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2019-2020年高中物理 《外力作用下的振動(dòng)》教案 新人教版選修3-4 一、教學(xué)目標(biāo) （1）知道阻尼振動(dòng)和無(wú)阻尼振動(dòng)，并能從能量的觀點(diǎn)給予說(shuō)明。 （2）知道受迫振動(dòng)的概念。知道受迫振動(dòng)的頻率等于驅(qū)動(dòng)力的頻率，而跟振動(dòng)物體的固有頻率無(wú)關(guān)。 （3）理解共振的概念，知道常見(jiàn)的共振的應(yīng)用和危害。 二、教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)：受迫振動(dòng)，共振。 三、教具：彈簧振子、受迫振動(dòng)演示儀、擺的共振演示器 四、教學(xué)過(guò)程 （一）復(fù)習(xí)提問(wèn) 讓學(xué)生注意觀察教師的演示實(shí)驗(yàn)。教師把彈簧振子的振子向右移動(dòng)至B點(diǎn)，然后釋放，則振子在彈性力作用下，在平衡位置附近持續(xù)地沿直線振動(dòng)起來(lái)。重復(fù)兩次讓學(xué)生在黑板上畫(huà)出振動(dòng)圖象的示意圖（圖1中的Ⅰ）。 再次演示上面的振動(dòng)，只是讓起始位置明顯地靠近平衡位置，再讓學(xué)生在原坐標(biāo)上畫(huà)出第二次振子振動(dòng)的圖象（圖1中的Ⅱ）。Ⅰ和Ⅱ應(yīng)同頻、同相、振幅不同。 結(jié)合圖象和振子運(yùn)動(dòng)與學(xué)生一起分析能量的變化并引入新課。 （二）新課教學(xué) 現(xiàn)在以彈簧振子為例討論一下簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的能量問(wèn)題。 問(wèn)：振子從B向O運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，它的能量是怎樣變化的？引導(dǎo)學(xué)生答出彈性勢(shì)能減少，動(dòng)能增加。 問(wèn)：振子從O向C運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能量如何變化？振子由C向O、又由O向B運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，能量又是如何變化的？ 問(wèn)：振子在振動(dòng)過(guò)程中總的機(jī)械能如何變化？引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用機(jī)械能守恒定律，得出在不計(jì)阻力作用的情況下，總機(jī)械能保持不變。 教師指出：將振子從B點(diǎn)釋放后在彈簧彈力（回復(fù)力）作用下，振子向左運(yùn)動(dòng)，速度加大，彈簧形變（位移）減少，彈簧的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為振子的動(dòng)能。當(dāng)回到平衡位置O時(shí)，彈簧無(wú)形變，彈性勢(shì)能為零，振子動(dòng)能達(dá)到最大值，這時(shí)振子的動(dòng)能等于它在最大位移處（B點(diǎn)）彈簧的彈性勢(shì)能，也就是等于系統(tǒng)的總機(jī)械能。 在任何一位置上，動(dòng)能和勢(shì)能之和保持不變，都等于開(kāi)始振動(dòng)時(shí)的彈性勢(shì)能，也就是系統(tǒng)的總機(jī)械能。 由于簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)中總機(jī)械能守恒，所以簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)中振幅不變。如果初始時(shí)B點(diǎn)與O點(diǎn)的距離越大，到O點(diǎn)時(shí)，振子的動(dòng)能越大，則系統(tǒng)所具有的機(jī)械能越大。相應(yīng)地，振子的振幅也就越大，因此簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的振幅與能量相對(duì)應(yīng)。 問(wèn)：怎樣才能使受阻力的振動(dòng)物體的振幅不變，而一直振動(dòng)下去呢？引導(dǎo)學(xué)生答出，應(yīng)不斷地向系統(tǒng)補(bǔ)充損耗的機(jī)械能，以使振動(dòng)物體的振幅不變。 指出：這種振幅不變的振動(dòng)叫等幅振動(dòng)。 舉幾個(gè)等幅振動(dòng)的例子，例如電鈴響的時(shí)候，鈴錘是做等幅振動(dòng)。電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作時(shí)，打點(diǎn)針是做等幅振動(dòng)。掛鐘的擺是做等幅振動(dòng)?！鼈兊墓餐攸c(diǎn)是，工作時(shí)振動(dòng)物體不斷地受到周期性變化外力的作用。 這種周期性變化的外力叫驅(qū)動(dòng)力。 在驅(qū)動(dòng)力作用下物體的振動(dòng)叫受迫振動(dòng)。 再讓學(xué)生舉幾個(gè)受迫振動(dòng)的例子，例如內(nèi)燃機(jī)氣缸中活塞的運(yùn)動(dòng)，縫紉機(jī)針頭的運(yùn)動(dòng)，揚(yáng)聲器紙盆的運(yùn)動(dòng)，電話耳機(jī)中膜片的運(yùn)動(dòng)等都是受迫振動(dòng)。 問(wèn)：受迫振動(dòng)的頻率跟什么有關(guān)呢？ 讓學(xué)生注意觀察演示（圖3）。用不同的轉(zhuǎn)速勻速地轉(zhuǎn)動(dòng)把手，可以發(fā)現(xiàn)，開(kāi)始振子的運(yùn)動(dòng)情況比較復(fù)雜，但達(dá)到穩(wěn)定后，振子的運(yùn)動(dòng)就比較穩(wěn)定，可以明顯地觀察到受迫振動(dòng)的周期等于驅(qū)動(dòng)力的周期。這樣就可以得到物體做受迫振動(dòng)的頻率等于驅(qū)動(dòng)力的頻率，而跟振子的固有頻率無(wú)關(guān)。 問(wèn)：受迫振動(dòng)的振幅又跟什么有關(guān)呢？ 演示擺的共振（裝置如圖4），在一根繃緊的繩上掛幾個(gè)單擺，其中A、B、G球的擺長(zhǎng)相等。當(dāng)使A擺動(dòng)起來(lái)后，A球的振動(dòng)通過(guò)張緊的繩給其余各擺施加周期性的驅(qū)動(dòng)力，經(jīng)一段時(shí)間后，它們都會(huì)振動(dòng)起來(lái)。驅(qū)動(dòng)力的頻率等于A擺的頻率。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在A擺多次擺動(dòng)后，各球都將以A球的頻率振動(dòng)起來(lái)，但振幅不同，固有頻率與驅(qū)動(dòng)力頻率相等的B、G球的振幅最大，而頻率與驅(qū)動(dòng)力頻率相差最大的D、E球的振幅最小。 明確指出：驅(qū)動(dòng)力的頻率跟物體的固有頻率相等時(shí)，振幅最大，這種現(xiàn)象叫共振。 講解一下共振在技術(shù)上有其有利的一面，也存在不利的一面。結(jié)合課本讓同學(xué)思考，在生活實(shí)際中利用共振和防止共振的實(shí)例。 三、請(qǐng)同學(xué)小結(jié)一下本節(jié)要點(diǎn) 1．振動(dòng)物體都具有能量，能量的大小與振幅有關(guān)，振幅越大，振動(dòng)能量也越大； 2．當(dāng)振動(dòng)物體的能量逐漸減小時(shí)，振幅也隨著減小，這樣的振動(dòng)叫阻尼振動(dòng)； 3．振幅保持不變的振動(dòng)叫等幅振動(dòng)； 4．物體在驅(qū)動(dòng)力作用下的振動(dòng)是受迫振動(dòng)，受迫振動(dòng)的頻率等于驅(qū)動(dòng)力的頻率； 5．當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率等于物體的固有頻率時(shí)，受迫振動(dòng)振幅最大的現(xiàn)象叫共振；共振在技術(shù)上有其有利的一面，也存在不利的一面；有利的要盡量利用，不利的要盡量防止。 四、鞏固練習(xí) 支持火車(chē)車(chē)廂的彈簧的固有頻率為2Hz，行駛在每節(jié)鐵軌長(zhǎng)10米的鐵路上，則當(dāng)運(yùn)行速度為_(kāi)___m/s時(shí)，車(chē)廂振動(dòng)最劇烈。[20m/s]