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2.6 受迫振动 共振 教学设计
一、核心素养目标
物理观念：理解受迫振动的概念，明确驱动力、固有振动与受迫振动的区别；掌握受迫振动的频率特点（等于驱动力频率，与固有频率无关）；建立共振的物理模型，知晓共振产生的条件（驱动力频率等于物体固有频率）及共振的强弱与阻尼的关系，深化对振动规律的全面认知。
科学思维：通过对比自由振动、受迫振动的频率差异，培养分类辨析能力；结合实验现象推理共振的产生机制，提升逻辑推理能力；运用共振知识解释生活中的共振现象与应用，建立“现象—规律—应用”的思维链条；分析共振的利与弊，培养辩证思维能力。
科学探究：经历“探究受迫振动的频率特点”“探究共振的产生条件”两组实验，掌握控制变量法的应用，学会设计实验、观察现象、记录数据并归纳结论；通过改变驱动力频率和阻尼大小，探究共振的影响因素，提升实验操作与创新能力。
科学态度与社会责任：结合共振在建筑、交通、航天等领域的应用与危害，认识物理规律的实用价值；通过分析共振灾害案例（如桥梁坍塌），培养安全意识与责任担当；在实验探究中尊重客观现象，养成严谨求实的科学态度，激发对振动现象的探究兴趣。
二、教学重难点
1.教学重点
受迫振动的概念与特点：明确受迫振动是物体在驱动力作用下的振动，掌握其频率由驱动力频率决定，与固有频率无关的核心规律。共振的产生条件与特点：理解共振产生的条件是驱动力频率等于物体的固有频率，知晓共振时物体的振幅达到最大值。共振的应用与防止：能结合实例说明共振的利（如共振筛、微波炉、乐器共鸣）与弊（如桥梁共振坍塌、机器共振损坏），并阐述对应的利用或防止措施。实验探究方法：掌握探究受迫振动频率和共振条件的实验设计思路，能通过实验现象归纳规律。
2.教学难点
固有频率与驱动力频率的辨析：难以区分物体的固有频率（由自身结构决定）与驱动力频率（由外部施力物体决定），易混淆二者对受迫振动的影响。共振产生机制的理解：无法从能量角度解释共振现象——当驱动力频率与固有频率相等时，驱动力与物体振动“同步”，能量传递效率最高，振幅最大。受迫振动中“频率无关性”的理解：对“受迫振动频率与固有频率无关”存在疑惑，难以接受“无论物体固有频率如何，都将以驱动力频率振动”的规律。复杂场景中共振现象的分析：如解释“士兵齐步过桥易引发共振”，难以将“齐步频率”与“桥梁固有频率”建立关联，无法准确判断共振的成因。
三、教学环节设计
（一）情境导入：从“共振灾害”到“生活现象”
灾害案例呈现：播放1940年美国塔科马海峡大桥因大风引发共振坍塌的短视频，展示大桥扭曲晃动直至断裂的震撼画面。提问：“坚固的大桥为何会被风吹垮？风与大桥之间存在怎样的作用关系？”
生活现象对比：展示两组图片：①微波炉加热食物；②共振筛筛选粮食；③吉他琴弦振动时琴箱共鸣。提问：“这些现象与大桥坍塌有什么共同的物理本质？为什么有的现象对我们有益，有的却造成灾害？”通过灾害案例的冲击与生活现象的疑问，激发学生探究兴趣，自然引出本节课主题——《受迫振动 共振》。
（二）新课讲授：自由振动与受迫振动
1.回顾：自由振动与固有频率
演示实验1：将弹簧振子从平衡位置拉开一段距离后静止释放，观察其振动；将单摆拉开小角度后静止释放，观察其振动。提问：“这两种振动中，物体的振动频率由什么决定？”引导学生回顾：物体在不受外力干扰（或仅受回复力）时的振动称为自由振动，其振动频率由物体自身的结构和性质决定，称为固有频率。例如，弹簧振子的固有频率由弹簧劲度系数和振子质量决定，单摆的固有频率由摆长和重力加速度决定。强调：固有频率是物体“与生俱来”的振动特性，不受外部环境影响。
2.新知：受迫振动的概念
演示实验2：用手周期性地推动弹簧振子，使其持续振动；用电动机带动偏心轮，使支架上的单摆持续振动。提问：“与自由振动相比，这两种振动有什么不同？物体为何能持续振动而不停止？”
概念界定：物体在周期性外力（驱动力）的作用下的振动，叫做受迫振动。驱动力是维持物体持续振动的外部周期性作用力，如手对弹簧振子的推力、偏心轮对单摆的拉力。补充说明：生活中大多数振动都是受迫振动，如钟摆的振动（发条的周期性作用力为驱动力）、机器运转时部件的振动（电机的周期性作用力为驱动力）、声带发声时的振动（气流的周期性作用力为驱动力）。
3.探究：受迫振动的频率特点
实验探究1：探究受迫振动频率与驱动力频率的关系。器材：两个固有频率不同的单摆（摆长分别为50cm和100cm）、电动机、偏心轮（可调节转速改变驱动力频率）、停表。
步骤：①将50cm摆长的单摆与偏心轮连接，启动电动机，调节转速使驱动力频率为f1，用停表测量单摆的振动频率，记录数据；②改变电动机转速，使驱动力频率为f2，再次测量单摆的振动频率；③更换100cm摆长的单摆，重复上述步骤，测量不同驱动力频率下的单摆振动频率。
现象与结论：无论单摆的固有频率如何（摆长不同固有频率不同），其受迫振动的频率始终等于驱动力的频率，与自身固有频率无关。总结受迫振动的核心特点：受迫振动的频率由驱动力频率决定，与物体的固有频率无关。
（三）新课讲授：共振的产生与特点
1.实验探究：共振的产生条件
实验探究2：探究共振的产生条件。器材：共振演示仪（由一根水平横杆和多个摆长不同的单摆组成，横杆一端固定一个较重的“驱动摆”）、刻度尺。
步骤：①测量驱动摆和各个从动摆的摆长，记录下与驱动摆摆长相同的从动摆（记为摆A）；②将驱动摆拉离平衡位置后释放，使其做自由振动，观察各个从动摆的振动情况；③对比不同从动摆的振幅大小，重点观察摆A的振动特点。
现象：驱动摆振动时，带动横杆周期性振动，从而对各个从动摆施加周期性驱动力（驱动力频率等于驱动摆的固有频率）。其中，与驱动摆摆长相同的摆A（固有频率与驱动力频率相等）振幅最大，其他摆长不同的从动摆（固有频率与驱动力频率不相等）振幅较小，摆长相差越大，振幅越小。
结论：当驱动力的频率等于物体的固有频率时，物体做受迫振动的振幅达到最大值，这种现象叫做共振。共振产生的条件：驱动力频率f驱 = 物体固有频率f固。
2.深化：共振的能量解释
提问：“为什么当驱动力频率等于固有频率时，振幅会达到最大？”结合能量传递规律解释：当驱动力频率与物体固有频率不相等时，驱动力的方向与物体振动方向有时相同、有时相反，能量传递效率低，物体获得的能量少，振幅小；当二者频率相等时，驱动力的方向始终与物体振动方向相同，驱动力“助力”物体振动，能量传递效率最高，物体持续获得能量，振幅不断增大，直至阻尼消耗的能量与驱动力提供的能量平衡，振幅达到最大值。举例类比：推秋千时，当推力的频率与秋千的固有频率相等（即每次秋千回到最低点时施加推力），秋千会越荡越高，这就是生活中的共振现象。
3.拓展：阻尼对共振的影响
演示实验3：在共振演示仪的摆A上系上一个小重物（增加阻尼），重复实验2的步骤，观察摆A的振幅变化。现象：增加阻尼后，摆A的振幅明显减小，但仍为所有从动摆中振幅最大的。结论：阻尼越大，共振时的最大振幅越小；阻尼越小，共振时的振幅越大，共振现象越明显。解释：阻尼是阻碍物体振动的力（如空气阻力、摩擦阻力），阻尼越大，物体消耗的能量越多，即使在共振条件下，也难以积累大量能量，振幅因此减小。
（四）新课讲授：共振的应用与防止
1.共振的利用：趋利避害
结合实例分析共振的应用，重点说明“如何利用共振条件实现特定功能”：
①共振筛：利用共振原理使筛子做受迫振动，当驱动力频率与筛子固有频率相等时，筛子振幅最大，能高效分离不同颗粒大小的物质。
②微波炉：微波炉的工作频率与水分子的固有频率（约2.45GHz）相等，水分子在微波的驱动力作用下发生共振，剧烈振动产生大量热量，从而加热食物。
③乐器共鸣：吉他、小提琴等弦乐器的琴箱利用共鸣原理，当琴弦振动时，琴箱内空气柱的固有频率与琴弦振动频率相等，发生共振，使声音放大。
④核磁共振（MRI）：利用原子核在磁场中受到射频脉冲（驱动力）作用，发生共振吸收能量，通过探测共振信号获取人体内部结构信息，用于医学诊断。
2.共振的防止：规避危害
结合灾害案例分析共振的危害，说明“如何通过改变固有频率或驱动力频率防止共振”：
①桥梁共振坍塌：如塔科马海峡大桥，大风产生的涡流频率与桥梁固有频率相等，引发共振导致坍塌。防止措施：在桥梁上安装阻尼装置（如减震器）增大阻尼，或改变桥梁结构（如增加桥面重量）改变其固有频率，使驱动力频率与固有频率错开。
②士兵齐步过桥：士兵齐步走的频率若与桥梁固有频率相等，会引发共振。防止措施：士兵过桥时改为便步走，使驱动力频率变得杂乱，避免形成周期性驱动力。
③机器振动损坏：工厂中高速运转的机器，其部件振动频率若与机器机身固有频率相等，会引发共振，导致机器损坏。防止措施：在机器底座安装弹性垫，改变机身的固有频率；或对机器进行平衡调试，减小驱动力的周期性。
④地震中的建筑倒塌：地震波的频率若与建筑物固有频率相等，会引发建筑共振坍塌。防止措施：设计建筑时采用“隔震结构”，或在建筑内安装阻尼器，改变建筑固有频率或增大阻尼，降低共振风险。
（五）课堂讨论：共振现象的综合分析
提出讨论议题：“生活中还有哪些共振现象？请结合共振条件分析其成因，并说明是利用还是防止共振，采取了哪些措施？”
学生分组讨论后发言，教师引导总结典型案例：
案例1：“蝉鸣”——蝉的腹部有发声器，其振动频率与腹部空腔的固有频率相等，发生共振放大声音。属于共振的利用，通过自身结构设计使发声频率与空腔固有频率匹配。
案例2：“汽车行驶时的颠簸”——汽车行驶在起伏路面上，路面的周期性作用力若与车身固有频率相等，会引发共振导致颠簸。属于共振的危害，防止措施：汽车悬挂系统采用弹性元件，改变车身固有频率，或增加阻尼减小振幅。
案例3：“音叉共鸣”——两个固有频率相同的音叉，敲击其中一个，另一个会随之振动发声。属于共振的利用，驱动力频率（第一个音叉的振动频率）与第二个音叉的固有频率相等，引发共振。
通过讨论，强化学生对“共振条件”的理解，提升运用物理规律解释生活现象的能力。
（六）拓展延伸：共振与现代科技
航天领域的共振控制：介绍火箭发射过程中，发动机的振动频率若与箭体固有频率相等，会引发共振导致箭体损坏。工程师通过在火箭内部安装“调谐质量阻尼器”，改变箭体固有频率，或采用主动控制技术实时调整驱动力频率，避免共振发生，确保发射安全。
声学共振的创新应用：介绍“共振发声技术”，利用共振原理使物体（如桌面、墙面）成为发声体，实现“无扬声器”的声音播放，这种技术广泛应用于智能家居和车载音响系统，体现了共振规律的创新应用价值。
共振在能源领域的应用：介绍“共振发电技术”，利用海浪的周期性起伏（驱动力）与发电装置的固有频率共振，将海浪能量高效转化为电能，为新能源开发提供了新思路。
四、核心知识归纳
1.振动的分类
自由振动：物体不受驱动力，仅在回复力作用下的振动，频率为固有频率（由自身结构决定），振幅逐渐减小（阻尼存在）。受迫振动：物体在周期性驱动力作用下的振动，频率由驱动力频率决定，与固有频率无关，振幅稳定（驱动力提供能量抵消阻尼消耗）。共振：受迫振动的特殊情况，当驱动力频率等于物体固有频率时发生，振幅达到最大值。
2.核心规律梳理
受迫振动频率规律：f = f（与f无关）。共振产生条件：f = f，阻尼越小，共振振幅越大。共振应用原则：使f接近或等于f，提升能量传递效率；共振防止原则：使f远离f，或增大阻尼削弱共振效果。
2.关键概念辨析
固有频率：物体自身属性，由质量、形状、劲度系数等决定，不随外部条件改变。驱动力频率：外部周期性作用力的频率，由施力物体决定（如电机转速、海浪周期）。阻尼：阻碍振动的力，影响振动振幅衰减速度，不改变振动频率。
五、教学总结及反思
1.教学总结
本节课以“共振现象”为核心线索，通过塔科马海峡大桥坍塌的灾害案例切入，构建了“概念辨析—实验探究—规律应用”的教学链条。首先对比自由振动与受迫振动的差异，明确受迫振动频率由驱动力决定的核心规律；接着通过共振演示实验，归纳出共振的产生条件及阻尼对共振的影响，并从能量角度深化理解；最后结合生活与科技案例，分析共振的利与弊，落实“学以致用”的教学目标。整个过程融入多元师生互动，既强化了物理概念的理解，又培养了学生的实验探究能力与辩证思维。
2.教学反思
（1）成功之处：采用“灾害案例+生活现象”的导入方式，有效激发学生探究兴趣；通过三组递进式实验（受迫振动频率探究、共振条件探究、阻尼影响探究），让学生直观感受物理规律，突破“共振机制”这一难点；师生互动设计贴合学生认知水平，如“特征匹配”“小组辩论赛”等活动，既活跃课堂氛围，又深化概念辨析，确保核心知识落实到位。
（2）改进方向：部分学生对“受迫振动频率与固有频率无关”的理解仍存在误区，后续教学可增加“不同固有频率物体在同一驱动力下的振动”对比实验，让学生通过数据直观验证规律；对于共振在现代科技中的应用（如核磁共振），可补充短视频资料，降低抽象概念的理解难度；课后可布置“共振现象调查”实践任务，让学生在生活中寻找共振案例并分析，强化知识迁移能力。
（3）教学启示：振动规律与生活联系紧密，教学中应坚持“从生活中来，到生活中去”的原则，通过具象化的案例和实验，将抽象的物理规律转化为可感知的现象；同时要关注学生的前认知，针对易混淆概念（如固有频率与驱动力频率），通过反复对比、互动辨析的方式强化理解，避免机械记忆。
六、课堂练习
1.下列关于受迫振动的说法中，正确的是（ ）
A. 受迫振动的振幅一定大于自由振动的振幅
B. 物体做受迫振动时，振动频率随固有频率的增大而增大
C. 受迫振动的频率由驱动力频率决定，与固有频率无关
D. 只有在驱动力作用下，物体才能发生振动
2.下列现象中，属于共振现象的是（ ）
A. 弹簧振子在水平方向做振幅逐渐减小的振动
B. 两个固有频率相同的音叉，敲击一个后另一个随之发声
C. 汽车在平直路面上行驶时的上下振动
D. 单摆在重力和拉力作用下的摆动
3.为防止地震时建筑物发生共振坍塌，下列措施中合理的是（ ）
A. 增大建筑物的质量，提高其固有频率
B. 在建筑物底部安装弹性支撑，改变其固有频率
C. 减小建筑物的阻尼，加快振动能量衰减
D. 使地震波频率与建筑物固有频率保持一致
4.某单摆的固有频率为2Hz，当它在频率为1Hz的驱动力作用下做受迫振动时，振动频率为______Hz；若将驱动力频率调整为2Hz，单摆发生______现象，此时若增大单摆的阻尼，其振幅会______（选填“增大”“减小”或“不变”）。
5.请结合能量传递的角度，解释为什么推秋千时，只有当推力的频率与秋千的固有频率相等时，秋千才能越荡越高。
6.微波炉是共振技术的典型应用，其工作频率与水分子的固有频率（约2.45GHz）精准匹配。请回答：（1）微波炉利用共振加热食物的原理是什么？（2）若某微波炉的工作频率出现偏差，高于2.45GHz，会对加热效果产生什么影响？为什么？
七、练习答案及解析
1.答案：C 解析：A错误，受迫振动的振幅取决于驱动力频率与固有频率的差值，若差值过大，振幅可能小于自由振动；B错误，受迫振动频率由驱动力决定，与固有频率无关；C正确，这是受迫振动的核心规律；D错误，物体在回复力作用下即可发生自由振动，无需驱动力。
2.答案：B 解析：A错误，弹簧振子的振动是阻尼振动，振幅减小是阻尼作用的结果；B正确，两个固有频率相同的音叉，敲击一个后，其振动频率作为驱动力频率，使另一个音叉发生共振；C错误，汽车的振动是受迫振动，但未明确驱动力频率与车身固有频率是否相等，不一定是共振；D错误，单摆的摆动是自由振动，仅受重力和拉力作用。
3.答案：B 解析：A错误，建筑物质量增大，固有频率会减小（单摆固有频率与质量无关，但建筑结构固有频率与质量相关，质量越大频率越低），无法保证与地震波频率错开；B正确，安装弹性支撑可改变建筑物的固有频率，使其一远离地震波频率，避免共振；C错误，减小阻尼会使共振振幅更大，加剧危害；D错误，频率一致会引发共振，导致坍塌。
4.答案：1；共振；减小 解析：受迫振动频率等于驱动力频率，故第一空为1Hz；当驱动力频率等于固有频率（2Hz）时，单摆发生共振，振幅达到最大；阻尼会消耗振动能量，增大阻尼后，即使共振条件不变，振幅也会减小。
5.答案：秋千的摆动具有固有频率，由秋千的摆长决定。当推力的频率与秋千的固有频率不相等时，推力的方向与秋千的振动方向有时相同、有时相反：方向相反时，推力阻碍秋千振动，消耗其能量；方向相同时，推力对秋千做功补充能量，整体能量传递效率低，秋千无法持续获得能量。当推力频率与固有频率相等时，推力的方向始终与秋千振动方向相同（如每次秋千回到最低点时施加推力），推力持续对秋千做正功，能量传递效率最高，秋千获得的能量不断积累，振幅逐渐增大，因此越荡越高。
6.答案：（1）加热原理：微波炉的工作频率（驱动力频率）与水分子的固有频率匹配时，水分子在微波的周期性驱动力作用下发生共振，剧烈振动，分子间的相互摩擦碰撞产生大量热量，从而使食物温度升高。（2）加热效果会变差。原因：当工作频率高于水分子固有频率时，驱动力频率与固有频率不匹配，驱动力与水分子振动方向不同步，能量传递效率降低，水分子获得的能量减少，振动剧烈程度减弱，产生的热量减少，导致加热速度变慢、加热不均匀。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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