物理 第一章 機(jī)械振動(dòng) 4 阻尼振動(dòng) 受迫振動(dòng) 教科版選修3-4

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1、4阻尼振動(dòng)受迫振動(dòng)第一章機(jī)械振動(dòng)學(xué)習(xí)目標(biāo)1.知道什么是阻尼振動(dòng)和無阻尼振動(dòng)，并能從能量的觀點(diǎn)給予說明.2.知道受迫振動(dòng)的頻率等于驅(qū)動(dòng)力的頻率，而跟振動(dòng)物體的固有頻率無關(guān).3.理解共振的概念，知道常見的共振的應(yīng)用和危害. 內(nèi)容索引重點(diǎn)探究啟迪思維 探究重點(diǎn)達(dá)標(biāo)檢測(cè)檢測(cè)評(píng)價(jià) 達(dá)標(biāo)過關(guān)自主預(yù)習(xí)預(yù)習(xí)新知 夯實(shí)基礎(chǔ)自主預(yù)習(xí)一、阻尼振動(dòng)自由振動(dòng)一、阻尼振動(dòng)自由振動(dòng)1.阻尼振動(dòng)系統(tǒng)在振動(dòng)過程中受到 的作用，振動(dòng)逐漸消逝， 逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌芰?，這種振動(dòng)叫做 振動(dòng).2.自由振動(dòng)(1)定義：系統(tǒng)不受外力作用，也不受任何 ，只在自身回復(fù)力作用下的振動(dòng).(2)固有頻率： 的頻率，由系統(tǒng)本身的特征決定.阻力振動(dòng)能量阻尼

2、阻力自由振動(dòng)二、受迫振動(dòng)二、受迫振動(dòng)1.驅(qū)動(dòng)力加在振動(dòng)系統(tǒng)上的 的外力.2.受迫振動(dòng)(1)定義：系統(tǒng)在 作用下的振動(dòng).(2)受迫振動(dòng)的周期和頻率.做受迫振動(dòng)的物體振動(dòng)穩(wěn)定后，其振動(dòng)周期等于 的周期，振動(dòng)頻率等于 的頻率，跟系統(tǒng)的固有頻率 (填“有關(guān)”或“無關(guān)”).周期性驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)力無關(guān)三、共振及其應(yīng)用和防止三、共振及其應(yīng)用和防止1.共振(1)定義：驅(qū)動(dòng)力的頻率 振動(dòng)物體的固有頻率時(shí)，受迫振動(dòng)的振幅_，這種現(xiàn)象叫做共振.(2)共振曲線(如圖1所示)圖1等于最大2.共振的應(yīng)用和防止(1)利用：在需要利用共振時(shí)，應(yīng)使驅(qū)動(dòng)力的頻率 (填“接近”“遠(yuǎn)離”或“等于”)或 (填“接近”“遠(yuǎn)離”或“等于

3、”)振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率.(2)防止：在需要防止共振時(shí)，應(yīng)使驅(qū)動(dòng)力的頻率 (填“接近”“遠(yuǎn)離”或“等于”)振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率.接近等于遠(yuǎn)離1.判斷下列說法的正誤.(1)受迫振動(dòng)的頻率與振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率無關(guān).()(2)驅(qū)動(dòng)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(dòng)的物體一定會(huì)發(fā)生共振.()(5)阻尼振動(dòng)的頻率隨振幅的減小而不斷減小.()即學(xué)即用即學(xué)即用答案2.A、B兩個(gè)彈簧振子，A的固有頻率為f，B的固有頻率為4f，若它們均在頻率為f的驅(qū)動(dòng)力作用下做受迫振動(dòng)，則_的振幅較大，A的振動(dòng)頻率是_，B的振動(dòng)頻率是_.答案Aff重點(diǎn)探究一、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、阻尼振動(dòng)和受迫振動(dòng)導(dǎo)學(xué)

4、探究導(dǎo)學(xué)探究如圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置為一掛在曲軸上的彈簧振子，勻速搖動(dòng)手柄，下面的彈簧振子就會(huì)振動(dòng)起來.實(shí)際動(dòng)手做一下，然后回答以下幾個(gè)問題.(1)如果手柄不動(dòng)而用手拉動(dòng)一下振子，從振幅角度看彈簧振子的振動(dòng)屬于什么振動(dòng)？答案答案阻尼振動(dòng)答案圖2(2)從有沒有系統(tǒng)外力作用角度看彈簧振子的振動(dòng)屬于什么振動(dòng)？答案答案固有振動(dòng)(3)手柄勻速搖動(dòng)時(shí)，觀察到振幅有什么變化？為什么？答案答案振幅不變，提供系統(tǒng)外力，補(bǔ)償系統(tǒng)損失的能量(4)用不同的轉(zhuǎn)速勻速轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，彈簧振子的振動(dòng)有何不同？這能說明什么問題？答案答案轉(zhuǎn)速大時(shí)彈簧振子振動(dòng)得快，說明彈簧振子振動(dòng)的周期和頻率由手柄轉(zhuǎn)速?zèng)Q定.振幅可能有變化，可能會(huì)出現(xiàn)共振

5、.答案知識(shí)深化知識(shí)深化對(duì)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、阻尼振動(dòng)與受迫振動(dòng)的理解和比較對(duì)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、阻尼振動(dòng)與受迫振動(dòng)的理解和比較(1)三種振動(dòng)的理解簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)是一種理想化的模型，物體運(yùn)動(dòng)過程中的一切阻力都不考慮.阻尼振動(dòng)考慮阻力的影響，是更實(shí)際的一種運(yùn)動(dòng).受迫振動(dòng)是物體做阻尼振動(dòng)時(shí)受到周期性驅(qū)動(dòng)力作用下的振動(dòng). (2)三種振動(dòng)的比較振動(dòng)類型比較項(xiàng)目簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)阻尼振動(dòng)受迫振動(dòng)產(chǎn)生條件不受阻力作用受阻力作用受阻力和驅(qū)動(dòng)力作用頻率固有頻率頻率不變由驅(qū)動(dòng)力的頻率決定振動(dòng)圖像形狀不確定常見例子彈簧振子或單擺敲鑼打鼓時(shí)發(fā)出的聲音越來越弱機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)底座發(fā)生的振動(dòng)解析解析因單擺做阻尼振動(dòng)，所以振幅越來越小，機(jī)械能越來越小，振動(dòng)頻率不變

6、，故選B、D.例例1(多選)一單擺做阻尼振動(dòng)，則在振動(dòng)過程中A.振幅越來越小，頻率也越來越小B.振幅越來越小，頻率不變C.在振動(dòng)過程中，通過某一位置時(shí)，機(jī)械能始終不變D.在振動(dòng)過程中，機(jī)械能不守恒答案解析解析解析彈簧振子受搖把的作用而振動(dòng)，做受迫振動(dòng)，所以其振動(dòng)的周期等于驅(qū)動(dòng)力的周期，故正確答案為C.例例2如圖3所示，在曲軸上懸掛一彈簧振子，轉(zhuǎn)動(dòng)搖把，曲軸可以帶動(dòng)彈簧振子上下振動(dòng).開始時(shí)不轉(zhuǎn)動(dòng)搖把，讓振子自由上下振動(dòng)，測(cè)得其頻率為2 Hz，然后以60 r/min的轉(zhuǎn)速勻速轉(zhuǎn)動(dòng)搖把，當(dāng)振子振動(dòng)穩(wěn)定時(shí)，它的振動(dòng)周期為A.0.25 s B.0.5 s C.1 s D.2 s答案解析圖3二、共振及其應(yīng)

7、用和防止導(dǎo)學(xué)探究導(dǎo)學(xué)探究洗衣機(jī)在衣服脫水完畢拔掉電源后，電動(dòng)機(jī)還要轉(zhuǎn)動(dòng)一會(huì)兒才能停下來.在拔掉電源后，發(fā)現(xiàn)洗衣機(jī)先振動(dòng)得比較弱，有一陣子振動(dòng)得很劇烈，然后振動(dòng)慢慢減弱直至停下來.(1)開始時(shí)，洗衣機(jī)為什么振動(dòng)比較弱？答案答案開始時(shí)，脫水桶轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率遠(yuǎn)高于洗衣機(jī)的固有頻率，振幅較小，振動(dòng)比較弱.(2)期間劇烈振動(dòng)的原因是什么？答案答案當(dāng)洗衣機(jī)脫水桶轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率等于洗衣機(jī)的固有頻率時(shí)發(fā)生共振，振動(dòng)劇烈.答案知識(shí)深化知識(shí)深化共振及其應(yīng)用與防止共振及其應(yīng)用與防止(1)共振的條件：驅(qū)動(dòng)力的頻率與系統(tǒng)的固有頻率相等，即f驅(qū)f固.(2)共振曲線圖4如圖4所示，共振曲線的橫坐標(biāo)為驅(qū)動(dòng)力的頻率，縱坐標(biāo)為受迫振動(dòng)系

8、統(tǒng)的振幅.從受力角度看：當(dāng)振動(dòng)物體所受驅(qū)動(dòng)力的方向跟它的運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí)，驅(qū)動(dòng)力對(duì)它起加速作用，使它的振幅增大，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率等于物體的固有頻率時(shí)，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.從功能關(guān)系看：當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率等于物體的固有頻率時(shí)，驅(qū)動(dòng)力始終對(duì)物體做正功，使振動(dòng)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.f0的意義：表示固有頻率.認(rèn)識(shí)曲線的形狀：ff0，共振；ff0或ff0，振幅較小.f與f0相差越大，振幅越小.(3)共振的利用與防止利用：由共振的條件知，要利用共振，就應(yīng)盡量使驅(qū)動(dòng)力的頻率與物體的固有頻率一致.如共振篩、蕩秋千、共振轉(zhuǎn)速

9、計(jì)等.防止：由共振曲線可知，在需要防止共振危害時(shí)，要盡量使驅(qū)動(dòng)力的頻率和固有頻率不相等，而且相差越多越好.如：部隊(duì)過橋應(yīng)便步走.說明：共振是物體做受迫振動(dòng)時(shí)的一種特殊現(xiàn)象.例例3(多選)如圖5所示，在一根張緊的水平繩上懸掛五個(gè)擺，其中A、E的擺長(zhǎng)為l，B的擺長(zhǎng)為0.5l，C的擺長(zhǎng)為1.5l，D的擺長(zhǎng)為2l，先使A振動(dòng)起來，其他各擺隨后也振動(dòng)起來，則擺球振動(dòng)穩(wěn)定后A.D的振幅一定最大B.E的振幅一定最大C.B的周期一定最短D.其余四個(gè)擺的周期相同答案解析圖5解析解析A振動(dòng)起來后，使得B、C、D、E做受迫振動(dòng)，振動(dòng)的頻率都等于A振動(dòng)的頻率，即各擺振動(dòng)的周期都相等，選項(xiàng)C錯(cuò)誤，D正確；由于D與A的擺

10、長(zhǎng)相差最大，E與A的擺長(zhǎng)相等，所以D的振幅最小，E發(fā)生共振，振幅最大，選項(xiàng)A錯(cuò)誤，B正確.例例4(多選)下列關(guān)于共振和防止共振的說法，正確的是A.共振現(xiàn)象總是有害的，所以要避免共振現(xiàn)象發(fā)生B.隊(duì)伍過橋要慢行是為了不產(chǎn)生周期性的驅(qū)動(dòng)力，從而避免產(chǎn)生共振C.火車過橋慢行是為了使驅(qū)動(dòng)力的頻率遠(yuǎn)小于橋的固有頻率，從而避免 產(chǎn)生共振D.利用共振時(shí)，應(yīng)使驅(qū)動(dòng)力的頻率接近或等于振動(dòng)物體的固有頻率，防 止共振危害時(shí)，應(yīng)使驅(qū)動(dòng)力的頻率遠(yuǎn)離振動(dòng)物體的固有頻率答案解析解析解析共振現(xiàn)象有利也有弊，A項(xiàng)錯(cuò)誤；過橋慢行是為了使驅(qū)動(dòng)力的頻率與橋的固有頻率相差很多，從而避免橋產(chǎn)生共振現(xiàn)象，B項(xiàng)錯(cuò)誤，C項(xiàng)正確；當(dāng)固有頻率與驅(qū)動(dòng)

11、力的頻率相同時(shí)，物體產(chǎn)生共振現(xiàn)象，D項(xiàng)正確. 達(dá)標(biāo)檢測(cè)1231.(對(duì)阻尼振動(dòng)的理解對(duì)阻尼振動(dòng)的理解)(多選)一單擺在空氣中振動(dòng)，振幅逐漸減小，下列說法正確的是A.振動(dòng)的機(jī)械能逐漸轉(zhuǎn)化為其他形式的能B.后一時(shí)刻的動(dòng)能一定小于前一時(shí)刻的動(dòng)能C.后一時(shí)刻的勢(shì)能一定小于前一時(shí)刻的勢(shì)能D.后一時(shí)刻的機(jī)械能一定小于前一時(shí)刻的機(jī)械能答案解析解析解析單擺振動(dòng)過程中，會(huì)不斷克服空氣阻力做功使機(jī)械能逐漸減小，A、D對(duì)；雖然單擺總的機(jī)械能在逐漸減少，但在振動(dòng)過程中動(dòng)能和勢(shì)能仍不斷地相互轉(zhuǎn)化.動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能時(shí)，動(dòng)能逐漸減少，勢(shì)能逐漸增加，而勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能時(shí)，勢(shì)能逐漸減少，動(dòng)能逐漸增加，所以不能斷言后一時(shí)刻的動(dòng)能(或勢(shì)

12、能)一定小于前一時(shí)刻的動(dòng)能(或勢(shì)能)，故B、C錯(cuò).123解析解析根據(jù)受迫振動(dòng)發(fā)生共振的條件可知甲的振幅較大，受迫振動(dòng)的頻率等于驅(qū)動(dòng)力的頻率，故甲、乙振動(dòng)的頻率均等于9 Hz.2.(對(duì)受迫振動(dòng)的理解對(duì)受迫振動(dòng)的理解)如圖6所示，把兩個(gè)彈簧振子懸掛在同一支架上，已知甲彈簧振子的固有頻率為9 Hz，乙彈簧振子的固有頻率為72 Hz，當(dāng)支架在受到豎直方向且頻率為9 Hz的驅(qū)動(dòng)力作用做受迫振動(dòng)時(shí)，則_(選填“甲”或“乙”)的振幅較大，甲振動(dòng)頻率是_ Hz，乙振動(dòng)頻率是_ Hz.答案解析123圖6甲99解析解析由題圖可知當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率為f2時(shí)，振子的振幅最大，即振子發(fā)生共振現(xiàn)象，故A正確；由共振條件知振子的固有頻率為f2，所以C正確，D錯(cuò)誤；振子做受迫振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)頻率由驅(qū)動(dòng)力的頻率決定，故B正確.3.(共振共振)(多選)如圖7表示一彈簧振子做受迫振動(dòng)時(shí)的振幅與驅(qū)動(dòng)力頻率的關(guān)系，由圖可知A.驅(qū)動(dòng)力頻率為f2時(shí)，振子處于共振狀態(tài)B.驅(qū)動(dòng)力頻率為f3時(shí)，振子的振動(dòng)頻率為f3C.假如讓振子自由振動(dòng)，它的頻率為f2D.振子做自由振動(dòng)時(shí)，頻率可以為f1、f2、f3答案解析123圖7