5-3 工程实际中的振动

5—3工程实际中的振动一、教学目标1．了解阻尼振动和受迫振动现象。2．了解共振现象，掌握共振条件。3．了解振动图像的物理意义。4．了解共振在实际中的应用。二、教学重点难点重点：共振现象及变化规律。难点：共振振幅与驱动力频率的关系。三、教学器材共振摆演示器、图片四、教学建议教法建议观察、演示实验、讨论。教学设计方案（一） 引入新课物体在平衡位置附近来回往复的运动称为机械振动，它是物体的一种重要运动形式。从日常生活到生产技术以及自然界中到处都存在着振动。一切发声体都在振动，机器的运转总伴随着振动，海浪的起伏以及地震也都是振动，就是晶体中的原子也都在不停的振动着。（二） 引出课程内容x1．振动分类｛自由振动阻尼振动自由振动：只受回复力作用的振动是自由振动。°作自由振动的系统，没有阻力做功，其机械能守恒,因而振动振幅保持不变，其振动图像如图1。阻尼振动：实际的振动因为有摩擦等阻力作用，系统的机械能总会发生损失，变得越来越小，系统不会持续的振动下去。如实际的弹簧振子在阻力的作用下，其振幅越来越小，最后趋于零。这种由于阻力的存在，振幅随时间不断减小的振动称为阻尼振动。其振动图像如图2。t图1在工程实际中，如果希望振动很快消失，就常采用增大阻尼的方法，如安装减震垫和减震弹簧。如

果希望振动连续不断的持续下去，就要补偿由阻尼消耗掉的能量，这时所作的振动称为受迫振动。t图12．受迫振动振动系统在周期性外力的作用下所进行的振动，称为受迫振动。这种周期性的外力称为驱动力，受迫振动是阻尼振动和驱动力引起的振动的叠加。持续工作的振动系统，其振动一般都是受迫振动。如钟摆的振动，汽缸中活塞的运动等。图3中的振子在摇把的带动下所作的振动就是受迫振动。共振频率3．共振共振频率由物体本身结构和特征决定的振动称为固有振动，其频率称为固有频率。观察图3所示的装置，先让弹簧下面悬挂的重物作自由振动，记录它的振动频率（或周期），其频率是系统的固有频率；然后转动摇把，转动摇把的频率是驱动力频率。观察振子的实际振动的频率，注意到这两个频率的不同，自由振动的频率是由弹簧振子本身的性质决定，受迫振动的频率是由外来驱动力的频率决定。 A共振：在物体做受迫振动的过程中，当驱动力的频率0与物体的固有频率接近或相等时，物体的振幅出现极大值的0现象称为共振。图4是共振振幅与驱动力频率的关系图。共振的条件：驱动力的频率等于振动系统的固有频率演示音叉的共振。用两个固有频率完全相同的音叉做如图5所示实验，请学生观察所发生的现象，说明原因。图4图5请学生回答问题：跳水运动员在进行跳板跳水时，用脚蹬踏跳板的频率是否应接近跳板的固有频率？为什么？4．共振的应用例题火车车轮经过铁轨接缝时，即发生一次振动。设车厢与减震弹簧组成的系统的

固有周期是0.5s，铁轨的长度是12.5m,火车以多大的速度运行时，车厢的振动最剧烈？火车司机应当采取怎样的措施避免这种现象？解车轮经过铁轨接缝时的振动可以看作时驱动力，当此驱动力的频率与车厢的固有频率相同时会发生共振，引起车厢的剧烈振动。s设火车的速度为v，则v=t，s是车厢的长度，T可以看作是驱动力的周期。当驱动s力的周期等于系统的固有周期时，有T=—=0.5svms=ms=90kmh=250.5s即当车速等于90km/h时，列车振动的最剧烈，司机行车应当远离这个速度。为了避免共振造成的破坏，应该设法使驱动力的频率与振动系统的固有频率相差很远。共振现象普遍存在于力学、电磁学、光学及分子、原子物理学等几乎所有物理学领域。共振有非常重要的应用价值。如音响设备中扬声器纸盆的振动，各种弦乐器中音腔薄木板随琴弦的振动等利用了“力学共振”；电磁波的接收和发射利用了“电磁共振”；激光的产生利用了“光学共振”；医疗技术中则有“核磁共振”等。最早的共振实验是我国的纸人共振实验。宋代的科学家沈括巧妙地利用共振原理设计出了在琴弦上跳舞的小人：先把琴或瑟的各弦按平常演奏需要调好，然后剪一些小小的纸人夹在各弦上。当弹动不夹纸人的某一弦线时，凡是和它共振的弦线上的纸人就会随着音乐跳跃舞动。弦乐器中的共鸣箱（如图6）、无线电中的电谐振等，就是使系统固有频率与驱动力的频率相同，发生共振。我们在建筑工地经常可以看到，建筑工人在浇灌混凝土的墙壁或地板时，为了提高质量，总是一面灌混凝土，一面用振荡器进行震荡，使混凝土之间由于振荡的作用而变得更紧密、更结实。核磁共振成像（MRI）是利用收集磁共振现象所产生的信号而重建图像的成像技术。MRI可以使CT显示不出来的病变显影，是医学影像领域中的又一重大发展。此外，粉碎机、测振仪、 图6电振泵、测速仪等，也都是利用共振现象进行工作的。但在某些情况下，共振现象也可能造成危害。例如：当军队过桥的时候，整齐的步伐能产生振动。如果它的频率接近于桥梁的固有频率，就可能使桥梁共振，以致到了断裂的程度。18世纪中叶，法国昂热市一座102米长的大桥上有一队士兵经过。当他们在指挥官的口令下迈着整齐的步伐过桥时，桥梁突然断裂，造成226名官兵和行人丧生。究其原因是共振造成的。1940年，美国的全长860米的塔柯姆大桥因大风引起的共振而塌毁（见图7）。图7人们在生活和生产中会接触到各种振动源。由科学测试知道人体各部位有不同的固有频率，如眼球的固有频率最大约为60Hz，颅骨的固有频率最大约为200Hz等；把人体作为一个整体来看，如水平方向的固有频率约为3〜6Hz,竖直方向的固有频率约为4〜8Hz。因此，跟振动源十分接近的操作人员，如拖拉机驾驶员，风镐、风铲、电锯、镏钉机的操作工，在工作时应尽量使这些振动源的驱动频率远离人体有关部位的固有频率。所以，为了保障工人的安全与健康，有关部门己作出了相应规定，要求用手工操作的各类振动机械的频率必须大于20Hz。（三） 小结1