人教版选修34 外力作用下的振动 第1课时 教案.docx

11.5外力作用下的振动 【教学目标】 一、知识与技能 1知道什么叫固有频率，理解固有的含义。 2知道什么叫阻尼振动，能从能量的角度分析阻尼振动产生的原因。 3知道什么叫驱动力，理解它是按效果命名的力。 4知道什么叫受迫振动。理解系统做受迫振动的频率等于驱动力的频率，与系统的固有频率无关。 5知道什么叫共振，理解共振发生的条件，知道常见共振的应用和危害。 二、过程与方法 1通过演示实验训练学生的观察能力和由实验现象提炼出规律的能力以及表达能力。 2通过让学生列举或解释自然现象和生活中实例的方法，培养学生用物理原理和研究方法解决实际问题的意识。 三、情感态度与价值观 让学生领略物理现象与规律的奇妙与和谐，发展学生的好奇心与求知欲，体验探究的艰辛与乐趣。 【教学重点】 1受迫振动的频率等于驱动力的频率，与系统的固有频率无关。 2共振发生的条件。 【教学难点】 受迫振动的频率等于驱动力的频率与系统的固有频率无关的理解。 【教学方法】 演示实验，多媒体视频，启发，讨论，交流。 【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、复习并引入新课 师：前面我们学习简谐运动时引入了两个理想化模型是什么？ 生：弹簧振子和单摆。 师：说它理想很重要的一点就是我们忽略掉振动中的摩擦阻力或空气阻力等，即忽略掉振动系统的能量损失，那么弹簧振子或单摆做什么样的振动？ 生：振幅不变的运动（学生可能回答出别的答案，可提醒他从能量的角度考虑此问题。） 师：实际的弹簧振子或单摆的振动肯定有能量损失，它会做什么样的振动呢？ 演示实验：水平弹簧振子做振幅逐渐减小的振动。 师：这种由于能量的损失导致的振幅逐渐减小的振动叫阻尼振动。 二、新课教学 板书 一、阻尼振动 1振幅逐渐减小的振动叫阻尼振动。 2阻尼振动的x-t图象（图115-1） 师：你认为振幅减小的快慢与什么相关？ 生：讨论后得出与阻力大小有关。 演示：单摆的摆动，第一次在空气中；第二次在水中（用玻璃水槽盛水，便于观察）。提醒学生观察振幅减小的快慢有什么不同。 师：如果进一步增大阻力，会不会造成振动不能发生呢？ 生：可能不发生振动。 演示：单摆摆动，小球在粘稠的泥浆中（用玻璃槽盛泥浆，只观察露在泥浆外的摆线即可。） 板书 3振幅减小的快慢与阻力大小有关；当阻力过大时，振动不能发生。 师：钟摆在摆动时受不受阻力作用呢？它的振幅是否减小呢？ （有相当多的学生没见过带摆的表，如果学习单摆一节时让学生看过实物或视频了，此时直接提出问题即可，否则要演示实物或视频。） 生：普遍认为受阻力，但振幅又保持不变。 师：是什么原因导致它的振幅不减小呢？ 生：讨论后或经老师提醒后得出摆不断得到能量补充。（老师可以当场给钟上弦，给出增加弹性势能的视觉感受。） 师：象钟摆这样虽有能量损耗，但能量又不断得到补充，使振动能够持续下去的振动叫受迫振动。 板书 二、受迫振动 1作用在系统上，不断对系统做功的周期性外力叫驱动力。（教师指明跟回复力一样，驱动力也是按效果命名的力。） 2受迫振动：系统在驱动力作用下的振动。 师：除钟摆外，请你再列举出几个受迫振动的实例。 生：师、生之间；生、生之间热烈地讨论交流（老师走到学生中与学生交流，对具体现象老师提出自己的看法，先不下定论。）几分钟后学生发言列举出一些实例。教师与其他学生共同甄别是不是受迫振动。（看书的学生可以列举出教材上的实例） 教师挑出或告知几个典型的受迫振动：电磁打点计时器振片的振动；挑物的小扁担的振动（当场表演或看视频）；跳水比赛中跳板的振动（看视频）；被幼儿园老师有节奏推动下的秋千的摆动（看视频）；大型喷气式客机飞过时窗户的振动。 师：振动系统本身有固有频率，驱动力也是周期性的当然也有频率，那么系统做受迫振动时是以自己的固有频率振动呢？还是以驱动力的频率振动？或者都不是呢？ 师：凭直觉猜一猜答案是什么？ 生：绝大多数能猜出不是以固有频率振动，否则老师不会出这个问题，而两种频率都不是又过于复杂，只能是以驱动力频率振动。老师幽默地说：“肯定以驱动力频率振动，因为系统做受迫振动，既然是被迫的，自己当然说了不算，就得听受迫源的” 师：从刚才列举的几个典型的例子中你能不能找到答案？ 师、生之间；生、生之间讨论交流刚才的几个实例，几分钟后学生发言阐述答案与理由，老师与其他同学给予点评。 最后选出三个最典型的实例：一是电磁打点计时器，当电源频率是50hz时，振片就以50hz的频率振动；当电源频率是60hz时，振片肯定以60hz的频率振动。二是挑物的小扁担的振动频率与人上下振动的频率相同。三是被幼儿园老师有节奏推动下的秋千的摆动频率等于老师推力的频率。 师：从直觉上，从看到的现象上来看，系统做受迫振动时是以驱动力频率振动，下面我们专门做实验验证一下我们得出的结论。 演示实验：图115-2，先不通入电流使振子自由振动，感性认识固有频率大小；再按教材要求做实验。 板书3在稳定时受迫振动的频率总等于驱动力的频率，与系统的固有频率无关。 师：是不是系统的固有频率对系统的振动一点影响也没有呢？这一次我们从感性入手，通过实验看一看能否找到规律。 演示实验：图115-3（建议再增加一个e摆，摆长比d摆还大），先让学生明白a摆提供驱动力，驱动力频率等于由a摆摆长决定的频率；其余各摆都做受迫振动，振动频率都等于驱动力频率，即都等于a摆的频率；同时其余各摆都具有由自己摆长决定的固有频率，其中b摆的固有频率等于驱动力频率，c摆的固有频率大于驱动力频率，d、e两摆的固有频率都小于驱动力频率。但d摆的固有频率更接近于驱动力频率。 让学生观察实验（可以多做几次实验），说出看到的现象，总结出规律或结论，老师组织同学们互相评价。 师总结出实验结论：做受迫振动的系统，当固有频率等于驱动力频率时，振幅最大；当固有频率不等于驱动力频率时，二者越接近，振幅越大。 师：刚才的实验中由于b摆的固有频率等于驱动力频率，导致b摆振幅最大的现象在物理学上叫共振。 板书 三、共振 1驱动力频率等于系统的固有频率时，受迫振动的系统振幅最大的现象叫共振。 2当固有频率不等于驱动力频率时，二者越接近，振幅越大。 3共振曲线，图115-4（让学生说出横、纵轴的物理意义，f0的物理意义，教师提醒学生除峰值外，其他某一振幅都对应两个驱动力频率。） 4共振与受迫振动的关系：共振是受迫振动的一个特殊状态。 师：就象受迫振动一样，共振现象也广泛存在于生产、生活当中。 板书 四、生活中的共振与减振 阅读：科学漫步 演示：共振筛实验 【课堂小结】 1阻尼振动 2受迫振动的概念和规律 3共振的概念、特点 典例如图1156所示为一单摆的共振曲线，该单摆的摆长约为多少？共振时单摆的振幅多大？共振时摆球的最大速度和最大加速度各为多少？(g取10 m/s2)图1156思路点拨(1)由共振曲线可以得出单摆的固有频率和最大振幅。(2)单摆的振幅等于摆球的最高点到最低点间的距离。(3)单摆在振动过程中机械能守恒。解析从共振曲线可知，单摆的固有频率f0.5 hz。因为f，所以l，代入数据解得l1 m。从共振曲线可知：单摆发生共振时，振幅amax8 cm。设单摆的最大偏角为，摆球所能达到的最大高度为h，由机械能守恒定律得mvmax2mgh，又hl(1cos )，当很小时，1cos 2sin2解得vmaxamax0.25 m/s摆球在最大位移处加速度最大，有mgsin mamax，即amaxgsin g代入数据解得amax0.8 m/s2。答案1 m8 cm0.25 m/s0.8 m/s2分析共振问题的方法(1)在分析解答有关共振问题时，要抓住产生共振的条件：驱动力的频率等于固有频率，此时振动的振幅最大。(2)在分析有关共振的实际问题时，要抽象出受迫振动这一物理模型，弄清驱动力频率和固有频率，然后利用共振的条件进行求解课堂练习：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解析：选ad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，a、d对；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，动能逐渐减小，势能逐渐增大，而势能转化为动能时，势能逐渐减小，动能逐渐增大，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)，故b、c不对。2(多选)如图1153所示是一个弹簧振子做阻尼振动的振动图像，曲线上a、b两点的连线与横轴平行，下列说法正确的是()图1153a振子在a时刻的动能等于b时刻的动能b振子在a时刻的势能等于b时刻的势能c振子在a时刻的机械能等于b时刻的机械能d振子在a时刻的机械能大于b时刻的机械能解析：选bd由于弹簧振子做阻尼振动，所以a时刻的机械能大于b时刻的机械能，选项c错误，d正确；由于振子的势能与振子的位移有关，所以选项b正确；振子在a时刻的动能大于b时刻的动能，选项a错误。3如图1154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()图1154a0.25 sb0.5 sc1 s d2 s解析：选c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。故正确答案为c。4(多选)把一个筛子用四根弹簧支起来，筛子上装一个电动偏心轮，它每转一周给筛子一个驱动力，这就成了一个共振筛，筛子在做自由振动时，每次全振动用时2 s，在某电压下电动偏心轮转速是36 r/min。已知如果增大电压可以使偏心轮转速提高；增加筛子质量，可以增大筛子的固有周期，那么，要使筛子的振幅增大，下列做法正确的是()a提高输入电压b降低输入电压c增加筛子质量 d减小筛子质量解析：选bd筛子的固有周期为t02 s，而偏心轮的转动周期t偏 s s，那么要想使筛子振幅最大，可增大偏心轮的转动周期，或减小筛子的固有周期，由题意可知，应降低输入电压或减小筛子的质量，故b、d正确。5(多选)如图1157所示，两个质量分别为m和m的小球，悬挂在同一根水平细线上，当m在垂直于水平细线的平面内摆动时，下列说法正确的是()图1157a两摆的振动周期是相同的b当两摆的摆长相等时，m摆的振幅最大c悬挂m的竖直细线长度变化时，m的振幅不变dm摆的振幅可能超过m摆的振幅解析：选abd当m在垂直于水平细线的平面内摆动时，m将做受迫振动，其振动周期与m的振动周期相同，当悬挂m的竖直细线的长度变化时，m的振幅也随之变化，当两摆长相等时，m摆发生共振，振幅最大，故a、b均正确，c错误；当m摆发生共振时，其振幅可超过m摆的振幅，d正确。6. (多选)如图1158所示为单摆在两次受迫振动中的共振曲线，下列说法正确的是()图1158a若两次受迫振动分别在月球上和地球上进行，且摆长相同，则图线表示月球上单摆的共振曲线b若两次受迫振动是在地球上同一地点进行，则两次摆长之比l1l2254c图线若是在地球上完成的，则该摆摆长约为1 md若摆长均为1 m，则图线是在地球上完成的解析：选abc图线中振幅最大处对应频率应与做受迫振动的单摆的固有频率相等，可以看出，两摆的固有频率f10.2