2020版高中物理 第一章 机械振动 4 阻尼振动 受迫振动学案 教科版选修3-4

2020版高中物理 第一章 机械振动 4 阻尼振动 受迫振动学案 教科版选修3-4

‎4　阻尼振动　受迫振动 ‎[学习目标]　1.知道什么是阻尼振动和无阻尼振动，并能从能量的观点给予说明.2.知道受迫振动的频率等于驱动力的频率，而跟振动物体的固有频率无关.3.理解共振的概念，知道常见的共振的应用和危害.‎ 一、阻尼振动　自由振动 ‎1.阻尼振动 系统在振动过程中受到阻力的作用，振动逐渐消逝，振动能量逐步转变为其他能量，这种振动叫做阻尼振动.‎ ‎2.自由振动 ‎(1)定义：系统不受外力作用，也不受任何阻力，只在自身回复力作用下的振动.‎ ‎(2)固有频率：自由振动的频率，由系统本身的特征决定.‎ 二、受迫振动 ‎1.驱动力 加在振动系统上的周期性的外力.‎ ‎2.受迫振动 ‎(1)定义：系统在驱动力作用下的振动.‎ ‎(2)受迫振动的周期和频率.‎ 做受迫振动的物体振动稳定后，其振动周期等于驱动力的周期，振动频率等于驱动力的频率，跟系统的固有频率无关(填“有关”或“无关”).‎ 三、共振及其应用和防止 ‎1.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，这种现象叫做共振.‎ ‎(2)共振曲线(如图1所示)‎ 图1‎ 12‎ ‎2.共振的应用和防止 ‎(1)利用：在需要利用共振时，应使驱动力的频率接近(填“接近”“远离”或“等于”)或等于(填“接近”“远离”或“等于”)振动系统的固有频率.‎ ‎(2)防止：在需要防止共振时，应使驱动力的频率远离(填“接近”“远离”或“等于”)振动系统的固有频率.‎ ‎[即学即用]‎ ‎1.判断下列说法的正误.‎ ‎(1)受迫振动的频率与振动系统的固有频率无关.(　√　)‎ ‎(2)驱动力频率越大，振幅越大.(　×　)‎ ‎(3)共振只有害处没有好处.(　×　)‎ ‎(4)做受迫振动的物体一定会发生共振.(　×　)‎ ‎(5)阻尼振动的频率随振幅的减小而不断减小.(　×　)‎ ‎2.A、B两个弹簧振子，A的固有频率为f，B的固有频率为‎4f，若它们均在频率为f的驱动力作用下做受迫振动，则________的振幅较大，A的振动频率是________，B的振动频率是________.‎ 答案　A　f　f 一、简谐运动、阻尼振动和受迫振动 ‎[导学探究]　如图2所示的实验装置为一挂在曲轴上的弹簧振子，匀速摇动手柄，下面的弹簧振子就会振动起来.实际动手做一下，然后回答以下几个问题.‎ 图2‎ ‎(1)如果手柄不动而用手拉动一下振子，从振幅角度看弹簧振子的振动属于什么振动？‎ ‎(2)从有没有系统外力作用角度看弹簧振子的振动属于什么振动？‎ ‎(3)手柄匀速摇动时，观察到振幅有什么变化？为什么？‎ ‎(4)用不同的转速匀速转动手柄，弹簧振子的振动有何不同？这能说明什么问题？‎ 答案　(1)阻尼振动　(2)固有振动　(3)振幅不变，提供系统外力，补偿系统损失的能量　(4)转速大时弹簧振子振动得快，说明弹簧振子振动的周期和频率由手柄转速决定.‎ 12‎ 振幅可能有变化，可能会出现共振.‎ ‎[知识深化]　对简谐运动、阻尼振动与受迫振动的理解和比较 ‎(1)三种振动的理解 ‎①简谐运动是一种理想化的模型，物体运动过程中的一切阻力都不考虑.‎ ‎②阻尼振动考虑阻力的影响，是更实际的一种运动.‎ ‎③受迫振动是物体做阻尼振动时受到周期性驱动力作用下的振动.‎ ‎(2)三种振动的比较 ‎　振动类型 比较项目　　　　‎ 简谐运动 阻尼振动 受迫振动 产生条件 不受阻力作用 受阻力作用 受阻力和驱动力作用 频率 固有频率 频率不变 由驱动力的频率决定 振动图像 形状不确定 常见例子 弹簧振子或单摆 敲锣打鼓时发出的声音越来越弱 机器运转时底座发生的振动 例1　(多选)一单摆做阻尼振动，则在振动过程中(　　)‎ A.振幅越来越小，频率也越来越小 B.振幅越来越小，频率不变 C.在振动过程中，通过某一位置时，机械能始终不变 D.在振动过程中，机械能不守恒 答案　BD 解析　因单摆做阻尼振动，所以振幅越来越小，机械能越来越小，振动频率不变，故选B、D.‎ 例2　如图3所示，在曲轴上悬挂一弹簧振子，转动摇把，曲轴可以带动弹簧振子上下振动.开始时不转动摇把，让振子自由上下振动，测得其频率为2Hz，然后以60r/min的转速匀速转动摇把，当振子振动稳定时，它的振动周期为(　　)‎ 图3‎ 12‎ A.0.25‎sB.0.5sC.1sD.2s 答案　C 解析　弹簧振子受摇把的作用而振动，做受迫振动，所以其振动的周期等于驱动力的周期，故正确答案为C.‎ 二、共振及其应用和防止 ‎[导学探究]　洗衣机在衣服脱水完毕拔掉电源后，电动机还要转动一会儿才能停下来.在拔掉电源后，发现洗衣机先振动得比较弱，有一阵子振动得很剧烈，然后振动慢慢减弱直至停下来.‎ ‎(1)开始时，洗衣机为什么振动比较弱？‎ ‎(2)期间剧烈振动的原因是什么？‎ 答案　(1)开始时，脱水桶转动的频率远高于洗衣机的固有频率，振幅较小，振动比较弱.‎ ‎(2)当洗衣机脱水桶转动的频率等于洗衣机的固有频率时发生共振，振动剧烈.‎ ‎[知识深化]　共振及其应用与防止 ‎(1)共振的条件：驱动力的频率与系统的固有频率相等，即f驱＝f固.‎ ‎(2)共振曲线 如图4所示，共振曲线的横坐标为驱动力的频率，纵坐标为受迫振动系统的振幅.‎ 图4‎ ‎①从受力角度看：当振动物体所受驱动力的方向跟它的运动方向相同时，驱动力对它起加速作用，使它的振幅增大，当驱动力的频率等于物体的固有频率时，它的每一次作用都使物体的振幅增加，从而振幅达到最大.‎ ‎②从功能关系看：当驱动力的频率等于物体的固有频率时，驱动力始终对物体做正功，使振动能量不断增加，振幅不断增大，直到增加的能量等于克服阻尼作用损耗的能量，振幅才不再增加.‎ ‎③f0的意义：表示固有频率.‎ ‎④认识曲线的形状：f＝f0，共振；f＞f0或f＜f0，振幅较小.f与f0相差越大，振幅越小.‎ ‎(3)共振的利用与防止 ‎①利用：由共振的条件知，要利用共振，就应尽量使驱动力的频率与物体的固有频率一致.如共振筛、荡秋千、共振转速计等.‎ ‎②防止：由共振曲线可知，在需要防止共振危害时，要尽量使驱动力的频率和固有频率不相等，而且相差越多越好.如：部队过桥应便步走.‎ 12‎ 说明：共振是物体做受迫振动时的一种特殊现象.‎ 例3　(多选)如图5所示，在一根张紧的水平绳上悬挂五个摆，其中A、E的摆长为l，B的摆长为‎0.5l，C的摆长为‎1.5l，D的摆长为‎2l，先使A振动起来，其他各摆随后也振动起来，则摆球振动稳定后(　　)‎ 图5‎ A.D的振幅一定最大 B.E的振幅一定最大 C.B的周期一定最短 D.其余四个摆的周期相同 答案　BD 解析　A振动起来后，使得B、C、D、E做受迫振动，振动的频率都等于A振动的频率，即各摆振动的周期都相等，选项C错误，D正确；由于D与A的摆长相差最大，E与A的摆长相等，所以D的振幅最小，E发生共振，振幅最大，选项A错误，B正确.‎ 例4　(多选)下列关于共振和防止共振的说法，正确的是(　　)‎ A.共振现象总是有害的，所以要避免共振现象发生 B.队伍过桥要慢行是为了不产生周期性的驱动力，从而避免产生共振 C.火车过桥慢行是为了使驱动力的频率远小于桥的固有频率，从而避免产生共振 D.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，防止共振危害时，应使驱动力的频率远离振动物体的固有频率 答案　CD 解析　共振现象有利也有弊，A项错误；过桥慢行是为了使驱动力的频率与桥的固有频率相差很多，从而避免桥产生共振现象，B项错误，C项正确；当固有频率与驱动力的频率相同时，物体产生共振现象，D项正确.‎ ‎1.(对阻尼振动的理解)(多选)一单摆在空气中振动，振幅逐渐减小，下列说法正确的是(　　)‎ A.振动的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 12‎ D.后一时刻的机械能一定小于前一时刻的机械能 答案　AD 解析　单摆振动过程中，会不断克服空气阻力做功使机械能逐渐减小，A、D对；虽然单摆总的机械能在逐渐减少，但在振动过程中动能和势能仍不断地相互转化.动能转化为势能时，动能逐渐减少，势能逐渐增加，而势能转化为动能时，势能逐渐减少，动能逐渐增加，所以不能断言后一时刻的动能(或势能)一定小于前一时刻的动能(或势能)，故B、C错.‎ ‎2.(对受迫振动的理解)如图6所示，把两个弹簧振子悬挂在同一支架上，已知甲弹簧振子的固有频率为9Hz，乙弹簧振子的固有频率为72Hz，当支架在受到竖直方向且频率为9Hz的驱动力作用做受迫振动时，则________(选填“甲”或“乙”)的振幅较大，甲振动频率是________Hz，乙振动频率是________Hz.‎ 图6‎ 答案　甲　9　9‎ 解析　根据受迫振动发生共振的条件可知甲的振幅较大，受迫振动的频率等于驱动力的频率，故甲、乙振动的频率均等于9 Hz.‎ ‎3.(共振)(多选)如图7表示一弹簧振子做受迫振动时的振幅与驱动力频率的关系，由图可知(　　)‎ 图7‎ A.驱动力频率为f2时，振子处于共振状态 B.驱动力频率为f3时，振子的振动频率为f3‎ C.假如让振子自由振动，它的频率为f2‎ D.振子做自由振动时，频率可以为f1、f2、f3‎ 答案　ABC 解析　由题图可知当驱动力的频率为f2时，振子的振幅最大，即振子发生共振现象，故A正确；由共振条件知振子的固有频率为f2，所以C正确，D错误；振子做受迫振动时，振动频率由驱动力的频率决定，故B正确.‎ 12‎ 一、选择题 考点一　阻尼振动 ‎1.(多选)若空气阻力不可忽略，单摆在偏角很小的摆动中，总是减小的物理量为(　　)‎ A.振幅 B.位移 C.周期 D.机械能 答案　AD 解析　有空气阻力时，振动为阻尼振动，振幅不断减小，机械能也不断减小.位移做周期性变化，不是一直减小.根据单摆周期公式T＝2π，l、g不变，则T不变，故选项A、D正确.‎ ‎2.(多选)对于阻尼振动，下列说法正确的是(　　)‎ A.阻尼振动就是减幅振动，其振动的能量不断减少 B.实际的振动系统不可避免地要受到阻尼作用 C.阻尼振动的振幅、振动能量、振动周期逐渐减小 D.对做阻尼振动的振子来说，其机械能逐渐转化为内能 答案　ABD 解析　振动系统的振动频率与本身的结构有关，为固有频率，所以在阻尼振动中，振幅减小，振动能量减少，最终转化为内能，但周期不变，故A、D正确，C错误.实际的振动系统都要受到摩擦或空气阻力等阻尼作用，故B正确.‎ ‎3.如图1所示是单摆做阻尼振动的位移—时间图线，下列说法中正确的是(　　)‎ 图1‎ A.摆球在P与N时刻的势能相等 B.摆球在P与N时刻的动能相等 C.摆球在P与N时刻的机械能相等 D.摆球在P时刻的机械能小于在N时刻的机械能 答案　A 解析　由于摆球的势能大小由其位移和摆球质量共同决定，P、N两时刻位移大小相等，所以势能相等，A正确；由于系统机械能在减少，P、N两时刻势能相同，则P时刻动能大于N 12‎ 时刻动能，所以B、C、D错误.‎ 考点二　受迫振动 ‎4.下列振动中属于受迫振动的是(　　)‎ A.用重锤敲击一下悬吊着的钟后，钟的摆动 B.打点计时器接通电源后，振针的振动 C.小孩睡在自由摆动的吊床上，小孩随着吊床一起摆动 D.弹簧振子在竖直方向上上下振动 答案　B 解析　受迫振动是振动物体在驱动力作用下的运动，故只有B对.‎ ‎5.(多选)下列说法中正确的是(　　)‎ A.实际的振动必然是阻尼振动 B.在外力作用下的振动是受迫振动 C.阻尼振动的振幅越来越小 D.受迫振动稳定后的频率与自身物理条件无关 答案　ACD 解析　实际的振动一定受到阻力而使得振动能量越来越小，所以是阻尼振动，表现为振幅越来越小.受迫振动必定是在周期性外力作用下的振动，稳定后的频率必定等于驱动力频率，与自身的物理条件无关.‎ 考点三　共振及其应用和防止 ‎6.(多选)单摆M、N、O、P自由振动时，振动图像分别如图2甲、乙、丙、丁所示.现将单摆M、N、O、P悬挂在如图3所示支架的细线上，并保持各自的摆长不变，使其中一个单摆振动，经过足够长的时间，其他三个都可能振动起来.不计空气阻力.下列判断正确的是(　　)‎ 图2‎ 12‎ 图3‎ A.若使M振动起来，P不会振动 B.若使M振动起来，稳定时N振动的周期仍小于2s C.若使P振动起来，稳定时M比N的振幅大 D.若使O振动起来，稳定时M的振动周期等于3s 答案　CD 解析　若使M振动起来，其他小球也会振动，做受迫振动，故A错误；受迫振动的周期等于驱动力的周期，故B错误；若使P振动起来，由于M的固有周期与驱动力的周期相同，M发生共振，稳定时M比N的振幅大，故C正确；O的周期为3 s，使O振动起来，M做受迫振动，则振动周期为3 s，故D正确.‎ ‎7.脱水机把衣服脱完水后切断电源，电动机还要转一会儿才能停下来，在这一过程中，发现脱水机在某一时刻振动得很剧烈，然后又慢慢振动直至停止运转，其中振动很剧烈的原因是(　　)‎ A.脱水机没有放平稳 B.电动机在这一时刻转快了 C.电动机在这一时刻的转动频率跟脱水机的固有频率相近或相等 D.脱水机出现了故障 答案　C 解析　由于电动机的转动，使脱水机做受迫振动.而断电后电动机转动的频率是逐渐变化的，当它的频率接近或等于脱水机的固有频率时，发生共振现象，C正确.‎ ‎8.(多选)在喜剧电影《功夫》中，包租婆的“狮子吼”可以将酒杯震碎，若我们用手指轻弹同样的酒杯，听到清脆的声音，并测得该声音的频率为f.下列说法正确的是(　　)‎ A.包租婆震碎酒杯是声波的共振现象 B.震碎的酒杯发生了阻尼振动 C.包租婆发出的震碎酒杯的“狮子吼”的频率接近f D.包租婆发出的震碎酒杯的“狮子吼”的频率一定远大于f 答案　AC 解析　根据共振的条件与共振的特点可知，当物体发生共振时，物体振动的振幅最大，甚至可能造成物体解体，故用“狮子吼”将酒杯震碎是共振现象，而发生共振的条件是驱动力的频率等于物体的固有频率，而酒杯的固有频率为f，故“狮子吼”频率接近f.故A、C正确.‎ ‎9.(多选)蜘蛛虽有8只眼睛，但视力很差，完全靠感觉来捕食和生活，它的腿能敏捷地感觉到落在丝网上的昆虫对丝网造成的振动.当丝网的振动频率为f＝200Hz左右时，丝网振动的振幅最大，最大振幅为‎0.5cm.已知该丝网共振时，蜘蛛能立即捕捉到丝网上的昆虫.则对于落在丝网上的昆虫(　　)‎ 12‎ A.当其翅膀振动的频率为200Hz左右时，蜘蛛能立即捕捉到它 B.当其翅膀振动的周期为0.05s左右时，蜘蛛能立即捕捉到它 C.当其翅膀振动的频率为300Hz左右时，蜘蛛能立即捕捉到它 D.当其翅膀振动的频率为250Hz时，该丝网的振幅一定小于‎0.5cm 答案　AD 解析　当昆虫翅膀振动的频率与丝网的振动频率相等时，即翅膀振动的频率f′＝f＝200 Hz时，蜘蛛能立即捕捉到它，故A正确，C错误；根据周期与频率之间的关系得：T＝＝ s＝0.005 s，当昆虫翅膀振动的周期为0.005 s左右时，蜘蛛能立即捕捉到它，故B错误；当昆虫翅膀振动的频率为250 Hz左右时，没有发生共振，故该丝网的振幅小于‎0.5 cm，故D正确.‎ ‎10.任何物体都有自己的固有频率.研究表明，如果把人作为一个整体来看，在水平方向上振动时的固有频率约为5Hz.当工人操作风镐、风铲、铆钉机等振动机械时，操作者在水平方向将做受迫振动.在这种情况下，下列说法正确的是(　　)‎ A.操作者的实际振动频率等于他自身的固有频率 B.操作者的实际振动频率等于机械的振动频率 C.为了保证操作者的安全，振动机械的频率应尽量接近人的固有频率 D.为了保证操作者的安全，应尽量提高操作者的固有频率 答案　B 解析　物体在周期性驱动力作用下做受迫振动，受迫振动的频率等于驱动力的频率，与固有频率无关，可知操作者的实际频率等于机械的振动频率，故A错误，B正确；当驱动力频率等于物体的固有频率时，物体的振幅最大，产生共振现象，所以为了保证操作者的安全，振动机械的频率应尽量远离人的固有频率，故C错误；有关部门作出规定：拖拉机、风镐、风铲、铆钉机等各类振动机械的工作频率必须大于20Hz，操作者的固有频率无法提高，故D错误.‎ ‎11.(多选)在如图4所示装置中，在曲轴AB上竖直悬挂一个弹簧振子.若不转动把手C，让弹簧振子上下振动，测得其周期为1s；若将把手C以0.5s的周期匀速转动，振子的振动稳定后，其振幅为‎2cm，则(　　)‎ 图4‎ A.把手C转动后，弹簧振子的振动周期为0.5s 12‎ B.把手C转动后，弹簧振子的振动周期为1s C.为使弹簧振子的振幅增大为‎3cm，可让把手C转速减小 D.为使弹簧振子的振幅减小为‎1cm，可让把手C转动周期减小 E.把手C的转速越大，弹簧振子的振幅越大 答案　ACD 解析　把手匀速转动时，弹簧振子做受迫振动，其振动周期等于驱动力的周期，即为0.5s，故A正确，B错误；要使弹簧振子的振幅增大，可让把手转速减小，周期增大，与固有周期接近或相等时，振幅可增大，故C正确；要使弹簧振子的振幅减小，可让把手转速增大，周期减小，与固有周期相差很大时，振幅可减小，故D正确；把手的转速越大，周期越小，与固有周期相差越大，振幅越小，故E错误.‎ ‎12.(多选)有甲、乙、丙三个质量相同的单摆，它们的固有频率分别为f、‎4f、‎6f，都在频率为‎4f的同一驱动力作用下做受迫振动，比较这三个单摆(　　)‎ A.乙的振幅最大，丙的其次，甲的最小 B.乙的振幅最大，甲的其次，丙的最小 C.它们的振动频率都是‎4f D.乙的振动频率是‎4f，甲和丙的振动频率分别是固有频率和驱动力频率的合成 答案　AC 解析　受迫振动的频率等于驱动力的频率，当系统的固有频率等于驱动力的频率时，系统达到共振，振幅最大，所以A、C正确，B、D错误.‎ 二、非选择题 ‎13.(共振)如图5甲所示，竖直悬挂的弹簧振子下端装有记录笔，在竖直面内放置记录纸.当振子上下自由振动时，振动频率为10Hz.现匀速转动把手，给弹簧振子一周期性的驱动力，并以水平向左的速度v＝‎5m/s匀速拉动记录纸，记录笔在纸上留下记录的痕迹，建立坐标系，测得的数据如图乙所示，则弹簧振子振动的振幅为________，频率为________，若将匀速转动把手的周期改为0.1s，弹簧振子的振幅将________(填“变大”“变小”或“不变”).‎ 12‎ 图5‎ 答案　‎5cm　5Hz　变大 解析　设弹簧振子的周期为T，振幅为A，由于振幅是振子离开平衡位置的最大距离，等于振子在最高点与最低点间距离的一半，所以由题图得：A＝‎5cm，由于振动的周期就是记录纸从O至x＝‎1m运动的时间，所以周期为＝s＝0.2s，则频率为f＝＝Hz＝5Hz，若将匀速转动把手的周期改为0.1s，则频率为f′＝＝Hz＝10Hz，此时驱动力的频率与弹簧振子的固有频率是相等的，所以振幅最大，则弹簧振子的振幅将变大.‎ ‎14.(共振)如图6甲所示，一个竖直圆盘转动时，固定在圆盘上的小圆柱带动一个T形支架在竖直方向振动，T形支架的下面系着一个弹簧和小球组成的振动系统，小球浸没在水中.当圆盘静止时，让小球在水中振动，球将做阻尼振动.现使圆盘以不同的频率振动，测得共振曲线如图乙所示.(g＝‎9.86m/s2，π＝3.14)‎ 图6‎ ‎(1)当圆盘以0.4s的周期匀速转动，经过一段时间后，小球振动达到稳定，它振动的频率是多少？‎ ‎(2)若一个单摆的摆动周期与球做阻尼振动的周期相同，该单摆的摆长约为多少？(结果保留三位有效数字)‎ 答案　(1)2.5Hz　(2)‎‎2.78m 解析　(1)小球振动达到稳定时周期为0.4s，频率为2.5Hz.‎ ‎(2)由题图乙可以看出单摆的固有频率为0.3Hz，周期为s，由单摆的周期公式T＝2π，解得l＝＝2×m≈‎2.78m.‎ 12‎