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2019-2020年高二物理 （人教大綱版）第二冊 第九章 機械振動 六、簡諧運動的能量、阻尼振動(第一課時) 從容說課 本節(jié)內(nèi)容講述簡諧運動的能量以及阻尼振動．前邊我們重點從運動學的角度對簡諧運動做了研究，而本節(jié)則從能量的角度對簡諧運動進行研究．對于水平彈簧振子，振幅越大，彈簧的形變量越大，彈性勢能就越大．振動的能量也就越大；對于單擺，在位移最大時，其對應(yīng)的動能為零，重力勢能最大，故振幅越大。單擺的能量就越大．而實際生活中的振動不同于理想狀態(tài)下的單擺和彈簧振子，它在實際運動過程中的阻力是客觀存在的．我們把這種有阻力存在的實際振動叫阻尼振動．當然，如果阻尼很小時。常常可以忽略不計，此時的實際振動如果滿足所受的回復(fù)力大小與位移成正比、方向相反這一條件，我們就可以把它作為簡諧運動來處理．綜上所述．學好這一節(jié)對于我們?nèi)胬斫夂喼C運動有益而無害． 綜合本節(jié)內(nèi)容的特點。對本節(jié)的教學目標定位如下： 1.知道振動系統(tǒng)能量與振幅的關(guān)系． 2.對于彈簧振子(水平)和單擺運動過程中的能量轉(zhuǎn)換能作出合理分析． 3.會利用能量守恒的理論計算單擺的能量． 4.知道什么是阻尼振動． 5.知道阻尼振動中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系． 6.知道阻尼振動與簡諧運動之間的關(guān)系． 為了能更好地完成上述教學目標，對本節(jié)的教學重點定位于： 1.具體分析彈簧振子、單擺中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系． 2.應(yīng)用機械能守恒的理論．對單擺的能量進行定量計算． 本節(jié)課的教學難點定位于： 1.對能量轉(zhuǎn)換關(guān)系的理解． 2.對單擺能量的計算． 為了在教學中突出重點、突破難點，對本節(jié)課教學采用以下教學方法． 1.復(fù)習與強化訓練相結(jié)合． 2.自學與指導相結(jié)合． 3.實驗演示與多媒體輔助相結(jié)合． 本節(jié)課的教學程序設(shè)計如下： 復(fù)習提問→新課導人→實驗演示→分析、總結(jié)→強化訓練→小結(jié)． 教學目標 一、知識目標 1.知道簡諧運動中能量與振幅的關(guān)系． 2.能對水平彈簧振子與單擺運動過程中的能量轉(zhuǎn)換作出正確分析． 3.會利用能量守恒定律計算單擺的能量． 4.知道什么是阻尼振動． 5.知道阻尼振動中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系． 6.知道阻尼振動與簡諧運動的關(guān)系． 二、能力目標 1.通過對能量轉(zhuǎn)換的分析，培養(yǎng)學生分析問題的能力． 2.通過對阻尼振動的學習，培養(yǎng)學生構(gòu)建理想化模型的能力． 三、德育目標 1.培養(yǎng)學生樹立“對立統(tǒng)一”的哲學觀． 2.通過阻尼振動的教學。培養(yǎng)學生養(yǎng)成節(jié)約能源的習慣． 教學重點 1.水平彈簧振子和單擺運動中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系． 2.用機械能守恒定律分析、解決單擺運動中的能量問題． 教學難點 1.對簡諧運動能量轉(zhuǎn)換的理解． 2.對單擺運動中能量的計算． 教學方法 1.復(fù)習與訓練相結(jié)合. 2.自學與指導相結(jié)合. 3.實驗演示與多媒體輔助相結(jié)合. 教學用具 投影片、彈簧振子、單擺、CAI課件． 課時安排 l課時 教學過程 一、新課導入 1.復(fù)習提問 ①什么是相位? ②什么是相位差? 學生回答后，教師進行激勵評價, 作出總結(jié)： ①描述簡諧運動在一個全振動中所處階段的物理量叫相位． ②兩個簡諧運動相位的差值叫相位差． 2.導人新課 通過前面幾節(jié)課的學習。我們從運動學的角度對簡諧運動作了研究．那么，簡諧運動在 動過程中的能量情況又如何呢?本節(jié)課我們就來探討簡諧運動的能量． 二、新課教學 (一)簡諧運動的能量 基礎(chǔ)知識 1.什么是機械能? 2.常見的機械能有哪些? 3.機械能守恒的條件是什么? 4.彈簧振子和單擺在做簡諧運動時具有哪些機械能? 5.彈簧振子和單擺做簡諧運動時的能量是否守恒? 6.彈簧振子在運動中其能量如何轉(zhuǎn)換? 7.單擺在擺動中其能量如何轉(zhuǎn)換? 實驗演示彈簧振子和單擺的運動，學生觀察分析后得出結(jié)論： l.物體由于機械運動而具有的能叫機械能． 2.常見的機械能有：動能、重力勢能、彈性勢能。 3.在只有重力(或彈力)做功時系統(tǒng)的機械能不變． 4.彈簧振子具有動能，彈性勢能； 單擺具有動能,重力勢能． 5.彈簧振子在做簡諧運動時其機械能守恒．因為振子在水平方向運動時，只有彈簧的彈力在做功． 單擺在做簡諧運動時其機械能也守恒，因為單擺在擺動時，只有重力做功。 6. 彈簧振子在做簡諧運動時,其能量轉(zhuǎn)換關(guān)系為： 在A點：振子的速度為零,系統(tǒng)無動能,能量為彈簧的彈性勢能. 從A→O：速度逐漸增大,動能逐漸增大;彈簧形變量逐漸變小,彈性勢能逐漸變小.彈性勢能轉(zhuǎn)化為振子的動能． 在O點：振子速度最大、動能最大；彈簧無形變，彈性勢能為零.彈性勢能全部轉(zhuǎn)化為動能． 從0→A′：振子速度變小，動能變?。粡椈尚巫兞吭龃?，彈性勢能增大．動能轉(zhuǎn)化為彈性勢能． 在A′點：振子速度為零，動能為零；彈簧形變量達到最大，彈性勢能最大．動能全部轉(zhuǎn)化為彈性勢能． 從A′→O：速度反向增大，動能增大；彈簧形變量變小，彈性勢能變?。畯椥詣菽苻D(zhuǎn)化為動能． 在O點：速度反向達到最大，動能最大；彈簧無形變，彈性勢能為零.動能全部轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽埽? 從O→A′：速度反向減小，動能變??；彈簧形變量增大，彈性勢能增大．動能轉(zhuǎn)化為彈性勢能 7.單擺做簡諧運動時其能量轉(zhuǎn)換關(guān)系為： 在A點：相對于平衡位置的高度差(以后簡稱高度差)最大．重力勢能最大；速度為零.動能為零．系統(tǒng)能量為重力勢能． 從A→O；高度差變小，重力勢能變小；速度增大，動能增大．重力勢能轉(zhuǎn)化為動能． 在O點：高度差為零，重力勢能為零；速度最大，動能最大．重力勢能全部轉(zhuǎn)化為動能． 從O→A′：高度差不斷增大。重力勢能逐漸增大；速度不斷變小。動能不斷變小．動能轉(zhuǎn)化為重力勢能． 在A′點：高度差達到最大，重力勢能最大；速度減小為零，動能為零.動能全部轉(zhuǎn)化為重力勢能． 從A′→O：高度差變小,重力勢能變??；速度增大，動能增大．重力勢能轉(zhuǎn)化為動能． 在A′點：高度差為零,重力勢能為零；速度反向最大，動能最大．重力勢能全部轉(zhuǎn)化為動能． 從O→A：高度差變大，重力勢能變大；速度變小,動能變小．動能轉(zhuǎn)化為彈性勢能． 深入探究 請同學們根據(jù)上述分析，回答下列問題： 1.在彈簧振子的簡諧運動中．如何計算彈簧在最大位移處的彈性勢能? 2.在單擺的簡諧運動中，如何計算系統(tǒng)的總能量? 3.簡諧運動物體的能量與振幅有何關(guān)系? 學生思考后得出結(jié)論： 1.彈簧在最大位移處的彈性勢能就是系統(tǒng)的總能量,而平衡位置處振子的動能也是系統(tǒng)的總能量。即彈性勢能等于動能． 2.單擺的系統(tǒng)能量包括重力勢能和動能兩部分,故其總能量： a.等于在最大位移處的重力勢能． b.等于在平衡位置處的動能． c.等于任一位置的動能和重力勢能之和． 3.簡諧運動的系統(tǒng)能量大小與振幅的關(guān)系為： a.振幅越大，能量越大． b.振幅越小。能量越?。? c.教師總結(jié) 通過上面的學習我們知道了彈簧振子與單擺在運動過程中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，以及對能量的計算方法．下面我們簡單練習一下． 基礎(chǔ)知識應(yīng)用 如圖所示,輕彈簧一端固定在墻上,一質(zhì)量m=1 kg的滑塊，以v=6 m／s的速度沿光滑水平面向左運動與彈簧相碰,彈簧被壓縮．則此振動系統(tǒng)的最大彈性勢能為 J.當滑塊壓縮彈簧速度減為2 m／s時,此系統(tǒng)的彈性勢能為 J． [參考答案]解析：滑塊壓縮彈簧的過程機械能守恒,可視為彈簧振子振動過程中的周期．由 (二)阻尼振動 基礎(chǔ)知識 請學生閱讀課文第二部分，思考下列問題： [投影出示] 1.什么叫阻尼振動? 2.阻尼振動的能量如何變化? 3.阻尼振動與簡諧運動有何關(guān)系? 學生閱讀、思考后得出結(jié)論： 1.振幅逐漸減小的振動叫阻尼振動． 2.振幅變小時，能量要變小，故阻尼振動的能量在不斷減?。? 3.簡諧運動是理想化的運動，即運動過程中不存在阻尼．而實際振動一般都是阻尼振動．當阻尼比較小時，可以當作簡諧運動來處理． 深入探究 學生分組討論下列問題： 1.阻尼振動的振幅為什么會越來越小? 2.振幅減小的快慢與阻尼的大小有何關(guān)系? 3.做阻尼振動時，振動的頻率是否變化? 學生討論后得出結(jié)論： 1.實際的振動系統(tǒng)不可避免地要受到摩擦和其他阻力,即受到阻尼的作用.系統(tǒng)克服阻尼的作用做功.系統(tǒng)的機械能就要損耗,系統(tǒng)的機械能隨著時間逐漸減少，振動的振幅也逐漸減小.待到機械能耗盡之時,振動就停下來了． CAI課件出示阻尼振動的位移一時間圖象． 2.振動系統(tǒng)所受到的阻尼越大,振幅減小得越快，振動停下來也越快.阻尼過大時，系統(tǒng)將不能發(fā)生振動,阻尼越小,振幅減小得越慢． 3.物體做阻尼振動時,振幅雖不斷減小但振動的頻率仍由自身結(jié)構(gòu)特點決定.并不會隨振幅的減小而變化． 教師總結(jié) 通過上面的學習，我們對阻尼振動有了簡單的了解，下面我們簡單練習一下． 基礎(chǔ)知識應(yīng)用 1.單擺在空氣中做阻尼振動，下列說法中正確的是 ( ) A.振動的能量逐漸轉(zhuǎn)化為其他形式的能量 B.后一時刻擺球的動能一定比前一時刻小 C.后一時刻擺球的勢能一定比前一時刻小 D.后一時刻擺球的機械能一定比前一時刻小 2.一個單擺的擺球偏離最大位置時，正好遇到空中豎直下落的雨滴，雨滴均勻附著在擺球的表面.下列說法正確的是 ( ) A.擺球經(jīng)過平衡位置時速度要增大,周期也增大,振幅也增大 B.擺球經(jīng)過平衡位置時速度沒有變化,周期減小,振幅也減小 C.擺球經(jīng)過平衡位置時速度沒有變化，周期也不變，振幅要增大 D.擺球經(jīng)過平衡位置時速度要增大，周期不變，振幅要增大 [參考答案]1.AD 2.D 三、小結(jié) 1.振動物體都具有能量，能量的大小與振幅有關(guān)．振幅越大，振動的能量也越大． 2.對簡諧運動而言，振動系統(tǒng)一旦獲得一定的機械能振動起來，這一個能量就始終保持不變,只發(fā)生動能與勢能的相互轉(zhuǎn)化． 3.振動系統(tǒng)由于受到外界阻尼作用,振動系統(tǒng)的能量逐漸減小,振幅逐漸減小,這種振動叫阻尼振動.實際的振動系統(tǒng)都是阻尼振動，簡諧運動只是一種理想化的振動． 四、作業(yè) 1.完成課后作業(yè)． 2.復(fù)習本節(jié)內(nèi)容． 3.預(yù)習下節(jié)內(nèi)容． 五、板書設(shè)計 六、本節(jié)優(yōu)化訓練設(shè)計 l、如圖．將相同的單擺拉到不同的位置A、B使其同時振動起來，擺角均小于lO，且hAxB． [參考答案]1.BD 2.A 3．