2019-2020年高中物理 11.5 外力作用下的振動教案 新人教版選修3-4.doc

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2019-2020年高中物理 11.5 外力作用下的振動教案 新人教版選修3-4 【教學(xué)目標(biāo)】 (一)知識目標(biāo) 1.知道什么叫驅(qū)動力，什么叫受迫振動，能舉出受迫振動的實(shí)例； 2.知道受迫振動的頻率等于驅(qū)動力的頻率，跟物體的固有頻率無關(guān)； 3.知道什么是共振以及發(fā)生共振的條件； 4.知道共振的應(yīng)用和防止的實(shí)例。 （二）能力目標(biāo) 1.通過分析實(shí)際例子，得到什么是受迫振動和共振現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生聯(lián)系實(shí)際，提高觀察和分析能力； 2.了解共振在實(shí)際中的應(yīng)用和防止，提高理論聯(lián)系實(shí)際的能力。 （三）德育目標(biāo) 1.通過共振的應(yīng)用和防止的教學(xué)，滲透一分為二的觀點(diǎn)； 2.通過共振產(chǎn)生條件的教學(xué)，認(rèn)識內(nèi)因和外因的關(guān)系。 【教學(xué)重點(diǎn)】 1.受迫振動概念的建立； 2.什么是共振及產(chǎn)生共振的條件。 【教學(xué)難點(diǎn)】 1.物體發(fā)生共振決定于驅(qū)動力的頻率與物體固有頻率的關(guān)系，與驅(qū)動力大小無關(guān)； 2.當(dāng)f＝f＇時，物體做受迫振動的振幅最大。 【教學(xué)方法】 實(shí)驗(yàn)演示、總結(jié)歸納與多媒體教學(xué)相結(jié)合 【教具準(zhǔn)備】 受迫振動演示儀、共振演示儀、兩個相同的帶有共鳴箱的音叉、橡皮槌、CAI課件 【教學(xué)過程】 （一）導(dǎo)入新課 實(shí)際的振動系統(tǒng)不可避免地要受到摩擦阻力和其他因素的影響，系統(tǒng)的機(jī)械能損耗，導(dǎo)致振動完全停止，這類振動叫阻尼振動。物體之所以做阻尼振動，是由于機(jī)械能在損耗，那么如果在機(jī)械能損耗的同時我們不斷地給振動系統(tǒng)補(bǔ)充能量，物體的振動情形又如何呢?本節(jié)課我們來學(xué)習(xí)這一問題。 （二）新課教學(xué) 1、受迫振動 演示：用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置，向下拉一下振子，觀察它的振動情況。 現(xiàn)象：振子做的是阻尼振動，振動一段時間后停止振動。 演示：請一位同學(xué)勻速轉(zhuǎn)動把手，觀察振動物體的振動情況。 現(xiàn)象：現(xiàn)在振子能夠持續(xù)地振動下去。 分析：使振子能夠持續(xù)振動下去的原因，是把手給了振動系統(tǒng)一個周期性的外力的作用，外力結(jié)系統(tǒng)做功，補(bǔ)償系統(tǒng)的能量損耗。 (1)驅(qū)動力：使系統(tǒng)持續(xù)地振動下去的外力，叫驅(qū)動力。 (2)受迫振動：物體在外界驅(qū)動力作用下所做的振動叫受迫振動。 要想使物體能持續(xù)地振動下去，必須給振動系統(tǒng)施加一個周期性的驅(qū)動力作用。 受迫振動實(shí)例：發(fā)動機(jī)正在運(yùn)轉(zhuǎn)時汽車本身的振動；正在發(fā)聲的揚(yáng)聲器紙盒的振動；飛機(jī)從房屋上飛過時窗玻璃的振動；我們聽到聲音時耳膜的振動等。 (多媒體展示幾個受迫振動的實(shí)例) ①電磁打點(diǎn)計時器的振針；②工作時縫紉機(jī)的振針；③揚(yáng)聲器的紙盒；④跳水比賽時，人在跳板上走過時，跳板的振動；⑤機(jī)器底座在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時發(fā)生的振動。 (3)受迫振動的特點(diǎn) 做簡諧運(yùn)動的彈簧振子和單擺在振動時，按振動系統(tǒng)的固有周期和固有頻率振動。通過剛才的學(xué)習(xí)，我們知道物體在周期性的驅(qū)動力作用下所做的振動叫受迫振動；那么周期性作用的驅(qū)動力的頻率、受迫振動的頻率、系統(tǒng)的固有頻率之間有什么關(guān)系呢? 演示：用前面的裝置實(shí)驗(yàn)。用不同的轉(zhuǎn)速勻速地轉(zhuǎn)動把手，觀察振子的振動快慢情況。 現(xiàn)象：當(dāng)把手轉(zhuǎn)速小時，振子振動較慢；當(dāng)把手轉(zhuǎn)速大時，振子振動較快。物體做受迫振動時，振動物體振動的快慢隨驅(qū)動力的周期而變化。 總結(jié)：①物體做受迫振動時，振動穩(wěn)定后的頻率等于驅(qū)動力的頻率；②受迫振動的頻率跟物體的固有頻率沒有關(guān)系。2、共振 (1)共振擺實(shí)驗(yàn) 受迫振動的頻率等于驅(qū)動力的頻率，與物體的固有頻率無關(guān)，但是如果驅(qū)動力的頻率接近或等于物體的固有頻率時又會發(fā)生什么現(xiàn)象呢? 演示：(共振演示儀)在一根張緊的繩上掛了幾個擺，其中A、B、C的擺長相等。先讓A擺擺動，觀察在擺動穩(wěn)定后的現(xiàn)象。 A B C D E 現(xiàn)象：A擺動起來后，B、C、D、E也隨之?dāng)[動，但是它們擺動的振幅不同，A、B、C擺動的振幅差不多，而D擺動的振幅最小。 分析：A、B、C擺長相同，據(jù)和得到，A、B、C三擺的固有頻率相同。D擺的擺長與A擺相差最多，兩者的固有頻率相差最大。A擺振動后通過張緊的繩子給其它各擺施加驅(qū)動力，使B、C、D、E各擺做受迫振動，它們振動的頻率都等于A擺的固有頻率。 結(jié)論：驅(qū)動力的頻率f等于振動物體的固有頻率f′時，振幅最大；驅(qū)動力的頻率f跟固有頻率f′相差越大，振幅越小。 (2)共振 驅(qū)動力頻率接近物體的固有頻率時，受迫振動的振幅最大，這種現(xiàn)象叫做共振。 (3)發(fā)生共振的條件 驅(qū)動力頻率與物體的固有頻率相等或接近。 (4)共振曲線 通過上述實(shí)驗(yàn)我們知道，受迫振動的振幅A與驅(qū)動力的頻率f及振動物體的固有頻率f＇之間的關(guān)系有關(guān)，它們之間的這種關(guān)系可用圖象來表示，這個圖象叫共振曲線，如下圖： 縱軸：表示受迫振動的振幅。 橫軸：表示驅(qū)動力的頻率。 特點(diǎn)：當(dāng)驅(qū)動力頻率等于物體固有頻率時，物體振動的振幅最大；驅(qū)動力頻率與固有頻率相差越大，物體的振幅越小。 3、聲音的共鳴 演示：兩個頻率相同的帶有共鳴箱的音叉，放在實(shí)驗(yàn)臺上。先用小槌打擊音叉A的叉股，使它發(fā)聲，過一會兒，用手按住音叉A的叉股，使A停止發(fā)聲，觀察發(fā)生的現(xiàn)象。 現(xiàn)象：可以聽到?jīng)]被敲打的音叉B發(fā)出了聲音。 演示：在其中的一只音叉的叉股上套上一個套管，重新做上面的實(shí)驗(yàn)，觀察發(fā)生的現(xiàn)象。 現(xiàn)象：音叉B下再發(fā)出聲音了。 分析：音叉A的叉股被敲時發(fā)生振動，在空氣中激起聲波，聲波傳到音叉B，給音叉B以周期性的驅(qū)動力。第一次實(shí)驗(yàn)時，A、B的固有頻率相同，符合產(chǎn)生共振的條件，于是B的振幅最大，就可以聽到B發(fā)出的聲音；第二次實(shí)驗(yàn)時，由于給B的音叉套上了套管，使A、B的固有頻率不再相同，此時B不能產(chǎn)生共振，發(fā)出的聲音很小，甚至聽不到。 聲音的共振現(xiàn)象叫共鳴。 共鳴箱所起的作用是使音叉的聲音加強(qiáng)。 4、共振的應(yīng)用和防止 (1)利用共振時，應(yīng)使驅(qū)動力的頻率接近或等于物體的固有頻率 共振現(xiàn)象有許多應(yīng)用。把一些不同長度的鋼片裝在同一個支架上，可用來制成測量發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速計。使轉(zhuǎn)速計與開動著的機(jī)器緊密接觸，機(jī)器的振動引起轉(zhuǎn)速計的輕微振動，這時固有頻率與機(jī)器轉(zhuǎn)速一致的那個鋼片發(fā)生共振，有顯著的振幅。從刻度上讀出這個鋼片的固有頻率，就可以知道機(jī)器的轉(zhuǎn)速。 共振篩是利用共振現(xiàn)象制成的。把篩子用四根彈簧支起來，在篩架上安裝一個偏心輪，就成了共振篩。偏心輪在發(fā)動機(jī)的帶動下發(fā)生轉(zhuǎn)動時，適當(dāng)調(diào)節(jié)偏心輪的轉(zhuǎn)速，可以使篩子受到的驅(qū)動力的頻率接近篩子的固有頻率，這時篩子發(fā)生共振，有顯著的振幅，提高了篩除雜物的效率。 實(shí)例：共振篩、音箱、小提琴與二胡等樂器設(shè)置共鳴箱、建筑工地上澆鑄混凝土?xí)r使用的振搗器、跳水運(yùn)動員做起跳動作的“顛板”過程等。 (2)防止共振時，應(yīng)使驅(qū)動力的頻率與振動物體的固有頻率不同，而且相差越大越好 在某些情況下，共振也可能造成損害。軍隊或火車過橋時，整齊的步伐或車輪對鐵軌接頭處的撞擊會對橋梁產(chǎn)生周期性的驅(qū)動力，如果驅(qū)動力的頻率接近橋梁的固有頻率，就可能使橋梁的振幅顯著增大，以致使橋梁發(fā)生斷裂．因此，部隊過橋要用便步，以免產(chǎn)生周期性的驅(qū)動力．火車過橋要慢開，使驅(qū)動力的頻率遠(yuǎn)小于橋梁的固有頻率。 輪船航行時，如果所受波浪沖擊力的頻率接近輪船左右搖擺的固有頻率，可能使輪船傾覆。這時可以改變輪船的航向和速度，使波浪沖擊力的頻率遠(yuǎn)離輪船搖擺的固有頻率。 機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時，零部件的運(yùn)動（如活塞的運(yùn)動、輪的轉(zhuǎn)動）會產(chǎn)生周期性的驅(qū)動力，如果驅(qū)動力的頻率接近機(jī)器本身或支持物的固有頻率，就會發(fā)生共振，使機(jī)器或支持物受到損壞．這時要采取措施，如調(diào)節(jié)機(jī)器的轉(zhuǎn)速，使驅(qū)動力的頻率與機(jī)器或支持物的固有頻率不一致。同樣，廠房建筑物的固有頻率也不能處在機(jī)器所能引起的振動頻率范圍之內(nèi)。 實(shí)例：火車過橋時要放慢速度、軍隊過橋時用便步行走、輪船航行時要看波浪的打擊方向而改變輪船的航向和速度、機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時為了防止共振要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速等。 總之，在需要利用共振時，應(yīng)使驅(qū)動力的頻率接近或等于振動物體的固有頻率；在需要防止共振時，應(yīng)使驅(qū)動力的頻率與振動物體的固有頻率不同，而且相差越大越好。 （三）鞏固訓(xùn)練 1、火車在鐵軌上勻速行駛，每根鐵軌長12.5cm，某旅客在小桌上放了一杯水，杯中水晃動的固有頻率是2Hz，當(dāng)火車行駛速度是多少km/h時，杯中水的晃動最厲害? (參考答案：90km/h) 2、家用洗衣機(jī)的甩干機(jī)關(guān)閉后轉(zhuǎn)速逐漸減小為零的過程中，會發(fā)現(xiàn)有一小段時間洗衣機(jī)抖動得最厲害。這一現(xiàn)象應(yīng)如何解釋? (參考答案：洗衣機(jī)的固有頻率f０小于甩干機(jī)的正常轉(zhuǎn)速n，關(guān)機(jī)后，驅(qū)動力頻率即甩干機(jī)轉(zhuǎn)速由n減為0的過程中總有某一時刻等于f０，于是發(fā)生共振，使洗衣機(jī)抖動最厲害) 3、一只酒杯，用手指彈一下發(fā)出清脆的聲音，測得其振動的固有頻率為300Hz，將它放在兩只大功率的音箱中間，調(diào)整音箱發(fā)音的頻率，能使酒杯碎掉，這是______現(xiàn)象，這時音箱所發(fā)出聲音的頻率為______Hz． (參考答案：共振；300) 4、如圖所示，兩個質(zhì)量分別為M和m的小球懸掛在同一根細(xì)繩上，先讓M擺動，經(jīng)一段時間系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，下面說法中正確的是( ABCD ) A．無論M和m的大小關(guān)系如何，m和M的周期都相等 B．無論m和M的關(guān)系如何，當(dāng)兩個擺的擺長相等時，m擺的振幅最大 C．懸掛M的細(xì)繩長度變化時，m擺的振幅也發(fā)生變化 D．當(dāng)兩個擺長相等時，m擺的振幅可以超過M擺的振幅 5、A、B兩彈簧振子，A固有頻率為f，B固有頻率為4f，若它們均在頻率為3f的驅(qū)動力作用下做受迫振動，則( B ) A．A的振幅較大，振動頻率為f B．B的振幅較大，振動頻率為3f C．A的振幅較大，振動頻率為3f D．B的振幅較大，振動頻率為4f 6、某振動系統(tǒng)的固有頻率f1，該振動系統(tǒng)在頻率為f2的驅(qū)動力作用下做受迫振動，系統(tǒng)的振動頻率為( B ) A．f1 B．f2 C．f1+f2 D．(f１+f2)/2 O f/Hz 0.5 A/cm 8 7、下列說法中正確的是( ACD ) A．實(shí)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?xiàng)l件無關(guān) 8、如圖為一單擺的共振曲線，則該單擺的擺長約為多少?共振時單擺的振幅多大?共振時擺球的最大加速度和最大速度大小各為多少? (參考答案：擺長：L＝1m；共振時的振幅為A＝8 cm；共振時的最大加速度為0.08m/s2，最大速度為0.28 m/s) (四)小 結(jié) 1．物體在外界驅(qū)動力作用下所做的振動叫受迫振動。受迫振動的頻率取決于驅(qū)動力的頻率； 2．共振是受迫振動的特殊情況，當(dāng)驅(qū)動力的頻率接近或等于物體固有頻率時，受迫振動振幅最大的現(xiàn)象，叫做共振。 3．共振在實(shí)際中的應(yīng)用，往往是利用共振振幅大的特點(diǎn)，但有時也要防止發(fā)生共振，避免產(chǎn)生有害后果。 (五)作 業(yè) P40 練習(xí)七 1、2 【教材分析】 本節(jié)從功能關(guān)系、動力學(xué)、運(yùn)動學(xué)等多角度來研究受迫振動及其特例──共振現(xiàn)象。 在教學(xué)中應(yīng)該充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的作用，使學(xué)生理解物體在做受迫振動時其頻率跟驅(qū)動力頻率的關(guān)系，以及受迫振動的頻率與物體固有頻率接近時振動的特點(diǎn)。 另外，在本節(jié)的教學(xué)中應(yīng)注意多舉一些共振在實(shí)際中的應(yīng)用以及避免共振的做法，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力和習(xí)慣。