2020-2021年高中物理-第二章-機械振動-6-受迫振動-共振學(xué)案-新人教版選擇性必修第一冊

2020-2021年高中物理第二章機械振動6受迫振動共振學(xué)案新人教版選擇性必修第一冊2020-2021年高中物理第二章機械振動6受迫振動共振學(xué)案新人教版選擇性必修第一冊PAGE7-2020-2021年高中物理第二章機械振動6受迫振動共振學(xué)案新人教版選擇性必修第一冊2020-2021年高中物理第二章機械振動6受迫振動共振學(xué)案新人教版選擇性必修第一冊年級：姓名：受迫振動共振目標體系構(gòu)建明確目標·梳理脈絡(luò)【學(xué)習(xí)目標】1．了解阻尼振動、受迫振動、共振的概念。2．知道受迫振動的頻率由驅(qū)動力的頻率決定。3．掌握發(fā)生共振的條件，了解共振的防止和利用。【思維脈絡(luò)】eq\x(\a\al(受迫,振動,共振))—eq\b\lc\|\rc\(\a\vs4\al\co1(→\x(阻尼振動)→\x(振幅逐漸減小的振動),→\x(受迫振動)—\b\lc\|\rc\(\a\vs4\al\co1(→\x(驅(qū)動力),→\x(周期和頻率))),→\x(共振)—\b\lc\|\rc\(\a\vs4\al\co1(→\x(產(chǎn)生共振的條件),→\x(共振的防止和應(yīng)用)))))課前預(yù)習(xí)反饋教材梳理·落實新知知識點1固有振動、阻尼振動1．固有振動振動系統(tǒng)__在不受外力作用下__的振動。2．固有頻率__固有__振動的頻率。3．阻尼振動振幅隨時間__逐漸減小__的振動。知識點2受迫振動1．驅(qū)動力作用于振動系統(tǒng)的__周期性__外力。2．受迫振動系統(tǒng)在__驅(qū)動力__作用下的振動叫受迫振動。3．受迫振動的頻率做受迫振動的系統(tǒng)振動穩(wěn)定后，其振動頻率等于__驅(qū)動力__的頻率，與系統(tǒng)的__固有頻率__無關(guān)。知識點3共振1．條件驅(qū)動力頻率__等于__系統(tǒng)的固有頻率。2．特征共振時受迫振動的物體__振幅__最大。3．共振的應(yīng)用與防止(1)共振的應(yīng)用采用方法：在應(yīng)用共振時，驅(qū)動力頻率接近或等于振動系統(tǒng)的__固有頻率__。(2)共振的防止采用方法：在防止共振時，驅(qū)動力頻率與系統(tǒng)的__固有頻率__相差越大越好。思考辨析『判一判』(1)阻尼振動是機械能不斷減小的振動，它一定不是簡諧運動。(√)(2)單擺的振幅越來越小，是因為其能量在不斷消失。(×)(3)在外力作用下的振動就是受迫振動。(×)(4)受迫振動的頻率與振動系統(tǒng)的固有頻率無關(guān)。(√)(5)驅(qū)動力頻率越大，振幅越大。(×)(6)共振只有害處沒有好處。(×)『選一選』如圖所示，某同學(xué)看到一只鳥落在樹枝上的P處，樹枝在10s內(nèi)上下振動了6次。鳥飛走后，他把50g的砝碼掛在P處，發(fā)現(xiàn)樹枝在10s內(nèi)上下振動了12次，將50g的砝碼換成500g砝碼后，他發(fā)現(xiàn)樹枝在15s內(nèi)上下振動了6次，你估計鳥的質(zhì)量最接近(B)A．50g B．200gC．500g D．550g解析：振動系統(tǒng)的頻率是由振動系統(tǒng)的自身來決定的。鳥與樹枝組成的系統(tǒng)頻率f1＝eq\f(6,10)Hz＝0.6Hz，50g砝碼與樹枝組成的系統(tǒng)頻率f2＝eq\f(12,10)Hz＝1.2Hz，500g砝碼與樹枝組成的系統(tǒng)頻率為f3＝eq\f(6,15)Hz＝0.4Hz，而f3<f1<f2，故鳥的質(zhì)量應(yīng)在50g與500g之間，故選B。『想一想』某工廠的一個車間里，機器一開動，整個車間就灰塵四起，即對工人的健康有害，也影響產(chǎn)品的質(zhì)量，為此廠里請來了一個建筑工程師，他到車間看后，叫人在車間里建了幾根水泥立柱，問題就解決了。請你解釋其中的奧秘。答案：建幾根水泥立柱，改變了車間的固有頻率，使之不再與機器的振動頻率接近，避免車間產(chǎn)生共振現(xiàn)象。課內(nèi)互動探究細研深究·破疑解難探究簡諧運動、阻尼振動與受迫振動┃┃情境導(dǎo)入__■生活中會見到陣風(fēng)吹過樹枝，使樹枝左右搖擺，一會兒樹枝就會停下來，而蕩秋千的小朋友在一旁大人的不斷推動下不停地擺動。(1)樹枝的運動是什么運動？(2)秋千的擺動是什么運動？提示：(1)阻尼振動(2)受迫振動┃┃要點提煉__■1．認識三種振動(1)簡諧運動是一種理想化的模型，物體運動過程中的一切阻力都不考慮。(2)阻尼振動考慮阻力的影響，是更實際的一種運動。(3)受迫振動是物體做阻尼振動時受到周期性驅(qū)動力作用下的振動。2．簡諧運動、阻尼振動與受迫振動的比較振動類型比較項目簡諧運動阻尼振動受迫振動產(chǎn)生條件不受阻力作用受阻力作用受阻力和驅(qū)動力作用頻率固有頻率固有頻率驅(qū)動力頻率振幅不變減小大小變化不確定振動圖像形狀不確定實例彈簧振子振動，單擺做小角度擺動敲鑼打鼓發(fā)出的聲音越來越弱，是因振幅越來越小揚聲器紙盆振動發(fā)聲，鐘擺的擺動特別提醒(1)阻尼振動的頻率：阻尼振動中振幅雖逐漸減小，但振動頻率不會變化，此頻率稱為固有頻率，由振動系統(tǒng)決定。(2)阻尼振動與簡諧運動的關(guān)系：實際的振動都會受到阻力的作用，是阻尼振動。當阻力很小時，可認為是簡諧運動。┃┃典例剖析__■典例1(多選)一單擺在空氣中振動，振幅逐漸減小，下列說法正確的是(AD)A．單擺的機械能逐漸轉(zhuǎn)化為其他形式的能B．單擺后一時刻的動能一定小于前一時刻的動能C．單擺振幅減小，頻率也隨著減小D．單擺振幅雖然減小，但其頻率不變思路引導(dǎo)：理解阻尼振動要從兩個方面入手：一是從振動能量上來講，由于阻力做功，振動物體的機械能逐漸減小，振幅逐漸變小，但由于振動中動能與勢能相互轉(zhuǎn)化，不能說下一時刻的動能(或勢能)變?。欢菑恼駝又芷?、頻率上看，周期與頻率由振動系統(tǒng)本身決定，阻尼振動中周期、頻率不變。解析：單擺做阻尼振動，因不斷克服空氣阻力做功使機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但是在振動過程中，動能和勢能仍不斷相互轉(zhuǎn)化，不能確定兩個時刻的動能與勢能的大小關(guān)系，故選項A正確，選項B錯誤。做阻尼振動的物體，頻率由系統(tǒng)的特征決定，與振幅無關(guān)，所以其頻率不變，選項C錯誤，選項D正確。┃┃對點訓(xùn)練__■1．(多選)下列說法正確的是(ACD)A．實際的自由振動必然是阻尼振動B．在外力作用下的振動是受迫振動C．阻尼振動的振幅越來越小D．受迫振動穩(wěn)定后的頻率與自身物理條件無關(guān)解析：實際的自由振動中，由于阻力不可避免，故是阻尼振動，A正確；只有在周期性外力(驅(qū)動力)的作用下物體所做的振動才是受迫振動，B錯誤；阻尼振動振幅越來越小，C正確；受迫振動穩(wěn)定后的頻率等于驅(qū)動力的頻率，D正確。探究對共振的理解┃┃情境導(dǎo)入__■用扁擔挑水前進時，有時桶里的水會蕩得厲害，并從桶中濺出來，這是為什么？提示：人挑水時，通過扁擔對水桶施加周期性的驅(qū)動力，當驅(qū)動力的頻率等于桶里水的固有頻率時，水發(fā)生共振，水的振蕩就越來越厲害，就會從桶中濺出來。┃┃要點提煉__■1．共振的定義物體做受迫振動時，當驅(qū)動力的頻率等于系統(tǒng)的固有頻率時，振動的振幅最大，這種現(xiàn)象叫共振。2．發(fā)生共振的條件f驅(qū)＝f固，即驅(qū)動力的頻率等于振動系統(tǒng)的固有頻率。3．共振曲線如圖所示，共振曲線直觀地反映出驅(qū)動力的頻率對受迫振動物體振幅的影響。由共振曲線可知，當驅(qū)動力的頻率與物體的固有頻率相等時，受迫振動的振幅最大。4．從功能關(guān)系理解當驅(qū)動力的頻率等于固有頻率時，驅(qū)動力整個周期都與物體運動方向一致，從而任何時間都做正功，振動能量不斷增加，直到增加的能量等于克服阻力消耗的能量時，振幅達到最大值。特別提醒(1)受迫振動的振幅與驅(qū)動力頻率有關(guān)。(2)受迫振動的振幅可以不變，但受迫振動的機械能是不守恒的。(3)共振是物體做受迫振動時的一種特殊現(xiàn)象。共振有利時盡量讓f接近f0，有害時盡量讓f遠離f0。┃┃典例剖析__■典例2如圖所示，在曲軸A上懸掛一個彈簧振子，如果不轉(zhuǎn)動把手B，而用手向下拉振子小球m，放開手后，讓小球上下自由振動測得彈簧振子做30次全振動所用的時間是15s；如果勻速轉(zhuǎn)動把手，也可使彈簧振子上下振動。若使把手以轉(zhuǎn)速n＝30r/min勻速轉(zhuǎn)動，當彈簧振子的振動達到穩(wěn)定后，它的振動周期是__2__s。若要想使彈簧振子的振幅達到最大，則把手的轉(zhuǎn)速應(yīng)為__120__r/min。思路引導(dǎo)：勻速轉(zhuǎn)動搖把后，振子做受迫振動，驅(qū)動力的周期等于把手轉(zhuǎn)動的周期。根據(jù)受迫振動特征f受迫＝f驅(qū)，有T受迫＝T驅(qū)。為使振子的振幅達到最大，只要T驅(qū)＝T固即可。解析：受迫振動的特點：f受迫＝f驅(qū)，f受迫與固有頻率無關(guān)，若發(fā)生共振則f驅(qū)＝f固T固＝eq\f(15s,30)＝0.5s，轉(zhuǎn)速n＝30r/min＝eq\f(30,60)r/s＝0.5r/s角速度ω＝2πn＝πrad/s，∴T受迫＝eq\f(2π,ω)＝2s若使振子振幅達到最大則有，T驅(qū)＝T固，即eq\f(2π,2πn′)＝0.5則n′＝2r/s＝120r/min┃┃對點訓(xùn)練__■2．(2020·江蘇省揚州中學(xué)高二下學(xué)期期中)一個單擺在地面上做受迫振動，其共振曲線(振幅A與驅(qū)動力頻率f的關(guān)系)如圖所示，則(B)A．此單擺的固有周期約為0.5sB．此單擺的擺長約為1mC．若擺長增大，單擺的固有頻率增大D．若擺長增大，共振曲線的峰將向右移動解析：由圖可知，若單擺的振動頻率與固有頻率相等，則周期為2s，由T＝2πeq\r(\f(L,g))，可得L≈1m，故A錯B對；若擺長增大，則單擺的固有頻率減小，其共振曲線的“峰”將向左移動，故C、D錯。核心素養(yǎng)提升以題說法·啟智培優(yōu)共振的利用與防止(1)利用：由共振的條件知，要利用共振，就應(yīng)盡量使驅(qū)動力的頻率與物體的固有頻率一致。(2)防止：由共振曲線可知，在需要防止共振危害時，要盡量使驅(qū)動力的頻率和固有頻率不相等，而且相差越大越好。案例(多選)把一個篩子用四根彈簧支起來，篩子上一個電動偏心輪，它每轉(zhuǎn)一周，給篩子一個驅(qū)動力，這樣就做成了一個共振篩(如圖所示)，篩子做自由振動時，完成10次全振動用時15s，在某電壓下，電動偏心輪轉(zhuǎn)速是36r/min。已知增大電壓可使偏心輪轉(zhuǎn)速提高；增加篩子的質(zhì)量，可以增大篩子的固有周期，那么要使篩子的振幅增大，下列哪些做法是正確的(AC)A．提高輸入電壓 B．降低輸入電壓C．增加篩子質(zhì)量 D．減小篩子質(zhì)量解