【课件】受迫振动 共振 课件-2022-2023学年高二上学期物理人教版（2019）选择性必修第一册

学习重点：学习重点：受迫振动时其频率跟驱动力频率的受迫振动时其频率跟驱动力频率的关系，共振。关系，共振。学习难点：学习难点：受迫振动时其频率跟驱动力频率的受迫振动时其频率跟驱动力频率的关系。关系。学习目标学习目标思考：思考：你知道为什么大钟你知道为什么大钟会无缘无故地鸣响吗？会无缘无故地鸣响吗？东汉以后三国纷争年代，有一天，魏都洛阳宫殿前面的东汉以后三国纷争年代，有一天，魏都洛阳宫殿前面的一口大钟，突然无缘无故地鸣响起来，满朝文武议论纷纷，一口大钟，突然无缘无故地鸣响起来，满朝文武议论纷纷，有的以为是不祥之兆有的以为是不祥之兆,也有人乘机献媚，把它说成是祥瑞。也有人乘机献媚，把它说成是祥瑞。问题思考问题思考一、振动中的能量损失一、振动中的能量损失1.固有振动固有振动思考：思考：让单摆、弹簧振子自由振动，忽略空气阻力，则单摆，让单摆、弹簧振子自由振动，忽略空气阻力，则单摆，弹簧振子做什么运动？弹簧振子做什么运动？单摆，弹簧振子做简谐运动，周期或频率与振幅无关，仅由系单摆，弹簧振子做简谐运动，周期或频率与振幅无关，仅由系统自身的性质决定。统自身的性质决定。(1)固有振动固有振动:简谐运动的周期或频率与简谐运动的周期或频率与振幅振幅无关无关,仅由系统自身仅由系统自身的性质决定的性质决定,我们把这种振动称为固有振动。我们把这种振动称为固有振动。新知探究新知探究(2)固有频率固有频率:物体固有振动时的频率仅有系统自身的性质物体固有振动时的频率仅有系统自身的性质决定决定,称固有频率。称固有频率。2.阻尼振动阻尼振动(2)实际的振动一定是阻尼振动。实际的振动一定是阻尼振动。(1)阻尼振动阻尼振动:振幅随时间逐渐减小的振振幅随时间逐渐减小的振动称为阻尼振动。摇曳的树叶会停下来，动称为阻尼振动。摇曳的树叶会停下来，摆动的秋千也会停止运动。摆动的秋千也会停止运动。思考思考：阻尼振动中你知道振动系统能量衰减的方式是：阻尼振动中你知道振动系统能量衰减的方式是有哪些吗？有哪些吗？由于实际的振动系统都会受到由于实际的振动系统都会受到摩擦力、黏滞力等阻碍作用，摩擦力、黏滞力等阻碍作用，振幅必然逐渐减小振幅必然逐渐减小。(3)振动系统能量衰减的两种方式振动系统能量衰减的两种方式一种是由于振动系统受到摩擦阻力的作用，使振动系一种是由于振动系统受到摩擦阻力的作用，使振动系统的统的机械能逐渐转化为内能机械能逐渐转化为内能。例如单摆运动时受到空例如单摆运动时受到空气的阻力。气的阻力。另一种是由于振动系统引起邻近介质中各质点的振动，另一种是由于振动系统引起邻近介质中各质点的振动，使使能量向四周辐射出去，从而自身机械能减少能量向四周辐射出去，从而自身机械能减少。例如音叉发声时，一部分例如音叉发声时，一部分机械能随声波辐射到周围机械能随声波辐射到周围空间，导致音叉振幅减小。空间，导致音叉振幅减小。特别提醒！特别提醒！(1)振动系统受到的阻尼越大，振幅减小得越快，振动系统受到的阻尼越大，振幅减小得越快，阻尼过阻尼过大时大时，系统将，系统将不能发生振动不能发生振动。(2)阻尼振动的振幅是逐渐减小的，但是它的阻尼振动的振幅是逐渐减小的，但是它的频率是不发频率是不发生变化生变化的，频率与振幅是无关的。的，频率与振幅是无关的。思考：思考：阻尼振动最终要停下来，那么怎样才能产生持续的阻尼振动最终要停下来，那么怎样才能产生持续的振动呢？振动呢？例例1.如图所示是某单摆做阻尼振动的振动图线，下列说法正如图所示是某单摆做阻尼振动的振动图线，下列说法正确的是确的是()A振动过程中周期变小振动过程中周期变小B摆球摆球P时刻的机械能大于时刻的机械能大于N时刻的时刻的机械能机械能C摆球摆球P时刻的动能等于时刻的动能等于N时刻的动能时刻的动能D小球在小球在P时刻和时刻和N时刻，受到绳子拉时刻，受到绳子拉力的大小相等力的大小相等B【答案答案】B【详解详解】A阻尼振动的周期不变，振幅减小，故阻尼振动的周期不变，振幅减小，故A错误；错误；BC由于阻力影响，单摆要克服阻力做功，在运动过程中机由于阻力影响，单摆要克服阻力做功，在运动过程中机械能一直逐渐减小，故械能一直逐渐减小，故P时刻的机械能大于时刻的机械能大于N时刻的机械能，时刻的机械能，而两点重力势能相等，则而两点重力势能相等，则P时刻的动能大于时刻的动能大于N时刻的动能，故时刻的动能，故B正确，正确，C错误；错误；D因为因为PN两时刻位置关于平衡位置对称，两时刻位置关于平衡位置对称，但是速度不等，则两时刻受到绳子的拉力大小不相等，故但是速度不等，则两时刻受到绳子的拉力大小不相等，故D错误；故选错误；故选B。变式训练：变式训练：如图所示是单摆做阻尼振动的位移如图所示是单摆做阻尼振动的位移时间图时间图线，下列说法中正确的是线，下列说法中正确的是()A摆球在摆球在P与与N时刻的势能相等时刻的势能相等B摆球在摆球在P与与N时刻的动能相等时刻的动能相等C摆球在摆球在P与与N时刻时刻的机械能相等的机械能相等D摆球在摆球在P时刻的机械能小于在时刻的机械能小于在N时刻的机械能时刻的机械能A技法点拨：技法点拨：(1)摆球的势能大小由其位移和摆球质量共同决定，由图摆球的势能大小由其位移和摆球质量共同决定，由图可知可知P、N两时刻位移大小相同，则可判断出摆球的势能大小。两时刻位移大小相同，则可判断出摆球的势能大小。(2)机械能机械能E等于动能等于动能Ek和势能和势能Ep之和之和,阻尼振动中阻尼振动中,由于系由于系统机械能在减少统机械能在减少E减小减小,P、N两时刻势能相同，则两时刻势能相同，则P时刻动能时刻动能大于大于N时刻动能。时刻动能。产生持续的振动最简单的办法是使产生持续的振动最简单的办法是使周期性的外力作用于振动周期性的外力作用于振动系统系统，外力对系统做功，补偿系统的能量损耗，使系统的振动维，外力对系统做功，补偿系统的能量损耗，使系统的振动维持下去。持下去。1.驱动力驱动力对振动系统施加的周期性的外力，这种周期性的外力叫作驱对振动系统施加的周期性的外力，这种周期性的外力叫作驱动力。动力。2.受迫振动受迫振动系统系统在驱动力作用下的振动在驱动力作用下的振动，叫作受迫振动。，叫作受迫振动。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，都是受迫振动振动。二、受迫振动二、受迫振动实验：研究受迫振动的频率实验：研究受迫振动的频率如图如图，架子上面的电动机向下面的两组，架子上面的电动机向下面的两组弹簧弹簧钩码系统施加周期性的驱动力，使钩钩码系统施加周期性的驱动力，使钩码做受迫振动。码做受迫振动。改变电动机的转速可以调整驱动力的频率。改变电动机的转速可以调整驱动力的频率。思考：物体做受迫振动时，振动稳定后思考：物体做受迫振动时，振动稳定后的频率与什么有关？受迫振动物体的频率由的频率与什么有关？受迫振动物体的频率由什么决定？什么决定？(1)接通电源，接通电源，使钩码做受迫振动，使钩码做受迫振动，观察记录驱动力的频观察记录驱动力的频率和钩码振动的频率。率和钩码振动的频率。(2)改变驱动力改变驱动力的频率，再做记录。的频率，再做记录。研究受迫振动的频率视频研究受迫振动的频率视频实验结论：实验结论：(1)物体做受迫振动达到稳定后，物体物体做受迫振动达到稳定后，物体振动的频率等于振动的频率等于驱动力的频率驱动力的频率，与物体的固有频率无关。，与物体的固有频率无关。(2)驱动力的频率与系统的固有频率相差越少，振幅越大，驱动力的频率与系统的固有频率相差越少，振幅越大，相差越多，振幅越小。相差越多，振幅越小。3.共振现象及其应用共振现象及其应用做一做：如图，铁架横梁上挂着做一做：如图，铁架横梁上挂着几个摆长不同的摆。几个摆长不同的摆。其中，其中，A与与D、G的摆长相同，的摆长相同，D的摆球质量大于其他摆球。使的摆球质量大于其他摆球。使D摆摆偏离平衡位置后释放，偏离平衡位置后释放，D摆在振动中摆在振动中通过横梁对其他几个摆施加周期性的通过横梁对其他几个摆施加周期性的驱动力。在振动稳定后比较各球的振驱动力。在振动稳定后比较各球的振幅。幅。ADGCE小球共振实验视频小球共振实验视频(1)实验现象：通过实验现象：通过观察会发现，固有频率观察会发现，固有频率与与D摆相同的摆相同的A摆、摆、G摆摆振幅最大，固有频率与振幅最大，固有频率与D摆相差较多的摆相差较多的C摆、摆、E摆振幅最小。摆振幅最小。(2)实验结论实验结论物体在做受迫振动时，驱动力的频率与物体的固有频率物体在做受迫振动时，驱动力的频率与物体的固有频率相差越小，受迫振动的振幅越大；当驱动力的频率与物体的相差越小，受迫振动的振幅越大；当驱动力的频率与物体的固有频率相等时，受迫振动的振幅达到最大。固有频率相等时，受迫振动的振幅达到最大。4.共振共振(1)驱动力的频率接近物体的固有频率时，驱动力的频率接近物体的固有频率时，受迫振动的振幅增大，这种现象叫做共振。受迫振动的振幅增大，这种现象叫做共振。(2)共振曲线直观地反映了物体做受迫共振曲线直观地反映了物体做受迫振动的振幅与驱动力频率的关系。振动的振幅与驱动力频率的关系。当驱动力的频率当驱动力的频率f偏离固有频率偏离固有频率f0较大较大时时,受迫振动的振幅较小；受迫振动的振幅较小；当驱动力的频率当驱动力的频率f等于固有频率等于固有频率f0时时,受迫振动的受迫振动的振幅最大振幅最大；共振曲线上除峰值外共振曲线上除峰值外,其他某一振幅其他某一振幅都对应两个驱动力频率。都对应两个驱动力频率。5.共振的应用与防止共振的应用与防止(1)应用实例：共振筛、共鸣箱应用实例：共振筛、共鸣箱共振筛共振筛共鸣箱共鸣箱1940年，美国的全长年，美国的全长860米米的塔柯姆大桥因大风引起的的塔柯姆大桥因大风引起的共振而塌毁。共振而塌毁。(2)共振的防止共振的防止 在桥梁、码头等各种建筑的设计施工中，以及飞机、在桥梁、码头等各种建筑的设计施工中，以及飞机、汽车、轮船的发动机等机器设备的设计、制造、安装中，都汽车、轮船的发动机等机器设备的设计、制造、安装中，都必须考虑防止共振产生的危害，以保证建筑和设备的安全。必须考虑防止共振产生的危害，以保证建筑和设备的安全。防止实例：防止实例：机器运转时为了防止共振要调节转速机器运转时为了防止共振要调节转速在振动物体底座加防振垫在振动物体底座加防振垫军队或火车过桥时要军队或火车过桥时要放慢速度或便步走。放慢速度或便步走。例例2.如图所示，曲轴上挂一个弹簧振子，如图所示，曲轴上挂一个弹簧振子，转动摇把，曲轴可带动弹簧振子上下振动。转动摇把，曲轴可带动弹簧振子上下振动。开始时不转动摇把，让振子自由振动，测得其开始时不转动摇把，让振子自由振动，测得其频率为频率为2Hz。现匀速转动摇把，转速为。现匀速转动摇把，转速为240r/min。则。则()A当振子稳定振动时，它的振动周期是当振子稳定振动时，它的振动周期是0.5sB当振子稳定振动时，它的振动频率是当振子稳定振动时，它的振动频率是4HzC当转速增大时，弹簧振子的振幅增大当转速增大时，弹簧振子的振幅增大D当转速减小时，弹簧振子的振幅不变当转速减小时，弹簧振子的振幅不变B变式训练：变式训练：一个单摆做受迫振动，其共振曲线一个单摆做受迫振动，其共振曲线(振幅振幅A与与驱动力的频率驱动力的频率f的关系的关系)如图所示，则如图所示，则()A此单摆的固有周期约为此单摆的固有周期约为0.5sB此单摆的摆长约为此单摆的摆长约为2mC若摆长增大，单摆的固有频率增若摆长增大，单摆的固有频率增大大D若将此单摆由山脚移至山顶，共振曲线的若将此单摆由山脚移至山顶，共振曲线的峰将略微向左移动峰将略微向左移动D技法点拨：技法点拨：受迫振动受迫振动共振共振振动中的能量损失振动中的能量损失受迫振动：在驱动力作用下的振动。受迫振动：在驱动力作用下的振动。阻尼振动：振幅逐渐减小阻尼振动：振幅逐渐减小振动系统能量衰减方式振动系统能量衰减方式受迫振动受迫振动共振共振产生共振的条件产生共振的条件共振的防止和应用共振的防止和应