2.5 生活中的振动（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年新教材高中物理选择性必修第一册（鲁科版2019）

第5节　生活中的振动 核心 素养 物理观念 科学思维 科学探究 科学态度与责任 能认识简谐运动的特征，能用公式和图像描述简谐运动，知道单摆周期与摆长、重力加速度的定量关系，能了解受迫振动、共振的内涵；能说明与简谐运动、受迫振动及共振有关的生产生活中的一些应用实例，能解释一些机械振动现象，具有与机械振动相关的运动观念、相互作用观念和能量观念。 会分析简谐运动、阻尼振动、受迫振动的特点，能比较它们的异同，能用与机械振动相关的证据解释生产生活中机械振动现象，能从相互作用和能量等不同角度认识机械振动，能质疑他人的观点。 通过做受迫振动的实验，了解受迫振动的特点及共振的条件。 能分析受迫振动、阻尼振动在生产、生活中的利弊，知道共振的应用与防止；能关注我国古代在机械振动方面的一些技术应用。 [对应学生用书P46] 知识点一 阻尼振动 1.定义：物理学中，振幅不断减小的振动。 2．特点：振动物体需不断克服阻力做功，系统的机械能不断减小，导致振幅不断减小❶，直至停止运动。 1．阻尼振动的频率不断减小。(　　×　　) 2．阻尼振动的振幅不断减小。(　　√　　) 知识点二 受迫振动与共振　共振的应用与防止 1.驱动力：周期性的外力。 2．受迫振动：在周期性外力作用下产生的振动。 3．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。 4．共振：当驱动力的周期(或频率)与物体的固有周期(或固有频率)相等时，受迫振动的振幅达到最大❷的现象。 5．共振的应用与防止 (1)应用❸：路面共振破碎机、音叉共鸣箱等。 (2)防止❹：轮船航行时改变航向和速率，使海浪冲击力的频率与轮船的固有频率相差很大；集体列队经过桥梁要便步走。 1．受迫振动的频率等于振动系统的固有频率。(　　×　　) 2．驱动力频率越大，该受迫振动的振幅就越大。(　　×　　) 3．生活中，应尽量使驱动力的频率接近振动系统的固有频率。(　　×　　) 批注❶：如图所示，阻尼振动的振幅逐渐减小，最后停止，但频率不发生变化。 批注❷：共振曲线如图所示。 驱动力的频率f越接近振动系统的固有频率f0，受迫振动的振幅越大；反之，振幅越小。 批注❸：在应用共振时，应使驱动力频率等于或接近振动系统的固有频率，这样可使振动更剧烈。 批注❹：在防止共振时，驱动力频率与系统的固有频率相差越大越好。 [对应学生用书P47] 探究点一　简谐运动、阻尼振动与受迫振动的对比　(科学思维之提升) ►情境探究 (1)如图甲所示，生活中会见到一阵风吹过树枝，使树枝左右摇摆，过一会儿树枝就会停下来。该过程中树枝的运动是阻尼振动吗？ 提示：是。 (2)如图乙所示，荡秋千的小朋友在另一小朋友的不断推动下不停地摆动。该过程中，秋千的运动是受迫振动吗？ 提示：是。 ►探究归纳 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 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 ►对点例练 (多选)下列说法中正确的是(　　) A．实际的自由振动必然是阻尼振动 B．在外力作用下的振动是受迫振动 C．阻尼振动的振幅越来越小 D．受迫振动稳定后的频率与自身物理条件无关 ACD　解析：实际的自由振动，仍须不断克服外界阻力做功而消耗能量，振幅会逐渐减小，必然是阻尼振动，A、C正确；只有在周期性外力(驱动力)的作用下，物体所做的振动才是受迫振动，B错误；受迫振动稳定后的频率等于驱动力频率，与自身物理条件无关，D正确。 [练1] (2021·辽宁实验中学东戴河分校高二月考)如图所示是某单摆做阻尼振动时的振动图线，则下列说法正确的是(　　) A．振动过程中，周期逐渐变小 B．小球在P时刻的机械能大于N时刻的机械能 C．小球在P时刻的动能等于N时刻的动能 D．小球在P时刻和N时刻，受到绳子拉力的大小相等 B　解析：阻尼振动的振幅减小，周期不变，A错误；由于阻力影响，单摆要克服阻力做功，所以在运动过程中机械能一直逐渐减小，故小球在P时刻的机械能大于在N时刻的机械能，而小球两点的重力势能相等，则小球在P时刻的动能大于在N时刻的动能，B正确，C错误；因为P、N两时刻位置关于平衡位置对称，但是速度不等，则两时刻小球受到绳子的拉力大小不相等，D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，只有当阻力较小时，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不断减小，因动能和势能相互转化，所以动能或者势能在极短时间里并不一定减少。 探究点二　对共振的理解　(科学思维之提升) ►情境探究 使上图中的单摆c摆动起来，然后观察其它三个单摆的振幅大小。 (1)a、b、d三个单摆，哪个振幅最大？ 提示：单摆a的振幅最大。 (2)单摆a的固有频率与驱动力的频率什么关系？ 提示：单摆a的摆长与单摆c的摆长相等，所以单摆a的固有频率与驱动力的频率相等。 (3)由此看出，发生共振的条件是什么？ 提示：发生共振的条件是驱动力频率与系统的固有频率相等。 ►探究归纳 1．对共振条件的理解 (1)从受力角度看：当振动物体所受驱动力的方向跟它的运动方向相同时，驱动力对它起加速作用，使它的振幅增大；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。 2．对共振曲线的理解 (1)两坐标轴的意义： 纵轴表示受迫振动的振幅； 横轴表示驱动力的频率。 (2)f0的意义：表示固有频率。 (3)认识曲线形状：f＝f0，共振；f＞f0或f＜f0，振幅较小；f与f0相差越大，振幅越小。 (4)结论：驱动力的频率f越接近振动系统的固有频率f0，受迫振动的振幅越大；反之，振幅越小。 ►对点例练 (2021·四川眉山高二期末)如图所示是一个单摆做受迫振动时振幅A与驱动力的频率f关系的共振曲线，下列说法正确的是(　　) A．该单摆摆长约为6 cm B．发生共振时，单摆的周期为1 s C．单摆实际摆动的频率可能大于驱动力的频率 D．若增大摆长，共振曲线的“峰”将向左移动 D　解析：由图可知，此单摆的振动频率与固有频率相等， 则周期为2 s，再由公式T＝2π可得L≈1 m，A、B错误；在受迫振动中受迫振动的周期与驱动力的周期相同，故频率也相同，所以单摆实际摆动的频率不可能大于驱动力的频率，C错误；由单摆周期公式可知，若增大摆长，则单摆周期增加，故固有频率减小，共振曲线的“峰”将向左移动，D正确。 [练2] (多选)(2021·福建南平高二期中)如图所示，曲轴上挂着一个弹簧振子，转动摇把可使曲轴带动弹簧振子上下振动。开始时不转动摇把，让振子自由振动，测得其频率为2 Hz。现匀速转动摇把，转速为240 r/min，则(　　) A．当振子稳定振动时，其振动周期是0.5 s B．当振子稳定振动时，其振动周期是0.25 s C．当摇把的转速为240 r/min时，弹簧振子的振幅最大，若减小摇把转速，弹簧振子的振幅一定减小 D．若摇把的转速从240 r/min逐渐减小到120 r/min，弹簧振子的振幅逐渐增大 BD　解析：摇把转速为n＝240 r/min＝4 r/s，它的周期T＝＝ s＝0.25 s，转动摇把时，弹簧振子做受迫振动，振动周期等于驱动力的周期，当振子稳定振动时，它的振动周期是0.25 s，A错误，B正确；弹簧振子的固有周期T固＝＝ s＝0.5 s，当n＝240 r/min＝4 r/s，驱动力周期是0.25 s时，振子没有发生共振，若减小摇把转速，振动周期变大，与固有周期接近，弹簧振子的振幅增大，C错误；当n＝120 r/min＝2 r/s，驱动力周期是0.5 s，与固有周期相等，若摇把转速从240 r/min逐渐减小到120 r/min，弹簧振子的振幅逐渐增大，D正确。 分析共振问题的方法 (1)在分析解答有关共振的问题时，要抓住产生共振的条件：驱动力的频率等于固有频率，此时振动的振幅最大。 (2)在分析有关共振的实际问题时，要抽象出受迫振动这一物理模型，弄清驱动力频率和固有频率，然后利用共振的条件进行求解。 探究点三　解决实际问题　(科学态度与责任之落实) [练3] (生活情景)(2021·福建三明高二期末)2021年5月18日中午，35.8米高的深圳赛格大厦发生晃动。排除地震、台风等因素的影响，专家推测可能发生了偶然性共振现象。为减小晃动幅度，你认为以下措施最具操作性的是(　　) A．降低大厦高度，增加稳定性 B．减小大厦质量，改变固有频率 C．消除周边振源，改变驱动力来源 D．安装阻尼振动装置，减小振动幅度 C　解析：当两个物体的振动频率相等时，一个物体振动，另一个物体发生共振现象，故当物体的固有频率和振源的频率接近，会以较大的振幅做振动，从而形成共振；降低大厦高度增加稳定性、减小大厦质量改变固有频率、安装阻尼振动装置减小振动幅度都可以通过改变大厦的固有频率从而防止共振现象的发生，但是不便操作；消除周边振源改变驱动力来源则比较具有操作性，故C正确，A、B、D错误。 [练4] (生活情景)(多选)(2021·浙江高考真题)为了提高松树上松果的采摘率和工作效率，工程技术人员利用松果的惯性发明了用打击杆、振动器使松果落下的两种装置，如图甲、乙所示。则(　　) A．针对不同树木，落果效果最好的振动频率可能不同 B．随着振动器频率的增加，树干振动的幅度一定增大 C．打击杆对不同粗细的树干打击结束后，树干的振动频率相同 D．稳定后，不同粗细树干的振动频率始终与振动器的振动频率相同 AD　解析：根据产生共振的条件知，当振动器的频率等于树木的固有频率时产生共振，此时落果效果最好，而不同的树木的固有频率不同，所以针对不同树木，落果效果最好的振动频率可能不同，A正确； 当振动器的振动频率等于树木的固有频率时产生共振，此时树干的振幅最大，则随着振动器频率的增加，树干振动的幅度不一定增大，B错误；打击结束后，树干做阻尼振动，阻尼振动的频率为树干的固有频率，所以粗细不同的树干频率不同，C错误；树干在振动器的振动下做受迫振动，则稳定后，不同粗细树干的振动频率始终与振动器的振动频率相同，D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $$