《外力作用下的振动》课教学设计.doc

选 修 3-4第十一章：机械振动第五节：外力作用下的振动教学设计洛阳理工附中 乔文辉选修3-4 第十一章：机械振动11-5 外力作用下的振动一、教材分析“外力作用下的振动”是人教版普通高中物理课程标准实验教科书物理选修3-4第十一章机械振动第5节内容。在本章之前的内容，已经学习了理想状态下的简谐振动的两个典型例子弹簧振子和单摆模型。本节学习实际情况下存在的振动，本节以“外力作用下的振动”为标题，介绍了“阻尼振动”“受迫振动”“共振”的概念。这样做不仅可以使学生认识到阻尼振动、受迫振动和共振都属于外力作用下的振动，而且有利于学生对振动分类的理解。教材先从能量的角度分析阻尼振动，进而通过实验探究了受迫振动的频率与驱动力频率的关系，最后利用实验探究了受迫振动的振幅与驱动力频率的关系，从而认识了共振现象。二、学情分析高二年级的学生具有一定的逻辑推理、归纳总结等能力。学生在学习此节内容之前已经知道能够用振幅、周期和频率描述振动系统的特征，并已经学习了固有振动与固有频率，也用振幅来描述振动系统的能量，所以对于阻尼振动的理解非常容易。学生们对于受迫振动以及驱动力还比较陌生，对于受迫振动的频率等于驱动力的频率更是由于固有频率的存在而会让学生有点概念混乱。对于共振虽然会有简单的了解，但是共振的条件却是缺乏直观的感受。三、教学目标（一）知识与技能 1知道阻尼振动，能从能量的角度分析阻尼振动产生的原因。 2知道受迫振动。理解系统做受迫振动的频率等于驱动力的频率，与系统的固有频率无关。 3知道共振，理解共振发生的条件，知道常见共振的应用和危害，并知道如何防止有害共振。（二）过程与方法1通过演示实验训练学生的观察能力和由实验现象提炼出规律的能力以及表达能力。2通过实验探究，得到什么是受迫振动和共振现象，培养学生理论联系实际的能力。（三）情感、态度与价值观1通过亲自动手实验探究，让学生领略物理现象与规律的奇妙与和谐，发展学生的好奇心与求知欲。2通过了解共振应用和防止的实例，培养学生用辨证的哲学观点判断事物两面性的意识和习惯，以及科技在造福人类方面的重要性，并且通过课堂和课下的学习了解如何通过改变固有频率防止共振的危害，树立自己解决问题的自豪感。四、教学重点、难点重点：受迫振动频率决定因素； 共振产生条件；难点：共振产生条件，运用共振知识解释常见共振现象。五、课时安排1课时六、教学过程1导入新课演示实验：用手拨动头部按摩器的长按摩爪，发现长按摩爪随之振动起来，而短按摩爪几乎不振动；拨动短按摩爪，发现短按摩爪随之振动起来，而长按摩爪振动比较微弱。因为这个实验用到的头部按摩器来源于生活，可以吸引学生的兴趣，同时也可以让学生意识到生活中处处都是物理现象。通过这个实验引入，学生们就会很想知道为何出现这样的情况，带着疑问来学习，更能激发课堂参与的兴趣。2阻尼振动播放一个短视频：一个小孩在荡秋千，家长在旁边推动秋千。秋千这种运动每个学生应该都玩过，对视频中的内容都能感同身受，接着提出两个问题：家长如果不推动秋千，秋千是否会一直摆动下去？为什么？学生由于非常熟悉，再加上之前所学的知识，肯定会这样回答：不能，因为秋千摆动过程中收到了空气阻力、摩擦力等阻力作用，所以会慢慢的停下来。根据学生作答，补充阻尼的含义，然后顺势得到阻尼振动的概念。然后提出第二个问题：如果想让秋千一直摆动下去，可以采用什么方法？学生们对这个问题也不陌生，也会顺口说出：像视频中的家长一样去推动秋千。此时，需要去引导学生应该是周期性地推动秋千，然后得到驱动力的概念，接着得出受迫振动的概念。3受迫振动让学生以小组为单位讨论，举出生活中受迫振动的应用实例，让学生对受迫振动能有更加直观的感受。让学生每一组举出一个例子，然后自己再给学生举一个高中阶段他们非常熟悉的仪器：电磁打点计时器，通过解释打点计时器的工作原理：通入交流电之后，线圈产生周期性变化的磁场，然后使振片被周期性地磁化，从而收到磁铁对它的周期性的上下方向的驱动力，从而进行受迫振动，实现打点计时。而且引导学生看出这个过程中驱动力的频率就是交流电的频率，受迫振动的频率就是打点的频率。然后提出这样一种想法：我们以前使用打点计时器都是在50Hz的交流电下工作的，如果交流电的频率改变了，打点计时器的打点情况会不会也发生改变呢？学生们肯定对这个想法会很感兴趣，此时介绍低频信号发生器这种仪器，让学生明白它可以产生不同频率的交流电，然后演示实验：将低频信号发生器与打点计时器相连接，改变低频信号发生器的频率，观察打点计时器打点的情况，同时注意引导学生观察打点的频率和振幅。通过演示实验，学生可以比较清楚地得到结论：交流电频率增大，打点计时器打点频率也增大，而振幅却是先增大后减小。此时，加以诱导：打点计时器接入50Hz交流电时，打点的周期为0.02s，打点的频率是50Hz，此时驱动力的频率等于受迫振动的频率，再通过刚才的实验现象，学生就基本接受这样的一个结论：受迫振动的频率就等于驱动力的频率。但是，学生对于振幅的变化情况却感觉无法解释，此时疑问重重。接下来，为了排除打点计时器实验现象的偶然性，再演示“共振演示器”的实验：电动马达带动偏心轮旋转，偏心轮旋转起来后由于重心位置周期性地变化，从而会给下方弹簧一个周期性的驱动力，从而使弹簧做受迫振动。改变电动马达的频率，让学生观察实验现象。从这个实验中，学生可以比较明显的看出：偏心轮没转动一周，弹簧就振动一个周期。这样就更加证实了刚才的结论：受迫振动的频率总是等于周期性驱动力的频率。同时还会发现，随驱动力频率的增大，弹簧的振幅还是先增大后减小。由此，就得到了一个普遍的现象：随驱动力频率的升高，受迫振动的振幅先增大后减小，有一个最大值。这样又引出这样的问题：什么时候受迫振动的振幅最大？4共振进行实验探究：在一根张紧的绳子ab上挂了几个摆，其中A、B、C的摆长相等。演示：先让A摆摆动，观察在摆动稳定后的现象。提问学生看到的现象。学生会发现A摆动起来后，B、C、D、E、F、G也随之摆动。这时提出问题：（1）B、C、D、E、F、G做的是什么振动？如果是受迫振动，驱动力从何而来？驱动力的频率又是如何？（2）哪个小球振幅最大？哪个最小？它们的固有频率呢？（3）根据分析，能得到什么结论？让学生思考讨论，然后提问学生。由于此处是个难点，学生可能并不能分析出结论，此时自己要去引导学生：驱动力由先振动的A球提供，驱动力频率就等于A摆的固有频率，B、G振幅最大，它们的固有频率跟A的相等，也就是等于驱动力的频率；然后D、E振幅最小，它们的固有频率与A的固有频率相差最大，也就是它们的固有频率与驱动力的频率相差最大。这样就很容易得出结论：当驱动力的频率与振动系统的固有频率相差越大时，振幅越小；而当驱动力的频率与振动系统的固有频率相差越小时，振幅越大，由此得出共振概念：驱动力的频率f等于系统的固有频率时，受迫振动的振幅最大，这种现象叫做共振。并且可以得到振动系统受迫振动的振幅A随驱动力频率f变化的共振曲线。找到结论后，让学生去解释刚才的实验现象：头部按摩器的实验现象；打点计时器的实验现象，并且也可以得到打点计时器振片的固有频率；共振演示器的实验现象。在解释的过程中，会对共振现象有更加直观的理解。接着让学生列举生活中共振的例子，了解共振在生活中的应用情况，同时对共振会有更加形象的认识。此时，举例：1831年一队骑兵在通过曼彻斯特附近的一座桥时，由于马蹄节奏整齐，使桥梁共振而断裂，人仰马翻；1940年美国的一座860m的大桥因为大风的共振而坍塌。让学生意识到共振有时是有益的，有时却是有害的。那么自然提出这样的疑问：如何避免有害的共振。通过列举的例子，学生会想到这样的方法：骑兵过桥可以改变驱动力的频率，而大风频率不能改变，只能改变固有频率。此时引出问题：怎么改变振动物体的固有频率呢？5固有频率的改变根据之前讲过的弹簧振子、单摆的固有频率的表达式，认识到固有频率只跟自身有关系，那么我们就需要改变自身的一些性质，然后以打点计时器为例，怎么改变振片才能改变振片的固有频率呢？（学生讨论）引导学生思考最简单的方法：改变振片的质量，看看能不能改变固有频率。演示实验：在打点计时器的振片的振针上夹一个导线夹，用低频信号发生器使打点计时器共振，读出低频信号发生器的频率即为打点计时器的固有频率，可以通过增减导线夹的数量来增减质量，从而得到固有频率的变化情况。经过实验，发现打点计时器的固有频率确实会随着振片质量的改变而改变，由此也证实了之前所说的振动物体的固有频率与自身有关的思想。接下来，顺势布置课下探究的内容。6课下探究（1）除了改变质量，还有哪些方法可以改变振动系统的固有频率，以及还有哪些防止有害共振的方法，查阅资料，进行探究。（2）利用今天所学的知识，课下做如下探究：如何施力能让秋千摆得最高？7知识运用通过两道比较简单的例题，让学生巩固本节课的学习内容。例题1：如图所示，在曲轴A上悬挂一个弹簧振子，如果不转动把手B，而用手向下拉振子小球m，放开手后，让小球上下自由振动测得弹簧振子做30次全振动所用的时间是15s；如果匀速转动把手，也可使弹簧振子上下振动若使把手以转速n30r/min匀速转动当弹簧振子的振动达到稳定后，它的振动周期是_s若要想使弹簧振子的振幅达到最大，则把手的转速应为_r/min.例题2：一悬挂于天花板上的单摆的共振线如图，由图可知（1）此单摆的摆长为_。（g=10m/s2）（2）共振时单摆的振幅为_。七、板书设计1固有振动与阻尼振动（1）固有振动：振动系统不受外力作用的振动叫固有振动 固有频率：固有振动的振动频率叫固有频率（2）阻尼振动：振动系统受到阻尼作用时，要克服阻尼的作用做功，消耗机械能，振幅逐渐减小的振动2受迫振动（1）驱动力：为使系统的振动维持下去所加的周期性的外力（2）受迫振动：系统在驱动力的作用下的振动（3）驱动力的频率与受迫振动频率的关系：受迫振动的频率总等于驱动力的频率3共振（1）共振：驱动力的频率等于系统的固有频率时，受迫振动的振幅最大，这种现象叫做共振（2）条件：驱动力的频率等于系统的固有频率（3）共振的利用与危害（4）如何改变振动系统的固有频率八、作业布置教材21页问题与练习第1、3、4题九、反思