《2018-2019高中物理 第11章 機械振動 11.5 外力作用下的振動課件 新人教版選修3-4.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《2018-2019高中物理 第11章 機械振動 11.5 外力作用下的振動課件 新人教版選修3-4.ppt（78頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

5外力作用下的振動,【自主預習】1.固有振動,阻尼振動:(1)固有振動:①固有振動:振動系統(tǒng)獲得一定的初始能量之后,不再受_____作用的振動,也稱為自由振動。②固有頻率:_________的頻率。,外力,固有振動,,(2)阻尼振動:①阻尼振動:_____逐漸減小的振動。當振動系統(tǒng)受到阻力的作用時,振動受到了_____,系統(tǒng)克服阻尼的作用要做功,消耗_______,因而振幅減小,最后會停下來。,振幅,阻尼,機械能,,②影響阻尼振動中振幅減小快慢的因素:振幅減小的快慢跟振動所受的阻尼有關,_____越大,振幅減小得越快;_____越小,振幅減小得越慢。當阻尼很小時,在一段不太長的時間內(nèi)振幅沒有明顯減小,可認為是物體做_____振動,于是可以把它當作_____運動來處理。,阻尼,阻尼,等幅,簡諧,,③阻尼振動的圖象:,,2.受迫振動:(1)驅動力:作用于振動系統(tǒng)的周期性的_____。(2)受迫振動:振動系統(tǒng)在_______作用下的振動。(3)受迫振動的頻率:做受迫振動的系統(tǒng)在振動穩(wěn)定后,其振動頻率等于_______的頻率,與系統(tǒng)的_________無關,即f受迫=f驅動。,外力,驅動力,驅動力,固有頻率,,3.共振:(1)共振:①條件:驅動力頻率等于系統(tǒng)的_________。②特征:做受迫振動的物體發(fā)生共振時,其振幅_____。,固有頻率,最大,,③共振曲線:如圖所示。,,(2)共振的應用與防止:①共振的應用。a.采用方法:在應用共振時,驅動力頻率接近或等于振動系統(tǒng)的_________。b.實例:轉速計、_______。,固有頻率,共振篩,,②共振的防止。a.特點:在防止共振時,驅動力頻率與系統(tǒng)的_________相差越大越好。b.實例:部隊過橋時應采用_____走;火車過橋時_____;輪船受波浪沖擊時,改變航向或_____,目的都是使驅動力的頻率遠離物體的_________。,固有頻率,便步,減速,航速,固有頻率,,【預習小測】1.(多選)若空氣阻力不可忽略,單擺在偏角很小的擺動中,總是減小的物理量為()A.振幅B.位移C.周期D.機械能,,【解析】選A、D。有空氣阻力時,振動為阻尼振動,振幅不斷減小,機械能不斷減小,在平衡位置,位移為零;而后位移增大,直到動能為零時位移達到最大,所以位移不是一直減小的,單擺的周期不變,故A、D選項正確。,,2.下列振動,屬于受迫振動的是()A.用重錘敲擊一下懸吊著的鐘后,鐘的振動B.打點計時器接通電源后,振針的振動C.小孩睡在自由擺動的吊床上,小孩隨著吊床一起擺動D.彈簧振子在豎直方向沿上下方向振動,,【解析】選B。受迫振動是物體在系統(tǒng)外的驅動力作用下的運動,故只有B對。,,3.(多選)如圖所示一根張緊的繩上懸掛三個相同小球A、B、C,A的擺長等于C的擺長,當A擺動后帶動B和C振動,下列說法正確的是(),,A.振動穩(wěn)定后B的周期大于C的周期B.振動穩(wěn)定后B、C周期相同C.振動穩(wěn)定后B、C振幅一樣大D.振動穩(wěn)定后C的振幅比B大,,【解析】選B、D。當A擺振動時,其他兩擺也振動起來,說明A擺提供驅動力,B、C兩擺做受迫振動,故三個擺的振動周期都等于A擺的固有周期,故A錯誤,B正確;A擺提供驅動力,B、C兩擺做受迫振動,C擺的固有周期等于A擺的驅動力周期,故發(fā)生共振,故C擺的振幅比B擺大,故C錯誤,D正確。,,主題一固有振動、阻尼振動【互動探究】如圖,把一個有孔的小球裝在彈簧的一端,彈簧的另一端固定,小球穿在粗糙桿上。觀察小球的運動,思考下列問題。,,(1)小球運動的振幅怎樣變化?做什么運動?其能量如何變化?提示:小球運動的振幅不斷減小;小球做阻尼振動;由于振幅不斷減小,故其能量逐漸減小。,,(2)用力敲鑼,注意聽其音調,在響度減小的過程中,體驗其音調是否變化,并分析思考為什么會這樣。提示:用力敲鑼,由于鑼受到阻尼作用,振幅越來越小,鑼聲減弱(響度減小),但音調不變(頻率不變),這是因為物體做阻尼振動時,振幅雖然不斷減小,但振動的頻率仍由振動系統(tǒng)的結構特點決定,并不會隨振幅的減小而變化。,,(3)無阻尼振動是不受任何阻力的振動嗎?提示:物體做無阻尼振動,并不一定指它不受阻力作用,而是指它在振動過程中保持振幅不變。,,【探究總結】阻尼振動與無阻尼振動的比較,,【典例示范】(多選)如圖所示是一個彈簧振子做阻尼振動的振動圖象,曲線上A、B兩點的連線與橫軸平行,下列說法正確的是(),,A.振子在A時刻的動能等于B時刻的動能B.振子在A時刻的勢能等于B時刻的勢能C.振子在A時刻的機械能等于B時刻的機械能D.振子在A時刻的機械能大于B時刻的機械能,,【解題指南】解答本題應注意以下兩點:(1)彈簧振子的彈性勢能與彈簧的形變量有關。(2)做阻尼振動的物體,機械能逐漸減小。,,【解析】選B、D。由于彈簧振子做阻尼振動,所以A時刻的機械能大于B時刻的機械能,選項C錯,D對;由于彈簧的彈性勢能與彈簧的形變量(即位移)有關,所以選項B對;振子在A時刻的動能大于B時刻的動能,選項A錯。,,【探究訓練】1.(多選)一單擺在空氣中振動,振幅逐漸減小。下列說法正確的是()A.機械能逐漸轉化為其他形式的能B.后一時刻的動能一定小于前一時刻的動能C.后一時刻的勢能一定小于前一時刻的勢能D.后一時刻的機械能一定小于前一時刻的機械能,,【解析】選A、D。單擺在振動過程中,因不斷克服空氣阻力做功,使機械能逐漸轉化為內(nèi)能,選項A和D對;雖然單擺總的機械能在逐漸減小,但在振動過程中動能和勢能仍不斷地相互轉化,動能轉化為勢能時,動能逐漸減小,勢能逐漸增大,而勢能轉化為動能時,勢能逐漸減小,動能逐漸增大,所以不能斷言后一時刻的動能(或勢能)一定小于前一時刻的動能(或勢能),故選項B、C不對。,,2.(多選)(2018濰坊高二檢測)將一個電動傳感器接到計算機上,就可以測量快速變化的力,用這種方法測得的某單擺擺動時懸線上拉力的大小隨時間變化的曲線如圖所示。某同學由此圖象提供的信息做出的下列判斷中,正確的是(),,A.t=0.2s時擺球正經(jīng)過最低點B.t=1.1s時擺球正經(jīng)過最低點C.擺球擺動過程中機械能減小D.擺球擺動的周期是T=1.4s,,【解析】選A、C。懸線拉力在擺球經(jīng)過最低點時最大,t=0.2s時,F有正向最大值,故A選項正確;t=1.1s時,F有最小值,不在最低點,B選項錯誤;周期應為T=1.2s,D選項錯誤;因振幅減小,故機械能減小,C選項正確。,,【補償訓練】(多選)一單擺做阻尼振動,則在振動過程中()A.振幅越來越小,周期也越來越小B.振幅越來越小,周期不變C.通過某一位置時,機械能始終不變D.機械能不守恒,頻率不變,,【解析】選B、D。因單擺做阻尼振動,根據(jù)阻尼振動的定義可知,其振幅越來越小。而單擺振動過程中的周期是其固有周期,是由本身條件決定的,是不變的,故A項錯誤,B項正確。又因單擺做阻尼振動過程中,振幅逐漸減小,振動的能量也在減少,即機械能在減少,所以C項錯,D項對。,,【通法悟道】阻尼運動的理解(1)阻尼運動是一種實際運動,要考慮阻力的影響。(2)阻尼運動的頻率等于其固有頻率。(3)阻尼運動的振幅越來越小。,,主題二受迫振動【互動探究】1.做“研究受迫振動的頻率”實驗,分析受迫振動的頻率與什么因素有關。提示:實驗表明,受迫振動的頻率總等于驅動力的頻率,與系統(tǒng)的固有頻率無關。,,2.現(xiàn)實生活中的蕩秋千,在振動過程中,若受到周期性的驅動力,則秋千振動的頻率等于它的固有頻率嗎?提示:秋千振動的頻率等于驅動力的頻率。,,3.問題2中,若給系統(tǒng)補充的能量與系統(tǒng)因阻尼振動消耗的能量相等,那么物體振動的振幅是否變化?它能否看作簡諧運動?提示:(1)物體振動的振幅不變,即物體做等幅振動。(2)振動系統(tǒng)的總機械能不變,但不一定是簡諧運動。因為簡諧運動所受阻力可以忽略,并且振動的頻率等于固有頻率,屬于自由振動。,【探究總結】阻尼振動和受迫振動的區(qū)別,,【典例示范】(多選)(2018成都高二檢測)某振動系統(tǒng)的固有頻率為f0,在周期性驅動力的作用下做受迫振動,驅動力的頻率為f。若驅動力的振幅保持不變,下列說法正確的是(),,A.當ff0時,該振動系統(tǒng)的振幅隨f減小而增大C.該振動系統(tǒng)的振動穩(wěn)定后,振動的頻率等于f0D.該振動系統(tǒng)的振動穩(wěn)定后,振動的頻率等于f,,【解題指南】解答本題應注意以下兩點:(1)區(qū)分固有頻率、受迫振動的頻率和驅動力的頻率。(2)受迫振動的頻率總等于驅動力的頻率,驅動力的頻率越接近固有頻率,振動的振幅越大。,,【解析】選B、D。物體在外界驅動力作用下的振動叫作受迫振動,物體做受迫振動時,振動穩(wěn)定后的頻率等于驅動力的頻率,跟物體的固有頻率沒有關系,驅動力的頻率接近物體的固有頻率時,受迫振動的振幅增大,所以B、D正確。,,【探究訓練】1.如圖所示的裝置,彈簧振子的固有頻率是4Hz。現(xiàn)勻速轉動把手,給彈簧振子以周期性的驅動力,測得彈簧振子振動達到穩(wěn)定時的頻率為1Hz,則把手轉動的頻率為()A.1HzB.3HzC.4HzD.5Hz,,【解析】選A。轉動把手后,彈簧振子開始做受迫振動,受迫振動是按照外界驅動力的頻率振動的,既然振子穩(wěn)定后的振動頻率為1Hz,則把手轉動的頻率即為1Hz,故A正確。,,2.(多選)(2018長沙高二檢測)某簡諧振子,自由振動時的振動圖象如圖甲中的曲線Ⅰ所示,而在某驅動力作用下做受迫振動時,穩(wěn)定后的振動圖象如圖甲中的曲線Ⅱ所示,那么,此受迫振動對應的狀態(tài)可能是圖乙中的(),,A.a點B.b點C.c點D.一定不是c點,,【解析】選A、D。振子的固有周期與驅動力周期的關系是T驅=T固,即f固=f驅,所以受迫振動的狀態(tài)一定不是圖乙中的b點和c點,可能是a點,故選A、D。,,【補償訓練】如圖所示,兩個單擺m、M懸掛到一根鋼絲上,原來它們都靜止,今使M偏離平衡位置一個小角度,釋放后M做簡諧運動的方向在垂直于紙面的豎直平面內(nèi),對m此后的運動情況,下述說法正確的是(),,A．m仍靜止B．m將做受迫振動，周期為2πC．m將做受迫振動，周期為2πD．m將做受迫振動，周期大于2π,,【解析】選B。M做簡諧運動后，會通過水平鋼絲對m施加一個周期性的驅動力，m將做受迫振動，其周期應等于驅動力的周期，即等于M的固有周期，所以T=2π，B正確，A、C錯誤；由于l＞L，所以2π＜2π，D錯誤。,,【通法悟道】阻尼振動、受迫振動和簡諧運動的區(qū)別(1)阻尼振動是在阻力作用下的振動,受迫振動是在周期性驅動力作用下的振動,兩者不是一回事。(2)簡諧運動是振動系統(tǒng)在固有周期下的振動,是不受外力驅使的。,,主題三共振【互動探究】1.如圖,先讓A擺振動起來,A會通過張緊的繩子給其他各擺施加驅動力,B、C、D三個擺在驅動力作用下開始擺動:,,(1)B、C、D三擺的頻率有什么關系?提示:B、C、D三擺都在受迫振動,其頻率都等于A擺的頻率。,,(2)觀察B、C、D三擺的振幅,哪一個擺的振幅最大?擺的振幅與固有頻率有什么關系。,,提示:B擺的振幅最大;在B、C、D三個擺中,A擺和B擺的擺長相等,故A擺的固有頻率等于B擺的固有頻率,由實驗現(xiàn)象可知當A擺施加的驅動力的頻率等于B擺的固有頻率時,B擺的振幅最大。即受迫振動擺的振幅與本身固有頻率和驅動力頻率有關:固有頻率越接近驅動力頻率,受迫振動擺的振幅越大。,,2.用扁擔挑水時,有時桶里的水會蕩得厲害,并從桶中濺出來,這是為什么?如何避免發(fā)生這一現(xiàn)象?,,提示:挑水時,由于行走時肩膀的起伏,人通過扁擔對水桶施加力的作用,使水因受到周期性的驅動力而做受迫振動。當驅動力頻率接近或等于桶里水的固有頻率時,水桶里的水就發(fā)生共振。所以,水的動蕩就越來越厲害,以致濺出來。為了避免發(fā)生這種現(xiàn)象,就要使驅動力的頻率和水桶里水的固有頻率相遠離。,,解決的辦法有改變行走的快慢或停止走動片刻,或在桶里放些漂浮物,增大阻尼,使振動系統(tǒng)克服阻力做功,消耗些能量,也可有效減小水的振動幅度。,,3.共振在現(xiàn)代生活中有許多應用,如共振篩、共振轉速計、共鳴箱、核磁共振儀等。試討論在利用共振儀器進行工作時,應如何對驅動力的頻率進行調整。提示:由共振的條件可知,要利用共振就應該調整驅動力的頻率與物體的固有頻率相等。,,【探究總結】(1)共振的條件:驅動力的頻率等于系統(tǒng)的固有頻率。(2)共振現(xiàn)象的特點:發(fā)生共振時,振動物體的振幅最大。(3)共振的防止與應用:防止時,應盡量使驅動力的頻率和物體的固有頻率不相等,而且相差越大越好。應用時,應盡量使驅動力的頻率與物體的固有頻率一致。,,(4)物體發(fā)生共振與做受迫振動的關系:①物體做受迫振動不一定發(fā)生共振,但發(fā)生共振的物體一定做受迫振動。②物體做受迫振動時,當驅動力的周期(或頻率)等于該物體的固有周期(或固有頻率)時,物體發(fā)生共振。,,【典例示范】(多選)把一個篩子用四根彈簧支起來,篩子上安一個電動偏心輪,它每轉一周,給篩子一個驅動力,這樣就做成了一個共振篩,如圖所示。篩子做自由振動時,完成10次全振動用時15s,在某電壓下,電動偏心輪轉速是36r/min。已知增大電壓可使偏心輪轉速提高;增加篩子質量,可以增大篩子的固有周期,那么要使篩子的振幅增大,下列做法正確的是(),,A.提高輸入電壓B.降低輸入電壓C.增加篩子質量D.減小篩子質量,,【解題指南】解答本題應注意以下兩點:(1)當電動偏心輪的轉動周期跟篩子的固有周期相等時,就會發(fā)生共振。(2)當f驅=f固時,振幅最大。若增大受迫振動的振幅,可采取兩種方法使之發(fā)生共振:①改變驅動力頻率;②改變固有頻率。,,【解析】選A、C。在題給條件下,篩子振動的固有周期T固=s=1.5s,電動偏心輪的轉動周期(對篩子來說是驅動力的周期)T驅=s≈1.67s。要使篩子振幅增大,就得使這兩個周期值靠近,可采用兩種做法:第一,提高輸入電壓使偏心輪轉得快一些,減小驅動力的周期;第二,增加篩子的質量使篩子的固有周期增大。正確選項為A、C。,,【探究訓練】1.如圖所示是一物體做受迫振動時的振幅與驅動力頻率的關系,由圖可知(),,A.驅動力頻率為f2,振子處于共振狀態(tài)B.振子做自由振動時,頻率可以為f1、f2或f3C.要減小共振的危害,必須使物體的振動頻率遠小于f1D.要利用共振的效果,必須使物體的振動頻率遠大于f3,,【解析】選A。由共振曲線可知,出現(xiàn)振幅最大,則固有頻率等于受迫振動的頻率,為f2。所以驅動力頻率為f2,振子處于共振狀態(tài),故A正確;振子做自由振動時,頻率由系統(tǒng)本身決定,頻率等于振子振動的固有頻率f2,故B錯誤;要減小共振的危害,必須使物體的振動頻率遠小于或遠大于其固有頻率f2,故C錯誤;要利用共振的效果,必須使物體的振動頻率等于其固有頻率f2,故D錯誤。,,2.(2018寧波高二檢測)如圖所示,把兩個彈簧振子懸掛在同一支架上,已知甲彈簧振子的固有頻率為9Hz,乙彈簧振子的固有頻率為72Hz,當支架受到豎直方向且頻率為9Hz的驅動力作用做受迫振動時,則兩個彈簧振子的振動情況是(),,A.甲的振幅較大,且振動頻率為18HzB.甲的振幅較大,且振動頻率為9HzC.乙的振幅較大,且振動頻率為9HzD.乙的振幅較大,且振動頻率為72Hz,,【解析】選B。根據(jù)受迫振動發(fā)生共振的條件可知甲的振幅較大,因為驅動力的頻率等于甲的固有頻率,做受迫振動的物體的頻率等于驅動力的頻率,所以選項B正確。,,【補償訓練】(多選)如圖所示,在一根張緊的水平繩上懸掛有a、b、c、d、e五個單擺,讓a擺略偏離平衡位置后無初速度釋放,在垂直紙面的平面內(nèi)振動,接著其余各擺也開始振動。下列說法中正確的是(),,A.各擺的振動周期與a擺相同B.各擺的振幅大小不同,c擺的振幅最大C.各擺的振動周期不同,c擺的周期最長D.各擺均做自由振動,,【解析】選A、B。a擺做的是自由振動,周期就等于a擺的固有周期,其余各擺均做受迫振動,所以振動周期均與a擺相同,故A正確,C錯誤;c擺與a擺的擺長相同,所以c擺所受驅動力的頻率與其固有頻率相等,這樣c擺產(chǎn)生共振,故c擺的振幅最大,故B正確,D錯誤。,,【通法悟道】解決有關共振問題的方法(1)解答有關共振問題時,要抓住產(chǎn)生共振的條件:驅動力的頻率等于固有頻率時產(chǎn)生共振,此時振動的振幅最大。(2)解決有關共振的實際問題時,要抽象出受迫振動這一物理模型,弄清驅動力頻率和固有頻率,然后利用共振的條件進行求解。,【課堂小結】,