物理人教版選修3-4學案第十一章第5節(jié)外力作用下的振動

5外力作用下的振動課堂合作探究問題導學一、阻尼振動活動與探究11．根據(jù)你對阻尼振動的理解，說說同一簡諧運動的能量大小由什么物理量決定。2．查閱資料說明無阻尼振動是不是不受任何阻力的振動。3．你用力敲鑼，注意聽其音調(diào)，在響度減小的過程中，體驗其音調(diào)是否變化。并分析思考為什么會這樣。遷移與應用1如圖所示是單擺做阻尼振動的振動圖象，下列說法正確的是（）A．擺球A時刻的動能等于B時刻的動能B．擺球A時刻的勢能等于B時刻的勢能C．擺球A時刻的機械能等于B時刻的機械能D．擺球在做減幅振動中周期沒有減小1．從能量角度來看，實際的振動都是阻尼振動。由于摩擦和介質(zhì)阻力做負功，系統(tǒng)的機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能等其他形式的能，機械能的總量減少，如果沒有能量補充，最終振動要停下來，這就是阻尼振動。2．阻尼振動中振幅雖然逐漸減小，但振動的頻率不會變化，此頻率稱為固有頻率，由振動系統(tǒng)決定。3．是否是阻尼振動，關鍵是看振幅是否逐漸減小。振幅不變的振動稱為無阻尼振動，無阻尼振動機械能不變。4．實際的振動嚴格看都是阻尼振動，要使振幅恒定，可定期補充能量，如機械擺鐘。二、受迫振動活動與探究21．有的同學認為“阻尼振動就是受迫振動，穩(wěn)定振動就是自由振動”，對不對？與同學討論后說出自己的看法。2．受迫振動中，若周期性的驅(qū)動力給系統(tǒng)補充的能量與系統(tǒng)因阻尼振動消耗的能量相等，那么物體振動的振幅是否變化？它能否看成簡諧運動？遷移與應用2如圖，兩個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，當支架在受到豎直方向且頻率為9Hz的驅(qū)動力作用做受迫振動時，則兩個彈簧振子的振動情況是（）A．甲的振幅較大，且振動頻率為8HzB．甲的振幅較大，且振動頻率為9HzC．乙的振幅較大，且振動頻率為9HzD．乙的振幅較大，且振動頻率為72Hz1．受迫振動的周期和頻率由驅(qū)動力決定，與振動物體的固有周期和頻率無關。受迫振動的周期和頻率等于驅(qū)動力的周期和頻率，即T＝T驅(qū)，f＝f驅(qū)。2．驅(qū)動力頻率越接近固有頻率，受迫振動的振幅越大。三、共振活動與探究31．在如圖所示的實驗中，某同學先讓A擺振動起來，則它通過張緊的繩給其他各擺施加驅(qū)動力。你親自實踐并注意觀察各擺的振動步調(diào)，說出它們的不同。2．用扁擔挑水時，有時桶里的水會蕩得厲害，并從桶中濺出來，這是為什么？如何避免發(fā)生這一現(xiàn)象？要記得親自實踐一下喲！不清楚原因可以去問有經(jīng)驗的人。遷移與應用3鋪設鐵軌時，每兩根鋼軌接縫處都必須留有一定的間隙，快速運行的列車經(jīng)過軌端接縫處時，車輪就會受到一次沖撞，由于每一根鋼軌長度相等，所以這個沖擊力是周期性的，列車受到周期性的沖擊做受迫振動，普通鋼軌長為12.6m，列車固有振動周期為0.315s，下列說法正確的是（）A．列車的危險速率為40m/sB．列車過橋需要減速，是為了防止列車發(fā)生共振現(xiàn)象C．列車運行的振動頻率和列車的固有頻率總是相等的D．增加鋼軌的長度有利于列車高速運行對共振產(chǎn)生的條件可從兩個角度理解：1．從受力角度看：當振動物體所受驅(qū)動力的方向跟它的運動方向相同時，驅(qū)動力對它起加速作用，使它的振幅增大，驅(qū)動力的頻率跟物體的固有頻率越接近，使物體振幅增大的力的作用次數(shù)就越多，當驅(qū)動力的頻率等于物體的固有頻率時，它的每一次作用都使物體的振幅增加，從而使振幅達到最大。2．從功能關系看：當驅(qū)動力的頻率越接近物體的固有頻率時，驅(qū)動力方向與物體運動方向一致的次數(shù)越多，驅(qū)動力對物體做正功越多，振幅就越大，當驅(qū)動力的頻率等于物體的固有頻率時，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。3．共振既有其有利的一面，也有其有害的一面。在利用共振時，應使驅(qū)動力的頻率接近或等于振動物體的固有頻率，在需要防止共振時，應使驅(qū)動力的頻率與振動物體的固有頻率不同，而且相差越大越好。當堂檢測1．下列敘述中不屬于共振現(xiàn)象的有（）A．大隊人馬邁著整齊步伐過橋可能會導致橋梁斷裂B．耳朵湊近空熱水瓶口能聽到嗡嗡的聲音C．海上風暴引起強烈的震動產(chǎn)生次聲波（頻率f＜20Hz）D．把彈簧振子拉到距離平衡位置最遠時放手，則此時振幅最大2．如果存在摩擦和空氣阻力，那么任何物體的機械振動嚴格地講都不是簡諧運動，在振動過程中振幅、周期和機械能將（）A．振幅減小，周期減小，機械能減少B．振幅減小，周期不變，機械能減少C．振幅不變，周期減小，機械能減少D．振幅不變，周期不變，機械能減少3．如圖所示，曲軸上懸掛一彈簧振子，轉(zhuǎn)動搖把，曲軸可以帶動彈簧振子上下振動。開始時不轉(zhuǎn)動搖把，讓振子上下自由振動，測得振動頻率為2Hz，然后勻速轉(zhuǎn)動搖把，轉(zhuǎn)速為240r/min，當振子振動穩(wěn)定后，它的振動周期為（）A．eq\f(1,2)sB．eq\f(1,4)sC．2sD．4s4．把一個篩子用四根彈簧支起來，篩子上裝一個電動偏心輪，它每轉(zhuǎn)一周，給篩子一個驅(qū)動力，這就做成了一個共振篩（如圖所示）。不開電動機讓這個篩子自由振動時，完成20次全振動用15s；在某電壓下，電動偏心輪的轉(zhuǎn)速是88r/min。已知增大電動偏心輪的電壓可以使其轉(zhuǎn)速提高，而增加篩子的總質(zhì)量可以增大篩子的固有周期。為使共振篩的振幅增大，以下做法可行的是（）A．降低輸入電壓B．提高輸入電壓C．增加篩子質(zhì)量D．減小篩子質(zhì)量5．汽車的車身一般支撐在固定于軸承上的若干彈簧上，彈簧的等效勁度系數(shù)k×105N/m，汽車開動時，在振幅較小的情況下，其上下自由振動的頻率滿足f＝eq\f(1,2π)eq\r(\f(g,l))（l為彈簧壓縮的長度）。若人體可以看成一個彈性體，其固有頻率約為2Hz，已知汽車的質(zhì)量為600kg，每個人的質(zhì)量為70kg，則這輛車乘坐幾個人時，人感覺到最難受？（g取10m/s2）答案：課堂·合作探究【問題導學】活動與探究1：1．答案：同一簡諧運動的能量大小由振幅大小決定。2．答案：物體做無阻尼振動，并不一定指它不受阻力，而是指它在振動過程中保持振幅不變。3．答案：用力敲鑼，由于鑼受到阻尼作用，振幅越來越小，鑼聲減弱（響度減?。?，但音調(diào)不變（頻率不變）。這是因為，物體做阻尼振動時，振幅雖然不斷減小，但振動的頻率仍由振動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點所決定，并不會隨振幅的減小而變化。遷移與應用1：BD解析：由于振幅逐漸減小，擺球的機械能逐漸減小，故C錯。阻尼振動在做減幅振動的過程中周期沒有變化，故D正確。由于A、B兩時刻擺球的位移相同，故在這兩個時刻擺球相對零勢能點的高度相同，擺球質(zhì)量不變，勢能也相同，故B正確。由于A時刻的機械能大于B時刻的機械能，而A、B兩時刻的勢能相同，故A時刻的動能大于B時刻的動能，A錯?；顒优c探究2：1．答案：阻尼振動是在阻力作用下的振動，受迫振動是在周期性驅(qū)動力作用下的振動，所以兩者不是一回事。自由振動是振動系統(tǒng)在固有周期下的振動，是自由的，不受外力驅(qū)動的；而穩(wěn)定振動是指振動特征相對穩(wěn)定的振動，比如受迫振動在穩(wěn)定后，振動的周期和頻率與驅(qū)動力的周期和頻率相等。2．答案：物體振動的振幅不變，即物體將做等幅振動。振動系統(tǒng)的總機械能不變，但不是簡諧運動，因為簡諧運動所受阻力可以忽略，并且振動的頻率等于固有頻率，屬于自由振動。遷移與應用2：B解析：因為甲的固有頻率接近驅(qū)動力的頻率，可知甲的振幅較大。做受迫振動的物體的頻率等于驅(qū)動力的頻率，無論其固有頻率是多少，此時做受迫振動的頻率都等于驅(qū)動力頻率9Hz，所以B選項正確。活動與探究3：1．答案：A做自由振動，其他各擺做受迫振動，由于是通過上面張緊的水平繩對其他擺施加驅(qū)動力，所以A與其他各擺的振動步調(diào)相反，而B、C、D三擺的振動步調(diào)一致。2．答案：挑水時，由于行走時肩膀的起伏，人通過扁擔對水桶施加力的作用，使水因受到周期性的驅(qū)動力而做受迫振動，當驅(qū)動力頻率接近或等于桶里水的固有頻率時，水桶里的水就會發(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差較多，可行的辦法：改變行走的快慢或停止走動片刻，或在桶里放些漂浮物，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。遷移與應用3：AD解析：當列車受到?jīng)_擊力的周期T等于列車固有的周期0.315s時，列車車廂將會發(fā)生共振，而列車所受沖擊力的周期T＝eq\f(l,v)?v＝eq\,0.315)m/s＝40m/s，即火車的危險速率為40m/s，選項A正確。列車過橋時減速的目的是為了防止橋梁發(fā)生共振（使沖擊力的頻率遠離橋梁振動的固有頻率），而不是防止列車發(fā)生共振，選項B錯。列車運行的振動頻率由鋼軌長度L和車速v決定，f＝eq\f(1,T)＝eq\f(v,l)，而列車的固有頻率是由車廂質(zhì)量和車廂下面板簧的勁度系數(shù)決定的，選項C錯。直接增加火車的速度，會使車速接近危險速度；若提高鋼軌長度，則危險速度增大，從而使車速遠離危險速度。選項D正確?！井斕脵z測】1．D2．B解析：在振動過程中，由于摩擦和空氣阻力要損失機械能，所以機械能減少，振幅減小，但其周期為固有周期，只與其本身有關，與振幅無關，即周期不變，所以選項B正確。3．B解析：彈簧振子做受迫振動時，其振動周期等于驅(qū)動力的周期，就等于曲軸轉(zhuǎn)動的周期，故T＝eq\f(60,240)s＝eq\f(1,4)s。4．AD解析：篩子的固有頻率為f固＝eq\f(20,15)Hz＝eq\f(4,3)Hz，而當時的驅(qū)動力頻率為f驅(qū)＝eq\f(