2018-2019學(xué)年高中物理 11.5 外力作用下的振動課件 新人教版選修3-4.ppt

5外力作用下的振動,一、固有振動、阻尼振動1.固有振動:振動系統(tǒng)在_作用下的振動。2.固有頻率:_振動的頻率。3.阻尼:即阻力作用，通常包括_或其他阻力。4.阻尼振動:振幅_的振動。,不受外力,固有,摩擦力,逐漸減小,二、受迫振動與共振,1.驅(qū)動力:作用于振動系統(tǒng)的_的外力。2.受迫振動:振動系統(tǒng)在_作用下的振動。3.受迫振動的頻率:做受迫振動的頻率等于_的頻率，與系統(tǒng)的固有頻率_。,周期性,驅(qū)動力,驅(qū)動力,無關(guān),4.共振:(1)條件:驅(qū)動力頻率f_系統(tǒng)的固有頻率f0。(2)特征:共振時受迫振動的_最大。(3)共振曲線:如圖所示。,等于,振幅,【思考辨析】(1)受迫振動的頻率與振動系統(tǒng)的固有頻率無關(guān)。()(2)驅(qū)動力頻率越大，振幅越大。()(3)共振只有害處沒有好處。()(4)做受迫振動的物體一定會發(fā)生共振。()(5)阻尼振動的頻率隨振幅的減小而不斷減小。(),提示:(1)。受迫振動的頻率等于驅(qū)動力的頻率。(2)。驅(qū)動力頻率越接近振動系統(tǒng)的固有頻率，振幅越大。(3)。生活中共振有時有益，有時有害，如共振篩是有益的。,(4)。物體做受迫振動時，當(dāng)驅(qū)動力的頻率等于振動系統(tǒng)固有頻率時，才會發(fā)生共振，即發(fā)生共振的物體一定做受迫振動，做受迫振動的物體不一定發(fā)生共振。(5)。物體做阻尼振動時，振幅減小，頻率保持不變。,知識點一比較簡諧運動、阻尼振動與受迫振動探究導(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小朋友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)樹枝的運動是阻尼振動。(2)秋千的擺動是受迫振動。,【歸納總結(jié)】(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。,(4)三者對比列表:,【典題通關(guān)】【典例】某物理學(xué)習(xí)小組制作了一個實驗裝置，如圖所示，在曲軸A上懸掛一個彈簧振子，如果轉(zhuǎn)動把手，曲軸可以帶動彈簧振子上下振動，求:,(1)開始時不轉(zhuǎn)動把手，而用手往下拉振子，然后放手讓振子上下振動，測得振子在10s內(nèi)完成40次全振動，(不計空氣阻力和摩擦)振子做什么運動？其固有周期和固有頻率各是多少？若考慮摩擦和空氣阻力，振子做什么運動？(2)某同學(xué)若以轉(zhuǎn)速8r/s勻速轉(zhuǎn)動把手，振子的振動穩(wěn)定后，振子做什么運動？其周期和頻率各是多少？,【正確解答】(1)用手往下拉振子使振動系統(tǒng)獲得一定能量，放手后，在不計空氣阻力和摩擦的情況下，振子因所受回復(fù)力與位移成正比，方向與位移方向相反(F=-kx)，故它做簡諧運動，其周期和頻率是由它本身的性質(zhì)決定的，稱固有周期(T固)和固有頻率(f固)，根據(jù)題意可得:T固=s=0.25s，f固=Hz=4Hz；,當(dāng)摩擦和空氣阻力存在時，振子在振動過程中要克服摩擦力和阻力做功消耗能量，導(dǎo)致其振幅越來越小，故振動為阻尼振動。,(2)由于把手轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)速為8r/s，它給彈簧振子的驅(qū)動力頻率為f驅(qū)=8Hz，周期T驅(qū)=s=0.125s，故振子做受迫振動，振動達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，其振動的頻率f(或周期T)等于驅(qū)動力的頻率(或周期)，而跟固有頻率(或周期)無關(guān)。答案:(1)簡諧運動0.25s4Hz阻尼振動(2)受迫振動0.125s8Hz,【過關(guān)訓(xùn)練】1.(多選)下列說法中正確的是()A.有阻力的振動叫作受迫振動B.物體振動時受到外力作用，它的振動就是受迫振動C.物體在周期性外力作用下的振動叫作受迫振動D.物體在周期性外力作用下振動，它的振動頻率最終等于驅(qū)動力頻率,【解析】選C、D。物體在周期性外力作用下的振動叫作受迫振動，選項C對，B錯；這個周期性的外力應(yīng)當(dāng)能給振動物體補充能量，而阻力不行，選項A錯；受迫振動的頻率最終等于驅(qū)動力頻率，選項D對。,2.如圖所示的裝置，彈簧振子的固有頻率是4Hz?，F(xiàn)勻速轉(zhuǎn)動把手，給彈簧振子以周期性的驅(qū)動力，測得彈簧振子振動達(dá)到穩(wěn)定時的頻率為1Hz，則把手轉(zhuǎn)動的頻率為(),A.1HzB.3HzC.4HzD.5Hz【解析】選A。受迫振動的頻率等于驅(qū)動力的頻率，把手轉(zhuǎn)動的頻率為1Hz，選項A正確。,知識點二對共振的理解探究導(dǎo)入:洗衣機在把衣服脫水完畢拔掉電源后，電動機還要轉(zhuǎn)動一會才能停下來。在拔掉電源后，發(fā)現(xiàn)洗衣機先振動得比較小，然后有一陣子振動得很劇烈，然后振動慢慢減小直至停下來。,(1)開始時，洗衣機為什么振動比較?。?2)期間劇烈振動的原因是什么？提示:(1)開始時，洗衣機的固有頻率與脫水桶的頻率相差較遠(yuǎn)。(2)劇烈振動的原因是此時脫水桶的頻率與洗衣機的固有頻率接近。,【歸納總結(jié)】1.共振條件的理解:(1)從受力角度看:當(dāng)振動物體所受驅(qū)動力的方向跟它的運動方向相同時，驅(qū)動力對它起加速作用，使它的振幅增大，當(dāng)驅(qū)動力的頻率等于物體的固有頻率時，它的每一次作用都使物體的振幅增加，從而振幅達(dá)到最大。,(2)從功能關(guān)系看:當(dāng)驅(qū)動力的頻率等于物體的固有頻率時，驅(qū)動力始終對物體做正功，使振動能量不斷增加，振幅不斷增大，直到增加的能量等于克服阻尼作用損耗的能量，振幅才不再增加。,2.共振曲線的理解:(1)兩坐標(biāo)軸的意義:如圖所示?？v軸:受迫振動的振幅，橫軸:驅(qū)動力頻率。,(2)f0的意義:表示固有頻率。(3)認(rèn)識曲線形狀:f=f0，共振；f>f0或f<f0，振幅較小。f與f0相差越大，振幅越小。(4)結(jié)論:驅(qū)動力的頻率f越接近振動系統(tǒng)的固有頻率f0，受迫振動的振幅越大，反之振幅越小。,【特別提醒】(1)應(yīng)用共振應(yīng)盡量使驅(qū)動力的頻率接近固有頻率。(2)防止共振要盡量使驅(qū)動力的頻率與固有頻率間的差距增大。,【典題通關(guān)】【典例】(2018邯鄲高二檢測)如圖所示，當(dāng)A振動起來后，通過繃緊水平繩迫使B、C振動起來，說法正確的是(),A.A、B、C三個單擺的周期均不相同B.只有A、C兩個單擺周期相同C.A、B、C三個單擺的振幅相同D.B的振幅比C的振幅小,【正確解答】選D。由題意，擺A做自由振動，其振動周期就等于其固有周期，而擺B、擺C在A產(chǎn)生的驅(qū)動力作用下做受迫振動，受迫振動的周期等于驅(qū)動力的周期，即等于A的固有周期，所以三個單擺的振動周期相等，A、B錯誤；由于擺C和擺A的擺長相等，則擺C的固有周期與驅(qū)動力周期相等，產(chǎn)生共振，其振幅比擺B大，C錯誤、D正確。,【規(guī)律方法】共振問題的分析方法(1)在分析解答有關(guān)共振問題時，要抓住產(chǎn)生共振的條件:驅(qū)動力的頻率等于固有頻率，此時振動的振幅最大。(2)在分析有關(guān)共振的實際問題時，要抽象出受迫振動這一物理模型，弄清驅(qū)動力頻率和固有頻率，然后利用共振的條件進(jìn)行求解。,【過關(guān)訓(xùn)練】1.(多選)如圖所示，一根張緊的繩上掛幾個擺，其中A、E擺長相等，先讓A擺振動起來，其他各擺也隨著振動起來，下列說法中正確的是(),A.其他各擺振動周期跟A擺相同B.其他各擺振動振幅大小相等C.其他各擺振動振幅大小不等，E擺振幅最大D.其他各擺振動周期大小不同，D擺周期最大,【解析】選A、C。A擺擺動起來后，帶動繩給B、C、D、E周期性的驅(qū)動力，B、C、D、E擺動起來，做受迫振動。據(jù)受迫振動的周期等于驅(qū)動力的周期知，B、C、D、E各擺的周期均與A的周期相同，所以選項A正確，D錯誤；驅(qū)動力由A擺提供，所以由周期公式T=2知，E擺與A擺擺長相同，故周期相同，因此E,振動振幅最大，C、B擺的擺長比D擺擺長更接近A擺擺長，所以B、C擺的固有周期更接近A擺的周期，即驅(qū)動力的周期，因此B、C擺的振幅大于D擺，所以選項C正確，B錯誤。,2.(2018保定高二檢測)如圖所示為單擺在兩次受迫振動中的共振曲線，則下列說法不正確的是(),A.若兩次受迫振動分別在月球和地球上進(jìn)行，且擺長相同，則圖線表示月球上單擺的共振曲線B.若兩次受迫振動是在地球上同一地點進(jìn)行，則兩次擺長之比L1L2=254C.圖線若是在地球上完成的，則該擺擺長約為1mD.若擺長均為1m，則圖線是在地球上完成的,【解析】選D。若兩次受迫振動分別在月球和地球上進(jìn)行，因為圖線單擺的固有頻率較小，則固有周期較大，根據(jù)T=2知，周期大的重力加速度小，則圖線是月球上單擺的共振曲線，A正確；若兩次受迫振動均在地球上同一地點進(jìn)行的，則重力加速度相等，因為固有頻率比為25，則固有周期之比為52，,根據(jù)T=2，知擺長之比為254，B正確；圖線若是在地球表面上完成的，則固有頻率為0.5Hz，則T=2=2，解得L1m，故C正確，D錯誤。,【補償訓(xùn)練】(多選)如圖所示，兩個質(zhì)量分別為M和m的小球，懸掛在同一根水平細(xì)線上，當(dāng)M在垂直于水平細(xì)線的平面內(nèi)擺動時，下列說法正確的是(),A.兩擺的振動周期是相同的B.當(dāng)兩擺的擺長相等時，m擺的振幅最大C.懸掛M的豎直細(xì)線長度變化時，m的振幅不變D.m擺的振幅可能超過M擺的振幅,【解析】選A、B、D。M擺動時，m擺做受迫振動，穩(wěn)定后，m擺的振動周期應(yīng)等于驅(qū)動力的周期，即等于M擺的周期，故選項A正確；當(dāng)m擺長與M擺長相等時，兩者的固有周期相等，而M擺的固有周期就是使m做受迫振動的驅(qū)動力的周期，可見m擺處于共振狀態(tài)，選項B正確；M擺長發(fā)生變化，就是使m做受迫振動的驅(qū)動力,周期發(fā)生變化，由于m的固有周期不變，這樣兩個周期差別就發(fā)生了變化，因而m的振幅也發(fā)生了變化，選項C錯誤；單擺振動的能量不僅與振幅有關(guān)，還跟振動系統(tǒng)的質(zhì)量有關(guān)，如果M的質(zhì)量比m大得多，從M向m傳遞的能量有可能使m的振幅大于M的振幅，選項D正確。,【拓展例題】考查內(nèi)容:生活中的共振現(xiàn)象【典例】(多選)鋪設(shè)鐵路軌道時，每兩根鋼軌接縫處都必須留有一定的間隙，勻速運行的列車經(jīng)過軌端接縫處時，車輪就會受到一次沖擊。由于每一根鋼軌長度都相等，所以這個沖擊力是周期性的，列車受到周期性的沖擊做受迫振動。普通鋼軌長為12.6m，列車固有振動周期為0.315s。下列說法正確的是(),A.列車的危險速率為40m/sB.列車過橋需要減速，是為了防止列車發(fā)生共振現(xiàn)象C.列車運行的振動頻率和列車的固有頻率總是相等的D.增加鋼軌的長度有利于列車高速運行,【正確解答】選A、D。列車在鋼軌上運行時，受到鋼軌對它的沖擊力作用而做受迫振動，當(dāng)列車固有頻率等于鋼軌對它的沖擊力頻率時，列車振幅最大，最危險，則由T=得危險速率v=40m/s，故A正確，C錯誤。列車過橋做減速運動，是為了使驅(qū)動力頻率遠(yuǎn)小于橋的固有頻率，防止橋梁發(fā)生共振，而不是列車,發(fā)生共振，B錯誤。增加鋼軌長度，可以使列車振動頻率遠(yuǎn)離列車固有頻率，有利于列車高速運行，故D正確。,