《外力作用下的振动》教学设计

　　【教学目标】

 

　　一、知识与技能

 

　　1．知道什么叫固有频率，理解固有的含义。

 

　　2．知道什么叫阻尼振动，能从能量的角度分析阻尼振动产生的原因。

 

　　3．知道什么叫驱动力，理解它是按效果命名的力。

 

　　4．知道什么叫受迫振动。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。

 

　　5．知道什么叫共振，理解共振发生的条件，知道常见共振的应用和危害。

 

　　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．通过让学生列举或解释自然现象和生活中实例的方法，培养学生用物理原理和研究方法解决实际问题的意识。

 

　　三、情感态度与价值观

 

　　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，体验探究的艰辛与乐趣。

 

　　【教学重点】

 

　　1．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。

 

　　2．共振发生的条件。

 

　　【教学难点】

 

　　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的理解。

 

　　【教学方法】

 

　　演示实验，多媒体视频，启发，讨论，交流。

 

　　【课时安排】

 

　　1课时

 

　　（固有频率的概念在研究弹簧振子或单摆时已经给出，所以本节课直接从阻尼振动开始）

 

　　【教学过程】

 

　　一、复习并引入新课

 

　　师：前面我们学习简谐运动时引入了两个理想化模型是什么？

 

　　生：弹簧振子和单摆。

 

　　师：说它理想很重要的一点就是我们忽略掉振动中的摩擦阻力或空气阻力等，即忽略掉振动系统的能量损失，那么弹簧振子或单摆做什么样的振动？

 

　　生：振幅不变的运动（学生可能回答出别的答案，可提醒他从能量的角度考虑此问题。）

 

　　师：实际的弹簧振子或单摆的振动肯定有能量损失，它会做什么样的振动呢？

 

　　演示实验：水平弹簧振子做振幅逐渐减小的振动。

 

　　师：这种由于能量的损失导致的振幅逐渐减小的振动叫阻尼振动。

 

　　二、新课教学

 

 

　　师：你认为振幅减小的快慢与什么相关？

 

　　生：讨论后得出与阻力大小有关。

 

　　演示：单摆的摆动，第一次在空气中；第二次在水中（用玻璃水槽盛水，便于观察）。提醒学生观察振幅减小的快慢有什么不同。

 

　　师：如果进一步增大阻力，会不会造成振动不能发生呢？

 

　　生：可能不发生振动。

 

　　演示：单摆摆动，小球在粘稠的泥浆中（用玻璃槽盛泥浆，只观察露在泥浆外的摆线即可。）

 

 

　　师：钟摆在摆动时受不受阻力作用呢？它的振幅是否减小呢？

 

　　（有相当多的学生没见过带摆的表，如果学习单摆一节时让学生看过实物或视频了，此时直接提出问题即可，否则要演示实物或视频。）

 

　　生：普遍认为受阻力，但振幅又保持不变。

 

　　师：是什么原因导致它的振幅不减小呢？

 

　　生：讨论后或经老师提醒后得出摆不断得到能量补充。（老师可以当场给钟上弦，给出增加弹性势能的视觉感受。）

 

　　师：象钟摆这样虽有能量损耗，但能量又不断得到补充，使振动能够持续下去的振动叫受迫振动。

 

 

　　师：除钟摆外，请你再列举出几个受迫振动的实例。

 

　　生：师、生之间；生、生之间热烈地讨论交流（老师走到学生中与学生交流，对具体现象老师提出自己的看法，先不下定论。）几分钟后学生发言列举出一些实例。教师与其他学生共同甄别是不是受迫振动。（看书的学生可以列举出教材上的实例）

 

　　教师挑出或告知几个典型的受迫振动：电磁打点计时器振片的振动；挑物的小扁担的振动（当场表演或看视频）；跳水比赛中跳板的振动（看视频）；被幼儿园老师有节奏推动下的秋千的摆动（看视频）；大型喷气式客机飞过时窗户的振动。

 

　　师：振动系统本身有固有频率，驱动力也是周期性的当然也有频率，那么系统做受迫振动时是以自己的固有频率振动呢？还是以驱动力的频率振动？或者都不是呢？

 

　　师：凭直觉猜一猜答案是什么？

 

　　生：绝大多数能猜出不是以固有频率振动，否则老师不会出这个问题，而两种频率都不是又过于复杂，只能是以驱动力频率振动。老师幽默地说：“肯定以驱动力频率振动，因为系统做受迫振动，既然是被迫的，自己当然说了不算，就得听受迫源的”

 

　　师：从刚才列举的几个典型的例子中你能不能找到答案？

 

　　师、生之间；生、生之间讨论交流刚才的几个实例，几分钟后学生发言阐述答案与理由，老师与其他同学给予点评。

 

　　最后选出三个最典型的实例：一是电磁打点计时器，当电源频率是50Hz时，振片就以50Hz的频率振动；当电源频率是60Hz时，振片肯定以60Hz的频率振动。二是挑物的小扁担的振动频率与人上下振动的频率相同。三是被幼儿园老师有节奏推动下的秋千的摆动频率等于老师推力的频率。

 

　　师：从直觉上，从看到的现象上来看，系统做受迫振动时是以驱动力频率振动，下面我们专门做实验验证一下我们得出的结论。

 

　　演示实验：图11．5-2，先不通入电流使振子自由振动，感性认识固有频率大小；再按教材要求做实验。

 

 

　　师：是不是系统的固有频率对系统的振动一点影响也没有呢？这一次我们从感性入手，通过实验看一看能否找到规律。

 

　　演示实验：图11．5-3（建议再增加一个E摆，摆长比D摆还大），先让学生明白A摆提供驱动力，驱动力频率等于由A摆摆长决定的频率；其余各摆都做受迫振动，振动频率都等于驱动力频率，即都等于A摆的频率；同时其余各摆都具有由自己摆长决定的固有频率，其中B摆的固有频率等于驱动力频率，C摆的固有频率大于驱动力频率，D、E两摆的固有频率都小于驱动力频率。但D摆的固有频率更接近于驱动力频率。

 

　　让学生观察实验（可以多做几次实验），说出看到的现象，总结出规律或结论，老师组织同学们互相评价。

 

　　师总结出实验结论：做受迫振动的系统，当固有频率等于驱动力频率时，振幅最大；当固有频率不等于驱动力频率时，二者越接近，振幅越大。

 

　　师：刚才的实验中由于B摆的固有频率等于驱动力频率，导致B摆振幅最大的现象在物理学上叫共振。

 

 

　　师：就象受迫振动一样，共振现象也广泛存在于生产、生活当中。

 

 

　　阅读：科学漫步

 

　　演示：共振筛实验

 

　　【课堂小结】

 

　　1．阻尼振动

 

　　2．受迫振动的概念和规律

 

　　3．共振的概念、特点

 

　　【作业】

 

　　课本P21：1、2、3、4；通过图书、杂志、互联网等查找共振应用与防止的其他实例，以后找机会交流。