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05
机械振动和机械波
导入 从熟悉而又陌生的波说起
波就在我们身边。池塘里碧波荡漾、大海中波涛汹涌，这是水波；公园里鸟儿啼叫、音乐厅中琴声缭绕，这是声波；地震时房屋倒塌、桥梁断裂，这源于破坏力极大的地震波。水波、声波和地震波都是由于机械振动而形成的机械波。此外，用手机拨打电话，用微波炉加热食物等，这些都利用了电磁波；光波也属于电磁波。近年来，人们还探测到了来自双黑洞合并的引力波。这些波我们既熟悉又陌生，它们虽各有特点，但却有许多共同之处。
本章，我们学习机械振动和机械波。什么是机械振动？机械波是怎样形成的？让我们去揭开机械振动和机械波的奥秘吧！
第二节 受迫振动与共振
02
实际生活中的各类振动，往往由于存在阻力，最终会停下来。如机械摆钟（图5-6），若没有能量补充，会停下来。那么，如何才能使振动系统持续不断地振动下去呢？本节我们将学习受迫振动以及共振的相关知识。
第二节 受迫振动与共振
02
对于一个振动系统，若振动物体偏离平衡位置就能自行振动，这种振动称为自由振动。大量研究表明，若物体仅在回复力作用下自由振动时，振动的周期、频率与振幅无关，只由振动系统本身的性质决定。物理学中，将这种振动的周期（或频率），称为固有周期（或固有频率）。固有周期和固有频率是振动系统本身的属性，与物体是否振动无关，如一面锣、一根绷紧的弦、一座桥梁、一幢楼宇都具有各自的固有周期和固有频率。
一、受迫振动
第二节 受迫振动与共振
02
发声体的固有频率不同，发出声音的音调也不同。例如，音乐盒发出高低不同的声音，是每根钢片的固有频率不同，轴钉随圆筒转动时弹拨不同钢片的缘故（图 5-7）。
一、受迫振动
第二节 受迫振动与共振
02
探究影响受迫振动周期的因素
实验装置如图 5-8 所示。支架上方的电动机通过偏心轮对下方的两个振动系统施加周期性的驱动力，使钩码做受迫振动。改变电动机转速，可改变驱动力的周期。
分别让两振动系统做自由振动，测量它们的固有周期。接通电源，使钩码做受迫振动，待钩码振动稳定后，记录驱动力的周期和钩码做受迫振动的周期。改变电动机的转速，再做记录。
比较钩码做受迫振动的周期、驱动力的周期以及两振动系统的固有周期，你能得出什么结论？
一、受迫振动
做中学
第二节 受迫振动与共振
02
从实验可见，弹簧振子做受迫振动的周期与驱动力的周期相等，与弹簧振子的固有周期无关。
大量实验研究表明，物体做受迫振动时，振动稳定后的周期（或频率）总等于驱动力的周期（或频率），与物体的固有周期（或固有频率）无关。
一、受迫振动
第二节 受迫振动与共振
02
在上述实验中，我们还会发现，驱动力的周期越接近弹簧振子的固有周期，弹簧振子做受迫振动的振幅就越大。因此，我们猜想：物体做受迫振动时，驱动力的周期会对振幅产生一定的影响。
下面我们通过实验进一步探究二者之间的关系。
二、共振
第二节 受迫振动与共振
02
共振现象
在支架上拴一条水平细绳，绳上等间隔悬挂一些单摆（图 5-9），其中摆 A 和摆 D 的摆长相同（固有周期相等）。
将摆 A 拉离平衡位置，由静止释放后，摆 A 的摆动通过张紧的细绳对其他摆施加了一个周期性驱动力，且驱动力的周期等于摆 A 的固有周期，其他摆在此驱动力的作用下做受迫振动。观察各摆振动的振幅，你有什么发现？
二、共振
做中学
第二节 受迫振动与共振
02
从实验可见，固有周期与摆 A 周期相差越小的摆振幅越大，与摆 A 周期相同的摆 D 的振幅最大。
大量实验表明，物体做受迫振动时，驱动力的周期（或频率）与物体的固有周期（或固有频率）相差越小，受迫振动的振幅就越大（图 5-10）。当驱动力的周期（或频率）与物体的固有周期（或固有频率）相等时，受迫振动的振幅达到最大。物理学中，将这种现象称为共振。
二、共振
第二节 受迫振动与共振
02
在生产生活中，人们常应用共振知识解决问题。例如，工地上，常用共振破碎机来破碎旧水泥路面（图 5-11），人们通过调节振动锤头的振动频率，使其等于或接近水泥路面的固有频率，从而利用共振破碎路面。
微波炉加热食物也利用了共振。微波炉发出的微波的频率与水分子振动的固有频率非常接近，使食物中的水分子发生共振，从而使食物温度升高。
三、共振的应用与防止
第二节 受迫振动与共振
02
有时，共振也会导致灾难发生。如，美国的塔科马海峡大桥在风力袭击下遭到破坏而垮塌（图 5-12），主要就是因为风致桥梁振动频率接近桥梁的固有频率，引起桥梁的强烈振动而造成的。这一事故使人们更加重视建筑的风致振动问题。
二、共振
第二节 受迫振动与共振
作业与活动
1. 有些洗衣机的脱水筒在正常运转时，洗衣机的振动并不强烈。但当脱水筒转动逐渐减慢直到停下的过程中，在某一小段时间内洗衣机却会发生强烈的振动。请解释该现象。
第二节 受迫振动与共振
作业与活动
2* . 我国古代有不少巧妙利用共振现象的记录。例如，在《墨子》中记载：“令陶者为罂，容四十斗以上，固幎之以薄 革，置井中，使聪耳者伏罂而听之，审知穴之所在，凿穴迎之。”请查询相关内容，谈谈你对此段话的理解。
项目任务与实践活动
第二节 受迫振动与共振
3. 电磁打点计时器在接通低压交流电后，振动 片（如图）做受迫振动。请观察电磁打点计时器的 结构，并分析它是如何工作的。
项目任务与实践活动
第二节 受迫振动与共振
4* . 查阅资料，了解上海中心大厦等高楼是如何避免大风、地震引起的摆动造成的危险。请设计调研方案，进行资料收集，完成调研报告，并与同学交流。

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