第二章 第五节 受迫振动 共振-【导与练】2022-2023学年新教材高中物理选择性必修第一册同步全程学习全书word（粤教版）

第五节　受迫振动　共振 [课标引领] 建构核心素养 物理观念 知道什么是等幅振动、阻尼振动、受迫振动和共振 科学思维 能举出受迫振动和共振的实例,知道受迫振动的频率由驱动力的频率决定 科学探究 通过实验探究,知道受迫振动的频率与驱动力频率的关系以及发生共振的条件 科学态度 与责任 通过了解生产生活中的共振现象,了解共振的应用和危害,增强安全意识,感受科学知识的重要性 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 一、振动中的能量损失　受迫振动的频率 荡秋千时,不施加外力让其自由振动,振动幅度会慢慢减小,最终停下来,这是为什么?弹簧振子振动过程中,振动幅度也会越来越小,这又是为什么?怎样才能让秋千和弹簧振子做等幅振动? 答案:秋千振动过程中要克服空气阻力和摩擦做功,消耗机械能转化为内能,随着机械能的减少,振动幅度会越来越小,最终完全停下来.弹簧振子振动幅度越来越小,也是将机械能转化为内能散失到周围空气中,最终停在平衡位置.如果不断地给秋千和弹簧振子补充能量,给秋千和弹簧一个周期性的外力,就能使秋千和弹簧振子做等幅振动. 1.等幅振动 简谐运动是实际振动的理想化模型,是一种机械能守恒的振动,所以振幅保持不变.这种振幅不变的运动叫作等幅振动. 2.阻尼振动 振幅逐渐减小的振动叫作阻尼振动.振动图像如图所示. 3.受迫振动 (1)受迫振动. 阻尼振动振幅逐渐减小,此时需要外力周期性地补充能量以补偿其耗散的机械能,维持振动的振幅不变.这种在外界驱动力作用下的振动叫作受迫振动. (2)固有频率. 弹簧振子和单摆的自由振动频率,只与它们自身的参数有关,我们称之为固有频率. (3)受迫振动的频率. 实验表明,弹簧振子做受迫振动,振动稳定后的频率等于驱动力的频率,与弹簧振子的固有频率无关. 二、共振及其应用和防止 如图所示为教材第56页“观察与思考”的实验装置图,当单摆A振动时,可以看到单摆B与C的摆幅最大,单摆E的摆幅其次,单摆D的摆幅最小. 请思考并回答下列问题. (1)做受迫振动的单摆B,C,D,E中谁的固有频率与单摆A的振动频率相等? (2)什么条件下做受迫振动的振幅最大? 答案:(1)B,C. (2)当驱动力的频率和振动系统的固有频率相等时,受迫振动的振幅最大. 1.共振 (1)定义. 驱动力频率等于振动系统的固有频率时,受迫振动的振幅最大,说明从外界获得的能量最大,这种现象叫作共振. (2)特征. 共振时受迫振动的振幅最大. (3)共振曲线. 如图所示的曲线表示受迫振动的振幅与驱动力频率的关系,称为共振曲线.f0为振动系统的固有频率. 2.共振的应用和防止 (1)应用. ①共振筛及其原理. 把筛子用四个弹簧支起来,在筛架上安装一个偏心轮,就成了共振筛.偏心轮在发动机的带动下发生转动,适当调节偏心轮的转速,使筛子受到的驱动力频率接近筛子的固有频率范围,这时筛子发生共振,从而提高了筛除杂物的效率. ②其他应用:地震仪、超声工具、各种光源、听觉器官等. (2)防止. 队伍过桥时不能齐步走,以免产生周期性的驱动力;火车过桥要按设计要求的速度通过,使驱动力的频率与桥梁系统的固有频率保持一定差距;在设计、安装机器时也要考虑共振问题. (3)在需要利用共振时,应使驱动力的频率接近或者等于振动系统的固有频率;在防止共振时,应使驱动力的频率与振动系统的固有频率保持一定差距. 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1.判断正误. (1)固有频率由系统本身决定.(　√　) (2)阻尼振动的振幅不断减小.(　√　) (3)受迫振动的频率等于振动系统的固有频率.(　×　) (4)驱动力频率越大,振幅越大.(　×　) 2.如图所示,紧张的水平绳上吊着A,B,C三个小球.B靠近A,但两者的总线长度不同;C远离球A,但两者的总线长度相同. (1)让球A在垂直于水平绳的方向摆动,将会看到B,C球有何表现? (2)在C球摆动起来后,用手使A,B球静止,然后松手、又将看到A,B球有何表现? 答案:(1)B,C也开始振动,且C球振动的振幅越来越大. (2)A,B开始振动,A球的振幅越来越大. 3.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? 答案: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. 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 探究点一　简谐运动与阻尼振动的比较 如图所示的实验