高中物理第十一章机械振动第5节外力作用下的振动教案新人教选修.docx

第五节 外力作用下的振动物理核心素养主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面构成。教学目标：（一）物理观念1、知道什么是阻尼振动；知道在什么情况下可以把实际发生的振动看作简谐运动。2、知道什么叫驱动力，什么叫受迫振动，能举出受迫振动的实例。3、知道受迫振动的频率等于驱动力的频率，跟物体的固有频率无关。4、知道什么是共振以及发生共振的条件。（二）科学思维、科学探究1、通过演示实验，了解阻尼振动的特点，明确受迫振动的频率决定于驱动力的频率。2、通过分析实际例子，得到什么是受迫振动和共振现象，培养学生理论联系实际的能力。（三）科学态度与责任1、振动有多种不同类型说明各种运动形式都是普遍性下的特殊性的具体体现。2、通过共振产生条件的教学，认识内因和外因的关系。教学重点：受迫振动的概念以及共振及产生共振的条件。教学难点：共振及产生共振的条件。教学方法:观察、对比、讨论、阅读、实验演示、多媒体展示。教学用具：单摆、受迫振动演示仪、共振演示仪、两个相同的带有共鸣箱的音叉、橡皮槌、CAI课件【课时安排】1课时（固有频率的概念在研究弹簧振子或单摆时已经给出，所以本节课直接从阻尼振动开始）教学过程:（一）引入新课复习提问让学生注意观察教师的演示实验。教师把弹簧振子的振子向右移动至B点，然后释放，则振子在弹性力作用下，在平衡位置附近持续地沿直线振动起来。重复两次让学生在黑板上画出振动图象的示意图（图1中的）。再次演示上面的振动，只是让起始位置明显地靠近平衡位置，再让学生在原坐标上画出第二次振子振动的图象（图1中的）。和应同频、同相、振幅不同。结合图象和振子运动与学生一起分析能量的变化并引入新课。（二）新课教学1、阻尼振动前面我们研究了简谐运动中能量的转化，对简谐运动而言，当供给振动系统一定的能量使它开始振动后，由于机械能守恒，它就以一定的振幅永不停息地振动下去，简谐运动是一种理想化的振动。下面我们来观察两个实际振动：演示：（1）实际的单摆发生的振动；（2）敲击音叉后音叉的振动。 现象：单摆和音叉的振幅越来越小，最后停下来。解释：在单摆和音叉的振动过程中，不可避免地要克服摩擦及其他阻力做功，系统的机械能就要损耗，振动的振幅就会逐渐减小，机械能耗尽之时，振动就会停下来了。 阻尼振动：振幅逐渐减小的振动，叫做阻尼振动。所谓“阻尼”是指消耗系统能量的因素，它主要分两类：一类是摩擦阻尼，例如单摆运动时的空气阻力等；另一类是辐射阻尼，例如音叉发声时，一部分机械能随声波辐射到周围空间，导致音叉振幅减小。由于振动系统受到摩擦和其他阻力，即受到阻尼作用，系统的机械能随着时间而减少，同时振幅也逐渐减小。阻尼越小，振幅减小得越慢。阻尼过大时，系统将不能发生振动。当阻尼很小时，在一段不太长的时间内，看不出振幅有明显的减小，就可以把它作为理想振动来处理。阻尼振动的图象：xtO（要求学生画出上述单摆和音叉的运动图象，在实物投影仪上展示，并给予讲评） 2、受迫振动演示：用如图所示的实验装置，向下拉一下振子，观察它的振动情况。 现象：振子做的是阻尼振动，振动一段时间后停止振动。演示：请一位同学匀速转动把手，观察振动物体的振动情况。现象：现在振子能够持续地振动下去。 分析：使振子能够持续振动下去的原因，是把手给了振动系统一个周期性的外力的作用，外力对系统做功，补偿系统的能量损耗。（1）驱动力：使系统持续地振动下去的外力，叫驱动力。 （2）受迫振动：物体在外界驱动力作用下所做的振动叫受迫振动。 要想使物体能持续地振动下去，必须给振动系统施加一个周期性的驱动力作用。 受迫振动实例：发动机正在运转时汽车本身的振动；正在发声的扬声器纸盒的振动；飞机从房屋上飞过时窗玻璃的振动；我们听到声音时耳膜的振动等。 （多媒体展示几个受迫振动的实例） 电磁打点计时器的振针；工作时缝纫机的振针；扬声器的纸盒；跳水比赛时，人在跳板上走过时，跳板的振动；机器底座在机器运转时发生的振动。 （3）受迫振动的特点做简谐运动的弹簧振子和单摆在振动时，按振动系统的固有周期和固有频率振动。通过刚才的学习，我们知道物体在周期性的驱动力作用下所做的振动叫受迫振动；那么周期性作用的驱动力的频率、受迫振动的频率、系统的固有频率之间有什么关系呢? 演示：用前面的装置实验。用不同的转速匀速地转动把手，观察振子的振动快慢情况。 现象：当把手转速小时，振子振动较慢；当把手转速大时，振子振动较快。物体做受迫振动时，振动物体振动的快慢随驱动力的周期而变化。 总结：物体做受迫振动时，振动稳定后的频率等于驱动力的频率；受迫振动的频率跟物体的固有频率没有关系。 3、共振 （1）共振摆实验ABCDE受迫振动的频率等于驱动力的频率，与物体的固有频率无关，但是如果驱动力的频率接近或等于物体的固有频率时又会发生什么现象呢? 演示：（共振演示仪）在一根张紧的绳上挂了几个摆，其中A、B、C的摆长相等。先让A摆摆动，观察在摆动稳定后的现象。现象：A摆动起来后，B、C、D、E也随之摆动，但是它们摆动的振幅不同，A、B、C摆动的振幅差不多，而D摆动的振幅最小。分析：A、B、C摆长相同，据和得到，A、B、C三摆的固有频率相同。D摆的摆长与A摆相差最多，两者的固有频率相差最大。A摆振动后通过张紧的绳子给其它各摆施加驱动力，使B、C、D、E各摆做受迫振动，它们振动的频率都等于A摆的固有频率。结论：驱动力的频率f等于振动物体的固有频率f时，振幅最大；驱动力的频率f跟固有频率f相差越大，振幅越小。（2）共振 驱动力频率接近物体的固有频率时，受迫振动的振幅最大，这种现象叫做共振。（3）发生共振的条件驱动力频率与物体的固有频率相等或接近。OffA受迫振动的振幅（4）共振曲线通过上述实验我们知道，受迫振动的振幅A与驱动力的频率f及振动物体的固有频率f之间的关系有关，它们之间的这种关系可用图象来表示，这个图象叫共振曲线，如图： 纵轴：表示受迫振动的振幅。横轴：表示驱动力的频率。特点：当驱动力频率等于物体固有频率时，物体振动的振幅最大；驱动力频率与固有频率相差越大，物体的振幅越小。 （5）共振的实例：声音的共鸣演示：两个频率相同的带有共鸣箱的音叉，放在实验台上。先用小槌打击音叉A的叉股，使它发声，过一会儿，用手按住音叉A的叉股，使A停止发声，观察发生的现象。 现象：可以听到没被敲打的音叉B发出了声音。 演示：在其中的一只音叉的叉股上套上一个套管，重新做上面的实验，观察发生的现象。 现象：音叉B不再发出声音了。分析：音叉A的叉股被敲时发生振动，在空气中激起声波，声波传到音叉B，给音叉B以周期性的驱动力。第一次实验时，A、B的固有频率相同，符合产生共振的条件，于是B的振幅最大，就可以听到B发出的声音；第二次实验时，由于给B的音叉套上了套管，使A、B的固有频率不再相同，此时B不能产生共振，发出的声音很小，甚至听不到。声音的共振现象叫共鸣。共鸣箱所起的作用是使音叉的声音加强。 （6）共振的应用和防止 利用共振时，应使驱动力的频率接近或等于物体的固有频率实例：共振筛、音箱、小提琴与二胡等乐器设置共鸣箱、建筑工地上浇铸混凝土时使用的振捣器、跳水运动员做起跳动作的“颠板”过程等。 防止共振时，应使驱动力的频率与振动物体的固有频率不同，而且相差越大越好实例：火车过桥时要放慢速度、军队过桥时用便步行走、轮船航行时要看波浪的打击方向而改变轮船的航向和速度、机器运转时为了防止共振要调节转速等。（三）课堂小结1、实际的振动系统由于受到外界阻尼作用，振动系统的机械能逐渐减小，振幅逐渐减小，这种振动叫阻尼振