新教材適用2023-2024學年高中物理第二章機械振動5.阻尼振動受迫振動課件教科版選擇性必修第一冊

5.阻尼振動受迫振動第二章內(nèi)容索引010203自主預習新知導學合作探究釋疑解惑隨堂練習課標定位素養(yǎng)闡釋1.通過實驗,認識受迫振動的特點。2.了解產(chǎn)生共振的條件及其應用。3.知道阻尼振動、自由振動、固有頻率等物理概念。1.知道阻尼振動和阻尼振動能量的轉化情況,形成正確物理觀念。2.知道什么是受迫振動及產(chǎn)生條件,掌握物體做受迫振動的特點,培養(yǎng)科學思維。3.知道共振現(xiàn)象,掌握產(chǎn)生共振的條件,知道常見的共振的應用和危害,形成科學態(tài)度與責任。自主預習新知導學一、阻尼振動1.阻尼振動:振動逐漸減弱,即振幅逐漸變小,振動能量逐步轉變?yōu)槠渌芰?這種振動叫作阻尼振動。2.自由振動:系統(tǒng)不受外力作用,只在自身回復力作用下的振動,稱為自由振動。3.無阻尼振動:理想情況下(即不受任何外力,沒有任何能量損耗)振幅保持不變,叫作無阻尼振動。4.系統(tǒng)的固有頻率:自由振動的頻率,叫作系統(tǒng)的固有頻率。固有頻率由系統(tǒng)本身的特征決定。5.實際的彈簧振子的運動是阻尼振動嗎?答案:實際的彈簧振子在運動中除受彈力外,還受摩擦力等阻力的作用,振幅逐漸變小,因此振子做的是阻尼振動。當阻力很小時,在不太長時間內(nèi)看不出振幅有明顯的變小,于是就可以把它當作簡諧運動來處理。二、受迫振動1.驅動力:如果用周期性的外力作用于振動系統(tǒng),補償系統(tǒng)的能量損耗,使系統(tǒng)持續(xù)等幅地振動下去,這種周期性的外力叫作驅動力。2.受迫振動:系統(tǒng)在驅動力作用下振動叫作受迫振動。三、共振1.共振:驅動力的頻率等于振動物體的固有頻率時,受迫振動的振幅最大,這種現(xiàn)象叫作共振。2.當驅動力的頻率f等于振動物體的固有頻率f0時,振幅最大;驅動力的頻率f跟固有頻率f0相差越大,振幅越小。3.做受迫振動的物體一定會發(fā)生共振嗎?答案:不一定。物體做受迫振動時,當驅動力的頻率等于固有頻率時,才會發(fā)生共振,即發(fā)生共振的物體一定做受迫振動,做受迫振動的物體不一定發(fā)生共振。四、共振的應用與防止在需要利用共振時,應使驅動力的頻率接近或等于振動系統(tǒng)的固有頻率;在需要防止共振時,應使驅動力的頻率遠離振動系統(tǒng)的固有頻率?！舅伎加懻摗?/p>

1.判斷下列說法的正誤。(1)受迫振動的頻率與振動系統(tǒng)的固有頻率無關。(

)(2)驅動力頻率越大,振幅越大。(

)(3)共振只有害處沒有好處。(

)(4)做受迫振動的物體一定會發(fā)生共振。(

)(5)阻尼振動的頻率隨振幅的減小而不斷減小。(

)√××××2.(多選)某振動系統(tǒng)的固有頻率為f0,在周期性驅動力的作用下做受迫振動,驅動力的頻率為f。若驅動力的振幅保持不變,下列說法正確的是(

)A.當f<f0時,該振動系統(tǒng)的振幅隨f增大而減小B.當f>f0時,該振動系統(tǒng)的振幅隨f減小而增大C.該振動系統(tǒng)的振動穩(wěn)定后,振動的頻率等于f0D.該振動系統(tǒng)的振動穩(wěn)定后,振動的頻率等于f答案:BD解析:當f=f0時,系統(tǒng)達到共振,振幅最大,故f<f0時,隨f的增大,振幅增大,故A錯誤;當f>f0時,隨f的減小,驅動力的頻率接近固有頻率,故該振動系統(tǒng)的振幅增大,故B正確;該振動系統(tǒng)的振動穩(wěn)定后,振動的頻率等于驅動力的頻率f,故C錯誤,D正確。3.如圖所示的裝置,彈簧振子的固有頻率是4Hz?，F(xiàn)勻速轉動把手,給彈簧振子以周期性的驅動力,測得彈簧振子振動達到穩(wěn)定時的頻率為1Hz。則把手轉動的頻率為(

)A.1Hz B.3HzC.4Hz D.5Hz答案:A解析:振子做受迫振動,其振動頻率等于驅動力頻率,則把手的轉動頻率為1

Hz,選項A正確。合作探究釋疑解惑知識點一簡諧運動、阻尼振動和受迫振動問題引領任何實際振動,只在初始時刻具有一定能量,在阻尼作用下最終會停下來,怎樣才能使振動持續(xù)不斷地進行下去呢?提示:施加周期性的驅動力。

歸納提升1.三種振動的理解(1)簡諧運動:一種理想化的模型,物體運動過程中的一切阻力都不考慮。(2)阻尼振動:考慮阻力的影響,是更實際的一種運動。(3)受迫振動:物體做阻尼振動時受到周期性驅動力作用下的振動。2.三種振動的比較

比較項目簡諧運動阻尼振動受迫振動產(chǎn)生條件不受阻力作用受阻力作用受阻力和驅動力作用頻率固有頻率頻率不變由驅動力的頻率決定振動圖像形狀不確定常見例子彈簧振子或單擺敲鑼打鼓時發(fā)出的聲音越來越弱機器運轉時底座發(fā)生的振動典型例題【例題1】

(多選)下圖是單擺做阻尼振動的振動圖線,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A時刻的機械能大于B時刻的機械能答案:BD解析:單擺做阻尼振動,因此其機械能不斷減小,選項D正確,C錯誤;由圖又看出A、B兩時刻單擺的位移相同,即在同一位置,故勢能相同,選項B正確;因機械能越來越小,所以動能B處比A處小,選項A錯誤。阻尼振動的能量和周期(1)阻尼振動的振幅不斷減小,能量不斷減少,但阻尼振動的頻率不變,其頻率為固有頻率,由系統(tǒng)本身決定。(2)自由振動是一種理想情況,也叫簡諧運動。實際中的振動都會受到阻力的作用,當阻力較小時,可認為是簡諧運動。(3)阻尼振動中,機械能E等于動能Ek和勢能Ep之和,即E=Ek+Ep,E減小,但動能和勢能相互轉化,當Ep相等,Ek不相等,而從振動圖像上可以確定Ep的關系?！咀兪接柧?】

如圖所示的裝置中,在曲軸AB上懸掛一個彈簧振子,若不轉動把手C,讓其上下振動,周期為T1,若使把手以周期T2(T2>T1)勻速轉動,當運動都穩(wěn)定后,則(

)A.彈簧振子的振動周期為T1C.要使彈簧振子的振幅增大,可讓把手轉速減小D.要使彈簧振子的振幅增大,可讓把手轉速增大答案:D解析:彈簧振子在把手作用下做受迫振動,因此振動周期等于驅動力的周期,等于T2,故A、B錯誤;驅動力的周期與彈簧振子的固有周期越接近,振幅越大,由于T2>T1,欲使振幅增大,應使T2減小,即轉速應增大,故C錯誤,D正確。知識點二受迫振動共振問題引領某工廠的一個車間里,機器一開動,整個車間就灰塵四起,既對工人的健康有害,也影響產(chǎn)品的質(zhì)量,為此廠里請來了一位建筑工程師,他到車間察看后,叫人在車間里建了幾根水泥立柱,問題就解決了。請你解釋其中的奧秘。提示:建幾根水泥立柱,改變了車間的固有頻率,使之不再與機器的振動頻率接近,避免車間產(chǎn)生共振現(xiàn)象。歸納提升1.共振的條件:驅動力的頻率與系統(tǒng)的固有頻率相等,即f驅=f固。2.共振曲線如圖所示,共振曲線的橫坐標為驅動力的頻率,縱坐標為受迫振動的振幅。(1)從受力角度看:當驅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,直到振幅達到最大。(2)從功能關系看:當驅動力的頻率等于物體的固有頻率時,驅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。振動能量最大,振幅最大。(3)認識曲線的形狀:f=f0,共振;f>f0或f<f0,振幅較小。f與f0相差越大,振幅越小。3.共振的利用與防止(1)利用:要利用共振,就應盡量使驅動力的頻率與物體的固有頻率一致。如共振篩、共振轉速計等。(2)防止:在需要防止共振危害時,要盡量使驅動力的頻率和固有頻率不相等,而且相差越大越好。如:部隊過橋應便步走。說明:共振是物體做受迫振動時的一種特殊現(xiàn)象。幾點說明(1)受迫振動的振幅與驅動力頻率有關。(2)受迫振動的振幅可以不變,但受迫振動的機械能是不守恒的。(3)共振是物體做受迫振動時的一種特殊現(xiàn)象。共振有利時盡量讓f接近f0,有害時盡量讓f遠離f0。典型例題【例題2】

(多選)把一個篩子用四根彈簧支起來,篩子上有一個電動偏心輪,它每轉一周,給篩子一個驅動力,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15s,在某電壓下,電動偏心輪轉速是36r/min。已知增大電壓,可使偏心輪轉速提高;增加篩子的質(zhì)量,可以增大篩子的固有周期。那么要使篩子的振幅增大,下列哪些做法是正確的(

)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)量答案:AC這兩個周期值靠近,可采用兩種做法:第一,提高輸入電壓使偏心輪轉得快一些,減小驅動力的周期;第二,增加篩子的質(zhì)量使篩子的固有周期增大。共振篩的工作原理是利用共振現(xiàn)象,當電動機偏心輪的轉動周期跟篩子的固有周期相等時,就會發(fā)生共振?！咀兪接柧?】

如圖所示,三個單擺的擺長為L1=1.5m,L2=1m,L3=0.5m,現(xiàn)用一周期等于2s的驅動力,使它們做受迫振動,那么當它們的振動穩(wěn)定時,下列判斷正確的是(

)A.三個擺的周期和振幅相等B.三個擺的周期不等,振幅相等C.三個擺的周期相等,振幅不相等D.三個擺的周期和振幅都不相等答案:C固有頻率不同,根據(jù)振幅與驅動頻率的關系圖,可知固有頻率越接近驅動頻率,振幅越大,所以三個擺球振幅不同,A、B、D錯誤,C正確。課堂小結隨堂練習1.(共振的應用與防止)部隊經(jīng)過橋梁時,規(guī)定不許齊步走;登山運動員登高山時,不許高聲叫喊,主要原因是(

)A.減輕對橋的壓力,避免產(chǎn)生回聲B.減少對橋、雪山的沖擊力C.避免使橋發(fā)生共振和使雪山發(fā)生共振D.使橋受到的壓力更不均勻,使登山運動員耗散能量減少答案:C解析:部隊過橋時如齊步走,給橋梁施加周期性外力,容易使橋的振動幅度增加,即發(fā)生共振,造成橋梁倒塌;登山運動員登高山時高聲叫喊,聲波容易引發(fā)雪山共振而發(fā)生雪崩,故應選C。2.(受迫振動與驅動力)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72Hz答案:B解析:當驅動力的頻率與固有頻率接近時,振幅增大,且受迫振動的頻率等于驅動力頻率,B正確。3.(共振的應用與防止)在飛機的發(fā)展史中有一個階段,飛機上天后不久,飛機的機翼(翅膀)很快就抖動起來,而且越抖越厲害。后來經(jīng)過人們的探索,利用在飛機機翼前緣處裝置一個配重桿的方法,解決了這一問題。在飛機機翼前裝置配重桿的目的主要是(

)A.加大飛機的慣性B.使機體更加平衡C.使機翼更加牢固D.改變機翼的固有頻率答案:D解析:飛機振動的原因是氣流使機翼的振動周期與機翼的固有周期接近發(fā)生了共振現(xiàn)象,通過裝置一個配重桿的方法改變機翼的固有周期,從而避免共振的發(fā)生,D正確。4.(共振曲線的理解)某同學在研究單擺的受迫振動時,得到如圖所示的共振曲線。橫軸表示驅動力的頻率,縱軸表示穩(wěn)定時單擺振動的振幅。已知重力加速度為g,下列說法正確的是(