高中物理人教版 (新课标)选修3选修3-4第十一章 机械振动5 外力作用下的振动教案

第十一章

第五节

外力作用下的振动教案

一、教材分析

本节是人教版物理选修3-4 十一章第五节，由生活中常见的阻尼振动分析入手进而引入受迫振动的概念，然后通过演示实验说明受迫振动的周期与驱动力周期的关系，最后演示实验证明当f驱＝ｆ固时，物体做受迫振动的振幅最大，最后引入了共振的概念

二、教学目标

知识与技能

（1）能从能量的观点分析阻尼振动产生的原因

（2）掌握受迫振动的概念。探究受迫振动的频率与驱动力的频率的关系

（3）理解共振的概念及产生条件，知道常见的共振的应用和危害

过程与方法：

通过实验探究受迫振动频率与驱动力频率及共振条件

情感态度与价值观

体会物理与生活的紧密联系，培养热爱生活的情趣

三、教学重点难点

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＝ｆ固时，物体做受迫振动的振幅最大

四、学情分析.

1、教学中应该充分发挥实验的作用，使学生理解物体在做受迫振动时其频率跟驱动力频率的关系，以及受迫振动的频率与物体固有频率接近时，振动的特点.
2．在做共振实验时，也可以用如下的实验代替课本中图9-33的实验。即在同一块薄木板上固定许多长度不同，但质地、粗细相同的小木棒，振动其中的一个，观察其他小木棒哪一个振动得最剧烈。
3．注意引导学生多思考一下共振在实际中的应用(如乐器的共鸣箱等)以及避免共振的做法，培养学生理论联系实际的能力和习惯。

五、教学方法

实验、讨论

六、课前准备

弹簧振子、受迫振动演示仪、摆的共振演示器

七、课时安排

1课时

八、教学过程

（一）预习检查、总结疑惑

（二）情景引入、展示目标

现场演示弹簧振子的运动，提出问题：弹簧振子为什么会停下来而不一直运动下去？那么如何才能让它永不停息的运动呢？

（三）合作探究、精讲点播

学生带着上述问题阅读课本17-18页内容。（给予学生2-3分钟时间）

现在以弹簧振子为例讨论一下简谐运动的能量问题。

问：振子从B向O运动过程中，它的能量是怎样变化的？引导学生答出弹性势能减少，动能增加。

问：振子从O向C运动过程中能量如何变化？振子由C向O、又由O向B运动的过程中，能量又是如何变化的？

问：振子在振动过程中总的机械能如何变化？引导学生运用机械能守恒定律，得出在不计阻力作用的情况下，总机械能保持不变。

教师指出：将振子从B点释放后在弹簧弹力（回复力）作用下，振子向左运动，速度加大，弹簧形变（位移）减少，弹簧的弹性势能转化为振子的动能。当回到平衡位置O时，弹簧无形变，弹性势能为零，振子动能达到最大值，这时振子的动能等于它在最大位移处（B点）弹簧的弹性势能，也就是等于系统的总机械能。

在任何一位置上，动能和势能之和保持不变，都等于开始振动时的弹性势能，也就是系统的总机械能。

由于简谐运动中总机械能守恒，所以简谐运动中振幅不变。如果初始时B点与O点的距离越大，到O点时，振子的动能越大，则系统所具有的机械能越大。相应地，振子的振幅也就越大，因此简谐运动的振幅与能量相对应。

问：怎样才能使受阻力的振动物体的振幅不变，而一直振动下去呢？引导学生答出，应不断地向系统补充损耗的机械能，以使振动物体的振幅不变。

指出：这种振幅不变的振动叫等幅振动。

举几个等幅振动的例子，例如电铃响的时候，铃锤是做等幅振动。电磁打点计时器工作时，打点针是做等幅振动。挂钟的摆是做等幅振动。它们的共同特点是，工作时振动物体不断地受到周期性变化外力的作用。

这种周期性变化的外力叫驱动力。

在驱动力作用下物体的振动叫受迫振动。

再让学生举几个受迫振动的例子，例如内燃机气缸中活塞的运动，缝纫机针头的运动，扬声器纸盆的运动，电话耳机中膜片的运动等都是受迫振动。

问：受迫振动的频率跟什么有关呢？

让学生注意观察演示（图3）。用不同的转速匀速地转动把手，可以发现，开始振子的运动情况比较复杂，但达到稳定后，振子的运动就比较稳定，可以明显地观察到受迫振动的周期等于驱动力的周期。这样就可以得到物体做受迫振动的频率等于驱动力的频率，而跟振子的固有频率无关。

问：受迫振动的振幅又跟什么有关呢？

演示摆的共振（装置如图4），在一根绷紧的绳上挂几个单摆，其中A、B、G球的摆长相等。当使A摆动起来后，A球的振动通过张紧的绳给其余各摆施加周期性的驱动力，经一段时间后，它们都会振动起来。驱动力的频率等于A摆的频率。实验发现，在A摆多次摆动后，各球都将以A球的频率振动起来，但振幅不同，固有频率与驱动力频率相等的B、G球的振幅最大，而频率与驱动力频率相差最大的D、E球的振幅最小。

明确指出：驱动力的频率跟物体的固有频率相等时，振幅最大，这种现象叫共振。

讲解一下共振在技术上有其有利的一面，也存在不利的一面。结合课本让同学思考，在生活实际中利用共振和防止共振的实例。

（四）反思总结、当堂检测

支持火车车厢的弹簧的固有频率为2Hz，行驶在每节铁轨长10米的铁路上，则当运行速度为____m/s时，车厢振动最剧烈。[20m/s]

（五）发导学案、布置作业

九、板书设计

1物体在驱动力作用下的振动是受迫振动，受迫振动的频率等于驱动力的频率；

2．当驱动力的频率等于物体的固有频率时，受迫振动振幅最大的现象叫共振

十、教学反思

本节概念较多，需要让学生在理解基本概念的基础上解决基本问题！

第五节外力作用下的振动学案

课前预习学案

一、预习目标

1、能从能量角度分析阻尼振动产生原因

2、知道受迫振动的概念，利用实验探究其频率与驱动力频率的关系

二、预习内容

1                  振动叫做阻尼振动

2当振动系统受到阻力的作用时，系统克服阻力的作用要做功，消耗      ，因而振幅减小，最终停下来。

3                      的振动叫受迫振动。

4受迫振动频率         （大于/小于/等于）驱动力频率

5当                      时，受迫振动的振幅最大，这种现象叫共振。

三、提出疑惑

课内探究学案

一、学习目标

通过实验探究共振的产生条件

二、学习过程

1分组讨论阻尼振动产生的原因及避免方法

2互相合作通过实验探究受迫振动频率与驱动率频率关系及共振条件

【典型例题】

汽车的重力一般支撑在固定于轴承上的若干弹簧上，弹簧的等效劲度系数k=1.5×105 N/m.汽车开始运动时，在振幅较小的情况下，其上下自由振动的频率满足f=f（l为弹簧的压缩长度）.若人体可以看成一个弹性体，其固有频率约为2 Hz，已知汽车的质量为600 kg，每个人的质量为70 kg，则这辆车乘坐几个人时，人感觉到最难受？

三、反思总结

四、当堂检测

1.铁路上每根铁轨长12 m，若支持车厢的弹簧固有周期是0.6 s，列车以下列哪一速度行驶时，车厢振动得最厉害（    )

A.20m/s          B.5 m/s       C.6 m/s        D.12 m/s

2.如图11-5-4所示是一个做阻尼振动的物体的振动图象，A、B两点所在直线与横轴平行.下列说法正确的是（    )

图11-5-4

A.物体A时刻的动能等于B时刻的动能

B.物体A时刻的势能等于B时刻的势能

C.物体A时刻的机械能等于B时刻的机械能

D.物体A时刻的机械能大于B时刻的机械能

3.如图11-5-5所示，在一根弹性木条上挂几个摆长不等的单摆，其中A、E的摆长相等，A摆球的质量远大于其他各摆.当A摆振动起来后，带动其余各摆也随之振动，达到稳定后，以下关于各摆振动的说法正确的是（    )

图11-5-5

A.各摆振动的周期都相等                         B.C摆振动的振幅最大

C.B、C、D、E四摆中，E摆的振幅最大             D.C摆振动的周期最大

4.A、B两个弹簧振子，A的固有频率为f，B的固有频率为4f.若它们均在频率为3f的驱动力作用下做受迫振动，则（    )

A.A的振幅较大，振动频率为f                    B.B的振幅较大，振动频率为3f

C.A的振幅较大，振动频率为3f                   D.B的振幅较大，振动频率为4f

5.自由摆动的秋千，摆动的振幅越来越小，下列说法正确的是（    )

A.机械能守恒               B.能量正在消失

C.总能量守恒，机械能减小   D.只有动能和势能的相互转化

课后练习与提高

1图11-5-6中，两小球质量分别为M和m（M>m），悬挂在同一根水平拉紧的绳上，先使M摆动，则以下说法正确的是（    )

图11-5-6

A.m的摆动周期几乎与M的周期相等       B.m的振幅随l1长短的改变而改变

C.l1=l2时，m有最大振幅             D.l1=l2时，m的振幅有可能大于M的振幅

2.如图11-5-7所示，沿波的传播方向上有间距都为1 m的六个质点a、b、c、d、e、f，均静止在各自的平衡位置.一列横波以1 m/s的速度水平向右传播，t=0时到达质点a，质点a开始由平衡位置向上运动.t=1 s时，质点a第一次到达最高点，则在4 s<t<5 s这段时间内（    )

图11-5-7

A.质点c的加速度逐渐增大                         B.质点a的速度逐渐增大

C.质点d向下运动                                 D.质点f保持静止

3.(2006广东高考)铺设铁轨时，每两根钢轨接缝处都必须留有一定的间隙，匀速运行的列车经过轨端接缝处时，车轮就会受到一次冲击.由于每一根钢轨长度相等，所以这个冲击力是周期性的，列车受到周期性的冲击做受迫振动.普通钢轨长为12.6 m，列车固有振动周期为0.315 s.下列说法正确的是（    )

A.列车的危险速率为40 m/s

B.列车过桥需要减速，是为了防止列车发生共振现象

C.列车运行的振动频率和列车的固有频率总是相等的

D.增加钢轨的长度有利于列车高速运行

4.如图11-5-8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11-5-8

5.一砝码和一轻弹簧构成弹簧振子，如图11-5-9所示的装置可用于研究该弹簧振子的受迫振动.匀速转动把手时，曲杆给弹簧振子以驱动力，使振子做受迫振动.把手匀速转动的周期就是驱动力的周期，改变把手匀速转动的速度就可以改变驱动力的周期.若保持把手不动，给砝码一向下的初速度，砝码便做简谐运动，振动图线如图11-5-10所示.当把手以某一速度匀速转动，受迫振动达到稳定时，砝码的振动图线如图11-5-11所示.

若用T0表示弹簧振子的固有周期，T表示驱动力的周期，Y表示受迫振动达到稳定后砝码振动的振幅，则

图11-5-9

图11-5-10

图11-5-11

A.由图线可知T0=4 s        B.由图线可知T0=8 s

C.当T在4 s附近时，Y显著增大；当T比4 s小得多或大得多时，Y很小

D.当T在8 s附近时，Y显著增大；当T比8 s小得多或大得多时，Y很小

                           参考答案

当堂检测

1A

2 BD

3 AC

4B

5 C

课后练习与提高

1 ABCD

2、ACD

3、AD

4、l=1 m Am=8 cm vm=0.25 m/s am=0.8 m/s2

5、AC