《人教版高中物理选秀3-4第十一章第5节练习题.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《人教版高中物理选秀3-4第十一章第5节练习题.doc(19页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、第5节外力作用下的振动1知道什么是固有振动、固有频率和阻尼振动,并对固有振动和阻尼振动能从能量转化的角度予以说明。2知道什么是受迫振动,知道物体做受迫振动的频率特点。3知道什么是共振现象,掌握产生共振的条件,知道常见的共振的应用和危害。一、固有振动、阻尼振动1固有振动振动系统在不受外力作用下的振动叫做固有振动,固有振动的频率叫做固有频率。小球和弹簧组成了一个系统弹簧振子。弹簧对于小球的作用力回复力,是系统的内力;而来源于系统以外的作用力,例如摩擦力或手指对小球的推力,则是外力。2阻尼振动当振动系统受到阻力的作用时,我们说振动受到了阻尼。系统克服阻尼的作用要做功,消耗机械能,因而振幅减小,最后停
2、下来。这种振幅逐渐减小的振动,叫做阻尼振动。二、受迫振动与共振1受迫振动(1)驱动力:为了使系统持续振动,作用于振动系统的周期性的外力。(2)受迫振动:振动系统在驱动力作用下的振动。(3)受迫振动的频率:做受迫振动的系统振动稳定后,其振动频率等于驱动力的频率,跟系统的固有频率没有关系。2共振(1)定义:驱动力的频率f等于系统的固有频率f0时,受迫振动的振幅最大的现象。(2)共振曲线:如图所示。表示受迫振动的振幅A与驱动力频率f的关系图象,图中f0为振动系统的固有频率。(3)共振的应用与防止应用:在应用共振时,应使驱动力频率接近或等于振动系统的固有频率,如转速计、共振筛。防止:在防止共振时,驱动
3、力频率与系统的固有频率相差越大越好,如部队过桥时用便步。判一判(1)阻尼振动的频率随振幅的减小而不断减小。()(2)系统做受迫振动时的振动频率与其固有频率无关。()(3)做受迫振动的系统的机械能守恒。()(4)驱动力的频率越大,系统的振幅越大。()(5)驱动力的频率等于系统的固有频率时发生共振。()(6)共振只有害处,没有好处。()提示:(1)(2)(3)(4)(5)(6)想一想(1)实际的弹簧振子的运动是阻尼振动吗?提示:实际的弹簧振子在运动中除受弹力外,还受摩擦力等阻力的作用,振幅逐渐减小,因此振子做的是阻尼振动。当阻尼很小时,在不太长时间内看不出振幅有明显的减小,于是就可以把它当做简谐运
4、动来处理。(2)做受迫振动的物体一定会发生共振吗?提示:不一定。物体做受迫振动时,当驱动力的频率等于振动系统的固有频率时,才会发生共振,即发生共振的物体一定做受迫振动,做受迫振动的物体不一定发生共振。课堂任务阻尼振动 对阻尼振动的认识(1)振动系统最常见的外力是摩擦力或其他阻力。当系统受到阻力作用时,我们说系统振动受到了阻尼。系统克服阻尼的作用要消耗机械能,因而振幅减小,最后停下来,阻尼振动的图象如图所示。(2)阻尼振动的振幅不断减小,系统的机械能不断减少,但阻尼振动的频率不变,其频率为系统振动的固有频率,由系统本身决定。例如:用力敲锣,由于锣受到空气的阻尼作用,振幅越来越小,锣声减弱,但音调
5、不变。(3)系统做阻尼振动时,振幅减小得快慢跟所受阻尼的大小有关。振动系统受到的阻尼越大,振幅减小得越快。阻尼过大时,系统不能发生振动。阻尼越小,振幅减小得越慢,当阻尼很小时,在不太长的时间内看不出振幅有明显的减小,于是可以把它当做简谐运动来处理。 例1如图所示是一个弹簧振子做阻尼振动的振动图象,曲线上A、B两点的连线与横轴平行,下列说法正确的是()A振子在A时刻的动能等于在B时刻的动能B振子在A时刻的势能等于在B时刻的势能C振子在A时刻的机械能等于在B时刻的机械能D振子从A到B过程周期逐渐减小系统做阻尼振动时什么变化?什么不变?提示:振幅和振动系统的机械能变化,振动的周期和频率不变。规范解答
6、由于弹簧振子做阻尼振动,所以A时刻的机械能大于B时刻的机械能,C错误;由于振子的势能与振子偏离平衡位置的位移有关,A、B时刻振子偏离平衡位置的位移相同,故A、B两时刻振子的势能相同,振子的机械能在减小,故振子在A时刻的动能大于在B时刻的动能,A错误,B正确;振子做阻尼振动时,周期、频率不改变,D错误。完美答案B阻尼振动的能量和周期(1)阻尼振动的振幅不断减小,振动的能量不断减小,但阻尼振动的频率不变,其频率为固有频率,由系统本身决定。(2)自由振动是一种理想情况,也叫简谐运动。实际的振动都会受到阻尼的作用,当阻尼较小时,可认为是简谐运动。(多选)一单摆在空气中振动,振幅逐渐减小。下列说法正确的
7、是()A机械能逐渐转化为其他形式的能B后一时刻的动能一定小于前一时刻的动能C后一时刻的势能一定小于前一时刻的势能D后一时刻的机械能一定小于前一时刻的机械能E后一时刻的动能可能大于前一时刻的动能答案ADE解析单摆振动过程中,因不断克服空气阻力做功,使机械能逐渐转化为内能,A、D正确;虽然单摆总的机械能在逐渐减小,但在振动过程中动能和势能仍在不断地相互转化,动能转化为势能时,动能逐渐减小,势能逐渐增大,而势能转化为动能时,势能逐渐减小,动能逐渐增大,所以不能说后一时刻的动能(或势能)一定小于前一时刻的动能(或势能),故B、C错误,E正确。课堂任务受迫振动1驱动力如果存在阻尼作用,振动系统最终会停止
8、振动。为了使系统持续振动下去,对振动系统施加周期性的外力,外力对系统做功,补偿系统的能量损耗,这种周期性的外力叫做驱动力。2受迫振动(1)定义:振动系统在驱动力作用下的振动叫做受迫振动。机器运转时底座发生的振动、扬声器纸盆的振动,都是受迫振动。(2)特点物体做受迫振动达到稳定后,其振动的频率由驱动力的频率决定,即其振动的频率总等于驱动力的频率,驱动力频率改变,物体做受迫振动的频率就改变,与系统的固有频率无关。例2如图所示的装置,弹簧振子的固有频率是4 Hz。现匀速转动把手,给弹簧振子以周期性的驱动力,测得弹簧振子振动达到稳定时的频率为1 Hz,则把手转动的频率为()A1 Hz B3 HzC4
9、Hz D5 Hz物体做受迫振动时,振动频率由什么来决定?提示:振动频率由驱动力的频率决定。规范解答转动把手后,弹簧振子开始做受迫振动,受迫振动是按照外界驱动力的频率振动的,既然振子稳定后的振动频率为1 Hz,则把手转动的频率为1 Hz。完美答案A简谐运动、阻尼振动、受迫振动对比总结下列振动中属于受迫振动的是()A用重锤敲击一下悬吊着的钟后,钟的摆动B打点计时器接通电源后,振针的振动C小孩睡在自由摆动的吊床上,小孩随着吊床一起摆动D弹簧振子在竖直方向上沿上下方向振动答案B解析敲击后的钟不再受驱动力,其振动不属于受迫振动,A错误;电磁式打点计时器接通电源后,振针的振动受电源的驱动,属于受迫振动,振
10、动频率等于交流电的频率,B正确;小孩睡在自由摆动的吊床上,小孩随着吊床一起摆动属于自由振动,不属于受迫振动,C错误;弹簧振子在竖直方向上沿上下方向振动,不受驱动力,不属于受迫振动,D错误。课堂任务共振及其应用与防止1对共振的理解(1)从受力角度看:当振动物体所受驱动力的方向跟它的运动方向相同时,驱动力对它起加速作用,使它的振幅增大,驱动力的频率跟物体的固有频率越接近,使物体振幅增大的力的作用次数就越多,当驱动力的频率等于物体的固有频率时,它的每一次作用都使物体的振幅增加,从而振幅达到最大。(2)从功能关系看:当驱动力的频率越接近物体的固有频率时,驱动力与物体运动方向一致的次数越多,驱动力对物体
11、做正功就越多,振幅就越大。当驱动力的频率等于物体的固有频率时,驱动力始终对物体做正功,使振动能量不断增加,振幅不断增大,直到增加的能量等于克服阻尼作用损耗的能量,振幅才不再增加。(3)驱动力的频率f越接近振动系统的固有频率f0,受迫振动的振幅越大,反之振幅越小。当驱动力的频率f等于振动系统的固有频率f0时,受迫振动的振幅最大,发生共振。(4)说明:共振是物体做受迫振动时的一种特殊情况。2共振的应用与防止(1)应用:在应用共振时,使驱动力频率接近或等于振动系统的固有频率。如:共振筛、荡秋千、共振转速计等。(2)防止:在防止共振时,使驱动力的频率与系统的固有频率相差越大越好。如:部队过桥应便步走,
12、火车过桥要减速等。 例3如图所示是一个单摆的共振曲线。(1)若单摆所处环境的重力加速度g9.8 m/s2,试求此摆的摆长;(2)若将此摆移到高山上,共振曲线的峰将怎样移动?(1)共振曲线中,振幅最大的位置对应的频率的意义是什么?提示:此频率等于单摆的固有频率。(2)将单摆移至高山上,其固有频率如何变化?提示:高山上,重力加速度g较小,由f 知,其固有频率减小。规范解答(1)由图象知,单摆的固有频率f0.3 Hz由f 得l m2.8 m。(2)由f 知,单摆移动到高山上,重力加速度g减小,其固有频率减小,故“峰”向左移。完美答案(1)2.8 m(2)左移(1)在分析解答有关共振问题时,要抓住产生
13、共振的条件:驱动力的频率等于振动系统的固有频率时产生共振,此时振动的振幅最大。(2)在解决有关共振的实际问题时,要抽象出受迫振动这一物理模型,弄清驱动力频率和固有频率,然后利用共振的条件进行求解。如图所示,把两个弹簧振子悬挂在同一支架上,已知甲弹簧振子的固有频率为9 Hz,乙弹簧振子的固有频率为72 Hz,当支架在受到竖直方向且频率为9 Hz的驱动力作用做受迫振动时,则两个弹簧振子的振动情况是()A甲的振幅较大,且振动频率为18 HzB甲的振幅较大,且振动频率为9 HzC乙的振幅较大,且振动频率为9 HzD乙的振幅较大,且振动频率为72 Hz答案B解析因为甲的固有频率等于驱动力的频率,根据受迫
14、振动发生共振的条件可知甲的振幅较大,做受迫振动的物体的频率等于驱动力的频率,故B正确。在飞机的发展史中有一个阶段,飞机上天后不久,飞机的机翼很快就抖动起来,而且越抖越厉害。后来人们经过了艰苦的探索,利用在飞机机翼前缘处装置一个配重杆的方法解决了这一问题。在飞机机翼前缘处装置配重杆的目的主要是()A加大飞机的惯性 B使机体更加平衡C使机翼更加牢固 D改变机翼的固有频率答案D解析飞机抖动得厉害是因为发生了共振现象,要想解决这一问题需要使系统的固有频率与驱动力的频率差增大,在飞机机翼前缘处装置一个配重杆,改变的是机翼的固有频率,故D正确。A组:合格性水平训练1(阻尼振动)(多选)关于阻尼振动,以下说法中正确的是()A机械能不断减小 B动能不断减小C振幅不断减小 D一定不是简谐运动答案ACD解析阻尼振动是振幅不断减小的振动,故阻尼振动一定不是简谐运动,而振幅是振动能量的标志,故阻尼振动中机械能不断减小,但动能在振动过程中是不断变化的,并不是不断减小。故B错误,A、C、D正确。2(阻尼振动和受迫振动)(多选)下列说法中正确的是()A实际的自由振动必然是阻尼振动B在外力作用下的振动是受迫振动C阻尼振动的振幅越来越小D受迫振动稳定后的频率与自身物理条件无关答案ACD解析实际的自由振动由于阻力的作用,振幅会越来越小,故一定为阻尼振动,A