2.4 受迫振动 共振 课时教案-2025-2026学年高二上学期物理沪科版选择性必修第一册

2.4《受迫振动 共振》课时教案

学科

物理

年级册别

高一上册

共1课时

教材

沪科版选择性必修第一册

授课类型

新授课

第1课时

教材分析

教材分析
本节内容位于沪科版高中物理选择性必修第一册第二章第4节，是机械振动知识的深化与拓展。在学生已掌握简谐运动、阻尼振动的基础上，引入外力驱动下的受迫振动概念，并重点探讨共振现象的产生条件及其在实际生活中的广泛应用与危害。教材通过弹簧振子和单摆等典型模型，结合实验观察与理论分析，帮助学生建立“驱动力频率与系统固有频率关系决定振幅大小”的核心观念。内容兼具理论深度与实践价值，为后续学习波动、声学及工程技术应用打下基础。

学情分析
高一学生已具备初步的力学知识体系，理解了牛顿定律、胡克定律以及简谐运动的基本特征，但对动态系统的能量输入与响应机制尚缺乏直观认知。学生在生活中接触过秋千、桥梁晃动、音响共鸣等现象，但未能从物理角度进行抽象建模。其思维正处于由形象向逻辑过渡阶段，合作探究能力较强，但对复杂变量间的关系（如频率匹配）理解易出现偏差。教学中需借助可视化实验、情境模拟和小组协作，降低认知门槛，引导学生通过数据分析归纳规律，突破“共振条件”这一抽象难点。

课时教学目标

物理观念
1. 理解受迫振动的概念，能区分自由振动、阻尼振动与受迫振动的本质差异；掌握共振的定义及产生条件，明确驱动力频率接近系统固有频率时振幅最大的规律。
2. 能用能量观点解释共振现象：当驱动力做功节奏与系统自然节奏一致时，能量持续高效输入，导致振幅急剧增大。

科学思维
1. 通过分析弹簧振子在外力周期性驱动下的运动图像，运用类比与归纳方法提炼共振发生的临界条件，发展模型建构与逻辑推理能力。
2. 面对真实工程案例（如 Tacoma 桥倒塌），能够提取关键物理因素，构建简化物理模型，进行因果推断与批判性思考。

科学探究
1. 设计并操作“可调频驱动力作用下的弹簧振子”实验，测量不同驱动频率下系统的稳态振幅，绘制 f-F 图像，验证共振曲线的存在。
2. 在小组合作中合理分工，准确记录数据，利用图表工具处理信息，得出科学结论，并能反思实验误差来源。

科学态度与责任
1. 认识到共振既有有益应用（如乐器发声、微波炉加热）也有潜在危害（建筑结构破坏、机械疲劳），形成辩证看待科学技术的价值观。
2. 关注生活中与振动相关的安全问题，增强社会责任意识，能在家庭或公共场合识别可能引发共振的风险隐患并提出合理建议。

教学重点、难点

重点
1. 受迫振动的基本特征：系统最终以驱动力频率振动，振幅取决于频率差。
 

2. 共振的定义与产生条件：当驱动力频率等于或接近系统固有频率时，振幅达到最大值。

难点
1. 理解“为何频率匹配会导致能量积累而非抵消”，突破直觉误区。
2. 将抽象的共振原理迁移到复杂现实场景中进行解释与预测，实现知识的结构化迁移。

教学方法与准备

教学方法
情境探究法、实验探究法、讲授法、合作学习

教具准备
可调频电动驱动器、弹簧振子装置、位移传感器、数据采集器、投影仪、共振音叉套组、Tacoma桥断裂视频片段

教学环节

教师活动

学生活动

情境导入
【5分钟】

一、生活现象激疑，启动思维引擎。

（一）、播放Tacoma Narrows大桥坍塌历史影像。
教师缓缓开启投影，一段黑白纪录片画面浮现：一座雄伟悬索桥在微风中剧烈扭动，宛如巨蛇翻腾，最终轰然断裂坠入江中。教室瞬间安静，学生目光被牢牢吸引。“这是1940年美国Tacoma大桥的真实灾难。当时风速仅18米/秒，远未达设计抗风标准。为何一座现代化桥梁会如此脆弱？”我停顿片刻，轻声追问，“真的是‘风吹倒’的吗？还是背后隐藏着某种我们看不见的力量？”

（二）、引导联想日常经验，激发认知冲突。
“请大家回忆：荡秋千时，怎样才能越荡越高？是不是每次都在最高点轻轻推一下？如果推得太早或太晚，反而会减慢速度。”我边说边用手势模拟推秋千的动作，“再想想音乐厅里的钢琴，为什么某些音符会让玻璃杯微微颤抖甚至破裂？这些看似无关的现象，其实都指向同一个神秘的物理法则——今天我们要揭开它的面纱。”板书课题《受迫振动 共振》，并在“共振”二字下方画上醒目的波浪线，“它既是艺术的灵魂，也可能是毁灭的序曲。”

1. 观看视频，感受震撼。
2. 回忆生活经历，产生疑问。
3. 思考现象背后的共同原因。
4. 明确学习主题，进入探究状态。

评价任务

现象描述：☆☆☆
问题提出：☆☆☆
兴趣激发：☆☆☆

设计意图

以极具视觉冲击的真实工程事故切入，制造强烈认知冲突，打破“力大才致灾”的常识思维定式。通过秋千、乐器等生活实例建立亲切感，将抽象概念锚定于具体经验之中，为后续探究铺设情感与认知双重路径。引用“既是艺术的灵魂，也可能是毁灭的序曲”增强语言张力，提升课堂审美层次。

新知建构
【12分钟】

一、厘清概念层级，构建知识框架。

（一）、对比三种振动模式，明确受迫振动特征。
教师在黑板左侧绘制三栏表格：“自由振动”、“阻尼振动”、“受迫振动”。依次提问：“一个弹簧振子被拉离平衡位置后释放，它做什么运动？”学生回答“简谐运动”后，我在第

1. 参与问答，回顾旧知。
2. 观察实验现象，记录变化趋势。
3. 描述振幅随频率的变化规律。
4. 初步形成“特定频率引

一栏写下“无外力，按固有频率振动”。“若加入空气阻力呢？”学生答“振幅逐渐减小”，我补充“存在阻力，频率不变，振幅衰减”。“现在设想有人用手周期性地推动这个振子，不管它原来怎么动，最终它会跟着谁的节奏跳舞？”引导得出“跟随驱动力频率振动”的结论，并强调：“这就是受迫振动的核心——系统的命运被外部节奏所主宰。”

（二）、演示实验初探，感知频率影响。
连接电动驱动器与弹簧振子，调节驱动频率极低（如0.5Hz），让学生观察振子缓慢摆动，振幅较小；逐步提高至2Hz左右，发现振幅显著增大；继续升高至4Hz以上，振幅又变小。“你们看到了什么变化？哪个频率附近最‘疯狂’？”鼓励学生描述现象，“就像有人推你荡秋千，只有时机刚刚好，才能把你送上最高处。”我总结道，“这个让系统‘发疯’的特殊频率，就是共振频率。”

发大振幅”的猜想。

评价任务

概念辨析：☆☆☆
现象描述：☆☆☆
规律归纳：☆☆☆

设计意图

通过横向对比强化概念边界，避免混淆。利用可调控实验装置提供直观感知，使“频率-振幅”关系从模糊印象转为具体体验。采用拟人化语言“跟着谁的节奏跳舞”“发疯”增强表达感染力，契合青少年心理特点。过渡语“时机刚刚好”巧妙呼应前文秋千比喻，保持故事线连贯。

实验探究
【15分钟】

一、分组实验设计，收集共振数据。

（一）、布置任务，明确操作流程。
将全班分为6个小组，每组配备一套含位移传感器的数据采集系统。“你们的任务是：固定弹簧质量与劲度系数，改变电动驱动器的频率，从0.5Hz开始，每隔0.5Hz测量一次系统稳定后的最大振幅，直至5.0Hz。特别注意在2.0~3.0Hz区间加密测量（每0.2Hz一次），因为这里很可能藏着‘峰值’。”发放实验记录表，示范如何读取传感器数值，“记住：每次改变频率后，等待至少10秒让系统稳定再读数。”

 

二、指导操作细节，确保数据可靠。

（一）、巡视各组，纠正操作偏差。
我发现第三组急于求成，在频率刚调整后立即记录数据，立刻介入：“你们有没有感觉到秋千需要几轮推动才会高起来？系统也需要时间‘适应’新的节奏。耐心等待，让数据真实说话。”又见第五组误将传感器安装松动，提醒：“任何额外晃动都会污染你的信号，就像听诊器没贴紧胸口一样。”

（二）、引导数据分析，绘制共振曲线。
所有小组完成数据采集后，指导使用电脑软件绘制“驱动频率-振幅”散点图。“看看你们的图形像什么？是不是像一座山峰？”我投影一组典型数据，“这座山的顶点对应的频率，就是该系统的共振频率。查一下你们弹簧的固有频率理论值是多少

1. 分组领取器材，调试设备。
2. 按步骤调节频率，等待稳定后记录振幅。
3. 整理数据，绘制f-A图像。
4. 分析图像特征，确定共振频率。