第2章 第5节 阻尼振动 受迫振动（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第一册（教科版2019）

机械振动 第5节　阻尼振动　受迫振动 第二章 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 必备知识 自主学习 一、自由振动、阻尼振动 1．自由振动和固有频率 (1)自由振动：振动系统在________作用下的振动。 (2)固有频率：____振动的频率。 不受外力 自由 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 必备知识 自主学习 2．阻尼振动 (1)阻尼：当振动系统受到______的作用时，振动受到了阻尼。 (2)阻尼振动：____逐渐减小的振动，如图所示。 阻力 振幅 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 必备知识 自主学习 3．无阻尼振动和阻尼振动的图像(如图甲、乙所示) 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 必备知识 自主学习 二、受迫振动 1．驱动力 如果用周期性的外力作用于振动系统，补偿系统的能量损耗，使系统持续____地振动下去，这种周期性的外力叫作驱动力。 2．受迫振动 振动系统在驱动力作用下的振动。 3．受迫振动的频率 做受迫振动的物体振动稳定后，其振动频率等于______的频率，与物体的固有频率无关。 等幅 驱动力 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 必备知识 自主学习 三、共振　共振的应用和防止 1．共振 驱动力的频率____振动物体的固有频率时，受迫振动的____最大，这种现象叫作共振。 等于 振幅 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 必备知识 自主学习 2．共振曲线 如图表示受迫振动的振幅A与驱动力频率f的关系，其中f0为振动物体的固有频率。 可以看出：当驱动力的频率f等于振动物体的固有频率f0时，振幅最大；驱动力的频率f跟固有频率f0相差越大，振幅越小。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 必备知识 自主学习 3．共振的应用 在需要用共振时，应使驱动力频率接近或等于振动系统的________，例如，测量机器转速的转速计及筛分各种粒度物料的共振筛。 4．共振的防止 在需要防止共振时，应使驱动力频率远离振动系统的________。如部队过桥时用便步；火车过桥时减速；轮船航行时改变船的航向与速度；机器运转时调节机器的转速等。 固有频率 固有频率 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 必备知识 自主学习 1．判断下列说法的正误。(对的画“√”，错的画“×”) (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。(　　　　) (4)做受迫振动的物体一定会发生共振。(　　　　) (5)阻尼振动的频率随振幅的减小而不断减小。(　　　　) √ × × × × 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 必备知识 自主学习 2．A、B两个弹簧振子，A的固有频率为f，B的固有频率为4f，若它们均在频率为f的驱动力作用下做受迫振动，则________________的振幅较大，A的振动频率是________________，B的振动频率是________________。 提示：A　f　f 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 必备知识 自主学习 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？ 提示：挑水时，由于行走时肩膀的起伏，人通过扁担对水桶作用，使水受到驱动力作用而做受迫振动，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。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 探究点一__ _________简谐运动与阻尼振动、受迫振动的比较 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，下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。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 [问题设计] (1)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？ (2)从没有系统外力作用角度看弹簧振子的振动属于什么振动？ (3)手柄匀速摇动时，观察到振幅有什么变化？为什么？ (4)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？ 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 提示：(1)阻尼振动　(2)自由振动　(3)振幅不变，给系统提供外力，补偿系统损失的能量。 (4)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。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 1．对三种振动的理解 (1)简谐运动：一种理想化的模型，物体运动过程中的一切阻力都不考虑。 (2)阻尼振动：考虑阻力的影响，是更实际的一种运动。 (3)受迫振动：物体做阻尼振动时受到周期性驱动力作用下的振动。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 2．三种振动的比较 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 【例1】 如图所示，在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。开始时不转动摇把，让振子自由上下振动，测得其频率为2 Hz，然后以60 r/min的转速匀速转动摇把，当振子振动稳定时，它的振动周期为(　　) A．0.25 s B．0.5 s C．1 s D．2 s C 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 [练1] (多选)如图所示是单摆做阻尼振动的振动图线。下列说法正确的是(　　) A．摆球在A时刻的动能等于B时刻的动能 B．摆球在A时刻的势能等于B时刻的势能 C．摆球在A时刻的机械能等于B时刻的机械能 D．摆球在A时刻的机械能大于B时刻的机械能 BD 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 探究点二__ ________共振现象的理解和应用 如图所示，在一根张紧的绳子上挂几个单摆，其中A、B的摆长相等，当A摆振动的时候，通过张紧的绳子给其他各摆施加驱动力，使其余各摆都发生摆动。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 [问题设计] (1)该实验中驱动力的频率等于什么？ (2)B、C、D摆振动的频率是否相等？ (3)三者的振幅哪个较大？ 提示：(1)驱动力的频率等于A摆的频率。 (2)频率相等，都等于A摆的频率。 (3)因A、B的摆长相等，则A、B固有频率相等，B摆的振幅较大。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 1．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。 2．共振曲线 如图所示，共振曲线的横坐标为驱动力的频率，纵坐标为受迫振动系统的振幅。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 (1)从受力角度看：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，振动能量最大，振幅最大。 (3)认识曲线的形状：f＝f0，共振；f＞f0或f＜f0，振幅较小。f与f0相差越大，振幅越小。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 3．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)防止：在需要防止共振危害时，要尽量使驱动力的频率和固有频率不相等，而且相差越多越好。如：部队过桥应便步走。 说明：共振是物体做受迫振动时的一种特殊现象。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 【例2】 (多选)下列关于共振和防止共振的说法，正确的是(　　) A．共振现象总是有害的，所以要避免共振现象发生 B．队伍过桥要慢行是为了不产生周期性的驱动力，从而避免产生共振 C．火车过桥慢行是为了使驱动力的频率远小于桥的固有频率，从而避免产生共振 D．利用共振时，应使驱动力的频率接近或等于振动物体的固有频率，防止共振危害时，应使驱动力的频率远离振动物体的固有频率 CD 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 [练2] (多选)一个单摆做受迫振动，其共振曲线(振幅A与驱动力的频率f的关系)如图所示，g取9.8 m/s2，则(　　) A．此单摆的固有周期为2 s B．此单摆的摆长约为1 m C．若摆长增大，单摆的固有频率增大 D．若摆长增大，共振曲线的峰将向右移动 AB 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 素养训练 学业评价 1．(多选)一单摆在空气中振动，振幅逐渐减小，下列说法正确的是(　　) A．振动的机械能逐渐转化为其他形式的能 B．后一时刻的动能一定小于前一时刻的动能 C．后一时刻的势能一定小于前一时刻的势能 D．后一时刻的机械能一定小于前一时刻的机械能 AD 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 素养训练 学业评价 2．如图所示，两个弹簧振子悬挂在同一个支架上，已知甲弹簧振子的固有频率为8 Hz，乙弹簧振子的固有频率为72 Hz，当支架在竖直方向且频率为9 Hz的驱动力作用下做受迫振动时，两个弹簧振子的振动情况是(　　) A．甲的振幅较大，且振动频率为8 Hz B．甲的振幅较大，且振动频率为9 Hz C．乙的振幅较大，且振动频率为9 Hz D．乙的振幅较大，且振动频率为72 Hz B 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 素养训练 学业评价 3．(多选)如图所示，在一根张紧的水平绳上悬挂五个摆，其中A、E的摆长为l，B的摆长为0.5l，C的摆长为1.5l，D的摆长为2l，先使A振动起来，其他各摆随后也振动起来，则摆球振动稳定后(　　) A．D的振幅一定最大 B．E的振幅一定最大 C．B的周期一定最短 D．其余四个摆的周期相同 BD 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 素养训练 学业评价 4．如图甲所示，一个有固定转动轴的竖直圆盘转动时，固定在圆盘上的小圆柱带动一个T形支架在竖直方向振动，T形支架的下面系着一个由弹簧和小球组成的振动系统。圆盘静止时，让小球做简谐运动，其振动图像如图乙所示，圆盘匀速转动时，小球做受迫振动，小球振动稳定时，下列说法正确的是(　　)　 A．小球振动的固有频率是4 Hz B．小球做受迫振动时周期一定是4 s C．圆盘转动周期在4 s附近时，小球 振幅显著增大 D．圆盘转动周期在4 s附近时，小球振幅显著减小 C 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 素养训练 学业评价 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 素养训练 学业评价 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 课时梯级训练(13) 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 谢谢观看 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 物理观念 科学探究 科学态度与责任 1.知道什么是自由振动和阻尼振动，并能从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，知道常见共振的应用和危害。 通过做受迫振动的实验，使学生了解受迫振动的特点，体会受迫振动的相关概念。 共振的应用和危害。 　　　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 固有频率 频率不变 由驱动力的频率决定 　　　振动类型 比较项目 简谐运动 阻尼振动 受迫振动 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 弹簧振子受摇把的作用而振动，做受迫振动，所以其振动的周期等于驱动力的周期，60 r/min＝1 r/s，故T＝1 s，C正确。 在单摆振动过程中，因不断克服空气阻力做功使机械能逐渐转化为内能，C错误，D正确；虽然单摆总的机械能在逐渐减小，但在振动过程中动能和势能仍在不断地相互转化；由于A、B两时刻，单摆的位移相等，所以势能相等，但动能不相等，A错误，B正确。 共振现象有利也有弊，A错误；过桥慢行是为了使驱动力的频率与桥的固有频率相差很多，从而避免桥产生共振现象，B错误，C正确；当固有频率与驱动力的频率相同时，物体产生共振现象，D正确。 由共振条件知单摆固有频率为f＝0.5 Hz，则其固有周期为T＝＝2 s，A正确；由单摆周期公式T＝2π，可求得单摆的摆长为l＝≈1 m，B正确；摆长增大，单摆的周期变大，其固有频率变小，共振曲线的峰将向左移动，C、D错误。 单摆振动过程中，会不断克服空气阻力做功使机械能逐渐减小，A、D正确；虽然单摆总的机械能在逐渐减小，但在振动过程中动能和势能仍不断地相互转化，动能转化为势能时，动能逐渐减少，势能逐渐增加，而势能转化为动能时，势能逐渐减少，动能逐渐增加，所以不能断言后一时刻的动能(或势能)一定小于前一时刻的动能(或势能)，B、C错误。 支架在竖直方向且频率为9 Hz的驱动力作用下做受迫振动时，甲、乙两个弹簧振子都做受迫振动，它们振动的频率都等于驱动力的频率9 Hz，由于甲的固有频率更接近驱动力的频率，所以甲的振幅较大，B正确，A、C、D错误。 A振动起来后，使得B、C、D、E做受迫振动，振动的频率都等于A振动的频率，即各摆振动的周期都相等，C错误，D正确；由于D与A的摆长相差最大，E与A的摆长相等，所以D的振幅最小，E发生共振，振幅最大，A错误，B正确。 5．如图甲所示，在一条张紧的绳子上挂三个完全相同的摆球，a、c摆的摆长相同且为b摆的摆长的。先让a摆振动起来，通过张紧的绳子给其他各摆施加驱动力，它们随后也振动起来。忽略空气阻力，各摆稳定后，图乙是b摆的振动图像。c摆振动的周期为________________；b摆的最大振幅________________(选填“大于”“等于”或“小于”)c摆的最大振幅；a摆的摆长为________________，重力加速度为g。 答案：t0　小于　 (1)物体做受迫振动时，振动周期等于驱动力的周期，即a、b、c振动的周期相同，所以c摆振动的周期为T＝t0。 (2)对b，驱动力的周期等于其固有周期，所以b的振幅最大，即b摆的最大振幅小于c摆的最大振幅。 (3)根据单摆的周期公式可得T＝2π 所以l＝。 $$