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- 2021-05-27 发布
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第4节生活中的振动
思维缴活
1.微波炉是怎样加热食物的?
提示:微波炉的微波频率与水分子振动的固有频率2 500 MHz非常接近,当微波照射到食物时,微波施加的“驱动力”使食物中的水分子做受迫振动,并且处于共振状态而剧烈振动,使食物的温度迅速升高.由于这种加热方式是从里到外同时发生的,所以比其他煮熟食物的方式更快捷.
2.在靠近大海的地方,可以遇到另一种有趣的现象.每当大海上的风浪来临之前,海鸟和鱼会显得不安起来,它们能预感风暴即将到来.这是为什么?
提示:动物的耳朵接收次声波时引起了共振,造成动物的不安.
自主整理
一、阻尼振动
振动系统不受外力作用时的振动叫做固有振动,其振动频率称固有频率.而实际振动中总是存在阻力的,我们说振动受到了__________.系统克服阻尼的作用做功,消耗__________,因而__________减小,这种__________逐渐减小的振动,叫做阻尼振动.
二、受迫振动与共振
(1)受迫振动:给振动系统补充能量的最简单的方法是把__________的外力作用于振动系统,这种周期性的外力叫做__________(或强迫力),物体在周期性__________作用下的振动,叫做__________振动.物体做__________振动时,振动稳定后的频率等于__________,跟物体__________的频率无关.
(2)共振:如图1-4-1所示的曲线表示某振动系统的受迫振动的振幅A随驱动力频率f变化的关系,其中f0是指__________,若f与f0相差越大,受迫振动的振幅__________,反之则__________,若f=f0,则受迫振动的振幅__________,这种现象叫做__________.
图1-4-1
三、共振的应用与防止
(1)共振的应用:在生活和生产中,你知道的共振现象是__________,利用共振时,可使__________与__________越接近越好.
(2)共振的预防:在生活和生产中,你知道的由共振造成严重后果的现象是__________.防止共振发生时,可使__________与__________相差越大越好.
高手笔记
1.自由振动、受迫振动和共振的关系
振动类型
项目
自由振动
受迫振动
共振
受力情况
仅受回复力
周期性驱动力作用
周期性驱动力作用
振动周期或频率
由系统本身性质决定,即固有周期或固有频率
由驱动力的周期或频率决定,即T=T驱或f=f驱
T驱=T固或f驱=f固
振动能量
振动物体的机械能不变
由产生驱动力的物体提供
振动物体取得的能量最大
常见例子
弹簧振子或单摆(θ≤5°)
机械工作时底座发生的振动
共振筛、声音的共鸣等
2.振动能量与振幅的关系
把原先静止的单摆或弹簧振子拉离平衡位置,需要外力对物体做功,把其他形式的能转化为物体初始的势能储存起来.外力做的功越多,物体获得的势能越大,它开始振动时的振幅越大.将物体释放后,若只有重力或弹簧弹力做功,则振动物体在振动过程中,动能和势能相互转化,总机械能不变,因此,振幅保持不变.上述是一种理想的情况,在实际情况中,因阻尼因素不可避免地存在,振动物体因振动能——总机械能的逐渐减少,做的是振幅越来越小的阻尼振动.可见,对于一个振动系统,振幅的大小反映了振动能的多少.
名师解惑
1.为什么当驱动力的频率接近物体的固有频率时,受迫振动的振幅增大?
剖析:(1)从受力角度来看:振动物体所受驱动力的方向跟它的运动方向相同时,驱动力对它起加速作用,使它的振幅增大.驱动力的频率跟物体的固有频率越接近,使物体振幅增大的力的作用次数就越多,当驱动力频率等于物体的固有频率时,它的每一次作用都使物体的振幅增加.
(2)从功能关系来看:当驱动力频率越接近物体固有频率时,驱动力与物体运动一致的次数越多,驱动力对物体做正功越多,振幅就越大.当驱动力频率等于物体固有频率时,驱动力将始终对物体做正功,使振动能量不断增加,振幅不断增大.
2.乐器是怎样应用声音的共振的?
剖析:声音的共振在乐器上应用很广泛,如小提琴、二胡等,通过共振现象,可以增加声强,改善音色.
二胡、小提琴等弦乐器主要是由于弦的振动带动周围空气振动而发声.
二胡、小提琴等弦乐器都带有一个“箱子”,这是因为这些“箱子”中都有空气,当弦乐器中的弦振动发声时,对“箱子”中的空气柱有一周期性的驱动力,使“箱子”中的空气柱也振动起来,改变“箱子”的大小和形状,就会改变空气柱的固有振动频率,当它的固有频率与驱动力的频率相同时,就会出现声音的共振现象——共鸣,使乐器中原来的声音变得洪亮动听,因此把这个“箱子”叫做共鸣箱.
弦乐器的弦一般很细,与周围空气的接触面积很小,即使再强烈的弦振动,也搅动不了多少空气,所以它发出的声音也不会很强,但是,把弦的振动传给共鸣箱后,就能搅动许多空气,这样就把声音放大了.
乐器的共鸣箱不仅有放大声音的作用,而且兼有改善音色的作用,例如,音箱的固有频率在低音范围,演奏到某些音调时,由于共鸣的作用,泛音可以很强,使音色浑厚动听.
讲练互动
【例题1】一单摆在空气中振动,振幅逐渐减小,下列说法正确的是( )
A.振动能逐渐转化为其他形式的能
B.后一时刻的动能一定小于前一时刻的动能
C.后一时刻的势能一定小于前一时刻的势能
D.后一时刻的机械能一定小于前一时刻的机械能
解析:单摆振动过程中,因不断克服空气阻力做功使振动能逐渐转化为内能,A和D对.虽然单摆总的机械能在逐渐减小,但在振动过程中动能和势能仍不断地相互转化,动能转化为势能时,动能逐渐减小,势能逐渐增大,而势能转化为动能时,势能逐渐减小,动能逐渐增大,所以不能断言后一时刻的动能(或势能)一定小于前一时刻的动能(或势能),故B、C不对.
答案:AD
绿色通道
单摆在空气中振动时,机械能不断转化为内能,动能与势能也在不断地相互转化.
变式训练
1.一单摆做阻尼振动,则在振动过程中( )
A.振幅越来越小,周期也越来越小
B.振幅越来越小,周期不变
C.在振动过程中,通过某一位置时,机械能始终不变
D.振动过程中,机械能不守恒,周期不变
解析:因单摆做阻尼振动,根据阻尼振动的定义可知,其振幅越来越小.而单摆振动过程中的周期是其固有周期,是由本身条件决定的,是不变的,故A项错误,B项正确.又因单摆做阻尼振动过程中,振幅逐渐减小,振动的能量也在减小,即机械能在减少,所以C项错,D项对.
答案:BD
2.如图1-4-2所示是单摆做阻尼振动的振动图线,下列说法中正确的是( )
图1-4-2
A.摆球A时刻的动能等于B时刻的动能
B.摆球A时刻的势能等于B时刻的势能
C.摆球A时刻的机械能等于B时刻的机械能
D.摆球A时刻的机械能大于B时刻的机械能
解析:阻尼振动中机械能不断损失,但A、B两点弹簧形变相等,弹性势能相等.故B、D选项正确.
答案:BD
【例题2】如图1-4-3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15 s;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n=30 r/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.
图1-4-3
解析:物体做受迫振动的特点:f受迫=f驱,f受迫与固有频率无关,若发生共振,则f驱=f固.
T固==0.5 s,转速n=30 r/min=r/s=0.5 r/s.
角速度ω=2πn=π rad/s,所以T受迫==2 s.
若使振子振幅达到最大,则有T驱=T固,即=0.5,
则n′=2 r/s=120 r/min.
答案:2 120
绿色通道
匀速转动摇把后,振子做受迫振动,驱动力的周期等于把手转动的周期.根据受迫振动特征f受迫=f驱,有T受迫=T驱.为使振子的振幅达到最大,只要T驱=T固即可.
变式训练
3.如图1-4-4所示,4个单摆的摆长分别为l1=2 m,l2=1.5 m,l3=1 m,l4=0.5 m,它们悬于同一根水平细线上,今施一周期为2 s的水平驱动力以垂直于线的方向作用在水平细线上,使它们做受迫振动时( )
图1-4-4
A.4个摆的周期相同 B.4个摆的周期不同,但振幅相等
C.摆3振幅最大 D.摆1振幅最大
解析:做受迫振动的物体的周期与驱动力的周期相同,故A选项正确.3摆的固有周期是2 s,则3摆的振幅最大,故C选项正确.
答案:AC
4.如图1-4-5所示为一单摆的共振曲线,图中横轴表示周期性驱动力的频率,纵轴表示单摆的振幅,求此单摆的摆长.
图1-4-5
解析:由图象可以看出,当驱动力的频率为0.4 Hz时,单摆的振幅最大,此时单摆共振.由共振的条件可知,单摆的固有频率为0.4 Hz.由于T=2π=,可得L=
=1.56 m.
答案:1.56 m
【例题3】铁道上每根钢轨长12.5 m,若支持车厢的弹簧和车厢组成的系统周期为0.6 s,那么当列车以___________速度行驶时,车厢振动最厉害.
解析:本题应用共振产生的条件来求解.火车行驶时,每当通过铁轨的接缝处就受到一次冲击力,该力即为驱动力.当驱动力周期和车厢的弹簧的固有周期相等时,即发生共振,车厢振动得最厉害.车厢振动最厉害时发生共振,由共振条件得
T驱=T固=0.6 s①又T驱=②
将①式代入②,解得v=m/s=21 m/s.
答案:21 m/s
黑色陷阱
在解决实际生活中的共振问题时,由于对题目中的背景知识了解不够,不知道列车受迫振动时的驱动力是怎么产生的,则无法求出列车的固有周期,因而得不出正确结果.
变式训练
5.将一个铁筛四角用四根弹簧支起,筛子上装一个电动偏心轮,它每转动一周给筛子提供一次驱动力.已知增大电动偏心轮的输入电压,可提高转速;增大筛子质量,可增大筛子的固有周期,现已知筛子在自由振动时完成10次全振动用了15 s,电动偏心轮转速为36 r/min,则要使筛子振动的振幅增大,可采用的办法是( )
A.提高电动偏心轮的输入电压 B.降低电动偏心轮的输入电压
C.增大筛子的质量 D.减小筛子的质量
解析:由题目可知筛子的固有频率为Hz,由于电动偏心轮转速为36 r/min,则其频率为0.6 Hz,由此可知f驱<f固,要使筛子振动的振幅增大,需让驱动频率趋近于固有频率即f驱增大,因为转速越大频率越大,所以可以提高转速即增大电动偏心轮的输入电压,则A正确,B错误.另外还可以使f固
减小同样可以使其发生共振.达到增大振幅的目的,而筛子的质量越大,其固有频率越小,所以增大筛子的质量同样可以达到目的,则C正确,D错误.
答案:AC
体验探究
【问题】设计实验探究受迫振动的物体振动的周期与固有周期无关.
导思:设计实验时要注意使驱动力的周期与振子的周期易于测量.
探究:如图1-4-6所示,一个竖直圆盘转动时,固定在圆盘上的小圆柱带动一个T形支架在竖直方向振动,T形支架的下面系着一个弹簧和小球组成的振动系统,小球浸没在水中.当圆盘静止时,让小球在水中振动,测出其振动频率.然后让圆盘以不同的角速度转动,待小球稳定后,测出其频率.
图1-4-6
教材链接
【讨论与交流】(课本第19页)
给秋千施加一个周期性的推力,秋千做受迫振动,当施加的这个力的周期与秋千的固有周期相等时,秋千发生了共振,所以尽管每次的推力都很小,秋千也会荡得很高.
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