4阻尼振动 受迫振动

学案4阻尼振动受迫振动学习目的定位1.懂得阻尼振动和无阻尼振动并能从能量的观点予以阐明.2.懂得受迫振动的概念懂得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，懂得常用的共振的应用和危害1振幅是表达振动强弱的物理量对同一振动系统，振幅越大，表达振动系统的能量越大2简谐运动是一种抱负化的振动状态，没有考虑阻力做功，即没有能量损失弹簧振子和单摆在振动过程中动能和势能不断互相转化，机械能守恒(忽视阻力的作用)一、阻尼振动1系统在振动过程中受到阻力的作用，振动逐渐消逝，振动能量逐渐转变为其她能量，这种振动叫做阻尼振动2系统不受外力作用，也不受任何阻力，只在自身答复力作用下的振动，称为自由振动，又叫做无阻尼振动自由振动的频率，叫做系统的固有频率固有频率由系统自身的特性决定二、受迫振动如果用周期性的外力作用于振动系统，补偿系统的能量损耗，使系统持续等幅地振动下去，这种周期性外力叫做驱动力，系统在驱动力作用下的振动叫做受迫振动三、共振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，这种现象叫做共振一、阻尼振动问题设计在研究弹簧振子和单摆振动时，我们强调忽视阻力的影响，它们做的振动都属于简谐运动在实验室中让一种弹簧振子振动起来，通过一段时间它将停止振动，你懂得是什么因素导致的吗？答案阻力阻碍了振子的运动，使机械能转化为内能要点提炼对阻尼振动的理解图11系统受到摩擦力或其她阻力作用系统克服阻尼的作用要消耗机械能，因而振幅减小，最后停下来，阻尼振动的图像如图1所示2能量变化：由于振动系统受到摩擦阻力和其她阻力作用，系统的机械能随时间减少，同步振幅也在逐渐减小阻尼越小，能量减少越慢，振幅减小越慢；阻尼过大时，系统将不能发生振动3物体做阻尼振动时，振幅虽不断减小，但振动的频率仍由自身构造特点所决定，并不会随振幅的减小而变化例如：用力敲锣，由于锣受到空气的阻尼作用，振幅越来越小，锣声削弱，但音调不变二、受迫振动问题设计图2如图2所示，当弹簧振子自由振动时，振子就会慢慢地停下来，如何才干使振子可以持续振动下去？答案有外力作用于弹簧振子要点提炼1受迫振动加在振动系统上的周期性外力，叫做驱动力系统在驱动力作用下的振动叫做受迫振动2受迫振动的周期和频率物体做受迫振动时，振动稳定后的频率等于驱动力的频率，跟系统的固有频率无关(填“有关”或“无关”)三、共振问题设计你懂得部队过桥时为什么要便步走吗？答案避免共振现象发生要点提炼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共振曲线图3如图3所示，共振曲线的横坐标为驱动力的频率，纵坐标为受迫振动的振幅由共振曲线可知，当驱动力的频率与系统的固有频率相等时，受迫振动的振幅最大3共振的运用与避免(1)运用：由共振的条件知，要运用共振，就应尽量使驱动力的频率与系统的固有频率一致如：共振筛、荡秋千、共振转速计等(2)避免：由共振曲线可知，在需要避免共振危害时，要尽量使驱动力的频率与系统的固有频率不相等，并且相差越大越好如：部队过桥应便步走，火车过桥要减速等4固有振动、受迫振动和共振的比较振动类型比较项目固有振动受迫振动共振受力状况仅受答复力周期性驱动力作用周期性驱动力作用振动周期或频率由系统自身性质决定，即固有周期或固有频率由驱动力的周期或频率决定，即TT驱或ff驱T驱T固或f驱f固振动能量振动物体的机械能不变(或守恒)由产生驱动力的物体提供振动物体获得的能量最大常用例子弹簧振子或单摆机器运转时底座发生的振动共振筛、声音的共鸣等一、对阻尼振动的理解例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，机械能不守恒解析该题考察阻尼振动的能量和周期因单摆做阻尼振动，因此振幅越来越小，机械能越来越小，振动周期不变答案BD二、对受迫振动的理解例2如图4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9 Hz，乙弹簧振子的固有频率为72 Hz，当支架在受到竖直方向且频率为9 Hz的驱动力作用做受迫振动时，则两个弹簧振子的振动状况是()图4A甲的振幅较大，且振动频率为18 HzB甲的振幅较大，且振动频率为9 HzC乙的振幅较大，且振动频率为9 HzD乙的振幅较大，且振动频率为72 Hz解析根据受迫振动发生共振的条件可知甲的振幅较大，由于甲的固有频率等于驱动力的频率，做受迫振动的物体的频率等于驱动力的频率，因此B选项对的答案B三、对共振的理解例3如图5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，则下列说法对的的是()图5A只有A、C摆振动周期相等BA摆的振幅比B摆的小CB摆的振幅比C摆的大DA、B、C三摆的振动周期相等解析当单摆A振动起来后，单摆B、C做受迫振动，做受迫振动的物体的周期(或频率)等于驱动力的周期(或频率)，选项A错误，D对的；当物体的固有频率等于驱动力的频率时，发生共振现象，选项B、C错误故对的答案为D.答案D例4一种单摆做受迫振动，其共振曲线(振幅A与驱动力的频率f的关系)如图6所示，则()图6A此单摆的固有周期约为0.5 sB此单摆的摆长约为1 mC若摆长增大，单摆的固有频率增大D若摆长增大，共振曲线的峰将向右移动解析由共振条件知单摆固有频率为f0.5 Hz，则其固有周期为T2 s，选项A错；由单摆周期公式T2 ，可求得单摆摆长为l1 m，选项B对；摆长增大，单摆的周期变大，其固有频率变小，共振曲线的峰将向左移动，选项C、D错答案B1(对阻尼振动的理解)做阻尼振动的振子哪些物理量在减小()A机械能 B振幅C周期 D频率答案AB2(对受迫振动的理解)如图7所示，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，让振子上下自由振动，测得振动频率为2 Hz，然后匀速转动摇把，转速为240 r/min，当振子振动稳定后，它的振动周期为()图7A. s B. sC2 s D4 s答案B解析受迫振动的周期等于驱动力的周期，故T s s.3(对共振的理解)如图8所示为两个单摆做受迫振动的共振曲线，则下列说法对的的是()图8A两个单摆的固有周期之比为TT25B若两个受迫振动在地球上同一地点进行，则两个摆长之比为ll425C图线若是在地面上完毕的，则该摆摆长约为1 mD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答案C解析由共振曲线及共振的条件可知，和的固有频率分别为0.2 Hz和0.5 Hz，周期之比TT52，A错误由单摆的周期公式T2可知，llTT254，B错误同步可知l1 m，C对的当摆长相等时，重力加速度越大，频率越大，月球表面重力加速度不不小于地球表面重力加速度，故D错误故对的答案为C.4(阻尼振动中的能量)如图9所示是一种水平弹簧振子做阻尼振动的振动图像，曲线上A、B两点连线与横轴平行，下列说法对的的是()图9A振子在A时刻的动能等于B时刻的动能B振子在A时刻的势能不小于B时刻的势能C振子在A时刻的机械能等于B时刻的机械能D振子在A时刻的机械能不小于B时刻的机械能解析由于弹簧振子做阻尼振动，因此A时刻的机械能不小于B时刻的机械能，C错，D对；由于弹簧的弹性势能仅与弹簧的形变量(即振子的位移)有关，A、B时刻弹簧的形变量相等，故势能相等，因此B错；通过上述分析可知振子在A时刻的动能不小于B时刻的动能，A错答案D题组一对阻尼振动的理解1自由摆动的秋千，摆动的振幅越来越小，下列说法对的的是()A机械能守恒B能量正在消失C总能量守恒，机械能减小D只有动能和势能的互相转化答案C解析自由摆动的秋千可以看作阻尼振动的模型，振动系统中的能量转化不仅是系统内部动能和势能的互相转化振动系统是一种开放系统，与外界时刻进行能量互换系统由于受到阻力，因而振动的能量不断减小，但总能量守恒故对的答案为C.2弹簧振子在振动过程中振幅逐渐减小，这是由于()A振子开始振动时振幅太小B在振动过程中要不断克服外界阻力做功，消耗能量C动能和势能互相转化D振子的机械能逐渐转化为内能答案BD解析由于阻力作用，振子的机械能减小，振幅减小故B、D对的3一单摆在空气中振动，振幅逐渐减小，下列说法对的的是()A振动的机械能逐渐转化为其她形式的能B后一时刻的动能一定不不小于前一时刻的动能C后一时刻的势能一定不不小于前一时刻的势能D后一时刻的机械能一定不不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转化为内能，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互相转化动能转化为势能时，动能逐渐减少，势能逐渐增长，而势能转化为动能时，势能逐渐减少，动能逐渐增长，因此不能断言后一时刻的动能(或势能)一定不不小于前一时刻的动能(或势能)，故B、C错题组二对受迫振动的理解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沿上下方向振动答案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A、C是阻尼振动，D是简谐运动53月11日，日本发生了里氏9.0级大地震，导致诸多房屋坍塌，场景惨不忍睹，就此事件，下列说法对的的是()A所有建筑物振动周期相似B所有建筑物振幅相似C建筑物的振动周期由其固有周期决定D所有建筑物均做受迫振动答案AD解析地面上的所有建筑物都在同一驱动力下做受迫振动，它们的振动周期都与驱动力的周期相似，与其固有周期无关，故A、D对的，C错误由于不同的建筑物固有周期不尽相似，因此做受迫振动时，它们的振幅不一定相似，B错误6下列说法对的的是()A某物体做自由振动时，其振动频率与振幅无关B某物体做受迫振动时，其振动频率与固有频率无关C某物体发生共振时的频率等于其自由振动的频率D某物体发生共振时的振动就是无阻尼振动答案ABC7A、B两个单摆，A摆的固有频率为f，B摆的固有频率为4f，若让它们在频率为5f的驱动力作用下做受迫振动，那么A、B两个单摆比较()AA摆的振幅较大，振动频率为fBB摆的振幅较大，振动频率为5fCA摆的振幅较大，振动频率为5fDB摆的振幅较大，振动频率为4f答案B解析A、B两摆均做受迫振动，其振动频率应等于驱动力的频率，即5f，因B摆的固有频率接近驱动力的频率，故B摆的振幅较大，B对的，A、C、D错误题组三对共振的理解8下列有关共振和避免共振的说法，对的的是()A共振现象总是有害的，因此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不不小于桥的固有频率，从而避免产生共振D运用共振时，应使驱动力的频率接近或等于振动物体的固有频率；避免共振危害时，应使驱动力的频率远离振动物体的固有频率答案CD9.如图1所示，五个摆悬挂于同一根绷紧的水平绳上，A是摆球质量较大的摆，让它摆动后带动其她摆振动，下列结论对的的是()图1A其她各摆的振动周期与A摆的周期相似B其她各摆的振幅都相等C其她各摆的振幅不同，E摆的振幅最大D其她各摆的振动周期不同，D摆周期最大答案AC解析受迫振动的周期都应等于驱动力的周期(A摆的周期)，A、E两摆为双线摆，其等效摆长相等，lAlE，A摆振动后迫使水平绳振动，水平绳再迫使其她摆振动，由于E摆的固有周期与驱动力(A摆)的周期相似，因此E摆的振幅最大，B、C、D三个摆的固有周期偏离驱动力(A摆)的周期各不相似，因此它们振动的振幅各不相似10在实验室可以做“声波碎杯”的实验用手指轻弹一只酒杯，可以听到清脆的声音，测得这个声音的频率为500 Hz.将这只酒杯放在两只大功率的声波发生器之间，操作人员通过调节其发出的声波，就能使酒杯碎掉，下列说法中对的的是()A操作人员一定是把声波发生器的功率调到很大B操作人员也许是使声波发生器发出了频率很高的超声波C操作人员一定是同步增大了声波发生器发出声波的频率和功率D操作人员一定是将声波发生器发出的声波频率调到500 Hz答案D解析通过调节声波发生器发出的声波就能使酒杯碎掉，是运用共振的原理因此操作人员一定是将声波发生器发出的声波频率调到500 Hz，故D选项对的11铺设铁轨时，每两根钢轨接缝处都必须留有一定的间隙，匀速运营的列车通过轨端接缝处时，车轮就会受到一次冲击由于每一根钢轨长度相等，因此这个冲击力是周期性的，列车受到周期性的冲击做受迫振动一般钢轨长L为12.6 m，列车固有振动周期T为0.315 s下列说法对的的是()A列车的危险速率为40 m/sB列车过桥需要减速，是为了避免列车与桥发生共振现象C列车运营的振动频率和列车的固有频率总是相等的D增长钢轨的长度有助于列车高速运营答案ABD解析对于受迫振动，当驱动力的频率与固有频率相等时将发生共振现象，因此列车的危险速率为v40 m/s，A对的为了避免共振现象发生，列车过桥时需要减速，B对的由v可知，L增大，T不变，v变大，因此D对的12.如图2所示是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2A驱动力的频率为f2时，振子处在共振状态B驱动力的频率为f3时，振子的振动频率为f3C如果让振子自由振动，它的频率为f2D振子做自由振动时，频率可觉得f1、f2和f3答案ABC解析由题图知，当驱动力频率为f2时，振子的振幅最大，可拟定振子的固有频率为f2，当振子自由振动时其频率为固有频率，故选项A、C对的，D错误；由受迫振动的特点可知选项B对的题组四综合应用13如图3所示是一种单摆的共振曲线图3(1)若单摆所处环境的重力加速度g取9.8 m/s2，试求此单摆的摆长(2)若将此单摆移到高山上，共振曲线的“峰”将如何移动？答案见解析解析(1)由题图可知，单摆的固有频率f0.3 Hz，由周期公式T2和f，得l m2.76 m.(2)由f 知，单摆移到高山上，重力加速度g减小，其固有频率减小，故共振曲线的“峰”向左移