第5节 生活中的振动

第5节生活中的振动核心素养导学物理观念(1)知道阻尼振动、驱动力、受迫振动的概念。(2)知道共振以及发生共振的条件。科学思维(1)能举出受迫振动的实例，知道受迫振动的频率由驱动力的频率决定。(2)能够分析阻尼振动能量的转化、受迫振动的特点。科学态度与责任了解共振在生产、生活中的应用和危害，体会物理技术应用对人类生活与社会发展的影响。回复力阻力振幅二、受迫振动与共振1．驱动力：为了获得稳定的振动，需要给振动物体施加一个________的外力，称为驱动力。2．受迫振动：在____________作用下产生的振动。3．受迫振动的特点：物体做受迫振动时，振动稳定后的周期(或频率)总等于_______的周期(或频率)，与物体的__________

(或________)无关。振动系统的固有频率是由系统本身决定的，与外界因素无关。周期性周期性外力驱动力固有周期固有频率4．共振(1)条件：驱动力的周期(或频率)______

物体的固有周期(或固有频率)。(2)特征：在受迫振动中，共振时受迫振动的______达到最大。(3)共振曲线：如图所示。等于振幅三、共振的应用与防止1．共振的应用(1)路面共振破碎机通过调节振动锤头的__________，使其等于或接近水泥路面的__________，使锤头下的路面产生______而被击碎。(2)音叉共鸣箱是让音叉的振动和箱内的空气柱产生_____。2．共振的防止(1)轮船航行时，人们常通过改变轮船的航向和速率，使海浪冲击力的频率与轮船的__________相差很大，以此防止共振现象。振动频率固有频率共振共振固有频率(2)集体列队经过桥梁时要便步走，以防对桥梁形成的周期性驱动力使桥梁发生共振。(3)许多机电设备，如车床、磨床、电锯等，工作时都会伴随不同程度的振动，要防止它们产生共振现象。(4)人体各个部位的___________不同，接近振动源时，应该设法防止共振对身体造成的不良影响。固有频率1．

在研究单摆振动特点的物理课上，老师特意用大一些的木球做

了两个同样的单摆，老师和某位同学同时进行如下实验：两人

都把木球拉离竖直方向同样的角度，并且都刚好贴近自己的鼻

尖，然后同时释放木球，让同学们观察木球的运动情况，这位同学由于担心木球摆回来会碰到自己的鼻子而自然躲开了；老师保持不动却有惊无险，木球摆回来时根本接触不到鼻尖……之后木球的振幅越来越小。请解释其原因，木球做什么运动？提示：木球摆动过程中由于受到空气阻力作用，振幅会变小，木球再次摆回来时一定不会碰到鼻子，所以老师很镇定。木球做阻尼振动。2．唐朝洛阳有个和尚喜欢弹拨一种叫磬的乐器，如图所示。奇怪的是

磬在无人弹拨时经常自发鸣响，无缘无故地发出嗡嗡的声音，磬无

故而鸣，使和尚大为惊奇，渐渐由惊而疑，由疑而怯，结果忧虑成

疾，病倒在床。和尚的朋友知道后，悄悄用钢锉在磬上锉了几处，从此之后，磬再也不会无故发声了。随即和尚心事顿消，病也不治而愈。请思考：(1)磬为什么会不敲自鸣呢？(2)和尚的朋友悄悄用钢锉在磬上锉了几处之后，为什么磬再也不会无故发声？提示：(1)磬不敲自鸣是共振现象。磬的固有频率和钟的频率一样，因此每当钟响时，引起磬的共振而发出嗡嗡之声。(2)和尚的朋友悄悄用钢锉在磬上锉了几处之后，改变了其固有频率，使其固有频率与钟的频率不一致了，钟响时不会引起磬的共振而无故发声。新知学习(一)|简谐振动与阻尼振动的比较[任务驱动]

如图所示，荡秋千的小朋友，无论开始时她荡得多高，她都会慢慢地停下来，为什么？有什么方法能让她持续荡下去吗？提示：之所以会慢慢停下来是因为小朋友在荡秋千的过程中受各种摩擦阻力和空气阻力，导致其振幅越来越小，最后停止。可给她施加一周期性的外力(如让另一名同学在她旁边有规律地推她)，让她持续荡下去。

[重点释解]1．简谐运动是一种理想化的模型，物体运动过程中的一切阻力都不考虑。2．阻尼振动考虑阻力的影响，是更贴合实际的一种运动。3．简谐运动和阻尼振动的比较振动类型比较项目简谐运动阻尼振动产生条件不受阻力作用受阻力作用频率固有频率频率不变振幅不变减小续表[典例体验][典例]

(多选)如图所示是单摆做阻尼振动的振动图线，下列说法正确的是

(

)A．摆球在A时刻的动能等于B时刻的动能B．摆球在A时刻的势能等于B时刻的势能C．摆球在A时刻的机械能等于B时刻的机械能D．摆球在A时刻的机械能大于B时刻的机械能[解析]在单摆做阻尼振动的过程中，因不断克服空气阻力做功使动能逐渐转化为内能，C项错误，D项正确；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在不断地相互转化。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，A项错误，B项正确。[答案]

BD/方法技巧/阻尼振动的三个特点(1)振幅逐渐减小，最后停止振动。(2)系统的机械能逐渐减少，最后耗尽。(3)周期、频率不随振幅的变化而变化。[针对训练]1．(多选)一单摆在空气中振动，振幅逐渐减小，下列说法正确的是

(

)A．单摆的机械能逐渐转化为其他形式的能B．单摆后一时刻的动能一定小于前一时刻的动能C．单摆振幅减小，频率也随着减小D．单摆振幅虽然减小，但其频率不变解析：单摆做阻尼振动，因不断克服空气阻力做功使机械能转化为其他形式的能，但是在振动过程中，动能和势能仍不断相互转化，单摆从最大位移处向平衡位置运动的过程中，后一时刻的动能大于前一时刻的动能，故A正确；B错误；做阻尼振动的物体，频率由系统的特征决定，与振幅无关，所以其频率不变，C错误，D正确。答案：AD2．(多选)下列说法中正确的是

(

)A．阻尼振动是减幅振动B．实际的振动系统不可避免地要受到阻尼作用C．阻尼过大时，系统将不能发生振动D．发生阻尼振动，振动系统的机械能不发生变化解析：阻尼振动即振动过程中受到阻力作用的振动，因为实际的运动在空气中要受到空气的阻力作用，因此不可避免地受到阻尼作用，B正确；由于振幅是振动系统能量大小的标志，阻尼振动过程中由于要克服阻力做功，消耗系统的机械能，因此系统机械能减小，所以振幅要减小，A正确；当阻尼过大时由于合外力可能为零，将不能提供回复力，则振动系统将不能发生振动，C正确；发生阻尼振动，振动系统的机械能逐渐减小，D错误。答案：ABC

新知学习(二)|受迫振动与共振[任务驱动]如图所示是家庭用波轮式、滚筒式两款洗衣机的脱水桶展示图，洗衣机在把衣服脱水完毕关掉电源后，电动机还要转动一会儿才能停下来，在关掉电源后，发现洗衣机机身会经历如下过程：先是振动幅度越来越大，然后一小会儿振动得很剧烈，再经历机身的振动幅度慢慢减小直至停下来。请解释其原因是什么？提示：(1)洗衣机工作时电动机的转动会产生周期性驱动力，其转动频率即为驱动力频率，使机身做受迫振动。(2)洗衣机脱水时，电动机转速很快，转动频率很大，远大于洗衣机的固有频率，机身做受迫振动的振幅较小。(3)当脱水终止后，随着电动机转速的减小，其转动频率也在不断减小且越来越接近机身的固有频率，会使“机身振动幅度越来越大”；当转动频率接近或等于机身的固有频率时，机身会发生共振现象，即“有一小会儿振动得很剧烈”；而后随着电动机转速的逐渐减小，驱动力频率逐渐远离机身的固有频率，“机身的振动幅度会慢慢减小直至停下来”。

[重点释解]1．受迫振动和共振的比较振动类型受迫振动共振受力情况周期性驱动力周期性驱动力振动周期或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机械运转时底座发生的振动共振筛、声音的共鸣等[典例体验][典例]

(2023·济南高二检测)(多选)为了提高松树上松果的采摘率和工作效率，

工程技术人员利用松果的惯性发明了用打击杆、振动器使松果落下的两种装置，如图甲、乙所示。则(

)A．针对不同树木，落果效果最好的振动频率可能不同B．随着振动器频率的增加，树干振动的幅度一定增大C．打击杆对不同粗细树干打击结束后，树干的振动频率相同D．稳定后，不同粗细树干的振动频率始终与振动器的振动频率相同[解析]

根据共振发生的条件，当振动器的频率等于树木的固有频率时发生共振，此时落果效果最好，而不同的树木的固有频率不同，针对不同树木，落果效果最好的振动频率可能不同，故A正确；当振动器的振动频率等于树木的固有频率时发生共振，此时树干的振幅最大，则随着振动器频率的增加，树干振动的幅度不一定增大，故B错误；打击杆对不同粗细树干打击结束后，树干的振动频率为其固有频率，不同粗细的树干的固有频率是不同的，故C错误；树干在振动器的振动下做受迫振动，则稳定后，不同粗细树干的振动频率始终与振动器的振动频率相同，故D正确。[答案]

AD/方法技巧/分析解决有关共振问题的方法(1)在分析解答有关共振问题时，要抓住产生共振的条件：驱动力的频率等于固有频率时产生共振，此时振动的振幅最大。(2)在解决有关共振的实际问题时，要抽象出受迫振动这一物理模型，弄清驱动力频率和固有频率，然后利用共振的条件进行求解。(3)图像法解决问题直观方便，利用共振图线可以找出最大振幅，以及振动的固有频率或固有周期，然后再利用周期公式进行分析。

[针对训练]1．下列振动中属于受迫振动的是

(

)A．用重锤敲击一下悬吊着的钟后，钟的振动B．电磁打点计时器接通电源后，振针的振动C．小孩睡在自由摆动的吊床上，随吊床一起摆动D．不受外力的弹簧振子在竖直方向上沿上下方向振动解析：受到敲击后的钟不再受驱动力，其振动是自由振动，A错误；电磁打点计时器接通电源后，振针的振动受电源的驱动，属于受迫振动，B正确；小孩睡在自由摆动的吊床上，随吊床一起摆动属于自由振动，C错误；不受外力的弹簧振子在竖直方向上沿上下方向振动，属于自由振动，D错误。答案：B

答案：AB

一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养

物理观念——振动控制技术1．(选自人教版新教材“科学漫步”)1940年11月7日早晨，跨度为850m的美国塔科马峡湾悬索大桥遭到了一场大风的袭击，引发了桥梁的扭转共振。人们束手无策，只能眼看着大桥扭转晃动的幅度越来越大。两小时后，这座建成通车仅4个月的大桥轰然倒塌。从那以后，土木工程师们就开始研究风激振机理和各种桥梁建筑的振动控制技术。有一种工程减振装置叫作调谐质量阻尼器，是目前大跨度、大悬挑与高耸结构振动控制中应用最广泛的结构被动控制装置之一。这种装置是一个由弹簧、阻尼器和质量块组成的振动控制系统，附加在需要振动控制的主结构上。主结构在外界驱动力的作用下产生振动时，会带动减振装置一起振动。当满足一定条件时，减振装置的弹性力与外来驱动力的方向相反，抵消了一部分驱动力，从而最大限度地降低主结构的振动，达到减振的效果。

科学探究——共振现象的研究2．(选自人教版新教材课后练习)

如图，张紧的水平绳上吊着A、B、C三个小球。B球靠近A球，但两者的悬线长度不同；C球远离A球，但两者的悬线长度相同。 (1)让A球在垂直于水平绳的方向摆动，在起初一段时间内将会看到B、C球有什么表现？ (2)在C球摆动起来后，用手使A、B球静止，然后松手，在起初一段时间内又将看到A、B球有什么表现？解析：(1)会看到B、C球跟着摆动，但C球振幅大于B球振幅。(2)会看到A、B球跟着C球摆动，但A球的振幅大于B球振幅。答案：见解析二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值1．(2023·福清高二检测)在实验室做“声波碎杯”的实验，用手指轻弹一只酒杯，听到清脆声音，测得这个声波的频率为500Hz。如图所示，再将这只酒杯放在小号面前，操作人员用小号发出的声波把酒杯震碎了，下列关于操作人员进行的操作的说法正确的是

(

)A．小号的功率一定要达到最大B．可能是小号发出了频率很高的超声波

C．一定是同时增大小号发出声波的频率和功率D.可能恰巧是小号发出的声波频率达到了500Hz解析：将酒杯放在小号前，操作人员通过小号发出的声波将酒杯震碎是共振现象，而发生共振的条件是驱动力的频率等于物体的固有频率，已知酒杯的固有频率为