《6 受迫振动 共振》最新教研教案教学设计(统编人教版高中选修第一册)
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6阻尼振动受迫振动
学习目标知识脉络
1.知道阻尼振动和阻尼振动能量的转化情
况.
2.知道什么是受迫振动及产生条件,掌握物
体做受迫振动的特点.(重点)
3.知道共振现象,掌握产生共振的条件,知
道常见的共振的应用和危害.(重点)
知识点一| 固有振动、阻尼振动
[先填空]
1.固有振动
如果振动系统不受外力的作用,此时的振动叫作固有振动,其振动频率称为固有频率.
2.阻尼振动
(1)阻力作用下的振动
当振动系统受到阻力的作用时,振动受到了阻尼,系统克服阻尼的作用要做功,消耗机械能,因而振幅减小,最后停下来.
(2)阻尼振动
振幅逐渐减小的振动.振动系统受到的阻尼越大,振幅减小得越快,阻尼振动的图象如图所示,振幅越来越小,最后停止振动.
[再判断]
1.固有频率由系统本身决定.(√) 2.阻尼振动的频率不断减小.(×)
3
.阻尼振动的振幅不断减小.(√)
[后思考]
1.阻尼振动的振幅在减小的过程中,频率是否随着减小?
【提示】阻尼振动的振动频率保持不变.
2.若物体所做的振动是等幅振动,此物体一定是无阻尼振动吗?
【提示】不一定.区分阻尼与无阻尼的条件是分析振子受不受阻力,而不是看振幅,若受阻力作用同时也有外力给系统做功补充能量,也能保证振动物体做等幅振动.
[核心点击]
阻尼振动与简谐运动(无阻尼振动)的比较
振动类型阻尼振动无阻尼振动(简谐运动)
产生条件受到阻力作用不受阻力作用
振动能量振动能量有损失振动能量保持不变
振幅如果没有能量补充,振幅越来
越小
振幅不变
频率不变不变振动图象
常见例子悬挂的电灯被风吹动后开始振
动,振幅越来越小,属于阻尼
振动
弹簧振子的振动
1.一单摆做阻尼振动,则在振动过程中() A.振幅越来越小,周期也越来越小
B.振幅越来越小,周期不变
C.通过某一位置时,机械能减小
D.机械能不守恒,周期不变
E.机械能守恒,频率不变
解析:单摆做阻尼振动时,振幅会减小,机械能减小,振动周期不变,故选项B、C、D对,A、E错.
答案:BCD
2.一单摆在空气中振动,振幅逐渐减小.下列说法正确的是()
A.机械能逐渐转化为其他形式的能
B.后一时刻的动能一定小于前一时刻的动能
C.后一时刻的势能一定小于前一时刻的势能
D.后一时刻的机械能一定小于前一时刻的机械能
E.后一时刻的动能可能大于前一时刻的动能
解析:单摆振动过程中,因不断克服空气阻力做功,使机械能逐渐转化为内能,选项A和D对;虽然单摆总的机械能在逐渐减小,但在振动过程中动能和势能仍不断地相互转化,动能转化为势能时,动能逐渐减小,势能逐渐增大,而势能转化为动能时,势能逐渐减小,动能逐渐增大,所以不能断言后一时刻的动能(或势能)一定小于前一时刻的动能(或势能),故选项B、C不对.选项E对.答案:ADE
3.如图所示是单摆做阻尼振动的振动图线.
则摆球A时刻的动能________B时刻的动能,摆球A时刻的势能________B 时刻的势能.
解析:该题考查阻尼振动的图象以及能量的转化关系.在单摆振动过程中,因不断克服空气阻力做功使机械能逐渐转化为内能;虽然单摆总的机械能在逐渐减小,但在振动过程中动能和势能仍不断地相互转化.由于A,B两时刻,单摆
的位移相等,所以势能相等,但动能不相等.
答案:大于等于
阻尼振动的能量和周期
(1)阻尼振动的振幅不断减小,能量不断减少,但阻尼振动的频率不变,其频率为固有频率,由系统本身决定.
(2)自由振动是一种理想情况,也叫简谐运动.实际中的振动都会受到阻力的作用,当阻力较小时,可认为是简谐运动.
(3)阻尼振动中,机械能E等于动能E k和势能E p之和,即E=E k+E p,E 减小,但动能和势能相互转化,当E p相等,E k不相等,而从振动图象上可以确定E p的关系.
知识点二| 受迫振动、共振
[先填空]
1.受迫振动
(1)驱动力:作用于振动系统的周期性的外力.
(2)受迫振动:振动系统在驱动力作用下的振动.
(3)受迫振动的频率:做受迫振动的系统振动稳定后,其振动频率等于驱动力的频率,跟系统的固有频率没有关系.
2.共振
(1)定义:驱动力的频率等于振动物体的固有频率时,受迫振动的振幅最大的现象.
(2)条件:驱动力频率等于系统的固有频率.
(3)特征:共振时受迫振动的振幅最大.
(4)共振曲线:如图所示.表示受迫振动的振幅A与驱
动力频率f
的关系图象,图中f0为振动物体的固有频率.
[再判断]
1.受迫振动的频率等于振动系统的固有频率.(×) 2.驱动力频率越大,振幅越大.(×) 3.生活中应尽量使驱动力的频率接近振动系统的固有频率.(×) [后思考]
1.洗衣机启动和停止时,随着电机转速的变化,有时洗衣机会振动得很厉害,这是什么原因?
【提示】当洗衣机电机转动的频率等于洗衣机的固有频率时,发生了共振现象,这时洗衣机振动得很厉害.
2.要防止共振,需要采取什么措施?
【提示】尽量使驱动力的频率与固有频率间的差距增大.
[核心点击]
1.自由振动、受迫振动及共振的比较
振动类型自由振动受迫振动共振
受力情况仅受回复力周期性驱动力周期性驱动力
振动周期或
频率由系统本身性质
决定,即固有周期
或固有频率
由驱动力的周期或频
率决定,即T=T
驱
或
f=f驱
T驱=T固或f驱=f固
振动能量振动物体的机械
能不变
由产生驱动力的物体
提供
振动物体获得的能量
最大
常见例子弹簧振子或单摆机械运转时底座发生
的振动
共振筛、声音的共鸣
等
(1)两坐标轴的意义:
纵轴:受迫振动的振幅,如图所示.横轴:驱动力频率.
(2)f0的意义:表示固有频率.
(3)认识曲线形状:f=f0,共振;f>f0或f<f0,振幅较小;f与f0相差越大,振幅越小.
(4)结论:驱动力的频率f越接近振动系统的固有频率f0,受迫振动的振幅越大,反之振幅越小.
4.如图所示为受迫振动的演示装置,当单摆A振动起来后,通过水平悬绳迫使单摆B、C振动,则下列说法正确的是()
A.只有A、C摆振动周期相等
B.A摆的振幅比B摆的小
C.B摆的振幅比C摆的小
D.A、B、C三摆的振动周期相等
E.B、C两摆振动时的振幅与其摆长有关,而周期与摆长无关.
解析:当单摆A振动起来后,单摆B,C做受迫振动,做受迫振动的物体的周期(或频率)等于驱动力的周期(或频率),选项A错误,D正确;当物体的固有频率等于驱动力的频率时,发生共振现象,选项B错误,选项C、E正确.答案:CDE
5.如图所示为两个单摆受迫振动的共振曲线.两个单摆的固有周期之比为TⅠ∶TⅡ=________.若两个受迫振动分别在月球上和地球上进行,且摆长相等,则图线________是月球上的单摆的共振曲线.
解析:由共振曲线及共振的条件可知,Ⅰ和Ⅱ的固有频率分别为0.2 Hz和0.5 Hz,周期之比TⅠ∶TⅡ=5∶2.当摆长相等时,重力加速度越大,频率越大,月球表面重力加速度小于地球表面重力加速度,故图线Ⅰ是月球上的单摆的共振曲线.
答案:5∶2Ⅰ
6.如图所示,在曲轴A上悬挂一个弹簧振子,如果转动把手,曲轴可以带动弹簧振子上下振动.问:
(1)开始时不转动把手,而用手往下拉振子,然后放手让振子上下振动,测得振子在10 s内完成20次全振动,振子做什么振动?其固有周期和固有频率各是多少?若考虑摩擦和空气阻力,振子做什么振动?
(2)在振子正常振动过程中,以转速4 r/s匀速转动把手,振子的振动稳定后,振子做什么运动?其周期是多少?
解析:(1)用手往下拉振子使振子获得一定能量,放手后,振子因所受回复力与位移成正比,方向与位移方向相反(F=-kx),所以做简谐运动,其周期和频率是由它本身的结构性质决定的,称固有周期(T固)和固有频率(f固),根据题意
T固=t
n
=10
20s=0.5 s,f固
=1
T固
=1
0.5Hz=2 Hz.由于摩擦和空气阻力的存在,振
子克服摩擦力和阻力做功消耗能量,使其振幅越来越小,故振动为阻尼振动.
(2)由于把手转动的转速为4 r/s,它给弹簧振子的驱动力频率为f驱=4 Hz,周期T驱=0.25 s,故振子做受迫振动.振动达稳定状态后,其频率(或周期)等于驱动力的频率(或周期),而跟固有频率(或周期)无关.即f=f驱=4 Hz,T=T驱=0.25 s.又因为振子做受迫振动得到驱动力对它做的功,补偿了振子克服阻力做功所消耗的能量,所以振子的振动属于受迫振动.
答案:(1)简谐运动0.5 s 2 Hz阻尼振动
(2)受迫振动0.25 s
1.分析受迫振动的方法
(1)在分析受迫振动时,首先要弄清驱动力的来源.
(2)受迫振动的频率等于驱动力的频率,与物体的固有频率无关,因而首先应确定驱动力的频率.
(3)当驱动力的频率等于固有频率时,发生共振.
2.改变受迫振动的振幅的方法
当f驱=f固时,振幅最大.若改变受迫振动的振幅,可采取两种方法:
(1)改变给予振动系统周期性外力的周期,即改变驱动力频率.
(2)了解影响固有频率的因素,改变固有频率.