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高二物理外力作用下的振动

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高二物理选修3-4教案
5、外力作用下的振动

一、教学目标
(1)知道阻尼振动和无阻尼振动,并能从能量的观点给予说明。
(2)知道受迫振动的概念。知道受迫振动的频率等于驱动力的频率,而跟振动物体的固有频率无关。
(3)理解共振的概念,知道常见的共振的应用和危害。
二、教学重点、难点:受迫振动,共振。
三、教具:弹簧振子、受迫振动演示仪、摆的共振演示器
四、教学过程
(一)复习提问
让学生注意观察教师的演示实验。教师把弹簧振子的振子向右移动至B点,然后释放,则振子在弹性力作用下,在平衡位置附近持续地沿直线振动起来。重复两次让学生在黑板上画出振动图象的示意图(图1中的Ⅰ)。

再次演示上面的振动,只是让起始位置明显地靠近平衡位置,再让学生在原坐标上画出第二次振子振动的图象(图1中的Ⅱ)。Ⅰ和Ⅱ应同频、同相、振幅不同。
结合图象和振子运动与学生一起分析能量的变化并引入新课。
(二)新课教学
现在以弹簧振子为例讨论一下简谐运动的能量问题。
问:振子从B向O运动过程中,它的能量是怎样变化的?引导学生答出弹性势能减少,动能增加。
问:振子从O向C运动过程中能量如何变化?振子由C向O、又由O向B运动的过程中,能量又是如何变化的?
问:振子在振动过程中总的机械能如何变化?引导学生运用机械能守恒定律,得出在不计阻力作用的情况下,总机械能保持不变。
教师指出:将振子从B点释放后在弹簧弹力(回复力)作用下,振子向左运动,速度加大,弹簧形变(位移)减少,弹簧的弹性势能转化为振子的动能。当回到平衡位置O时,弹簧无形变,弹性势能为零,振子动能达到最大值,这时振子的动能等于它在最大位移处(B点)弹簧的弹性势能,也就是等于系统的总机械能。
在任何一位置上,动能和势能之和保持不变,都等于开始振动时的弹性势能,也就是系统的总机械能。
由于简谐运动中总机械能守恒,所以简谐运动中振幅不变。如果初始时B点与O点的距离越大,到O点时,振子的动能越大,则系统所具有的机械能越大。相应地,振子的振幅也就越大,因此简谐运动的振幅与能量相对应。
问:怎样才能使受阻力的振动物体的振幅不变,而一直振动下去呢?引导学生答出,应不断地向系统补充损耗的机械能,以使振动物体的振幅不变。
指出:这种振幅不变的振动叫等幅振动。
举几个等幅振动的例子,例如电铃响的时候,铃锤是做等幅振动。电磁打点计时器工作时,打点针是做等幅振动。挂钟的摆是做等幅振动。......它们的共同特点是,工作时振动物体不断地受到周期性变化外力的作用。
这种周期性变化的外力叫驱动力。
在驱动力作用下物体的振动叫受迫振动。
再让学生举几个受迫振动的例子,例如内燃机气缸中活塞的运动,缝纫机针头的运动,扬声器纸盆的运动,电话耳机中膜片的运动等都是受迫振动。
问:受迫振动的频率跟什么有关呢?
让学生注意观察演示(图3)。用不同的转速匀速地转动把手,可以发现,开始振子的运动情况比较复杂,但达到稳定后,振子的运动就比较稳定,可以明显地观察到受迫振动的周期等于驱动力的周期。这样就可以得到物体做受迫振动的频率等于驱动力的频率,而跟振子的固有频率无关。

问:受迫振动的振幅又跟什么有关呢?
演示摆的共振(装置如图4),在一根绷紧的绳上挂几个单摆,其中A、B、G球的摆长相等。当使A摆动起来后,A球的振动通过张紧的绳给其余各摆施加周期性的驱动力,经一段时间后,它们都会振动起来。驱动力的频率等于A摆的频率。实验发现,在A摆多次摆动后,各球都将以A球的频率振动起来,但振幅不同,固有频率与驱动力频率相等的B、G球的振幅最大,而频率与驱动力频率相差最大的D、E球的振幅最小。

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