第四节 受迫振动 共振（教学课件）物理沪科版2020选择性必修第一册

第二章 机械振动 2.4 受迫振动 共振 1.知道什么是固有振动和阻尼振动，并能用能量的观点给予说明. 2.知道受迫振动的频率等于驱动力的频率，而跟振动物体的固有 频率无关. 3.理解共振的概念，知道共振常见的应用和危害. 【学习目标】 导入新课 “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。这是为什么？ 一、固有振动、阻尼振动 1.固有振动和固有频率 (1)固有振动：振动系统在　　　　作用下的振动. (2)固有频率：　　振动的频率. 2.阻尼振动 不受外力 固有 (1)阻尼振动：振动系统受到　　作用时，　　逐渐减小的振动，如图所示. 振幅 阻力 (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　　的振动，能量向四周辐射出去. 摩擦 内能 质点 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，右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)在不忽略空气阻力的情况下，如果手柄不动而用手拉动一下振子，从振幅角度看弹簧振子的振动属于什么振动？从有没有系统外力作用角度看弹簧振子的振动属于什么振动？ 答案　阻尼振动　固有振动 (2)用不同的转速匀速转动手柄，弹簧振子的振动有何不同？这能说明什么问题？ 答案　转速大时弹簧振子振动得快，说明弹簧振子振动的周期和频率由手柄转速决定. 二、受迫振动 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，与系统的固有频率　　. 周期性 驱动力 驱动力 无关 三种振动的比较 振动类型 比较项目 简谐运动 阻尼振动 受迫振动 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 有固有频率 频率不变 由驱动力的频率决定 振动图像     形状不确定 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 例1　如图是摆球做阻尼振动的振动图像，下列说法正确的是 A.振动过程中周期变小 B.振动过程中周期不变 C.摆球A时刻的势能大于B时刻的势能 D.摆球A时刻的动能等于B时刻的动能 √ 解析　阻尼振动中，摆球的振幅逐渐减小，由于周期与振幅无关，故振动过程中周期不变，选项A错误，B正确； 因A、B两时刻的位移相同，故摆球A时刻的势能等于B时刻的势能，选项C错误； 由于振动的能量逐渐减小，故摆球A时刻的动能大于B时刻的动能，选项D错误. 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？ 答案　简谐运动　0.5 s　2 Hz　阻尼振动 解析　用手往下拉振子，放手后，因振子所受回复力满足F＝－kx，所以做简谐运动， 由于阻力的存在，振子克服阻力做功消耗能量，振幅越来越小，故振动为阻尼振动. (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？ 答案　受迫振动　0.25 s 解析　由于把手转动的转速为4 r/s，它给弹簧振子的驱动力频率为f驱＝4 Hz，周期T驱＝0.25 s，故振子做受迫振动，振动达到稳定状态后，其频率(或周期)等于驱动力的频率(或周期)，而跟固有频率(或固有周期)无关，即f＝f驱＝4 Hz，T＝T驱＝0.25 s. 三、共振 1.定义 驱动力的频率f　　系统的固有频率f0时，受迫振动的振幅　　，这种现象称为共振. 等于 最大 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？ 答案　开始时，脱水桶转动的频率远高于洗衣机的固有频率，振幅较小，振动比较弱. 答案　当洗衣机脱水桶转动的频率等于洗衣机的固有频率时发生共振，振动剧烈. (2)期间剧烈振动的原因是什么？ 2.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. 3.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f＜f0时振幅较小.f与f0相差越大，振幅越小. 4.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