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人教版 (2019)选择性必修 第一册第二章 机械振动6 受迫振动 共振集体备课ppt课件
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这是一份人教版 (2019)选择性必修 第一册第二章 机械振动6 受迫振动 共振集体备课ppt课件，共32页。PPT课件主要包含了定位·学习目标，探究·必备知识，突破·关键能力，检测·学习效果，探究新知，系统自身的性质，固有频率，知识点二受迫振动，周期性，驱动力等内容，欢迎下载使用。
1.知道什么是阻尼振动和受迫振动,会用能量观点分析阻尼振动的振幅变化和受迫振动的共振现象。2.通过实验认识固有频率、驱动力频率与振动频率之间的区别和联系,了解产生共振的条件,认识共振是受迫振动的一种特殊情况。3.能够根据实际生活中的振动特点,应用振动的规律解释与解决相关问题。
1.固有振动和固有频率如果振动系统在没有 干预的情况下做简谐运动,周期或频率与 无关,仅由 决定,这种振动称为固有振动,其振动频率称为 。
知识点一 振动中的能量损失
2.阻尼振动(1)阻尼振动:振动系统受到 作用, 随时间逐渐减小的振动,如图所示。
(2)振动系统能量衰减的两种方式。①由于振动系统受到摩擦阻力的作用,使振动系统的机械能逐渐转化为 。②由于振动系统引起 介质中各质点的振动,使能量向四周辐射出去,从而自身机械能减少。
1.驱动力作用于振动系统的 的外力。2.受迫振动(1)定义:系统在 作用下的振动。(2)受迫振动的频率(周期):物体做受迫振动达到稳定后,物体振动的频率等于 的频率,与物体的 无关。
如图,生活中会见到一阵风吹过树枝,使树枝左右摇摆,一会儿树枝就会停下来。而荡秋千的小朋友在一旁大人的不断推动下不停地摆动。请思考以下两个问题。
(1)树枝的运动是什么运动?
答案:(1)阻尼振动。
(2)秋千的摆动是什么运动?
答案:(2)受迫振动。
1.共振(1)定义:当驱动力的频率等于固有频率时,物体做受迫振动的 达到最大值的现象。(2)条件:驱动力频率 物体的固有频率。(3)特征:共振时受迫振动的 最大。(4)共振曲线:如图所示。表示受迫振动的 与 的关系图像,图中f0为物体的固有频率。
知识点三 共振现象及其应用
2.共振的应用与防止(1)共振的应用。采用方法:在应用共振时,应使驱动力频率接近或等于振动系统的固有频率。实例:转速计、共振筛。(2)共振的防止。采用方法:在防止共振时,应使驱动力频率与系统的固有频率相差越大越好。实例:部队过桥时用便步;火车过桥时减速。目的都是使驱动力的频率远离物体的固有频率。
18世纪中叶,法国昂热市一座大桥上有一队士兵经过。当他们在指挥官的口令下迈着整齐的步伐过桥时,桥梁突然断裂,造成多名官兵和行人丧生。请想一想:(1)是什么原因造成桥梁断裂的?
答案:(1)是共振造成的。因为大批士兵迈步的频率正好与大桥的固有频率一致,使桥体的振动加强,当它的振幅达到甚至超过桥梁的形变能力时,桥就断了。
(2)为什么各国都规定大队人马过桥,要便步通过?
答案:(2)鉴于大批士兵步伐整齐地走过桥时容易造成桥的共振,所以后来各国都规定大队人马过桥,要便步通过,防止桥发生共振。
要点一 简谐运动、阻尼振动和受迫振动
如图所示的装置,通过摇动把手可以对弹簧振子施加驱动力作用。请探究以下问题。
探究:(1)通过摇动把手可以对弹簧振子施加周期性的驱动力时振子做什么振动?其振动频率怎样?
答案:(1)振子做受迫振动,其振动频率等于驱动力的频率,即摇动把手的频率。
探究:(2)撤掉外力后振子做什么振动?其振动频率怎样?其振幅怎样变化?
答案:(2)振子做固有振动,其振动频率等于固有频率。振子在振动过程中由于克服阻力做功,振动强度逐渐减弱,振幅越来越小。
1.简谐运动是一种理想化的模型,物体运动过程中的一切阻力都不考虑。2.阻尼振动考虑阻力的影响,是更实际的一种运动。3.受迫振动是物体做阻尼振动时受到周期性驱动力作用下的振动。
4.三者对比列表如下:
[例1] (多选)将测力传感器接到计算机上可以测量快速变化的力,将单摆挂在测力传感器的探头上,测力探头与计算机连接,用此方法测得的单摆摆动过程中摆线上拉力的大小随时间变化的曲线如图所示,g取10 m/s2。某同学由此图像提供的信息做出了下列判断,其中正确的是( )A.摆球的周期T=0.5 sB.摆球的周期T=2 sC.t=0.5 s时摆球正经过最低点D.摆球运动过程中周期越来越小
解析:由图可知,单摆两次拉力极大值的时间差为1 s,所以单摆的振动周期为2 s,A错误,B正确;t=0.5 s时摆线的拉力最大,所以摆球正经过最低点,C正确;摆线拉力的极大值发生变化,说明摆球在最低点时的速度大小发生了变化,所以摆球做阻尼振动,振幅越来越小,但运动过程中单摆的周期不变,D错误。
(1)对阻尼振动的理解。①由于阻力做功,振动系统的机械能逐渐减小,振幅逐渐变小。②周期和频率由振动系统本身决定,阻尼振动中周期和频率不变。(2)对受迫振动的理解。①受迫振动的频率等于驱动力的频率,与固有频率无关。②驱动力频率越接近固有频率,振幅越大。
[即时训练1] 如图所示,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,而让振子自由上下振动,测得其频率为2 Hz,然后匀速转动摇把,转速为240 r/min,当振子振动稳定时,它振动的周期为( )A.0.5 s s C.2 s D.4 s
探究:(1)磬为什么会不敲自鸣呢?
唐朝洛阳有个和尚喜欢弹拨乐器——磬。奇怪的是,静静的磬经常自鸣自响,无缘无故地发出嗡嗡的声音。磬无故而鸣使和尚大为惊奇,渐渐由惊而疑,由疑而怯,以为是妖孽作怪,结果忧虑成疾,病倒在床。一天,和尚向前来探望他的朋友诉说了内心的忧虑。正在说话时,寺院里的钟声响了,说来奇怪,磬也发出了嗡嗡的响声。和尚的朋友明白了原因,悄悄用钢锉在磬上锉了几处。从此之后,磬再也不会无故发声了。和尚以为妖怪已被赶走,心事顿消,病也不治而愈。请探究以下问题。
答案:(1)磬不敲自鸣是因为其固有频率和寺里的钟声频率相同引起了共振。
探究:(2)和尚的朋友又是如何治好和尚“心病”的呢?
答案:(2)和尚的朋友用钢锉在磬上锉了几处,就改变了磬的固有频率,从而破坏了磬和寺里钟声的共振条件,磬也就不会不敲自鸣了。
共振曲线如图所示,共振曲线的横坐标为驱动力的频率,纵坐标为受迫振动的振幅。
(1)从受力角度看:当驱动力的频率等于物体的固有频率时,它的每一次作用都使物体的振幅增加,直到振幅达到最大。
(2)从功能关系看:当驱动力的频率等于物体的固有频率时,驱动力始终对物体做正功,使振动能量不断增加,振幅不断增大,直到增加的能量等于克服阻尼作用损耗的能量,振幅才不再增加。振动能量最大,振幅最大。(3)认识曲线的形状:f=f0,共振;f>f0或f
解析:7个摆的摆长不完全相同,固有频率不完全相同,选项A错误;A摆振动起来后,带动其余6个摆做受迫振动,振动稳定后7个摆的振动频率都相同,选项B正确;B、F摆的摆长与A摆相同,发生共振,振幅最大,选项C正确,D错误。
[即时训练2] (多选)正在运转的机器,当其飞轮以角速度ω0匀速转动时,机器的振动不强烈,切断电源,飞轮的转动逐渐慢下来,在某一小段时间内机器却发生了强烈的振动,此后飞轮转速继续变慢,机器的振动也随之减弱,在机器停下来之后若重新启动机器,使飞轮转动的角速度从0较缓慢地增大到ω0,在这一过程中( )A.机器不一定还会发生强烈的振动B.机器一定还会发生强烈的振动C.若机器发生强烈振动,强烈振动可能发生在飞轮角速度为ω0时D.若机器发生强烈振动,强烈振动时飞轮的角速度肯定不为ω0
解析:飞轮在转速逐渐减小的过程中,机器出现强烈的振动,说明发生共振现象,共振现象产生的条件是驱动力频率等于系统的固有频率,故当机器重新启动时,飞轮转速缓慢增大的过程中,一旦达到共振条件,机器一定还会发生强烈的振动。由题意可知,发生强烈共振时,飞轮的角速度一定小于ω0,故选B、D。
1.(多选)为了提高松树上松果的采摘率和工作效率,工程技术人员利用松果的惯性发明了用打击杆、振动器使松果落下的两种装置,如图甲、乙所示。则( )A.针对不同树木,落果效果最好的振动频率可能不同B.随着振动器频率的增加,树干振动的幅度一定增大C.打击杆对不同粗细树干打击结束后,树干的振动频率相同D.稳定后,不同粗细树干的振动频率始终与振动器的振动频率相同
解析:根据共振的条件,当振动器的频率等于树木的固有频率时产生共振,此时落果效果最好,而不同的树木的固有频率不同,针对不同树木,落果效果最好的振动频率可能不同,选项A正确;当振动器的振动频率等于树木的固有频率时产生共振,此时树干的振幅最大,则随着振动器频率的增加,树干振动的幅度不一定增大,选项B错误;打击结束后,树干做阻尼振动,阻尼振动的频率与树干的自身性质有关,所以粗细不同的树干频率不同,选项C错误;树干在振动器的振动下做受迫振动,则稳定后,不同粗细树干的振动频率始终与振动器的振动频率相同,选项D正确。
2.(教材第54页第5题改编)(多选)如图是摆球做阻尼振动的振动图像,下列说法正确的是( )A.振动过程中周期变小B.振动过程中周期不变C.摆球A时刻的势能等于B时刻的势能D.摆球A时刻的动能等于B时刻的动能
解析:阻尼振动中,摆球的振幅逐渐减小,而频率保持不变,故周期不变,选项A错误,B正确;因A、B两时刻的位移相同,故摆球A时刻的势能等于B时刻的势能,选项C正确;由于振动的能量逐渐减小,故摆球A时刻的动能大于B时刻的动能,选项D错误。
3.用手指轻弹一只玻璃杯,可以听到清脆的声音,测得这声音的频率为500 Hz,将这只玻璃杯放在一个大功率的声波发声器前,操作人员通过调整其发出的声波,能使玻璃杯碎掉。下列说法中正确的是( )A.操作人员只要把声波发生器发出的声波频率调到最大B.操作人员只要把声波发生器输出的功率调到最大C.操作人员必须同时把声波发生器输出的功率和发出声波的频率调到最大D.操作人员必须将声波发生器发出的声波频率调到约为500 Hz,且适当增大其输出功率
解析:用手指轻弹一只玻璃杯, 测得这声音的频率为500 Hz,就是玻璃杯的固有频率,将这只玻璃杯放在两只大功率的声波发生器之间,操作人员通过调整其发出的声波,将玻璃杯震碎是共振现象,而发生共振的条件是驱动力的频率等于物体的固有频率。而玻璃杯的固有频率为500 Hz,故操作人员要将声波发生器发出的声波频率调到500 Hz,使玻璃杯产生共振,从而能将玻璃杯震碎。
1.知道什么是阻尼振动和受迫振动,会用能量观点分析阻尼振动的振幅变化和受迫振动的共振现象。2.通过实验认识固有频率、驱动力频率与振动频率之间的区别和联系,了解产生共振的条件,认识共振是受迫振动的一种特殊情况。3.能够根据实际生活中的振动特点,应用振动的规律解释与解决相关问题。
1.固有振动和固有频率如果振动系统在没有 干预的情况下做简谐运动,周期或频率与 无关,仅由 决定,这种振动称为固有振动,其振动频率称为 。
知识点一 振动中的能量损失
2.阻尼振动(1)阻尼振动:振动系统受到 作用, 随时间逐渐减小的振动,如图所示。
(2)振动系统能量衰减的两种方式。①由于振动系统受到摩擦阻力的作用,使振动系统的机械能逐渐转化为 。②由于振动系统引起 介质中各质点的振动,使能量向四周辐射出去,从而自身机械能减少。
1.驱动力作用于振动系统的 的外力。2.受迫振动(1)定义:系统在 作用下的振动。(2)受迫振动的频率(周期):物体做受迫振动达到稳定后,物体振动的频率等于 的频率,与物体的 无关。
如图,生活中会见到一阵风吹过树枝,使树枝左右摇摆,一会儿树枝就会停下来。而荡秋千的小朋友在一旁大人的不断推动下不停地摆动。请思考以下两个问题。
(1)树枝的运动是什么运动?
答案:(1)阻尼振动。
(2)秋千的摆动是什么运动?
答案:(2)受迫振动。
1.共振(1)定义:当驱动力的频率等于固有频率时,物体做受迫振动的 达到最大值的现象。(2)条件:驱动力频率 物体的固有频率。(3)特征:共振时受迫振动的 最大。(4)共振曲线:如图所示。表示受迫振动的 与 的关系图像,图中f0为物体的固有频率。
知识点三 共振现象及其应用
2.共振的应用与防止(1)共振的应用。采用方法:在应用共振时,应使驱动力频率接近或等于振动系统的固有频率。实例:转速计、共振筛。(2)共振的防止。采用方法:在防止共振时,应使驱动力频率与系统的固有频率相差越大越好。实例:部队过桥时用便步;火车过桥时减速。目的都是使驱动力的频率远离物体的固有频率。
18世纪中叶,法国昂热市一座大桥上有一队士兵经过。当他们在指挥官的口令下迈着整齐的步伐过桥时,桥梁突然断裂,造成多名官兵和行人丧生。请想一想:(1)是什么原因造成桥梁断裂的?
答案:(1)是共振造成的。因为大批士兵迈步的频率正好与大桥的固有频率一致,使桥体的振动加强,当它的振幅达到甚至超过桥梁的形变能力时,桥就断了。
(2)为什么各国都规定大队人马过桥,要便步通过?
答案:(2)鉴于大批士兵步伐整齐地走过桥时容易造成桥的共振,所以后来各国都规定大队人马过桥,要便步通过,防止桥发生共振。
要点一 简谐运动、阻尼振动和受迫振动
如图所示的装置,通过摇动把手可以对弹簧振子施加驱动力作用。请探究以下问题。
探究:(1)通过摇动把手可以对弹簧振子施加周期性的驱动力时振子做什么振动?其振动频率怎样?
答案:(1)振子做受迫振动,其振动频率等于驱动力的频率,即摇动把手的频率。
探究:(2)撤掉外力后振子做什么振动?其振动频率怎样?其振幅怎样变化?
答案:(2)振子做固有振动,其振动频率等于固有频率。振子在振动过程中由于克服阻力做功,振动强度逐渐减弱,振幅越来越小。
1.简谐运动是一种理想化的模型,物体运动过程中的一切阻力都不考虑。2.阻尼振动考虑阻力的影响,是更实际的一种运动。3.受迫振动是物体做阻尼振动时受到周期性驱动力作用下的振动。
4.三者对比列表如下:
[例1] (多选)将测力传感器接到计算机上可以测量快速变化的力,将单摆挂在测力传感器的探头上,测力探头与计算机连接,用此方法测得的单摆摆动过程中摆线上拉力的大小随时间变化的曲线如图所示,g取10 m/s2。某同学由此图像提供的信息做出了下列判断,其中正确的是( )A.摆球的周期T=0.5 sB.摆球的周期T=2 sC.t=0.5 s时摆球正经过最低点D.摆球运动过程中周期越来越小
解析:由图可知,单摆两次拉力极大值的时间差为1 s,所以单摆的振动周期为2 s,A错误,B正确;t=0.5 s时摆线的拉力最大,所以摆球正经过最低点,C正确;摆线拉力的极大值发生变化,说明摆球在最低点时的速度大小发生了变化,所以摆球做阻尼振动,振幅越来越小,但运动过程中单摆的周期不变,D错误。
(1)对阻尼振动的理解。①由于阻力做功,振动系统的机械能逐渐减小,振幅逐渐变小。②周期和频率由振动系统本身决定,阻尼振动中周期和频率不变。(2)对受迫振动的理解。①受迫振动的频率等于驱动力的频率,与固有频率无关。②驱动力频率越接近固有频率,振幅越大。
[即时训练1] 如图所示,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,而让振子自由上下振动,测得其频率为2 Hz,然后匀速转动摇把,转速为240 r/min,当振子振动稳定时,它振动的周期为( )A.0.5 s s C.2 s D.4 s
探究:(1)磬为什么会不敲自鸣呢?
唐朝洛阳有个和尚喜欢弹拨乐器——磬。奇怪的是,静静的磬经常自鸣自响,无缘无故地发出嗡嗡的声音。磬无故而鸣使和尚大为惊奇,渐渐由惊而疑,由疑而怯,以为是妖孽作怪,结果忧虑成疾,病倒在床。一天,和尚向前来探望他的朋友诉说了内心的忧虑。正在说话时,寺院里的钟声响了,说来奇怪,磬也发出了嗡嗡的响声。和尚的朋友明白了原因,悄悄用钢锉在磬上锉了几处。从此之后,磬再也不会无故发声了。和尚以为妖怪已被赶走,心事顿消,病也不治而愈。请探究以下问题。
答案:(1)磬不敲自鸣是因为其固有频率和寺里的钟声频率相同引起了共振。
探究:(2)和尚的朋友又是如何治好和尚“心病”的呢?
答案:(2)和尚的朋友用钢锉在磬上锉了几处,就改变了磬的固有频率,从而破坏了磬和寺里钟声的共振条件,磬也就不会不敲自鸣了。
共振曲线如图所示,共振曲线的横坐标为驱动力的频率,纵坐标为受迫振动的振幅。
(1)从受力角度看:当驱动力的频率等于物体的固有频率时,它的每一次作用都使物体的振幅增加,直到振幅达到最大。
(2)从功能关系看:当驱动力的频率等于物体的固有频率时,驱动力始终对物体做正功,使振动能量不断增加,振幅不断增大,直到增加的能量等于克服阻尼作用损耗的能量,振幅才不再增加。振动能量最大,振幅最大。(3)认识曲线的形状:f=f0,共振;f>f0或f
解析:7个摆的摆长不完全相同,固有频率不完全相同,选项A错误;A摆振动起来后,带动其余6个摆做受迫振动,振动稳定后7个摆的振动频率都相同,选项B正确;B、F摆的摆长与A摆相同,发生共振,振幅最大,选项C正确,D错误。
[即时训练2] (多选)正在运转的机器,当其飞轮以角速度ω0匀速转动时,机器的振动不强烈,切断电源,飞轮的转动逐渐慢下来,在某一小段时间内机器却发生了强烈的振动,此后飞轮转速继续变慢,机器的振动也随之减弱,在机器停下来之后若重新启动机器,使飞轮转动的角速度从0较缓慢地增大到ω0,在这一过程中( )A.机器不一定还会发生强烈的振动B.机器一定还会发生强烈的振动C.若机器发生强烈振动,强烈振动可能发生在飞轮角速度为ω0时D.若机器发生强烈振动,强烈振动时飞轮的角速度肯定不为ω0
解析:飞轮在转速逐渐减小的过程中,机器出现强烈的振动,说明发生共振现象,共振现象产生的条件是驱动力频率等于系统的固有频率,故当机器重新启动时,飞轮转速缓慢增大的过程中,一旦达到共振条件,机器一定还会发生强烈的振动。由题意可知,发生强烈共振时,飞轮的角速度一定小于ω0,故选B、D。
1.(多选)为了提高松树上松果的采摘率和工作效率,工程技术人员利用松果的惯性发明了用打击杆、振动器使松果落下的两种装置,如图甲、乙所示。则( )A.针对不同树木,落果效果最好的振动频率可能不同B.随着振动器频率的增加,树干振动的幅度一定增大C.打击杆对不同粗细树干打击结束后,树干的振动频率相同D.稳定后,不同粗细树干的振动频率始终与振动器的振动频率相同
解析:根据共振的条件,当振动器的频率等于树木的固有频率时产生共振,此时落果效果最好,而不同的树木的固有频率不同,针对不同树木,落果效果最好的振动频率可能不同,选项A正确;当振动器的振动频率等于树木的固有频率时产生共振,此时树干的振幅最大,则随着振动器频率的增加,树干振动的幅度不一定增大,选项B错误;打击结束后,树干做阻尼振动,阻尼振动的频率与树干的自身性质有关,所以粗细不同的树干频率不同,选项C错误;树干在振动器的振动下做受迫振动,则稳定后,不同粗细树干的振动频率始终与振动器的振动频率相同,选项D正确。
2.(教材第54页第5题改编)(多选)如图是摆球做阻尼振动的振动图像,下列说法正确的是( )A.振动过程中周期变小B.振动过程中周期不变C.摆球A时刻的势能等于B时刻的势能D.摆球A时刻的动能等于B时刻的动能
解析:阻尼振动中,摆球的振幅逐渐减小,而频率保持不变,故周期不变,选项A错误,B正确;因A、B两时刻的位移相同,故摆球A时刻的势能等于B时刻的势能,选项C正确;由于振动的能量逐渐减小,故摆球A时刻的动能大于B时刻的动能,选项D错误。
3.用手指轻弹一只玻璃杯,可以听到清脆的声音,测得这声音的频率为500 Hz,将这只玻璃杯放在一个大功率的声波发声器前,操作人员通过调整其发出的声波,能使玻璃杯碎掉。下列说法中正确的是( )A.操作人员只要把声波发生器发出的声波频率调到最大B.操作人员只要把声波发生器输出的功率调到最大C.操作人员必须同时把声波发生器输出的功率和发出声波的频率调到最大D.操作人员必须将声波发生器发出的声波频率调到约为500 Hz,且适当增大其输出功率
解析:用手指轻弹一只玻璃杯, 测得这声音的频率为500 Hz,就是玻璃杯的固有频率,将这只玻璃杯放在两只大功率的声波发生器之间,操作人员通过调整其发出的声波,将玻璃杯震碎是共振现象,而发生共振的条件是驱动力的频率等于物体的固有频率。而玻璃杯的固有频率为500 Hz,故操作人员要将声波发生器发出的声波频率调到500 Hz,使玻璃杯产生共振,从而能将玻璃杯震碎。
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