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高中物理粤教版 (2019)选择性必修 第一册第五节 受迫振动 共振教课内容课件ppt
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这是一份高中物理粤教版 (2019)选择性必修 第一册第五节 受迫振动 共振教课内容课件ppt，共33页。PPT课件主要包含了驱动力等内容，欢迎下载使用。
一、受迫振动的频率1．填一填(1)等幅振动： 保持不变的振动。(2)阻尼振动： 逐渐减小的振动。(3)受迫振动：在系统外界 作用下的振动。(4)固有频率：弹簧振子和单摆的自由振动频率。(5)受迫振动的频率：等于 的频率，与弹簧振子的固有频率 。
2．判一判(1)单摆在空中的摆动属于阻尼振动。( )(2)受迫振动的频率等于振动系统的固有频率。( )(3)物体做受迫振动时，振幅可能是不变的。( )3．选一选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．电磁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
解析：敲击后的钟不再受驱动力，其振动是自由振动，不属于受迫振动，故A错误；电磁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，振荡频率等于交流电的频率，故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，由于空气阻力的作用，小孩和吊床一起做阻尼振动，故选项C错误；忽略空气阻力，弹簧振子在竖直方向上沿上下方向振动时，受到的合外力具有简谐运动回复力的特点，故属于简谐振动，故D错误。答案：B
二、共振 共振的应用和防止1．填一填(1)共振：当驱动力的频率 固有频率时，物体做受迫振动的 达到最大值的现象。(2)受迫振动的振幅与驱动力频率的关系曲线。 f0为振动系统的固有频率。
(3)共振的应用和防止①应用：共振筛、地震仪、电子表、原子钟等。②防止：桥梁、建筑物、机器设备等，设计时要考虑共振产生的危害。2．判一判(1)发生共振的物体所做的振动必定是受迫振动，其振动频率等于驱动力的频率。( )(2)生活中应尽量使驱动力的频率接近振动系统的固有频率。 ( )(3)当驱动力的频率增大时，振动的振幅也一定增大。 ( )
3．想一想用扁担挑水时，有时桶里的水会荡得厉害，甚至从桶中溅出来，这是为什么？如何避免这一现象的发生？提示：挑水时，由于行走时肩膀的起伏，人通过扁担对水桶作用，使水受到驱动力而做受迫振动，当驱动力的频率接近(或等于)桶里水的固有频率时，水桶里的水就发生共振，所以水会荡得厉害，以至于飞溅出来。为了避免发生这种现象，就要使驱动力的频率尽量远离桶里水的固有频率，解决的办法有改变行走的步频或停止走动片刻，也可以在桶里放些漂浮物，增大阻力，使振动系统克服阻力做功，消耗部分机械能，以减小水的振幅。
探究(一) 比较简谐运动与阻尼振动[问题驱动]如图所示的实验装置为一挂在曲轴上的弹簧振子，匀速摇动手柄，下面的弹簧振子就会振动起来。实际动手做一下，然后回答以下几个问题。(1)如果手柄不动而用手拉动一下振子，会看到什么现象？这种振动属于什么振动？(2)阻尼振动的振幅在减小的过程中，频率是否随着减小？提示：(1)振子的振幅逐渐减小，属于阻尼振动。(2)阻尼振动的振动频率保持不变。
[重难释解]1．简谐运动是一种理想化的模型，物体运动过程中的一切阻力都不考虑。2．阻尼振动考虑阻力的影响，是更贴合实际的一种运动。
3．简谐运动和阻尼振动的比较
典例1(多选)如图所示是单摆做阻尼振动的振动图线，下列说法正确的是( )A．摆球在A时刻的动能等于B时刻的动能B．摆球在A时刻的势能等于B时刻的势能C．摆球在A时刻的机械能等于B时刻的机械能D．摆球在A时刻的机械能大于B时刻的机械能[解析] 在单摆做阻尼振动的过程中，因不断克服空气阻力做功使动能逐渐转化为内能，C项错误，D项正确；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。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，A项错误，B项正确。[答案] BD
阻尼振动的三个特点(1)振幅逐渐减小，最后停止振动。(2)系统的机械能逐渐减少，最后耗尽。(3)周期、频率不随振幅的变化而变化。
[素养训练]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．在振动过程中，通过某一位置时，机械能始终不变D．在振动过程中，机械能不守恒，周期不变解析：因单摆做阻尼振动，所以振幅越来越小，机械能越来越小，振动周期不变。答案：BD
2．(多选)下列说法中正确的是( )A．阻尼振动是减幅振动B．实际的振动系统不可避免地要受到阻尼作用C．阻尼过大时，系统将不能发生振动D．发生阻尼振动，振动系统的机械能不发生变化解析：阻尼振动即振动过程中受到阻力作用的振动，因为实际的运动在空气中要受到空气的阻力作用，因此不可避免地受到阻尼作用，即B选项正确；由于振幅是振动系统能量大小的标志，阻尼振动过程中由于要克服阻力做功，消耗系统的机械能，因此系统机械能减小，所以振幅要减小，则A选项正确；当阻尼过大时由于合外力可能为零，将不能提供回复力，则振动系统将不能发生振动，C选项正确；发生阻尼振动，振动系统的机械能逐渐减小，D错误。答案：ABC
3．自由摆动的秋千，摆动的振幅越来越小，下列说法正确的是( )A．机械能守恒B．能量正在消失C．总能量守恒，机械能减小D．只有动能和势能的相互转化解析：自由摆动的秋千可以看作阻尼振动的模型，振动系统中的能量转化包括动能、势能和内能之间的相互转化。系统由于受到阻力，系统的机械能不断减小，但总能量守恒。答案：C
探究(二) 受迫振动和共振[问题驱动]如图所示，两个弹簧振子悬挂在同一个支架上，已知甲弹簧振子的固有频率为8 Hz，乙弹簧振子的固有频率为72 Hz，支架受到竖直方向且频率为9 Hz的驱动力作用而做受迫振动。两个弹簧振子的振动情况是怎样？提示：支架在受到竖直方向且频率为9 Hz的驱动力作用下做受迫振动时，甲、乙两个弹簧振子都做受迫振动，它们振动的频率都等于驱动力的频率9 Hz，由于甲的固有频率接近于驱动力的频率，所以甲的振幅较大。
[重难释解]1．受迫振动和共振的比较
2．对共振曲线的理解(1)两坐标轴的意义横轴：驱动力频率。纵轴：受迫振动的振幅，如图所示。(2)f0的意义：表示固有频率。(3)认识曲线形状：f＝f0，共振；f＞f0或f＜f0，振幅较小；f与f0相差越大，振幅越小。(4)结论：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。
典例2 下表记录了某受迫振动的振幅随驱动力频率变化的关系，若该振动系统的固有频率为f固，则( )A．f固＝60 Hz B．60 Hz
解析：这是一个受迫振动的问题，由D摆提供驱动力，提供A、B、C、E摆振动的能量，A、B、C、E摆做受迫振动，其振动的频率和周期等于D摆的振动频率和周期，故C选项错误。因为B摆的摆长与D摆相等，B摆的固有周期等于驱动力的周期，满足发生共振的条件，B摆发生共振，振幅最大，故A选项正确。答案：A
3．(多选)一个单摆做受迫振动，其共振曲线(振幅A与驱动力的频率f的关系)如图所示，则( )A．此单摆的固有周期为2 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
一、培养创新意识和创新思维 (选自鲁科版新教材“物理聊吧”)荡过秋千的人都有这种经验：轻推一下使它微微摆动后，只要按照它的固有频率周期性地施加推力，尽管每次的推力都很小，经过一段时间，秋千也会荡得很高。这是为什么？请与同学讨论交流。提示：按照秋千的固有频率周期性地施加推力时，尽管每次的推力都很小，它每次都对系统做正功，系统振动的能量越来越大，秋千荡得越来越高。
二、注重学以致用和思维建模1．“共振”与生活共振技术普遍用于机械、化学、力学、电磁学、光学及分子、原子物理学、工程技术等几乎所有的科技领域。如音响设备中扬声器纸盆的振动，各种弦乐器中音腔在共鸣箱中的振动等利用了“力学振；电磁波的接收和发射利用了“电磁共振”；激光的产生利用了“光学共振”；医疗中则有已经非常普及的“核磁共振”等。
2．利用共振解决问题(1)在分析解答有关共振问题时，要抓住产生共振的条件分析：驱动力的频率等于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。(3)图像法解决问题直观方便，如图所示，利用共振图线可以找出最大振幅，以及振动的固有频率或固有周期，然后再利用周期公式进行分析。
[对点训练]1．部队经过桥梁时，规定不许齐步走，登山运动员登高山时(高山上有积雪)，不许高声叫喊，主要原因是( )A．减轻对桥的压力，避免产生回声B．减小对桥、高山的冲力C．避免使桥、积雪发生共振D．使桥受到的压力均匀，使登山运动员耗散能量减小解析：部队过桥时如果齐步走，会给桥梁施加周期性的外力，容易使桥梁的振动幅度增加，可能发生共振，造成桥梁倒塌。登山运动员登高山时(高山上有常年积雪，高山内部温度较高，有部分雪融化成了水，对覆雪起了润滑作用)高声叫喊，声波容易引起积雪共振从而发生雪崩，故应选C。答案：C
2．(多选)把一个筛子用四根弹簧支起来，筛子上安一个电动偏心轮，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
3.为了交通安全，常在公路上设置如图所示的减速带，减速带使路面稍微拱起以达到车辆减速的目的。一排等间距设置的减速带，可有效降低车速，称为洗衣板效应。如果某路面上的减速带的间距为1.5 m，一辆固有频率为2 Hz的汽车匀速驶过这排减速带，下列说法正确的是( )A．当汽车以5 m/s的速度行驶时，其振动频率为2 HzB．当汽车以3 m/s的速度行驶时最不颠簸C．当汽车以3 m/s的速度行驶时颠簸得最厉害D．汽车速度越大，颠簸得就越厉害
一、受迫振动的频率1．填一填(1)等幅振动： 保持不变的振动。(2)阻尼振动： 逐渐减小的振动。(3)受迫振动：在系统外界 作用下的振动。(4)固有频率：弹簧振子和单摆的自由振动频率。(5)受迫振动的频率：等于 的频率，与弹簧振子的固有频率 。
2．判一判(1)单摆在空中的摆动属于阻尼振动。( )(2)受迫振动的频率等于振动系统的固有频率。( )(3)物体做受迫振动时，振幅可能是不变的。( )3．选一选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．电磁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
解析：敲击后的钟不再受驱动力，其振动是自由振动，不属于受迫振动，故A错误；电磁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，振荡频率等于交流电的频率，故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，由于空气阻力的作用，小孩和吊床一起做阻尼振动，故选项C错误；忽略空气阻力，弹簧振子在竖直方向上沿上下方向振动时，受到的合外力具有简谐运动回复力的特点，故属于简谐振动，故D错误。答案：B
二、共振 共振的应用和防止1．填一填(1)共振：当驱动力的频率 固有频率时，物体做受迫振动的 达到最大值的现象。(2)受迫振动的振幅与驱动力频率的关系曲线。 f0为振动系统的固有频率。
(3)共振的应用和防止①应用：共振筛、地震仪、电子表、原子钟等。②防止：桥梁、建筑物、机器设备等，设计时要考虑共振产生的危害。2．判一判(1)发生共振的物体所做的振动必定是受迫振动，其振动频率等于驱动力的频率。( )(2)生活中应尽量使驱动力的频率接近振动系统的固有频率。 ( )(3)当驱动力的频率增大时，振动的振幅也一定增大。 ( )
3．想一想用扁担挑水时，有时桶里的水会荡得厉害，甚至从桶中溅出来，这是为什么？如何避免这一现象的发生？提示：挑水时，由于行走时肩膀的起伏，人通过扁担对水桶作用，使水受到驱动力而做受迫振动，当驱动力的频率接近(或等于)桶里水的固有频率时，水桶里的水就发生共振，所以水会荡得厉害，以至于飞溅出来。为了避免发生这种现象，就要使驱动力的频率尽量远离桶里水的固有频率，解决的办法有改变行走的步频或停止走动片刻，也可以在桶里放些漂浮物，增大阻力，使振动系统克服阻力做功，消耗部分机械能，以减小水的振幅。
探究(一) 比较简谐运动与阻尼振动[问题驱动]如图所示的实验装置为一挂在曲轴上的弹簧振子，匀速摇动手柄，下面的弹簧振子就会振动起来。实际动手做一下，然后回答以下几个问题。(1)如果手柄不动而用手拉动一下振子，会看到什么现象？这种振动属于什么振动？(2)阻尼振动的振幅在减小的过程中，频率是否随着减小？提示：(1)振子的振幅逐渐减小，属于阻尼振动。(2)阻尼振动的振动频率保持不变。
[重难释解]1．简谐运动是一种理想化的模型，物体运动过程中的一切阻力都不考虑。2．阻尼振动考虑阻力的影响，是更贴合实际的一种运动。
3．简谐运动和阻尼振动的比较
典例1(多选)如图所示是单摆做阻尼振动的振动图线，下列说法正确的是( )A．摆球在A时刻的动能等于B时刻的动能B．摆球在A时刻的势能等于B时刻的势能C．摆球在A时刻的机械能等于B时刻的机械能D．摆球在A时刻的机械能大于B时刻的机械能[解析] 在单摆做阻尼振动的过程中，因不断克服空气阻力做功使动能逐渐转化为内能，C项错误，D项正确；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。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，A项错误，B项正确。[答案] BD
阻尼振动的三个特点(1)振幅逐渐减小，最后停止振动。(2)系统的机械能逐渐减少，最后耗尽。(3)周期、频率不随振幅的变化而变化。
[素养训练]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．在振动过程中，通过某一位置时，机械能始终不变D．在振动过程中，机械能不守恒，周期不变解析：因单摆做阻尼振动，所以振幅越来越小，机械能越来越小，振动周期不变。答案：BD
2．(多选)下列说法中正确的是( )A．阻尼振动是减幅振动B．实际的振动系统不可避免地要受到阻尼作用C．阻尼过大时，系统将不能发生振动D．发生阻尼振动，振动系统的机械能不发生变化解析：阻尼振动即振动过程中受到阻力作用的振动，因为实际的运动在空气中要受到空气的阻力作用，因此不可避免地受到阻尼作用，即B选项正确；由于振幅是振动系统能量大小的标志，阻尼振动过程中由于要克服阻力做功，消耗系统的机械能，因此系统机械能减小，所以振幅要减小，则A选项正确；当阻尼过大时由于合外力可能为零，将不能提供回复力，则振动系统将不能发生振动，C选项正确；发生阻尼振动，振动系统的机械能逐渐减小，D错误。答案：ABC
3．自由摆动的秋千，摆动的振幅越来越小，下列说法正确的是( )A．机械能守恒B．能量正在消失C．总能量守恒，机械能减小D．只有动能和势能的相互转化解析：自由摆动的秋千可以看作阻尼振动的模型，振动系统中的能量转化包括动能、势能和内能之间的相互转化。系统由于受到阻力，系统的机械能不断减小，但总能量守恒。答案：C
探究(二) 受迫振动和共振[问题驱动]如图所示，两个弹簧振子悬挂在同一个支架上，已知甲弹簧振子的固有频率为8 Hz，乙弹簧振子的固有频率为72 Hz，支架受到竖直方向且频率为9 Hz的驱动力作用而做受迫振动。两个弹簧振子的振动情况是怎样？提示：支架在受到竖直方向且频率为9 Hz的驱动力作用下做受迫振动时，甲、乙两个弹簧振子都做受迫振动，它们振动的频率都等于驱动力的频率9 Hz，由于甲的固有频率接近于驱动力的频率，所以甲的振幅较大。
[重难释解]1．受迫振动和共振的比较
2．对共振曲线的理解(1)两坐标轴的意义横轴：驱动力频率。纵轴：受迫振动的振幅，如图所示。(2)f0的意义：表示固有频率。(3)认识曲线形状：f＝f0，共振；f＞f0或f＜f0，振幅较小；f与f0相差越大，振幅越小。(4)结论：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。
典例2 下表记录了某受迫振动的振幅随驱动力频率变化的关系，若该振动系统的固有频率为f固，则( )A．f固＝60 Hz B．60 Hz
解析：这是一个受迫振动的问题，由D摆提供驱动力，提供A、B、C、E摆振动的能量，A、B、C、E摆做受迫振动，其振动的频率和周期等于D摆的振动频率和周期，故C选项错误。因为B摆的摆长与D摆相等，B摆的固有周期等于驱动力的周期，满足发生共振的条件，B摆发生共振，振幅最大，故A选项正确。答案：A
3．(多选)一个单摆做受迫振动，其共振曲线(振幅A与驱动力的频率f的关系)如图所示，则( )A．此单摆的固有周期为2 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
一、培养创新意识和创新思维 (选自鲁科版新教材“物理聊吧”)荡过秋千的人都有这种经验：轻推一下使它微微摆动后，只要按照它的固有频率周期性地施加推力，尽管每次的推力都很小，经过一段时间，秋千也会荡得很高。这是为什么？请与同学讨论交流。提示：按照秋千的固有频率周期性地施加推力时，尽管每次的推力都很小，它每次都对系统做正功，系统振动的能量越来越大，秋千荡得越来越高。
二、注重学以致用和思维建模1．“共振”与生活共振技术普遍用于机械、化学、力学、电磁学、光学及分子、原子物理学、工程技术等几乎所有的科技领域。如音响设备中扬声器纸盆的振动，各种弦乐器中音腔在共鸣箱中的振动等利用了“力学振；电磁波的接收和发射利用了“电磁共振”；激光的产生利用了“光学共振”；医疗中则有已经非常普及的“核磁共振”等。
2．利用共振解决问题(1)在分析解答有关共振问题时，要抓住产生共振的条件分析：驱动力的频率等于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。(3)图像法解决问题直观方便，如图所示，利用共振图线可以找出最大振幅，以及振动的固有频率或固有周期，然后再利用周期公式进行分析。
[对点训练]1．部队经过桥梁时，规定不许齐步走，登山运动员登高山时(高山上有积雪)，不许高声叫喊，主要原因是( )A．减轻对桥的压力，避免产生回声B．减小对桥、高山的冲力C．避免使桥、积雪发生共振D．使桥受到的压力均匀，使登山运动员耗散能量减小解析：部队过桥时如果齐步走，会给桥梁施加周期性的外力，容易使桥梁的振动幅度增加，可能发生共振，造成桥梁倒塌。登山运动员登高山时(高山上有常年积雪，高山内部温度较高，有部分雪融化成了水，对覆雪起了润滑作用)高声叫喊，声波容易引起积雪共振从而发生雪崩，故应选C。答案：C
2．(多选)把一个筛子用四根弹簧支起来，筛子上安一个电动偏心轮，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
3.为了交通安全，常在公路上设置如图所示的减速带，减速带使路面稍微拱起以达到车辆减速的目的。一排等间距设置的减速带，可有效降低车速，称为洗衣板效应。如果某路面上的减速带的间距为1.5 m，一辆固有频率为2 Hz的汽车匀速驶过这排减速带，下列说法正确的是( )A．当汽车以5 m/s的速度行驶时，其振动频率为2 HzB．当汽车以3 m/s的速度行驶时最不颠簸C．当汽车以3 m/s的速度行驶时颠簸得最厉害D．汽车速度越大，颠簸得就越厉害
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