2018-2019高中物理 第11章 機(jī)械振動 11.5 外力作用下的振動課件 新人教版選修3-4.ppt

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5外力作用下的振動,【自主預(yù)習(xí)】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(dāng)振動系統(tǒng)受到阻力的作用時(shí),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(jī)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(guān),_____越大,振幅減小得越快;_____越小,振幅減小得越慢。當(dāng)阻尼很小時(shí),在一段不太長的時(shí)間內(nèi)振幅沒有明顯減小,可認(rèn)為是物體做_____振動,于是可以把它當(dāng)作_____運(yùn)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(qū)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(guān),即f受迫=f驅(qū)動。,外力,驅(qū)動力,驅(qū)動力,固有頻率,,3.共振:(1)共振:①條件:驅(qū)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(shí),其振幅_____。,固有頻率,最大,,③共振曲線:如圖所示。,,(2)共振的應(yīng)用與防止:①共振的應(yīng)用。a.采用方法:在應(yīng)用共振時(shí),驅(qū)動力頻率接近或等于振動系統(tǒng)的_________。b.實(shí)例:轉(zhuǎn)速計(jì)、_______。,固有頻率,共振篩,,②共振的防止。a.特點(diǎn):在防止共振時(shí),驅(qū)動力頻率與系統(tǒng)的_________相差越大越好。b.實(shí)例:部隊(duì)過橋時(shí)應(yīng)采用_____走;火車過橋時(shí)_____;輪船受波浪沖擊時(shí),改變航向或_____,目的都是使驅(qū)動力的頻率遠(yuǎn)離物體的_________。,固有頻率,便步,減速,航速,固有頻率,,【預(yù)習(xí)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(jī)械能,,【解析】選A、D。有空氣阻力時(shí),振動為阻尼振動,振幅不斷減小,機(jī)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(shí)位移達(dá)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(xiàng)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(diǎn)計(jì)時(shí)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(qū)動力作用下的運(yùn)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(dāng)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(dāng)A擺振動時(shí),其他兩擺也振動起來,說明A擺提供驅(qū)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(qū)動力,B、C兩擺做受迫振動,C擺的固有周期等于A擺的驅(qū)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(yùn)動,思考下列問題。,,(1)小球運(yùn)動的振幅怎樣變化?做什么運(yùn)動?其能量如何變化?提示:小球運(yùn)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(diào),在響度減小的過程中,體驗(yàn)其音調(diào)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(diào)不變(頻率不變),這是因?yàn)槲矬w做阻尼振動時(shí),振幅雖然不斷減小,但振動的頻率仍由振動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(jié)】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(diǎn)的連線與橫軸平行,下列說法正確的是(),,A.振子在A時(shí)刻的動能等于B時(shí)刻的動能B.振子在A時(shí)刻的勢能等于B時(shí)刻的勢能C.振子在A時(shí)刻的機(jī)械能等于B時(shí)刻的機(jī)械能D.振子在A時(shí)刻的機(jī)械能大于B時(shí)刻的機(jī)械能,,【解題指南】解答本題應(yīng)注意以下兩點(diǎn):(1)彈簧振子的彈性勢能與彈簧的形變量有關(guān)。(2)做阻尼振動的物體,機(jī)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(shí)刻的機(jī)械能大于B時(shí)刻的機(jī)械能,選項(xiàng)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(guān),所以選項(xiàng)B對;振子在A時(shí)刻的動能大于B時(shí)刻的動能,選項(xiàng)A錯。,,【探究訓(xùn)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(jī)械能逐漸轉(zhuǎn)化為其他形式的能B.后一時(shí)刻的動能一定小于前一時(shí)刻的動能C.后一時(shí)刻的勢能一定小于前一時(shí)刻的勢能D.后一時(shí)刻的機(jī)械能一定小于前一時(shí)刻的機(jī)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(jī)械能逐漸轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,選項(xiàng)A和D對;雖然單擺總的機(jī)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(zhuǎn)化,動能轉(zhuǎn)化為勢能時(shí),動能逐漸減小,勢能逐漸增大,而勢能轉(zhuǎn)化為動能時(shí),勢能逐漸減小,動能逐漸增大,所以不能斷言后一時(shí)刻的動能(或勢能)一定小于前一時(shí)刻的動能(或勢能),故選項(xiàng)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(jì)算機(jī)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(shí)懸線上拉力的大小隨時(shí)間變化的曲線如圖所示。某同學(xué)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(shí)擺球正經(jīng)過最低點(diǎn)B.t=1.1s時(shí)擺球正經(jīng)過最低點(diǎn)C.擺球擺動過程中機(jī)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(diǎn)時(shí)最大,t=0.2s時(shí),F有正向最大值,故A選項(xiàng)正確;t=1.1s時(shí),F有最小值,不在最低點(diǎn),B選項(xiàng)錯誤;周期應(yīng)為T=1.2s,D選項(xiàng)錯誤;因振幅減小,故機(jī)械能減小,C選項(xiàng)正確。,,【補(bǔ)償訓(xùn)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(shí),機(jī)械能始終不變D.機(jī)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?xiàng)l件決定的,是不變的,故A項(xiàng)錯誤,B項(xiàng)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(jī)械能在減少,所以C項(xiàng)錯,D項(xiàng)對。,,【通法悟道】阻尼運(yùn)動的理解(1)阻尼運(yùn)動是一種實(shí)際運(yùn)動,要考慮阻力的影響。(2)阻尼運(yùn)動的頻率等于其固有頻率。(3)阻尼運(yùn)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(shí)驗(yàn),分析受迫振動的頻率與什么因素有關(guān)。提示:實(shí)驗(yàn)表明,受迫振動的頻率總等于驅(qū)動力的頻率,與系統(tǒng)的固有頻率無關(guān)。,,2.現(xiàn)實(shí)生活中的蕩秋千,在振動過程中,若受到周期性的驅(qū)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(qū)動力的頻率。,,3.問題2中,若給系統(tǒng)補(bǔ)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(yùn)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(jī)械能不變,但不一定是簡諧運(yùn)動。因?yàn)楹喼C運(yùn)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(jié)】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(qū)動力的作用下做受迫振動,驅(qū)動力的頻率為f。若驅(qū)動力的振幅保持不變,下列說法正確的是(),,A.當(dāng)ff0時(shí),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(yīng)注意以下兩點(diǎn):(1)區(qū)分固有頻率、受迫振動的頻率和驅(qū)動力的頻率。(2)受迫振動的頻率總等于驅(qū)動力的頻率,驅(qū)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(qū)動力作用下的振動叫作受迫振動,物體做受迫振動時(shí),振動穩(wěn)定后的頻率等于驅(qū)動力的頻率,跟物體的固有頻率沒有關(guān)系,驅(qū)動力的頻率接近物體的固有頻率時(shí),受迫振動的振幅增大,所以B、D正確。,,【探究訓(xùn)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(zhuǎn)動把手,給彈簧振子以周期性的驅(qū)動力,測得彈簧振子振動達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的頻率為1Hz,則把手轉(zhuǎn)動的頻率為()A.1HzB.3HzC.4HzD.5Hz,,【解析】選A。轉(zhuǎn)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(qū)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(zhuǎn)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(shí)的振動圖象如圖甲中的曲線Ⅰ所示,而在某驅(qū)動力作用下做受迫振動時(shí),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(yīng)的狀態(tài)可能是圖乙中的(),,A.a點(diǎn)B.b點(diǎn)C.c點(diǎn)D.一定不是c點(diǎn),,【解析】選A、D。振子的固有周期與驅(qū)動力周期的關(guān)系是T驅(qū)=T固,即f固=f驅(qū),所以受迫振動的狀態(tài)一定不是圖乙中的b點(diǎn)和c點(diǎn),可能是a點(diǎn),故選A、D。,,【補(bǔ)償訓(xùn)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(yùn)動的方向在垂直于紙面的豎直平面內(nèi),對m此后的運(yùn)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(yùn)動后，會通過水平鋼絲對m施加一個周期性的驅(qū)動力，m將做受迫振動，其周期應(yīng)等于驅(qū)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(yùn)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(qū)動力作用下的振動,兩者不是一回事。(2)簡諧運(yùn)動是振動系統(tǒng)在固有周期下的振動,是不受外力驅(qū)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(qū)動力,B、C、D三個擺在驅(qū)動力作用下開始擺動:,,(1)B、C、D三擺的頻率有什么關(guān)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(guān)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知當(dāng)A擺施加的驅(qū)動力的頻率等于B擺的固有頻率時(shí),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(qū)動力頻率有關(guān):固有頻率越接近驅(qū)動力頻率,受迫振動擺的振幅越大。,,2.用扁擔(dān)挑水時(shí),有時(shí)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(shí),由于行走時(shí)肩膀的起伏,人通過扁擔(dān)對水桶施加力的作用,使水因受到周期性的驅(qū)動力而做受迫振動。當(dāng)驅(qū)動力頻率接近或等于桶里水的固有頻率時(shí),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(qū)動力的頻率和水桶里水的固有頻率相遠(yuǎn)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(yīng)用,如共振篩、共振轉(zhuǎn)速計(jì)、共鳴箱、核磁共振儀等。試討論在利用共振儀器進(jìn)行工作時(shí),應(yīng)如何對驅(qū)動力的頻率進(jìn)行調(diào)整。提示:由共振的條件可知,要利用共振就應(yīng)該調(diào)整驅(qū)動力的頻率與物體的固有頻率相等。,,【探究總結(jié)】(1)共振的條件:驅(qū)動力的頻率等于系統(tǒng)的固有頻率。(2)共振現(xiàn)象的特點(diǎn):發(fā)生共振時(shí),振動物體的振幅最大。(3)共振的防止與應(yīng)用:防止時(shí),應(yīng)盡量使驅(qū)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(yīng)用時(shí),應(yīng)盡量使驅(qū)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(guān)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(shí),當(dāng)驅(qū)動力的周期(或頻率)等于該物體的固有周期(或固有頻率)時(shí),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(zhuǎn)一周,給篩子一個驅(qū)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(shí),完成10次全振動用時(shí)15s,在某電壓下,電動偏心輪轉(zhuǎn)速是36r/min。已知增大電壓可使偏心輪轉(zhuǎn)速提高;增加篩子質(zhì)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(zhì)量D.減小篩子質(zhì)量,,【解題指南】解答本題應(yīng)注意以下兩點(diǎn):(1)當(dāng)電動偏心輪的轉(zhuǎn)動周期跟篩子的固有周期相等時(shí),就會發(fā)生共振。(2)當(dāng)f驅(qū)=f固時(shí),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(qū)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(zhuǎn)動周期(對篩子來說是驅(qū)動力的周期)T驅(qū)=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(zhuǎn)得快一些,減小驅(qū)動力的周期;第二,增加篩子的質(zhì)量使篩子的固有周期增大。正確選項(xiàng)為A、C。,,【探究訓(xùn)練】1.如圖所示是一物體做受迫振動時(shí)的振幅與驅(qū)動力頻率的關(guān)系,由圖可知(),,A.驅(qū)動力頻率為f2,振子處于共振狀態(tài)B.振子做自由振動時(shí),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(yuǎn)小于f1D.要利用共振的效果,必須使物體的振動頻率遠(yuǎn)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(qū)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(shí),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(yuǎn)小于或遠(yuǎn)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(dāng)支架受到豎直方向且頻率為9Hz的驅(qū)動力作用做受迫振動時(shí),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?yàn)轵?qū)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(qū)動力的頻率,所以選項(xiàng)B正確。,,【補(bǔ)償訓(xùn)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(qū)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(guān)共振問題的方法(1)解答有關(guān)共振問題時(shí),要抓住產(chǎn)生共振的條件:驅(qū)動力的頻率等于固有頻率時(shí)產(chǎn)生共振,此時(shí)振動的振幅最大。(2)解決有關(guān)共振的實(shí)際問題時(shí),要抽象出受迫振動這一物理模型,弄清驅(qū)動力頻率和固有頻率,然后利用共振的條件進(jìn)行求解。,【課堂小結(jié)】,