高中物理教科版 (2019)选择性必修 第一册5 阻尼振动 受迫振动课文课件ppt

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1.通过实验,认识受迫振动的特点。2.了解产生共振的条件及其应用。3.知道阻尼振动、自由振动、固有频率等物理概念。
1.知道阻尼振动和阻尼振动能量的转化情况,形成正确物理观念。2.知道什么是受迫振动及产生条件,掌握物体做受迫振动的特点,培养科学思维。3.知道共振现象,掌握产生共振的条件,知道常见的共振的应用和危害,形成科学态度与责任。
一、阻尼振动1.阻尼振动:振动逐渐减弱,即振幅逐渐变小,振动能量逐步转变为其他能量,这种振动叫作阻尼振动。2.自由振动:系统不受外力作用,只在自身回复力作用下的振动,称为自由振动。3.无阻尼振动:理想情况下(即不受任何外力,没有任何能量损耗)振幅保持不变,叫作无阻尼振动。4.系统的固有频率:自由振动的频率,叫作系统的固有频率。固有频率由系统本身的特征决定。
5.实际的弹簧振子的运动是阻尼振动吗?答案: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,振幅逐渐变小,因此振子做的是阻尼振动。当阻力很小时,在不太长时间内看不出振幅有明显的变小,于是就可以把它当作简谐运动来处理。
二、受迫振动1.驱动力:如果用周期性的外力作用于振动系统,补偿系统的能量损耗,使系统持续等幅地振动下去,这种周期性的外力叫作驱动力。2.受迫振动:系统在驱动力作用下振动叫作受迫振动。三、共振1.共振:驱动力的频率等于振动物体的固有频率时,受迫振动的振幅最大,这种现象叫作共振。2.当驱动力的频率f等于振动物体的固有频率f0时,振幅最大;驱动力的频率f跟固有频率f0相差越大,振幅越小。
3.做受迫振动的物体一定会发生共振吗?答案:不一定。物体做受迫振动时,当驱动力的频率等于固有频率时,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。
四、共振的应用与防止在需要利用共振时,应使驱动力的频率接近或等于振动系统的固有频率;在需要防止共振时,应使驱动力的频率远离振动系统的固有频率。
【思考讨论】 1.判断下列说法的正误。(1)受迫振动的频率与振动系统的固有频率无关。(　　)(2)驱动力频率越大,振幅越大。(　　)(3)共振只有害处没有好处。(　　)(4)做受迫振动的物体一定会发生共振。(　　)(5)阻尼振动的频率随振幅的减小而不断减小。(　　)
2.(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。若驱动力的振幅保持不变,下列说法正确的是(　　)A.当ff0时,该振动系统的振幅随f减小而增大C.该振动系统的振动稳定后,振动的频率等于f0D.该振动系统的振动稳定后,振动的频率等于f答案:BD解析:当f=f0时,系统达到共振,振幅最大,故ff0时,随f的减小,驱动力的频率接近固有频率,故该振动系统的振幅增大,故B正确;该振动系统的振动稳定后,振动的频率等于驱动力的频率f,故C错误,D正确。
3.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(　　)A.1 HzB.3 HzC.4 HzD.5 Hz
答案:A解析:振子做受迫振动,其振动频率等于驱动力频率,则把手的转动频率为1 Hz,选项A正确。
任何实际振动,只在初始时刻具有一定能量,在阻尼作用下最终会停下来,怎样才能使振动持续不断地进行下去呢?
提示:施加周期性的驱动力。
1.三种振动的理解(1)简谐运动: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,是更实际的一种运动。(3)受迫振动:物体做阻尼振动时受到周期性驱动力作用下的振动。
【例题1】 (多选)下图是单摆做阻尼振动的振动图线,下列说法正确的是(　　)A.摆球A时刻的动能等于B时刻的动能B.摆球A时刻的势能等于B时刻的势能C.摆球A时刻的机械能等于B时刻的机械能D.摆球A时刻的机械能大于B时刻的机械能答案:BD
解析:单摆做阻尼振动,因此其机械能不断减小,选项D正确,C错误;由图又看出A、B两时刻单摆的位移相同,即在同一位置,故势能相同,选项B正确;因机械能越来越小,所以动能B处比A处小,选项A错误。
阻尼振动的能量和周期(1)阻尼振动的振幅不断减小,能量不断减少,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。实际中的振动都会受到阻力的作用,当阻力较小时,可认为是简谐运动。(3)阻尼振动中,机械能E等于动能Ek和势能Ep之和,即E=Ek+Ep,E减小,但动能和势能相互转化,当Ep相等,Ek不相等,而从振动图像上可以确定Ep的关系。
【变式训练1】 如图所示的装置中,在曲轴AB上悬挂一个弹簧振子,若不转动把手C,让其上下振动,周期为T1,若使把手以周期T2(T2>T1)匀速转动,当运动都稳定后,则(　　)A.弹簧振子的振动周期为T1
C.要使弹簧振子的振幅增大,可让把手转速减小D.要使弹簧振子的振幅增大,可让把手转速增大
解析:弹簧振子在把手作用下做受迫振动,因此振动周期等于驱动力的周期,等于T2,故A、B错误;驱动力的周期与弹簧振子的固有周期越接近,振幅越大,由于T2>T1,欲使振幅增大,应使T2减小,即转速应增大,故C错误,D正确。
某工厂的一个车间里,机器一开动,整个车间就灰尘四起,既对工人的健康有害,也影响产品的质量,为此厂里请来了一位建筑工程师,他到车间察看后,叫人在车间里建了几根水泥立柱,问题就解决了。请你解释其中的奥秘。提示:建几根水泥立柱,改变了车间的固有频率,使之不再与机器的振动频率接近,避免车间产生共振现象。
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。
(1)从受力角度看: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,直到振幅达到最大。(2)从功能关系看: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。振动能量最大,振幅最大。(3)认识曲线的形状:f=f0,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,而且相差越大越好。如:部队过桥应便步走。说明:共振是物体做受迫振动时的一种特殊现象。
几点说明(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。
【例题2】 (多选)把一个筛子用四根弹簧支起来,筛子上有一个电动偏心轮,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,下列哪些做法是正确的(　　)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
这两个周期值靠近,可采用两种做法:第一,提高输入电压使偏心轮转得快一些,减小驱动力的周期;第二,增加筛子的质量使筛子的固有周期增大。
共振筛的工作原理是利用共振现象,当电动机偏心轮的转动周期跟筛子的固有周期相等时,就会发生共振。
【变式训练2】 如图所示,三个单摆的摆长为L1=1.5 m,L2=1 m,L3=0.5 m,现用一周期等于2 s的驱动力,使它们做受迫振动,那么当它们的振动稳定时,下列判断正确的是(　　)A.三个摆的周期和振幅相等B.三个摆的周期不等,振幅相等C.三个摆的周期相等,振幅不相等D.三个摆的周期和振幅都不相等答案:C
固有频率不同,根据振幅与驱动频率的关系图,可知固有频率越接近驱动频率,振幅越大,所以三个摆球振幅不同,A、B、D错误,C正确。
1.(共振的应用与防止)部队经过桥梁时,规定不许齐步走;登山运动员登高山时,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.减少对桥、雪山的冲击力C.避免使桥发生共振和使雪山发生共振D.使桥受到的压力更不均匀,使登山运动员耗散能量减少答案:C解析:部队过桥时如齐步走,给桥梁施加周期性外力,容易使桥的振动幅度增加,即发生共振,造成桥梁倒塌;登山运动员登高山时高声叫喊,声波容易引发雪山共振而发生雪崩,故应选C。
2.(受迫振动与驱动力)如图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8 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8 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
解析:当驱动力的频率与固有频率接近时,振幅增大,且受迫振动的频率等于驱动力频率,B正确。
3.(共振的应用与防止)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置一个配重杆的方法,解决了这一问题。在飞机机翼前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:飞机振动的原因是气流使机翼的振动周期与机翼的固有周期接近发生了共振现象,通过装置一个配重杆的方法改变机翼的固有周期,从而避免共振的发生,D正确。
4.(共振曲线的理解)某同学在研究单摆的受迫振动时,得到如图所示的共振曲线。横轴表示驱动力的频率,纵轴表示稳定时单摆振动的振幅。已知重力加速度为g,下列说法正确的是(　　)A.由图中数据可以估算出摆球的摆长B.由图中数据可以估算出摆球的质量C.由图中数据可以估算出摆球的最大动能D.如果增大该单摆的摆长,则曲线的峰将向右移动答案:A