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2019-2020年高中物理 《外力作用下的振動》教案 新人教版選修3-4 一、教學目標 （1）知道阻尼振動和無阻尼振動，并能從能量的觀點給予說明。 （2）知道受迫振動的概念。知道受迫振動的頻率等于驅動力的頻率，而跟振動物體的固有頻率無關。 （3）理解共振的概念，知道常見的共振的應用和危害。 二、教學重點、難點：受迫振動，共振。 三、教具：彈簧振子、受迫振動演示儀、擺的共振演示器 四、教學過程 （一）復習提問 讓學生注意觀察教師的演示實驗。教師把彈簧振子的振子向右移動至B點，然后釋放，則振子在彈性力作用下，在平衡位置附近持續(xù)地沿直線振動起來。重復兩次讓學生在黑板上畫出振動圖象的示意圖（圖1中的Ⅰ）。 再次演示上面的振動，只是讓起始位置明顯地靠近平衡位置，再讓學生在原坐標上畫出第二次振子振動的圖象（圖1中的Ⅱ）。Ⅰ和Ⅱ應同頻、同相、振幅不同。 結合圖象和振子運動與學生一起分析能量的變化并引入新課。 （二）新課教學 現在以彈簧振子為例討論一下簡諧運動的能量問題。 問：振子從B向O運動過程中，它的能量是怎樣變化的？引導學生答出彈性勢能減少，動能增加。 問：振子從O向C運動過程中能量如何變化？振子由C向O、又由O向B運動的過程中，能量又是如何變化的？ 問：振子在振動過程中總的機械能如何變化？引導學生運用機械能守恒定律，得出在不計阻力作用的情況下，總機械能保持不變。 教師指出：將振子從B點釋放后在彈簧彈力（回復力）作用下，振子向左運動，速度加大，彈簧形變（位移）減少，彈簧的彈性勢能轉化為振子的動能。當回到平衡位置O時，彈簧無形變，彈性勢能為零，振子動能達到最大值，這時振子的動能等于它在最大位移處（B點）彈簧的彈性勢能，也就是等于系統(tǒng)的總機械能。 在任何一位置上，動能和勢能之和保持不變，都等于開始振動時的彈性勢能，也就是系統(tǒng)的總機械能。 由于簡諧運動中總機械能守恒，所以簡諧運動中振幅不變。如果初始時B點與O點的距離越大，到O點時，振子的動能越大，則系統(tǒng)所具有的機械能越大。相應地，振子的振幅也就越大，因此簡諧運動的振幅與能量相對應。 問：怎樣才能使受阻力的振動物體的振幅不變，而一直振動下去呢？引導學生答出，應不斷地向系統(tǒng)補充損耗的機械能，以使振動物體的振幅不變。 指出：這種振幅不變的振動叫等幅振動。 舉幾個等幅振動的例子，例如電鈴響的時候，鈴錘是做等幅振動。電磁打點計時器工作時，打點針是做等幅振動。掛鐘的擺是做等幅振動?！鼈兊墓餐攸c是，工作時振動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動力。 在驅動力作用下物體的振動叫受迫振動。 再讓學生舉幾個受迫振動的例子，例如內燃機氣缸中活塞的運動，縫紉機針頭的運動，揚聲器紙盆的運動，電話耳機中膜片的運動等都是受迫振動。 問：受迫振動的頻率跟什么有關呢？ 讓學生注意觀察演示（圖3）。用不同的轉速勻速地轉動把手，可以發(fā)現，開始振子的運動情況比較復雜，但達到穩(wěn)定后，振子的運動就比較穩(wěn)定，可以明顯地觀察到受迫振動的周期等于驅動力的周期。這樣就可以得到物體做受迫振動的頻率等于驅動力的頻率，而跟振子的固有頻率無關。 問：受迫振動的振幅又跟什么有關呢？ 演示擺的共振（裝置如圖4），在一根繃緊的繩上掛幾個單擺，其中A、B、G球的擺長相等。當使A擺動起來后，A球的振動通過張緊的繩給其余各擺施加周期性的驅動力，經一段時間后，它們都會振動起來。驅動力的頻率等于A擺的頻率。實驗發(fā)現，在A擺多次擺動后，各球都將以A球的頻率振動起來，但振幅不同，固有頻率與驅動力頻率相等的B、G球的振幅最大，而頻率與驅動力頻率相差最大的D、E球的振幅最小。 明確指出：驅動力的頻率跟物體的固有頻率相等時，振幅最大，這種現象叫共振。 講解一下共振在技術上有其有利的一面，也存在不利的一面。結合課本讓同學思考，在生活實際中利用共振和防止共振的實例。 三、請同學小結一下本節(jié)要點 1．振動物體都具有能量，能量的大小與振幅有關，振幅越大，振動能量也越大； 2．當振動物體的能量逐漸減小時，振幅也隨著減小，這樣的振動叫阻尼振動； 3．振幅保持不變的振動叫等幅振動； 4．物體在驅動力作用下的振動是受迫振動，受迫振動的頻率等于驅動力的頻率； 5．當驅動力的頻率等于物體的固有頻率時，受迫振動振幅最大的現象叫共振；共振在技術上有其有利的一面，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 支持火車車廂的彈簧的固有頻率為2Hz，行駛在每節(jié)鐵軌長10米的鐵路上，則當運行速度為____m/s時，車廂振動最劇烈。[20m/s]