《外力作用下的振動(dòng)》課教學(xué)設(shè)計(jì)上課講義
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1、 《外力作用下的振 動(dòng)》課教學(xué)設(shè)計(jì) 選 修 3-4 第十一章:機(jī)械振動(dòng) 第五節(jié):《外力作用下的振動(dòng)》 教學(xué)設(shè)計(jì) 洛陽理工附中 喬文輝 選修 3-4 第十一章:機(jī)械振動(dòng) 11-5 外力作用下的振動(dòng)
2、 一、教材分析 “外力作用下的振動(dòng) ”是人教版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理》 選修 3-4 第十一章機(jī)械振動(dòng)第 5 節(jié)內(nèi)容。在本章之前的內(nèi)容,已經(jīng)學(xué)習(xí)了理想 狀態(tài)下的簡諧振動(dòng)的兩個(gè)典型例子 —— 彈簧振子和單擺模型。本節(jié)學(xué)習(xí)實(shí)際情 況下存在的振動(dòng),本節(jié)以 “外力作用下的振動(dòng) ”為標(biāo)題,介紹了 “阻尼振動(dòng) ”“受迫 振動(dòng) ”“共振 ”的概念。這樣做不僅可以使學(xué)生認(rèn)識(shí)到阻尼振動(dòng)、受迫振動(dòng)和共振 都屬于外力作用下的振動(dòng),而且有利于學(xué)生對(duì)振動(dòng)分類的理解。教材先從能量 的角度分析阻尼振動(dòng),進(jìn)而通過實(shí)驗(yàn)探究了受迫
3、振動(dòng)的頻率與驅(qū)動(dòng)力頻率的關(guān) 系,最后利用實(shí)驗(yàn)探究了受迫振動(dòng)的振幅與驅(qū)動(dòng)力頻率的關(guān)系,從而認(rèn)識(shí)了共 振現(xiàn)象。 二、學(xué)情分析 高二年級(jí)的學(xué)生具有一定的邏輯推理、歸納總結(jié)等能力。學(xué)生在學(xué)習(xí)此節(jié) 內(nèi)容之前已經(jīng)知道能夠用振幅、周期和頻率描述振動(dòng)系統(tǒng)的特征,并已經(jīng)學(xué)習(xí) 了固有振動(dòng)與固有頻率,也用振幅來描述振動(dòng)系統(tǒng)的能量,所以對(duì)于阻尼振動(dòng) 的理解非常容易。學(xué)生們對(duì)于受迫振動(dòng)以及驅(qū)動(dòng)力還比較陌生,對(duì)于受迫振動(dòng) 的頻率等于驅(qū)動(dòng)力的頻率更是由于固有頻率的存在而會(huì)讓學(xué)生有點(diǎn)概念混亂。 對(duì)于共振雖然會(huì)有簡單的了解,但是共
4、振的條件卻是缺乏直觀的感受。 三、教學(xué)目標(biāo) (一)知識(shí)與技能 1.知道阻尼振動(dòng),能從能量的角度分析阻尼振動(dòng)產(chǎn)生的原因。 2.知道受迫振動(dòng)。理解系統(tǒng)做受迫振動(dòng)的頻率等于驅(qū)動(dòng)力的頻率,與系統(tǒng)的 固有頻率無關(guān)。 3.知道共振,理解共振發(fā)生的條件,知道常見共振的應(yīng)用和危害,并知道如 何防止有害共振。 (二)過程與方法 1.通過演示實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練學(xué)生的觀察能力和由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提煉出規(guī)律的能力以及 表達(dá)能力。 2.通過實(shí)驗(yàn)探究,得到什么是受迫振動(dòng)和共振現(xiàn)象,培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)
5、 際的能力。 (三)情感、態(tài)度與價(jià)值觀 1.通過親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)探究,讓學(xué)生領(lǐng)略物理現(xiàn)象與規(guī)律的奇妙與和諧,發(fā) 展學(xué)生的好奇心與求知欲。 2.通過了解共振應(yīng)用和防止的實(shí)例,培養(yǎng)學(xué)生用辨證的哲學(xué)觀點(diǎn)判斷事物 兩面性的意識(shí)和習(xí)慣,以及科技在造福人類方面的重要性,并且通過課堂和課 下的學(xué)習(xí)了解如何通過改變固有頻率防止共振的危害,樹立自己解決問題的自 豪感。 四、教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn) 重點(diǎn):受迫振動(dòng)頻率決定因素; 共振產(chǎn)生條件; 難點(diǎn):共振產(chǎn)生條件,運(yùn)用共振知識(shí)解釋常見共振現(xiàn)象。
6、 五、課時(shí)安排 1 課時(shí) 六、教學(xué)過程 1.導(dǎo)入新課 演示實(shí)驗(yàn):用手撥動(dòng)頭部按摩器的長按摩爪,發(fā)現(xiàn)長按摩爪隨之振動(dòng)起 來,而短按摩爪幾乎不振動(dòng);撥動(dòng)短按摩爪,發(fā)現(xiàn)短按摩爪隨之振動(dòng)起來,而 長按摩爪振動(dòng)比較微弱。 因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)用到的頭部按摩器來源于生活,可以吸引學(xué)生的興趣,同時(shí) 也可以讓學(xué)生意識(shí)到生活中處處都是物理現(xiàn)象。通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)引入,學(xué)生們就 會(huì)很想知道為何出現(xiàn)這樣的情況,帶著疑問來學(xué)習(xí),更能激發(fā)課堂參與的興 趣。 2.阻尼振動(dòng) 播放一
7、個(gè)短視頻:一個(gè)小孩在蕩秋千,家長在旁邊推動(dòng)秋千。 秋千這種運(yùn)動(dòng)每個(gè)學(xué)生應(yīng)該都玩過,對(duì)視頻中的內(nèi)容都能感同身受,接著 提出兩個(gè)問題:家長如果不推動(dòng)秋千,秋千是否會(huì)一直擺動(dòng)下去?為什么? 學(xué)生由于非常熟悉,再加上之前所學(xué)的知識(shí),肯定會(huì)這樣回答:不能,因 為秋千擺動(dòng)過程中收到了空氣阻力、摩擦力等阻力作用,所以會(huì)慢慢的停下 來。 根據(jù)學(xué)生作答,補(bǔ)充阻尼的含義,然后順勢得到阻尼振動(dòng)的概念。 然后提出第二個(gè)問題:如果想讓秋千一直擺動(dòng)下去,可以采用什么方法? 學(xué)生們對(duì)這個(gè)問題也不陌生,也會(huì)順口說出:像視頻中的家長一樣
8、去推動(dòng) 秋千。 此時(shí),需要去引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)該是周期性地推動(dòng)秋千,然后得到驅(qū)動(dòng)力的概 念,接著得出受迫振動(dòng)的概念。 3.受迫振動(dòng) 讓學(xué)生以小組為單位討論,舉出生活中受迫振動(dòng)的應(yīng)用實(shí)例,讓學(xué)生對(duì)受 迫振動(dòng)能有更加直觀的感受。 讓學(xué)生每一組舉出一個(gè)例子,然后自己再給學(xué)生舉一個(gè)高中階段他們非常熟悉的儀器:電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,通過解釋打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的工作原理:通入交流電之后,線圈產(chǎn)生周期性變化的磁場,然后使振片被周期性地磁化,從而收到磁鐵對(duì)它的周期性的上下方向的驅(qū)動(dòng)力,從而進(jìn)行受迫振動(dòng),實(shí)現(xiàn)打點(diǎn)計(jì)時(shí)。而且引導(dǎo)學(xué)生看出這
9、個(gè)過程中驅(qū)動(dòng)力的頻率就是交流電的頻率,受迫振動(dòng)的頻率就是打點(diǎn)的頻率。然后提出這樣一種想法:我們以前使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器都是在 50Hz 的交流電下工作的,如果交流電的頻率改變了,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的打點(diǎn)情況會(huì)不會(huì)也發(fā)生改變呢? 學(xué)生們肯定對(duì)這個(gè)想法會(huì)很感興趣,此時(shí)介紹低頻信號(hào)發(fā)生器這種儀器,讓學(xué)生明白它可以產(chǎn)生不同頻率的交流電,然后演示實(shí)驗(yàn):將低頻信號(hào)發(fā)生器與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器相連接,改變低頻信號(hào)發(fā)生器的頻率,觀察打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)的情況,同時(shí)注意引導(dǎo)學(xué)生觀察打點(diǎn)的頻率和振幅。 通過演示實(shí)驗(yàn),學(xué)生可以比較清楚地得到結(jié)論:交流電頻率增大,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)頻率也增大,而振幅卻是先增大后減小。 此時(shí),加以誘導(dǎo)
10、:打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接入 50Hz 交流電時(shí),打點(diǎn)的周期為 0.02s,打點(diǎn)的頻率是 50Hz,此時(shí)驅(qū)動(dòng)力的頻率等于受迫振動(dòng)的頻率,再通過剛才的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,學(xué)生就基本接受這樣的一個(gè)結(jié)論:受迫振動(dòng)的頻率就等于驅(qū)動(dòng)力的頻率。但是,學(xué)生對(duì)于振幅的變化情況卻感覺無法解釋,此時(shí)疑問重重。 接下來,為了排除打點(diǎn)計(jì)時(shí)器實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的偶然性,再演示“共振演示器”的實(shí)驗(yàn):電動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)偏心輪旋轉(zhuǎn),偏心輪旋轉(zhuǎn)起來后由于重心位置周期性地變化,從而會(huì)給下方彈簧一個(gè)周期性的驅(qū)動(dòng)力,從而使彈簧做受迫振動(dòng)。改變電動(dòng)馬達(dá)的頻率,讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。 從這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生可以比較明顯的看出:偏心輪沒轉(zhuǎn)動(dòng)一周,彈簧就振動(dòng)一個(gè)周期。這樣
11、就更加證實(shí)了剛才的結(jié)論:受迫振動(dòng)的頻率總是等于周期性驅(qū)動(dòng)力的頻率。同時(shí)還會(huì)發(fā)現(xiàn),隨驅(qū)動(dòng)力頻率的增大,彈簧的振幅還是先增大后減小。由此,就得到了一個(gè)普遍的現(xiàn)象:隨驅(qū)動(dòng)力頻率的升高,受迫振動(dòng)的 振幅先增大后減小,有一個(gè)最大值。這樣又引出這樣的問題:什么時(shí)候受迫振 動(dòng)的振幅最大? 4.共振 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究:在一根張緊的繩子 ab 上掛了幾個(gè)擺,其中 A、 B、 C 的擺長相等。 演示:先讓 A 擺擺動(dòng),觀察在擺動(dòng)穩(wěn)定后的現(xiàn)象。提問學(xué)生看到的現(xiàn)象。 學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn) A 擺動(dòng)起來后, B、C、D、E、F、 G 也隨之?dāng)[動(dòng)。 這時(shí)提出問題:( 1)B、
12、C、 D、E、F、G 做的是什么振動(dòng)?如果是受迫振動(dòng),驅(qū)動(dòng)力從何而來?驅(qū)動(dòng)力的頻率又是如何?( 2)哪個(gè)小球振幅最大?哪個(gè)最?。克鼈兊墓逃蓄l率呢?( 3)根據(jù)分析,能得到什么結(jié)論? 讓學(xué)生思考討論,然后提問學(xué)生。 由于此處是個(gè)難點(diǎn),學(xué)生可能并不能分析出結(jié)論,此時(shí)自己要去引導(dǎo)學(xué) 生:驅(qū)動(dòng)力由先振動(dòng)的 A 球提供,驅(qū)動(dòng)力頻率就等于 A 擺的固有頻率, B、 G 振幅最大,它們的固有頻率跟 A 的相等,也就是等于驅(qū)動(dòng)力的頻率;然后 D、 E 振幅最小,它們的固有頻率與 A 的固有頻率相差最大,也就是它們的固有頻率與驅(qū)動(dòng)力的頻率相差最大。 這樣就很容易得出結(jié)論:當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率與
13、振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率相差越大 時(shí),振幅越小;而當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率與振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率相差越小時(shí),振幅越 ‘ 大,由此得出共振概念:驅(qū)動(dòng)力的頻率 f 等于系統(tǒng)的固有頻率 f 時(shí),受迫振動(dòng)的振幅最大,這種現(xiàn)象叫做共振。 并且可以得到振動(dòng)系統(tǒng)受迫振動(dòng)的振幅 A 隨驅(qū)動(dòng)力頻率 f 變 化的共振曲線。 找到結(jié)論后,讓學(xué)生去解釋剛才的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:頭部 按摩器的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象;打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,并且也可 以得到打點(diǎn)計(jì)時(shí)器振片的固有頻率;共振演示器的實(shí)驗(yàn) 現(xiàn)象。在解釋的過程中,會(huì)對(duì)共振現(xiàn)象有更加直觀的理 解。 接著讓學(xué)生列舉生活中共振
14、的例子,了解共振在生活中的應(yīng)用情況,同時(shí) 對(duì)共振會(huì)有更加形象的認(rèn)識(shí)。 此時(shí),舉例: 1831 年一隊(duì)騎兵在通過曼徹斯特附近的一座橋時(shí),由于馬蹄 節(jié)奏整齊,使橋梁共振而斷裂,人仰馬翻; 1940 年美國的一座 860m 的大橋因 為大風(fēng)的共振而坍塌。 讓學(xué)生意識(shí)到共振有時(shí)是有益的,有時(shí)卻是有害的。那么自然提出這樣的 疑問:如何避免有害的共振。 通過列舉的例子,學(xué)生會(huì)想到這樣的方法:騎兵過橋可以改變驅(qū)動(dòng)力的頻 率,而大風(fēng)頻率不能改變,只能改變固有頻率。 此時(shí)引出問題:怎么改變振動(dòng)物體的固有頻率呢? 5.固有頻率的改變 根據(jù)
15、之前講過的彈簧振子、單擺的固有頻率的表達(dá)式,認(rèn)識(shí)到固有頻率只跟自身有關(guān)系,那么我們就需要改變自身的一些性質(zhì),然后以打點(diǎn)計(jì)時(shí)器為例,怎么改變振片才能改變振片的固有頻率呢? (學(xué)生討論) 引導(dǎo)學(xué)生思考最簡單的方法:改變振片的質(zhì)量,看看能不能改變固有頻 率。 演示實(shí)驗(yàn):在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的振片的振針上夾一個(gè)導(dǎo)線夾,用低頻信號(hào)發(fā)生器使打點(diǎn)計(jì)時(shí)器共振,讀出低頻信號(hào)發(fā)生器的頻率即為打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的固有頻率,可以通過增減導(dǎo)線夾的數(shù)量來增減質(zhì)量,從而得到固有頻率的變化情況。 經(jīng)過實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的固有頻率確實(shí)會(huì)隨著振片質(zhì)量的改變而改變,由此也證實(shí)了之前所說的振動(dòng)物體的固有頻率與自身有關(guān)
16、的思想。 接下來,順勢布置課下探究的內(nèi)容。 6.課下探究 (1)除了改變質(zhì)量,還有哪些方法可以改變振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率,以及還 有哪些防止有害共振的方法,查閱資料,進(jìn)行探究。 (2)利用今天所學(xué)的知識(shí),課下做如下探究:如何施力能讓秋千擺得最 高? 7.知識(shí)運(yùn)用 通過兩道比較簡單的例題,讓學(xué)生鞏固本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容。 例題 1:如圖所示,在曲軸 A 上懸掛一個(gè)彈簧振子,如果不轉(zhuǎn)動(dòng)把手 B,而用手向下拉振子小球 m,放開手后,讓小球上下自由振動(dòng)測得彈簧振子做 30 次全振動(dòng)所用的時(shí)間是 15s;如果勻速轉(zhuǎn)動(dòng)把手,也可使彈簧振
17、子上下振動(dòng).若使把手以轉(zhuǎn)速 n=30r/min 勻速轉(zhuǎn)動(dòng).當(dāng)彈簧振子的振 動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定后,它的振動(dòng)周期是 ________s.若要想使彈簧 振子的振幅達(dá)到最大,則把手的轉(zhuǎn)速應(yīng)為 ________r/min. 例題 2:一懸掛于 天花板上的單擺的共振線如圖,由圖 A / cm 6 0 0.50 f / Hz 可知 (1)此單擺的擺長為 ________________。( g=10m/s2) (2)共振時(shí)單擺的振幅為 ________________。 七、板書設(shè)計(jì) 1.固有振動(dòng)與阻尼振動(dòng) (1)固
18、有振動(dòng):振動(dòng)系統(tǒng)不受外力作用的振動(dòng)叫固有振動(dòng) 固有頻率:固有振動(dòng)的振動(dòng)頻率叫固有頻率 (2)阻尼振動(dòng):振動(dòng)系統(tǒng)受到阻尼作用時(shí),要克服阻尼的作用做功,消耗 機(jī)械能,振幅逐漸減小的振動(dòng) 2.受迫振動(dòng) (1)驅(qū)動(dòng)力:為使系統(tǒng)的振動(dòng)維持下去所加的周期性的外力 (2)受迫振動(dòng):系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)力的作用下的振動(dòng) (3)驅(qū)動(dòng)力的頻率與受迫振動(dòng)頻率的關(guān)系:受迫振動(dòng)的頻率總等于驅(qū)動(dòng)力 的頻率 3.共振 (1)共振:驅(qū)動(dòng)力的頻率等于系統(tǒng)的固有頻率時(shí),受迫振動(dòng)的振幅最大, 這種現(xiàn)象叫做共振 (2)條件:驅(qū)動(dòng)力的頻率等于系統(tǒng)的固有頻率 (3)共振的利用與危害 (4)如何改變振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率 八、作業(yè)布置 教材 21 頁問題與練習(xí)第 1、3、4 題 九、反思
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