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1、 選 修 3-4 第十一章：機(jī)械振動 第五節(jié)：《外力作用下的振動》 教學(xué)設(shè)計 洛陽理工附中 喬文輝 選修3-4 第十一章：機(jī)械振動 11-5 外力作用下的振動 一、教材分析 “外力作用下的振動”是人教版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理》選修3-4第十一章機(jī)械振動第5節(jié)內(nèi)容。在本章之前的內(nèi)容，已經(jīng)學(xué)習(xí)了理想狀態(tài)下的簡諧振動的兩個典型例子——彈簧振子和單擺模型。本節(jié)學(xué)習(xí)實(shí)際情況下存在的振動，本節(jié)以“外力作用下的振動”為標(biāo)題，介紹了“阻尼振動”“受迫振動”“共振”的概念。這樣做不僅可以使學(xué)生認(rèn)識到阻尼振動、

2、受迫振動和共振都屬于外力作用下的振動，而且有利于學(xué)生對振動分類的理解。教材先從能量的角度分析阻尼振動，進(jìn)而通過實(shí)驗(yàn)探究了受迫振動的頻率與驅(qū)動力頻率的關(guān)系，最后利用實(shí)驗(yàn)探究了受迫振動的振幅與驅(qū)動力頻率的關(guān)系，從而認(rèn)識了共振現(xiàn)象。 二、學(xué)情分析 高二年級的學(xué)生具有一定的邏輯推理、歸納總結(jié)等能力。學(xué)生在學(xué)習(xí)此節(jié)內(nèi)容之前已經(jīng)知道能夠用振幅、周期和頻率描述振動系統(tǒng)的特征，并已經(jīng)學(xué)習(xí)了固有振動與固有頻率，也用振幅來描述振動系統(tǒng)的能量，所以對于阻尼振動的理解非常容易。學(xué)生們對于受迫振動以及驅(qū)動力還比較陌生，對于受迫振動的頻率等于驅(qū)動力的頻率更是由于固有頻率的存在而會讓學(xué)生有點(diǎn)概念混亂。對于共振雖然會有簡

3、單的了解，但是共振的條件卻是缺乏直觀的感受。 三、教學(xué)目標(biāo) （一）知識與技能 1．知道阻尼振動，能從能量的角度分析阻尼振動產(chǎn)生的原因。 2．知道受迫振動。理解系統(tǒng)做受迫振動的頻率等于驅(qū)動力的頻率，與系統(tǒng)的固有頻率無關(guān)。 3．知道共振，理解共振發(fā)生的條件，知道常見共振的應(yīng)用和危害，并知道如何防止有害共振。 （二）過程與方法 1．通過演示實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練學(xué)生的觀察能力和由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提煉出規(guī)律的能力以及表達(dá)能力。 2．通過實(shí)驗(yàn)探究，得到什么是受迫振動和共振現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。 （三）情感、態(tài)度與價值觀 1．通過親自動手實(shí)驗(yàn)探究，讓學(xué)生領(lǐng)略物理現(xiàn)象與規(guī)律

4、的奇妙與和諧，發(fā)展學(xué)生的好奇心與求知欲。 2．通過了解共振應(yīng)用和防止的實(shí)例，培養(yǎng)學(xué)生用辨證的哲學(xué)觀點(diǎn)判斷事物兩面性的意識和習(xí)慣，以及科技在造福人類方面的重要性，并且通過課堂和課下的學(xué)習(xí)了解如何通過改變固有頻率防止共振的危害，樹立自己解決問題的自豪感。 四、教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn) 重點(diǎn)：受迫振動頻率決定因素； 共振產(chǎn)生條件； 難點(diǎn)：共振產(chǎn)生條件，運(yùn)用共振知識解釋常見共振現(xiàn)象。 五、課時安排 1課時 六、教學(xué)過程 1．導(dǎo)入新課 演示實(shí)驗(yàn)：用手撥動頭部按摩器的長按摩爪，發(fā)現(xiàn)長按摩爪隨之振動起來，而短按摩爪幾乎不振動；撥動短按摩爪，發(fā)現(xiàn)短按摩爪隨之振動起來，而長按摩爪振動比較微弱。 因?yàn)檫@

5、個實(shí)驗(yàn)用到的頭部按摩器來源于生活，可以吸引學(xué)生的興趣，同時也可以讓學(xué)生意識到生活中處處都是物理現(xiàn)象。通過這個實(shí)驗(yàn)引入，學(xué)生們就會很想知道為何出現(xiàn)這樣的情況，帶著疑問來學(xué)習(xí)，更能激發(fā)課堂參與的興趣。 2．阻尼振動 播放一個短視頻：一個小孩在蕩秋千，家長在旁邊推動秋千。 秋千這種運(yùn)動每個學(xué)生應(yīng)該都玩過，對視頻中的內(nèi)容都能感同身受，接著提出兩個問題：家長如果不推動秋千，秋千是否會一直擺動下去？為什么？ 學(xué)生由于非常熟悉，再加上之前所學(xué)的知識，肯定會這樣回答：不能，因?yàn)榍锴[動過程中收到了空氣阻力、摩擦力等阻力作用，所以會慢慢的停下來。 根據(jù)學(xué)生作答，補(bǔ)充阻尼的含義，然后順勢得到阻尼振動的概

6、念。 然后提出第二個問題：如果想讓秋千一直擺動下去，可以采用什么方法？ 學(xué)生們對這個問題也不陌生，也會順口說出：像視頻中的家長一樣去推動秋千。 此時，需要去引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)該是周期性地推動秋千，然后得到驅(qū)動力的概念，接著得出受迫振動的概念。 3．受迫振動 讓學(xué)生以小組為單位討論，舉出生活中受迫振動的應(yīng)用實(shí)例，讓學(xué)生對受迫振動能有更加直觀的感受。 讓學(xué)生每一組舉出一個例子，然后自己再給學(xué)生舉一個高中階段他們非常熟悉的儀器：電磁打點(diǎn)計時器，通過解釋打點(diǎn)計時器的工作原理：通入交流電之后，線圈產(chǎn)生周期性變化的磁場，然后使振片被周期性地磁化，從而收到磁鐵對它的周期性的上下方向的驅(qū)動力，從而進(jìn)行受迫

7、振動，實(shí)現(xiàn)打點(diǎn)計時。而且引導(dǎo)學(xué)生看出這個過程中驅(qū)動力的頻率就是交流電的頻率，受迫振動的頻率就是打點(diǎn)的頻率。然后提出這樣一種想法：我們以前使用打點(diǎn)計時器都是在50Hz的交流電下工作的，如果交流電的頻率改變了，打點(diǎn)計時器的打點(diǎn)情況會不會也發(fā)生改變呢？ 學(xué)生們肯定對這個想法會很感興趣，此時介紹低頻信號發(fā)生器這種儀器，讓學(xué)生明白它可以產(chǎn)生不同頻率的交流電，然后演示實(shí)驗(yàn)：將低頻信號發(fā)生器與打點(diǎn)計時器相連接，改變低頻信號發(fā)生器的頻率，觀察打點(diǎn)計時器打點(diǎn)的情況，同時注意引導(dǎo)學(xué)生觀察打點(diǎn)的頻率和振幅。 通過演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以比較清楚地得到結(jié)論：交流電頻率增大，打點(diǎn)計時器打點(diǎn)頻率也增大，而振幅卻是先增大后減

8、小。 此時，加以誘導(dǎo)：打點(diǎn)計時器接入50Hz交流電時，打點(diǎn)的周期為0.02s，打點(diǎn)的頻率是50Hz，此時驅(qū)動力的頻率等于受迫振動的頻率，再通過剛才的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生就基本接受這樣的一個結(jié)論：受迫振動的頻率就等于驅(qū)動力的頻率。但是，學(xué)生對于振幅的變化情況卻感覺無法解釋，此時疑問重重。 接下來，為了排除打點(diǎn)計時器實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的偶然性，再演示“共振演示器”的實(shí)驗(yàn)：電動馬達(dá)帶動偏心輪旋轉(zhuǎn)，偏心輪旋轉(zhuǎn)起來后由于重心位置周期性地變化，從而會給下方彈簧一個周期性的驅(qū)動力，從而使彈簧做受迫振動。改變電動馬達(dá)的頻率，讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。 從這個實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以比較明顯的看出：偏心輪沒轉(zhuǎn)動一周，彈簧就振動一個周期

9、。這樣就更加證實(shí)了剛才的結(jié)論：受迫振動的頻率總是等于周期性驅(qū)動力的頻率。同時還會發(fā)現(xiàn)，隨驅(qū)動力頻率的增大，彈簧的振幅還是先增大后減小。由此，就得到了一個普遍的現(xiàn)象：隨驅(qū)動力頻率的升高，受迫振動的振幅先增大后減小，有一個最大值。這樣又引出這樣的問題：什么時候受迫振動的振幅最大？ 4．共振 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究：在一根張緊的繩子ab上掛了幾個擺，其中A、B、C的擺長相等。 演示：先讓A擺擺動，觀察在擺動穩(wěn)定后的現(xiàn)象。提問學(xué)生看到的現(xiàn)象。 學(xué)生會發(fā)現(xiàn)A擺動起來后，B、C、D、E、F、G也隨之?dāng)[動。 這時提出問題：（1）B、C、D、E、F、G做的是什么振動？如果是受迫振動，驅(qū)動力從何而來？驅(qū)動力的頻

10、率又是如何？（2）哪個小球振幅最大？哪個最??？它們的固有頻率呢？（3）根據(jù)分析，能得到什么結(jié)論？ 讓學(xué)生思考討論，然后提問學(xué)生。 由于此處是個難點(diǎn)，學(xué)生可能并不能分析出結(jié)論，此時自己要去引導(dǎo)學(xué)生：驅(qū)動力由先振動的A球提供，驅(qū)動力頻率就等于A擺的固有頻率，B、G振幅最大，它們的固有頻率跟A的相等，也就是等于驅(qū)動力的頻率；然后D、E振幅最小，它們的固有頻率與A的固有頻率相差最大，也就是它們的固有頻率與驅(qū)動力的頻率相差最大。 這樣就很容易得出結(jié)論：當(dāng)驅(qū)動力的頻率與振動系統(tǒng)的固有頻率相差越大時，振幅越??；而當(dāng)驅(qū)動力的頻率與振動系統(tǒng)的固有頻率相差越小時，振幅越大，由此得出共振概念：驅(qū)動力的頻率f等

11、于系統(tǒng)的固有頻率時，受迫振動的振幅最大，這種現(xiàn)象叫做共振。 并且可以得到振動系統(tǒng)受迫振動的振幅A隨驅(qū)動力頻率f變化的共振曲線。 找到結(jié)論后，讓學(xué)生去解釋剛才的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：頭部按摩器的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；打點(diǎn)計時器的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并且也可以得到打點(diǎn)計時器振片的固有頻率；共振演示器的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在解釋的過程中，會對共振現(xiàn)象有更加直觀的理解。 接著讓學(xué)生列舉生活中共振的例子，了解共振在生活中的應(yīng)用情況，同時對共振會有更加形象的認(rèn)識。 此時，舉例：1831年一隊騎兵在通過曼徹斯特附近的一座橋時，由于馬蹄節(jié)奏整齊，使橋梁共振而斷裂，人仰馬翻；1940年美國的一座860m的大橋因?yàn)榇箫L(fēng)的共振而坍塌。 讓學(xué)生意識到

12、共振有時是有益的，有時卻是有害的。那么自然提出這樣的疑問：如何避免有害的共振。 通過列舉的例子，學(xué)生會想到這樣的方法：騎兵過橋可以改變驅(qū)動力的頻率，而大風(fēng)頻率不能改變，只能改變固有頻率。 此時引出問題：怎么改變振動物體的固有頻率呢？ 5．固有頻率的改變 根據(jù)之前講過的彈簧振子、單擺的固有頻率的表達(dá)式，認(rèn)識到固有頻率只跟自身有關(guān)系，那么我們就需要改變自身的一些性質(zhì)，然后以打點(diǎn)計時器為例，怎么改變振片才能改變振片的固有頻率呢？ （學(xué)生討論） 引導(dǎo)學(xué)生思考最簡單的方法：改變振片的質(zhì)量，看看能不能改變固有頻率。 演示實(shí)驗(yàn)：在打點(diǎn)計時器的振片的振針上夾一個導(dǎo)線夾，用低頻信號發(fā)生器使打點(diǎn)計時

13、器共振，讀出低頻信號發(fā)生器的頻率即為打點(diǎn)計時器的固有頻率，可以通過增減導(dǎo)線夾的數(shù)量來增減質(zhì)量，從而得到固有頻率的變化情況。 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)打點(diǎn)計時器的固有頻率確實(shí)會隨著振片質(zhì)量的改變而改變，由此也證實(shí)了之前所說的振動物體的固有頻率與自身有關(guān)的思想。 接下來，順勢布置課下探究的內(nèi)容。 6．課下探究 （1）除了改變質(zhì)量，還有哪些方法可以改變振動系統(tǒng)的固有頻率，以及還有哪些防止有害共振的方法，查閱資料，進(jìn)行探究。 （2）利用今天所學(xué)的知識，課下做如下探究：如何施力能讓秋千擺得最高？ 7．知識運(yùn)用 通過兩道比較簡單的例題，讓學(xué)生鞏固本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容。 例題1：如圖所示，在曲軸A上懸掛一

14、個彈簧振子，如果不轉(zhuǎn)動把手B，而用手向下拉振子小球m，放開手后，讓小球上下自由振動測得彈簧振子做30次全振動所用的時間是15s；如果勻速轉(zhuǎn)動把手，也可使彈簧振子上下振動．若使把手以轉(zhuǎn)速n＝30r/min勻速轉(zhuǎn)動．當(dāng)彈簧振子的振動達(dá)到穩(wěn)定后，它的振動周期是________s．若要想使彈簧振子的振幅達(dá)到最大，則把手的轉(zhuǎn)速應(yīng)為________r/min. 例題2：一懸掛于天花板上的單擺的共振線如圖，由圖可知 （1）此單擺的擺長為________________。（g=10m/s2） （2）共振時單擺的振幅為________________。 七、板書設(shè)計 1．固有振動與阻尼振動 （1）固

15、有振動：振動系統(tǒng)不受外力作用的振動叫固有振動 固有頻率：固有振動的振動頻率叫固有頻率 （2）阻尼振動：振動系統(tǒng)受到阻尼作用時，要克服阻尼的作用做功，消耗機(jī)械能，振幅逐漸減小的振動 2．受迫振動 （1）驅(qū)動力：為使系統(tǒng)的振動維持下去所加的周期性的外力 （2）受迫振動：系統(tǒng)在驅(qū)動力的作用下的振動 （3）驅(qū)動力的頻率與受迫振動頻率的關(guān)系：受迫振動的頻率總等于驅(qū)動力的頻率 3．共振 （1）共振：驅(qū)動力的頻率等于系統(tǒng)的固有頻率時，受迫振動的振幅最大，這種現(xiàn)象叫做共振 （2）條件：驅(qū)動力的頻率等于系統(tǒng)的固有頻率 （3）共振的利用與危害 （4）如何改變振動系統(tǒng)的固有頻率 八、作業(yè)布置 教材21頁問題與練習(xí)第1、3、4題 九、反思 6