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《外力作用下的振动》教案

2020-03-27 15:10:15

《外力作用下的振动》教案

一、教学目标

【知识与技能】

知道阻尼振动及阻尼振动中能量的转化情况;知道受迫振动,知道受迫振动的频率等于驱动力的频率;知道共振以及发生共振的条件,知道共振的应用和防止。

【过程与方法】

通过对阻尼振动、受迫振动和共振现象的实验探究和实例分析,培养学生的观察分析能力;了解共振在实际中的应用和防止,提高理论联系实际的能力。

【情感态度与价值观】

通过受迫振动和共振的教学,认识内因和外因的辩证关系;通过共振的应用和防止的教学,渗透一分为一的辩证法观点。

二、教学重难点

【重点】受迫振动及驱动力频率与受迫振动频率的关系,以及共振产生的条件。

【难点】对共振产生条件的理解及其应用和防止。

三、教学过程

环节一:新课导入

在导入新课时,教师利用多媒体播放新闻视频,引导学生通过观看“塔科马大桥垮塌”的视频,同时提出问题:坚固的大桥为何会倒塌,思考悲剧发生的原因。引起学生探究现象背后秘密的欲望和兴趣。本节课我们就来学习这方面的问题。

环节二:新课讲授

1.阻尼振动

首先回顾之前学习弹簧振子、单摆等模型,提问分别是如何理想化处理,其振动图像是什么曲线?系统摩擦阻力和空气阻力都忽略不计。进而引出系统在不受外力作用下的振动为固有振动,其振动频率为固有频率。

对简谐运动而言,当供给振动系统一定的能量使它开始振动后,由于机械能守恒,它就以一定的振幅永不停息地振动下去,简谐运动是一种理想化的振动。下面来观察两个实际振动:

(1)实际的单摆发生的振动;

(2)敲击音叉后音叉的振动。

请学生说出观察到的现象:单摆和音叉的振幅越来越小,最后停下来。并交流分析原因:在单摆和音叉的振动过程中,不可避免地要克服摩擦及其他阻力做功,系统的机械能就要损耗,振动的振幅就会逐渐减小,机械能耗尽之时,振动就会停下来了。

从而在此基础上引出阻尼振动的概念,简谐运动只是理想的情形。在实际振动中,由于阻力的存在,振动系统最初所获得的能量,在振动过程中因不断克服阻力做功而减小。振动强度逐渐衰弱,振动也就越来越小,最后停止振动。这种振动称为阻尼振动。并介绍两种特殊情况下的阻尼振动,阻尼很小和阻尼很大时系统振动的情况。

2.受迫振动

提问:实际中的振动都是阻尼振动,振幅不断减小,如何可以得到持续稳定的振动呢?并以生活实例荡秋千为例,启发学生思考。顺势引入驱动力和受迫振动的概念。阻尼振动最终要停下来,为使振动持续下去,必须对系统施加周期性的外力,这种力叫驱动力,并指出驱动力也是以力的作用效果命名的力。系统在驱动力作用下的振动叫做受迫振动。

提问:受迫振动的频率与什么因素有关呢?

接下来演示弹簧和小球所组成的系统在电动机提供的驱动力作用下的受迫振动实验。通过改变电动机的转速以调整驱动力的频率,请学生仔细观察弹簧—小球系统振动的频率大小,并试着做出分析和解释。

分析:使振子能够持续振动下去的原因,是把电动机给了振动系统一个周期性的外力的作用,外力对系统做功,补偿系统的能量损耗。要想使物体能持续地振动下去,必须给振动系统施加一个周期性的驱动力。最终学生思考交流,得出结论:

①受迫振动的频率跟物体的固有频率没有关系;

②物体做受迫振动时,振动稳定后的频率等于驱动力的频率。

列举生活中常见的受迫振动的例子。发动机正在运转时汽车本身的振动;正在发声的扬声器纸盒的振动;飞机从房屋上飞过时窗玻璃的振动;我们听到声音时耳膜的振动等等。

3.共振

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,但是如果驱动力的频率接近或等于物体的固有频率时又会发生什么现象呢?

请学生利用共振演示仪进行实验。在一根张紧的绳上挂了几个不同的摆,其中A、B的摆长相等。先让A摆摆动,观察在摆动稳定后的现象。学生回答实验现象:A摆动起来后,B、C、D也随之摆动,但是它们摆动的振幅不同,B摆动的振幅最大,C、D摆动振幅较小。

在进行完小组探究实验后,请学生针对实验现象,组织学生讨论产生这样现象的原因,通过前面学习单摆的相关知识,B摆的摆长与A摆相等,两者的固有频率也一样。A摆振动后通过张紧的绳子给其它各摆施加驱动力,使B、C、D各摆做受迫振动,因此它们振动的频率都等于A摆的固有频率。最终得出结论:驱动力的频率等于振动物体的固有频率时,振幅最大;驱动力的频率跟固有频率相差越大,振幅越小。

在次基础上,出示共振曲线图,结合共振图像直观的分析出受迫振动的振幅A与驱动力的频率f及固有频率f0之间的关系,从而讲解共振的概念和特点。驱动力频率f等于系统共振的固有频率f0时,受迫振动的振幅最大,这种现象就叫做共振。

环节三:巩固提升

结合生活实例,利用共振的概念和特点举出共振的应用和防止的例子,并解释其原因,加深学生的理解。例如:

1.利用共振时,应使驱动力的频率接近或等于物体的固有频率。

实例:共振筛、音箱、小提琴与二胡等乐器设置共鸣箱、建筑工地上浇铸混凝土时使用的振捣器、跳水运动员做起跳动作的“颠板”过程等。

2.防止共振时,应使驱动力的频率与振动物体的固有频率不同,而且相差越大越好。

实例:火车过桥时要放慢速度、军队过桥时用便步行走、轮船航行时要看波浪的打击方向而改变轮船的航向和速度、机器运转时为了防止共振要调节转速。

环节四:小结作业

小结:总结本节课有什么收获,都学到了哪些概念?

1.阻尼振动:振幅(能量)逐渐减小的振动。

2.受迫振动:物体在外界驱动力作用下的振动。

物体做受迫振动时,振动稳定后的频率等于驱动力的频率,跟物体的固有频率无关。

3.共振:驱动力的频率等于物体的固有频率时,受迫振动的物体振幅达到最大的现象。

①利用共振时:应使驱动力的频率接近或等于振动物体的固有频率。

②防止共振时:应使驱动力的频率与物体的固有频率不同,而且相差越大越好。

作业:

请学生完成必做作业:“问题与练习”的题目,以及选作作业:通过书籍或网络收集关于三种外力作用下的振动在生活中还有哪些应用。

四、板书设计

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