2024-2025學(xué)年新教材高中物理第2章機(jī)械振動6.受迫振動共振課件新人教版選擇性必修第一冊

第二章6.受迫振動共振學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解什么是固有振動和固有頻率,什么是阻尼振動,什么是驅(qū)動力,什么是受迫振動,初步形成共振的概念。(物理觀念)2.了解阻尼振動中的能量轉(zhuǎn)化,知道受迫振動的頻率等于驅(qū)動力的頻率,能根據(jù)共振曲線研究共振。(科學(xué)思維)3.通過實(shí)驗(yàn)研究受迫振動的頻率,通過實(shí)驗(yàn)探究共振現(xiàn)象的產(chǎn)生條件及其特點(diǎn)。(科學(xué)探究)4.通過實(shí)驗(yàn)探究受迫振動及共振,培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識及實(shí)事求是的科學(xué)精神,通過理解共振的應(yīng)用與防止,培養(yǎng)學(xué)以致用的意識與能力。(科學(xué)態(tài)度與責(zé)任)基礎(chǔ)落實(shí)·必備知識全過關(guān)一、固有振動和阻尼振動

指周期性外力1.固有振動:彈簧振子與單擺在沒有外力干預(yù)的情況下做簡諧運(yùn)動,周期或頻率與

無關(guān),僅由系統(tǒng)自身的性質(zhì)決定,我們把這種振動稱為固有振動。

2.固有頻率:物體固有振動時(shí)的頻率僅由系統(tǒng)自身的性質(zhì)決定,稱為固有頻率。

定量表現(xiàn)就是回復(fù)力常數(shù)k3.阻尼振動:振幅隨時(shí)間逐漸

的振動。

阻尼振動頻率由系統(tǒng)自身性質(zhì)決定振幅減小二、受迫振動1.受迫振動:振動系統(tǒng)在

(周期性的外力)作用下的振動。

2.受迫振動的頻率物體做受迫振動達(dá)到穩(wěn)定后,物體振動的頻率等于

的頻率,與物體的固有頻率

。

驅(qū)動力驅(qū)動力無關(guān)三、共振現(xiàn)象及其應(yīng)用1.共振:當(dāng)驅(qū)動力的頻率

固有頻率時(shí),物體做受迫振動的

達(dá)到

值的現(xiàn)象。

2.共振曲線3.共振的應(yīng)用與防止(1)共振的應(yīng)用:機(jī)器轉(zhuǎn)速計(jì)、音叉共鳴箱等。(2)共振的防止:在橋梁、碼頭等各種建筑的設(shè)計(jì)施工中,必須考慮防止共振產(chǎn)生的危害。等于振幅最大情境鏈接輕推一下秋千使它微微擺動后,怎樣做才能使秋千越蕩越高?教材拓展閱讀教材P57的“科學(xué)漫步——振動控制技術(shù)”,簡述減振器的工作原理。提示

每當(dāng)秋千擺回到右邊最高點(diǎn)時(shí),就推一下秋千,即按照秋千的固有頻率施加一個(gè)周期性外力作用。提示

當(dāng)主結(jié)構(gòu)在外界驅(qū)動力的作用下振動時(shí),會帶動減振器一起振動。當(dāng)滿足一定條件時(shí),減振器的彈性力與外來驅(qū)動力的方向相反,抵消了一部分驅(qū)動力,從而最大限度地降低主結(jié)構(gòu)的振動。易錯辨析(1)阻尼振動是機(jī)械能不斷減小的振動,它一定不是簡諧運(yùn)動。(

)(2)單擺的振幅越來越小,是因?yàn)槠淠芰吭诓粩嘞А?

)(3)在外力作用下的振動就是受迫振動。(

)(4)驅(qū)動力的頻率越大振動物體振幅越大。(

)(5)共振的條件是驅(qū)動力的頻率等于物體的固有頻率。(

)√×單擺的總能量是守恒的,只是機(jī)械能不斷減小。

×只有在周期性外力(驅(qū)動力)作用下的振動才是受迫振動。

×驅(qū)動力的頻率越接近物體的固有頻率時(shí),物體的振幅越大。

√重難探究·能力素養(yǎng)全提升探究點(diǎn)一阻尼振動與受迫振動導(dǎo)學(xué)探究“余音繞梁,三日不絕?！毙稳莞杪暬蛞魳返膬?yōu)美,耐人尋味。但在日常生活中,當(dāng)彈奏結(jié)束后,樂聲會越來越弱,并最終消失。這是為什么呢?提示

由于樂聲受到空氣的阻尼作用,振幅越來越小,因此樂聲也就越來越弱了。知識歸納比較項(xiàng)簡諧運(yùn)動阻尼振動受迫振動概述振動圖像(x-t圖像)是一條正弦曲線振幅逐漸減小的振動振動系統(tǒng)在驅(qū)動力作用下的振動產(chǎn)生條件不受阻力作用受阻力作用受阻力和驅(qū)動力作用頻率固有頻率固有頻率驅(qū)動力頻率振幅不變減小大小不確定比較項(xiàng)簡諧運(yùn)動阻尼振動受迫振動振動圖像

形狀不確定振動能量振動物體的機(jī)械能不變機(jī)械能逐漸減小驅(qū)動力對振動系統(tǒng)做功,補(bǔ)償系統(tǒng)的能量損耗實(shí)例彈簧振子振動,單擺做小角度擺動敲鑼打鼓發(fā)出的聲音越來越弱揚(yáng)聲器紙盆振動發(fā)聲、鐘擺的擺動特別提示

阻尼振動中振幅雖逐漸減小,但振動頻率不會變化,此頻率稱為固有頻率,由振動系統(tǒng)決定。典例剖析【例題1】

(2023遼寧實(shí)驗(yàn)中學(xué)高二階段測試)某單擺在豎直平面內(nèi)做阻尼振動的振動圖線如圖所示,下列說法正確的是(

)A.振動過程中周期變小B.擺球P時(shí)刻的機(jī)械能大于N時(shí)刻的機(jī)械能C.擺球P時(shí)刻的動能等于N時(shí)刻的動能D.擺球在P時(shí)刻和N時(shí)刻,受到繩子拉力的大小相等B解析

阻尼振動的周期由振動系統(tǒng)自身決定,周期不變,故A錯誤;由于阻力影響,單擺要克服阻力做功,在運(yùn)動過程中機(jī)械能逐漸減小,故P時(shí)刻的機(jī)械能大于N時(shí)刻的機(jī)械能,而P、N時(shí)刻的位移等大反向,即關(guān)于平衡位置對稱,重力勢能相等,則P時(shí)刻的動能大于N時(shí)刻的動能,故B正確,C錯誤;因?yàn)镻、N兩時(shí)刻位置關(guān)于平衡位置對稱,兩時(shí)刻受到繩子的拉力滿足FT-mgcos

θ=,其中偏角θ相等,速度vP>vN,則拉力大小不相等,故D錯誤。方法技巧

理解阻尼振動的兩個(gè)方面一是振動的能量方面,由于阻力做負(fù)功,振動物體的機(jī)械能逐漸減小,振幅逐漸變小,但由于振動中動能與勢能相互轉(zhuǎn)化,不能說下一時(shí)刻的動能(或勢能)變小;二是振動的周期與頻率方面,周期與頻率由振動系統(tǒng)本身決定,阻尼振動中周期與頻率不變。對點(diǎn)演練1.(多選)(2024山東日照高二月考)一單擺在空氣中振動,振幅逐漸減小,下列說法正確的是(

)A.單擺的機(jī)械能逐漸轉(zhuǎn)化為其他形式的能B.單擺后一時(shí)刻的動能一定小于前一時(shí)刻的動能C.單擺振幅減小,頻率也隨著減小D.單擺振幅雖然減小,但其頻率不變AD解析

單擺做阻尼振動,因不斷克服空氣阻力做功使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能,但是在振動過程中,動能和勢能仍不斷相互轉(zhuǎn)化,單擺在從最大位移處向平衡位置運(yùn)動的過程中,后一時(shí)刻的動能大于前一時(shí)刻的動能,故選項(xiàng)A正確,選項(xiàng)B錯誤;做阻尼振動的物體,頻率由系統(tǒng)的特征決定,與振幅無關(guān),所以其頻率不變,選項(xiàng)C錯誤,選項(xiàng)D正確。探究點(diǎn)二共振導(dǎo)學(xué)探究據(jù)說唐代洛陽有個(gè)和尚的磬常常不敲自鳴。寺院里的鐘聲響起,磬會發(fā)出嗡嗡的響聲。用工具打磨磬后,磬再也不會無故發(fā)聲了。磬為什么會不敲自鳴呢?磬的自鳴又是怎樣消失的呢?提示

磬不敲自鳴是因?yàn)槠涔逃蓄l率和寺里的鐘聲頻率相同引起了共振;對磬進(jìn)行打磨,改變了磬的固有頻率,從而破壞了磬和寺里鐘聲的共振條件,磬也就不會不敲自鳴了。知識歸納1.發(fā)生共振的條件及理解(1)發(fā)生共振的條件:驅(qū)動力的頻率等于振動系統(tǒng)的固有頻率。(2)對共振條件的理解①從受力角度看:當(dāng)振動物體所受驅(qū)動力的方向跟它的運(yùn)動方向相同時(shí),驅(qū)動力對它起加速作用,使它的振幅增大,當(dāng)驅(qū)動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,從而振幅達(dá)到最大。②從功能關(guān)系看:當(dāng)驅(qū)動力的頻率等于物體的固有頻率時(shí),驅(qū)動力始終對物體做正功,使振動能量不斷增加,振幅不斷增大,直到達(dá)到最大值。2.共振曲線及理解如圖所示,共振曲線直觀地反映了物體做受迫振動的振幅與驅(qū)動力頻率的關(guān)系。(1)當(dāng)驅(qū)動力的頻率f偏離固有頻率f0較大時(shí),受迫振動的振幅較小。(2)當(dāng)驅(qū)動力的頻率f等于固有頻率f0時(shí),受迫振動的振幅最大。典例剖析【例題2】

(多選)(2024福建南平高二月考)如圖所示,一根繃緊的水平繩上掛五個(gè)擺,擺球質(zhì)量均相同,其中A、E擺長均為l,先讓A擺振動起來,其他各擺隨后也跟著振動起來,則穩(wěn)定后(

)A.其他各擺振動的周期跟A擺相同B.其他各擺振動的振幅大小相等C.其他各擺振動的振幅大小不同,E擺的振幅最大D.B、C、D三擺振動的振幅大小不同,B擺的振幅最小ACD解析

A擺振動后迫使水平繩振動,水平繩又迫使B、C、D、E四擺做受迫振動,由于物體做受迫振動的周期總是等于驅(qū)動力的周期,因此B、C、D、E四擺振動的周期跟A擺相同。驅(qū)動力的頻率等于A擺的固有頻率有E擺的固有頻率與驅(qū)動力的頻率相等,發(fā)生共振現(xiàn)象,振幅最大,B、C、D三個(gè)擺均不發(fā)生共振,振幅各異,其中B擺的固有頻率與驅(qū)動力的頻率相差最大,所以它的振幅最小,故A、C、D正確,B錯誤。方法技巧

分析受迫振動和共振的方法(1)在分析受迫振動時(shí),首先要弄清驅(qū)動力的來源。(2)受迫振動的頻率等于驅(qū)動力的頻率,與物體的固有頻率無關(guān),因而首先應(yīng)確定驅(qū)動力的頻率。(3)當(dāng)驅(qū)動力的頻率等于固有頻率時(shí),發(fā)生共振現(xiàn)象。對點(diǎn)演練2.(多選)(2024江西南昌高二期末)一個(gè)單擺做受迫振動,其共振曲線(振幅A與驅(qū)動力的頻率f的關(guān)系)如圖所示,g取9.8m/s2,則(

)A.此單擺的固有周期為2sB.此單擺的擺長約為1mC.若擺長增大,單擺的固有頻率增大D.若擺長增大,達(dá)到最大振幅所對應(yīng)驅(qū)動力的頻率也增大AB學(xué)以致用·隨堂檢測全達(dá)標(biāo)12341.(阻尼振動)(多選)(2024安徽高二月考)一單擺做阻尼振動,則在振動過程中(

)A.振幅越來越小,周期也越來越小B.振幅越來越小,周期不變C.在振動過程中,通過某一位置時(shí),機(jī)械能始終不變D.在振動過程中,機(jī)械能不守恒,周期不變BD解析

因單擺做阻尼振動,所以振幅越來越小,機(jī)械能越來越小,但振動周期不變。12342.(受迫振動)(2024山西太原高二月考)如圖所示的裝置,彈簧振子的固有頻率是4Hz?，F(xiàn)勻速轉(zhuǎn)動把手,給彈簧振子一周期性的驅(qū)動力,測得彈簧振子振動達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的頻率為1Hz,則把手轉(zhuǎn)動的頻率為(

)A.1Hz B.3Hz C.4Hz D.5HzA解析

把手轉(zhuǎn)動時(shí),轉(zhuǎn)軸對彈簧振子施加了周期性的驅(qū)動力,彈簧振子做受迫振動,其振動頻率等于驅(qū)動力的頻率,即等于把手轉(zhuǎn)動的頻率,為1

Hz,故A正確。12343.(受迫振動和共振)(2024浙江金華十校調(diào)研)關(guān)于受迫振動,下列說法正確的是(

)A.為了防止橋梁發(fā)生共振而坍塌,部隊(duì)要齊步通過橋梁B.鼓手隨音樂敲擊鼓面時(shí)鼓面的振動是自由振動C.洗衣機(jī)工作時(shí)機(jī)殼的振動頻率等于其固有頻率D.唱歌時(shí)胸腔共鳴是由于聲帶振動激起空氣柱振動傳到胸腔引起的共振D解析

為了防止橋梁發(fā)生共振而坍塌,部隊(duì)要便步通過橋梁,A錯誤;鼓手隨音樂敲擊鼓面時(shí)鼓面的振動是受迫振動,B錯誤;洗衣機(jī)工作時(shí)機(jī)殼的振動頻率等于電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)所給的驅(qū)動力的頻率,C錯誤;唱歌時(shí)胸腔共鳴是由于聲帶振動激起空氣柱振動傳到胸腔引起的共振,D正確。12344.(共振)(多選)(2024山東煙臺一中月考)一彈簧振子做受迫振動時(shí)的振幅與驅(qū)動力頻率的關(guān)系如圖所示。由圖可知(

)A.驅(qū)動力頻率為f2時(shí),振子處于共振