2.5 受迫振动 共振 课件 -2025-2026学年高二下学期物理粤教版选择性必修第一册

第五节 受迫振动 共振 塔科马海峡大桥位于美国华盛顿州的塔科马海峡，于1940年7月1日通车，于1940年11月7日坍塌。 当时的风速大约为18 m/s。 思考：在风速不大的情况下，是什么原因使庞大的桥体出现巨大的晃动最终倒塌？ 2 一、等幅振动、阻尼振动与受迫振动 弹簧振子和单摆都是理想化模型，是机械能守恒的振动，振幅保持不变。 （一）等幅振动 等幅振动：振幅不变的振动 3 一、等幅振动、阻尼振动与受迫振动 思考1：如果不给秋千提供持续的动力，秋千将做什么样的运动？其能量如何变化？原因是什么？ （二）阻尼振动 阻尼振动：振幅逐渐减小的振动 秋千将做振幅不断减小的振动，最终停下来； 秋千的机械能不断耗散； 原因是受到阻力的作用（摩擦力、空气阻力等）。 4 一、等幅振动、阻尼振动与受迫振动 思考2：如果要秋千做周期性的等幅振动，可以采取什么措施？ （三）受迫振动 受迫振动：在外界驱动力作用下的振动 周期性地在适当的时候给秋千一个与秋千运动方向一致的推力，补偿秋千不断耗散的机械能，维持其振幅不变。 5 二、受迫振动的频率 观察实验： 在秋千每次到达最高点时提供推力: 秋千的摆动周期（频率）＝驱动力的周期（频率）＝固有周期（频率） 提出问题：受迫振动的频率与什么因素有关？ 已知单摆的固有周期： 在秋千每次未到达最高点时提供推力: 秋千的摆动周期（频率）＝驱动力的周期（频率）≠固有周期（频率） 作出猜想：受迫振动的频率由驱动力的频率决定，与物体的固有频率无关。 6 二、受迫振动的频率 实验探究一： 三个固有频率（周期）不同的弹簧振子做受迫振动。 控制变量法 已知弹簧振子的固有周期： 手摇柄 步骤一：三个弹簧劲度系数不同，三个小球质量相等，在手摇柄的驱动下使三个振子稳定振动后，再逐渐提高手摇柄的转速。 实验现象：振动稳定时，三个弹簧振子的振动周期与手摇柄的转动周期相等；提高手摇柄转速时，三个弹簧振子的振动周期均减小。 实验结论：弹簧振子做受迫振动时，振动周期等于驱动力的周期，与弹簧的劲度系数无关。 7 二、受迫振动的频率 实验探究一： 三个固有频率（周期）不同的弹簧振子做受迫振动。 控制变量法 已知弹簧振子的固有周期： 手摇柄 步骤二：三个弹簧劲度系数相同，三个小球质量不同，在手摇柄的驱动下使三个振子稳定振动后，再逐渐提高手摇柄的转速。 结论：做受迫振动的弹簧振子振动周期与驱动力的周期相等， 即受迫振动的频率与驱动力的频率相等。 实验现象：振动稳定时，三个弹簧振子的振动周期与手摇柄的转动周期相等；提高手摇柄转速时，三个弹簧振子的振动周期均减小。 实验结论：弹簧振子做受迫振动时，振动周期等于驱动力的周期，与小球的质量无关。 8 二、受迫振动的频率 实验探究二： 五个固有频率（周期）不同的单摆做受迫振动。 已知单摆的固有周期： 策动摆 实验现象：策动摆通过横杆驱动五个小球做单摆运动，振动稳定时，左侧五个小球的摆动周期与策动摆的周期相等；增大策动摆的摆长时，左侧五个小球的摆动周期均增大。 实验结论：做受迫振动的单摆的周期与驱动力的周期相等， 即受迫振动的频率与驱动力的频率相等。 五个小球质量相同，摆长不等，固有周期不相等。 实验步骤：调节策动摆的摆长，使其与左侧五个单摆的摆长均不相等，使策动摆摆动起来，多次改变策动摆的摆长，重复实验。 横杆 9 三、共振 实验探究一： 五个固有频率（周期）不同的单摆做受迫振动。 已知单摆的固有周期： 实验现象：策动摆的摆长与哪个单摆的摆长相等，该单摆的振幅就达到最大；与策动摆的摆长相差越大的单摆，振动振幅相对越小。 实验结论：驱动力频率等于单摆的固有频率时，受迫振动的振幅最大，说明从外界获得的能量最大。 五个小球质量相同，摆长不等，固有周期不相等。 实验步骤：调节策动摆的摆长，使其与单摆A的摆长相等，使策动摆摆动起来，观察左侧五个小球的摆动情况，多次改变策动摆的摆长，使其依次与单摆B、C、D、E的摆长相等，重复实验。 策动摆 横杆 10 三、共振 实验探究二： 音叉的共鸣。 橡胶锤 乒乓球 11 三、共振 实验探究二： 音叉的共鸣。 步骤一：将固有频率为440Hz的音叉A与乒乓球接触，用橡胶锤击打音叉A。 现象与分析：音叉发出特定频率的声音，乒乓球被音叉振动弹开，说明音叉发出声音是由于振动。 12 三、共振 实验探究二： 音叉的共鸣。 步骤二：将另一固有频率也为440Hz的音叉B靠近音叉A,用橡胶锤击打音叉B。 现象与分析：音叉B发出与步骤一中的音叉A相同频率（音调）的声音，乒乓球被音叉A弹开，说明音叉B振动时，驱动音叉A也振动起来。 13 三、共振 实验探究二： 音叉的共鸣。 步骤三：将固有频率为256Hz的音叉C靠近音叉A,用橡胶锤击打音叉C。 现象与分析：音叉C发出与步骤一中的音叉A不同频率（音调）的声音，乒乓球保持静止，没有被音叉A弹开，说明音叉C振动时，音叉A没有明显振动。 实验结论： 音叉A和音叉B的固有频率相同，音叉A受迫振动的振幅最大； 音叉A和音叉C的固有频率不同，音叉A没有发生明显的受迫振动。 14 三、共振 共振：驱动力频率等于振动系统的固有频率时，受迫振动的振幅最大，说明从外界获得的能量最大，这种现象叫做共振。 共振曲线：受迫振动的振幅与驱动力频率的关系，f0为振动系统的固有频率。 课堂讨论：请讨论分析塔科马海峡大桥被风吹动后最终断裂可能的原因？并查阅相关资料。 15 四、共振的应用和防止 共振的应用 共振筛 龙洗盆 试结合共振的知识，分析共振筛和龙洗盆的物理原理。 16 四、共振的应用和防止 共振的应用 各种器乐都有共鸣箱 非洲鼓 提琴 手风琴 17 四、共振的应用和防止 共振的防止 减速带使路面稍微拱起以达到车辆减速的目的。若某路面上的减速带的间距为1.5m，一辆固有频率为2Hz的汽车匀速驶过该减速带，试分析：汽车行驶的速度为何值时，汽车颠簸得最厉害？由此你能获得什么生活经验？ 分析：由 可知，汽车的固有周期为 汽车以速度v匀速行驶时，振动周期为 ， 当 时，汽车发生共振，颠簸得最厉害， 可解得 18 四、共振的应用和防止 共振的防止 思考：在队伍过桥时，应避免齐步走，请分析其中的物理原理。 分析：队伍过桥时，整齐的步伐会对桥梁产生周期性的驱动力，如果驱动力的频率接近或等于桥梁系统的固有频率，则可能使桥梁发生共振，振幅显著增大，严重的会使桥梁断裂。 19 四、共振的应用和防止 共振的防止 思考：火车过桥要按设计要求的速度通过，试从共振的角度分析其物理原理。 分析：火车过桥时，车轮对铁轨接头处的撞击，会对桥梁产生周期性的驱动力，为了避免驱动力的频率接近或等于桥梁系统的固有频率使桥梁产生共振，需要以设计要求的速度通过，使驱动力的频率接与桥梁系统的固有频率保持一定的差距。 20 三、课堂小结 简谐振动 →阻尼振动 →受迫振动 受迫振动的特点： f迫＝f驱 共振 概念 发生共振的条件： 共振曲线 f驱＝f固 共振的应用与防止 受迫振动 共振 21 EVCapture4.1.8软件录制 Lavf57.25.100 本视频由湖南一唯信息科技开发的EV录屏软件录制，www.ieway.cn T＝2πeq \r(\f(L,g)) $