粤教版 (2019)选择性必修 第一册第二章 机械振动第五节 受迫振动 共振说课ppt课件
展开1.固有频率如果振动系统在没有________干预的情况下做简谐振动,周期或频率与振幅无关,仅由系统自身的性质决定,我们把这种振动称为固有振动,其振动频率称为________.
2.受迫振动(1)驱动力:作用于振动系统的________的外力.(2)受迫振动:振动系统在________作用下的振动.(3)受迫振动的频率:物体做受迫振动达到稳定后,物体振动的频率等于________的频率,与物体的________无关.
3.阻尼振动(1)阻力作用下的振动当振动系统受到阻力的作用时,振动受到了________,系统克服________的作用要做功,消耗机械能,因而________减小,最后停下来.(2)阻尼振动振幅逐渐减小的振动.振动系统受到的________越大,________减小得越快,阻尼振动的图像如图所示,振幅越来越小,最后停止振动.
阻尼振动的振幅在减小的过程中,频率是否随着减小?【答案】阻尼振动的振动频率保持不变.
(多选)单摆在振动过程中,摆动幅度越来越小,这是因为( )A.单摆做的是阻尼振动B.能量正在逐渐消灭C.动能正在转化为势能D.机械能不守恒【答案】AD
【解析】能量不能被消灭,只能发生转化或转移,故B错误;单摆在运动中由于受到空气阻力,要克服空气阻力做功,机械能逐渐减小,转化为内能,由能量守恒定律可知,总能量是守恒的,故C错误,A、D正确.
1.共振(1)定义:驱动力的频率等于振动物体的固有频率时,物体做受迫振动的__________________的现象.(2)条件:驱动力频率________系统的固有频率.(3)特征:共振时受迫振动的________最大.
2.共振曲线如图所示.表示受迫振动的____________与____________的关系图像,图中f0为振动物体的固有频率.
洗衣机启动和停止时,随着电机转速的变化,有时洗衣机会振动得很厉害,这是什么原因?【答案】当洗衣机电机转动的频率等于洗衣机的固有频率时,发生了共振现象,这时洗衣机振动得很厉害.
(多选)下列振动,不属于受迫振动的是( )A.用重锤敲击一下悬吊着的钟后,钟的振动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】ACD【解析】受迫振动是指在周期性驱动力作用下的振动,故A、C、D都是自由振动,B是受迫振动.
1.在需要利用共振时,应使驱动力的频率______或者________振动系统的固有频率.2.在需要防止共振时,应使驱动力的频率与振动系统的固有频率保持一定________.
在列队通过桥梁时,为什么不能齐步走?【答案】当列队通过桥梁齐步走时,对桥梁产生周期性驱动力,为了避免桥梁受到周期性驱动力而发生共振现象,损坏桥梁,故列队通过桥梁时,不能齐步走而要便步走.
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(翅膀)很快就抖动起来,而且越抖越厉害.后来经过人们的探索,利用在飞机机翼前缘处装一个配重杆的方法,解决了这一问题.在飞机机翼前装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】飞机的机翼(翅膀)很快就抖动起来,是因为驱动力的频率接近机翼的固有频率发生共振,在飞机机翼前装配重杆,是为了改变机翼的固有频率,使驱动力的频率远离固有频率.故A、B、C错误,D正确.
简谐运动、阻尼振动与受迫振动的比较
理解简谐运动与阻尼、受迫振动
特别提醒:(1)阻尼振动的频率:阻尼振动中振幅虽逐渐减小,但振动频率不会变化,此频率称为固有频率,由振动系统决定.(2)阻尼振动与简谐运动的关系:实际的振动都会受到阻力的作用,属于阻尼振动.当阻力很小时,可认为是简谐运动.
例1 如图所示是单摆做阻尼振动的振动图像.则摆球a时刻的动能________b时刻的动能,摆球a时刻的势能________b时刻的势能.
【答案】大于 等于【解析】该题考查阻尼振动的图像以及能量的转化关系.在单摆振动过程中,因不断克服空气阻力做功使机械能逐渐转化为内能;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不断地相互转化.由于a、b两时刻,单摆的位移相等,所以势能相等,但动能不相等.
变式1 (多选)一单摆做阻尼振动,则在振动过程中( )A.振幅越来越小,周期也越来越小B.振幅越来越小,周期不变C.通过某一位置时,机械能减小D.机械能不守恒,周期不变【答案】 BCD【解析】单摆做阻尼振动时,振幅会减小,机械能减小,振动周期不变,故B、C、D正确,A错误.
例2 自由摆动的秋千,摆动的幅度越来越小,下列说法中正确的是( )A.机械能守恒 B.总能量守恒,机械能减少C.能量正在消失 D.动能减少,重力势能不变
【答案】B【解析】秋千在摆动的过程中,受到阻尼作用,振幅越来越小,所以机械能减小,能量是守恒的.动能和重力势能都在不停地变化,两者之和在减小,B正确.
变式2 关于小孩荡秋千,不计空气阻力的影响,下列说法正确的是( )A.其他条件相同的情况下,重一些的小孩荡秋千,摆动的频率会更大B.在秋千达到最低处时,小孩有失重的感觉C.当秋千摆到最低点时,绳子最容易断D.这一过程一定是简谐运动【答案】C
1.发生共振的条件f驱=f固,即驱动力的频率等于振动系统的固有频率.2.共振曲线如图所示.
共振曲线直观地反映出驱动力的频率对受迫振动物体振幅的影响.由共振曲线可知,当驱动力的频率与物体的固有频率相等时,受迫振动的振幅最大.3.从功能关系理解当驱动力的频率等于固有频率时,驱动力整个周期都与物体运动方向一致,从而任何时间都做正功,振动能量不断增加,直到增加的能量等于克服阻力消耗的能量时,振幅达到最大值.
特别提醒:(1)受迫振动的振幅与驱动力频率有关.(2)受迫振动的振幅可以不变,但受迫振动的机械能是不守恒的.(3)共振是物体做受迫振动时的一种特殊现象.共振有利时尽量让f接近f0,有害时尽量让f远离f0.
例3 如图所示,在一根张紧的水平绳上挂有5个单摆,其中b摆球质量最大,其余4个摆球质量相等,摆长关系为Lc>Lb=Ld>La>Le,现将b摆垂直纸面向里拉开一微小角度后释放,经过一段时间后,其余各摆均振动起来并达到稳定,下列叙述正确的是( )A.4个单摆的周期Tc>Td>Ta>TeB.4个单摆的频率fa=fc=fd=feC.4个单摆的振幅Aa=Ac=Ad=AeD.4个单摆中c摆振幅最大
变式3 一个单摆在地面上做受迫振动,其共振曲线(振幅A与驱动力频率f的关系)如图所示,则( )A.此单摆的固有周期约为0.5 sB.此单摆的摆长约为1 mC.若摆长增大,单摆的固有频率增大D.若摆长增大,共振曲线的峰将向右移动
变式4 如图所示为两个单摆受迫振动的共振曲线.两个单摆的固有周期之比为TⅠ∶TⅡ=________.若两个受迫振动分别在月球上和地球上进行,且摆长相等,则图线________是月球上的单摆的共振曲线.
【答案】5∶2 Ⅰ【解析】由共振曲线及共振的条件可知,Ⅰ和Ⅱ的固有频率分别为0.2 Hz和0.5 Hz,周期之比TⅠ∶TⅡ=5∶2.当摆长相等时,重力加速度越大,频率越大,月球表面重力加速度小于地球表面重力加速度,故图线Ⅰ是月球上的单摆的共振曲线.
1.分析受迫振动的方法(1)在分析受迫振动时,首先要弄清驱动力的来源.(2)受迫振动的频率等于驱动力的频率,与物体的固有频率无关,因而首先应确定驱动力的频率.(3)当驱动力的频率等于固有频率时,发生共振.2.改变受迫振动振幅的方法当f驱=f固时,振幅最大.若改变受迫振动的振幅,可采取两种方法:(1)改变给予振动系统周期性外力的周期,即改变驱动力频率.(2)了解影响固有频率的因素,改变固有频率.
(1)利用:由共振的条件知,要利用共振,就应尽量使驱动力的频率与物体的固有频率一致.(2)防止:由共振曲线可知,在需要防止共振危害时,要尽量使驱动力的频率和固有频率不相等,而且相差越大越好.
例4 (多选)把一个筛子用四根弹簧支起来,筛子上装一个电动偏心轮,它每转一周,给筛子一个驱动力,这样就做成了一个共振筛(如图所示),筛子做自由振动时,完成10次全振动用时15 s,在某电压下,电动偏心轮转速是36 r/min.已知增大电压可使偏心轮转速提高;增加筛子的质量,可以增大筛子的固有周期,那么要使筛子的振幅增大,下列做法正确的是( )
A.提高输入电压 B.降低输入电压C.增加筛子质量 D.减小筛子质量
1.手机是常用的通信工具,当来电话时,它可以用振动来提示人们.振动原理很简单:是一个微型电动机带动转轴上的叶片转动.当叶片转动后,电动机就跟着振动起来.其中叶片的形状你认为是下图中的( )
【答案】A【解析】B、C、D中图形均为中心对称图形,转动起来不会引起振动.
2.受迫振动在稳定状态时( )A. 一定做简谐运动B .不可能是简谐运动C.一定按驱动力的频率振动D.一定发生共振【答案】C
【解析】在周期性外力的持续作用下,振动系统发生的振动称为受迫振动,可以是简谐运动,也可以是阻尼振动,A、B错误;物体的受迫振动达到稳定状态时,其振动的频率与驱动力频率相同,C正确;只有当周期性驱动力的频率和物体的固有频率相等时振幅达到最大,即发生共振,驱动力频率与系统的自由振动的频率不一定相等,D错误.
3.(多选)某振动系统的固有频率为f0,在周期性驱动力的作用下做受迫振动,驱动力的频率为f.下列说法正确的是( )A.当f<f0时,该振动系统的振幅随f增大而减小B.当f=f0时,该振动系统的振幅最大C.该振动系统的振动稳定后,振动的频率等于fD.只有发生共振时,受迫振动的频率才等于驱动力的频率【答案】BC
【解析】对于共振,驱动力的频率与固有频率越接近,则振幅越大;与固有频率相差越多,振幅越小.故当f=f0时,系统达到共振,振幅最大;当f<f0时,随f的增大,驱动力的频率与固有频率更接近,振幅增大,故A错误,B正确.系统振动稳定后,受迫振动的频率总等于驱动力的频率f,故C正确,D错误.
4.如图所示“洗”是古代盥洗用的脸盆,多用青铜铸成,现代亦有许多仿制的工艺品.倒些清水在其中,用手掌慢慢摩擦盆耳,盆就会发出嗡嗡声,到一定节奏时还会溅起层层水花.下列关于“洗”的说法正确的是( )A.手掌摩擦得越快则溅起的水花越高B.溅起水花的原因是由于手推动了“洗”C.该种现象属于受迫振动D.盆中的嗡嗡声是手与“洗”摩擦产生的声音
【答案】C【解析】用手摩擦盆耳,溅起水花是因为“洗”做受迫振动造成的,当其摩擦的频率等于“洗”的固有频率,使其达到共振时,溅起的水花最高,与手掌摩擦的快慢没有关系.盆中的嗡嗡声是“洗”振动时产生的声音.故A、B、D错误,C正确.
5.运转的洗衣机脱水桶,当脱水桶转得很快时,机身振动并不强烈,而切断电源,转动逐渐减慢直到停下来的过程中,在某一时刻t时,机身反而会发生强烈振动,此后脱水桶转速继续减慢,机身的振动也随之减弱,这种现象说明( )A.转动逐渐减慢过程中驱动力的频率不变B.转动逐渐减慢过程中驱动力的频率增大C.t时刻驱动力的频率等于洗衣机的固有频率D.t时刻脱水桶的惯性最大
【答案】C【解析】洗衣机脱水桶转动得越来越慢时,做受迫振动的频率在减小,当减小到跟洗衣机的固有频率相等时,发生共振,振动最强烈,然后受迫振动的频率继续减小,远离固有频率,振动又减弱,故A、B错误,C正确;脱水桶的惯性只与其质量有关,故D错误.
6.(多选)两个质量分别为M和m的小球悬挂在同一根细线上,如图所示,当先让M摆动,过一段时间系统稳定后,下列说法正确的是( )A.m和M的周期不相等B.当两个摆长相等时,m摆的振幅最大C.悬挂M的细绳长度变化时,m摆动的振幅也会发生变化D.当两个摆长相等时,m摆动振幅可以超过M
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