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高二物理 教学案例——外力作用下的振动

2011-01-14 09:01:18
 
普通高中课程标准实验教科书—物理选修34[人教版]
 
 
《外力作用下的振动》创新教学设计
 
 
贾玉兵
 (山东省高青一中  256300)
新课标要求
(一)知识与技能
1、知道什么是阻尼振动;知道在什么情况下可以把实际发生的振动看作简谐运动。
2、知道什么叫驱动力,什么叫受迫振动,能举出受迫振动的实例。
3、知道受迫振动的频率等于驱动力的频率,跟物体的固有频率无关。
4、知道什么是共振以及发生共振的条件。
(二)过程与方法
1、通过演示实验,了解阻尼振动的特点,明确受迫振动的频率决定于驱动力的频率。
2、通过分析实际例子,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、振动有多种不同类型说明各种运动形式都是普遍性下的特殊性的具体体现。
2、通过共振产生条件的教学,认识内因和外因的关系。
★教学重点
受迫振动的概念以及共振及产生共振的条件。
★教学难点
共振及产生共振的条件。
★教学方法
观察、对比、讨论、阅读、实验演示、多媒体展示。
教学用具:
单摆、受迫振动演示仪、共振演示仪、两个相同的带有共鸣箱的音叉、橡皮槌、CAI课件
教学过程
(一)引入新课
教师:通过前面的学习,我们知道做简谐运动的物体都要受到回复力的作用。回复力是振动系统内部的相互作用,是内力。如果振动系统不受外力的作用,此时的振动叫固有振动,其振动频率叫做固有频率。而实际的振动系统不可避免地要受到摩擦阻力和其他因素的影响,系统的机械能要不断损耗。请同学做猜测一下,在这种情况下,它将怎样运动呢?
学生:作出各种各样的猜测,如振幅变小,周期变大,频率减小等。
教师不要急于肯定或否定学生的猜测,让学生带着好奇心和求知欲去观察演示实验
过渡:本节课我们来学习这方面的知识。
(二)进行新课
1.阻尼振动
教师:下面我们来观察两个实际振动:
演示:①实际的单摆发生的振动;②敲击音叉后音叉的振动。
教师提醒学生注意观察并记录现象。
现象:(由学生描述)单摆和音叉的振幅越来越小,最后停下来。
教师:如何解释上面的现象呢?
学生解释:在单摆和音叉的振动过程中,不可避免地要克服摩擦及其他阻力做功,系统的机械能就要损耗,振动的振幅就会逐渐减小,机械能耗尽之时,振动就会停下来了。
教师:总结、点评学生的发言。得出阻尼振动的概念。
①阻尼振动:振幅逐渐减小的振动,叫做阻尼振动。
教师进一步阐释)所谓“阻尼”是指消耗系统能量的因素,它主要分两类:一类是摩擦阻尼,例如单摆运动时的空气阻力等;另一类是辐射阻尼,例如音叉发声时,一部分机械能随声波辐射到周围空间,导致音叉振幅减小。
阻尼越小,振幅减小得越慢。阻尼过大时,系统将不能发生振动。
当阻尼很小时,在一段不太长的时间内,看不出振幅有明显的减小,就可以把它作为理想振动来处理。如前面我们演示的简谐运动。
教师:(刨根问底)在上面两个演示实验中,大家有没有观察到单摆振动的频率明显减小?音叉发出的声音有没有明显的变调?
学生:(异口同声)没有。
教师:振幅越来越小,直到停止振动,频率都没有发生明显变化,这是为什么呢?
学生:(哑口无言引发思考
(沉默片刻)
教师:(启发引导)前面我们学习单摆时,单摆振动的周期(频率)与振幅有没有关系?
学生:没有。
教师:(追问)为什么?单摆振动的周期决定于什么?
学生:决定于摆长、当地的重力加速度g
教师:摆长、当地的重力加速度g属于什么因素?
学生:(开始顿悟)属于振动系统自身的结构特点。
教师:同学们真聪明。
教师的一言一行会给学生带来很大的影响。要给于及时地启发、肯定
教师:像弹簧振子(有固定的mk),单摆(有固定的lg),等等,它们的振动频率是由它们自身的结构特点所决定,而与振幅无关,这正是我们说的“固有振动”。阻尼的存在,只会改变振动的振幅,但不能改变固有频率。如,敲锣时,锣声很快弱下去了,可是不会变调,也是这个道理。
②阻尼振动的图象:
(要求学生定性画出上述单摆和音叉的x-t图象(如图),,并给予讲评) 
 
2.受迫振动
教师演示,提醒学生注意观察并记录现象,思考并回答问题)
演示:用如图所示的实验装置,向下拉一下振子,观察它的振动情况。
现象:振子做的是阻尼振动,振动一段时间后停止振动。
演示:请一位同学匀速转动把手,观察振动物体的振动情况。
现象:现在振子能够持续地振动下去。
教师引导学生分析振子能持续振动的原因。
学生:把手给了振动系统一个周期性的外力作用,外力对系统做功,补偿系统的能量损耗。
教师:总结、点评学生的发言。讲述:
1)驱动力:使系统持续地振动下去的外力,叫驱动力。
2)受迫振动:物体在外界驱动力作用下所做的振动叫受迫振动。
要想使物体能持续地振动下去,必须给振动系统施加一个周期性的驱动力作用。
教师引导学生列举生活中常见的受迫振动实例。
学生:发动机正在运转时汽车本身的振动;发声的扬声器使纸盒振动;电磁打点计时器的振针;跳水比赛时,人在跳板上走过时,跳板的振动;
3)受迫振动的特点
演示:用前面的装置实验。用不同的转速匀速地转动把手,观察振子的振动快慢情况。
现象:(由学生描述)把手转速小时,振动较慢;把手转速大时,振动较快。
教师:我们能得到什么规律?
学生:受迫振动的快慢随驱动力的周期而变化。
师生总结:①物体做受迫振动时,振动稳定后的频率等于驱动力的频率;②受迫振动的频率跟物体的固有频率没有关系。
3.共振
1)共振摆实验
教师:受迫振动的频率等于驱动力的频率,与物体的固有频率无关,但如果驱动力的频率接近或等于物体的固有频率时又会发生什么现象呢?
演示(共振演示仪)在一根张紧的绳上挂了几个摆,其中ABC的摆长相等。先让A摆摆动,观察在摆动稳定后的现象。
现象:(学生描述A摆动起来后,BCDE也随之摆动,但是它们摆动的振幅不同,ABC摆动的振幅差不多,而D摆动的振幅最小。
教师:请同学们分析一下其中的道理。
分析ABC摆长相同,据得到,ABC三摆的固有频率相同。D摆的摆长与A摆相差最多,两者的固有频率相差最大。A摆振动后通过张紧的绳子给其它各摆施加驱动力,使BCDE各摆做受迫振动,它们振动的频率都等于A摆的固有频率。
结论:驱动力的频率f等于振动物体的固有频率f ′ 时,振幅最大;驱动力的频率f跟固有频率f ′ 相差越大,振幅越小。
教师:总结、点评学生的发言。讲述:
2)共振
驱动力频率接近物体的固有频率时,受迫振动的振幅最大,这种现象叫做共振。
多媒体演示:
 
3)发生共振的条件:驱动力频率与物体的固有频率相等或接近。
4)共振曲线
教师:受迫振动的振幅A与驱动力的频率f间的关系可用图象来表示,这个图象叫共振曲线,如图:
纵轴:表示受迫振动的振幅。
横轴:表示驱动力的频率。
特点:当驱动力频率等于物体固有频率时,物体振动的振幅最大;驱动力频率与固有频率相差越大,物体的振幅越小。
(三)实例探究师生互动,共同完成
①火车在铁轨上匀速行驶,每根铁轨长12.5cm,某旅客在小桌上放了一杯水,杯中水晃动的固有频率是2Hz,当火车行驶速度是多少km/h时,杯中水的晃动最厉害? 90km/h
②家用洗衣机的甩干机关闭后转速逐渐减小为零的过程中,会发现有一小段时间洗衣机抖动得最厉害。这一现象应如何解释?
(洗衣机的固有频率f小于甩干机的正常转速n,关机后,驱动力频率即甩干机转速由n减为0的过程中总有某一时刻等于f,于是发生共振,使洗衣机抖动最厉害)
③一只酒杯,用手指弹一下发出清脆的声音,测得其振动的固有频率为300Hz,将它放在两只大功率的音箱中间,调整音箱发音的频率,能使酒杯碎掉,这是______现象,这时音箱所发出声音的频率为______Hz.(共振;300
(三)课堂总结、点评
教师:让学生概括总结本节的内容。请一个同学到黑板上总结,其他同学在笔记本上总结,然后请同学评价黑板上的小结内容。
学生:认真总结概括本节内容,并把自己这节课的体会写下来、比较黑板上的小结和自己的小结,看谁的更好,好在什么地方。
(教师要放开,让学生自己总结所学内容,允许内容的顺序不同,从而构建他们自己的知识框架。)
课余作业
完成P22 “问题与练习”的题目。课下阅读P20“科学漫步”中的材料。
教学体会
思维方法是解决问题的灵魂,是物理教学的根本;亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键,离开了思维方法和实践活动,物理教学就成了无源之水、无本之木。学生素质的培养就成了镜中花,水中月。
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