资源简介

2.4《受迫振动 共振》课时教案
学科 物理 年级册别 高一上册 共1课时
教材 沪科版选择性必修第一册 授课类型 新授课 第1课时
教材分析
教材分析
本节内容位于沪科版高中物理选择性必修第一册第二章第4节，是机械振动知识的深化与拓展。在学生已掌握简谐运动、阻尼振动的基础上，引入外力驱动下的受迫振动概念，并重点探讨共振现象的产生条件及其在实际生活中的广泛应用与危害。教材通过弹簧振子和单摆等典型模型，结合实验观察与理论分析，帮助学生建立“驱动力频率与系统固有频率关系决定振幅大小”的核心观念。内容兼具理论深度与实践价值，为后续学习波动、声学及工程技术应用打下基础。
学情分析
高一学生已具备初步的力学知识体系，理解了牛顿定律、胡克定律以及简谐运动的基本特征，但对动态系统的能量输入与响应机制尚缺乏直观认知。学生在生活中接触过秋千、桥梁晃动、音响共鸣等现象，但未能从物理角度进行抽象建模。其思维正处于由形象向逻辑过渡阶段，合作探究能力较强，但对复杂变量间的关系（如频率匹配）理解易出现偏差。教学中需借助可视化实验、情境模拟和小组协作，降低认知门槛，引导学生通过数据分析归纳规律，突破“共振条件”这一抽象难点。
课时教学目标
物理观念
1. 理解受迫振动的概念，能区分自由振动、阻尼振动与受迫振动的本质差异；掌握共振的定义及产生条件，明确驱动力频率接近系统固有频率时振幅最大的规律。
2. 能用能量观点解释共振现象：当驱动力做功节奏与系统自然节奏一致时，能量持续高效输入，导致振幅急剧增大。
科学思维
1. 通过分析弹簧振子在外力周期性驱动下的运动图像，运用类比与归纳方法提炼共振发生的临界条件，发展模型建构与逻辑推理能力。
2. 面对真实工程案例（如 Tacoma 桥倒塌），能够提取关键物理因素，构建简化物理模型，进行因果推断与批判性思考。
科学探究
1. 设计并操作“可调频驱动力作用下的弹簧振子”实验，测量不同驱动频率下系统的稳态振幅，绘制 f-F 图像，验证共振曲线的存在。
2. 在小组合作中合理分工，准确记录数据，利用图表工具处理信息，得出科学结论，并能反思实验误差来源。
科学态度与责任
1. 认识到共振既有有益应用（如乐器发声、微波炉加热）也有潜在危害（建筑结构破坏、机械疲劳），形成辩证看待科学技术的价值观。
2. 关注生活中与振动相关的安全问题，增强社会责任意识，能在家庭或公共场合识别可能引发共振的风险隐患并提出合理建议。
教学重点、难点
重点
1. 受迫振动的基本特征：系统最终以驱动力频率振动，振幅取决于频率差。
2. 共振的定义与产生条件：当驱动力频率等于或接近系统固有频率时，振幅达到最大值。
难点
1. 理解“为何频率匹配会导致能量积累而非抵消”，突破直觉误区。
2. 将抽象的共振原理迁移到复杂现实场景中进行解释与预测，实现知识的结构化迁移。
教学方法与准备
教学方法
情境探究法、实验探究法、讲授法、合作学习
教具准备
可调频电动驱动器、弹簧振子装置、位移传感器、数据采集器、投影仪、共振音叉套组、Tacoma桥断裂视频片段
教学环节 教师活动 学生活动
情境导入
【5分钟】 一、生活现象激疑，启动思维引擎。 （一）、播放Tacoma Narrows大桥坍塌历史影像。
教师缓缓开启投影，一段黑白纪录片画面浮现：一座雄伟悬索桥在微风中剧烈扭动，宛如巨蛇翻腾，最终轰然断裂坠入江中。教室瞬间安静，学生目光被牢牢吸引。“这是1940年美国Tacoma大桥的真实灾难。当时风速仅18米/秒，远未达设计抗风标准。为何一座现代化桥梁会如此脆弱？”我停顿片刻，轻声追问，“真的是‘风吹倒’的吗？还是背后隐藏着某种我们看不见的力量？”
（二）、引导联想日常经验，激发认知冲突。
“请大家回忆：荡秋千时，怎样才能越荡越高？是不是每次都在最高点轻轻推一下？如果推得太早或太晚，反而会减慢速度。”我边说边用手势模拟推秋千的动作，“再想想音乐厅里的钢琴，为什么某些音符会让玻璃杯微微颤抖甚至破裂？这些看似无关的现象，其实都指向同一个神秘的物理法则——今天我们要揭开它的面纱。”板书课题《受迫振动 共振》，并在“共振”二字下方画上醒目的波浪线，“它既是艺术的灵魂，也可能是毁灭的序曲。” 1. 观看视频，感受震撼。
2. 回忆生活经历，产生疑问。
3. 思考现象背后的共同原因。
4. 明确学习主题，进入探究状态。
评价任务 现象描述：☆☆☆
问题提出：☆☆☆
兴趣激发：☆☆☆
设计意图 以极具视觉冲击的真实工程事故切入，制造强烈认知冲突，打破“力大才致灾”的常识思维定式。通过秋千、乐器等生活实例建立亲切感，将抽象概念锚定于具体经验之中，为后续探究铺设情感与认知双重路径。引用“既是艺术的灵魂，也可能是毁灭的序曲”增强语言张力，提升课堂审美层次。
新知建构
【12分钟】 一、厘清概念层级，构建知识框架。 （一）、对比三种振动模式，明确受迫振动特征。
教师在黑板左侧绘制三栏表格：“自由振动”、“阻尼振动”、“受迫振动”。依次提问：“一个弹簧振子被拉离平衡位置后释放，它做什么运动？”学生回答“简谐运动”后，我在第一栏写下“无外力，按固有频率振动”。“若加入空气阻力呢？”学生答“振幅逐渐减小”，我补充“存在阻力，频率不变，振幅衰减”。“现在设想有人用手周期性地推动这个振子，不管它原来怎么动，最终它会跟着谁的节奏跳舞？”引导得出“跟随驱动力频率振动”的结论，并强调：“这就是受迫振动的核心——系统的命运被外部节奏所主宰。”
（二）、演示实验初探，感知频率影响。
连接电动驱动器与弹簧振子，调节驱动频率极低（如0.5Hz），让学生观察振子缓慢摆动，振幅较小；逐步提高至2Hz左右，发现振幅显著增大；继续升高至4Hz以上，振幅又变小。“你们看到了什么变化？哪个频率附近最‘疯狂’？”鼓励学生描述现象，“就像有人推你荡秋千，只有时机刚刚好，才能把你送上最高处。”我总结道，“这个让系统‘发疯’的特殊频率，就是共振频率。” 1. 参与问答，回顾旧知。
2. 观察实验现象，记录变化趋势。
3. 描述振幅随频率的变化规律。
4. 初步形成“特定频率引发大振幅”的猜想。
评价任务 概念辨析：☆☆☆
现象描述：☆☆☆
规律归纳：☆☆☆
设计意图 通过横向对比强化概念边界，避免混淆。利用可调控实验装置提供直观感知，使“频率-振幅”关系从模糊印象转为具体体验。采用拟人化语言“跟着谁的节奏跳舞”“发疯”增强表达感染力，契合青少年心理特点。过渡语“时机刚刚好”巧妙呼应前文秋千比喻，保持故事线连贯。
实验探究
【15分钟】 一、分组实验设计，收集共振数据。 （一）、布置任务，明确操作流程。
将全班分为6个小组，每组配备一套含位移传感器的数据采集系统。“你们的任务是：固定弹簧质量与劲度系数，改变电动驱动器的频率，从0.5Hz开始，每隔0.5Hz测量一次系统稳定后的最大振幅，直至5.0Hz。特别注意在2.0~3.0Hz区间加密测量（每0.2Hz一次），因为这里很可能藏着‘峰值’。”发放实验记录表，示范如何读取传感器数值，“记住：每次改变频率后，等待至少10秒让系统稳定再读数。”
二、指导操作细节，确保数据可靠。 （一）、巡视各组，纠正操作偏差。
我发现第三组急于求成，在频率刚调整后立即记录数据，立刻介入：“你们有没有感觉到秋千需要几轮推动才会高起来？系统也需要时间‘适应’新的节奏。耐心等待，让数据真实说话。”又见第五组误将传感器安装松动，提醒：“任何额外晃动都会污染你的信号，就像听诊器没贴紧胸口一样。”
（二）、引导数据分析，绘制共振曲线。
所有小组完成数据采集后，指导使用电脑软件绘制“驱动频率-振幅”散点图。“看看你们的图形像什么？是不是像一座山峰？”我投影一组典型数据，“这座山的顶点对应的频率，就是该系统的共振频率。查一下你们弹簧的固有频率理论值是多少？”学生计算后惊喜发现两者高度吻合。“这说明什么？”我追问，“大自然有自己的节拍器，只有同步才能共振。” 1. 分组领取器材，调试设备。
2. 按步骤调节频率，等待稳定后记录振幅。
3. 整理数据，绘制f-A图像。
4. 分析图像特征，确定共振频率。
评价任务 操作规范：☆☆☆
数据准确：☆☆☆
图像科学：☆☆☆
设计意图 通过真实动手实验培养科学探究素养，让学生亲身经历“假设—验证—建模”全过程。设置加密测量区训练精细化研究意识。教师介入既保证安全性又渗透科研伦理——尊重数据真实性。引用“大自然有自己的节拍器”诗意表达，将物理规律升华为宇宙韵律之美，呼应爱因斯坦“宇宙最不可理解之处在于它是可理解的”哲学思想。
迁移应用
【8分钟】 一、解析经典案例，深化原理理解。 （一）、回溯Tacoma桥事件，重建物理图景。
再次播放大桥断裂片段，暂停在剧烈扭转画面。“科学家后来发现，当时的风并非均匀吹拂，而是形成了周期性脱落的涡旋——卡门涡街。其脱落频率恰好接近桥体的某一固有频率。”我在白板上简笔画出气流绕柱产生交替漩涡，“这就相当于给桥施加了一个横向的周期性驱动力。一旦频率匹配，轻微的能量不断叠加，最终引发灾难性共振。”
二、拓展应用场景，辨析利弊关系。 （一）、列举正反实例，开展价值讨论。
“请思考：医生用超声波碎石机击碎肾结石，利用的是不是共振？收音机选台时旋转旋钮寻找清晰声音，本质是什么？”待学生回应后，继续提问：“军队过桥为什么要齐步走改为便步走？洗衣机脱水时剧烈抖动怎么办？”组织短暂小组讨论，“技术本身无善恶，关键在于人类是否懂得敬畏规律。正如普罗米修斯带来火种的同时也释放了潘多拉魔盒，我们掌握共振之力，就必须承担相应的智慧与责任。” 1. 听讲解，理解涡激共振机制。
2. 举例说明共振的正面应用。
3. 分析避免共振的实际措施。
4. 参与讨论，形成技术伦理意识。
评价任务 案例解释：☆☆☆
实例列举：☆☆☆
价值判断：☆☆☆
设计意图 回归开篇悬念，实现闭环教学，让学生体验“解谜”快感。通过正反案例对照，打破“共振=危险”的片面认知，培养辩证思维。引入科技伦理维度，将物理学习上升至人文关怀层面。引用普罗米修斯神话隐喻，赋予科学教育以文化厚度，体现“立德树人”根本导向。
总结升华
【5分钟】 一、结构化回顾，凝练核心知识。 （一）、梳理知识脉络，强化记忆锚点。
站在讲台中央，手指板书：“今天我们穿越了一场振动的旅程。从自由之舞，到阻尼渐息，再到外力主导的受迫振动，最终抵达能量爆发的共振之巅。记住三个关键词：驱动力、固有频率、最大振幅。当二者相等，便是共振发生之时。”
二、情景化收尾，点燃心灵回响。 （一）、以诗结课，寄托深远期望。
“同学们，每个人心中都有一个固有的频率，那是你独特的生命节奏。在这个喧嚣的世界里，愿你们既能敏锐捕捉外界的美好驱动力——知识的召唤、理想的光芒、师友的激励，又能坚守内心的主旋律，不盲目追随，也不封闭自我。当内外节拍和谐共振时，平凡的生命也能奏响壮丽的乐章。愿你们成为自己人生的指挥家，在正确的频率上，活出最大的振幅！”灯光渐暗，背景音乐《星空》轻轻响起，留下悠长余韵。 1. 跟随教师回顾知识点。
2. 理解共振条件的实质。
3. 感悟物理与人生的联系。
4. 获得情感共鸣与精神激励。
评价任务 知识整合：☆☆☆
意义建构：☆☆☆
情感共鸣：☆☆☆
设计意图 采用“旅程”隐喻串联整节课，帮助学生形成整体认知图式。结尾超越知识传授，将共振原理升华为人生哲理，实现物理教育的情感升华。借用音乐意象“指挥家”“乐章”呼应艺术美感，营造诗意课堂氛围。背景音乐与灯光调控增强仪式感，使最后一分钟成为持久的精神印记，真正践行“教育是点燃火焰”而非填满容器的理念。
作业设计
一、基础巩固：概念辨析与计算
1. 下列说法正确的是（ ）
　A. 受迫振动的频率总等于系统的固有频率
　B. 驱动力频率越大，受迫振动的振幅一定越大
　C. 当驱动力频率等于系统固有频率时，振幅最大，这种现象叫共振
　D. 共振总是有害的，应尽量避免
2. 一弹簧振子的固有频率为2.5 Hz。现用频率为3.0 Hz的周期性外力驱动它做受迫振动，则稳定后振子的振动频率为_______Hz。若要使其发生共振，驱动力频率应调整为_______Hz。
二、实验分析：数据解读与绘图
某同学在“探究共振条件”实验中获得如下数据：
驱动频率 f (Hz)1.01.52.02.22.42.52.62.83.03.54.0振幅 A (cm) 1.22.54.87.09.610.59.87.25.02.61.3
(1) 根据上表数据，在坐标纸上绘制 f-A 关系图像。
(2) 估计该振动系统的共振频率约为________Hz。
(3) 若更换更软的弹簧（劲度系数减小），其他条件不变，请预测共振峰的位置将向______（填“左”或“右”）移动。
三、开放探究：联系实际与表达
查阅资料或实地观察，列举两个生活中利用共振原理工作的设备，并简要说明其工作方式；同时列举两个防止共振危害的例子，写出防护措施。要求语言通顺，条理清晰，不少于150字。
【答案解析】
一、基础巩固
1. C （解析：A错，受迫振动频率等于驱动力频率；B错，振幅先增后减；D错，共振也有有益应用）
2. 3.0；2.5
二、实验分析
(1) 略（应呈现单峰曲线，峰值在2.5Hz附近）
(2) 2.5
(3) 左（解析：k减小则固有频率降低，共振频率左移）
板书设计
受迫振动 共振
　　　三种振动对比表　　　　
自由振动：无外力，f 振动　　
阻尼振动：有阻力，f 衰减　　
受迫振动：有驱动力，f驱稳定
　　　　　　↑
　　　驱动力持续输入能量
共振条件：f驱 ≈ f → Amax
　　
应用：乐器、MRI、超声碎石
危害：桥梁、机械、建筑
应对：调频、阻尼、避振
教学反思
成功之处
1. 以Tacoma桥事件贯穿始终，形成完整“问题链”，极大提升了学生的探究动机与课堂参与度。
2. 实验环节采用数字化传感器实时采集数据，提高了测量精度与效率，学生能迅速获得高质量图像支持结论。
3. 结尾的人生启示将物理规律与生命成长巧妙融合，多名学生课后表示“从未想过物理还能这样温暖”，实现了情感态度的有效渗透。
不足之处
1. 实验分组较多，个别小组因操作不熟练导致数据异常，反映出前期培训不够充分。
2. 对“为何频率匹配能高效储能”的微观机制解释仍显浅层，部分优生期待更深入的动力学方程剖析。
3. 开放性作业反馈周期较长，难以在下一节课即时点评，影响评价闭环完整性。

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