《外力作用下的振動》課教學設(shè)計上課講義

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1、外力作用下的振動課教學設(shè)計選修3-4第十一章：機械振動第五節(jié)：外力作用下的振動教學設(shè)計洛陽理工附中喬文輝選修 3-4 第十一章：機械振動11-5 外力作用下的振動一、教材分析“外力作用下的振動 ”是人教版普通高中物理課程標準實驗教科書物理選修 3-4 第十一章機械振動第5 節(jié)內(nèi)容。在本章之前的內(nèi)容，已經(jīng)學習了理想狀態(tài)下的簡諧振動的兩個典型例子 彈簧振子和單擺模型。本節(jié)學習實際情況下存在的振動，本節(jié)以“外力作用下的振動 ”為標題，介紹了 “阻尼振動 ”“受迫振動 ”“共振 ”的概念。這樣做不僅可以使學生認識到阻尼振動、受迫振動和共振都屬于外力作用下的振動，而且有利于學生對振動分類的理解。教材先從

2、能量的角度分析阻尼振動，進而通過實驗探究了受迫振動的頻率與驅(qū)動力頻率的關(guān)系，最后利用實驗探究了受迫振動的振幅與驅(qū)動力頻率的關(guān)系，從而認識了共振現(xiàn)象。二、學情分析高二年級的學生具有一定的邏輯推理、歸納總結(jié)等能力。學生在學習此節(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系統(tǒng)的特征，并已經(jīng)學習了固有振動與固有頻率，也用振幅來描述振動系統(tǒng)的能量，所以對于阻尼振動的理解非常容易。學生們對于受迫振動以及驅(qū)動力還比較陌生，對于受迫振動的頻率等于驅(qū)動力的頻率更是由于固有頻率的存在而會讓學生有點概念混亂。對于共振雖然會有簡單的了解，但是共振的條件卻是缺乏直觀的感受。三、教學目標（一）知識與技能1知道阻尼振動

3、，能從能量的角度分析阻尼振動產(chǎn)生的原因。2知道受迫振動。理解系統(tǒng)做受迫振動的頻率等于驅(qū)動力的頻率，與系統(tǒng)的固有頻率無關(guān)。3知道共振，理解共振發(fā)生的條件，知道常見共振的應(yīng)用和危害，并知道如何防止有害共振。（二）過程與方法1通過演示實驗訓練學生的觀察能力和由實驗現(xiàn)象提煉出規(guī)律的能力以及表達能力。2通過實驗探究，得到什么是受迫振動和共振現(xiàn)象，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的能力。（三）情感、態(tài)度與價值觀1通過親自動手實驗探究，讓學生領(lǐng)略物理現(xiàn)象與規(guī)律的奇妙與和諧，發(fā)展學生的好奇心與求知欲。2通過了解共振應(yīng)用和防止的實例，培養(yǎng)學生用辨證的哲學觀點判斷事物兩面性的意識和習慣，以及科技在造福人類方面的重要性，并且通

4、過課堂和課下的學習了解如何通過改變固有頻率防止共振的危害，樹立自己解決問題的自豪感。四、教學重點、難點重點：受迫振動頻率決定因素；共振產(chǎn)生條件；難點：共振產(chǎn)生條件，運用共振知識解釋常見共振現(xiàn)象。五、課時安排1 課時六、教學過程1導入新課演示實驗：用手撥動頭部按摩器的長按摩爪，發(fā)現(xiàn)長按摩爪隨之振動起來，而短按摩爪幾乎不振動；撥動短按摩爪，發(fā)現(xiàn)短按摩爪隨之振動起來，而長按摩爪振動比較微弱。因為這個實驗用到的頭部按摩器來源于生活，可以吸引學生的興趣，同時也可以讓學生意識到生活中處處都是物理現(xiàn)象。通過這個實驗引入，學生們就會很想知道為何出現(xiàn)這樣的情況，帶著疑問來學習，更能激發(fā)課堂參與的興趣。2阻尼振動

5、播放一個短視頻：一個小孩在蕩秋千，家長在旁邊推動秋千。秋千這種運動每個學生應(yīng)該都玩過，對視頻中的內(nèi)容都能感同身受，接著提出兩個問題：家長如果不推動秋千，秋千是否會一直擺動下去？為什么？學生由于非常熟悉，再加上之前所學的知識，肯定會這樣回答：不能，因為秋千擺動過程中收到了空氣阻力、摩擦力等阻力作用，所以會慢慢的停下來。根據(jù)學生作答，補充阻尼的含義，然后順勢得到阻尼振動的概念。然后提出第二個問題：如果想讓秋千一直擺動下去，可以采用什么方法？學生們對這個問題也不陌生，也會順口說出：像視頻中的家長一樣去推動秋千。此時，需要去引導學生應(yīng)該是周期性地推動秋千，然后得到驅(qū)動力的概念，接著得出受迫振動的概念。

6、3受迫振動讓學生以小組為單位討論，舉出生活中受迫振動的應(yīng)用實例，讓學生對受迫振動能有更加直觀的感受。讓學生每一組舉出一個例子，然后自己再給學生舉一個高中階段他們非常熟悉的儀器：電磁打點計時器，通過解釋打點計時器的工作原理：通入交流電之后，線圈產(chǎn)生周期性變化的磁場，然后使振片被周期性地磁化，從而收到磁鐵對它的周期性的上下方向的驅(qū)動力，從而進行受迫振動，實現(xiàn)打點計時。而且引導學生看出這個過程中驅(qū)動力的頻率就是交流電的頻率，受迫振動的頻率就是打點的頻率。然后提出這樣一種想法：我們以前使用打點計時器都是在 50Hz 的交流電下工作的，如果交流電的頻率改變了，打點計時器的打點情況會不會也發(fā)生改變呢？學生

7、們肯定對這個想法會很感興趣，此時介紹低頻信號發(fā)生器這種儀器，讓學生明白它可以產(chǎn)生不同頻率的交流電，然后演示實驗：將低頻信號發(fā)生器與打點計時器相連接，改變低頻信號發(fā)生器的頻率，觀察打點計時器打點的情況，同時注意引導學生觀察打點的頻率和振幅。通過演示實驗，學生可以比較清楚地得到結(jié)論：交流電頻率增大，打點計時器打點頻率也增大，而振幅卻是先增大后減小。此時，加以誘導：打點計時器接入 50Hz 交流電時，打點的周期為 0.02s，打點的頻率是 50Hz，此時驅(qū)動力的頻率等于受迫振動的頻率，再通過剛才的實驗現(xiàn)象，學生就基本接受這樣的一個結(jié)論：受迫振動的頻率就等于驅(qū)動力的頻率。但是，學生對于振幅的變化情況卻

8、感覺無法解釋，此時疑問重重。接下來，為了排除打點計時器實驗現(xiàn)象的偶然性，再演示“共振演示器”的實驗：電動馬達帶動偏心輪旋轉(zhuǎn)，偏心輪旋轉(zhuǎn)起來后由于重心位置周期性地變化，從而會給下方彈簧一個周期性的驅(qū)動力，從而使彈簧做受迫振動。改變電動馬達的頻率，讓學生觀察實驗現(xiàn)象。從這個實驗中，學生可以比較明顯的看出：偏心輪沒轉(zhuǎn)動一周，彈簧就振動一個周期。這樣就更加證實了剛才的結(jié)論：受迫振動的頻率總是等于周期性驅(qū)動力的頻率。同時還會發(fā)現(xiàn)，隨驅(qū)動力頻率的增大，彈簧的振幅還是先增大后減小。由此，就得到了一個普遍的現(xiàn)象：隨驅(qū)動力頻率的升高，受迫振動的振幅先增大后減小，有一個最大值。這樣又引出這樣的問題：什么時候受迫振

9、動的振幅最大？4共振進行實驗探究：在一根張緊的繩子 ab 上掛了幾個擺，其中 A、 B、 C 的擺長相等。演示：先讓 A 擺擺動，觀察在擺動穩(wěn)定后的現(xiàn)象。提問學生看到的現(xiàn)象。學生會發(fā)現(xiàn) A 擺動起來后， B、C、D、E、F、 G 也隨之擺動。這時提出問題：（ 1）B、 C、 D、E、F、G 做的是什么振動？如果是受迫振動，驅(qū)動力從何而來？驅(qū)動力的頻率又是如何？（ 2）哪個小球振幅最大？哪個最??？它們的固有頻率呢？（ 3）根據(jù)分析，能得到什么結(jié)論？讓學生思考討論，然后提問學生。由于此處是個難點，學生可能并不能分析出結(jié)論，此時自己要去引導學生：驅(qū)動力由先振動的 A 球提供，驅(qū)動力頻率就等于 A 擺

10、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)動力的頻率；然后 D、 E 振幅最小，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)動力的頻率相差最大。這樣就很容易得出結(jié)論：當驅(qū)動力的頻率與振動系統(tǒng)的固有頻率相差越大時，振幅越?。欢旘?qū)動力的頻率與振動系統(tǒng)的固有頻率相差越小時，振幅越大，由此得出共振概念：驅(qū)動力的頻率f 等于系統(tǒng)的固有頻率f時，受迫振動的振幅最大，這種現(xiàn)象叫做共振。并且可以得到振動系統(tǒng)受迫振動的振幅A 隨驅(qū)動力頻率 f 變化的共振曲線。找到結(jié)論后，讓學生去解釋剛才的實驗現(xiàn)象：頭部按摩器的實驗現(xiàn)象；打點計時器的實驗現(xiàn)象，并且也可以得

11、到打點計時器振片的固有頻率；共振演示器的實驗現(xiàn)象。在解釋的過程中，會對共振現(xiàn)象有更加直觀的理解。接著讓學生列舉生活中共振的例子，了解共振在生活中的應(yīng)用情況，同時對共振會有更加形象的認識。此時，舉例： 1831 年一隊騎兵在通過曼徹斯特附近的一座橋時，由于馬蹄節(jié)奏整齊，使橋梁共振而斷裂，人仰馬翻；1940 年美國的一座 860m 的大橋因為大風的共振而坍塌。讓學生意識到共振有時是有益的，有時卻是有害的。那么自然提出這樣的疑問：如何避免有害的共振。通過列舉的例子，學生會想到這樣的方法：騎兵過橋可以改變驅(qū)動力的頻率，而大風頻率不能改變，只能改變固有頻率。此時引出問題：怎么改變振動物體的固有頻率呢？5

12、固有頻率的改變根據(jù)之前講過的彈簧振子、單擺的固有頻率的表達式，認識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)，然后以打點計時器為例，怎么改變振片才能改變振片的固有頻率呢？（學生討論）引導學生思考最簡單的方法：改變振片的質(zhì)量，看看能不能改變固有頻率。演示實驗：在打點計時器的振片的振針上夾一個導線夾，用低頻信號發(fā)生器使打點計時器共振，讀出低頻信號發(fā)生器的頻率即為打點計時器的固有頻率，可以通過增減導線夾的數(shù)量來增減質(zhì)量，從而得到固有頻率的變化情況。經(jīng)過實驗，發(fā)現(xiàn)打點計時器的固有頻率確實會隨著振片質(zhì)量的改變而改變，由此也證實了之前所說的振動物體的固有頻率與自身有關(guān)的思想。接下來，順勢布

13、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，進行探究。（2）利用今天所學的知識，課下做如下探究：如何施力能讓秋千擺得最高？7知識運用通過兩道比較簡單的例題，讓學生鞏固本節(jié)課的學習內(nèi)容。例題 1：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 n30r/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_s若要想使彈簧振子的振幅達

14、到最大，則把手的轉(zhuǎn)速應(yīng)為_r/min.例題 2：一懸掛于 天花板上的單擺的共振線如圖，由圖A / cm600.50f / Hz可知（1）此單擺的擺長為 _。（ g=10m/s2）（2）共振時單擺的振幅為 _。七、板書設(shè)計1固有振動與阻尼振動（1）固有振動：振動系統(tǒng)不受外力作用的振動叫固有振動固有頻率：固有振動的振動頻率叫固有頻率（2）阻尼振動：振動系統(tǒng)受到阻尼作用時，要克服阻尼的作用做功，消耗機械能，振幅逐漸減小的振動2受迫振動（1）驅(qū)動力：為使系統(tǒng)的振動維持下去所加的周期性的外力（2）受迫振動：系統(tǒng)在驅(qū)動力的作用下的振動（3）驅(qū)動力的頻率與受迫振動頻率的關(guān)系：受迫振動的頻率總等于驅(qū)動力的頻率3共振（1）共振：驅(qū)動力的頻率等于系統(tǒng)的固有頻率時，受迫振動的振幅最大，這種現(xiàn)象叫做共振（2）條件：驅(qū)動力的頻率等于系統(tǒng)的固有頻率（3）共振的利用與危害（4）如何改變振動系統(tǒng)的固有頻率八、作業(yè)布置教材 21 頁問題與練習第1、3、4 題九、反思