第二章 第五节 受迫振动 共振（Word教参）-【优化指导】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第一册（粤教版2019）

第五节　受迫振动　共振 课程内容要求 核心素养提炼 1.了解固有振动和固有频率． 2．了解阻尼振动，知道阻尼振动时振动物体的能量变化情况． 3．了解受迫振动，知道受迫振动的频率等于驱动力的频率，与物体的固有频率无关． 4．了解共振现象，知道共振现象产生的条件． 5．理解共振曲线. 1.物理观念：阻尼振动、受迫振动、固有频率、共振． 2．科学思维：用能量的观点分析阻尼振动，应用Af图像分析受迫振动和共振． 3．科学探究：探究共振现象发生的条件． 4．科学态度与责任：共振现象在建筑和机器设计中的应用. 一、受迫振动的频率 1．阻尼振动：振幅随时间逐渐减小的振动． 2．驱动力：给振动物体施加的一个周期性的外力． 3．受迫振动：在驱动力作用下的振动． 4．固有振动：振动系统在不受外力作用下的振动． 5．固有频率：固有振动的频率． 6．受迫振动的周期或频率 物体做受迫振动时，振动稳定后的周期或频率总等于驱动力的周期或频率，与物体的固有周期或固有频率无关． [判断] (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．(×) 二、共振、共振的应用和防止 1．共振 (1)条件：驱动力的频率等于物体的固有频率． (2)特征：共振时，物体振动的振幅最大． (3)共振曲线：如图所示． 2．共振的应用与防止 (1)共振的应用：在应用共振时，应使驱动力频率接近或等于物体的固有频率，振动将更剧烈． 如在修建桥梁时，需要将管柱打入江底．工作常使打桩机打击管柱的频率接近管柱的固有频率，让管柱接近共振状态而激烈振动，加快周围泥沙的松动，提高打桩的速度． (2)共振的预防：在防止共振时，驱动力频率与物体的固有频率相差越大越好．如火车过桥时减速；轮船航行时，常通过改变轮船的航向和速率，使海浪冲击力的频率与轮船的固有频率相差很大，防止发生共振现象． [思考] 生活中会见到阵风吹过树枝，使树枝左右摇摆，一会儿树枝就会停下来，而荡秋千的小朋友在一旁小朋友的不断推动下不停地摆动． (1)树枝的运动是什么运动？ (2)秋千的摆动是什么运动？ 提示　(1)树枝的运动是阻尼振动． (2)秋千的摆动是受迫振动． 探究点一　简谐运动、阻尼振动、受迫振动的对比 观察如图所示的装置． (1)摇把不动，让弹簧振子振动起来，很长一段时间才能停止．这个振动属于哪种振动？频率和什么有关？ (2)匀速转动摇把，弹簧振子振动起来，这个振动属于哪种振动？频率和什么有关？ 提示　(1)阻尼振动，固有频率． (2)受迫振动，驱动力频率． 振动类型 比较项目 　 　 简谐运动 阻尼运动 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 固有频率 频率不变 驱动力频率 振幅 不变 减小 大小变化不确定 振动图像 形状不确定 实例 弹簧振子振动，单摆做小角度摆动 敲锣打鼓发出的声音越来越弱 扬声器纸盆振动发声、钟摆的摆动 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 Hz　　　　　　　　　 B．3 Hz C．4 Hz D．5 Hz [思路点拨]　明确振子做受迫振动的频率与驱动力频率的关系． A　[因把手每转动一周，驱动力完成一次周期性变化，即把手转动频率为驱动力的频率．弹簧振子做受迫振动，而受迫振动的频率等于驱动力的频率，与振动系统的固有频率无关，故A正确．] [变式]　在[例1]中匀速转动摇把，转速为240 r/min，当振子振动稳定时，它们振动周期为多少？ 解析　摇把匀速转动的转速为240 r/min＝4 r/s，角速度ω＝8π rad/s，所以驱动力的周期T＝＝＝0.25 s 答案　0.25 s [训练1]　(多选)如图所示是单摆做阻尼振动的振动图线，下列说法中正确的是(　　) 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 BD　[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．] 探究点二　共振现象的理解和应用 在支架上拴一条水平细绳，绳上间隔悬挂一些单摆，其中摆A和摆D的摆长相等(固有周期相同)．将摆A拉离平衡位置后释放，让A带动B、C、D、E、F一起摆动． (1)B、C、D、E、F的频率是否和A相同？ (2)B、C、D、E、F中哪个摆球的振幅最大？为什么？ 提示　(1