高中物理人教版选修3-4 11.5 外力作用下的振动导学案含答案
文档属性
| 名称 | 高中物理人教版选修3-4 11.5 外力作用下的振动导学案含答案 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 4.9MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2020-05-17 17:14:10 | ||
图片预览
文档简介
外力作用下的振动
基础知识 基本技能
1．阻尼振动
定义 振幅逐渐减小的振动，叫做阻尼振动
图象
类型 摩擦阻尼
辐射阻尼
能量变化 振动系统受到摩擦和其他阻力，即受到阻尼作用，系统的机械能逐渐减少，同时振幅也逐渐减小
理想化条件 当阻尼很小时，在一段时间内，看不出振幅有明显的减小，就可以把它作为理想振动来处理
【例1】 如图是单摆做阻尼振动的振动图象，下列说法正确的是( )
A．摆球tA时刻的动能等于tB时刻的动能
B．摆球tA时刻的势能等于tB时刻的势能
C．摆球tA时刻的机械能等于tB时刻的机械能
D．摆球tA时刻的机械能大于tB时刻的机械能
解析：
选项 剖析 结论
A 由于tA时刻的机械能大于tB时刻的机械能，而tA、tB两时刻的势能相等，故tA时刻的动能大于tB时刻的动能 ×
B 摆球的质量m是定值。由于tA、tB两时刻摆球的位移相同，故这两个时刻摆球相对于零势能点的高度h相同，则势能mgh也相同 √
C 单摆做阻尼振动，由于克服阻力做功其机械能逐渐减小，故振幅减小, ×
D √
答案：BD
2．固有周期和固有频率
(1)自由振动：像弹簧振子和单摆那样，物体偏离平衡位置后，它们就在自己的弹力或重力作用下振动起来，不需要其他外力的推动，这种振动叫做自由振动。
(2)固有周期和固有频率：做简谐运动的物体都要受到回复力的作用，回复力是振动系统内部的相互作用，是内力，如果振动系统不受外力的作用，此时的振动叫固有振动，其振动频率叫做固有频率。
【例2】 弹簧振子在振动过程中振幅逐渐减小，这是由于( )
A．振子开始振动时振幅太小
B．在振动过程中要不断克服外界阻力做功，消耗能量
C．动能和势能相互转化
D．振子的机械能逐渐转化为内能
解析：
A × 因单摆做阻尼振动。根据阻尼振动的定义可知。其振幅越来越小。而单摆振动过程中的周期是其固有周期，是由本身条件决定的，是不变的
B √
C × 因单摆做阻尼振动过程中，振幅逐渐减小，振动的能量也在减少，即机械能在减少
D √
答案：BD
3．受迫振动
(1)持续振动的获得
实际的振动由于阻尼作用最终要停下来，要维持系统持续振动，办法是加周期性的外力作用于振动系统，外力对系统做功，补偿系统的能量损耗。
(2)驱动力：作用于振动系统的周期性的外力。
(3)受迫振动：振动系统在驱动力作用下的振动。
(4)受迫振动的频率
做受迫振动的系统振动稳定后，其振动频率等于驱动力的频率，与系统的固有频率无关。
实例探究：如图所示，当弹簧振子自由振动时，振子就会慢慢地停下来，要使振子能够持续振动下去，要用把手给了振动系统一个周期性的外力作用，外力对系统做功，补偿系统的能量损耗。所以当匀速转动把手，曲轴给弹簧振子一个驱动力，使振子上下振动，振动就会持续下去，当把手转速小时，振子振动较慢；当把手转速大时，振子振动较快。物体做受迫振动时，振动物体振动的快慢随驱动力的周期而变化。
【例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2 Hz，然后匀速转动摇把，转速为240 r/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
解析：匀速转动摇把后，振子将做受迫振动，驱动力的周期跟把手转动的周期是相同的，振子做受迫振动的周期又等于驱动力的周期，其频率也等于驱动力的频率，与振子自由上下振动频率无关。摇把匀速转动的转速为240 r/min＝4 r/s，所以驱动力的周期T＝＝ s＝0.25 s。
答案：B
4．共振
(1)条件：驱动力的频率等于系统的固有频率。
(2)特征：共振时受迫振动的振幅最大。
(3)共振曲线：如图所示。
(4)共振的应用与防止
①共振的应用
采用方法：在应用共振时，应使驱动力频率接近或等于振动系统的固有频率。
实例：转速针、共振筛。
②共振的防止
采用方法：在防止共振时，应使驱动力频率与系统的固有频率相差越大越好。
实例：部队过桥时用便步；火车过桥时减速；目的都是使驱动力的频率远离物体的固有频率。
共振是一种特殊振动吗
共振是受迫振动中的一个现象，当驱动力的频率和振子的固有频率相同时，就会发生共振现象。
【例4】 铺设铁轨时，每两根钢轨接缝处都必须留有一定的间隙，匀速运行的列车每经过钢轨接缝处时，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
解析：对于受迫振动，当驱动力的频率与固有频率相等时将发生共振现象，所以列车的危险速率v＝＝40 m/s，A正确；为了防止共振现象发生，B正确；由v＝＝40 m/s知L增大时，T不变，v变大，D正确，所以A、B、D正确。
答案：ABD
基本方法 基本能力
5．阻尼振动与简谐运动的比较
谈重点：频率的决定因素
(1)阻尼振动中振幅虽逐渐减小，但振动的频率不会变化，此频率称为固有频率，由振动系统决定。(2)是否是阻尼振动，关键是看振幅是否逐渐减小。
6．自由振动、受迫振动、共振的比较
辩误区：受迫振动的能量来源
受迫振动中，若周期性的驱动力给系统补充的能量与系统因阻尼振动消耗的能量相等，物体做等幅振动，但此振动不是简谐运动。
7．共振及其条件的理解
(1)共振的定义：物体做受迫振动时，当驱动力的频率等于系统的固有频率时，振动的振幅最大，这种现象叫共振。
(2)发生共振的条件
f驱＝f固，即驱动力的频率等于振动系统的固有频率。
(3)共振曲线：如图所示，共振曲线的横坐标为驱动力的频率，纵坐标为受迫振动物体的振幅。
共振曲线直观地反映出驱动力的频率对受迫振动物体振幅的影响。由共振曲线可知，当驱动力的频率与物体的固有频率相等时，受迫振动的振幅最大。
(4)理解发生共振的条件
①从受力角度看：当振动物体所受驱动力的方向跟它的运动方向相同时，驱动力对它起加速作用，使它的振幅增大，驱动力的频率跟物体的固有频率越接近，使物体振幅增大的力的作用次数就越多，当驱动力的频率等于物体的固有频率时，它的每一次作用都使物体的振幅增加，从而振幅达到最大。
②从功能关系看：当驱动力的频率越接近物体的固有频率时，驱动力与物体运动一致的次数越多，驱动力对物体做正功越多，振幅就越大。当驱动力的频率等于物体的固有频率时，驱动力始终对物体做正功，使振动能量不断增加，振幅不断增大，直到增加的能量等于克服阻尼作用损耗的能量，振幅才不再增加。
【例5－1】 正在运转的洗衣机，当其脱水桶转得很快时，机身的振动并不强烈，切断电源，转动逐渐慢下来，到某一时刻t，机器反而会发生强烈地振动，此后脱水桶转速继续变慢，机身的振动也随之减弱，这种现象说明( )
A．在时刻t脱水桶的惯性最大
B．在时刻t脱水桶的转动频率最大
C．在时刻t脱水桶的转动频率与机身的固有频率相等，发生共振
D．纯属偶然现象，并无规律
解析：
A × 质量是惯性大小的量度，t时刻桶的质量不变，所以桶的惯性不变
B × 转动频率由转速决定，与振动强弱无关
C √
D × 到某一时刻t，机器会发生强烈振动，说明在t时刻脱水桶的振动频率与机身的固有频率相等，发生了共振现象
答案：C
【例5－2】 将测力传感器接到计算机上可以测量快速变化的力，将单摆挂在测力传感器的探头上，测力探头与计算机连接，用此方法测得的单摆摆动过程中摆线上拉力的大小随时间变化的曲线如图所示，取g＝10 m/s2。某同学由此图象提供的信息做出了下列判断，其中正确的是( )
A．摆球的周期T＝0.5 s
B．单摆的摆长L＝1 m
C．t＝0.5 s时摆球正经过最低点
D．摆球运动过程中周期越来越小
解析：本题主要考查单摆的周期公式及阻尼振动。由题图可知，单摆两次拉力极大值的时间差为1 s，所以单摆的振动周期为2 s，A错误；根据单摆的周期公式T＝2π可得摆长L＝1 m，B正确；t＝0.5 s时摆线的拉力最大，所以摆球正经过最低点，C正确；摆线拉力的极大值发生变化，说明摆球在最低点时的速度大小发生了变化，所以摆球做阻尼振动，振幅越来越小，由于周期与振幅无关，所以单摆的周期不变，D错误。
答案：BC
【例6】 如图所示，两个质量分别为M和m的小球，悬挂在同一根水平细线上，当M在垂直于水平细线的平面内摆动时，下列说法正确的是( )
A．两摆的振动周期是相同的
B．当两摆的摆长相等时，m摆的振幅最大
C．悬挂M的竖直细线长度变化时，m的振幅不变
D．m摆的振幅可能超过M摆的振幅
解析：
A √ M摆动时，m摆做受迫振动，m摆振动周期应等于驱动力的周期
B √ 当m摆长与M摆长相等时，两者的固有周期相等
C × M摆长发生变化，就是使m做受迫振动的驱动力周期发生变化，因而m的振幅也发生了变化
D √ 单摆振动的能量不仅与振幅有关，还跟振动系统的质量有关，如果M的质量比m大得多，从M向m传递的能量可使m的振幅大于M的振幅
答案：ABD
【例7】 把一个筛子用四根弹簧支起来，筛子上装一个电动偏心轮，它每转一周给筛子一个驱动力，这就成了一个共振筛，筛子在做自由振动时，每次全振动用时2 s，在某电压下电动偏心轮转速是36 r/min。已知如果增大电压可以使偏心轮转速提高；增加筛子质量，可以增大筛子的固有周期，那么，要使筛子的振幅增大，下列做法正确的是( )
A．提高输入电压 B．降低输入电压
C．增加筛子质量 D．减小筛子质量
解析：
答案：BD
基础知识 基本技能
1．阻尼振动
定义 振幅逐渐减小的振动，叫做阻尼振动
图象
类型 摩擦阻尼
辐射阻尼
能量变化 振动系统受到摩擦和其他阻力，即受到阻尼作用，系统的机械能逐渐减少，同时振幅也逐渐减小
理想化条件 当阻尼很小时，在一段时间内，看不出振幅有明显的减小，就可以把它作为理想振动来处理
【例1】 如图是单摆做阻尼振动的振动图象，下列说法正确的是( )
A．摆球tA时刻的动能等于tB时刻的动能
B．摆球tA时刻的势能等于tB时刻的势能
C．摆球tA时刻的机械能等于tB时刻的机械能
D．摆球tA时刻的机械能大于tB时刻的机械能
解析：
选项 剖析 结论
A 由于tA时刻的机械能大于tB时刻的机械能，而tA、tB两时刻的势能相等，故tA时刻的动能大于tB时刻的动能 ×
B 摆球的质量m是定值。由于tA、tB两时刻摆球的位移相同，故这两个时刻摆球相对于零势能点的高度h相同，则势能mgh也相同 √
C 单摆做阻尼振动，由于克服阻力做功其机械能逐渐减小，故振幅减小, ×
D √
答案：BD
2．固有周期和固有频率
(1)自由振动：像弹簧振子和单摆那样，物体偏离平衡位置后，它们就在自己的弹力或重力作用下振动起来，不需要其他外力的推动，这种振动叫做自由振动。
(2)固有周期和固有频率：做简谐运动的物体都要受到回复力的作用，回复力是振动系统内部的相互作用，是内力，如果振动系统不受外力的作用，此时的振动叫固有振动，其振动频率叫做固有频率。
【例2】 弹簧振子在振动过程中振幅逐渐减小，这是由于( )
A．振子开始振动时振幅太小
B．在振动过程中要不断克服外界阻力做功，消耗能量
C．动能和势能相互转化
D．振子的机械能逐渐转化为内能
解析：
A × 因单摆做阻尼振动。根据阻尼振动的定义可知。其振幅越来越小。而单摆振动过程中的周期是其固有周期，是由本身条件决定的，是不变的
B √
C × 因单摆做阻尼振动过程中，振幅逐渐减小，振动的能量也在减少，即机械能在减少
D √
答案：BD
3．受迫振动
(1)持续振动的获得
实际的振动由于阻尼作用最终要停下来，要维持系统持续振动，办法是加周期性的外力作用于振动系统，外力对系统做功，补偿系统的能量损耗。
(2)驱动力：作用于振动系统的周期性的外力。
(3)受迫振动：振动系统在驱动力作用下的振动。
(4)受迫振动的频率
做受迫振动的系统振动稳定后，其振动频率等于驱动力的频率，与系统的固有频率无关。
实例探究：如图所示，当弹簧振子自由振动时，振子就会慢慢地停下来，要使振子能够持续振动下去，要用把手给了振动系统一个周期性的外力作用，外力对系统做功，补偿系统的能量损耗。所以当匀速转动把手，曲轴给弹簧振子一个驱动力，使振子上下振动，振动就会持续下去，当把手转速小时，振子振动较慢；当把手转速大时，振子振动较快。物体做受迫振动时，振动物体振动的快慢随驱动力的周期而变化。
【例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2 Hz，然后匀速转动摇把，转速为240 r/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
解析：匀速转动摇把后，振子将做受迫振动，驱动力的周期跟把手转动的周期是相同的，振子做受迫振动的周期又等于驱动力的周期，其频率也等于驱动力的频率，与振子自由上下振动频率无关。摇把匀速转动的转速为240 r/min＝4 r/s，所以驱动力的周期T＝＝ s＝0.25 s。
答案：B
4．共振
(1)条件：驱动力的频率等于系统的固有频率。
(2)特征：共振时受迫振动的振幅最大。
(3)共振曲线：如图所示。
(4)共振的应用与防止
①共振的应用
采用方法：在应用共振时，应使驱动力频率接近或等于振动系统的固有频率。
实例：转速针、共振筛。
②共振的防止
采用方法：在防止共振时，应使驱动力频率与系统的固有频率相差越大越好。
实例：部队过桥时用便步；火车过桥时减速；目的都是使驱动力的频率远离物体的固有频率。
共振是一种特殊振动吗
共振是受迫振动中的一个现象，当驱动力的频率和振子的固有频率相同时，就会发生共振现象。
【例4】 铺设铁轨时，每两根钢轨接缝处都必须留有一定的间隙，匀速运行的列车每经过钢轨接缝处时，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
解析：对于受迫振动，当驱动力的频率与固有频率相等时将发生共振现象，所以列车的危险速率v＝＝40 m/s，A正确；为了防止共振现象发生，B正确；由v＝＝40 m/s知L增大时，T不变，v变大，D正确，所以A、B、D正确。
答案：ABD
基本方法 基本能力
5．阻尼振动与简谐运动的比较
谈重点：频率的决定因素
(1)阻尼振动中振幅虽逐渐减小，但振动的频率不会变化，此频率称为固有频率，由振动系统决定。(2)是否是阻尼振动，关键是看振幅是否逐渐减小。
6．自由振动、受迫振动、共振的比较
辩误区：受迫振动的能量来源
受迫振动中，若周期性的驱动力给系统补充的能量与系统因阻尼振动消耗的能量相等，物体做等幅振动，但此振动不是简谐运动。
7．共振及其条件的理解
(1)共振的定义：物体做受迫振动时，当驱动力的频率等于系统的固有频率时，振动的振幅最大，这种现象叫共振。
(2)发生共振的条件
f驱＝f固，即驱动力的频率等于振动系统的固有频率。
(3)共振曲线：如图所示，共振曲线的横坐标为驱动力的频率，纵坐标为受迫振动物体的振幅。
共振曲线直观地反映出驱动力的频率对受迫振动物体振幅的影响。由共振曲线可知，当驱动力的频率与物体的固有频率相等时，受迫振动的振幅最大。
(4)理解发生共振的条件
①从受力角度看：当振动物体所受驱动力的方向跟它的运动方向相同时，驱动力对它起加速作用，使它的振幅增大，驱动力的频率跟物体的固有频率越接近，使物体振幅增大的力的作用次数就越多，当驱动力的频率等于物体的固有频率时，它的每一次作用都使物体的振幅增加，从而振幅达到最大。
②从功能关系看：当驱动力的频率越接近物体的固有频率时，驱动力与物体运动一致的次数越多，驱动力对物体做正功越多，振幅就越大。当驱动力的频率等于物体的固有频率时，驱动力始终对物体做正功，使振动能量不断增加，振幅不断增大，直到增加的能量等于克服阻尼作用损耗的能量，振幅才不再增加。
【例5－1】 正在运转的洗衣机，当其脱水桶转得很快时，机身的振动并不强烈，切断电源，转动逐渐慢下来，到某一时刻t，机器反而会发生强烈地振动，此后脱水桶转速继续变慢，机身的振动也随之减弱，这种现象说明( )
A．在时刻t脱水桶的惯性最大
B．在时刻t脱水桶的转动频率最大
C．在时刻t脱水桶的转动频率与机身的固有频率相等，发生共振
D．纯属偶然现象，并无规律
解析：
A × 质量是惯性大小的量度，t时刻桶的质量不变，所以桶的惯性不变
B × 转动频率由转速决定，与振动强弱无关
C √
D × 到某一时刻t，机器会发生强烈振动，说明在t时刻脱水桶的振动频率与机身的固有频率相等，发生了共振现象
答案：C
【例5－2】 将测力传感器接到计算机上可以测量快速变化的力，将单摆挂在测力传感器的探头上，测力探头与计算机连接，用此方法测得的单摆摆动过程中摆线上拉力的大小随时间变化的曲线如图所示，取g＝10 m/s2。某同学由此图象提供的信息做出了下列判断，其中正确的是( )
A．摆球的周期T＝0.5 s
B．单摆的摆长L＝1 m
C．t＝0.5 s时摆球正经过最低点
D．摆球运动过程中周期越来越小
解析：本题主要考查单摆的周期公式及阻尼振动。由题图可知，单摆两次拉力极大值的时间差为1 s，所以单摆的振动周期为2 s，A错误；根据单摆的周期公式T＝2π可得摆长L＝1 m，B正确；t＝0.5 s时摆线的拉力最大，所以摆球正经过最低点，C正确；摆线拉力的极大值发生变化，说明摆球在最低点时的速度大小发生了变化，所以摆球做阻尼振动，振幅越来越小，由于周期与振幅无关，所以单摆的周期不变，D错误。
答案：BC
【例6】 如图所示，两个质量分别为M和m的小球，悬挂在同一根水平细线上，当M在垂直于水平细线的平面内摆动时，下列说法正确的是( )
A．两摆的振动周期是相同的
B．当两摆的摆长相等时，m摆的振幅最大
C．悬挂M的竖直细线长度变化时，m的振幅不变
D．m摆的振幅可能超过M摆的振幅
解析：
A √ M摆动时，m摆做受迫振动，m摆振动周期应等于驱动力的周期
B √ 当m摆长与M摆长相等时，两者的固有周期相等
C × M摆长发生变化，就是使m做受迫振动的驱动力周期发生变化，因而m的振幅也发生了变化
D √ 单摆振动的能量不仅与振幅有关，还跟振动系统的质量有关，如果M的质量比m大得多，从M向m传递的能量可使m的振幅大于M的振幅
答案：ABD
【例7】 把一个筛子用四根弹簧支起来，筛子上装一个电动偏心轮，它每转一周给筛子一个驱动力，这就成了一个共振筛，筛子在做自由振动时，每次全振动用时2 s，在某电压下电动偏心轮转速是36 r/min。已知如果增大电压可以使偏心轮转速提高；增加筛子质量，可以增大筛子的固有周期，那么，要使筛子的振幅增大，下列做法正确的是( )
A．提高输入电压 B．降低输入电压
C．增加筛子质量 D．减小筛子质量
解析：
答案：BD