《外力作用下的振動》教案

《外力作用下的振動》教案

一、教學目標

【知識與技能】

知道阻尼振動及阻尼振動中能量的轉化情況;知道受迫振動，知道受迫振動的頻率等於驅動力的頻率;知道共振以及發生共振的條件，知道共振的應用和防止。

【過程與方法】

通過對阻尼振動、受迫振動和共振現象的實驗探究和實例分析，培養學生的觀察分析能力;了解共振在實際中的應用和防止，提高理論聯繫實際的能力。

【情感態度與價值觀】

通過受迫振動和共振的教學，認識內因和外因的辯證關係;通過共振的應用和防止的教學，滲透一分為一的辯證法觀點。

二、教學重難點

【重點】受迫振動及驅動力頻率與受迫振動頻率的關係，以及共振產生的條件。

【難點】對共振產生條件的理解及其應用和防止。

三、教學過程

環節一：新課導入

在導入新課時，教師利用多媒體播放新聞視頻，引導學生通過觀看「塔科馬大橋垮塌」的視頻，同時提出問題：堅固的大橋為何會倒塌，思考悲劇發生的原因。引起學生探究現象背後秘密的欲望和興趣。本節課我們就來學習這方面的問題。

環節二：新課講授

1.阻尼振動

首先回顧之前學習彈簧振子、單擺等模型，提問分別是如何理想化處理，其振動圖像是什麼曲線?系統摩擦阻力和空氣阻力都忽略不計。進而引出系統在不受外力作用下的振動為固有振動，其振動頻率為固有頻率。

對簡諧運動而言，當供給振動系統一定的能量使它開始振動後，由於機械能守恆，它就以一定的振幅永不停息地振動下去，簡諧運動是一種理想化的振動。下面來觀察兩個實際振動：

(1)實際的單擺發生的振動;

(2)敲擊音叉後音叉的振動。

請學生說出觀察到的現象：單擺和音叉的振幅越來越小，最後停下來。並交流分析原因：在單擺和音叉的振動過程中，不可避免地要克服摩擦及其他阻力做功，系統的機械能就要損耗，振動的振幅就會逐漸減小，機械能耗盡之時，振動就會停下來了。

從而在此基礎上引出阻尼振動的概念，簡諧運動只是理想的情形。在實際振動中，由於阻力的存在，振動系統最初所獲得的能量，在振動過程中因不斷克服阻力做功而減小。振動強度逐漸衰弱，振動也就越來越小，最後停止振動。這種振動稱為阻尼振動。並介紹兩種特殊情況下的阻尼振動，阻尼很小和阻尼很大時系統振動的情況。

2.受迫振動

提問：實際中的振動都是阻尼振動，振幅不斷減小，如何可以得到持續穩定的振動呢?並以生活實例蕩鞦韆為例，啟發學生思考。順勢引入驅動力和受迫振動的概念。阻尼振動最終要停下來，為使振動持續下去，必須對系統施加周期性的外力，這種力叫驅動力，並指出驅動力也是以力的作用效果命名的力。系統在驅動力作用下的振動叫做受迫振動。

提問：受迫振動的頻率與什麼因素有關呢?

接下來演示彈簧和小球所組成的系統在電動機提供的驅動力作用下的受迫振動實驗。通過改變電動機的轉速以調整驅動力的頻率，請學生仔細觀察彈簧—小球系統振動的頻率大小，並試著做出分析和解釋。

分析：使振子能夠持續振動下去的原因，是把電動機給了振動系統一個周期性的外力的作用，外力對系統做功，補償系統的能量損耗。要想使物體能持續地振動下去，必須給振動系統施加一個周期性的驅動力。最終學生思考交流，得出結論：

①受迫振動的頻率跟物體的固有頻率沒有關係;

②物體做受迫振動時，振動穩定後的頻率等於驅動力的頻率。

列舉生活中常見的受迫振動的例子。發動機正在運轉時汽車本身的振動;正在發聲的揚聲器紙盒的振動;飛機從房屋上飛過時窗玻璃的振動;我們聽到聲音時耳膜的振動等等。

3.共振

受迫振動的頻率等於驅動力的頻率，與物體的固有頻率無關，但是如果驅動力的頻率接近或等於物體的固有頻率時又會發生什麼現象呢?

請學生利用共振演示儀進行實驗。在一根張緊的繩上掛了幾個不同的擺，其中A、B的擺長相等。先讓A擺擺動，觀察在擺動穩定後的現象。學生回答實驗現象：A擺動起來後，B、C、D也隨之擺動，但是它們擺動的振幅不同，B擺動的振幅最大，C、D擺動振幅較小。

在進行完小組探究實驗後，請學生針對實驗現象，組織學生討論產生這樣現象的原因，通過前面學習單擺的相關知識，B擺的擺長與A擺相等，兩者的固有頻率也一樣。A擺振動後通過張緊的繩子給其它各擺施加驅動力，使B、C、D各擺做受迫振動，因此它們振動的頻率都等於A擺的固有頻率。最終得出結論：驅動力的頻率等于振動物體的固有頻率時，振幅最大;驅動力的頻率跟固有頻率相差越大，振幅越小。

在次基礎上，出示共振曲線圖，結合共振圖像直觀的分析出受迫振動的振幅A與驅動力的頻率f及固有頻率f0之間的關係，從而講解共振的概念和特點。驅動力頻率f等於系統共振的固有頻率f0時，受迫振動的振幅最大，這種現象就叫做共振。

環節三：鞏固提升

結合生活實例，利用共振的概念和特點舉出共振的應用和防止的例子，並解釋其原因，加深學生的理解。例如：

1.利用共振時，應使驅動力的頻率接近或等於物體的固有頻率。

實例：共振篩、音箱、小提琴與二胡等樂器設置共鳴箱、建築工地上澆鑄混凝土時使用的振搗器、跳水運動員做起跳動作的「顛板」過程等。

2.防止共振時，應使驅動力的頻率與振動物體的固有頻率不同，而且相差越大越好。

實例：火車過橋時要放慢速度、軍隊過橋時用便步行走、輪船航行時要看波浪的打擊方向而改變輪船的航向和速度、機器運轉時為了防止共振要調節轉速。

環節四：小結作業

小結：總結本節課有什麼收穫，都學到了哪些概念?

1.阻尼振動：振幅(能量)逐漸減小的振動。

2.受迫振動：物體在外界驅動力作用下的振動。

物體做受迫振動時，振動穩定後的頻率等於驅動力的頻率，跟物體的固有頻率無關。

3.共振：驅動力的頻率等於物體的固有頻率時，受迫振動的物體振幅達到最大的現象。

①利用共振時：應使驅動力的頻率接近或等于振動物體的固有頻率。

②防止共振時：應使驅動力的頻率與物體的固有頻率不同，而且相差越大越好。

作業：

請學生完成必做作業：「問題與練習」的題目，以及選作作業：通過書籍或網絡收集關於三種外力作用下的振動在生活中還有哪些應用。

四、板書設計

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