2024年高中物理新教材同步講義選修第一冊(cè)學(xué)習(xí)筆記第2章 6　受迫振動(dòng)　共振

6受迫振動(dòng)共振[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.知道什么是固有振動(dòng)和阻尼振動(dòng)，會(huì)用能量的觀點(diǎn)分析阻尼振動(dòng)的特點(diǎn)。2.知道受迫振動(dòng)及其產(chǎn)生的條件，會(huì)分析受迫振動(dòng)的特點(diǎn)(重難點(diǎn))。3.理解共振現(xiàn)象，掌握共振產(chǎn)生的條件，知道常見共振的應(yīng)用和危害(重點(diǎn))。一、振動(dòng)中的能量損失如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置為一掛在曲軸上的彈簧振子，用手將振子向下拉動(dòng)一下釋放，觀察較長(zhǎng)一段時(shí)間，你發(fā)現(xiàn)振子在振動(dòng)過程中振幅有什么變化？為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象？_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________1．固有振動(dòng)和固有頻率(1)固有振動(dòng)：振動(dòng)系統(tǒng)在________________________的情況下的振動(dòng)。(2)固有頻率：________振動(dòng)的頻率。2．阻尼振動(dòng)(1)阻尼振動(dòng)：振動(dòng)系統(tǒng)受到________作用時(shí)，________隨時(shí)間逐漸減小的振動(dòng)，其振動(dòng)圖像如圖所示。(2)振動(dòng)系統(tǒng)能量衰減的兩種方式①振動(dòng)系統(tǒng)受到________阻力作用，機(jī)械能逐漸轉(zhuǎn)化為________。②振動(dòng)系統(tǒng)引起鄰近介質(zhì)中各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，能量向四周輻射出去，從而自身的機(jī)械能________。1．阻尼振動(dòng)的振幅、周期和頻率特點(diǎn)物體在做阻尼振動(dòng)的過程中，振幅逐漸減小，但其周期是由振動(dòng)系統(tǒng)本身決定，與振幅大小無關(guān)，振動(dòng)過程中周期和頻率保持不變。2．阻尼振動(dòng)的能量特點(diǎn)物體在做阻尼振動(dòng)的過程中，總機(jī)械能逐漸減小，物體位移大小相等時(shí)，勢(shì)能大小相等，但動(dòng)能與上一次相比將減小。例1(2022·福安市第一中學(xué)高二月考)如圖是一單擺做阻尼振動(dòng)的位移—時(shí)間圖像，比較擺球在M與N對(duì)應(yīng)時(shí)刻的物理量，(EpM代表M點(diǎn)重力勢(shì)能，EpN代表N對(duì)應(yīng)點(diǎn)重力勢(shì)能)以下說法正確的是()A．速率vM＝vNB．受到的拉力FM>FNC．重力勢(shì)能EpM>EpND．機(jī)械能EM<EN二、受迫振動(dòng)在一中，勻速轉(zhuǎn)動(dòng)手柄從而給彈簧上端一個(gè)周期性的上、下外力，幾次改變手柄的轉(zhuǎn)速，觀察不同轉(zhuǎn)速下振子的振動(dòng)情況有什么特點(diǎn)？_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________1．驅(qū)動(dòng)力作用于振動(dòng)系統(tǒng)的____________的外力。2．受迫振動(dòng)(1)定義：系統(tǒng)在__________作用下的振動(dòng)。(2)受迫振動(dòng)的頻率(周期)物體做受迫振動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定后，其振動(dòng)頻率總等于______的頻率，與物體的固有頻率______。類型項(xiàng)目固有振動(dòng)阻尼振動(dòng)受迫振動(dòng)概述振動(dòng)圖像(x－t圖像)是一條正弦曲線振幅逐漸減小的振動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)力作用下的振動(dòng)產(chǎn)生條件不受阻力作用受阻力作用受阻力和驅(qū)動(dòng)力作用頻率固有頻率固有頻率驅(qū)動(dòng)力頻率振幅不變減小大小不確定振動(dòng)圖像形狀不確定振動(dòng)能量振動(dòng)物體的機(jī)械能不變機(jī)械能逐漸減小驅(qū)動(dòng)力對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)做功，補(bǔ)償系統(tǒng)的能量損耗常見例子彈簧振子或單擺敲鑼打鼓時(shí)發(fā)出的聲音越來越弱機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)底座發(fā)生的振動(dòng)(1)受到阻力作用的振動(dòng)一定是阻尼振動(dòng)。()(2)阻尼振動(dòng)的振幅逐漸減小，機(jī)械能逐漸減小。()(3)受迫振動(dòng)的振幅越來越大。()(4)受迫振動(dòng)穩(wěn)定后的頻率與振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率無關(guān)。()例2如圖所示，曲軸上懸掛一彈簧振子，轉(zhuǎn)動(dòng)搖把，曲軸可以帶動(dòng)彈簧振子上下振動(dòng)。(1)開始時(shí)不轉(zhuǎn)動(dòng)搖把，而用手往下拉振子，然后放手讓振子上下振動(dòng)，測(cè)得振子在10s內(nèi)完成20次全振動(dòng)，不考慮阻力，振子做什么振動(dòng)？其固有周期和固有頻率各是多少？若考慮阻力，振子做什么振動(dòng)？(2)在振子正常振動(dòng)過程中，以轉(zhuǎn)速4r/s勻速轉(zhuǎn)動(dòng)把手，振子的振動(dòng)穩(wěn)定后，振子做什么運(yùn)動(dòng)？其周期是多少？______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________三、共振現(xiàn)象及其應(yīng)用1．定義驅(qū)動(dòng)力的頻率f________物體的固有頻率f0時(shí)，物體做受迫振動(dòng)的振幅達(dá)到____________，這種現(xiàn)象稱為共振。2．共振曲線(如圖所示)洗衣機(jī)在衣服脫水完畢關(guān)閉電源后，脫水桶還要轉(zhuǎn)動(dòng)一會(huì)才能停下來。在關(guān)閉電源后，發(fā)現(xiàn)洗衣機(jī)先振動(dòng)得比較弱，有一陣子振動(dòng)得很劇烈，然后振動(dòng)慢慢減弱直至停下來。(1)開始時(shí)，洗衣機(jī)為什么振動(dòng)比較弱？(2)期間劇烈振動(dòng)的原因是什么？____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________1．共振的條件：驅(qū)動(dòng)力的頻率與系統(tǒng)的固有頻率相等，即f驅(qū)＝f固。2．共振曲線如圖所示，共振曲線的橫坐標(biāo)為驅(qū)動(dòng)力的頻率，縱坐標(biāo)為受迫振動(dòng)的振幅。f＝f0時(shí)發(fā)生共振；f>f0或f<f0時(shí)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(yīng)盡量使驅(qū)動(dòng)力的頻率與物體的固有頻率一致。如共振篩、共振轉(zhuǎn)速計(jì)等。(2)防止：在需要防止共振危害時(shí)，要盡量使驅(qū)動(dòng)力的頻率和固有頻率不相等，而且相差越多越好。如：部隊(duì)行軍過橋時(shí)應(yīng)便步走。特別說明：共振是物體做受迫振動(dòng)時(shí)的一種特殊現(xiàn)象。(1)驅(qū)動(dòng)力頻率越大，受迫振動(dòng)的振幅越大。()(2)做受迫振動(dòng)的物體一定會(huì)發(fā)生共振。()例3(多選)(2022·長(zhǎng)沙市高二期末)如圖所示，A、B、C、D四個(gè)單擺的擺長(zhǎng)分別為L(zhǎng)、2L、L、eq\f(L,2)，擺球的質(zhì)量分別為2m、2m、m、eq\f(m,2)，四個(gè)單擺靜止地懸掛在一根水平細(xì)線上?，F(xiàn)讓A球振動(dòng)起來，通過水平細(xì)線迫使B、C、D也振動(dòng)起來，則下列說法正確的()A．B、C、D中B的擺長(zhǎng)最長(zhǎng)，振幅最大B．B、C、D中C的振幅最大C．B、C、D中因D的質(zhì)量最小，故其振幅是最大的D．A、B、C、D四個(gè)單擺的周期均相同例4(多選)一個(gè)彈簧振子做受迫振動(dòng)，它的振幅A與驅(qū)動(dòng)力頻率f之間的關(guān)系如圖所示。由圖可知()A．驅(qū)動(dòng)力頻率為f2時(shí)，振子處于共振狀態(tài)B．驅(qū)動(dòng)力頻率為f3時(shí)，受迫振動(dòng)的振幅比共振小，但振子振動(dòng)的頻率仍為f2C．如果振子做自由振動(dòng)，它的頻率為f2D．振子可以做頻率為f1的等幅振動(dòng)例5(多選)(2023·長(zhǎng)春二中月考)鋪設(shè)鐵軌時(shí)，每?jī)筛撥壗涌p處都必須留有一定的間隙，勻速運(yùn)行的列車經(jīng)過軌端接縫處時(shí)，車輪就會(huì)