高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册6 受迫振动 共振学案设计

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册6 受迫振动 共振学案设计，共6页。

一、振动中的能量损失
如图所示的实验装置为一挂在曲轴上的弹簧振子，用手将振子向下拉动一下释放，观察较长一段时间，你发现振子在振动过程中振幅有什么变化？为什么会出现这种现象？
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1．固有振动和固有频率
(1)固有振动：振动系统在________________________的情况下的振动。
(2)固有频率：________振动的频率。
2．阻尼振动
(1)阻尼振动：振动系统受到________作用时，________随时间逐渐减小的振动，其振动图像如图所示。
(2)振动系统能量衰减的两种方式
①振动系统受到________阻力作用，机械能逐渐转化为________。
②振动系统引起邻近介质中各质点的振动，能量向四周辐射出去，从而自身的机械能________。
1．阻尼振动的振幅、周期和频率特点
物体在做阻尼振动的过程中，振幅逐渐减小，但其周期是由振动系统本身决定，与振幅大小无关，振动过程中周期和频率保持不变。
2．阻尼振动的能量特点
物体在做阻尼振动的过程中，总机械能逐渐减小，物体位移大小相等时，势能大小相等，但动能与上一次相比将减小。
例1 (2022·福安市第一中学高二月考)如图是一单摆做阻尼振动的位移—时间图像，比较摆球在M与N对应时刻的物理量，(EpM代表M点重力势能，EpN代表N对应点重力势能)以下说法正确的是( )
A．速率vM＝vN
B．受到的拉力FM>FN
C．重力势能EpM>EpN
D．机械能EM二、受迫振动
在一中，匀速转动手柄从而给弹簧上端一个周期性的上、下外力，几次改变手柄的转速，观察不同转速下振子的振动情况有什么特点？
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1．驱动力
作用于振动系统的____________的外力。
2．受迫振动
(1)定义：系统在__________作用下的振动。
(2)受迫振动的频率(周期)
物体做受迫振动达到稳定后，其振动频率总等于______的频率，与物体的固有频率______。
(1)受到阻力作用的振动一定是阻尼振动。( )
(2)阻尼振动的振幅逐渐减小，机械能逐渐减小。( )
(3)受迫振动的振幅越来越大。( )
(4)受迫振动稳定后的频率与振动系统的固有频率无关。( )
例2 如图所示，曲轴上悬挂一弹簧振子，转动摇把，曲轴可以带动弹簧振子上下振动。
(1)开始时不转动摇把，而用手往下拉振子，然后放手让振子上下振动，测得振子在10 s内完成20次全振动，不考虑阻力，振子做什么振动？其固有周期和固有频率各是多少？若考虑阻力，振子做什么振动？
(2)在振子正常振动过程中，以转速4 r/s匀速转动把手，振子的振动稳定后，振子做什么运动？其周期是多少？
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三、共振现象及其应用
1．定义
驱动力的频率f________物体的固有频率f0时，物体做受迫振动的振幅达到____________，这种现象称为共振。
2．共振曲线(如图所示)
洗衣机在衣服脱水完毕关闭电源后，脱水桶还要转动一会才能停下来。在关闭电源后，发现洗衣机先振动得比较弱，有一阵子振动得很剧烈，然后振动慢慢减弱直至停下来。
(1)开始时，洗衣机为什么振动比较弱？
(2)期间剧烈振动的原因是什么？
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1．共振的条件：驱动力的频率与系统的固有频率相等，即f驱＝f固。
2．共振曲线
如图所示，共振曲线的横坐标为驱动力的频率，纵坐标为受迫振动的振幅。
f＝f0时发生共振；f>f0或f3．共振的利用与防止
(1)利用：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。如共振筛、共振转速计等。
(2)防止：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，而且相差越多越好。如：部队行军过桥时应便步走。
特别说明：共振是物体做受迫振动时的一种特殊现象。
(1)驱动力频率越大，受迫振动的振幅越大。( )
(2)做受迫振动的物体一定会发生共振。( )
例3 (多选)(2022·长沙市高二期末)如图所示，A、B、C、D四个单摆的摆长分别为L、2L、L、eq \f(L,2)，摆球的质量分别为2m、2m、m、eq \f(m,2)，四个单摆静止地悬挂在一根水平细线上。现让A球振动起来，通过水平细线迫使B、C、D也振动起来，则下列说法正确的( )
A．B、C、D中B的摆长最长，振幅最大
B．B、C、D中C的振幅最大
C．B、C、D中因D的质量最小，故其振幅是最大的
D．A、B、C、D四个单摆的周期均相同
例4 (多选)一个弹簧振子做受迫振动，它的振幅A与驱动力频率f之间的关系如图所示。由图可知( )
A．驱动力频率为f2时，振子处于共振状态
B．驱动力频率为f3时，受迫振动的振幅比共振小，但振子振动的频率仍为f2
C．如果振子做自由振动，它的频率为f2
D．振子可以做频率为f1的等幅振动
例5 (多选)(2023·长春二中月考)铺设铁轨时，每两根钢轨接缝处都必须留有一定的间隙，匀速运行的列车经过轨端接缝处时，车轮就会受到一次冲击。由于每一根钢轨长度相等，所以这个冲击力是周期性的，列车受到周期性的冲击做受迫振动。普通钢轨长为12.6 m，列车的固有周期为0.315 s。下列说法正确的是( )
A．列车的危险速率为40 m/s
B．列车过桥需要减速，是为了防止列车发生共振现象
C．列车运行的振动频率和列车的固有频率总是相等的
D．增加钢轨的长度有利于列车高速运行 类型
项目
固有振动
阻尼振动
受迫振动
概述
振动图像(x－t图像)是一条正弦曲线
振幅逐渐减小的振动
振动系统在驱动力作用下的振动
产生条件
不受阻力作用
受阻力作用
受阻力和驱动力作用
频率
固有频率
固有频率
驱动力频率
振幅
不变
减小
大小不确定
振动图像
形状不确定
振动能量
振动物体的机械能不变
机械能逐渐减小
驱动力对振动系统做功，补偿系统的能量损耗
常见例子
弹簧振子或单摆
敲锣打鼓时发出的声音越来越弱
机器运转时底座发生的振动