物理3-4第十一章機械振動(全章教案)

1、高二物理選修3-4教案第十一章 機械振動111簡諧運動教學(xué)目標：（一）知識與技能（1）了解什么是機械振動、簡諧運動 （2）正確理解簡諧運動圖象的物理含義，知道簡諧運動的圖象是一條正弦或余弦曲線。（二）過程與方法 通過觀察演示實驗，概括出機械振動的特征，培養(yǎng)學(xué)生的觀察、概括能力（三）情感、態(tài)度與價值觀通過觀察演示實驗，培養(yǎng)學(xué)生探究精神教學(xué)重點：使學(xué)生掌握簡諧運動的回復(fù)力特征及相關(guān)物理量的變化規(guī)律教學(xué)難點：偏離平衡位置的位移與位移的概念容易混淆；在一次全振動中速度的變化課型：啟發(fā)式的講授課教具：鋼板尺、鐵架臺、單擺、豎直彈簧振子、皮筋球、氣墊彈簧振子、微型氣源教學(xué)過程一、新課引入我們學(xué)習(xí)機械運動的

2、規(guī)律，是從簡單到復(fù)雜：勻速運動、勻變速直線運動、平拋運動、勻速圓周運動，今天學(xué)習(xí)一種更復(fù)雜的運動簡諧運動。1機械振動振動是自然界中普遍存在的一種運動形式，請舉例說明什么樣的運動就是振動？二、新課講授微風(fēng)中樹枝的顫動、心臟的跳動、鐘擺的擺動、聲帶的振動這些物體的運動都是振動。請同學(xué)們觀察幾個振動的實驗，注意邊看邊想：物體振動時有什么特征？【演示實驗】（1）一端固定的鋼板尺見圖（a）（2）單擺見圖（b）（3）彈簧振子見圖（c）（d） （4）穿在橡皮繩上的塑料球見圖（e）【提問】這些物體的運動各不相同：運動軌跡是直線的、曲線的；運動方向水平的、豎直的；物體各部分運動情況相同的、不同的它們的運動有什么

3、共同特征？【歸納】物體振動時有一中心位置，物體（或物體的一部分）在中心位置兩側(cè)做往復(fù)運動，振動是機械振動的簡稱。2簡諧運動簡諧運動是一種最簡單、最基本的振動，我們以彈簧振子為例學(xué)習(xí)簡諧運動。（1）彈簧振子演示實驗：氣墊彈簧振子的振動【討論】a滑塊的運動是平動，可以看作質(zhì)點b彈簧的質(zhì)量遠遠小于滑動的質(zhì)量，可以忽略不計,一個輕質(zhì)彈簧聯(lián)接一個質(zhì)點，彈簧的另一端固定，就構(gòu)成了一個彈簧振子c沒有氣墊時，阻力太大，振子不振動；有了氣墊時，阻力很小，振子振動。我們研究在沒有阻力的理想條件下彈簧振子的運動。（2）彈簧振子為什么會振動？物體做機械振動時，一定受到指向中心位置的力，這個力的作用總能使物體回到中心位

4、置，這個力叫回復(fù)力，回復(fù)力是根據(jù)力的效果命名的，對于彈簧振子，它是彈力?；貜?fù)力可以是彈力，或其它的力，或幾個力的合力，或某個力的分力。在O點，回復(fù)力是零，叫振動的平衡位置。（3）簡諧運動的特征彈簧振子在振動過程中，回復(fù)力的大小和方向與振子偏離平衡位置的位移有直接關(guān)系。在研究機械振動時，我們把偏離平衡位置的位移簡稱為位移。3、簡諧運動的位移圖象振動圖象簡諧運動的振動圖象是一條什么形狀的圖線呢？簡諧運動的位移指的是什么位移？（相對平衡位置的位移）【演示】當(dāng)彈簧振子振動時，沿垂置于振動方向勻速拉動紙帶，毛筆P就在紙帶上畫出一條振動曲線。說明：勻速拉動紙帶時，紙帶移動的距離與時間成正比，紙帶拉動一定的

5、距離對應(yīng)振子振動一定的時間，因此紙帶的運動方向可以代表時間軸的方向，紙帶運動的距離就可以代表時間。介紹這種記錄振動方法的實際應(yīng)用例子：心電圖儀、地震儀。理論和實驗都證明：（1）簡諧運動的振動圖象都是正弦或余弦曲線。讓學(xué)生思考后回答：振動圖象在什么情況下是正弦，什么情況下是余弦？（由開始計時的位置決定）小 結(jié)：布置作業(yè):1、閱讀課本 完成 “問題與練習(xí)”2、 完成學(xué)海導(dǎo)航相關(guān)練習(xí)教學(xué)反思：11.2、簡諧運動的描述教學(xué)目標：（一）知識與技能1知道簡諧運動的振幅、周期和頻率的含義。2知道振動物體的固有周期和固有頻率，并正確理解與振幅無關(guān)。（二）過程與方法1理解周期和頻率的關(guān)系。（三）情感、態(tài)度與價值

6、觀培養(yǎng)學(xué)生實事求是的精神重點難點：振幅、周期和頻率的物理意義；理解振動物體的固有周期和固有頻率與振幅無關(guān)。教學(xué)方法：實驗觀察、講授、討論，計算機輔助教學(xué)。教 具：彈簧振子，音叉，教學(xué)過程一、新課引入上節(jié)課講了簡諧運動的現(xiàn)象和受力情況。我們知道振子在回復(fù)力作用下，總以某一位置為中心做往復(fù)運動。現(xiàn)在我們觀察彈簧振子的運動。將振子拉到平衡位置O的右側(cè)，放手后，振子在O點的兩側(cè)做往復(fù)運動。振子的運動是否具有周期性？在圓周運動中，物體的運動由于具有周期性，為了研究其運動規(guī)律，我們引入了角速度、周期、轉(zhuǎn)速等物理量。為了描述簡諧運動，也需要引入新的物理量，即振幅、周期和頻率。二、新課講授實驗演示：觀察彈簧振

7、子的運動，可知振子總在一定范圍內(nèi)運動。說明振子離開平衡位置的距離在一定的數(shù)值范圍內(nèi)，這就是我們要學(xué)的第一個概念振幅。（1）、振幅A：振動物體離開平衡位置的最大距離。我們要注意，振幅是振動物體離開平衡位置的最大距離，而不是最大位移。這就意味著，振幅是一個數(shù)值，指的是最大位移的絕對值。【板書】2、振動的周期和頻率（1）、振動的周期T：做簡諧運動的物體完成一次全振動的時間。振動的頻率f：單位時間內(nèi)完成全振動的次數(shù)。（2）、周期的單位為秒（s）、頻率的單位為赫茲（Hz）。實驗演示：下面我們觀察兩個勁度系數(shù)相差較大的彈簧振子，讓這兩個彈簧振子開始振動，用秒表或者脈搏計時，比較一下這兩個振子的周期和頻率。

8、演示實驗表明，周期越小的彈簧振子，頻率就越大?！景鍟?3)、周期和頻率都是表示振動快慢的物理量。兩者的關(guān)系為：T=1/f 或 f=1/T 舉例來說，若周期T=0.2s，即完成一次全振動需要0.2s，那么1s內(nèi)完成全振動的次數(shù)，就是1/0.2=5s-1.也就是說，1s鐘振動5次，即頻率為5Hz.【板書】3、簡諧運動的周期或頻率與振幅無關(guān)實驗演示（引導(dǎo)學(xué)生注意聽）：敲一下音叉,聲音逐漸減弱,即振幅逐漸減小,但音調(diào)不發(fā)生變化,即頻率不變.【板書】 振子的周期(或頻率)由振動系統(tǒng)本身的性質(zhì)決定,稱為振子的固有周期或固有頻率.例如:一面鑼,它只有一種聲音,用錘敲鑼,發(fā)出響亮的鑼聲, 鑼聲很快弱下去,但

9、不會變調(diào).擺動著的秋千,雖擺動幅度發(fā)生變化,但頻率不發(fā)生變化.彈簧振子在實際的振動中, 會逐漸停下來,但頻率是不變的.這些都說明所有能振動的物體,都有自己的固有周期或固有頻率.鞏固練習(xí):1A、B兩個完全一樣的彈簧振子，把A振子移到A的平衡位置右邊10cm，把B振子移到B的平衡位置右邊5cm，然后同時放手，那么：A. A、B運動的方向總是相同的.B. A、B運動的方向總是相反的.C. A、B運動的方向有時相同、有時相反.D. 無法判斷A、B運動的方向的關(guān)系.布置作業(yè)1動手作業(yè)：同學(xué)們自己制作一個彈簧振子,觀察其運動.分別改變振子振動的振幅、彈簧的勁度和振子的質(zhì)量，其周期和頻率是否變化?2閱讀課本

10、 完成 “問題與練習(xí)”3、 完成學(xué)海導(dǎo)航相關(guān)練習(xí)教學(xué)反思：11.3、簡諧運動的回復(fù)力和能量教學(xué)目標：（一）知識與技能掌握簡諧運動的定義；了解簡諧運動的運動特征；掌握簡諧運動的動力學(xué)公式；了解簡諧運動的能量變化規(guī)律。（二）過程與方法引導(dǎo)學(xué)生通過實驗觀察，概括簡諧運動的運動特征和簡諧運動的能量變化規(guī)律，培養(yǎng)歸納總結(jié)能力。（三）情感、態(tài)度與價值觀結(jié)合舊知識進行分析，推理而掌握新知識，以培養(yǎng)其觀察和邏輯思維能力。教學(xué)重點重點是簡諧運動的定義；教學(xué)難點是簡諧運動的動力學(xué)分析和能量分析。教 具：彈簧振子，掛圖。教學(xué)過程一、引入新課提問1：什么是機械振動？答：物體在平衡位置附近做往復(fù)運動叫機械振動。提問2：

11、振子做什么運動？日常生活中經(jīng)常會遇到機械振動的情況：機器的振動，橋梁的振動，樹枝的振動，樂器的發(fā)聲，它們的振動比較復(fù)雜，但這些復(fù)雜的振動都是由簡單的振動的組成的，因此，我們的研究仍從最簡單、最基本的機械振動開始。剛才演示的就是一種最簡單、最基本的機械振動，叫做簡諧運動。提問3：過去我們研究自由落體等勻變速直線運動是從哪幾個角度進行研究的？今天，我們?nèi)砸獜倪\動學(xué)（位移、速度、加速度）研究簡諧運動的運動性質(zhì)；從動力學(xué)（力和運動的關(guān)系）研究簡諧運動的特征，再研究能量變化的情況。二、新課教學(xué)（第二次演示豎直方向的彈簧振子）提問4：大家應(yīng)明確觀察什么？（物體）提問5：上述四個物理量中，哪個比較容易觀察？

12、提問6：做簡諧運動的物體受的是恒力還是變力？力的大小、方向如何變？小結(jié)：簡諧運動的受力特點：回復(fù)力的大小與位移成正比，回復(fù)力的方向指向平衡位置提問7：簡諧運動是不是勻變速運動？小結(jié)：簡諧運動是變速運動，但不是勻變速運動。加速度最大時，速度等于零；速度最大時，加速度等于零。提問8：從簡諧運動的運動特點，我們來看它在運動過程中能量如何變化？讓我們再來觀察。提問9：振動前為什么必須將振子先拉離平衡位置？（外力對系統(tǒng)做功）提問10：在A點，振子的動能多大？系統(tǒng)有勢能嗎？提問11：在O點，振子的動能多大？系統(tǒng)有勢能嗎？提問12：在D點，振子的動能多大？系統(tǒng)有勢能嗎？提問13：在B，C點，振子有動能嗎？系

13、統(tǒng)有勢能嗎？小結(jié)：簡諧運動過程是一個動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化過程。三、總結(jié)：布置作業(yè): 1、閱讀課本 完成 “問題與練習(xí)”2、完成學(xué)海導(dǎo)航相關(guān)練習(xí)教學(xué)反思：11.4、單擺教學(xué)目標：（一）知識與技能（1）知道什么是單擺；（2）理解單擺振動的回復(fù)力來源及做簡諧運動的條件；（3）知道單擺的周期和什么有關(guān)，掌握單擺振動的周期公式，并能用公式解題。（二）過程與方法觀察演示實驗，概括出影響周期的因素，培養(yǎng)由實驗現(xiàn)象得出物理結(jié)論的能力。（三）情感、態(tài)度與價值觀教學(xué)重點本課重點在于掌握好單擺的周期公式及其成立條件。教學(xué)難點本課難點在于單擺回復(fù)力的分析。教 具:兩個單擺（擺長相同，質(zhì)量不同）教學(xué)過程一、引入新課在前

14、面我們學(xué)習(xí)了彈簧振子，知道彈簧振子做簡諧運動。那么：物體做簡諧運動的條件是什么？答：物體做機械振動，受到的回復(fù)力大小與位移大小成正比，方向與位移方向相反。今天我們學(xué)習(xí)另一種機械振動單擺的運動二、新課教學(xué)1、 閱讀課本思考：什么是單擺？答：一根細線上端固定，下端系著一個小球，如果懸掛小球的細線的伸長和質(zhì)量可以忽略，細線的長度又比小球的直徑大得多，這樣的裝置就叫單擺。物理上的單擺，是在一個固定的懸點下，用一根不可伸長的細繩，系住一個一定質(zhì)量的質(zhì)點，在豎直平面內(nèi)擺動。所以，實際的單擺要求繩子輕而長，擺球要小而重。擺長指的是從懸點到擺球重心的距離。將擺球拉到某一高度由靜止釋放，單擺振動類似于鐘擺振動。

15、擺球靜止時所處的位置就是單擺的平衡位置。物體做機械振動，必然受到回復(fù)力的作用，彈簧振子的回復(fù)力由彈簧彈力提供，單擺同樣做機械振動，思考：單擺的回復(fù)力由誰來提供，如何表示？1）平衡位置 當(dāng)擺球靜止在平衡位置O點時，細線豎直下垂，擺球所受重力G和懸線的拉力F平衡，O點就是擺球的平衡位置。2）回復(fù)力單擺的回復(fù)力F回=G1=mg sin，單擺的振動是不是簡諧運動呢？單擺受到的回復(fù)力F回=mg sin，如圖：雖然隨著單擺位移X增大，sin也增大，但是回復(fù)力F的大小并不是和位移成正比，單擺的振動不是簡諧運動。但是，在值較小的情況下（一般取10），在誤差允許的范圍內(nèi)可以近似的認為 sin=X/ L，近似的有

16、F= mg sin= ( mg /L )x = k x（k=mg/L）,又回復(fù)力的方向始終指向O點，與位移方向相反，滿足簡諧運動的條件，即物體在大小與位移大小成正比，方向與位移方向相反的回復(fù)力作用下的振動，F(xiàn) = - ( mg / L )x = - k x（k=mg/L）為簡諧運動。所以，當(dāng)10時，單擺振動是簡諧運動。條件：擺角10位移大時，單擺的回復(fù)力大，位移小，回復(fù)力小，當(dāng)單擺經(jīng)過平衡位置時，單擺的位移為0，回復(fù)力也為0，思考：此時，單擺所受的合外力是否為0？單擺此時做的是圓周運動，做圓周運動的物體受向心力，單擺也不能例外，也受到向心力的作用（引導(dǎo)學(xué)生思考，單擺作圓周運動的向心力從何而來？

17、）。在平衡位置，擺球受繩的拉力F和重力G的作用，繩的拉力大于重力G，它們的合力充當(dāng)向心力。所以，單擺經(jīng)過平衡位置時，受到的回復(fù)力為0 ，但是所受的合外力不為0。3單擺的周期我們知道做機械振動的物體都有振動周期，請思考：單擺的周期受那些因素的影響呢？生：可能和擺球質(zhì)量、振幅、擺長有關(guān)。單擺的周期是否和這些因素有關(guān)呢？下面我們用實驗來證實我們的猜想為了減小對實驗的干擾，每次實驗中我們只改變一個物理量，這種研究問題的方法就是控制變量法。首先，我們研究擺球的質(zhì)量對單擺周期的影響：那么就先來看一下擺球質(zhì)量不同，擺長和振幅相同，單擺振動周期是不是相同。演示1將擺長相同，質(zhì)量不同的擺球拉到同一高度釋放?，F(xiàn)象

18、：兩擺球擺動是同步的，即說明單擺的周期與擺球質(zhì)量無關(guān)，不會受影響。這個實驗主要是為研究屬于簡諧運動的單擺振動的周期，所以擺角不要超過10。接下來看一下振幅對周期的影響。演示2擺角小于10的情況下，把兩個擺球從不同高度釋放。（由一名學(xué)生來完成實驗驗證，教師加以指導(dǎo)）現(xiàn)象：擺球同步振動，說明單擺振動的周期和振幅無關(guān)。剛才做過的兩個演示實驗，證實了如果兩個擺擺長相等，單擺振動周期和擺球質(zhì)量、振幅無關(guān)。如果擺長L不等，改變了這個條件會不會影響周期？演示3取擺長不同，兩個擺球從某一高度同時釋放，注意要10。（由一名學(xué)生來完成實驗驗證，教師加以指導(dǎo)）現(xiàn)象：兩擺振動不同步，而且擺長越長，振動就越慢。這說明單

19、擺振動和擺長有關(guān)。具體有什么關(guān)系呢？荷蘭物理學(xué)惠更斯研究了單擺的振動，在大量可靠的實驗基礎(chǔ)上，經(jīng)過一系列的理論推導(dǎo)和證明得到：單擺的周期和擺長l的平方根成正比，和重力加速度g的平方根成反比，周期公式：同時這個公式的提出，也是在單擺振動是簡諧運動的前提下，條件：擺角10由周期公式我們看到T與兩個因素有關(guān)，當(dāng)g一定，T與成正比；當(dāng)L一定，T與成反比；L，g都一定，T就一定了，對應(yīng)每一個單擺有一個固有周期T， 三、課堂小結(jié)：本節(jié)課主要講了單擺振動的規(guī)律，只有在10時單擺振動才是簡諧運動；單擺振動周期例 1：已知某單擺的擺長為L，振動周期為T，試表示出單擺所在地的重力加速度g.例 2：有兩個單擺，甲擺

20、振動了15次的同時，乙擺振動了5次，則甲乙兩個擺的擺長之比為_。布置作業(yè):1閱讀課本 完成 “問題與練習(xí)”2、 完成學(xué)海導(dǎo)航相關(guān)練習(xí)教學(xué)反思：11.5、外力作用下的振動 教學(xué)目標：（一）知識與技能（1）知道阻尼振動和無阻尼振動，并能從能量的觀點給予說明。（2）知道受迫振動的概念。知道受迫振動的頻率等于驅(qū)動力的頻率，而跟振動物體的固有頻率無關(guān)。（二）過程與方法 理解共振的概念，知道常見的共振的應(yīng)用和危害。（三）情感、態(tài)度與價值觀 常見的共振的應(yīng)用和危害教學(xué)重點和難點：受迫振動，共振。教 具：彈簧振子、受迫振動演示儀、擺的共振演示器教學(xué)過程一、復(fù)習(xí)提問讓學(xué)生注意觀察教師的演示實驗。教師把彈簧振子的

21、振子向右移動至B點，然后釋放，則振子在彈性力作用下，在平衡位置附近持續(xù)地沿直線振動起來。重復(fù)兩次讓學(xué)生在黑板上畫出振動圖象的示意圖（圖1中的）。再次演示上面的振動，只是讓起始位置明顯地靠近平衡位置，再讓學(xué)生在原坐標上畫出第二次振子振動的圖象（圖1中的）。和應(yīng)同頻、同相、振幅不同。結(jié)合圖象和振子運動與學(xué)生一起分析能量的變化并引入新課。二、新課教學(xué)現(xiàn)在以彈簧振子為例討論一下簡諧運動的能量問題。問：振子從B向O運動過程中，它的能量是怎樣變化的？引導(dǎo)學(xué)生答出彈性勢能減少，動能增加。問：振子從O向C運動過程中能量如何變化？振子由C向O、又由O向B運動的過程中，能量又是如何變化的？問：振子在振動過程中總的

22、機械能如何變化？引導(dǎo)學(xué)生運用機械能守恒定律，得出在不計阻力作用的情況下，總機械能保持不變。教師指出：將振子從B點釋放后在彈簧彈力（回復(fù)力）作用下，振子向左運動，速度加大，彈簧形變（位移）減少，彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)化為振子的動能。當(dāng)回到平衡位置O時，彈簧無形變，彈性勢能為零，振子動能達到最大值，這時振子的動能等于它在最大位移處（B點）彈簧的彈性勢能，也就是等于系統(tǒng)的總機械能。在任何一位置上，動能和勢能之和保持不變，都等于開始振動時的彈性勢能，也就是系統(tǒng)的總機械能。由于簡諧運動中總機械能守恒，所以簡諧運動中振幅不變。如果初始時B點與O點的距離越大，到O點時，振子的動能越大，則系統(tǒng)所具有的機械能越大。相應(yīng)地，振子的振幅也就越大，因此簡諧運動的振幅與能量相對應(yīng)。問：怎樣才能使受阻力的振動物體的振幅不變，而一直振動下去呢？引導(dǎo)學(xué)生答出，應(yīng)不斷地向系統(tǒng)補充損耗的機械能，以使振動物體的振幅不變。指出：這種振幅不變的振動叫等幅振動。 舉幾個等幅振動的例子，例如電鈴響的時候，鈴錘是做等幅振動。電磁打點計時器工作時，打點針是做等幅振動。掛鐘的擺是做等幅振動。它們的共同特點是，工作時振動物體不斷地受到周期性變化外力的作用。這種周期性變化的外力叫驅(qū)動力。在驅(qū)動力作用下物體的振動叫受迫振動。再讓學(xué)生舉幾個受迫振動的例子，例如內(nèi)燃機氣缸中活塞的運動，縫紉機針頭的運動，揚聲器紙盆的運動，電話耳機中膜