2024-2025学年新教材高中物理第2章机械振动6.受迫振动共振课件新人教版选择性必修第一册

第二章6.受迫振动共振学习目标1.了解什么是固有振动和固有频率,什么是阻尼振动,什么是驱动力,什么是受迫振动,初步形成共振的概念。(物理观念)2.了解阻尼振动中的能量转化,知道受迫振动的频率等于驱动力的频率,能根据共振曲线研究共振。(科学思维)3.通过实验研究受迫振动的频率,通过实验探究共振现象的产生条件及其特点。(科学探究)4.通过实验探究受迫振动及共振,培养团队协作意识及实事求是的科学精神,通过理解共振的应用与防止,培养学以致用的意识与能力。(科学态度与责任)基础落实·必备知识全过关一、固有振动和阻尼振动

指周期性外力1.固有振动:弹簧振子与单摆在没有外力干预的情况下做简谐运动,周期或频率与

无关,仅由系统自身的性质决定,我们把这种振动称为固有振动。

2.固有频率:物体固有振动时的频率仅由系统自身的性质决定,称为固有频率。

定量表现就是回复力常数k3.阻尼振动:振幅随时间逐渐

的振动。

阻尼振动频率由系统自身性质决定振幅减小二、受迫振动1.受迫振动:振动系统在

(周期性的外力)作用下的振动。

2.受迫振动的频率物体做受迫振动达到稳定后,物体振动的频率等于

的频率,与物体的固有频率

。

驱动力驱动力无关三、共振现象及其应用1.共振:当驱动力的频率

固有频率时,物体做受迫振动的

达到

值的现象。

2.共振曲线3.共振的应用与防止(1)共振的应用:机器转速计、音叉共鸣箱等。(2)共振的防止:在桥梁、码头等各种建筑的设计施工中,必须考虑防止共振产生的危害。等于振幅最大情境链接轻推一下秋千使它微微摆动后,怎样做才能使秋千越荡越高?教材拓展阅读教材P57的“科学漫步——振动控制技术”,简述减振器的工作原理。提示

每当秋千摆回到右边最高点时,就推一下秋千,即按照秋千的固有频率施加一个周期性外力作用。提示

当主结构在外界驱动力的作用下振动时,会带动减振器一起振动。当满足一定条件时,减振器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。易错辨析(1)阻尼振动是机械能不断减小的振动,它一定不是简谐运动。(

)(2)单摆的振幅越来越小,是因为其能量在不断消失。(

)(3)在外力作用下的振动就是受迫振动。(

)(4)驱动力的频率越大振动物体振幅越大。(

)(5)共振的条件是驱动力的频率等于物体的固有频率。(

)√×单摆的总能量是守恒的,只是机械能不断减小。

×只有在周期性外力(驱动力)作用下的振动才是受迫振动。

×驱动力的频率越接近物体的固有频率时,物体的振幅越大。

√重难探究·能力素养全提升探究点一阻尼振动与受迫振动导学探究“余音绕梁,三日不绝。”形容歌声或音乐的优美,耐人寻味。但在日常生活中,当弹奏结束后,乐声会越来越弱,并最终消失。这是为什么呢?提示

由于乐声受到空气的阻尼作用,振幅越来越小,因此乐声也就越来越弱了。知识归纳比较项简谐运动阻尼振动受迫振动概述振动图像(x-t图像)是一条正弦曲线振幅逐渐减小的振动振动系统在驱动力作用下的振动产生条件不受阻力作用受阻力作用受阻力和驱动力作用频率固有频率固有频率驱动力频率振幅不变减小大小不确定比较项简谐运动阻尼振动受迫振动振动图像

形状不确定振动能量振动物体的机械能不变机械能逐渐减小驱动力对振动系统做功,补偿系统的能量损耗实例弹簧振子振动,单摆做小角度摆动敲锣打鼓发出的声音越来越弱扬声器纸盆振动发声、钟摆的摆动特别提示

阻尼振动中振幅虽逐渐减小,但振动频率不会变化,此频率称为固有频率,由振动系统决定。典例剖析【例题1】

(2023辽宁实验中学高二阶段测试)某单摆在竖直平面内做阻尼振动的振动图线如图所示,下列说法正确的是(

)A.振动过程中周期变小B.摆球P时刻的机械能大于N时刻的机械能C.摆球P时刻的动能等于N时刻的动能D.摆球在P时刻和N时刻,受到绳子拉力的大小相等B解析

阻尼振动的周期由振动系统自身决定,周期不变,故A错误;由于阻力影响,单摆要克服阻力做功,在运动过程中机械能逐渐减小,故P时刻的机械能大于N时刻的机械能,而P、N时刻的位移等大反向,即关于平衡位置对称,重力势能相等,则P时刻的动能大于N时刻的动能,故B正确,C错误;因为P、N两时刻位置关于平衡位置对称,两时刻受到绳子的拉力满足FT-mgcos

θ=,其中偏角θ相等,速度vP>vN,则拉力大小不相等,故D错误。方法技巧

理解阻尼振动的两个方面一是振动的能量方面,由于阻力做负功,振动物体的机械能逐渐减小,振幅逐渐变小,但由于振动中动能与势能相互转化,不能说下一时刻的动能(或势能)变小;二是振动的周期与频率方面,周期与频率由振动系统本身决定,阻尼振动中周期与频率不变。对点演练1.(多选)(2024山东日照高二月考)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AD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,单摆在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,故选项A正确,选项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,选项C错误,选项D正确。探究点二共振导学探究据说唐代洛阳有个和尚的磬常常不敲自鸣。寺院里的钟声响起,磬会发出嗡嗡的响声。用工具打磨磬后,磬再也不会无故发声了。磬为什么会不敲自鸣呢?磬的自鸣又是怎样消失的呢?提示

磬不敲自鸣是因为其固有频率和寺里的钟声频率相同引起了共振;对磬进行打磨,改变了磬的固有频率,从而破坏了磬和寺里钟声的共振条件,磬也就不会不敲自鸣了。知识归纳1.发生共振的条件及理解(1)发生共振的条件:驱动力的频率等于振动系统的固有频率。(2)对共振条件的理解①从受力角度看:当振动物体所受驱动力的方向跟它的运动方向相同时,驱动力对它起加速作用,使它的振幅增大,当驱动力的频率等于物体的固有频率时,它的每一次作用都使物体的振幅增加,从而振幅达到最大。②从功能关系看:当驱动力的频率等于物体的固有频率时,驱动力始终对物体做正功,使振动能量不断增加,振幅不断增大,直到达到最大值。2.共振曲线及理解如图所示,共振曲线直观地反映了物体做受迫振动的振幅与驱动力频率的关系。(1)当驱动力的频率f偏离固有频率f0较大时,受迫振动的振幅较小。(2)当驱动力的频率f等于固有频率f0时,受迫振动的振幅最大。典例剖析【例题2】

(多选)(2024福建南平高二月考)如图所示,一根绷紧的水平绳上挂五个摆,摆球质量均相同,其中A、E摆长均为l,先让A摆振动起来,其他各摆随后也跟着振动起来,则稳定后(

)A.其他各摆振动的周期跟A摆相同B.其他各摆振动的振幅大小相等C.其他各摆振动的振幅大小不同,E摆的振幅最大D.B、C、D三摆振动的振幅大小不同,B摆的振幅最小ACD解析

A摆振动后迫使水平绳振动,水平绳又迫使B、C、D、E四摆做受迫振动,由于物体做受迫振动的周期总是等于驱动力的周期,因此B、C、D、E四摆振动的周期跟A摆相同。驱动力的频率等于A摆的固有频率有E摆的固有频率与驱动力的频率相等,发生共振现象,振幅最大,B、C、D三个摆均不发生共振,振幅各异,其中B摆的固有频率与驱动力的频率相差最大,所以它的振幅最小,故A、C、D正确,B错误。方法技巧

分析受迫振动和共振的方法(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,发生共振现象。对点演练2.(多选)(2024江西南昌高二期末)一个单摆做受迫振动,其共振曲线(振幅A与驱动力的频率f的关系)如图所示,g取9.8m/s2,则(

)A.此单摆的固有周期为2sB.此单摆的摆长约为1mC.若摆长增大,单摆的固有频率增大D.若摆长增大,达到最大振幅所对应驱动力的频率也增大AB学以致用·随堂检测全达标12341.(阻尼振动)(多选)(2024安徽高二月考)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.在振动过程中,通过某一位置时,机械能始终不变D.在振动过程中,机械能不守恒,周期不变BD解析

因单摆做阻尼振动,所以振幅越来越小,机械能越来越小,但振动周期不变。12342.(受迫振动)(2024山西太原高二月考)如图所示的装置,弹簧振子的固有频率是4Hz。现匀速转动把手,给弹簧振子一周期性的驱动力,测得弹簧振子振动达到稳定时的频率为1Hz,则把手转动的频率为(

)A.1Hz B.3Hz C.4Hz D.5HzA解析

把手转动时,转轴对弹簧振子施加了周期性的驱动力,弹簧振子做受迫振动,其振动频率等于驱动力的频率,即等于把手转动的频率,为1

Hz,故A正确。12343.(受迫振动和共振)(2024浙江金华十校调研)关于受迫振动,下列说法正确的是(

)A.为了防止桥梁发生共振而坍塌,部队要齐步通过桥梁B.鼓手随音乐敲击鼓面时鼓面的振动是自由振动C.洗衣机工作时机壳的振动频率等于其固有频率D.唱歌时胸腔共鸣是由于声带振动激起空气柱振动传到胸腔引起的共振D解析

为了防止桥梁发生共振而坍塌,部队要便步通过桥梁,A错误;鼓手随音乐敲击鼓面时鼓面的振动是受迫振动,B错误;洗衣机工作时机壳的振动频率等于电机转动时所给的驱动力的频率,C错误;唱歌时胸腔共鸣是由于声带振动激起空气柱振动传到胸腔引起的共振,D正确。12344.(共振)(多选)(2024山东烟台一中月考)一弹簧振子做受迫振动时的振幅与驱动力频率的关系如图所示。由图可知(

)A.驱动力频率为f2时,振子处于共振