2017_2018学年高中物理第十一章机械振动第5节外力作用下的振动学案新人教版选修3_4

11.5 外力作用下的振动
固有振动、阻尼振动
[先填空]
1．固有振动
如果振动系统不受外力的作用，此时的振动叫做固有振动，其振动频率称为固有频率．
2．阻尼振动
(1)阻力作用下的振动
当振动系统受到阻力的作用时，振动受到了阻尼，系统克服阻尼的作用要做功，消耗机械能，因而振幅减小，最后停下来．
(2)阻尼振动
振幅逐渐减小的振动．振动系统受到的阻尼越大，振幅减小得越快，阻尼振动的图象如图11­5­1所示，振幅越来越小，最后停止振动．
图11­5­1
[再判断]
1．固有频率由系统本身决定．(√)
2．阻尼振动的频率不断减小．(×)
3．阻尼振动的振幅不断减小．(√)
[后思考]
1．阻尼振动的振幅在减小的过程中，频率是否随着减小？
【提示】阻尼振动的振动频率保持不变．
2．若物体所做的振动是等幅振动，此物体一定是无阻尼振动吗？
【提示】不一定．区分阻尼与无阻尼的条件是分析振子受不受阻力，而不是看振幅，若受阻力作用同时也有外力给系统做功补充能量时，也能保证振动物体做等幅振动．
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阻尼振动与简谐运动(无阻尼振动)的比较
1．一单摆做阻尼振动，则在振动过程中( )
A．振幅越来越小，周期也越来越小
B．振幅越来越小，周期不变
C．通过某一位置时，机械能减小
D．机械能不守恒，周期不变
E．机械能守恒，频率不变
【解析】单摆做阻尼振动时，振幅会减小，机械能减小，振动周期不变，故选项B、C、D对， A、E错．
【答案】BCD
2．一单摆在空气中振动，振幅逐渐减小．下列说法正确的是( )
【导学号：
23570028】
A．机械能逐渐转化为其他形式的能
B．后一时刻的动能一定小于前一时刻的动能
C．后一时刻的势能一定小于前一时刻的势能
D．后一时刻的机械能一定小于前一时刻的机械能
E．后一时刻的动能可能大于前一时刻的动能
【答案】ADE
3．如图11­5­2所示是单摆做阻尼振动的振动图线．
图11­5­2
则摆球A时刻的动能________B时刻的动能，摆球A时刻的势能________B时刻的势能．
【答案】大于等于
阻尼振动的能量和周期
(1)阻尼振动的振幅不断减小，能量不断减少，但阻尼振动的频率不变，其频率为固有频率，由系统本身决定．
2 自由振动是一种理想情况，也叫简谐运动.实际中的振动都会受到阻力的作用，当阻力较小时，可认为是简谐运动.
3 阻尼振动中，机械能E等于动能Ek和势能Ep之和，即E＝Ek＋Ep，E减小，但动能和势能相互转化，当Ep相等，Ek不相等，而从振动图象上可能确定Ep的关系.
受迫振动、共振
[先填空]
1．受迫振动
(1)驱动力：作用于振动系统的周期性的外力．
(2)受迫振动：振动系统在驱动力作用下的振动．
(3)受迫振动的频率：做受迫振动的系统振动稳定后，其振动频率等于驱动力的频率，跟系统的固有频率没有关系．
2.共振
(1)定义：驱动力的频率等于振动物体的固有频率时，受迫振动的振幅最大的现象．
(2)条件：驱动力频率等于系统的固有频率．
(3)特征：共振时受迫振动的振幅最大．
(4)共振曲线：如图11­5­3所示．表示受迫振动的振幅A与驱动力频率f的关系图象，图中f0为振动物体的固有频率．
图11­5­3
[再判断]
1．受迫振动的频率等于振动系统的固有频率．(×)
2．驱动力频率越大，振幅越大．(×)
3．生活中应尽量使驱动力的频率接近振动系统的固有频率．(×)
[后思考]
1．洗衣机启动和停止时，随着电机转速的变化，有时洗衣机会振动得很厉害，这是什么原因？
【提示】当洗衣机电机转动的频率等于洗衣机的固有频率时，发生了共振现象，这时洗衣机振动得很厉害．
2．要防止共振，需要采取什么措施？
【提示】尽量使驱动力的频率与固有频率间的差距增大．
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1．自由振动、受迫振动及共振的比较
2．共振曲线的理解和应用 (1)两坐标轴的意义：
纵轴：受迫振动的振幅，如图11­5­4所示．横轴：驱动力频率．
图11­5­4
(2)f0的意义：表示固有频率．
(3)认识曲线形状：f ＝f0，共振；f ＞f0或
f ＜f0，振幅较小；f 与f0相差越大，振幅越小．
(4)结论：驱动力的频率f 越接近振动系统的固有频率f0，受迫振动的振幅越大，反之振幅越小．
4.如图11­5­5所示为受迫振动的演示装置，当单摆A 振动起来后，通过水平悬绳迫使单摆B 、C 振动，则下列说法正确的是( )
图11­5­5
A ．只有A 、C 摆振动周期相等
B ．A 摆的振幅比B 摆的小
C ．B 摆的振幅比C 摆的小
D ．A 、B 、C 三摆的振动周期相等
E ．B 、C 两摆振动时的振幅与其摆长有关，而周期与摆长无关． 【答案】 CDE
5.如图11­5­6所示为两个单摆受迫振动的共振曲线．两个单摆的固有周期之比为TⅠ∶TⅡ＝________.若两个受迫振动分别在月球上和地球上进行，且摆长相等，则图线________是月球上的单摆的共振曲线. 【导学号：23570029】
图11­5­6
【答案】5∶2 Ⅰ
6．如图11­5­7所示，在曲轴A上悬挂一个弹簧振子，如果转动把手，曲轴可以带动弹簧振子上下振动．问：
图11­5­7
(1)开始时不转动把手，而用手往下拉振子，然后放手让振子上下振动，测得振子在10 s内完成20次全振动，振子做什么振动？其固有周期和固有频率各是多少？若考虑摩擦和空气阻力，振子做什么振动？
(2)在振子正常振动过程中，以转速4 r/s匀速转动把手，振子的振动稳定后，振子做什么运动？其周期是多少？
【答案】(1)简谐运动0.5 s 2 Hz 阻尼振动
(2)受迫振动0.25 s
1．分析受迫振动的方法
(1)在分析受迫振动时，首先要弄清驱动力的来源．
(2)受迫振动的频率等于驱动力的频率，与物体的固有频率无关，因而首先应确定驱动力的频率．
(3)当驱动力的频率等于固有频率时，发生共振．
2．改变受迫振动的振幅的方法
当f驱＝f固时，振幅最大．若改变受迫振动的振幅，可采取两种方法：
(1)改变给予振动系统周期性外力的周期，即改变驱动力频率．
(2)了解影响固有频率的因素，改变固有频率．。