2.5 受迫振动 共振 课件(共38张PPT)

(共38张PPT)
第二章 机械振动
粤教版 选择性必修一
第五节 共振
手指沾水轻轻地摩擦杯口，能产生响亮的声音。
改变注入杯中的水量时，高脚杯可以产生不同频率的声音(频率越小音调越低)，进而演奏处不同的乐曲。
新课导入
1.等幅振动：振幅不变的运动
简谐运动
物体的振动周期与频率由振动物体本身性质决定的，与振幅无关。
机械能守恒，振幅保持不变
固有周期：T0
固有频率：f0
一、振动类型
弹簧振子
单摆
2.阻尼振动：
振动系统在阻尼（摩擦或其他阻力）作用下的振幅逐渐减小的振动.
生活中的实际的振动一定是阻尼振动！
现实生活中是否存在简谐运动？
若振动过程中存在阻力，它的振幅又发生如何变化呢？
阻尼振动的振动图像(x-t)？
一、振动类型
阻尼振动的图像
2.阻尼振动：
振动系统在阻尼（摩擦或其他阻力）作用下的振幅逐渐减小的振动.
生活中的实际的振动一定是阻尼振动！
一、振动类型
现实生活中是否存在简谐运动？
若振动过程中存在阻力，它的振幅又发生如何变化呢？
思考：阻尼振动中，由于存在阻力，振幅不断减小，故振动系统的机械能将不断减少，那么，振动系统的周期和频率也会发生变化吗？
振动周期与振幅无关，故阻尼振动中周期和频率不变！
T
T
T
阻尼振动的三个特点
(1)振幅逐渐减小，最后停止振动．
(2)系统的机械能逐渐减少，最后耗尽．
(3)周期、频率不随振幅的变化而变化．
◆训练角度1　阻尼振动的图线
1．(多选)如图所示是单摆做阻尼振动的振动图线，下列说法中正确的是( 　　)
A．摆球A时刻的动能等于B时刻的动能
B．摆球A时刻的势能等于B时刻的势能
C．摆球A时刻的机械能等于B时刻的机械能
D．摆球A时刻的机械能大于B时刻的机械能
BD
新课导入
用周期性的外力作用于振动系统，补偿系统机械能的损耗，使系统持续地振动下去。
想一想：用什么办法才能得到持续的振动呢？
如何让秋千持续振动？
驱动力：周期性作用于振动系统的外力
3.受迫振动：系统在驱动力作用下的振动，叫做受迫振动。
一、振动类型
受迫振动的频率与什么有关？
探究受迫振动的频率与什么有关
驱动力：周期性作用于振动系统的外力
3.受迫振动：系统在驱动力作用下的振动，叫做受迫振动。
受迫振动的特点：受迫振动的频率总等于驱动力的频率，与系统的固有频率无关。
一、振动类型
物体做受迫振动的振幅是否只与驱动力有关，而与物体的固有频率无关？
结论：驱动力的频率等于振
动物体的固有频率时，振幅最
大；驱动力的频率跟固有频率
相差越大，振幅越小。
观察与思考：哪个摆球的振幅最大？
当驱动频率接近固有频率时弹簧振子的振幅怎么变换？远离的时候又是如何变化的？
受迫振动的振幅
当驱动频率接近固有频率时弹簧振子的振幅怎么变化？远离的时候又是如何变化的？
共振的频率
当驱动频率与固有频率越接近，受迫振动振幅越大，反之振幅越小。
当驱动力频率等于振动系统固有频率时，受迫振动振幅达到最大，称为共振。
1.定义：驱动力的频率f 等于物体的固有频率f0时，受迫振动的振幅最大，这种现象叫做共振。
横轴：表示驱动力的频率
纵轴：表示受迫振动的振幅
2.共振曲线：
3.受迫振动的规律
f驱 = f固 时，振幅有最大值；
f驱 与 f固 差别越大时，振幅越小。
二、共振
简谐运动、阻尼振动与受迫振动及共振的比较
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
共振
同受迫，且T驱=T固
f驱 = f固
大小变化不确定
形状不确定
共振筛、共振转速计等。
振动能量 机械能不变 机械能减少 由产生驱动力的物体提供
获得的能量最大
1、(多选）下列说法中正确的是（　　 ）
A．实际的自由振动必然是阻尼振动
B．阻尼振动的振幅越来越小
C．在外力作用下的振动是受迫振动
D．受迫振动稳定后的频率与自身物理条件无关
ABD
只有在周期性外力(驱动力)的作用下物体所做的振动才是受迫振动
课堂练习
2、如图所示的装置，弹簧振子的固有频率是4 Hz．现匀速转动把手，给弹簧振子以周期性的驱动力，测得弹簧振子振动达到稳定时的频率为1 Hz，则把手转动的频率为(　　)
A．1 Hz　　B．3 Hz　　C．4 Hz　　D．5 Hz
A　[受迫振动的频率等于驱动力的频率，把手转动的频率为1 Hz，故A正确．]
A
课堂练习
3、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2Hz，然后匀速转动摇把，转速为240r/min，当振子振动稳定时，它振动的周期为(　　)
A．0.5 s　　　　B．0.25 s
C．2 s D．4 s
B
课堂练习
4、如图，表示两个单摆m、M悬挂到一根钢丝上，原来它们都静止，今使m偏离平衡位置一个小角度，释放后m做简谐运动的方向在垂直于纸面的竖直平面里，对M此后的运动情况，下列说法正确的是（　　）
A、M仍静止
B、M将做受迫振动，周期为
C、M将做受迫振动，周期为
D、M能发生共振
m
M
l
L
C
课堂练习
5、如图所示，在一根张紧的水平绳上挂有5个单摆，其中b摆球质量最大，其余4个摆球质量相等，摆长关系为Lc>Lb＝Ld>La>Le，现将b摆垂直于纸面向里拉开一微小角度后释放，经过一段时间后，其余各摆均振动起来并达到稳定，下列叙述正确的是(　　)
A．4个单摆的周期Tc>Td>Ta>Te
B．4个单摆的频率fa＝fc＝fd＝fe
C．4个单摆的振幅Aa＝Ac＝Ad＝Ae
D．4个单摆中c摆的振幅最大
B
课堂练习
共振问题的分析方法
在分析有关共振的实际问题时，要抽象出受迫振动这一物理模型，弄清驱动力频率和固有频率，然后利用共振的条件进行求解．
共振的条件：驱动力的频率等于固有频率，此时振动的振幅最大．
三、共振的防止和利用
利用共振：应使驱动力的频率接近或等于振动物体的固有频率；
防止共振：应使驱动力的频率与物体的固有频率不同，而且相差越大越好。
三、共振的防止和利用
共振的利用
偏心轮在发动机的带动下发生转动产生周期性的驱动力，当驱动力频率与筛子固有频率相当时会产生距离振动，提高筛除杂物效率。
转速计原理图
不同长度的钢片安装在同一个支架上，与开动着的机器紧密接触，机器的振动引起转速计的轻微振动，固有频率与机器转速一致的那个钢片发生共振。
共振筛
（2022·重庆八中高二阶段练习）如图所示是用来测量各种发动机转速的转速计原理图。在同一铁支架MN上焊有固有频率依次为100Hz、90Hz、80Hz、70Hz的四个钢片a、b、c、d，将M端与正在转动的电动机接触，发现b钢片振幅很大，其余钢片振幅很小。则（　　）
A．钢片a的振动频率约为100Hz
B．钢片b的振动频率约为90Hz
C．钢片c的振动频率约为80Hz
D．电动机的转速约为90r/min
B
课堂练习
共鸣现象
唐朝时候，洛阳某寺一僧人房中挂着的一件乐器(磬)，经常莫名其妙地自动鸣响，僧人因此惊恐成疾，四处求治无效。他有一个朋友是朝中管音乐的官员，闻讯特去看望他。这时正好听见寺里敲钟声，那件乐器又随之作响。于是朋友说：你的病我可以治好，因为我找到你的病根了。只见朋友找到一把铁锉，在乐器上锉磨几下，乐器便再也不会自动作响了。
你能说出其中的道理吗？
古代的磬
共鸣箱
几乎所有乐器都利用了共振达到放大某一频率，同时抑制其他频率声音的目的。
原子和分子的共振能够制造各种光源（如日光灯、激光），也能制造电子表、原子钟等。
微波炉加热原理：食物中水分子的振动频率约为2500MHz。微波炉加热食品时，炉内产生大致相同频率的
电磁波，也称为 “微波”。使
食物中的水分子做受迫振动，
发生共振，将电磁辐射能转
化为内能，从而使食物的温
度迅速升高。微波加热是对物体内部的整体加热，极大地提高了加热效率。
生活物理
三、共振的防止和利用
共振的利用
三、共振的防止和利用
共振的利用
共振的防止
物体发生共振时，很容易因为吸收能量过多，振幅过大而损伤物体。
大风作用下桥面发生共振，导致大幅度振动，美国的全长860米的塔柯姆大桥在建成后的4个月就因风共振而倒塌 。
1831年，一队骑兵通过曼彻斯特附近的一座便桥时，由于马蹄节奏整齐，桥梁发生共振而断裂。
共振的防止
军队过桥便步走,火车过桥慢行
在设计建筑时也要考虑共振问题
实践与拓展
频率小于20HZ的声波称为次声波。某些次声波与人体器官频率接近，容易和人体器官产生共振，对人体有很强的伤害性，严重可以致人死亡。通过查阅资料，找出人体器官的固有频率范围，并查找是否存在减小或者消除次声波的方法。
1980年6月30日上午，澳大利亚新南威尔士州北部西·罗克斯附近，就发生过成群的巨头鲸冲上海滩的现象。人们为保护这些珍贵动物，费尽九牛二虎之力，企图把它们拖回海去。可这一切努力都枉费心机，被拖回海里的鲸鱼，又固执地冲回海滩。鲸鱼干燥的皮肤上出现了血泡，鲜血不断从破裂处流出。多数鲸鱼窒息而死。对这一系列奇怪的现象，人们进行了各种各样的分析，最后发现，原来罪魁祸首是次声波。
1890年，一艘名叫“马尔波罗”号的帆船在从新西兰驶往英国的途中，突然神秘地失踪了。20年后，人们在火地岛海岸边发现了它。奇怪的是：船上的物品都原封不动，完好如初，航海日记的字迹仍然依稀可辨，就连那些死去多年的船员，也保持着当年的姿势。目前的比较合理的解释是受到了海洋次声波的伤害。
学习研究
查阅资料，了解我国古代关于共振的研究与应用，并写成学习报告。
《墨子》中记载了战国时墨家运用共振侦查敌情的事情：命令陶器匠烧制坛子，大小能够容纳四十斗以上，用薄牛皮裹紧坛口，放入井中，派听觉灵敏的人伏在坛口听地上传来的声音。
我国古代在乐器上装上共鸣箱，将声音放大，如战国时期流行的秦筝、其共振箱是木制的长方形，上面张弦，“木声丝生均其所自出”
2、受迫振动：系统在周期性外界驱动力作用下的振动
3、系统做受迫振动时，振动稳定后的频率等于驱动力的频率，跟系统的固有频率无关
4、驱动力的频率等于振动系统的固有频率时，受迫振动的振幅增大，这种现象叫做共振。
5、利用共振时，应使驱动力的频率接近或等于振动系统的固有频率；
防止共振时，应使驱动力的频率与系统的固有频率不同，而且相差越大越好
1、等幅振动：振幅不变的振动
阻尼振动：振幅越来越小的振动
课堂小结
1、（2022·全国·高二专题练习）下列说法正确的是（　　）
A．洗衣机工作时机壳的振动频率等于其固有频率
B．为了防止桥梁发生共振而坍塌， 部队要齐步通过桥梁
C．鼓手随音乐敲击鼓面时， 鼓面的振动是自由振动
D．较弱声音可震碎玻璃杯， 是因为玻璃杯发生了共振
【正确答案】D
课堂练习
2、（2022·全国·高二专题练习）如图甲所示，竖直悬挂的弹簧振子下端装有记录笔，在竖直面内放置记录纸。当振子上下自由振动时，振动频率为10 Hz。现匀速转动把手，给弹簧振子一周期性的驱动力，并以水平向左的速度v=2 m/s匀速拉动记录纸，记录笔在纸上留下记录的痕迹，建立坐标系，测得的数据如图乙所示，则弹簧振子振动的振幅为________，频率为________，若将匀速转动把手的周期改为0.1s，弹簧振子的振幅将________（填“变大”“变小”或“不变”）。
【答案】5cm 2Hz 增大
课堂练习
3、如图所示，是一个单摆的共振曲线。
（1）若单摆所处的环境重力加速度g 取9.8 m/s2，试求此摆的摆长？
（2）若将此单摆移到高山上，共振曲线的峰将怎样移动？
（1）由题图图像可知，单摆的固有频率f 0.3Hz，由频率公式：，得：
（2）由 知，单摆移到高山上，重力加速度 g 减小，其固有频率减小，故共振曲线的峰向左移动
课堂练习
解析：