5.3 工程实际中的振动 教案 -2023-2024学年高二上学期（中职）物理高教版《技术物理 上册》

5-3 工程实际中的振动 一、教学目标 1．了解阻尼振动和受迫振动现象。 2．了解共振现象，掌握共振条件。 3．了解振动图像的物理意义。 4．了解共振在实际中的应用。 二、教学重点难点 重点：共振现象及变化规律。 难点：共振振幅与驱动力频率的关系。 三、教学器材 共振摆演示器、图片。 四、教学建议 教法建议 观察、演示实验、讨论。 教学设计方案 （一） 引入新课 物体在平衡位置附近来回往复的运动称为机械振动，它是一种重要运动形式。从日常生活到生产技术以及自然界中到处都存在着振动。一切发声体都在振动，机器的运转总伴随着振动，海浪的起伏以及地震也都是振动，就是晶体中的原子也都在不停的振动着。 ( x O )（二） 引出课程内容 1．振动分类 自由振动 ( t ) 阻尼振动 自由振动：只受回复力作用的振动是自由振动。 作自由振动的系统，没有阻力做功，其机械能守恒, 因而振动振幅保持不变，其振动图像如图1 。 ( 图1 )阻尼振动：实际的振动因为有摩擦等阻力作用， 系统的机械能总会发生损失，变得越来越小，系统 不会持续的振动下去。如实际的弹簧振子在阻力的 作用下，其振幅越来越小，最后趋于零。这种由于 阻力的存在，振幅随时间不断减小的振动称为阻尼 振动。其振动图像如图2。 ( 图2 )在工程实际中，如果希望振动很快消失，就常 采用增大阻尼的方法，如安装减震垫和减震弹簧。如 果希望振动连续不断的持续下去，就要补偿由阻尼消耗掉的能量，这时所作的振动称为受迫振动。 2．受迫振动 振动系统在周期性外力的作用下所进行的振动，称为受迫振动。这种周期性的外力称为驱动力，受迫振动是阻尼振动和驱动力引起的振动的叠加。但经过一段时间，阻尼振动消失，系统完全按照驱动力的规律振动。如钟摆的振动，汽缸中活塞的运动等。图3中的振子在摇把的带动下所作的振动就是受迫振动。稳定的受迫振动的频率等于驱动力的频率。 3．共振 由物体本身结构和特征决定的振动称为固有振动，其频率称为固有频率。 观察图3所示的装置，先让弹簧下面悬挂的重物作自由振动，记录 ( 共振频率 大阻尼 小阻尼 阻尼为0 ) ( 图3 )它的振动频率（或周期），其频率是系统的固有频率；然后转动摇把，转动摇把的频率是驱动力频率。观察振子的实际振动的频率，注意到这两个频率的不同，自由振动的频率是由弹簧振子本身的性质决定，受迫振动的频率是由外来驱动力的频率决定。 共振：在物体做受迫振动的过程中，当驱动力的频率与物体的固有频率接近或相等时，物体的振幅出现极大值的现象称为共振。图4是共振振幅与驱动力频率的关系图。 共振的条件：驱动力的频率等于振动系统的固有频率。 演示音叉的共振。 用两个固有频率完全相同的音叉做如图5所示实验，请学生观察所发生的现象，说明原因。 ( 图4 ) ( 图5 ) 　请学生回答问题：跳水运动员在进行跳板跳水时，用脚蹬踏跳板的频率是否应接近跳板的固有频率？为什么？ 4．共振的应用 例题 火车车轮经过铁轨接缝时，即发生一次振动。设车厢与减震弹簧组成的系统的固有周期是0.5 s，铁轨的长度是12.5 m，火车以多大的速度运行时，车厢的振动最剧烈？火车司机应当采取怎样的措施避免这种现象？ 解 车轮经过铁轨接缝时的振动可以看作驱动力，当此驱动力的频率与车厢的固有频率相同时会发生共振，引起车厢的剧烈振动。 设火车的速度为，则，s是车厢的长度，T 可以看作驱动力的周期。当驱动力的周期等于系统的固有周期时，有 则 即当车速等于90 km/h时，列车振动的最剧烈，司机行车应当远离这个速度。 为了避免共振造成的破坏，应该设法使驱动力的频率与振动系统的固有频率相差很远。 共振现象普遍存在于力学、电磁学、光学及分子、原子物理学等几乎所有物理学领域。共振有非常重要的应用价值。如音响设备中扬声器纸盆的振动，各种弦乐器中音腔薄木板随琴弦的振动等利用了“力学共振”；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”；医疗技术中则有“核磁共振”等。 最早的共振实验是我国的纸人共振实验。宋代的科学家沈括巧妙地利用共振原理设计出了在琴弦上跳舞的小人：先把琴或瑟的各弦按平常演奏需要调好，然后剪一些小小的纸人夹在各弦上。当弹动不夹纸人的某一弦线时，凡是和它共振的弦线上的纸人就会随着音乐跳跃舞动。 ( 图6 )弦乐器中的共鸣箱（如图6）、无线电中的电谐振等，就是使系统固有频率与驱动力的频率相同，发生共振。我们在建筑工地经常可以看到，建筑工人在浇灌混凝土的墙壁或地板时，为了提高质量，总是一面灌混凝土，一面用振荡器进行震荡，使混凝土之间由于振荡的作用而变得更紧密、更结实。核磁共振成像(MRI