2021-2022学年鲁科版（2019）高中物理选择性必修第一册2.5 生活中的振动 学案

第5节　生活中的振动 学案
学习目标：
1.知道阻尼振动和阻尼振动能量的转化情况.
2.知道什么是受迫振动及产生条件，掌握物体做受迫振动的特点．
3.知道共振现象，掌握产生共振的条件，知道常见的共振的应用和危害．
基础知识：
一、阻尼振动
1．定义
阻尼振动是指振幅逐渐减小的振动．振动系统受到的阻力越大，振幅减小得越快．
2．产生的原因
振动系统克服摩擦力和其他阻力做了功，系统的机械能不断减小，振幅也不断减小．
3．图像
如图所示，振幅逐渐减小，最后停止振动．
4．对阻尼振动的理解
(1)阻尼振动振幅减小的快慢跟所受阻尼的大小有关．阻尼越大，振幅减小得越快．
(2)阻尼振动若在一段不太长的时间内振幅没有明显的减小，可以把它当作简谐运动来处理．
二、受迫振动与共振
1．受迫振动
(1)驱动力：给振动物体施加的一个周期性的外力．
(2)受迫振动：在周期性外力作用下产生的振动．
(3)受迫振动的周期或频率
物体做受迫振动时，振动稳定后的周期(或频率)总等于驱动力的周期(或频率)，与物体的固有周期(或固有频率)无关．
2．共振
(1)条件：驱动力的周期(或频率)等于物体的固有周期(或固有频率)．
(2)特征：共振时，物体受迫振动的振幅最大．
(3)共振曲线：如图所示．
三、共振的应用与防止
1．共振的应用
①采用方法：在应用共振时，驱动力频率接近或等于振动系统的固有频率．
②实例：转速计、共振筛．
2．共振的防止
①采用方法：在防止共振时，驱动力频率与系统的固有频率相差越大越好．
②实例：部队过桥时用便步；火车过桥时减速；轮船航行时，改变航向或航速．目的都是驱动力的频率远离物体的固有频率．
重难点理解：
一、阻尼振动、受迫振动与简谐运动的比较
　振动类型 比较项目 　 　 简谐运动 阻尼振动 受迫振动
产生条件 不受阻 力作用 受阻力作用 受阻力和驱 动力作用
频率 固有频率 频率不变 驱动力频率
振幅 不变 减小 大小变化 不确定
振动图像 形状不确定
实例 弹簧振子振动，单摆做小角度摆动 敲锣打鼓发出的声音越来越弱 扬声器纸盆振动发声、钟摆的摆动
典例1、(多选)将一个电动传感器接到计算机上，就可以测量快速变化的力，用这种方法测得的某单摆摆动时悬线上拉力的大小随时间变化的曲线如图所示。某同学由此图像提供的信息做出的下列判断中，正确的是(　　)
A.t＝0.2 s时摆球正经过最低点
B.t＝1.1 s时摆球正经过最低点
C.摆球摆动过程中机械能减小
D.摆球摆动的周期是T＝1.4 s
解析　t＝0.2 s时F最大，摆球速度最大正经过最低点，A正确；t＝1.1 s时F最小，摆球在最高点，B错误；摆球经过最低点时的拉力越来越小，速度越来越小，则机械能逐渐减小，C正确；在一个周期内摆球两次经过最低点，由图像知周期T＝1.2 s，D错误。
答案　AC
二、共振的特点
共振曲线的理解
受迫振动的振幅与驱动力频率的关系如图所示．
(1)两坐标轴的意义
纵轴：受迫振动的振幅；横轴：驱动力频率．
(2)f0的意义：表示固有频率．
(3)认识曲线形状：f＝f0，共振；f＞f0或f＜f0，振幅较小；f与f0相差越大，振幅越小．
(4)结论：驱动力的频率f越接近振动系统的固有频率f0，受迫振动的振幅越大，反之振幅越小．
典例2、(多选)如图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，振动图线如图甲所示．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乙所示．
若用T0表示弹簧振子的固有周期，T表示驱动力的周期，A表示受迫振动达到稳定后砝码振动的振幅，则(　AC　)
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，A显著增大；当T比4 s小得多或大得多时，A很小
D．当T在8 s附近时，A显著增大；当T比8 s小得多或大得多时，A很小
解析：细读图中所给情景，可知：甲图是描述弹簧振子在不受驱动力的情况下振动情况的图像，此时的振动周期是该弹簧振子的固有周期，从图中可直接读出固有周期为4 s，A正确，B错误；当驱动力的频率与固有频率相近时，发生共振，振幅显著增大，所以当曲杆的转动周期与弹簧振子的固有周期4 s接近的时候，振幅A显著增大，其他情况下A很小，C正确，D错误．
[答案]　(1)简谐运动　0.5 s　2 Hz　阻尼振动 (2)受迫振动　0.25 s
巩固练习：
1．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
2．如图所示是一个单摆做受迫振动时的共振曲线，表示振幅A与驱动力的频率f的关系，下列说法正确的是(　　)
A．摆长约为10 cm
B．发生共振时单摆的周期为1 s
C．若增大摆长，共振曲线的“峰”将向右移动
D．若增大摆长，共振曲线的“峰”将向左移动
3．两个质量分别为M和m的小球悬挂在同一根细线上，如图所示，当先让M摆动，过一段时间系统稳定后，下面哪句话是错误的(　　)
A．m和M的周期不相等
B．当两个摆长相等时，m摆的振幅最大
C．悬挂M的细绳长度变化时，m摆动的振幅也会发生变化
D．当两个摆长相等时，m摆动振幅可以超过M
4．下列振动中属于受迫振动的是(　)
A．用重锤敲击一下悬吊着的钟后，钟的摆动
B．打点计时器接通电源后，振针的振动
C．小孩睡在自由摆动的吊床上，小孩随着吊床一起摆动
D．弹簧振子在竖直方向上沿上下方向振动
5．(多选)某简谐振子，自由振动时的振动图像如图甲中的曲线Ⅰ所示，而在某驱动力作用下做受迫振动时，稳定后的振动图像如图甲中的曲线Ⅱ所示，那么，此受迫振动对应的状态可能是图乙中的(　　)
A．a点　　　　　　　　 B．b点
C．c点 D．一定不是c点
参考答案：
1.C．．2.D． 3.A　4.B 5.AD