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7.4 共振的应用与防止

机械振动与简谐运动 · 高二
讲清楚它是什么

定义 当驱动力的频率等于系统固有频率时,振幅达到最大,这种现象称为共振。

从哪来 本知识点建立在“受迫振动”及“固有频率”的概念之上。虽然图谱未记录前置,但逻辑上必须基于学生已理解的“驱动力频率决定受迫振动频率”这一基础事实,才能引出频率匹配时的特殊状态。

为什么 共振的本质是能量传递效率的最大化。 当驱动力的频率与物体的固有频率不一致时,驱动力有时做正功,有时做负功,能量输入与消耗存在相位差,平均能量积累较慢。 当两者频率相等时,驱动力始终在物体运动方向上施加力(相位同步),每一步都在给系统“加油”,能量持续高效累积,导致振幅不断增大,直到阻尼消耗的能量与输入能量达到新的平衡,此时振幅达到峰值。

生活类比法
适合形象思维强、对抽象物理公式恐惧的学生。 操作:请一位同学站在秋千上,另一位同学推秋千。 1. 让推的人随意推(频率乱),秋千荡不高。 2. 让推的人跟着秋千摆动的节奏推(频率匹配),秋千越荡越高。 3. 核心提问:为什么跟着节奏推,秋千就高?因为每次推都在秋千往前冲的时候助力,而不是在后退时阻碍。这就是共振——“同频共振,能量叠加”。
图像分析法
适合逻辑严密、擅长从图表中提取信息的学生。 操作:展示“振幅-驱动力频率”共振曲线图。 1. 指出横轴是驱动力频率 $f$,纵轴是振幅 $A$。 2. 指出曲线有一个明显的峰值,峰值对应的横坐标就是固有频率 $f_0$。 3. 核心逻辑:当 $f \neq f_0$ 时,振幅较小;当 $f = f_0$ 时,振幅最大。强调这是一个“匹配”过程,就像钥匙和锁,只有频率对上,系统响应才最强烈。
工程案例法
适合关注实际应用、喜欢解决具体问题的学生。 操作:展示塔科马大桥坍塌视频或坦克过桥断桥案例。 1. 提问:桥为什么断?不是车太重,而是车轮滚动频率与桥的固有频率接近。 2. 分析:士兵齐步走时,脚步频率恒定,若与桥梁固有频率一致,微小振动被放大,导致结构疲劳断裂。 3. 结论:共振既能利用(如洗衣机甩干、乐器发声),也能破坏(如桥梁、机械断裂),关键在于控制频率差。
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练一道
基础题
一个单摆的固有频率为 2 Hz。若用周期为 0.5 s 的驱动力驱动它,问: (1) 此时单摆做受迫振动的频率是多少? (2) 此时是否发生共振?为什么?
变式
某洗衣机在脱水时,若转速达到 300 r/min 时,机身振动最剧烈。 (1) 此时洗衣机的固有频率是多少? (2) 为了减弱振动,应该让洗衣机转速略高于还是略低于 300 r/min?
试试手自己判
检测题
一个弹簧振子的固有频率为 5 Hz。现用频率为 5 Hz 的驱动力驱动它,发现振幅很大。若将驱动力频率改为 6 Hz,则振子的振幅将______(选填“变大”、“变小”或“不变”),此时振子做受迫振动的频率为______ Hz。
看答案和判分标准
答案:变小;6
判对标准:
1. 第一空填“变小”得 1 分。理由:频率偏离固有频率,共振减弱。
2. 第二空填“6”得 1 分。理由:受迫振动频率等于驱动力频率。
3. 若学生填“5”在第二空,说明未掌握受迫振动频率的决定因素,判错。
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