人教版选修3-4第十一章《机械振动》ppt课件.ppt

高中物理新人教版选修 4系列课件 第十一章 机械振动 11 1 简谐运动 教学目标 1 知识与技能 1 了解什么是机械振动 2 掌握简谐运动回复力的特征 3 掌握从图形图象分析简谐振动位移随时间变化的规律 4 通过观察演示实验及课件 总结概括出弹簧振子运动的特征 培养学生的观察 概括能力 通过相关物理量变化规律的学习 培养分析 推理能力 2 过程与方法 渗透物理学方法的教育 运用理想化方法 突出主要因素 忽略次要因素 抽象出物理模型 弹簧振子 研究弹簧振子在理想条件下的振动 探究式教学法 3 情感态度与价值观 通过对简谐运动的分析 使学生知道各物理量之间的普遍联系 二 教学重点难点1 重点 1 什么是简谐运动 2 简谐运动过程中的位移 回复力 加速度和速度的变化规律 3 简谐运动中回复力的特点 2 难点 物体做简谐运动过程中的位移 回复力 加速度 速度的变化规律 三 教具与多媒体 钢板尺 铁架台 单摆 竖直弹簧振子 皮筋球 气垫弹簧振子 微型气源 这些运动的共同特点是什么 秋千 弹簧振子 摆钟 一 机械振动 物体在平衡位置 中心位置 两侧附近所做往复运动 通常简称为振动 平衡位置 振子原来静止时的位置 一般情况下指物体在没有振动时所处的位置 判断下列物体的运动是否是机械振动 二 弹簧振子 理想化模型 2 理性化模型 1 不计阻力 2 弹簧的质量与小球相比可以忽略 1 概念 小球和弹簧所组成的系统称作弹簧振子 有时也把这样的小球称做弹簧振子或简称振子 三 弹簧振子的位移 时间图象 1 振子的位移x 都是相对于平衡位置的位移 三 弹簧振子的位移 时间图象 1 频闪照片法 第一个1 2周期 第二个1 2周期 横坐标 振动时间t 纵坐标 振子相对于平衡位置的位移 2 描图记录法 三 弹簧振子的位移 时间图象 体验 一同学匀速拉动一张白纸 另一同学沿与纸运动方向相垂直方向用笔往复画线段 观察得到的图象 2 描图记录法 二 弹簧振子的位移 时间图象 上图中画出的小球运动的x t图象很像正弦曲线 是不是这样呢 假定是正弦曲线 可用刻度尺测量它的振幅和周期 写出对应的表达式 然后在曲线中选小球的若干个位置 用刻度尺在图中测量它们的横坐标和纵坐标 代入所写出的正弦函数表达式中进行检验 看一看这条曲线是否真的是一条正弦曲线 方法一验证法 方法二拟合法 在图中 测量小球在各个位置的横坐标和纵坐标 把测量值输入计算机中作出这条曲线 然后按照计算机提示用一个周期性函数拟合这条曲线 看一看弹簧振子的位移 时间的关系可以用什么函数表示 简谐运动是最简单 最基本的振动 四 简谐运动及其图象 1 定义 如果质点的位移与时间的关系遵从正弦函数的规律 即它的振动图象 x t图象 是一条正弦曲线 这样的振动叫做简谐运动 如 弹簧振子的运动 类似应用 绘制地震曲线的装置 五 简谐运动与匀速圆周运动的关系 小结 1 机械振动 物体在平衡位置 中心位置 两侧附近所做往复运动 通常简称为振动 平衡位置 振子原来静止时的位置2 弹簧振子理性化模型 不计阻力 弹簧的质量与小球相比可以忽略 3 简谐运动 质点的位移与时间的关系遵从正弦函数的规律 即它的振动图象 x t图象 是一条正弦曲线 1 质点离开平衡位置的最大位移 2 1s末 4s末 10s末质点位置在哪里 3 1s末 6s末质点朝哪个方向运动 4 质点在6s末 14s末的位移是多少 5 质点在4s 16s内通过的路程分别是多少 课堂训练 1 某一弹簧振子的振动图象如图所示 则由图象判断下列说法正确的是 A 振子偏离平衡位置的最大距离为10cmB 1s到2s的时间内振子向平衡位置运动C 2s时和3s时振子的位移相等 运动方向也相同D 振子在2s内完成一次往复性运动 AB 课堂训练 2 某弹簧振子的振动图象如图所示 根据图象判断 下列说法正确的是 A 第1s内振子相对于平衡位置的位移与速度方向相反B 第2s末振子相对于平衡位置的位移为 20cmC 第2s末和第3s末振子相对于平衡位置的位移均相同 但瞬时速度方向相反D 第1s内和第2s内振子相对于平衡位置的位移方向相同 瞬时速度方向相反 D 11 2 简谐运动的描述 教学目标 知识与能力1 知道振幅 周期和频率的概念 知道全振动的含义 2 了解初相和相位差的概念 理解相位的物理意义 3 了解简谐运动位移方程中各量的物理意义 能依据振动方程描绘振动图象 教学重点 简谐运动的振幅 周期和频率的概念 相位的物理意义 教学难点 1 振幅和位移的联系和区别 周期和频率的联系和区别 2 对全振动概念的理解 对振动的快慢和振动物体运动的快慢的理解 3 相位的物理意义 弹簧振子的再研究 弹簧振子的运动特点 1 围绕着 一个中心 位置 2 偏离 平衡位置 有最大位移 3 在两点间 往复 运动 对称性 弹簧振子的再研究 2 偏离 平衡位置 有最大位移 描述简谐运动的物理量 振幅 质点离开平衡位置的最大距离叫振幅 问题1 该弹簧振子的振幅多大 问题2 该弹簧振子到达A点时候离O点的距离 弹簧振子的再研究 描述简谐运动的物理量 3 在两点间 往复 运动 周期 频率 振子进行一次完整的振动 全振动 所经历的时间 问题1 O D B D O是一个周期吗 问题2 若从振子经过C向右起 经过怎样的运动才叫完成一次全振动 周期的可能影响因素 弹簧振子的再研究 周期的可能影响因素 弹簧振子的再研究 如何测时间 在什么位置测时间 结论 周期大小与振幅无关 振动的周期就是指振动物体 A从任一位置出发又回到这个位置所用的时间B从一个最大偏移位置运动到另一个最大偏移位置所用的时间C从某一位置出发又以同一运动方向回到这个位置所用的时间D经历了两个振幅的时间E经历了四个振幅的时间 描述简谐运动的物理量 相位 简谐运动的表达式 振幅 圆频率 初相位 相位 简谐运动的表达式 振幅 周期 初相位 相位 说一说 A B之间的相位差是 A B 图示为某简谐运动的位移 时间图象 根据图象写出该简谐运动的位移随时间变化的关系式 11 3 简谐运动的回复力和能量 教学目标 一 知识目标1 知道振幅越大 振动的能量 总机械能 越大 2 对单摆 应能根据机械能守恒定律进行定量计算 3 对水平的弹簧振子 应能定量地说明弹性势能与动能的转化 4 知道简谐运动的回复力特点及回复力的来源 5 知道在什么情况下可以把实际发生的振动看作简谐运动 二 能力目标1 分析单摆和弹簧振子振动过程中能量的转化情况 提高学生分析和解决问题的能力 2 通过阻尼振动的实例分析 提高处理实际问题的能力 三 德育目标1 简谐运动过程中能量的相互转化情况 对学生进行物质世界遵循对立统一规律观点的渗透 2 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 教学重点 1 对简谐运动中能量转化和守恒的具体分析 2 什么是阻尼振动 教学难点 关于简谐运动中能量的转化 一 简谐运动的回复力 1 定义 2 特点 按力的作用效果命名 方向始终指向平衡位置 使振子回到平衡位置的力 3 回复力来源 振动方向上的合外力 如果质点所受的回复力与它偏离平衡位置的位移大小成正比 并且始终指向平衡位置 即与位移方向相反 质点的运动就是简谐运动 4 简谐运动的动力学特点 F回 kx 5 简谐运动的运动学特点 6 简谐运动中的各个物理量变化规律 O A 向左减小 向右增大 向右减小 动能增大势能减小 B 向右增大 向右减小 向左增大 动能减小势能增大 不变 向左最大 向右最大 0 0 向右最大 0 0 向右最大 向左最大 动能最大势能为0 动能为0势能最大 动能为0势能最大 1 当物体从最大位移处向平衡位置运动时 由于v与a的方向一致 物体做加速度越来越小的加速运动 2 当物体从平衡位置向最大位移处运动时 由于v与a的方向相反 物体做加速度越来越大的减速运动 简谐运动的加速度大小和方向都随时间做周期性的变化 所以简谐运动是变加速运动 二 简谐运动的能量 简谐运动的能量与振幅有关 振幅越大 振动的能量越大 简谐运动中动能和势能在发生相互转化 但机械能的总量保持不变 即机械能守恒 判断物体是否做简谐运动的方法 1 根据物体的振动图像去判断 2 根据回复力的规律F kx去判断 思考题 竖直方向振动的弹簧振子所做的振动是简谐运动吗 证明 竖直悬挂的弹簧振子做简谐运动 证明步骤 1 找平衡位置2 找回复力3 找F kx4 找方向关系 证明 平衡状态时有 mg kx0当向下拉动x长度时弹簧所受的合外力为F k x x0 mg kx kx0 mg kx 符合简谐运动的公式 练习1 做简谐运动的物体 当位移为负值时 以下说法正确的是 A 速度一定为正值 加速度一定为正值B 速度不一定为正值 但加速度一定为正值C 速度一定为负值 加速度一定为正值D 速度不一定为负值 加速度一定为负值 B 2 在简谐运动中 振子每次经过同一位置时 下列各组中描述振动的物理量总是相同的是 A 速度 加速度 动能B 加速度 回复力和位移C 加速度 动能和位移D 位移 动能 回复力 BCD 3 当一弹簧振子在竖直方向上做简谐运动时 下列说法正确的 A 振子在振动过程中 速度相同时 弹簧的长度一定相等B 振子从最低点向平衡位置运动过程中 弹簧弹力始终做负功C 振子在振动过程中的回复力由弹簧的弹力和振子的重力的合力提供D 振子在振动过程中 系统的机械能一定守恒 CD 4 关于弹簧振子做简谐运动时的能量 下列说法正确的有 A 等于在平衡位置时振子的动能B 等于在最大位移时弹簧的弹性势能C 等于任意时刻振子动能与弹簧弹性势能之和D 位移越大振动能量也越大 ABC 5 如图是质点做简谐振动的图像 由此可知 A t 0时 质点的位移 速度均为零B t 1s时 质点的位移为正向最大 速度为零 加速度为负向最大C t 2s时 质点的位移为零 速度为负向最大值 加速度为零D 质点的振幅为5cm 周期为2s BC 1 弹簧振子作简谐运动时 以下说法正确的是 A 振子通过平衡位置时 回复力一定为零B 振子做减速运动 加速度却在增大C 振子向平衡位置运动时 加速度方向与速度方向相反D 振子远离平衡位置运动时 加速度方向与速度方向相反 3 一个弹簧振子在光滑的水平面上做简谐运动 其中有两个时刻弹簧振子的弹力大小相等 但方向相反 则这两个时刻振子的A 速度一定大小相等 方向相反B 加速度一定大小相等 方向相反C 位移一定大小相等 但方向不一定相反D 以上三项都不一定大小相等方向相反 ABD ABD B 11 4 单摆 教学目标 知识与能力1 理解单摆振动的特点及它做简谐运动的条件 2 掌握单摆振动的周期公式 3 观察演示实验 概括出周期的影响因素 培养学生由实验现象得出物理结论的能力 4 在做演示实验之前 可先提出疑问 引起学生对实验的兴趣 让学生先猜想实验结果 由教师实验验证 使学生能更好的有目的去观察实验 重点 掌握好单摆的周期公式及其成立条件难点 单摆回复力的分析 简谐运动的特征 运动学特征 x Asin t 复习旧知 动力学特征 F回 kx 单摆概念 如果悬挂小球的细线的质量与小球的质量相比可以忽略 球的直径与细线长度相比也可以忽略 这样的装置就叫做单摆 理想化模型 分析单摆的受力 摆球在最低点受力分析 Fn F mg 当小球静止时 有mg F 此位置叫平衡位置 l 演示 单摆的运动过程 分析单摆的受力 摆球在最高点受力分析 按重力的作用效果分解G v 0 l G2 F G1 mgsin 最高点 分析单摆的受力 摆球在一般位置受力分析 沿绳方向F G2 沿圆弧切线方向G1 F回 G1 mgsin l v 0 正是这个力提供了使摆球振动的回复力 mgsin 简谐运动的动力学特征 F回 kx r 在 角小角度的条件下 A r o 几何关系 单摆做简谐运动吗 在摆角很小的时 l O P 在偏角很小的情况下 单摆做简谐运动 F回方向位移x方向 指向平衡位置O 由平衡位置指向P 实验演示 单摆做简谐运动的振动图像 实验结果 按正弦规律变化的曲线 探究单摆做简谐运动周期 探究过程 定性实验 控制变量法 实验 一 探究单摆周期T与摆球质量m的关系 实验 二 探究单摆周期T与振幅的关系 单摆的等时性 实验 三 探究单摆周期T与摆长l的关系 对比猜想 单摆周期T可能与什么因素有关呢 探究单摆做简谐运动周期 探究过程 理论定量推导 简谐运动周期公式 对于单摆 k mg l m为摆球的质量 单摆的周期公式 对于弹簧振子 k为弹簧的劲度系数 m为小球的质量 单摆周期公式 荷兰的物理学家 天文学家 数学家惠更斯 研究单摆的现象 发现 单摆的振动周期跟摆长的平方根成正比 跟重力加速度的平方根成反比 1629 1695 1 计时器1656年惠更斯首先将摆引入时钟成为摆钟 单摆周期公式的应用 例题1 周期为2s的单摆叫做秒摆 秒摆的摆长是多少 小结 在近似计算时 g 2 0 993m 解 根据单摆的周期公式 可得 2 测重力加速度 单摆周期公式的应用 例题2 用摆长为24 8cm的单摆测定某地的重力加速度 测得完成120次全振动所用时间为120s 求该地重力加速度 解 此单摆的周期 由单摆周期公式 重力加速度的影响因数 1 跟纬度有关2 跟高度有关 g赤 g极地 h越高 g越小 板书 一 单摆1 组成摆线 m线 m球摆球 d l2 回复力 由重力沿圆弧切线方向的分力提供3 在偏角很小的情况下单摆做简谐运动位移 时间图象 按正弦规律变化二 单摆的周期1 公式 其中l为摆长 g为重力加速度2 应用 计时器 测重力加速度 11 5 外力作用下的振动 教学目标 知识与能力1 知道什么是受迫振动 知道受迫振动的频率等于驱动力的频率 2 知道什么是共振以及发生共振的条件 3 知道共振的应用和防止的实例 重点 1 什么是受迫振动 2 什么是共振及产生共振的条件难点 1 物体发生共振决定于驱动力的频率与物体固有频率的关系 与驱动力大小无关 2 当f驱 固时 物体做受迫振动的振幅最大 怎样才能使受阻力的振动的物体的振幅不变 而一直振动下去呢 在实际振动中 为了不因阻尼的存在而使振动停止 我们通常给系统加一个周期性的外力 来补偿系统的能量损失 使系统持续的振动下去 这种周期性的外力叫驱动力 物体在外界驱动力作用下的振动叫受迫振动 受迫振动 受迫振动 实验表明 物体在外力驱动下振动时 振动稳定后的频率等于外力驱动的频率 跟物体的固有频率没有关系 共振 振动演示 6个摆球 实验表明 受迫振动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 振动物体的振幅将达到最大 因此 受迫振动的振幅A与驱动力的f 振动物体的固有频率之间的关系有关 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 如右图 有共振曲线可知道 当驱动力频率等于物体固有频率时 物体振幅最大 驱动力频率与固有频率相差越大 物体的振幅越小 驱动力的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 共振的应用 共振筛 共振的应用 共鸣箱 在乐器上用的比较多 共振的防止 1 军队或火车过桥时要放慢速度或便步走2 机器运转时为了防止共振要调节转速3 在振动物体底座加防振垫4 装修剧场 房屋时使用吸声材料等 共振的应用和防