11.5 外力作用下的振動(dòng)

1、 外力作用下的振動(dòng)教學(xué)設(shè)計(jì)【教材分析】外力作用下的振動(dòng)是人教版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3-4第十一章機(jī)械振動(dòng)第5節(jié)內(nèi)容。本節(jié)以“外力作用下的振動(dòng)”為標(biāo)題，介紹了“阻尼振動(dòng)”“受迫振動(dòng)”“共振”的概念。在內(nèi)容安排上與老教材有較大的變化，這樣做不僅可以使學(xué)生認(rèn)識(shí)到阻尼振動(dòng)、受迫振動(dòng)和共振都屬于外力作用下的振動(dòng)，而且有利于學(xué)生對(duì)振動(dòng)分類的理解。教材首先介紹了振動(dòng)物體的固有頻率的概念，再從能量的角度分析阻尼振動(dòng)，進(jìn)而通過實(shí)驗(yàn)探究了受迫振動(dòng)的頻率與驅(qū)動(dòng)力頻率的關(guān)系，最后利用實(shí)驗(yàn)探究了受迫振動(dòng)的振幅與驅(qū)動(dòng)力頻率的關(guān)系，從而認(rèn)識(shí)了共振現(xiàn)象?！緦W(xué)情分析】學(xué)生通過前幾節(jié)對(duì)機(jī)械振動(dòng)的學(xué)習(xí)，已經(jīng)知道了

2、描述機(jī)械振動(dòng)的振幅、周期、頻率等概念的含義，對(duì)機(jī)械振動(dòng)過程中的能量轉(zhuǎn)化有初步認(rèn)識(shí)。本節(jié)課的主要任務(wù)是通過實(shí)驗(yàn)掌握物體在做受迫振動(dòng)時(shí)其頻率跟驅(qū)動(dòng)力頻率的關(guān)系，以及受迫振動(dòng)的頻率與物體固有頻率接近時(shí)振動(dòng)的特點(diǎn)?！救S目標(biāo)】知識(shí)與能力1知道什么是阻尼振動(dòng)，阻尼振動(dòng)的圖像的特點(diǎn)。2知道什么是受迫振動(dòng)，知道受迫振動(dòng)的頻率等于驅(qū)動(dòng)力的頻率。3知道什么是共振以及發(fā)生共振的條件。能夠解釋共振的應(yīng)用和防止的實(shí)例。過程與方法1設(shè)置問題啟發(fā)學(xué)生的思考，讓學(xué)生掌握解決問題的思維方法。2探究和驗(yàn)證過程中掌握觀察、總結(jié)、用數(shù)學(xué)處理物理問題的方法。3經(jīng)歷科學(xué)規(guī)律探究的過程、認(rèn)識(shí)探究的意義、嘗試探究的方法、培養(yǎng)探究的能力。情

3、感態(tài)度與價(jià)值觀1通過受迫振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究的興趣。2通過探究實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)合作精神和積極參與的意識(shí)。3體會(huì)自然現(xiàn)象背后的奇妙規(guī)律，培養(yǎng)求知欲極學(xué)以致用的精神?！窘虒W(xué)重難點(diǎn)】教學(xué)重點(diǎn)阻尼振動(dòng)、受迫振動(dòng)、共振及產(chǎn)生共振的條件。教學(xué)難點(diǎn)物體是否能發(fā)生共振決定于驅(qū)動(dòng)力的頻率與物體固有頻率的大小關(guān)系，與驅(qū)動(dòng)力大小無關(guān)；當(dāng)f=f時(shí)，物體做受迫振動(dòng)的振幅最大。驅(qū)固教學(xué)過程】、趣味實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入師：今天我給大家?guī)硪粋€(gè)古代的臉盆，這個(gè)臉盆有兩個(gè)把手，成為雙耳，我在盆里放了少量的水，請(qǐng)觀察如果我用雙手快速地有節(jié)奏的摩擦雙耳，你能觀察到什么？生：盆會(huì)像受到撞擊一樣，發(fā)出“嗡嗡”的聲音，盆內(nèi)水波蕩漾生：摩擦得法，還

4、噴出水柱。師：為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？生：不知道。師：我們這節(jié)課為大家揭開神秘的面紗。在學(xué)習(xí)新知識(shí)之前，回顧一下簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)中能量如何變化？生：簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)中動(dòng)能和勢(shì)能在發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，但機(jī)械能的總量保持不變，即機(jī)械能守恒。振動(dòng)的能量與振幅有關(guān)，振幅越大，振動(dòng)的能量越大。師：對(duì)于這樣一個(gè)彈簧振子，如果振動(dòng)系統(tǒng)不受外力的作用，此時(shí)的振動(dòng)叫做固有振動(dòng)，其振動(dòng)頻率稱為固有頻率。、層層遞進(jìn)思考阻尼振動(dòng)思考1：在單擺和音叉的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，單擺和音叉的振幅為什么會(huì)越來越小，最后停下來？生：受到阻力作用。師：在單擺和音叉的振動(dòng)過程中，不可避免要克服摩擦或其它阻力做功，系統(tǒng)機(jī)械能會(huì)損耗，振動(dòng)的振幅就會(huì)減小，機(jī)械能耗盡的時(shí)

5、候，振動(dòng)就會(huì)停下來。我們把這種振動(dòng)稱為阻尼振動(dòng)。（板書）知識(shí)拓展：所謂“阻尼”是指消耗系統(tǒng)能量的因素，它主要分兩類：一類是摩擦阻尼，例如單擺運(yùn)動(dòng)時(shí)的空氣阻力等；另一類是輻射阻尼，例如音叉發(fā)聲時(shí)，一部分機(jī)械能隨聲波輻射到周圍空間，導(dǎo)致音叉振幅減小。師：振動(dòng)系統(tǒng)受到的阻尼越大，振幅減小得越快，阻尼過大時(shí)，系統(tǒng)將不能發(fā)生振動(dòng)。實(shí)際的自由振動(dòng)一定是阻尼振動(dòng)繼續(xù)提問：阻尼振動(dòng)的振幅在減小，但其振動(dòng)周期（頻率）變不變？生：變化生：不變教師用力敲音叉，音叉受到空氣阻尼的作用，振幅越來越小，聲音減弱。師：音調(diào)變不變？生：不變。師：音調(diào)由什么決定？生：頻率。師：那你們說阻尼振動(dòng)中，頻率變不變？生：不變。師：阻尼

6、振動(dòng)的振幅盡管在減小，但其振動(dòng)周期（頻率）不變，它是由振動(dòng)系統(tǒng)決定的。振動(dòng)系統(tǒng)確定后，其振動(dòng)的周期（頻率）就不變，稱為固有周期（頻率）。例1：一單擺做阻尼振動(dòng)，則在振動(dòng)過程中（）振幅越來越小，周期也越來越小振幅越來越小，周期不變?cè)谡駝?dòng)過程中，通過某一位置時(shí)，機(jī)械能始終不變?cè)谡駝?dòng)過程中，機(jī)械能不守恒二、受迫振動(dòng)思考2：阻尼振動(dòng)最終要停下來，怎樣才能產(chǎn)生持續(xù)的振動(dòng)呢？生：給系統(tǒng)一個(gè)外力。師：很好，我們給這個(gè)外力一個(gè)專業(yè)的名稱一一驅(qū)動(dòng)力。為了更好的研究這個(gè)問題，我們借助一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，請(qǐng)觀察器材的結(jié)構(gòu)。生：一個(gè)支架，一個(gè)豎直方向的彈簧振子，一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的把手。教師請(qǐng)學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)裝置，思考如何使彈簧振子

7、運(yùn)動(dòng)起來，請(qǐng)多個(gè)學(xué)生回答。生：簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的頻率由系統(tǒng)本身決定。生：手勻速轉(zhuǎn)動(dòng)把手，可以給彈簧振子一個(gè)驅(qū)動(dòng)力，所以手勻速轉(zhuǎn)動(dòng)把手的周期為驅(qū)動(dòng)力的周期。生：我發(fā)現(xiàn)，把手轉(zhuǎn)的有多快，彈簧振子振的就有多快。 師：彈簧振子被逼無奈地在做運(yùn)動(dòng)，它的頻率由誰來決定？生：驅(qū)動(dòng)力的頻率。師：如果系統(tǒng)受到周期性外力的作用就可以利用外力對(duì)系統(tǒng)做功，補(bǔ)償系統(tǒng)因阻尼作用而損失的能量，使系統(tǒng)持續(xù)地振動(dòng)下去，這樣的振動(dòng)稱為受迫振動(dòng)。（板書）1、驅(qū)動(dòng)力：作用在振動(dòng)系統(tǒng)上的周期性外力。2、受迫振動(dòng)：系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)力作用下的振動(dòng)。3、受迫振動(dòng)的特點(diǎn)：受迫振動(dòng)的頻率總等于驅(qū)動(dòng)力的頻率，與系統(tǒng)的固有頻率無關(guān)。例2（2013江蘇高考）如圖所

8、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(cè)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1Hz3Hz4Hz5HzTj三、共振思考3：受迫振動(dòng)的振幅和它的固有頻率有無關(guān)系？師：實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。老師今天帶來一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，請(qǐng)大家觀察。師：擺動(dòng)片下面有七個(gè)擺，七個(gè)擺的擺長(zhǎng)長(zhǎng)短不一，好像有三個(gè)擺的擺長(zhǎng)A、B、C幾乎相等，請(qǐng)說明它們的振動(dòng)頻率和周期有什么關(guān)系？生：由周期公式T=2n可知，TA=TB=TC。師：很好，我讓A擺擺動(dòng)起來，請(qǐng)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。生：所有擺都擺動(dòng)起來。師：A做自由振動(dòng)，為什么其它六個(gè)擺都擺動(dòng)起來？生：A球通過擺動(dòng)片給其余六個(gè)擺

9、一個(gè)驅(qū)動(dòng)力，做受迫振動(dòng)。師：這些擺的周期和頻率有什么關(guān)系。生：都和A擺一樣。師：請(qǐng)繼續(xù)觀察，為什么做受迫振動(dòng)，六個(gè)擺的振幅卻不一樣？哪些擺振幅相對(duì)大一些，哪些相對(duì)小一些？生：BC最大，F(xiàn)，G最小。師：那么問題來了，為什么大家都是做受迫振動(dòng)，頻率一樣，振幅卻差這么多了？問題可能出在哪里？生：擺的固有頻率不一樣。師：很好，抓住關(guān)鍵了。我們?cè)賹?duì)比一下，發(fā)現(xiàn)B、C擺的驅(qū)動(dòng)力頻率和固有頻率相等，而F，G擺的驅(qū)動(dòng)力頻率和固有頻率相差比較大。師：驅(qū)動(dòng)力的頻率等于系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，受迫振動(dòng)的振幅最大，這種現(xiàn)象叫做共振（板書）師：通過上述實(shí)驗(yàn)我們知道，受迫振動(dòng)的振幅A與驅(qū)動(dòng)力的頻率f及振動(dòng)物體的固有頻率f之間的

10、關(guān)系有關(guān)，它們之間的這種關(guān)系可用圖象來表示，這個(gè)圖象叫共振曲線，如圖：縱軸：表示受迫振動(dòng)的振幅。橫軸：表示驅(qū)動(dòng)力的頻率。特點(diǎn)：當(dāng)驅(qū)動(dòng)力頻率等于物體固有頻率時(shí)，物體振動(dòng)的振幅最大；驅(qū)動(dòng)力頻率與固有頻率相差越大，物體的振幅越小。受迪岳動(dòng)旳撫幅師：驅(qū)動(dòng)力的頻率與系統(tǒng)的固有頻率相差越少，振幅越大，相差越多，振幅越小。例3如圖所示的演示裝置，一根張緊的水平繩上掛著五個(gè)單擺，其中A、E擺長(zhǎng)相同，先使A擺動(dòng)，其余各擺也隨著擺動(dòng)起來，可以發(fā)現(xiàn)振動(dòng)穩(wěn)定后（）各擺的固有周期均相同各擺振動(dòng)的周期均與A擺相同C擺振幅最大B擺振動(dòng)周期最小oBoA例4一個(gè)單擺做受迫振動(dòng)，其共振曲線(振幅A與驅(qū)動(dòng)力的頻率f的關(guān)系)如圖所示

11、，貝9()A此單擺的固有周期約為0.5s此單擺的擺長(zhǎng)約為1m若擺長(zhǎng)增大，單擺的固有頻率增大D若擺長(zhǎng)增大，共振曲線的峰將向右移動(dòng)、結(jié)合生活，升華意義岳聲的共I龍洗1、龍洗。雙手摩擦雙耳，手給龍洗一個(gè)驅(qū)動(dòng)力，如果驅(qū)動(dòng)力的頻率和龍洗的固有頻率接近時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，當(dāng)然還涉及波的干涉現(xiàn)象，下一章，我們繼續(xù)追蹤龍洗。2、聲音的共鳴。兩個(gè)頻率相同的帶有共鳴箱的音叉，放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。先用小槌打擊音叉A的叉股，使它發(fā)聲，過一會(huì)兒，用手按住音叉A的叉股，使A停止發(fā)聲，觀察發(fā)生的現(xiàn)象?？梢月牭?jīng)]被敲打的音叉B發(fā)出了聲音。在其中的一只音叉的叉股上套上一個(gè)磁性戒指，重新做上面的實(shí)驗(yàn)，觀察發(fā)生的現(xiàn)象。音叉B不再發(fā)出聲

12、音了。音叉A的叉股被敲時(shí)發(fā)生振動(dòng)，在空氣中激起聲波，聲波傳到音叉B,給音叉B以周期性的驅(qū)動(dòng)力。第一次實(shí)驗(yàn)時(shí)，A、B的固有頻率相同，符合產(chǎn)生共振的條件，于是B的振幅最大，就可以聽到B發(fā)出的聲音；第二次實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于給B的音叉套上了磁性戒指，使A、B的固有頻率不再相同，此時(shí)B不能產(chǎn)生共振，發(fā)出的聲音很小，甚至聽不到。3、歷史。1831年，一隊(duì)騎兵通過曼徹斯特附近的一座便橋時(shí)，由于馬蹄節(jié)奏整齊，橋梁發(fā)生共振而斷裂。軍隊(duì)或火車過橋時(shí)，整齊的步伐或車輪對(duì)鐵軌接頭處的撞擊會(huì)對(duì)橋梁產(chǎn)生周期性的驅(qū)動(dòng)力，如果驅(qū)動(dòng)力的頻率接近橋梁的固有頻率，就可能使橋梁的振幅顯著增大，以致使橋梁發(fā)生斷裂因此，部隊(duì)過橋要用便步，以免產(chǎn)生周期性的驅(qū)動(dòng)力火車過橋要慢開，使驅(qū)動(dòng)力的頻率遠(yuǎn)小于橋梁的固有頻率。4、風(fēng)的共振。1940年，美國的全長(zhǎng)860米的塔柯姆大橋在建成后的4個(gè)月就因風(fēng)共振而倒塌。師：請(qǐng)總結(jié)出共振的防止和應(yīng)用的最有效措施。生：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)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。、課堂小結(jié)【利用一問一答的形式對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行復(fù)習(xí)小結(jié)，這樣有助于學(xué)生加深對(duì)本節(jié)所學(xué)內(nèi)容的理解和記憶?！俊景鍟O(shè)計(jì)】11.5外力作用下的振動(dòng)一.阻尼振動(dòng)定義：