天津教師招聘：《外力作用下的振動》教案

http://tianjin.hteacher.net 2023-08-08 15:25 天津教師招聘 [您的教師考試網(wǎng)]

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(zhuǎn)化情況;知道受迫振動，知道受迫振動的頻率等于驅(qū)動力的頻率;知道共振以及發(fā)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(xiàn)象的實驗探究和實例分析，培養(yǎng)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(lián)系實際的能力。

【情感態(tài)度與價值觀】

通過受迫振動和共振的教學，認識內(nèi)因和外因的辯證關(guān)系;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(qū)動力頻率與受迫振動頻率的關(guān)系，以及共振產(chǎn)生的條件。

【難點】對共振產(chǎn)生條件的理解及其應用和防止。

三、教學過程

環(huán)節(jié)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(fā)生的原因。引起學生探究現(xiàn)象背后秘密的欲望和興趣。本節(jié)課我們就來學習這方面的問題。

環(huán)節(jié)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，其振動圖像是什么曲線?系統(tǒng)摩擦阻力和空氣阻力都忽略不計。進而引出系統(tǒng)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(tǒng)一定的能量使它開始振動后，由于機械能守恒，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(fā)生的振動;

(2)敲擊音叉后音叉的振動。

請學生說出觀察到的現(xiàn)象：單擺和音叉的振幅越來越小，最后停下來。并交流分析原因：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(tǒng)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(chǔ)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，由于阻力的存在，振動系統(tǒng)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，最后停止振動。這種振動稱為阻尼振動。并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(tǒng)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(xù)穩(wěn)定的振動呢?并以生活實例蕩秋千為例，啟發(fā)學生思考。順勢引入驅(qū)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(xù)下去，必須對系統(tǒng)施加周期性的外力，這種力叫驅(qū)動力，并指出驅(qū)動力也是以力的作用效果命名的力。系統(tǒng)在驅(qū)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么因素有關(guān)呢?

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

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

①受迫振動的頻率跟物體的固有頻率沒有關(guān)系;

②物體做受迫振動時，振動穩(wěn)定后的頻率等于驅(qū)動力的頻率。

列舉生活中常見的受迫振動的例子。發(fā)動機正在運轉(zhuǎn)時汽車本身的振動;正在發(fā)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

受迫振動的頻率等于驅(qū)動力的頻率，與物體的固有頻率無關(guān)，但是如果驅(qū)動力的頻率接近或等于物體的固有頻率時又會發(fā)生什么現(xiàn)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(wěn)定后的現(xiàn)象。學生回答實驗現(xiàn)象：A擺動起來后，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后，請學生針對實驗現(xiàn)象，組織學生討論產(chǎn)生這樣現(xiàn)象的原因，通過前面學習單擺的相關(guān)知識，B擺的擺長與A擺相等，兩者的固有頻率也一樣。A擺振動后通過張緊的繩子給其它各擺施加驅(qū)動力，使B、C、D各擺做受迫振動，因此它們振動的頻率都等于A擺的固有頻率。最終得出結(jié)論：驅(qū)動力的頻率等于振動物體的固有頻率時，振幅最大;驅(qū)動力的頻率跟固有頻率相差越大，振幅越小。

在次基礎(chǔ)上，出示共振曲線圖，結(jié)合共振圖像直觀的分析出受迫振動的振幅A與驅(qū)動力的頻率f及固有頻率f0之間的關(guān)系，從而講解共振的概念和特點。驅(qū)動力頻率f等于系統(tǒng)共振的固有頻率f0時，受迫振動的振幅最大，這種現(xiàn)象就叫做共振。

環(huán)節(jié)三：鞏固提升

結(jié)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，并解釋其原因，加深學生的理解。例如：

1.利用共振時，應使驅(qū)動力的頻率接近或等于物體的固有頻率。

實例：共振篩、音箱、小提琴與二胡等樂器設(shè)置共鳴箱、建筑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(qū)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(zhuǎn)時為了防止共振要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

環(huán)節(jié)四：小結(jié)作業(yè)

小結(jié)：總結(jié)本節(jié)課有什么收獲，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(qū)動力作用下的振動。

物體做受迫振動時，振動穩(wěn)定后的頻率等于驅(qū)動力的頻率，跟物體的固有頻率無關(guān)。