《外力作用下的振動(dòng)》課教學(xué)設(shè)計(jì)

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1、選 修 3-4第十一章：機(jī)械振動(dòng)第五節(jié)：外力作用下的振動(dòng)教學(xué)設(shè)計(jì)洛陽(yáng)理工附中 喬文輝選修3-4 第十一章：機(jī)械振動(dòng)11-5 外力作用下的振動(dòng)一、教材分析“外力作用下的振動(dòng)”是人教版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理選修3-4第十一章機(jī)械振動(dòng)第5節(jié)內(nèi)容。在本章之前的內(nèi)容，已經(jīng)學(xué)習(xí)了理想狀態(tài)下的簡(jiǎn)諧振動(dòng)的兩個(gè)典型例子彈簧振子和單擺模型。本節(jié)學(xué)習(xí)實(shí)際情況下存在的振動(dòng)，本節(jié)以“外力作用下的振動(dòng)”為標(biāo)題，介紹了“阻尼振動(dòng)”“受迫振動(dòng)”“共振”的概念。這樣做不僅可以使學(xué)生認(rèn)識(shí)到阻尼振動(dòng)、受迫振動(dòng)和共振都屬于外力作用下的振動(dòng)，而且有利于學(xué)生對(duì)振動(dòng)分類(lèi)的理解。教材先從能量的角度分析阻尼振動(dòng)，進(jìn)而通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了

2、受迫振動(dòng)的頻率與驅(qū)動(dòng)力頻率的關(guān)系，最后利用實(shí)驗(yàn)探究了受迫振動(dòng)的振幅與驅(qū)動(dòng)力頻率的關(guān)系，從而認(rèn)識(shí)了共振現(xiàn)象。二、學(xué)情分析高二年級(jí)的學(xué)生具有一定的邏輯推理、歸納總結(jié)等能力。學(xué)生在學(xué)習(xí)此節(jié)內(nèi)容之前已經(jīng)知道能夠用振幅、周期和頻率描述振動(dòng)系統(tǒng)的特征，并已經(jīng)學(xué)習(xí)了固有振動(dòng)與固有頻率，也用振幅來(lái)描述振動(dòng)系統(tǒng)的能量，所以對(duì)于阻尼振動(dòng)的理解非常容易。學(xué)生們對(duì)于受迫振動(dòng)以及驅(qū)動(dòng)力還比較陌生，對(duì)于受迫振動(dòng)的頻率等于驅(qū)動(dòng)力的頻率更是由于固有頻率的存在而會(huì)讓學(xué)生有點(diǎn)概念混亂。對(duì)于共振雖然會(huì)有簡(jiǎn)單的了解，但是共振的條件卻是缺乏直觀的感受。三、教學(xué)目標(biāo)（一）知識(shí)與技能 1知道阻尼振動(dòng)，能從能量的角度分析阻尼振動(dòng)產(chǎn)生的原因。

3、 2知道受迫振動(dòng)。理解系統(tǒng)做受迫振動(dòng)的頻率等于驅(qū)動(dòng)力的頻率，與系統(tǒng)的固有頻率無(wú)關(guān)。 3知道共振，理解共振發(fā)生的條件，知道常見(jiàn)共振的應(yīng)用和危害，并知道如何防止有害共振。（二）過(guò)程與方法1通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練學(xué)生的觀察能力和由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提煉出規(guī)律的能力以及表達(dá)能力。2通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，得到什么是受迫振動(dòng)和共振現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。（三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀1通過(guò)親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)探究，讓學(xué)生領(lǐng)略物理現(xiàn)象與規(guī)律的奇妙與和諧，發(fā)展學(xué)生的好奇心與求知欲。2通過(guò)了解共振應(yīng)用和防止的實(shí)例，培養(yǎng)學(xué)生用辨證的哲學(xué)觀點(diǎn)判斷事物兩面性的意識(shí)和習(xí)慣，以及科技在造福人類(lèi)方面的重要性，并且通過(guò)課堂和課下的學(xué)習(xí)了解如何通過(guò)改變固

4、有頻率防止共振的危害，樹(shù)立自己解決問(wèn)題的自豪感。四、教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)重點(diǎn)：受迫振動(dòng)頻率決定因素； 共振產(chǎn)生條件；難點(diǎn)：共振產(chǎn)生條件，運(yùn)用共振知識(shí)解釋常見(jiàn)共振現(xiàn)象。五、課時(shí)安排1課時(shí)六、教學(xué)過(guò)程1導(dǎo)入新課演示實(shí)驗(yàn)：用手撥動(dòng)頭部按摩器的長(zhǎng)按摩爪，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)按摩爪隨之振動(dòng)起來(lái)，而短按摩爪幾乎不振動(dòng)；撥動(dòng)短按摩爪，發(fā)現(xiàn)短按摩爪隨之振動(dòng)起來(lái)，而長(zhǎng)按摩爪振動(dòng)比較微弱。因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)用到的頭部按摩器來(lái)源于生活，可以吸引學(xué)生的興趣，同時(shí)也可以讓學(xué)生意識(shí)到生活中處處都是物理現(xiàn)象。通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)引入，學(xué)生們就會(huì)很想知道為何出現(xiàn)這樣的情況，帶著疑問(wèn)來(lái)學(xué)習(xí)，更能激發(fā)課堂參與的興趣。2阻尼振動(dòng)播放一個(gè)短視頻：一個(gè)小孩在蕩秋千，家

5、長(zhǎng)在旁邊推動(dòng)秋千。秋千這種運(yùn)動(dòng)每個(gè)學(xué)生應(yīng)該都玩過(guò)，對(duì)視頻中的內(nèi)容都能感同身受，接著提出兩個(gè)問(wèn)題：家長(zhǎng)如果不推動(dòng)秋千，秋千是否會(huì)一直擺動(dòng)下去？為什么？學(xué)生由于非常熟悉，再加上之前所學(xué)的知識(shí)，肯定會(huì)這樣回答：不能，因?yàn)榍锴[動(dòng)過(guò)程中收到了空氣阻力、摩擦力等阻力作用，所以會(huì)慢慢的停下來(lái)。根據(jù)學(xué)生作答，補(bǔ)充阻尼的含義，然后順勢(shì)得到阻尼振動(dòng)的概念。然后提出第二個(gè)問(wèn)題：如果想讓秋千一直擺動(dòng)下去，可以采用什么方法？學(xué)生們對(duì)這個(gè)問(wèn)題也不陌生，也會(huì)順口說(shuō)出：像視頻中的家長(zhǎng)一樣去推動(dòng)秋千。此時(shí)，需要去引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)該是周期性地推動(dòng)秋千，然后得到驅(qū)動(dòng)力的概念，接著得出受迫振動(dòng)的概念。3受迫振動(dòng)讓學(xué)生以小組為單位討論，舉

6、出生活中受迫振動(dòng)的應(yīng)用實(shí)例，讓學(xué)生對(duì)受迫振動(dòng)能有更加直觀的感受。讓學(xué)生每一組舉出一個(gè)例子，然后自己再給學(xué)生舉一個(gè)高中階段他們非常熟悉的儀器：電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，通過(guò)解釋打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的工作原理：通入交流電之后，線圈產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)，然后使振片被周期性地磁化，從而收到磁鐵對(duì)它的周期性的上下方向的驅(qū)動(dòng)力，從而進(jìn)行受迫振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)打點(diǎn)計(jì)時(shí)。而且引導(dǎo)學(xué)生看出這個(gè)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)力的頻率就是交流電的頻率，受迫振動(dòng)的頻率就是打點(diǎn)的頻率。然后提出這樣一種想法：我們以前使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器都是在50Hz的交流電下工作的，如果交流電的頻率改變了，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的打點(diǎn)情況會(huì)不會(huì)也發(fā)生改變呢？學(xué)生們肯定對(duì)這個(gè)想法會(huì)很感興趣，此時(shí)介紹低頻

7、信號(hào)發(fā)生器這種儀器，讓學(xué)生明白它可以產(chǎn)生不同頻率的交流電，然后演示實(shí)驗(yàn)：將低頻信號(hào)發(fā)生器與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器相連接，改變低頻信號(hào)發(fā)生器的頻率，觀察打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)的情況，同時(shí)注意引導(dǎo)學(xué)生觀察打點(diǎn)的頻率和振幅。通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以比較清楚地得到結(jié)論：交流電頻率增大，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)頻率也增大，而振幅卻是先增大后減小。此時(shí)，加以誘導(dǎo)：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接入50Hz交流電時(shí)，打點(diǎn)的周期為0.02s，打點(diǎn)的頻率是50Hz，此時(shí)驅(qū)動(dòng)力的頻率等于受迫振動(dòng)的頻率，再通過(guò)剛才的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生就基本接受這樣的一個(gè)結(jié)論：受迫振動(dòng)的頻率就等于驅(qū)動(dòng)力的頻率。但是，學(xué)生對(duì)于振幅的變化情況卻感覺(jué)無(wú)法解釋?zhuān)藭r(shí)疑問(wèn)重重。接下來(lái)，為了排除打點(diǎn)

8、計(jì)時(shí)器實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的偶然性，再演示“共振演示器”的實(shí)驗(yàn)：電動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)偏心輪旋轉(zhuǎn)，偏心輪旋轉(zhuǎn)起來(lái)后由于重心位置周期性地變化，從而會(huì)給下方彈簧一個(gè)周期性的驅(qū)動(dòng)力，從而使彈簧做受迫振動(dòng)。改變電動(dòng)馬達(dá)的頻率，讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。從這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以比較明顯的看出：偏心輪沒(méi)轉(zhuǎn)動(dòng)一周，彈簧就振動(dòng)一個(gè)周期。這樣就更加證實(shí)了剛才的結(jié)論：受迫振動(dòng)的頻率總是等于周期性驅(qū)動(dòng)力的頻率。同時(shí)還會(huì)發(fā)現(xiàn)，隨驅(qū)動(dòng)力頻率的增大，彈簧的振幅還是先增大后減小。由此，就得到了一個(gè)普遍的現(xiàn)象：隨驅(qū)動(dòng)力頻率的升高，受迫振動(dòng)的振幅先增大后減小，有一個(gè)最大值。這樣又引出這樣的問(wèn)題：什么時(shí)候受迫振動(dòng)的振幅最大？4共振進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究：在一根張緊的繩

9、子ab上掛了幾個(gè)擺，其中A、B、C的擺長(zhǎng)相等。演示：先讓A擺擺動(dòng)，觀察在擺動(dòng)穩(wěn)定后的現(xiàn)象。提問(wèn)學(xué)生看到的現(xiàn)象。學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)A擺動(dòng)起來(lái)后，B、C、D、E、F、G也隨之?dāng)[動(dòng)。這時(shí)提出問(wèn)題：（1）B、C、D、E、F、G做的是什么振動(dòng)？如果是受迫振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)力從何而來(lái)？驅(qū)動(dòng)力的頻率又是如何？（2）哪個(gè)小球振幅最大？哪個(gè)最小？它們的固有頻率呢？（3）根據(jù)分析，能得到什么結(jié)論？讓學(xué)生思考討論，然后提問(wèn)學(xué)生。由于此處是個(gè)難點(diǎn)，學(xué)生可能并不能分析出結(jié)論，此時(shí)自己要去引導(dǎo)學(xué)生：驅(qū)動(dòng)力由先振動(dòng)的A球提供，驅(qū)動(dòng)力頻率就等于A擺的固有頻率，B、G振幅最大，它們的固有頻率跟A的相等，也就是等于驅(qū)動(dòng)力的頻率；然后D、E振幅最

10、小，它們的固有頻率與A的固有頻率相差最大，也就是它們的固有頻率與驅(qū)動(dòng)力的頻率相差最大。這樣就很容易得出結(jié)論：當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率與振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率相差越大時(shí)，振幅越小；而當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率與振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率相差越小時(shí)，振幅越大，由此得出共振概念：驅(qū)動(dòng)力的頻率f等于系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，受迫振動(dòng)的振幅最大，這種現(xiàn)象叫做共振。并且可以得到振動(dòng)系統(tǒng)受迫振動(dòng)的振幅A隨驅(qū)動(dòng)力頻率f變化的共振曲線。找到結(jié)論后，讓學(xué)生去解釋剛才的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：頭部按摩器的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并且也可以得到打點(diǎn)計(jì)時(shí)器振片的固有頻率；共振演示器的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在解釋的過(guò)程中，會(huì)對(duì)共振現(xiàn)象有更加直觀的理解。接著讓學(xué)生列舉生活中共振的例

11、子，了解共振在生活中的應(yīng)用情況，同時(shí)對(duì)共振會(huì)有更加形象的認(rèn)識(shí)。此時(shí)，舉例：1831年一隊(duì)騎兵在通過(guò)曼徹斯特附近的一座橋時(shí)，由于馬蹄節(jié)奏整齊，使橋梁共振而斷裂，人仰馬翻；1940年美國(guó)的一座860m的大橋因?yàn)榇箫L(fēng)的共振而坍塌。讓學(xué)生意識(shí)到共振有時(shí)是有益的，有時(shí)卻是有害的。那么自然提出這樣的疑問(wèn)：如何避免有害的共振。通過(guò)列舉的例子，學(xué)生會(huì)想到這樣的方法：騎兵過(guò)橋可以改變驅(qū)動(dòng)力的頻率，而大風(fēng)頻率不能改變，只能改變固有頻率。此時(shí)引出問(wèn)題：怎么改變振動(dòng)物體的固有頻率呢？5固有頻率的改變根據(jù)之前講過(guò)的彈簧振子、單擺的固有頻率的表達(dá)式，認(rèn)識(shí)到固有頻率只跟自身有關(guān)系，那么我們就需要改變自身的一些性質(zhì)，然后以打

12、點(diǎn)計(jì)時(shí)器為例，怎么改變振片才能改變振片的固有頻率呢？（學(xué)生討論）引導(dǎo)學(xué)生思考最簡(jiǎn)單的方法：改變振片的質(zhì)量，看看能不能改變固有頻率。演示實(shí)驗(yàn)：在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的振片的振針上夾一個(gè)導(dǎo)線夾，用低頻信號(hào)發(fā)生器使打點(diǎn)計(jì)時(shí)器共振，讀出低頻信號(hào)發(fā)生器的頻率即為打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的固有頻率，可以通過(guò)增減導(dǎo)線夾的數(shù)量來(lái)增減質(zhì)量，從而得到固有頻率的變化情況。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的固有頻率確實(shí)會(huì)隨著振片質(zhì)量的改變而改變，由此也證實(shí)了之前所說(shuō)的振動(dòng)物體的固有頻率與自身有關(guān)的思想。接下來(lái)，順勢(shì)布置課下探究的內(nèi)容。6課下探究（1）除了改變質(zhì)量，還有哪些方法可以改變振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，以及還有哪些防止有害共振的方法，查閱資料，進(jìn)行

13、探究。（2）利用今天所學(xué)的知識(shí)，課下做如下探究：如何施力能讓秋千擺得最高？7知識(shí)運(yùn)用通過(guò)兩道比較簡(jiǎn)單的例題，讓學(xué)生鞏固本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容。例題1：如圖所示，在曲軸A上懸掛一個(gè)彈簧振子，如果不轉(zhuǎn)動(dòng)把手B，而用手向下拉振子小球m，放開(kāi)手后，讓小球上下自由振動(dòng)測(cè)得彈簧振子做30次全振動(dòng)所用的時(shí)間是15s；如果勻速轉(zhuǎn)動(dòng)把手，也可使彈簧振子上下振動(dòng)若使把手以轉(zhuǎn)速n30r/min勻速轉(zhuǎn)動(dòng)當(dāng)彈簧振子的振動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定后，它的振動(dòng)周期是_s若要想使彈簧振子的振幅達(dá)到最大，則把手的轉(zhuǎn)速應(yīng)為_(kāi)r/min.例題2：一懸掛于天花板上的單擺的共振線如圖，由圖可知（1）此單擺的擺長(zhǎng)為_(kāi)。（g=10m/s2）（2）共振時(shí)單擺的振

14、幅為_(kāi)。七、板書(shū)設(shè)計(jì)1固有振動(dòng)與阻尼振動(dòng)（1）固有振動(dòng)：振動(dòng)系統(tǒng)不受外力作用的振動(dòng)叫固有振動(dòng) 固有頻率：固有振動(dòng)的振動(dòng)頻率叫固有頻率（2）阻尼振動(dòng)：振動(dòng)系統(tǒng)受到阻尼作用時(shí)，要克服阻尼的作用做功，消耗機(jī)械能，振幅逐漸減小的振動(dòng)2受迫振動(dòng)（1）驅(qū)動(dòng)力：為使系統(tǒng)的振動(dòng)維持下去所加的周期性的外力（2）受迫振動(dòng)：系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)力的作用下的振動(dòng)（3）驅(qū)動(dòng)力的頻率與受迫振動(dòng)頻率的關(guān)系：受迫振動(dòng)的頻率總等于驅(qū)動(dòng)力的頻率3共振（1）共振：驅(qū)動(dòng)力的頻率等于系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，受迫振動(dòng)的振幅最大，這種現(xiàn)象叫做共振（2）條件：驅(qū)動(dòng)力的頻率等于系統(tǒng)的固有頻率（3）共振的利用與危害（4）如何改變振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率八、作業(yè)布置教材21頁(yè)問(wèn)題與練習(xí)第1、3、4題九、反思6