2019版物理人教版選修3-4課件：第十一章 5. 外力作用下的振動

1、-1- 5 5.外力作用下的振動 -2- 5.外力作用下的振動 目標(biāo)導(dǎo)航 知識梳理重難聚焦典例透析 1.知道什么是阻尼振動和阻尼振動中能量轉(zhuǎn)化的情況。 2.知道做受迫振動物體的振動頻率跟固有頻率無關(guān),而等于驅(qū)動 力的頻率。 3.知道共振以及發(fā)生共振的條件,知道共振的應(yīng)用和防止的實(shí)例。 -3- 5.外力作用下的振動 目標(biāo)導(dǎo)航 知識梳理重難聚焦典例透析 12345 1.固有振動 做簡諧運(yùn)動的物體受到的回復(fù)力,是振動系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用力。 如果振動系統(tǒng)不受外力的作用,此時的振動叫作固有振動,其振動 頻率稱為固有頻率。 -4- 5.外力作用下的振動 目標(biāo)導(dǎo)航 知識梳理重難聚焦典例透析 12345 2.

2、阻尼振動 當(dāng)振動系統(tǒng)受到阻力的作用時,我們說振動受到了阻尼。振動系 統(tǒng)受到的阻尼越小,振幅減小得越慢。當(dāng)阻尼很小時,就可以忽略, 當(dāng)作簡諧運(yùn)動來處理。這種振幅逐漸減小的振動,叫作阻尼振動。 阻尼振動中,在振幅逐漸減小的過程中,振動的頻率是否變化?為 什么? 提示：不變。物體做阻尼振動時,盡管振幅越來越小,但其振動 的頻率仍由自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定。例如,用力敲鑼,由于鑼受到空氣 的阻尼作用,振幅越來越小,鑼聲減弱,但音調(diào)不變。 -5- 5.外力作用下的振動 目標(biāo)導(dǎo)航 知識梳理重難聚焦典例透析 12345 3.受迫振動 系統(tǒng)在驅(qū)動力作用下的振動叫作受迫振動。受迫振動穩(wěn)定時,系 統(tǒng)振動的頻率等于周期性驅(qū)

3、動力的頻率,與系統(tǒng)的固有頻率無關(guān)。 -6- 5.外力作用下的振動 目標(biāo)導(dǎo)航 知識梳理重難聚焦典例透析 12345 4.共振 條件是驅(qū)動力的頻率等于物體的固有頻率。此時受迫振動的 振幅最大。 -7- 5.外力作用下的振動 目標(biāo)導(dǎo)航 知識梳理重難聚焦典例透析 12345 5.共振曲線 如圖所示,共振曲線的橫坐標(biāo)為驅(qū)動力的頻率,縱坐標(biāo)為受迫振 動物體的振幅。 共振曲線直觀地反映出驅(qū)動力的頻率對受迫振動物體振幅的影 響,由共振曲線可知,當(dāng)驅(qū)動力的頻率與物體的固有頻率相等時,受 迫振動的振幅最大。 -8- 5.外力作用下的振動 目標(biāo)導(dǎo)航 知識梳理重難聚焦典例透析 12345 用扁擔(dān)挑水時,有時桶里的水會

4、動蕩得厲害,并從桶中濺出來,這 是為什么?如何避免發(fā)生這一現(xiàn)象? 提示：挑水時,由于行走時肩膀的起伏,人通過扁擔(dān)對水桶的作 用,使水因受到周期性的驅(qū)動力而產(chǎn)生受迫振動,當(dāng)驅(qū)動力頻率接 近或等于桶里水的固有頻率時,水桶里的水就發(fā)生共振,所以水的 動蕩越來越厲害,直到濺出來。 為了避免發(fā)生這種現(xiàn)象,就要使驅(qū)動力的頻率和水桶里的水的固 有頻率相遠(yuǎn)離,解決的辦法有改變行走的快慢或停止走動片刻,若 在桶里放些漂浮物,增大阻尼,使振動系統(tǒng)克服阻力做功,消耗些能 量,也可有效減小水的振動幅度。 -9- 5.外力作用下的振動 知識梳理重難聚焦典例透析 目標(biāo)導(dǎo)航 一二三 一、阻尼振動與簡諧運(yùn)動的比較 現(xiàn)實(shí)生活中

5、的振動幾乎都是阻尼振動,原因就在于振動中始終受 到空氣阻力的作用,系統(tǒng)克服阻力做功,機(jī)械能不再守恒,像掛鐘不 上發(fā)條,鐘擺就會停下來。簡諧運(yùn)動是不受阻力的運(yùn)動,不會損失 機(jī)械能,是一種理想模型。下面就兩種運(yùn)動對比一下: -10- 5.外力作用下的振動 知識梳理重難聚焦典例透析 目標(biāo)導(dǎo)航 一二三 -11- 5.外力作用下的振動 知識梳理重難聚焦典例透析 目標(biāo)導(dǎo)航 一二三 特別警示物體做阻尼振動時,振幅不斷減小,但是振動的頻率仍 由自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所決定,并不會隨振幅的減小而變化,用力敲鑼,由 于鑼受到空氣的阻尼作用,振幅越來越小,鑼聲減弱,但音調(diào)不變。 -12- 5.外力作用下的振動 知識梳理重難聚

6、焦典例透析 目標(biāo)導(dǎo)航 一二三 二、自由振動、受迫振動和共振的比較 -13- 5.外力作用下的振動 知識梳理重難聚焦典例透析 目標(biāo)導(dǎo)航 一二三 三、如何理解共振曲線 如圖所示的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:當(dāng)驅(qū)動力的頻率f偏離固有頻率f固較大時,受迫振 動的振幅較小;當(dāng)驅(qū)動力的頻率f等于固有頻率f固時,受迫振動的振 幅最大。 -14- 5.外力作用下的振動 知識梳理重難聚焦典例透析 目標(biāo)導(dǎo)航 一二三 共振曲線可以這樣理解:物體做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)。但是,物體的固有頻率在振動過程中 也起著很大的作用,如果驅(qū)動力的頻率與物體的固有頻

7、率相差較大, 雖說物體仍不得不按驅(qū)動力的頻率做受迫振動,但是物體本身按固 有頻率振動的力量仍“頑強(qiáng)”地與驅(qū)動力進(jìn)行著“抵抗”,結(jié)果導(dǎo)致物 體實(shí)際振動的振幅很小;如果兩者差距越小,這種作用就越弱。當(dāng) 驅(qū)動力的頻率恰好等于物體的固有頻率時,兩種力量不僅沒有互相 削弱,反而“配合默契”,使物體振動的振幅大大提高,出現(xiàn)共振現(xiàn)象。 也可以從能量積累的觀點(diǎn)解釋共振現(xiàn)象的原因,當(dāng)物體的固有頻率 和驅(qū)動力頻率相同時,使得驅(qū)動力若與物體按固有頻率的振動同步 時,驅(qū)動力時時刻刻都對物體做正功,從而使物體能量達(dá)到最大的 穩(wěn)定狀態(tài),形成共振。 -15- 5.外力作用下的振動 知識梳理重難聚焦典例透析 目標(biāo)導(dǎo)航 一二三

8、 特別警示(1)由共振的條件知,要利用共振,就應(yīng)盡量使驅(qū)動力的 頻率與物體的固有頻率一致。如共振篩、蕩秋千、共振轉(zhuǎn)速計等。 (2)由共振曲線可知,在需要防止共振危害時,要盡量使驅(qū)動力的 頻率和物體的固有頻率不相等,而且相差越多越好。 -16- 5.外力作用下的振動 知識梳理重難聚焦典例透析 目標(biāo)導(dǎo)航 類型一類型二類型三 對阻尼振動的理解 【例1】 單擺做阻尼振動的振動圖線如圖所示,下列說法正確的 是() A.擺球在A時刻的動能等于B時刻的動能 B.擺球在A時刻的勢能等于B時刻的勢能 C.擺球在A時刻的機(jī)械能等于B時刻的機(jī)械能 D.擺球在A時刻的機(jī)械能大于B時刻的機(jī)械能 -17- 5.外力作用下

9、的振動 知識梳理重難聚焦典例透析 目標(biāo)導(dǎo)航 類型一類型二類型三 點(diǎn)撥：熟悉阻尼振動中振幅與頻率隨時間的變化規(guī)律,是分析此 類問題的關(guān)鍵。 解析：在單擺振動過程中,因不斷克服空氣阻力做功使動能逐漸 轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,C項(xiàng)錯誤,D項(xiàng)正確;雖然單擺總的機(jī)械能在逐漸減小,但 在振動過程中動能和勢能仍在不斷地相互轉(zhuǎn)化,由于A、B兩時刻, 單擺的位移相等,所以勢能相等,但動能不相等,A項(xiàng)錯誤,B項(xiàng)正確。 答案：BD 題后反思阻尼振動的特點(diǎn):(1)振幅越來越小。(2)振動頻率不隨 時間變化。本題只考查了第一點(diǎn)。 -18- 5.外力作用下的振動 知識梳理重難聚焦典例透析 目標(biāo)導(dǎo)航 類型一類型二類型三 觸類旁通例1中

10、,隨著時間的推延,單擺的振幅越小,其周期變化嗎? 為什么? 答案：不變,阻尼振動的周期只由系統(tǒng)自身的特點(diǎn)決定,它不會 隨振幅的減小而變化。 -19- 5.外力作用下的振動 知識梳理重難聚焦典例透析 目標(biāo)導(dǎo)航 類型一類型二類型三 對共振曲線的理解 【例2】 右圖為一單擺的共振曲線,圖中橫軸表示驅(qū)動力的頻率, 縱軸表示單擺受迫振動的振幅,求此單擺的擺長。 點(diǎn)撥：熟悉共振發(fā)生的條件是分析問題的關(guān)鍵。 -20- 5.外力作用下的振動 知識梳理重難聚焦典例透析 目標(biāo)導(dǎo)航 類型一類型二類型三 解析：根據(jù)圖象和共振條件,驅(qū)動力頻率為0.4 Hz,即為單擺的固 有頻率。再由單擺周期公式可求得結(jié)果。 由圖象可以

11、看出,當(dāng)驅(qū)動力的頻率為0.4 Hz時,單擺的振幅最大,此 時單擺發(fā)生共振。由產(chǎn)生共振的條件可知,單擺的固有頻率為0.4 Hz, 答案：1.56 m 題后反思在解答有關(guān)共振問題時,要抓住產(chǎn)生共振的條件分析: 驅(qū)動力的頻率等于固有頻率時產(chǎn)生共振,此時振動的振幅最大。 -21- 5.外力作用下的振動 知識梳理重難聚焦典例透析 目標(biāo)導(dǎo)航 類型一類型二類型三 觸類旁通在例2中,如果擺長變長一些,畫出來的圖象的高峰將向 哪個方向移動? 周期增大,則固有頻率變小,因此圖象的高峰將向左移動。 答案：向左移動 -22- 5.外力作用下的振動 知識梳理重難聚焦典例透析 目標(biāo)導(dǎo)航 類型一類型二類型三 共振的應(yīng)用 【例3】 把一個篩子用四根彈簧支起來,篩子上安一個電動偏心 輪,它每轉(zhuǎn)一周,給篩子一個驅(qū)動力,這樣就做成了一個共振篩,如圖 所示。篩子做自由振動時,完成10次全振動用時15 s,在某電壓下,電 動偏心輪轉(zhuǎn)速是36 r/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 () 共振篩 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 -23- 5.外力作用下的振動 知