第五节 受迫振动 共振（表格式教学设计）物理粤教版2019选择性必修第一册

该高中物理教学设计《受迫振动 共振》聚焦阻尼振动、受迫振动频率特性、共振条件及应用与防止等核心知识点。以古代“洗”盆摩擦发声溅水花现象导入，从简谐运动（理想模型）过渡到阻尼振动（实际振动），再到受迫振动（外力驱动）与共振（特殊受迫振动），构建从理想到实际的振动认知支架。 本设计突出实验驱动与素养融合：通过弹簧振子受迫振动实验、单摆共振实验引导学生动手操作（科学探究），对比自由、阻尼、受迫振动构建认知结构（科学思维），结合乐器共鸣、地震破坏等实例渗透趋利避害意识（科学态度与责任）。助力学生提升探究能力与思维品质，为教师提供结构化、生活化的实操教学方案。

第五节　受迫振动 共振 年级 高二年级 学科 物理 教师 课题 第五节　受迫振动 共振 教学 目标 物理观念 理解受迫振动的概念，知道其振动频率等于驱动力频率而非系统的固有频率；掌握共振的定义、产生条件（驱动力频率接近或等于系统固有频率），并能解释共振时振幅最大的物理本质。 科学思维 能通过对比自由振动、阻尼振动与受迫振动的区别，构建完整的振动分类认知结构；运用图像分析法解读A-f共振曲线，推理不同阻尼条件下共振峰的变化规律。 科学探究 设计并观察受迫振动实验，记录不同驱动力频率下振动物体的振幅变化；基于实验数据绘制共振曲线，归纳共振发生的临界条件。 科学态度 与责任 认识共振在科技与生活中的双重影响（如乐器共鸣、地震破坏、机械故障)；树立利用科学原理趋利避害的责任意识，提出防止有害共振的实际措施。 教学 重难点 1.知道什么是阻尼振动以及什么情况下可以把实际发生的振动看成简谐运动(重难点)。 2.知道什么是驱动力和受迫振动(重点)。 3.知道什么是共振以及发生共振的条件，了解共振现象的应用和防止(重点)。 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 教师：（展示图片）“洗”是古代盥洗用的脸盆，多用青铜铸成，现代亦有许多仿制的工艺品。倒些清水在其中，用手掌慢慢摩擦盆耳，盆就会发出嗡嗡声，到一定节奏时还会溅起层层水花。这是为什么？ 学生思考问题。 新课讲授 一、等幅振动阻尼振动 教师：简谐运动是实际振动的理想化模型，是一种机械能守恒的振动，所以振幅保持不变。这种振幅不变的运动叫作等幅振动。 例如： 思考：在实际生活中,这些振动都会受到空气阻力的作用,它将如何运动? 学生：受到空气阻力的影响,振幅会逐渐减小,最后停下来。 教师：这种振幅随时间逐渐减小的振动，称为阻尼振动。请同学们思考讨论一下，如何理解阻尼振动呢？ 学生：①同一机械振动能量的大小由振幅大小确定； ②阻尼振动振幅减小的快慢跟所受阻尼（空气阻力和摩擦力等）的大小有关,阻尼越大,振幅减小得越快； ③物体做阻尼振动时,振幅虽不断减小,但振动的频率仍由自身结构特点所决定,并不会随振幅的减小而变化； ④阻尼振动若在一段不太长的时间内振幅没有明显的减小,可以把它当成简谐运动来处理自由振动和固有频率如果振动系统不受外力的作用,此时的振动叫作自由振动,其自由振动频率称为固有频率系统的固有频率只与系统自身的参数有关,与拆幅大小无关。 学生思考并回答问题。 新课讲授 二、受迫振动 教师：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。 (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)用不同的转速匀速转动手柄，弹簧振子的振动快慢有何不同？这能说明什么问题？ (4)在摇动手柄的过程中，弹簧振子的振幅是否可以不变？为什么？ 学生：(1)阻尼振动。(2)固有振动。(3)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。 (4)振幅可以不变，周期性的外力作用于振动系统，可以对系统做功，补偿系统损失的能量。 教师：若振动系统受到周期性的外力作用,就可以利用外力对系统做功,补偿系统因阻尼作用而耗散的机械能,使系统维持振动的振幅不变,这种周期性的外力叫作驱动力。系统在驱动力作用下的振动叫作受迫振动。 教师：演示实验： 提问：仔细观察，同学们可以得出什么结论？ 学生：物体做受迫振动时,振动稳定后的频率等于驱动力的频率,跟物体的固有频率无关。 同学上台辅助完成实验演示。 认真观察演示实验，得出结论。 新课讲授 三、共振的应用和防止 教师：虽然受迫振动的频率与振动系统的固有频率无关，但两者之间的差别会影响外界向受迫振动系统输入能量的多少。让我们先来观察下面的实验。如图所示，先让A摆振动起来，A会通过张紧的绳子给其他各摆施加驱动力，B、C、D三个摆在驱动力作用下开始摆动： (1)B、C、D三摆的频率有什么关系？ (2)观察B、C、D三摆的振幅，哪一个摆的振幅最大？摆的振幅与固有频率和驱动力频率大小有什么关系？ 学生：(1)B、C、D三摆都在做受迫振动，其频率都等于A摆的频率，即B、C、D三摆频率相同。 (2)B摆的振幅最大；固有频率越接近驱动力频率，受迫振动摆的振幅越大。 师生：共同归纳共振的相关知识 1.共振 当驱动力的频率等于固有频率时，物体做受迫振动的振幅达到最大值，这种现象称为共振。 2.共振的条件：f驱=f固，即驱动力的频率与物体的固有频率相等。 3.共振曲线(如图所示) 教师：结合教材说说生活中有哪些关于共振的应用？ 学生：①机械共振：共振筛、地震仪、超声工具…… ②原子、分子共振：光源（日光灯、激光等）、电子表、原子钟 ③声共振又称共鸣：声乐、器乐，医学和仿生学的研究有很大意义 教师：共振也有不利的一面，要如何防止共振呢？ 学生：①队伍过桥，不能齐步走； ②轮船航行时看波浪的撞击方向而改变速度和方向； ③机械运转防共振要调节转速或加防震垫； 认真观察演示实验，回答问题。 新课讲授 四、典例分析 教师：请同学思考完成下列例题。 【典例1】下列说法正确的是（　　） A．简谐运动是一种匀变速直线运动 B．物体做机械振动时的振动图像都满足正弦规律 C．物体做受迫振动达到稳定状态时，振动频率等于驱动力的频率 D．物体做阻尼振动时，随着振幅的减小，频率也不断减小 【答案】C 【详解】A．简谐运动的加速度时刻变化，不是匀变速运动，故A错误； B．物体做简谐运动时的振动图像都满足正弦规律，故B错误；C．物体做受迫振动达到稳定状态时，振动频率等于驱动力的频率，故C正确；D．物体做阻尼振动时，振幅逐渐减小，周期不变，频率不变，故D错误。故选C。 【典例2】如图是单摆做阻尼振动的位移-时间图像，比较摆球在P与N时刻的势能、动能、机械能的大小，下列说法正确的是（　　）    A．势能P＞N B．动能P＞N C．动能P＜N D．机械能P＜N 【答案】B 【详解】D．由于单摆做阻尼振动，振动过程中要克服阻力做功，振幅逐渐减下，摆球的机械能逐渐减少，所以摆球在P时刻所对应的机械能大于在N时刻所对应的机械能；故D错误；A．摆球的势能是由摆球相对于零势能点的高度和摆球的质量共同决定的，摆球的质量是定值，由于P、N两时刻摆球的位移大小相同，故在这两个时刻摆球相对零势能点的高度相同，势能也相同，故A错误；B C．由于P时刻的机械能大于N时刻的机械能，两时刻的势能相同，所以P时刻对应的动能大于在N时刻的动能。故B正确，C错误； 故选B。 【典例3】如图所示，在一根张紧的水平绳上，悬挂有a、b、c、d、e五个单摆，让a摆略偏离平衡位置后无初速释放，在垂直纸面的平面内振动；接着其余各摆也开始振动。下列说法中正确的是（　　） A．各摆的振动周期与a摆相同 B．各摆的振幅大小不同，e摆的振幅最大 C．各摆的振动周期不同，c摆的周期最长 D．各摆均做自由振动 【答案】A 【详解】ACD．让a摆略偏离平衡位置后无初速释放，a摆做自由振动，其振动周期等于固有周期，b、c、d、e四个单摆在a摆的驱动力作用下做受迫振动，振动周期等于驱动力的周期，即等于a摆的固有周期，故各摆的振动周期与a摆相同，故A正确，CD错误；B．由于a、c摆长相同，c摆所受驱动力的频率与固有频率相等， c摆出现共振现象，故各摆的振幅大小不同，c摆的振幅最大，故B错误。故选A。 【典例4】下列说法正确的是（　　） A．音叉的共鸣利用的是声波的反射 B．部队通过桥梁时要齐步走，保证桥梁受力均匀，以免坍塌 C．微波炉加热是利用电磁波共振加热的原理 D．在连续海浪冲击下，小船上下振动是共振现象 【答案】C 【详解】A．音叉的共鸣利用的是声波的共振，故A错误；B．部队不能齐步走通过桥梁，是为了防止齐步走的频率与桥的固有频率相同，避免桥发生共振产生坍塌，故B错误；C．微波炉加热是利用电磁波共振加热的原理，故C正确；D．在连续均匀的海浪冲击下，停在海面的小船上下振动，是受迫振动，故D错误。故选C。 学生思考，完成例题解答。 课 堂 练 习 1.自由摆动的秋千，摆动的振幅越来越小，下列说法正确的是(　　) A.机械能守恒 B.能量正在消失 C.总能量守恒，机械能减小 D.只有动能和势能的相互转化 答案　C 解析　自由摆动的秋千，振幅越来越小，则振动系统中的能量转化不只是系统内部动能和势能的相互转化，振动系统是一个开放系统，与外界时刻进行着能量交换，但总能量守恒，系统由于受到阻力，消耗系统机械能，从而使振动的机械能不断减小，故C正确。 2.关于受迫振动，下列说法正确的是(　　) A.为了防止桥梁发生共振而坍塌，部队要齐步通过桥梁 B.鼓手随音乐敲击鼓面时鼓面的振动是自由振动 C.洗衣机工作时机壳的振动频率等于其固有频率 D.唱歌时胸腔共鸣是由于声带振动激起空气柱振动传到胸腔引起的共振 答案　D 解析　为了防止桥梁发生共振而坍塌，部队要便步通过桥梁，A错误；鼓手随音乐敲击鼓面时鼓面的振动是受迫振动，B错误；洗衣机工作时机壳的振动频率等于电机转动时所给的驱动力的频率，C错误；唱歌时胸腔共鸣是由于声带振动激起空气柱振动传到胸腔引起的共振，D正确。 3.某种减噪装置结构如图所示，通过装置的共振可吸收声波。已知其固有频率为f0＝(SI制)，其中σ为薄板单位面积的质量，L为空气层的厚度。经测试发现它对频率为200 Hz的声音减噪效果最强，若外界声波频率由200 Hz变为300 Hz，则(　　) A.系统振动频率为200 Hz B.系统振动频率为300 Hz C.为获得更好减噪效果，可仅增大L的大小 D.为获得更好减噪效果，可仅换用σ更大的薄板 答案　B 解析　系统做受迫振动，振动时的频率等于驱动力的频率，即为300 Hz，故A错误，B正确；由于驱动力的频率大于系统的固有频率，在驱动力的频率一定时，为获得更好的减噪效果，应使系统的固有频率增大，由f0＝(SI制)可知，应减小σ或L，故C、D错误。 4.如图所示是一物体做受迫振动时的振幅与驱动力频率的关系图像，由图可知(　　) A.驱动力频率为f2时，物体处于共振状态 B.物体做自由振动时，频率可以为f1、f2或f3 C.要减小共振的危害，必须使物体的振动频率接近f2 D.要利用共振的效果，必须使物体的振动频率远大于f3 答案　A 解析　由题图可知驱动力频率为f2时，物体振幅最大，处于共振状态，选项A正确；当驱动力的频率等于物体的固有频率时，物体振幅最大，由题图可知该物体的固有频率为f2，物体做自由振动时，频率为固有频率f2，选项B错误；物体的振动频率越接近固有频率，振幅越大，故要减小共振的危害，必须使物体的振动频率远离f2；要利用共振的效果，必须使物体的振动频率接近f2，选项C、D错误。 5.如图所示，三个单摆的摆长为L1＝1.5 m，L2＝1 m，L3＝0.5 m，现用一周期等于2 s的驱动力，使它们做受迫振动，那么当它们的振动稳定时，下列判断中正确的是(　　) A.三个摆的周期、振幅均相等 B.L3的周期最短，L1的振幅最大 C.三个摆的周期相等，L2振幅最大 D.L1的周期最长，L2的振幅最大 答案　C 解析　三个单摆均在驱动力作用下做受迫振动，当它们的振动稳定后，其振动周期与驱动力的周期相同，均为2 s；根据单摆周期公式，摆长为L2＝1 m时的固有周期为T2＝2π≈2 s，摆长为L1＝1.5 m和L3＝0.5 m时各自的固有周期分别为T1、T3，则有T3<T2<T1，可知T2最接近驱动力的周期，所以L2的振幅最大，故A、B、D错误，C正确。 课 堂 小 结 通过受迫振动共振实验，让学生在观察实验现的基础上，推理分析得出受迫振动的特点、了解共振的条件，加深对振动的理解，提升科学思维能力。通过课前查找共振现象的资料和课上分享环节，让学生了解共振的危害及应用，加强理论联系实际的能力。 板 书 设 计 第五节　受迫振动 共振 一、等幅振动阻尼振动 1.振幅不变的运动叫作等幅振动。 2.振幅随时间逐渐减小的振动，称为阻尼振动。 二、受迫振动 1.驱动力：如果存在阻尼作用，振动系统最终会停止振动。为了使系统持续振动下去，对振动系统施加周期性的外力 ，外力对系统做功，补偿系统的能量损耗，这种周期性的外力叫作驱动力。 2.受迫振动：系统在驱动力作用下的振动叫作受迫振动。 三、共振的应用和防止 1.共振：当驱动力的频率等于固有频率时，物体做受迫振动的振幅达到最大值，这种现象称为共振。 2.共振的条件：f驱=f固，即驱动力的频率与物体的固有频率相等。 3.共振曲线(如图所示) 作业 布置 1.完成教材课后作业：“练习”。 2.配套分层作业。 教学反思 本节课是本章最后一节，由理想模型的简谐运动回到生活中的振动，引导学生从受力和能量的角度来理解阻尼振动和受迫振动，继续认识到力与运动的观点和能量的观点是分析物理问题的基本方法。从受力和能量角度来让学生理解简谐运动、阻尼振动和受迫振动的不同，进一步加深学生对力和运动与能量的物理观念的理解。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $