5-3 工程實(shí)際中的振動(dòng)

5—3工程實(shí)際中的振動(dòng)一、教學(xué)目標(biāo)1．了解阻尼振動(dòng)和受迫振動(dòng)現(xiàn)象。2．了解共振現(xiàn)象，掌握共振條件。3．了解振動(dòng)圖像的物理意義。4．了解共振在實(shí)際中的應(yīng)用。二、教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)：共振現(xiàn)象及變化規(guī)律。難點(diǎn)：共振振幅與驅(qū)動(dòng)力頻率的關(guān)系。三、教學(xué)器材共振擺演示器、圖片四、教學(xué)建議教法建議觀察、演示實(shí)驗(yàn)、討論。教學(xué)設(shè)計(jì)方案（一） 引入新課物體在平衡位置附近來回往復(fù)的運(yùn)動(dòng)稱為機(jī)械振動(dòng)，它是物體的一種重要運(yùn)動(dòng)形式。從日常生活到生產(chǎn)技術(shù)以及自然界中到處都存在著振動(dòng)。一切發(fā)聲體都在振動(dòng)，機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)總伴隨著振動(dòng)，海浪的起伏以及地震也都是振動(dòng)，就是晶體中的原子也都在不停的振動(dòng)著。（二） 引出課程內(nèi)容x1．振動(dòng)分類｛自由振動(dòng)阻尼振動(dòng)自由振動(dòng)：只受回復(fù)力作用的振動(dòng)是自由振動(dòng)?！阕髯杂烧駝?dòng)的系統(tǒng)，沒有阻力做功，其機(jī)械能守恒,因而振動(dòng)振幅保持不變，其振動(dòng)圖像如圖1。阻尼振動(dòng)：實(shí)際的振動(dòng)因?yàn)橛心Σ恋茸枇ψ饔?，系統(tǒng)的機(jī)械能總會(huì)發(fā)生損失，變得越來越小，系統(tǒng)不會(huì)持續(xù)的振動(dòng)下去。如實(shí)際的彈簧振子在阻力的作用下，其振幅越來越小，最后趨于零。這種由于阻力的存在，振幅隨時(shí)間不斷減小的振動(dòng)稱為阻尼振動(dòng)。其振動(dòng)圖像如圖2。t圖1在工程實(shí)際中，如果希望振動(dòng)很快消失，就常采用增大阻尼的方法，如安裝減震墊和減震彈簧。如

果希望振動(dòng)連續(xù)不斷的持續(xù)下去，就要補(bǔ)償由阻尼消耗掉的能量，這時(shí)所作的振動(dòng)稱為受迫振動(dòng)。t圖12．受迫振動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)在周期性外力的作用下所進(jìn)行的振動(dòng)，稱為受迫振動(dòng)。這種周期性的外力稱為驅(qū)動(dòng)力，受迫振動(dòng)是阻尼振動(dòng)和驅(qū)動(dòng)力引起的振動(dòng)的疊加。持續(xù)工作的振動(dòng)系統(tǒng)，其振動(dòng)一般都是受迫振動(dòng)。如鐘擺的振動(dòng)，汽缸中活塞的運(yùn)動(dòng)等。圖3中的振子在搖把的帶動(dòng)下所作的振動(dòng)就是受迫振動(dòng)。共振頻率3．共振共振頻率由物體本身結(jié)構(gòu)和特征決定的振動(dòng)稱為固有振動(dòng)，其頻率稱為固有頻率。觀察圖3所示的裝置，先讓彈簧下面懸掛的重物作自由振動(dòng)，記錄它的振動(dòng)頻率（或周期），其頻率是系統(tǒng)的固有頻率；然后轉(zhuǎn)動(dòng)搖把，轉(zhuǎn)動(dòng)搖把的頻率是驅(qū)動(dòng)力頻率。觀察振子的實(shí)際振動(dòng)的頻率，注意到這兩個(gè)頻率的不同，自由振動(dòng)的頻率是由彈簧振子本身的性質(zhì)決定，受迫振動(dòng)的頻率是由外來驅(qū)動(dòng)力的頻率決定。 A共振：在物體做受迫振動(dòng)的過程中，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率0與物體的固有頻率接近或相等時(shí)，物體的振幅出現(xiàn)極大值的0現(xiàn)象稱為共振。圖4是共振振幅與驅(qū)動(dòng)力頻率的關(guān)系圖。共振的條件：驅(qū)動(dòng)力的頻率等于振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率演示音叉的共振。用兩個(gè)固有頻率完全相同的音叉做如圖5所示實(shí)驗(yàn)，請(qǐng)學(xué)生觀察所發(fā)生的現(xiàn)象，說明原因。圖4圖5請(qǐng)學(xué)生回答問題：跳水運(yùn)動(dòng)員在進(jìn)行跳板跳水時(shí)，用腳蹬踏跳板的頻率是否應(yīng)接近跳板的固有頻率？為什么？4．共振的應(yīng)用例題火車車輪經(jīng)過鐵軌接縫時(shí)，即發(fā)生一次振動(dòng)。設(shè)車廂與減震彈簧組成的系統(tǒng)的

固有周期是0.5s，鐵軌的長(zhǎng)度是12.5m,火車以多大的速度運(yùn)行時(shí)，車廂的振動(dòng)最劇烈？火車司機(jī)應(yīng)當(dāng)采取怎樣的措施避免這種現(xiàn)象？解車輪經(jīng)過鐵軌接縫時(shí)的振動(dòng)可以看作時(shí)驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)此驅(qū)動(dòng)力的頻率與車廂的固有頻率相同時(shí)會(huì)發(fā)生共振，引起車廂的劇烈振動(dòng)。s設(shè)火車的速度為v，則v=t，s是車廂的長(zhǎng)度，T可以看作是驅(qū)動(dòng)力的周期。當(dāng)驅(qū)動(dòng)s力的周期等于系統(tǒng)的固有周期時(shí)，有T=—=0.5svms=ms=90kmh=250.5s即當(dāng)車速等于90km/h時(shí)，列車振動(dòng)的最劇烈，司機(jī)行車應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離這個(gè)速度。為了避免共振造成的破壞，應(yīng)該設(shè)法使驅(qū)動(dòng)力的頻率與振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率相差很遠(yuǎn)。共振現(xiàn)象普遍存在于力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)及分子、原子物理學(xué)等幾乎所有物理學(xué)領(lǐng)域。共振有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。如音響設(shè)備中揚(yáng)聲器紙盆的振動(dòng)，各種弦樂器中音腔薄木板隨琴弦的振動(dòng)等利用了“力學(xué)共振”；電磁波的接收和發(fā)射利用了“電磁共振”；激光的產(chǎn)生利用了“光學(xué)共振”；醫(yī)療技術(shù)中則有“核磁共振”等。最早的共振實(shí)驗(yàn)是我國(guó)的紙人共振實(shí)驗(yàn)。宋代的科學(xué)家沈括巧妙地利用共振原理設(shè)計(jì)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調(diào)好，然后剪一些小小的紙人夾在各弦上。當(dāng)彈動(dòng)不夾紙人的某一弦線時(shí)，凡是和它共振的弦線上的紙人就會(huì)隨著音樂跳躍舞動(dòng)。弦樂器中的共鳴箱（如圖6）、無線電中的電諧振等，就是使系統(tǒng)固有頻率與驅(qū)動(dòng)力的頻率相同，發(fā)生共振。我們?cè)诮ㄖさ亟?jīng)?？梢钥吹?，建筑工人在澆灌混凝土的墻壁或地板時(shí)，為了提高質(zhì)量，總是一面灌混凝土，一面用振蕩器進(jìn)行震蕩，使混凝土之間由于振蕩的作用而變得更緊密、更結(jié)實(shí)。核磁共振成像（MRI）是利用收集磁共振現(xiàn)象所產(chǎn)生的信號(hào)而重建圖像的成像技術(shù)。MRI可以使CT顯示不出來的病變顯影，是醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域中的又一重大發(fā)展。此外，粉碎機(jī)、測(cè)振儀、 圖6電振泵、測(cè)速儀等，也都是利用共振現(xiàn)象進(jìn)行工作的。但在某些情況下，共振現(xiàn)象也可能造成危害。例如：當(dāng)軍隊(duì)過橋的時(shí)候，整齊的步伐能產(chǎn)生振動(dòng)。如果它的頻率接近于橋梁的固有頻率，就可能使橋梁共振，以致到了斷裂的程度。18世紀(jì)中葉，法國(guó)昂熱市一座102米長(zhǎng)的大橋上有一隊(duì)士兵經(jīng)過。當(dāng)他們?cè)谥笓]官的口令下邁著整齊的步伐過橋時(shí)，橋梁突然斷裂，造成226名官兵和行人喪生。究其原因是共振造成的。1940年，美國(guó)的全長(zhǎng)860米的塔柯姆大橋因大風(fēng)引起的共振而塌毀（見圖7）。圖7人們?cè)谏詈蜕a(chǎn)中會(huì)接觸到各種振動(dòng)源。由科學(xué)測(cè)試知道人體各部位有不同的固有頻率，如眼球的固有頻率最大約為60Hz，顱骨的固有頻率最大約為200Hz等；把人體作為一個(gè)整體來看，如水平方向的固有頻率約為3?6Hz,豎直方向的固有頻率約為4?8Hz。因此，跟振動(dòng)源十分接近的操作人員，如拖拉機(jī)駕駛員，風(fēng)鎬、風(fēng)鏟、電鋸、鎦釘機(jī)的操作工，在工作時(shí)應(yīng)盡量使這些振動(dòng)源的驅(qū)動(dòng)頻率遠(yuǎn)離人體有關(guān)部位的固有頻率。所以，為了保障工人的安全與健康，有關(guān)部門己作出了相應(yīng)規(guī)定，要求用手工操作的各類振動(dòng)機(jī)械的頻率必須大于20Hz。（三） 小結(jié)1