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第二章 機械振動
物理選擇性必修第一冊 人教版2019
第六節(jié) 受迫振動 共振
學(xué)習(xí)目標(biāo)
01
02
03
04
物理觀念
建立沖量的概念，理解其矢量性，掌握動量定理的確切含義及表達(dá)式；能從牛頓運動定律推導(dǎo)出動量定理，并知道其適用于變力；會用動量定理解釋緩沖、碰撞等現(xiàn)象并解決實際問題。
科學(xué)思維
觀察實驗現(xiàn)象并提出問題，通過合作交流、例題辨析學(xué)會歸納總結(jié)和反思；形成從宏觀到微觀、從定性到定量的邏輯推理能力。
科學(xué)探究
會用動量定理進(jìn)行定性、定量分析，領(lǐng)會變力沖量時的極限思想；通過實驗和問題分析，培養(yǎng)實驗操作、數(shù)據(jù)分析和問題解決能力。
科學(xué)態(tài)度與責(zé)任
提高利用物質(zhì)觀、運動與相互作用觀看待問題的態(tài)度，增強從生活到物理、從物理到生活的意識；認(rèn)識物理學(xué)理論的應(yīng)用價值，激發(fā)科學(xué)研究興趣，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求實的態(tài)度和社會責(zé)任感。
重點難點
教學(xué)重點
教學(xué)難點
理解受迫振動的振幅與驅(qū)動力頻率之間的關(guān)系，能夠通過實驗探究和數(shù)據(jù)分析，解釋振幅隨驅(qū)動力頻率變化的規(guī)律。
掌握共振現(xiàn)象的條件和特征，能夠結(jié)合實際生活中的例子，分析共振的應(yīng)用及其潛在危害，并理解如何通過技術(shù)手段控制共振。
手的搓動為什么會引起這種獨特的噴水現(xiàn)象呢？
導(dǎo)入新課
固有振動
01
固有振動：通過對彈簧振子及單擺的研究，我們知道彈簧振子與單擺在沒有外力干預(yù)的情況下做簡諧運動，周期或頻率與振幅無關(guān)，僅由系統(tǒng)自身的性質(zhì)決定，我們把這種振動稱為固有振動。
固有振動的頻率稱為固有頻率；
固有振動的周期稱為固有周期
固有振動的特點：
*振動系統(tǒng)不受外力作用，由系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用力提供回復(fù)力；
*固有頻率由系統(tǒng)本身的固有性質(zhì)決定；
*振幅不變，機械能守恒。
固有振動
問題1：現(xiàn)實生活中是否存在固有振動？如圖蕩秋千時，人坐在秋千座板上抓住鋼索不動，從一定的高度擺下，之后秋千的振幅如何變化？為什么？
問題2：如圖彈簧振子在實際的振動中振幅如何變化？能一直振動下去么？為什么？
由于振動系統(tǒng)受到摩擦阻力的作用，使振動系統(tǒng)的機械能逐漸轉(zhuǎn)化內(nèi)能。
振動中的能量損失
02
1.阻尼振動：振幅隨時間逐漸減小的振動稱為阻尼振動。
振動中的能量損失
2.特點：
(1) 受到阻力
(2) 機械能逐漸減小
(3) 振幅逐漸減小
(4) 周期和頻率保持不變
(2)輻射阻尼：由于振動系統(tǒng)引起鄰近介質(zhì)中各質(zhì)點的振動，使能量向四周輻射出去，從而自身機械能減少。如：音叉向外輻射能量
3.振動系統(tǒng)能量衰減的兩種方式：
(1)摩擦阻尼：由于振動系統(tǒng)受到摩擦阻力的作用，使振動系統(tǒng)的機械能逐漸轉(zhuǎn)化內(nèi)能。如：單擺受空氣阻力
簡諧運動 阻尼振動
產(chǎn)生條件 理想模型，不受阻力
受到阻力作用
簡諧運動與阻尼振動的比較
振幅 不變 減小
頻率 由系統(tǒng)本身決定 頻率不變
振動圖像
阻尼振動最終要停下來，那么怎樣才能產(chǎn)生持續(xù)的振動呢
用周期性外力作用于振動系統(tǒng)，通過外力對系統(tǒng)做功，補償振動系統(tǒng)機械能的損耗，使系統(tǒng)持續(xù)地振動下去
受迫振動
03
受迫振動
1.驅(qū)動力：維持受迫振動的周期性外力
2.受迫振動：系統(tǒng)在外界驅(qū)動力作用下的振動。
思考:受迫振動的頻率與什么因素有關(guān)呢
實驗結(jié)論:
受迫振動穩(wěn)定時的頻率等于驅(qū)動力的頻率，與系統(tǒng)的固有頻率無關(guān)。
物體受迫振動的振幅是否與它的固有頻率無關(guān)呢？
【實驗2】 利用共振儀觀察受迫振動振幅的差別
改變驅(qū)動擺A的擺長，觀察其它各擺的振幅
實驗現(xiàn)象:
當(dāng)自身擺長與驅(qū)動擺A的擺長相同時，自身擺振幅最大
現(xiàn)象分析:
各擺的固有頻率取決于自身的擺長，當(dāng)自身擺長與A擺的擺長相同時，即物體做受迫振動的固有頻率與驅(qū)動力的頻率相同時，振幅最大。
共振現(xiàn)象及其應(yīng)用
04
共振
1.定義：驅(qū)動力的頻率等于物體的固有頻率時，物體做受迫振動的振幅達(dá)到最大值，這種現(xiàn)象叫做共振。
2.共振曲線：
3.共振規(guī)律：
當(dāng) f固 和 f驅(qū) 相差很大時，振幅較小
當(dāng) f固 和f 驅(qū) 相差很小時，振幅較大
當(dāng) f固 = f 驅(qū) 時，振幅增大
利用共振：應(yīng)使驅(qū)動力的頻率接近或等于振動物體的固有頻率；
防止共振：應(yīng)使驅(qū)動力的頻率與物體的固有頻率不同，而且相差越大越好。
1940年，美國的全長860米的塔柯姆大橋在建成后的4個月就因風(fēng)共振而倒塌。
現(xiàn)象一：唐朝的時候，洛陽某寺一僧人房間的一件樂器磬，經(jīng)常莫名其妙的自動鳴響，這是什么物理原理呢？
現(xiàn)象二：登山隊員在登山過程中不能大聲說話，為什么？
現(xiàn)象三：各國都規(guī)定大隊人馬過橋，要便步通過，為什么？
古代的磬
學(xué)以致用
1831年，一隊騎兵通過曼徹斯特附近的一座便橋時，由于馬蹄節(jié)奏整齊，橋梁發(fā)生共振而斷裂。
軍隊過橋便步走,火車過橋慢行
歷史事件
微波爐加熱原理：食物中水分子的振動頻率約為2500MHz。微波爐加熱食品時，爐內(nèi)產(chǎn)生大致相同頻率的
電磁波，也稱為 “微波”。使
食物中的水分子做受迫振動，
發(fā)生共振，將電磁輻射能轉(zhuǎn)
化為內(nèi)能，從而使食物的溫
度迅速升高。微波加熱是對物體內(nèi)部的整體加熱，極大地提高了加熱效率。
生活物理
大千世界： 美國有一農(nóng)場農(nóng)婦，習(xí)慣于用吹笛的方式招呼丈夫回家吃飯，可當(dāng)她有一次吹笛時，居然發(fā)現(xiàn)樹上的毛毛蟲紛紛墜地而死，驚訝之余，她到自己的果園吹了幾個小時，一下子將果樹上的毛毛蟲收拾的一干二凈.這是怎么回事呢？大家能解釋嗎？
原因： 笛子發(fā)出的聲音引起毛毛蟲內(nèi)臟發(fā)生劇烈共振而死亡.
手的搓動“龍洗”，為什么會引起這種獨特的噴水現(xiàn)象呢？
典例分析
05
【例1】單擺在空氣中做阻尼振動，下列說法中正確的是（ ）
A. 位移逐漸減小
B. 速度逐漸減小
C. 動能逐漸減小
D. 振動的能量逐漸轉(zhuǎn)化為其他形式的能
D
圖5-3
BD
【例3】如圖5-4圖（a）為演示單擺共振的裝置，實驗時依次讓不同的單擺先擺起來，觀察單擺P（圖中未標(biāo)出）能達(dá)到的最大振幅A和穩(wěn)定時的振動頻率f，并描點記錄在圖（b）中，用光滑曲線連接各點得到如圖（b）所示曲線。取重力加速度g＝π2 m/s2，下列說法正確的是（　　）A．單擺P的固有頻率約為1 HzB．裝置（a）中只有一個單擺的擺長約為1.0 mC．當(dāng)單擺P穩(wěn)定時的振動頻率為1.0 Hz時，先振
動的單擺擺長約為0.25 mD．單擺P的振動周期總為2 s
圖5-4
C

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