高中物理 1.5 受迫振动与共振精品课件 沪科版选修34.ppt

1．．5　受迫振动与共振　受迫振动与共振 核心要点突破核心要点突破课堂互动讲练课堂互动讲练知能优化训练知能优化训练1．．5课前自主学案课前自主学案课标定位课标定位课标定位定位学学习习目目标标：：1.掌掌握握阻阻尼尼振振动动、、受受迫迫振振动动的的概概念念，，理解受迫振理解受迫振动动的振幅与的振幅与驱动驱动力力频频率之率之间间的关系．的关系．2．理解共振的原因，掌握共振的运．理解共振的原因，掌握共振的运动动特点．特点．重点重点难难点：点：重点是受迫振重点是受迫振动动的振幅与的振幅与驱动驱动力力频频率率之之间间的关系，的关系，难难点是共振成因的分析．点是共振成因的分析．课前自主学案前自主学案一、振一、振动动中的能量中的能量损损失失空空气气中中的的弹弹簧簧振振子子和和单单摆摆，，由由于于受受到到_________的的作作用用，，做做振振幅幅_________的的运运动动叫叫__________．．而而钟钟摆摆能能保保持持振振幅幅____，，原原因因是是定定时时补补充充_____的的结结果．果．空气阻力空气阻力逐渐减小逐渐减小阻尼振动阻尼振动不变不变能量能量二、受迫振二、受迫振动动1．．定定义义：：物物体体在在周周期期性性变变化化的的________作作用用下下的振的振动动叫受迫振叫受迫振动动．．2．受迫振．受迫振动稳动稳定后，可以明定后，可以明显显地地观观察到受迫振察到受迫振动动的周期等于的周期等于_______的周期．的周期．这样这样就可以得到物就可以得到物体做受迫振体做受迫振动动的的频频率等于率等于________的的频频率，而跟率，而跟物体自身的物体自身的__________无关．无关．驱动力驱动力驱动力驱动力驱动力驱动力固有频率固有频率三、共振及其三、共振及其产产生的条件生的条件1．．共共振振：：当当驱驱动动力力的的频频率率跟跟_______________相相等等时时，，物物体体做做受受迫迫振振动动的的振振幅幅_____，，这这种种现现象象叫做共振．声音的共振叫做共振．声音的共振现现象叫象叫______．．2．．共共振振的的条条件件：：f驱驱＝＝f固固，，即即驱驱动动力力的的频频率率与与物物体体的固有的固有频频率相等．率相等．3．共振曲．共振曲线线如如图图1－－5－－1所所示示，，共共振振曲曲线线的的横横坐坐标标为为驱驱动动力力的的频频率，率，纵纵坐坐标为标为受迫振受迫振动动物体的振幅．物体的振幅．图图1－－5－－1物体的固有频率物体的固有频率最大最大共鸣共鸣4．共振的利用和防止．共振的利用和防止(1)防防止止：：由由共共振振曲曲线线可可知知，，f驱驱＝＝f固固时时，，A＝＝Am振振幅幅达达到到最最大大，，f驱驱与与f固固差差别别越越大大时时，，物物体体做做受受迫迫振振动动的的振振幅幅A越越小小．．由由此此可可知知，，在在需需要要防防止止共共振振危危害害的的时时候候，，要要想想办办法法使使驱驱动动力力频频率率和和固固有有频频率率________，而且相差越，而且相差越____越好．越好．(2)应应用用：：在在需需要要利利用用共共振振时时，，应应设设法法使使驱驱动动力力的的频频率率___________物体的固有物体的固有频频率．率．共振共振筛筛、微波炉、核磁共振成像及、微波炉、核磁共振成像及乐乐器上的共器上的共鸣鸣箱等都是利用共振的箱等都是利用共振的实实例．例．不相等不相等多多等于或接近等于或接近核心要点突破核心要点突破一、阻尼振一、阻尼振动动1．阻尼振．阻尼振动动振幅逐振幅逐渐渐减小的振减小的振动动叫做阻尼振叫做阻尼振动动，也叫减幅振，也叫减幅振动动．．实际实际的振的振动动系系统统不可避免地要受到摩擦力和其他不可避免地要受到摩擦力和其他阻力作用阻力作用(即受到阻尼的作用即受到阻尼的作用)，将一部分机械能，将一部分机械能转转化化为为其他形式的能量，其他形式的能量，导导致振致振动动的的总总能量不断减能量不断减小，因而振小，因而振动动的振幅也不断减小．的振幅也不断减小．2．影响振幅减小的因素．影响振幅减小的因素振幅减小的快慢跟振振幅减小的快慢跟振动动所受的阻尼有关，阻尼越所受的阻尼有关，阻尼越大，振幅减小得越快，阻尼越小，振幅减小得越大，振幅减小得越快，阻尼越小，振幅减小得越慢．当阻尼很小慢．当阻尼很小时时，在一段不太，在一段不太长长的的时间时间内振幅内振幅没有明没有明显显的减小，可的减小，可认为认为是等幅振是等幅振动动．．(1)同一同一简谐简谐运运动动能量的大小由振幅大小决定．能量的大小由振幅大小决定．(2)物体做无阻尼振物体做无阻尼振动动，并不一定指它不受阻尼，，并不一定指它不受阻尼，而是指它在振而是指它在振动过动过程中保持振幅不程中保持振幅不变变．．(3)物体做阻尼振物体做阻尼振动时动时，振幅，振幅虽虽然不断减小，但振然不断减小，但振动动的的频频率仍由振率仍由振动动系系统统的的结结构特点所决定，并不构特点所决定，并不会随振幅的减小而会随振幅的减小而变变化．例如用力敲化．例如用力敲锣锣，由于，由于锣锣受到阻尼作用，振幅越来越小，受到阻尼作用，振幅越来越小，锣锣声减弱，但音声减弱，但音调调不不变变．．3．阻尼振．阻尼振动动的的图图像像阻尼振阻尼振动动的的图图像如像如图图1－－5－－2所示．所示．图图1－－5－－2即即时应时应用用 (即即时时突破，小突破，小试试牛刀牛刀)1．下列．下列说说法正确的是法正确的是(　　　　)A．阻尼振．阻尼振动动也叫减幅振也叫减幅振动动B．．实际实际的振的振动动系系统统不可避免地受到阻尼作用不可避免地受到阻尼作用C．．阻阻尼尼振振动动的的振振幅幅逐逐渐渐减减小小，，所所以以周周期期也也逐逐渐渐减减小小D．阻尼．阻尼过过大大时时，系，系统统将不能将不能发发生振生振动动解析：解析：选选ABD.实际实际生活中的振生活中的振动动都要受到阻尼作都要受到阻尼作用，振幅逐用，振幅逐渐渐减小，但周期保持不减小，但周期保持不变变，故，故A、、B正正确，确，C错误错误．阻尼．阻尼过过大大时时，整个系，整个系统统很快停止振很快停止振动动．．二、二、对对共振的共振的进进一步理解一步理解1．共振曲．共振曲线线(1)图图1－－5－－4表示的是用表示的是用图图1－－5－－3所示装置所示装置进进行共行共振振实验实验所得的共振曲所得的共振曲线线：曲：曲线线表示受迫振表示受迫振动动的振幅的振幅A(纵纵坐坐标标)随随驱动驱动力力频频率率f(横坐横坐标标)的的变变化而化而变变化．化．驱动驱动力力频频率率f跟固有跟固有频频率率f0相差越小，振幅越大；相差越小，振幅越大；驱驱动动力力频频率率f等于振等于振动动系系统统的固有的固有频频率率f0时时，振幅最大，振幅最大．．　　 　　 图图1－－5－－3　　　　　　图图1－－5－－4　　　　　　　　　　图图1－－5－－5(2)我我们还们还可以用可以用图图1－－5－－4表示出用表示出用图图1－－5－－5所所示装置示装置进进行共振行共振实验实验的共振曲的共振曲线线：曲：曲线线表示受迫表示受迫振振动动的振幅的振幅A(纵纵坐坐标标)取决于各自的固有取决于各自的固有频频率率f(横横坐坐标标)．．固有固有频频率率f跟跟驱动驱动力力频频率率f0相差越小，振幅越大；相差越小，振幅越大；固有固有频频率率f等于等于驱动驱动力力频频率率f0时时，，单摆单摆的振幅最大的振幅最大．．2．．对对共振成因的分析共振成因的分析当当驱动驱动力的力的频频率等于物体的固有率等于物体的固有频频率率时时，做受迫，做受迫振振动动的物体振幅达到最大．的物体振幅达到最大．(1)从受力角度看：振从受力角度看：振动动物体所受物体所受驱动驱动力的方向跟力的方向跟它的运它的运动动方向相同方向相同时时，，驱动驱动力力对对它起加速作用，它起加速作用，使它的振幅增大，使它的振幅增大，驱动驱动力的力的频频率跟物体的固有率跟物体的固有频频率越接近，使物体振幅增大的力的作用次数就越率越接近，使物体振幅增大的力的作用次数就越多，当多，当驱动驱动力力频频率等于物体的固有率等于物体的固有频频率率时时，它的，它的每一次作用都使物体的振幅增加，从而振幅达到每一次作用都使物体的振幅增加，从而振幅达到最大．最大．(2)从功能关系看：当从功能关系看：当驱动驱动力力频频率越接近物体的固率越接近物体的固有有频频率率时时，，驱动驱动力与物体运力与物体运动动一致的次数越多，一致的次数越多，驱动驱动力力对对物体做正功越多，振幅就越大．当物体做正功越多，振幅就越大．当驱动驱动力力频频率等于物体固有率等于物体固有频频率率时时，，驱动驱动力始力始终对终对物体物体做正功，使振做正功，使振动动能量不断增加，振幅不断增大，能量不断增加，振幅不断增大，直到增加的能量等于克服阻尼作用直到增加的能量等于克服阻尼作用损损耗的能量，耗的能量，振幅才不再增加．振幅才不再增加．即即时应时应用用 (即即时时突破，小突破，小试试牛刀牛刀)2．．部部队队经经过过桥桥梁梁时时，，规规定定不不许许齐齐步步走走，，登登山山运运动动员员登高山登高山时时，不，不许许高声叫喊，主要原因是高声叫喊，主要原因是(　　　　)A．减．减轻对桥轻对桥的的压压力，避免力，避免产产生回声生回声B．减小．减小对桥对桥、雪山的冲力、雪山的冲力C．避免使．避免使桥发桥发生共振和使雪山生共振和使雪山发发生共振生共振D．使．使桥桥受到的受到的压压力更不均匀，使登山运力更不均匀，使登山运动员动员耗散耗散能量减少能量减少解析：解析：选选C.这这是由于是由于队队伍前伍前进时进时步伐的步伐的频频率率过过于于整整齐齐且与且与桥桥的固有的固有频频率非常接近使率非常接近使桥发桥发生了共振生了共振现现象的原因，所以部象的原因，所以部队队行行军过桥时军过桥时要便步行走．要便步行走．课堂互堂互动讲练例例例例1 1类类型一型一对阻尼振动的认识对阻尼振动的认识 如如图图1－－5－－6所示是所示是单摆单摆做阻尼振做阻尼振动时动时的的振振动图动图像，下列像，下列说说法正确的是法正确的是(　　　　)A．．摆摆球在球在A时时刻的刻的动动能等于在能等于在B时时刻的刻的动动能能B．．摆摆球在球在A时时刻的刻的势势能等于在能等于在B时时刻的刻的势势能能C．．摆摆球在球在A时时刻的机械能等于在刻的机械能等于在B时时刻的机械能刻的机械能D．．摆摆球在后一球在后一时时刻的刻的动动能能总总比前一比前一时时刻的刻的动动能小能小图图1－－5－－6【【精精讲讲精精析析】】　　由由于于单单摆摆在在阻阻尼尼振振动动中中，，要要不不断断克克服服阻阻力力作作用用做做功功，，所所以以机机械械能能要要不不断断减减小小，，即即后后一一时时刻刻的的机机械械能能总总小小于于前前一一时时刻刻的的机机械械能能，，但但后后一一时时刻刻的的动动能能或或势势能能可可以以大大于于前前一一时时刻刻的的动动能能或或势势能能，，由由于于A、、B两两时时刻刻摆摆球球的的位位移移相相同同，，故故单单摆摆在在这这两两个个时时刻刻的的势势能能相相等等．．而而A时时刻刻摆摆球球机机械械能能大大于于B时时刻刻的的机机械械能能，，故故B时时刻刻动动能能小小于于A时时刻刻动动能．故答案能．故答案为为B.【【答案答案】】　　B【【方法方法总结总结】】　阻尼振　阻尼振动动的的实质实质是能量在减少，是能量在减少，其直其直观观表表现现是振幅在减小．是振幅在减小．变变式式训训练练1　　弹弹簧簧振振子子在在振振动动过过程程中中振振幅幅逐逐渐渐减减小小，，这这是由于是由于(　　　　)A．振子开始振．振子开始振动时动时振幅太小振幅太小B．．在在振振动动过过程程中中要要不不断断克克服服外外界界阻阻力力做做功功，，消消耗耗能量能量C．．动动能和能和势势能相互能相互转转化化D．振子的机械能逐．振子的机械能逐渐转渐转化化为为内能内能解解析析：：选选BD.由由于于有有阻阻力力，，振振子子的的机机械械能能减减小小，，振振幅减小，幅减小，损损失的机械能失的机械能转转化化为为内能．内能．类类型二型二对受迫振动的理解对受迫振动的理解例例例例2 2 (2011年北京海淀区模年北京海淀区模拟拟)如如图图1－－5－－7所示，所示，五个五个摆悬摆悬挂于同一根挂于同一根绷紧绷紧的水平的水平绳绳上，上，A是是摆摆球球质质量量较较大的大的摆摆，，让让它它摆动摆动后后带动带动其他其他摆摆运运动动，下列，下列结论结论正确的是正确的是(　　　　)A．其他各．其他各摆摆的振的振动动周期与周期与A摆摆的相同的相同B．其他各．其他各摆摆的振幅都相等的振幅都相等C．其他各．其他各摆摆的振幅不同，的振幅不同，E摆摆的振幅最大的振幅最大D．其他各．其他各摆摆的振的振动动周期不同，周期不同，D摆摆周期最大周期最大图图1－－5－－7【【自主解答自主解答】】　受迫振　受迫振动动的周期都的周期都应应等于等于驱动驱动力力的周期的周期(A摆摆的周期的周期)．．A、、E两两摆为摆为双双线摆线摆，其等效，其等效摆长摆长相等，相等，LA＝＝LE，，A摆摆振振动动后迫使水平后迫使水平绳绳振振动动，，水平水平绳绳再迫使其他再迫使其他摆摆振振动动，由于，由于E摆摆的固有周期与的固有周期与驱动驱动力力A摆摆的周期相同，所以的周期相同，所以E摆摆的振幅最大，的振幅最大，B、、C、、D三个三个摆摆的固有周期偏离的固有周期偏离驱动驱动力力A摆摆的周期各的周期各不相同，所以它不相同，所以它们们振振动动的振幅各不相同．的振幅各不相同．【【答案答案】】　　 AC【【方法方法总结总结】】　受迫振　受迫振动动的周期等于的周期等于驱动驱动力的周力的周期，当期，当驱动驱动力的周期等于系力的周期等于系统统的固有周期的固有周期时时，物，物体体发发生共振，振幅最大，且与固有周期相差越生共振，振幅最大，且与固有周期相差越远远，，振幅越小．振幅越小．图图1－－5－－8解析：解析：选选AD.摆摆振振动时动时，通，通过过水平水平绳绳子子对对其他四个其他四个摆摆形成一个周期性的形成一个周期性的驱动驱动力，其周期等于力，其周期等于T，它恰，它恰好等于好等于B摆摆自由振自由振动动的固有周期，所以的固有周期，所以B摆摆的振幅的振幅最大．最大．稳稳定定时时，其他各，其他各摆摆的振的振动动周期都等于周期都等于驱动驱动力的周期，所以力的周期，所以A摆摆的振的振动动周期也周期也为为T.类类型三型三共振现象的应用共振现象的应用例例例例3 3 把一个把一个筛筛子用四根子用四根弹弹簧支起来，簧支起来，筛筛子上一子上一个个电动电动偏心偏心轮轮，它每，它每转转一周，一周，给筛给筛子一个子一个驱动驱动力，力，这样这样就做成了一个共振就做成了一个共振筛筛，，筛筛子做自由振子做自由振动时动时，，完成完成10次全振次全振动动用用时时15 s，在某，在某电压电压下，下，电动电动偏偏心心轮转轮转速是速是36 r/min.已知增大已知增大电压电压可使偏心可使偏心轮转轮转速提高；增加速提高；增加筛筛子的子的质质量，可以增大量，可以增大筛筛子的固有子的固有周期．那么要使周期．那么要使筛筛子的振幅增大，下列哪些做法子的振幅增大，下列哪些做法是正确的是正确的(　　　　)A．提高．提高输输入入电压电压　　　　 B．降低．降低输输入入电压电压C．增加．增加筛筛子子质质量量 D．减小．减小筛筛子子质质量量【【答案答案】】　　AC【【方法方法总结总结】】　　该题该题情景新情景新颖颖，，处处理的关理的关键键是正是正确把握确把握题题目中所目中所给给信息，由信息，由题给题给信息出信息出发发解决解决问问题题．．变变式式训练训练3　　铁铁路上每根路上每根钢轨长钢轨长12 m，若支持，若支持车车厢厢的的弹弹簧的固有周期簧的固有周期为为0.8 s，，则则列列车车以以________ m/s行行驶时驶时，，车厢车厢振振动动得最得最厉厉害．害．答案：答案：15。