率決定振動(dòng)圖像形狀不確定常見例子彈簧振子或單擺敲鑼打鼓時(shí)發(fā)出的聲音越來越弱機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)底座發(fā)生的振動(dòng)典型例題【例題1】

(多選)下圖是單擺做阻尼振動(dòng)的振動(dòng)圖線,下列說法正確的是(

)A.擺球A時(shí)刻的動(dòng)能等于B時(shí)刻的動(dòng)能B.擺球A時(shí)刻的勢能等于B時(shí)刻的勢能C.擺球A時(shí)刻的機(jī)械能等于B時(shí)刻的機(jī)械能D.擺球A時(shí)刻的機(jī)械能大于B時(shí)刻的機(jī)械能答案:BD解析:單擺做阻尼振動(dòng),因此其機(jī)械能不斷減小,選項(xiàng)D正確,C錯(cuò)誤;由圖又看出A、B兩時(shí)刻單擺的位移相同,即在同一位置,故勢能相同,選項(xiàng)B正確;因機(jī)械能越來越小,所以動(dòng)能B處比A處小,選項(xiàng)A錯(cuò)誤。阻尼振動(dòng)的能量和周期(1)阻尼振動(dòng)的振幅不斷減小,能量不斷減少,但阻尼振動(dòng)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(dòng)是一種理想情況,也叫簡諧運(yùn)動(dòng)。實(shí)際中的振動(dòng)都會受到阻力的作用,當(dāng)阻力較小時(shí),可認(rèn)為是簡諧運(yùn)動(dòng)。(3)阻尼振動(dòng)中,機(jī)械能E等于動(dòng)能Ek和勢能Ep之和,即E=Ek+Ep,E減小,但動(dòng)能和勢能相互轉(zhuǎn)化,當(dāng)Ep相等,Ek不相等,而從振動(dòng)圖像上可以確定Ep的關(guān)系?！咀兪接?xùn)練1】

如圖所示的裝置中,在曲軸AB上懸掛一個(gè)彈簧振子,若不轉(zhuǎn)動(dòng)把手C,讓其上下振動(dòng),周期為T1,若使把手以周期T2(T2>T1)勻速轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)運(yùn)動(dòng)都穩(wěn)定后,則(

)A.彈簧振子的振動(dòng)周期為T1C.要使彈簧振子的振幅增大,可讓把手轉(zhuǎn)速減小D.要使彈簧振子的振幅增大,可讓把手轉(zhuǎn)速增大答案:D解析:彈簧振子在把手作用下做受迫振動(dòng),因此振動(dòng)周期等于驅(qū)動(dòng)力的周期,等于T2,故A、B錯(cuò)誤;驅(qū)動(dòng)力的周期與彈簧振子的固有周期越接近,振幅越大,由于T2>T1,欲使振幅增大,應(yīng)使T2減小,即轉(zhuǎn)速應(yīng)增大,故C錯(cuò)誤,D正確。知識點(diǎn)二受迫振動(dòng)共振問題引領(lǐng)某工廠的一個(gè)車間里,機(jī)器一開動(dòng),整個(gè)車間就灰塵四起,既對工人的健康有害,也影響產(chǎn)品的質(zhì)量,為此廠里請來了一位建筑工程師,他到車間察看后,叫人在車間里建了幾根水泥立柱,問題就解決了。請你解釋其中的奧秘。提示:建幾根水泥立柱,改變了車間的固有頻率,使之不再與機(jī)器的振動(dòng)頻率接近,避免車間產(chǎn)生共振現(xiàn)象。歸納提升1.共振的條件:驅(qū)動(dòng)力的頻率與系統(tǒng)的固有頻率相等,即f驅(qū)=f固。2.共振曲線如圖所示,共振曲線的橫坐標(biāo)為驅(qū)動(dòng)力的頻率,縱坐標(biāo)為受迫振動(dòng)的振幅。(1)從受力角度看: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,直到振幅達(dá)到最大。(2)從功能關(guān)系看:當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率等于物體的固有頻率時(shí),驅(qū)動(dòng)力始終對物體做正功,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。振動(dòng)能量最大,振幅最大。(3)認(rèn)識曲線的形狀:f=f0,共振;f>f0或f<f0,振幅較小。f與f0相差越大,振幅越小。3.共振的利用與防止(1)利用:要利用共振,就應(yīng)盡量使驅(qū)動(dòng)力的頻率與物體的固有頻率一致。如共振篩、共振轉(zhuǎn)速計(jì)等。(2)防止:在需要防止共振危害時(shí),要盡量使驅(qū)動(dòng)力的頻率和固有頻率不相等,而且相差越大越好。如:部隊(duì)過橋應(yīng)便步走。說明:共振是物體做受迫振動(dòng)時(shí)的一種特殊現(xiàn)象。幾點(diǎn)說明(1)受迫振動(dòng)的振幅與驅(qū)動(dòng)力頻率有關(guān)。(2)受迫振動(dòng)的振幅可以不變,但受迫振動(dòng)的機(jī)械能是不守恒的。(3)共振是物體做受迫振動(dòng)時(shí)的一種特殊現(xiàn)象。共振有利時(shí)盡量讓f接近f0,有害時(shí)盡量讓f遠(yuǎn)離f0。典型例題【例題2】

(多選)把一個(gè)篩子用四根彈簧支起來,篩子上有一個(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;增加篩子的質(zhì)量,可以增大篩子的固有周期。那么要使篩子的振幅增大,下列哪些做法是正確的(

)A.提高輸入電壓B.降低輸入電壓C.增加篩子質(zhì)量D.減小篩子質(zhì)量答案:AC這兩個(gè)周期值靠近,可采用兩種做法:第一,提高輸入電壓使偏心輪轉(zhuǎn)得快一些,減小驅(qū)動(dòng)力的周期;第二,增加篩子的質(zhì)量使篩子的固有周期增大。共振篩的工作原理是利用共振現(xiàn)象,當(dāng)電動(dòng)機(jī)偏心輪的轉(zhuǎn)動(dòng)周期跟篩子的固有周期相等時(shí),就會發(fā)生共振?！咀兪接?xùn)練2】

如圖所示,三個(gè)單擺的擺長為L1=1.5m,L2=1m,L3=0.5m,現(xiàn)用一周期等于2s的驅(qū)動(dòng)力,使它們做受迫振動(dòng),那么當(dāng)它們的振動(dòng)穩(wěn)定時(shí),下列判斷正確的是(

)A.三個(gè)擺的周期和振幅相等B.三個(gè)擺的周期不等,振幅相等C.三個(gè)擺的周期相等,振幅不相等D.三個(gè)擺的周期和振幅都不相等答案:C固有頻率不同,根據(jù)振幅與驅(qū)動(dòng)頻率的關(guān)系圖,可知固有頻率越接近驅(qū)動(dòng)頻率,振幅越大,所以三個(gè)擺球振幅不同,A、B、D錯(cuò)誤,C正確。課堂小結(jié)隨堂練習(xí)1.(共振的應(yīng)用與防止)部隊(duì)經(jīng)過橋梁時(shí),規(guī)定不許齊步走;登山運(yùn)動(dòng)員登高山時(shí),不許高聲叫喊,主要原因是(

)A.減輕對橋的壓力,避免產(chǎn)生回聲B.減少對橋、雪山的沖擊力C.避免使橋發(fā)生共振和使雪山發(fā)生共振D.使橋受到的壓力更不均勻,使登山運(yùn)動(dòng)員耗散能量減少答案:C解析:部隊(duì)過橋時(shí)如齊步走,給橋梁施加周期性外力,容易使橋的振動(dòng)幅度增加,即發(fā)生共振,造成橋梁倒塌;登山運(yùn)動(dòng)員登高山時(shí)高聲叫喊,聲波容易引發(fā)雪山共振而發(fā)生雪崩,故應(yīng)選C。2.(受迫振動(dòng)與驅(qū)動(dòng)力)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72Hz答案:B解析:當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率與固有頻率接近時(shí),振幅增大,且受迫振動(dòng)的頻率等于驅(qū)動(dòng)力頻率,B正確。3.(共振的應(yīng)用與防止)在飛機(jī)的發(fā)展史中有一個(gè)階段,飛機(jī)上天后不久,飛機(jī)的機(jī)翼(翅膀)很快就抖動(dòng)起來,而且越抖越厲害。后來經(jīng)過人們的探索,利用在飛機(jī)機(jī)翼前緣處裝置一個(gè)配重桿的方法,解決了這一問題。在飛機(jī)機(jī)翼前裝置配重桿的目的主要是(

)A.加大飛機(jī)的慣性B.使機(jī)體更加平衡C.使機(jī)翼更加牢固D.改變機(jī)翼的固有頻率答案:D解析:飛機(jī)振動(dòng)的原因是氣流使機(jī)翼的振動(dòng)周期與機(jī)翼的固有周期接近發(fā)生了共振現(xiàn)象,通過裝置一個(gè)配重桿的方法改變機(jī)翼的固有周期,從而避免共振的發(fā)生,D正確。4.(共振曲線的理解)某同學(xué)在研究單擺的受迫振動(dòng)時(shí),得到如圖所示的共振曲線。橫軸表示驅(qū)動(dòng)力的頻率,縱軸表示穩(wěn)定時(shí)單擺振動(dòng)的振幅。已知重力加速度為g,下列說法正確的是(