2020-2021年高中物理-第二章-機(jī)械振動(dòng)-6-受迫振動(dòng)-共振學(xué)案-新人教版選擇性必修第一冊

2020-2021年高中物理第二章機(jī)械振動(dòng)6受迫振動(dòng)共振學(xué)案新人教版選擇性必修第一冊2020-2021年高中物理第二章機(jī)械振動(dòng)6受迫振動(dòng)共振學(xué)案新人教版選擇性必修第一冊PAGE7-2020-2021年高中物理第二章機(jī)械振動(dòng)6受迫振動(dòng)共振學(xué)案新人教版選擇性必修第一冊2020-2021年高中物理第二章機(jī)械振動(dòng)6受迫振動(dòng)共振學(xué)案新人教版選擇性必修第一冊年級(jí)：姓名：受迫振動(dòng)共振目標(biāo)體系構(gòu)建明確目標(biāo)·梳理脈絡(luò)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1．了解阻尼振動(dòng)、受迫振動(dòng)、共振的概念。2．知道受迫振動(dòng)的頻率由驅(qū)動(dòng)力的頻率決定。3．掌握發(fā)生共振的條件，了解共振的防止和利用?！舅季S脈絡(luò)】eq\x(\a\al(受迫,振動(dòng),共振))—eq\b\lc\|\rc\(\a\vs4\al\co1(→\x(阻尼振動(dòng))→\x(振幅逐漸減小的振動(dòng)),→\x(受迫振動(dòng))—\b\lc\|\rc\(\a\vs4\al\co1(→\x(驅(qū)動(dòng)力),→\x(周期和頻率))),→\x(共振)—\b\lc\|\rc\(\a\vs4\al\co1(→\x(產(chǎn)生共振的條件),→\x(共振的防止和應(yīng)用)))))課前預(yù)習(xí)反饋教材梳理·落實(shí)新知知識(shí)點(diǎn)1固有振動(dòng)、阻尼振動(dòng)1．固有振動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)__在不受外力作用下__的振動(dòng)。2．固有頻率__固有__振動(dòng)的頻率。3．阻尼振動(dòng)振幅隨時(shí)間__逐漸減小__的振動(dòng)。知識(shí)點(diǎn)2受迫振動(dòng)1．驅(qū)動(dòng)力作用于振動(dòng)系統(tǒng)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)叫受迫振動(dòng)。3．受迫振動(dòng)的頻率做受迫振動(dòng)的系統(tǒng)振動(dòng)穩(wěn)定后，其振動(dòng)頻率等于__驅(qū)動(dòng)力__的頻率，與系統(tǒng)的__固有頻率__無關(guān)。知識(shí)點(diǎn)3共振1．條件驅(qū)動(dòng)力頻率__等于__系統(tǒng)的固有頻率。2．特征共振時(shí)受迫振動(dòng)的物體__振幅__最大。3．共振的應(yīng)用與防止(1)共振的應(yīng)用采用方法：在應(yīng)用共振時(shí)，驅(qū)動(dòng)力頻率接近或等于振動(dòng)系統(tǒng)的__固有頻率__。(2)共振的防止采用方法：在防止共振時(shí)，驅(qū)動(dòng)力頻率與系統(tǒng)的__固有頻率__相差越大越好。思考辨析『判一判』(1)阻尼振動(dòng)是機(jī)械能不斷減小的振動(dòng)，它一定不是簡諧運(yùn)動(dòng)。(√)(2)單擺的振幅越來越小，是因?yàn)槠淠芰吭诓粩嘞А?×)(3)在外力作用下的振動(dòng)就是受迫振動(dòng)。(×)(4)受迫振動(dòng)的頻率與振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率無關(guān)。(√)(5)驅(qū)動(dòng)力頻率越大，振幅越大。(×)(6)共振只有害處沒有好處。(×)『選一選』如圖所示，某同學(xué)看到一只鳥落在樹枝上的P處，樹枝在10s內(nèi)上下振動(dòng)了6次。鳥飛走后，他把50g的砝碼掛在P處，發(fā)現(xiàn)樹枝在10s內(nèi)上下振動(dòng)了12次，將50g的砝碼換成500g砝碼后，他發(fā)現(xiàn)樹枝在15s內(nèi)上下振動(dòng)了6次，你估計(jì)鳥的質(zhì)量最接近(B)A．50g B．200gC．500g D．550g解析：振動(dòng)系統(tǒng)的頻率是由振動(dòng)系統(tǒng)的自身來決定的。鳥與樹枝組成的系統(tǒng)頻率f1＝eq\f(6,10)Hz＝0.6Hz，50g砝碼與樹枝組成的系統(tǒng)頻率f2＝eq\f(12,10)Hz＝1.2Hz，500g砝碼與樹枝組成的系統(tǒng)頻率為f3＝eq\f(6,15)Hz＝0.4Hz，而f3<f1<f2，故鳥的質(zhì)量應(yīng)在50g與500g之間，故選B?！合胍幌搿荒彻S的一個(gè)車間里，機(jī)器一開動(dòng)，整個(gè)車間就灰塵四起，即對工人的健康有害，也影響產(chǎn)品的質(zhì)量，為此廠里請來了一個(gè)建筑工程師，他到車間看后，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。答案：建幾根水泥立柱，改變了車間的固有頻率，使之不再與機(jī)器的振動(dòng)頻率接近，避免車間產(chǎn)生共振現(xiàn)象。課內(nèi)互動(dòng)探究細(xì)研深究·破疑解難探究簡諧運(yùn)動(dòng)、阻尼振動(dòng)與受迫振動(dòng)┃┃情境導(dǎo)入__■生活中會(huì)見到陣風(fēng)吹過樹枝，使樹枝左右搖擺，一會(huì)兒樹枝就會(huì)停下來，而蕩秋千的小朋友在一旁大人的不斷推動(dòng)下不停地?cái)[動(dòng)。(1)樹枝的運(yùn)動(dòng)是什么運(yùn)動(dòng)？(2)秋千的擺動(dòng)是什么運(yùn)動(dòng)？提示：(1)阻尼振動(dòng)(2)受迫振動(dòng)┃┃要點(diǎn)提煉__■1．認(rèn)識(shí)三種振動(dòng)(1)簡諧運(yùn)動(dòng)是一種理想化的模型，物體運(yùn)動(dòng)過程中的一切阻力都不考慮。(2)阻尼振動(dòng)考慮阻力的影響，是更實(shí)際的一種運(yùn)動(dòng)。(3)受迫振動(dòng)是物體做阻尼振動(dòng)時(shí)受到周期性驅(qū)動(dòng)力作用下的振動(dòng)。2．簡諧運(yùn)動(dòng)、阻尼振動(dòng)與受迫振動(dòng)的比較振動(dòng)類型比較項(xiàng)目簡諧運(yùn)動(dòng)阻尼振動(dòng)受迫振動(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變化不確定振動(dòng)圖像形狀不確定實(shí)例彈簧振子振動(dòng)，單擺做小角度擺動(dòng)敲鑼打鼓發(fā)出的聲音越來越弱，是因振幅越來越小揚(yáng)聲器紙盆振動(dòng)發(fā)聲，鐘擺的擺動(dòng)特別提醒(1)阻尼振動(dòng)的頻率：阻尼振動(dòng)中振幅雖逐漸減小，但振動(dòng)頻率不會(huì)變化，此頻率稱為固有頻率，由振動(dòng)系統(tǒng)決定。(2)阻尼振動(dòng)與簡諧運(yùn)動(dòng)的關(guān)系：實(shí)際的振動(dòng)都會(huì)受到阻力的作用，是阻尼振動(dòng)。當(dāng)阻力很小時(shí)，可認(rèn)為是簡諧運(yùn)動(dòng)。┃┃典例剖析__■典例1(多選)一單擺在空氣中振動(dòng)，振幅逐漸減小，下列說法正確的是(AD)A．單擺的機(jī)械能逐漸轉(zhuǎn)化為其他形式的能B．單擺后一時(shí)刻的動(dòng)能一定小于前一時(shí)刻的動(dòng)能C．單擺振幅減小，頻率也隨著減小D．單擺振幅雖然減小，但其頻率不變思路引導(dǎo)：理解阻尼振動(dòng)要從兩個(gè)方面入手：一是從振動(dòng)能量上來講，由于阻力做功，振動(dòng)物體的機(jī)械能逐漸減小，振幅逐漸變小，但由于振動(dòng)中動(dòng)能與勢能相互轉(zhuǎn)化，不能說下一時(shí)刻的動(dòng)能(或勢能)變??；二是從振動(dòng)周期、頻率上看，周期與頻率由振動(dòng)系統(tǒng)本身決定，阻尼振動(dòng)中周期、頻率不變。解析：單擺做阻尼振動(dòng)，因不斷克服空氣阻力做功使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但是在振動(dòng)過程中，動(dòng)能和勢能仍不斷相互轉(zhuǎn)化，不能確定兩個(gè)時(shí)刻的動(dòng)能與勢能的大小關(guān)系，故選項(xiàng)A正確，選項(xiàng)B錯(cuò)誤。做阻尼振動(dòng)的物體，頻率由系統(tǒng)的特征決定，與振幅無關(guān)，所以其頻率不變，選項(xiàng)C錯(cuò)誤，選項(xiàng)D正確。┃┃對點(diǎn)訓(xùn)練__■1．(多選)下列說法正確的是(ACD)A．實(shí)際的自由振動(dòng)必然是阻尼振動(dòng)B．在外力作用下的振動(dòng)是受迫振動(dòng)C．阻尼振動(dòng)的振幅越來越小D．受迫振動(dòng)穩(wěn)定后的頻率與自身物理?xiàng)l件無關(guān)解析：實(shí)際的自由振動(dòng)中，由于阻力不可避免，故是阻尼振動(dòng)，A正確；只有在周期性外力(驅(qū)動(dòng)力)的作用下物體所做的振動(dòng)才是受迫振動(dòng)，B錯(cuò)誤；阻尼振動(dòng)振幅越來越小，C正確；受迫振動(dòng)穩(wěn)定后的頻率等于驅(qū)動(dòng)力的頻率，D正確。探究對共振的理解┃┃情境導(dǎo)入__■用扁擔(dān)挑水前進(jìn)時(shí)，有時(shí)桶里的水會(huì)蕩得厲害，并從桶中濺出來，這是為什么？提示：人挑水時(shí)，通過扁擔(dān)對水桶施加周期性的驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率等于桶里水的固有頻率時(shí)，水發(fā)生共振，水的振蕩就越來越厲害，就會(huì)從桶中濺出來。┃┃要點(diǎn)提煉__■1．共振的定義物體做受迫振動(dòng)時(shí)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率等于系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，振動(dòng)的振幅最大，這種現(xiàn)象叫共振。2．發(fā)生共振的條件f驅(qū)＝f固，即驅(qū)動(dòng)力的頻率等于振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率。3．共振曲線如圖所示，共振曲線直觀地反映出驅(qū)動(dòng)力的頻率對受迫振動(dòng)物體振幅的影響。由共振曲線可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率與物體的固有頻率相等時(shí)，受迫振動(dòng)的振幅最大。4．從功能關(guān)系理解當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率等于固有頻率時(shí)，驅(qū)動(dòng)力整個(gè)周期都與物體運(yùn)動(dòng)方向一致，從而任何時(shí)間都做正功，振動(dòng)能量不斷增加，直到增加的能量等于克服阻力消耗的能量時(shí)，振幅達(dá)到最大值。特別提醒(1)受迫振動(dòng)的振幅與驅(qū)動(dòng)力頻率有關(guān)。(2)受迫振動(dòng)的振幅可以不變，但受迫振動(dòng)的機(jī)械能是不守恒的。(3)共振是物體做受迫振動(dòng)時(shí)的一種特殊現(xiàn)象。共振有利時(shí)盡量讓f接近f0，有害時(shí)盡量讓f遠(yuǎn)離f0。┃┃典例剖析__■典例2如圖所示，在曲軸A上懸掛一個(gè)彈簧振子，如果不轉(zhuǎn)動(dòng)把手B，而用手向下拉振子小球m，放開手后，讓小球上下自由振動(dòng)測得彈簧振子做30次全振動(dòng)所用的時(shí)間是15s；如果勻速轉(zhuǎn)動(dòng)把手，也可使彈簧振子上下振動(dòng)。若使把手以轉(zhuǎn)速n＝30r/min勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)彈簧振子的振動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定后，它的振動(dòng)周期是__2__s。若要想使彈簧振子的振幅達(dá)到最大，則把手的轉(zhuǎn)速應(yīng)為__120__r/min。思路引導(dǎo)：勻速轉(zhuǎn)動(dòng)搖把后，振子做受迫振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)力的周期等于把手轉(zhuǎn)動(dòng)的周期。根據(jù)受迫振動(dòng)特征f受迫＝f驅(qū)，有T受迫＝T驅(qū)。為使振子的振幅達(dá)到最大，只要T驅(qū)＝T固即可。解析：受迫振動(dòng)的特點(diǎn)：f受迫＝f驅(qū)，f受迫與固有頻率無關(guān)，若發(fā)生共振則f驅(qū)＝f固T固＝eq\f(15s,30)＝0.5s，轉(zhuǎn)速n＝30r/min＝eq\f(30,60)r/s＝0.5r/s角速度ω＝2πn＝πrad/s，∴T受迫＝eq\f(2π,ω)＝2s若使振子振幅達(dá)到最大則有，T驅(qū)＝T固，即eq\f(2π,2πn′)＝0.5則n′＝2r/s＝120r/min┃┃對點(diǎn)訓(xùn)練__■2．(2020·江蘇省揚(yáng)州中學(xué)高二下學(xué)期期中)一個(gè)單擺在地面上做受迫振動(dòng)，其共振曲線(振幅A與驅(qū)動(dòng)力頻率f的關(guān)系)如圖所示，則(B)A．此單擺的固有周期約為0.5sB．此單擺的擺長約為1mC．若擺長增大，單擺的固有頻率增大D．若擺長增大，共振曲線的峰將向右移動(dòng)解析：由圖可知，若單擺的振動(dòng)頻率與固有頻率相等，則周期為2s，由T＝2πeq\r(\f(L,g))，可得L≈1m，故A錯(cuò)B對；若擺長增大，則單擺的固有頻率減小，其共振曲線的“峰”將向左移動(dòng)，故C、D錯(cuò)。核心素養(yǎng)提升以題說法·啟智培優(yōu)共振的利用與防止(1)利用：由共振的條件知，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。(2)防止：由共振曲線可知，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，而且相差越大越好。案例(多選)把一個(gè)篩子用四根彈簧支起來，篩子上一個(gè)電動(dòng)偏心輪，它每轉(zhuǎn)一周，給篩子一個(gè)驅(qū)動(dòng)力，這樣就做成了一個(gè)共振篩(如圖所示)，篩子做自由振動(dòng)時(shí)，完成10次全振動(dòng)用時(shí)15s，在某電壓下，電動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)速是36r/min。已知增大電壓可使偏心輪轉(zhuǎn)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(AC)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)量解