第四节 受迫振动 共振教学设计高中物理选择性必修第一册沪科版（2020·上海专用）

第四节受迫振动共振教学设计高中物理选择性必修第一册沪科版（2020·上海专用）课题课时教学内容分析一、教学内容分析1.本节课的主要教学内容：沪科版选择性必修第一册第四章第四节“受迫振动共振”，包括受迫振动的定义、特点，共振的条件（驱动力的频率等于物体的固有频率）、现象及应用（如共振筛、声音的共鸣等）。2.教学内容与学生已有知识的联系：学生在第三章学习了简谐运动的描述（振幅、周期、频率）及能量转化，本节在此基础上拓展振动的类型，通过受迫振动与自由振动的对比，理解共振的本质，深化对振动规律的认识。核心素养目标二、核心素养目标通过本节学习，学生能形成“运动与相互作用”的物理观念，理解受迫振动及共振的本质，建立固有频率、驱动力频率等概念；运用比较、归纳等方法，推理共振条件，提升科学思维能力；通过实验观察共振现象，培养提出问题、设计实验的科学探究能力；联系生活中的共振应用与危害，体会物理学价值，形成严谨的科学态度与社会责任感。教学难点与重点三、教学难点与重点1.教学重点：本节课的核心内容包括受迫振动的定义及其与自由振动的区别、共振的条件（驱动力的频率等于物体的固有频率）、共振现象的实例（如声音共鸣、桥梁共振）。例如，在讲解共振条件时，以课本中的演示实验为例，强调驱动力频率与固有频率匹配时振幅最大，帮助学生聚焦关键概念。2.教学难点：学生难点在于理解共振的本质机制（如能量转化过程）、区分受迫振动与自由振动的动态差异、应用共振条件分析实际问题。例如，学生难理解课本中“振幅最大”的原理，可通过类比秋千推动频率来突破；难点还包括实验观察共振现象时，学生易忽略频率调节的细节，需教师指导频率控制方法。教学资源1.软硬件资源：弹簧振子装置、音叉、共鸣箱、电动机偏心轮演示仪、频率可调的振动源；

2.课程平台：物理实验操作视频库、虚拟仿真实验平台；

3.信息化资源：受迫振动与共振现象动画演示课件、频率-振幅关系数据图表；

4.教学手段：分组实验器材套件、课堂演示实验装置、实物投影仪。教学过程五、教学过程1.导入（约5分钟）【激发兴趣】播放视频片段：1940年美国塔科马海峡大桥因共振坍塌的纪实画面，提问：“大桥为何会在风中剧烈振动甚至坍塌？这与我们今天要学习的物理现象有何关联？”【回顾旧知】引导学生回顾简谐运动的描述（振幅、周期、频率），提问：“自由振动的频率由什么决定？振幅会变化吗？”学生回答后总结：自由振动中，振幅由初始条件决定，频率由系统固有频率决定，若不受外力，振幅会因阻尼逐渐减小。2.新课呈现（约25分钟）【讲解新知】（1）受迫振动：定义物体在驱动力作用下的振动，强调驱动力周期性变化；特点：振动频率等于驱动力频率，振幅与驱动力频率、固有频率及阻尼有关。（2）共振：当驱动力的频率等于物体的固有频率时，振幅最大，这种现象称为共振；条件：f驱=f固；现象：振幅显著增大，能量输入最大化。【举例说明】（1）课本实验：用弹簧振子装置，电动机偏心轮提供周期性驱动力，调节电动机转速，观察振子振幅变化；当转速使驱动力频率接近振子固有频率时，振幅明显增大，说明共振现象。（2）生活实例：音叉共鸣——敲击音叉A，靠近但未接触的相同频率音叉B也发声，因B被A的声波驱动且频率匹配；军队过桥便步走——避免整齐步伐的频率与桥梁固有频率相同，防止共振。【互动探究】分组实验（每组1套频率可调振动源、振子、刻度尺）：（1）将振子固有频率通过自由振动测出（记录周期T固，计算f固=1/T固）；（2）调节振动源频率f驱，从0.5f固到1.5f固变化，记录不同f驱对应的振幅A，绘制A-f驱图像；（3）讨论：A-f驱图像有何特点？最大振幅对应的f驱与f固关系如何？生活中哪些现象需要利用共振，哪些需要防止？教师巡视指导，引导学生总结：振幅在f驱=f固时最大，偏离时减小；应用：共振筛、收音机调谐；防止：桥梁、建筑减震设计。3.巩固练习（约15分钟）【学生活动】（1）实例分析题：课本P75例题，分析秋千被推动时，推动频率与秋千固有频率的关系对振幅的影响；小组讨论后派代表发言。（2）设计题：某桥梁固有频率为2Hz，若汽车通过时产生频率为1.5Hz的周期性驱动力，如何改进桥梁结构避免共振？写出至少两种方案（如增加阻尼、改变质量分布调整固有频率）。【教师指导】针对实例分析，强调“驱动频率接近固有频率时振幅最大”的核心结论；针对设计题，引导学生从改变固有频率或增大阻尼角度思考，结合课本中“阻尼对振幅的影响”知识，点评方案的可行性，如增加减震支座（增大阻尼）或改变桥梁跨度（调整固有频率）。教学资源拓展六、教学资源拓展1.拓展资源（1）经典共振实验案例：沪科版教材中“弹簧振子受迫振动实验”的拓展，可补充傅科摆实验，通过单摆的受迫振动直观展示共振现象；音叉共鸣实验中，增加不同材质共鸣箱（如木质、金属）的对比，观察共鸣效果差异，理解材质对共振能量的影响。瑞利测声速实验利用管内空气柱共鸣，通过调节管长确定声波波长，结合共振条件计算声速，深化对“固有频率”与“驱动力频率匹配”的理解。（2）生活中的共振现象深度解析：教材中“声音共鸣”“桥梁共振”的延伸，补充微波炉加热原理（微波频率与水分子固有频率匹配，使水分子共振生热）；人体耳膜振动（声波频率与耳膜固有频率匹配时听觉最敏感）；地震中建筑物的共振破坏（如1995年日本神户地震，部分建筑因固有频率与地震波频率接近而倒塌），分析共振条件在自然现象中的体现。（3）工程技术中的共振应用与防止：教材“共振筛”“收音机调谐”的拓展，增加超声清洗技术（利用高频振动使污垢与工件间共振脱落）；机械振动筛分机（通过调节电机频率控制筛分效率）；汽车减震系统（阻尼弹簧减小共振振幅）；高楼的调谐质量阻尼器（如上海中心大厦的阻尼球，通过质量块振动抵消风振能量），结合教材中“阻尼对振幅的影响”分析技术应用原理。（4）共振的物理学史与科学家贡献：伽利略通过观察教堂吊灯摆动发现单摆等时性，为固有频率概念奠定基础；瑞利通过研究管内空气柱共鸣测定声速，完善共振理论；亥姆霍兹发明共鸣器，分析声音频率成分，推动共振在声学中的应用，帮助学生理解知识的形成过程。（5）跨学科中的共振现象：音乐中的共鸣箱（吉他琴体通过共振增强音量，不同琴体形状影响共振频率）；医学中的核磁共振（利用氢原子核在磁场中的共振成像，分析人体组织结构）；化学中的分子振动光谱（通过红外光使分子共振，分析化学键类型），体现物理学的基础学科地位。2.拓展建议（1）实验探究拓展：利用橡皮筋、钩码、硬纸板制作简易受迫振动模型，手摇驱动杆调节频率，记录振幅变化，绘制A-f图像；用两个相同音叉和共鸣箱，敲击后观察共鸣，用棉花塞住音叉验证共振条件；用手机APP生成不同频率声音，靠近装水的杯子，观察水面振动幅度，分析共振频率与杯子固有频率的关系。（2）阅读与资料整理：阅读《物理学简史》中“振动与共振”章节，整理科学家研究共振的关键实验（如伽利略的单摆实验、瑞利的声速测量）；收集生活中共振应用案例（如洗衣机脱水时的防振设计、乐器共鸣箱原理），结合教材知识点分析其工作原理，形成“共振现象与应用”案例集。（3）问题探究与思考：针对“吉他手按压琴弦改变音调”现象，分析琴弦长度与固有频率的关系，推导共振条件；思考“为什么桥梁要设计成流线型？”（减少周期性风力，避免共振）；探究“为什么地震时高层建筑更易受破坏？”（高层建筑固有频率低，易与地震低频波共振），结合教材“驱动力频率”“固有频率”等概念进行逻辑推理。（4）跨学科实践：结合音乐课程，用不同材质（木质、金属）制作简易共鸣箱，测试相同音叉在不同共鸣箱中的音量差异，分析材质对共振效果的影响；结合工程课程，用橡皮筋、木块制作减震装置，测试其在不同频率振动下的减震效果，理解阻尼对共振振幅的抑制作用。（5）反思与总结：绘制思维导图对比受迫振动与自由振动的异同（自由振动频率由系统决定，振幅衰减；受迫振动频率由驱动力决定，振幅稳定；共振是f驱=f固时的特殊情形）；总结共振的“双刃剑”特性（利用与防止），通过自我提问“共振时能量如何传递？”“阻尼对共振曲线的影响？”深化对核心概念的理解，形成系统知识体系。教学反思与总结教学反思这节课整体流程还算顺畅，但实验环节暴露了些问题。分组实验时，学生调节振动源频率总卡在临界值附近，导致振幅测量误差大，下次得提前训练他们更精细地控制转速。讨论“桥梁减震方案”时，学生容易只想到加弹簧，忽略了改变质量分布的思路，看来对“固有频率”的理解还不够深，下节课得用更多变式案例强化。

教学总结效果上，学生基本掌握了共振条件，但应用分析能力参差不齐。比如分析秋千问题时，部分学生能直接关联驱动频率与固有频率的关系，但也有学生混淆了“振幅最大”和“频率相等”的因果关系。情感态度方面，从最初觉得“共振就是破坏”到后来主动设计减震装置，这种认知转变挺让人欣慰的。不过时间分配有点紧张，拓展案例讲得仓促，下次得压缩实验环节，留足时间讨论工程应用。改进的话，可以增加一个“共振危害与防范”的对比表格，帮学生更系统地梳理知识点。课堂小结，当堂检测**课堂小结**

本节课重点掌握受迫振动的定义（物体在周期性驱动力作用下的振动）及特点（频率等于驱动力频率，振幅由驱动力频率、固有频率和阻尼共同决定）；核心是共振现象（驱动力频率等于固有频率时振幅最大）及其条件（f驱=f固）。通过实验观察和实例分析，理解共振在生活中的应用（如乐器共鸣、微波炉加热）和危害（如桥梁坍塌），并掌握利用或防止共振的基本方法。

**当堂检测**

1.**概念辨析**（每空2分，共10分）

（1）自由振动的频率由________决定，受迫振动的频率由________决定。

（2）共振发生的条件是________，此时振幅________。

（3）生活中需要防止共振的实例有________（举一例）。

2.**实例分析**（10分）

秋千被推动时，若推动频率与秋千固有频率相同，振幅会怎样变化？为什么？

3.**应用设计**（10分）

某桥梁固有频率为1.5Hz，为避免车辆通过时共振，可采取哪些措施？（至少写出两条）

**参考答案**

1.（1）系统固有频率；驱动力频率（2）驱动力频率等于固有频率；最大（3）桥梁共振（或建筑物抗震设计等）

2.振幅最大。因为推动频率等于秋千固有频率时，发生共振，能量输入最大化导致振幅显著增大。

3.（1）增加桥梁阻尼（如安装减震支座）；（2）改变桥梁结构质量分布，调整固有频率；（3）限制车辆通行速度，避免产生接近1.5Hz的驱动力。板书设计①核心概念

-受迫振动：物体在周期性驱动力作用下的振动

特点：频率=驱动力频率，振幅由f驱、f固、阻尼共同决定

-共振：驱动力频率等于固有频率时振幅最大的现象

条件：f驱=f固；本质：能量输入最大化

②规律与关系

-自由振动vs受迫振动

自由振动：频率由系统固有频率决定，振幅因阻尼衰减

受迫振动：频率由驱动力决定，振幅稳定，振幅大小与f驱-f固差值相关

-共振曲线特征

f驱=f固时振幅最大；阻尼增大，振幅峰值减小，峰值频率略低于f固

③应用与现象

-应用实例：音叉共鸣（声波驱动频率匹配）、收音机调谐（电磁波共振选频）、超声清洗（高频振动使污垢共振脱落）

-防止实例：桥梁减震（增加阻尼或改变f固）、军队过桥便步走（避免整齐步伐频率与桥梁f固匹配）、洗衣机防振设计（调整电机频率避开f固）课后作业1.**概念辨析题**

简述受迫振动与自由振动的区别，并说明共振发生的条件。

**答案**：受迫振动是物体在周期性驱动力作用下的振动，频率等于驱动力频率；自由振动是物体仅受回复力作用的振动，频率由固有频率决定。共振条件：驱动力频率等于物体固有频率。

2.**条件应用题**

某单摆固有频率为0.5Hz，若驱动力频率为0.4Hz或0.6Hz时，振幅如何变化？若频率调至0.5Hz时振幅有何特点？

**答案**：0.4Hz或0.6Hz时振幅较小；0.5Hz时振幅最大（发生共振）。

3.**实例分析题**

解释“敲击音叉A，相同频率的音叉B也发声”的现象，并说明其原