外力作用下的振动(精)PPT课件
高中物理新选修课件受迫振动共振
非线性受迫振动特性分析
振幅与频率关系
非线性受迫振动的振幅与驱动力的频率之间不再保持简单的线性 关系，可能出现多值性、振幅跳跃等现象。
相位滞后与超前
非线性受迫振动的相位与驱动力相位之间可能存在滞后或超前现象 ，且相位差随振幅和频率的变化而变化。
振动稳定性
非线性受迫振动的稳定性受到系统参数和初始条件的影响，可能出 现稳定的周期振动、准周期振动或混沌振动等不同状态。
受迫振动定义
受迫振动是指系统在周期性外力（驱 动力）作用下产生的振动。
受迫振动特点
受迫振动的频率等于驱动力的频率， 而与系统固有频率无关；当驱动力频 率接近系统固有频率时，振幅显著增 大，产生共振现象。
驱动力与响应关系
驱动力作用
周期性外力作为驱动力，使系统产生受迫振动。
响应特性
系统对驱动力的响应表现为振幅和相位的变化，振幅与驱动力频率和系统固有 频率的差值有关，相位则与驱动力和系统固有振动的相位差有关。
04
共振在科学技术中作用和价值
共振在材料科学中应用
01
02
03
材料疲劳测试
利用共振原理，可以快速 有效分析
通过分析材料在共振状态 下的振动特性，可以揭示 其内部结构和缺陷，为材 料优化提供依据。
纳米材料制备
利用共振效应，可以实现 纳米材料的精确制备和操 控，为纳米科技领域的发 展奠定基础。
系统固有频率与阻尼影响
系统固有频率
系统在没有外力作用时，自身固有的振动频率。
阻尼影响
阻尼是指振动过程中能量的耗散，阻尼越大，受迫振动的振幅越小；阻尼越小， 振幅越大。当驱动力频率接近系统固有频率时，阻尼对振幅的影响尤为显著。
02
共振现象及其产生条件
共振 PPT
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年VIP
10612_大学物理振动波动优秀ppt课件
01
02
03
声波传播速度
声波在介质中的传播速度 与介质的密度和弹性模量 有关。
2024/1/25
声波衰减
声波在传播过程中会因介 质的吸收和散射而逐渐衰 减。
声波反射和折射
声波在遇到不同介质界面 时会发生反射和折射现象 。
29
案例分析：医学超声诊断技术应用
超声成像原理
利用超声波在人体组织中的反射和折 射特性，将回声信号转换为图像，从 而实现对人体内部结构的可视化。
04
2024/1/25
05
阻尼振动的能量逐渐转化为 热能或其他形式的能量。
9
受迫振动产生条件及规律
受迫振动的定义：物 体在周期性外力作用 下产生的振动。
存在周期性外力作用 。
2024/1/25
受迫振动的产生条件
10
受迫振动产生条件及规律
外力频率与物体固有频率 不同。
2024/1/25
受迫振动的频率等于驱动 力频率，与物体固有频率 无关。
大学物理振动波 动优秀ppt课件
2024/1/25
1
目录
• 振动基本概念与简谐振动 • 阻尼振动、受迫振动与共振 • 波动基本概念与波动方程 • 干涉、衍射与偏振现象 • 多普勒效应与声波传播特性 • 非线性振动与混沌现象初步探讨
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01
振动基本概念与简谐振动
2024/1/25
3
受迫振动的规律
当驱动力频率接近物体固 有频率时，振幅显著增大 ，产生共振现象。
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共振现象及其危害防范
2024/1/25
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共振现象及其危害防范
对机器、设备等造成损坏 。
对建筑物、桥梁等结构造 成破坏。
《振动力学基础》课件
各自由度之间相互独立，可分别进行分析。
固有频率和主振型
多自由度系统具有多个固有频率和相应的主振型 。
连续系统的振动
分布参数系统
描述长弦、长杆等连续介质的振动，需要考虑空间位 置的变化。
集中参数系统
将连续介质离散化，用弹簧、质量等元件模拟，适用 于简单模型。
波的传播
连续系统中振动能量的传播形式，如声波、地震波等 。
线性振动和非线性振动
线性振动
满足叠加原理，各激励之间互不影响，系统响应与激励成正比。
非线性振动
不满足叠加原理，激励之间存在相互作用，系统响应与激励不成正 比。
周期性振动和非周期性振动
根据振动是否具有周期性进行分类。
CHAPTER 03
振动分析方法
频域分析法
01
频域分析法是一种通过将时间域的振动问题转换为频率域的振动问题 ，从而利用频率特性来分析振动的方法。
CHAPTER 02
振动的基本原理
单自由度系统的振动
自由振动
无外力作用下的振动，系统具有固有频率和固有振型。
强迫振动
在外力作用下产生的振动，其频率与外力频率相同或相近。
阻尼振动
由于系统内部摩擦或外部阻尼作用导致的振动，能量逐渐耗散。
多自由度系统的振动
耦合振动
多个自由度之间相互影响，振动频率和振型较为 复杂。
汽车悬挂系统和路面激励会导致车内振动，影响乘客舒适性。
船舶与海洋工程
船舶和海洋结构的振动会影响其性能和安全性，需要进行有效的振 动控制。
建筑领域
结构健康监测
对建筑物和桥梁等大型结构进行振动监测，可以评估其健康状况和 安全性。
地震工程
地震引起的振动对建筑结构的影响非常大，需要进行抗震设计和分 析。
外力作用下的振动 受迫振动
结论：受迫振动的频率总是与驱动力的频率相等，与系统 的固有频率无关。
既然受迫振动的频率和驱动力频率有关，那么受迫振动的 频率是否也和驱动力的频率有关呢？
实验探究（二）
仿真鱼洗（共振碗） 驱动力来源： 带偏心轮的马达 驱动力频率改变：滑动变阻器 观察：水面的变化
结论：当系统做受迫振动时，系统的振幅与驱动力的频率有关。
神奇的现象
11.5 外力作用下的振动
北仑中学 邵奇
从受力的角度进行分类
简谐运动
• 弹簧振子 • 单摆（小角度）
什么力提供回复力？
• 弹簧弹力和重力的合力 • 这个合力总是指向平衡位置
如果振动系统只有内部的回复力，此时振动叫做固有振动。 固有振动的频率叫做固有频率。
现实生活中是否存在简谐运动？
当系统受到阻力作用时，我们说振动受到了阻尼。 系统克服阻尼的做功，消耗机械能，因而振幅减小，最后 停下来。这种振幅逐渐减小的振动，叫做阻尼振动。 那么阻尼的大小和振动幅度的减小有什么关系呢？
这种现象叫做共振。
振动曲线
图像特点 f驱= f固时，振幅有最大值 f驱与 f固差别越大时，振幅越小
生活中的共振
阅读：科学漫步
思考： ①生活中有哪些共振的例子 ②如何应用共振 ③如何防治共振
共振的应用
筋膜枪
微波炉加热
共振的防治
风阻尼器
微格教室的隔音墙板
小结：比较
共振带来的感悟
实验探究（三）
已知受迫振动的单摆的固有周期是2s
实验： 跟随节拍器，用手分别以1s、2s、3s为周期 提供驱动力。 观察： 受迫振动的小球的振幅差别。
结论：当系统做受迫振动时，如果驱动力的频率十分接近 系统的固有频率，系统的振幅会很大。
外力作用下的振动
振动成型与破碎
振动成型
利用振动作用，使物料在模具内产生形变，形成所需的形状和尺寸。
破碎
利用振动作用，使物料在冲击和摩擦下产生形变和破裂，实现物料的破碎和细化。
05
外力作用下的振动问题 与解决方案
共振问题与预防
共振问题
当外部激励频率与系统固有频率相同时，系统会产生共振现象，导致振动幅度增大，可 能对系统造成损坏。
振动的能量转换与耗散
能量转换
在振动过程中，系统的动能和势能之间相互转换，同 时伴随着能量的耗散。
能量耗散
由于摩擦、阻尼等因素，振动系统的能量会逐渐减少， 最终趋于静止状态。
阻尼系数
描述系统阻尼效应的参数，影响振动的幅度和持续时 间。
03
外力作用下的振动特性
振动的频率与周期
总结词
频率和周期是描述振动特性的重要参 数，它们决定了振动的快慢和规律性。
详细描述
频率是指单位时间内振动的次数，通 常用赫兹（Hz）表示。周期是指完成 一次振动所需的时间，通常用秒（s） 表示。频率和周期互为倒数关系，即 频率越高，周期越短。
振动的振幅与相位
总结词
振幅和相位是描述振动幅度的两个重要 参数，它们决定了振动的幅度和相位关 系。
VS
详细描述
振幅是指振动偏离平衡位置的幅度，通常 用长度或幅度表示。相位是指振动在时间 上的相对位置，通常用角度或时间表示。 振幅和相位的变化会影响振动的能量和传 播方向。
简谐振动方程
描述周期性振动的方程，其解为正弦或余弦函 数。
阻尼振动方程
考虑阻尼效应的振动方程，其解为衰减的振荡函数。
线性振动系统与非线性振动系统
线性振动系统
当外力作用与振动的位移、速度或加 速度成正比时，振动系统被称为线性 系统。线性系统具有叠加性和比例性 。
外力作用下的振动
受迫振动与共振现象
受迫振动定义
物体在外界周期性驱动力作用下的振 动。
共振现象
共振条件
驱动力的频率与物体的固有频率相等 时，发生共振。此时物体的振幅达到 最大值，且振动状态最稳定。
当驱动力的频率接近物体的固有频率 时，物体的振幅会显著增大的现象。
03
振动图像与波动图像分析
位移-时间图像（x-t图像）
波的传播方向
通过波动图像可以判断波的传 播方向，如横波和纵波的传播
方向不同。
波的叠加原理
当多个波源产生的波在同一介 质中传播时，它们会相互叠加
，形成复杂的波动现象。
04
能量转化与守恒在振动中 体现
机械能守恒定律在振动中应用
机械能守恒定律
在只有重力或弹力做功的物体系统内 ，动能与势能可以相互转化，而总的 机械能保持不变。
阻尼振动特点及其影响因素
振幅逐渐减小
阻尼振动中，由于阻尼力的作用，振动的振幅会 逐渐减小。
周期不变
阻尼振动的周期与无阻尼时的周期相同，不会因 阻尼的存在而改变。
影响因素
阻尼振动的特点受阻尼系数、振动频率和初始条 件等因素的影响。
受迫振动产生条件及规律总结
产生条件
受迫振动是由外界周期性驱动力作用在振动系统上而产生 的。
THANKS
感谢观看
振动特性
弹簧振子的振动频率和振幅取决于 弹簧的劲度系数和振子的质量。
单摆模型
01
02
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摆线定义
连接在固定点上的轻杆或 细线，其下端悬挂一个质 点，能在外力作用下在竖 直平面内做往复运动。
振动方程
根据牛顿第二定律和单摆 的受力分析，可以推导出 单摆的振动方程。
2022-2023高中物理--机械振动--第六节：外力作用下的振动
外力作用下的振动一、知识点梳理1.固有频率如果振动系统不受外力作用，此时的振动叫固有振动，其振动频率称为固有频率. 2.阻尼振动（减幅振动(1)定义：振动物体克服摩擦和其他阻力做功，自己的能量逐渐减小，振幅也随着变小，振幅逐渐减小的振动叫阻尼振动.(2)对阻尼振动的理解：①同一简谐运动能量的大小由振幅大小确定.②阻尼振动振幅减小的快慢跟所受阻尼的大小有关，阻尼越大，振幅减小得越快.③物体做阻尼振动时，振幅虽不断减小，但振动的频率仍由自身结构特点所决定，并不会随振幅的减小而变化. 用力敲锣，由于锣受到空气的阻尼作用，振幅越来越小，锣声减弱，但音调不变④阻尼振动若在一段不太长的时间内振幅没有明显的减小，可以把它当做简谐运动来处理.(3)从振幅有无变化来分，振动可分为阻尼振动和无阻尼振动.例1.（多选）下列说法正确的是（）A．阻尼振动必定有机械能损失B．物体做阻尼振动时，由于振幅减小，频率也随着减小C．物体做阻尼振动时，振幅虽然减小，但是频率不变D．做阻尼振动的物体，振动频率仍由自身结构特点决定例2.（多选）单摆在空气中振动，振幅逐渐减小，下列说法正确的是（）A．机械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3.受迫振动(1)驱动力：加在振动系统上的周期性外力，叫做驱动力(2)受迫振动：系统在驱动力作用下的振动(3)受迫振动的周期和频率物体做受迫振动时，振动稳定后的频率等于驱动力的频率，跟物体的固有频率无关4.自由振动像弹簧振子和单摆那样，物体偏离平衡位置后，它们就在自己的弹力或重力作用下振动起来，而不需要其他外力的推动，这种振动叫做自由振动.5.共振(1)共振：驱动力频率驱f 等于系统的固有频率固f 时，受迫振动的振幅最大，这种现象叫做共振(2)共振的条件： 驱f 固f ，即驱动力的频率与物体的固有频率相等(3)共振曲线如图所示，共振曲线的横坐标为驱动力的频率，纵坐标为受迫振动物体的振幅，共振曲线直观地反映出驱动力的频率对受迫振动物体振幅的影响，由共振曲线可知，当驱动力的频率与物体的固有频率相等时，受迫振动的振幅最大. (4)共振的利用与防止①利用：由共振的条件知，要利用共振，就应尽量使驱动力的频率与物体的固有频率一致，如：共振筛、荡秋千、共振转速计共鸣箱，核磁共振仪等.②防止：由共振曲线可知，在需要防止共振危害时，要尽量使驱动力的频率和固有频率不相等，而且相差越多越好，如：部队过桥应便步走.例3.（多选）如图所示，两个质量分别为M 和m 的小球，悬挂在同一根水平细线上，当M 在垂直于水平细线的平面内摆动时，下列说法正确的是( ) A ．两摆的振动周期是相同的B ．当两摆的摆长相等时，m 摆的振幅最大C ．悬挂M 的竖直细线长度变化时，m 的振幅不变D ．m 摆的振幅可能超过M 摆的振幅例4.（多选）如图所示，一根绷紧的水平绳上挂五个摆，其中A 、E 摆长均为l ，先让A 摆振动起来，其他各摆随后也跟着振动起来则（ ） A ．其他各摆振动周期跟A 摆相同 B ．其他各摆振动的振幅大小相等C ．其他各摆振动的振幅大小不同，E 摆的振幅最大D ．B 、C 、D 三摆振动的振幅大小不同，B 摆的振幅最小二、技巧总结2.对共振现象的两点说明(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，当驱动力的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，从而振幅达到最大.(2)从功能关系来看：当驱动力的频率越接近物体的固有频率时，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.当驱动力的频率等于物体的固有频率时，驱动力始终对物体做正功，使振动能量不断增加，振幅不断增大，直到增加的能量等于克服阻尼作用损耗的能量，振幅才不再增加.3.微波炉原理微波炉的微波频率与水分子振动的固有频率2500MHz非常接近，因此，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.4.减振原理思路一是给被保护的物体加一层减振的阻尼材料（如泡沫塑料等），使冲击过程的机械能尽可能多地转化为阻尼材料的内能，减轻被保护物体受到的冲击作用. 思路二是在物体与外界冲击作用之间安装一个“质量一弹簧”系统，如果该系统的固有周期比外界冲击力的周期大很多，它不会及时地把该冲击力传递给物体，这种延缓的过程实际上对冲击力起到了平均的作用。
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3
思考： 用什么方法才能得到持续的振
动呢？
比如我们在荡秋千的时候，如何能让 秋千一直摆动呢？
-Hale Waihona Puke 4受迫振动1、驱动力：作用在振动物体上的周期性外 力 2、受迫振动：物体在外界驱动力作用下的 振动
请举出你所知道的受迫振动的例子
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• “飞望见曹操后军阵脚移动，乃挺矛又喝曰 ‘战又不战，退又不退，却是何故！’喊 声未绝，曹操身边夏侯杰惊得肝胆碎裂， 倒撞于马下”——《三国演义》
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• 1890年， 一艘名叫“马尔波罗号”帆船在 从新西兰驶往英国的途中，突然神秘地失 踪了． 20年后，人们在火地岛海岸边发现 了它．奇怪的是：船上的东西都原封未 动．完好如初．船长航海日记的字迹仍然 清稀可辨；就连那些死已多年的船员，也 都“各在其位”，保持着当年在岗时的 “姿势”；
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5
受迫振动实例： ①跳板在人走过时发生的振动 ②机器底座在机器运转时发生的振动 ③听到声音时耳膜的振动 ④电磁打点计时器的振针所做的振动 受迫振动的频率跟什么有关呢?
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6
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7
结论1： 物体做受迫振动时，振动稳定后的频率 等于驱动力的频率，跟物体的固有频率 无关
但物体做受迫振动的振幅是否与物体的 固有频率有联系呢?
动的振幅增大，这种现象- 叫做共振。
10
声音的共鸣 ——声音的共振现象
共鸣箱 ————音叉下面所装的空箱
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11
共振的应用和防止
共振的应用
①测量发动机转速的转速计
②共振筛
发动机的转速计原理图
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生活中的共振现象
美国有一农场农妇，习惯于用吹笛的方式招 呼丈夫回家吃饭，可当她有一次吹笛时，居 然发现树上的毛毛虫纷纷坠地而死，惊讶之 余，她到自己的果园吹了几个小时，一下子 将果树上的毛毛虫收拾的一干二净，究其原 因，还是笛子发出的声音引起毛毛虫内脏发 生剧烈共振而死亡。
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共振的防止
①军队过桥随步走，火车过桥慢行
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1940年，美国的全长860米的塔柯姆大桥因大 风而塌毁
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19
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20
结论：
利用共振时，应使驱动力的频率接近 或等于振动物体的固有频率；
防止共振时，应使驱动力的频率与物 体的固有频率不同，而且相差越大越 好．
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小结
1、受迫振动：物体在外界驱动力作用下的振动
2、物体做受迫振动时，振动稳定后的频率等于 驱动力的频率，跟物体的固有频率无关
3、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，这种现象叫做共振。
4、利用共振时，应使驱动力的频率接近或等于
振动物体的固有频率；
防止共振时，应使驱动力的频率与物体的固
有频率不同，而且相- 差越大越好．
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-
8
实验研究
-
9
结论2：受迫振动中，
驱动力的频率等于振动物体的固有频率时，振幅最 大；驱动力的频率跟固有频率相差越大，振幅越小。
横轴：表示驱动力的频率 纵轴：表示受迫振动的振幅 图象的意义：
f驱= f固时，振幅有最大值 f驱与 f固差别越大时，振幅越小
共振
驱动力的频率接近物体的固有频率时，受迫振
外力作用下的振动
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1
视频演示的是实际振动情况：
阻尼振动：振幅逐渐减小的振动叫做 阻尼振动
简谐运动是一个等幅振动！
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2
问题1：振幅减小的快慢与什么有关？
振幅减小的快慢跟所受的阻尼有关，阻尼越大， 振幅减小得越快．
问题2：物体在做阻尼振动时的周期或频率如 何变化？
物体做阻尼振动时频率不变。固有周期、固有 频率
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15
• 1948年初，一艘荷兰货船在通过马六甲海 峡时，一场风暴过后，全船海员莫名其妙 地死光；
• 在匈牙利鲍拉得利山洞入口， 3名旅游者齐 刷刷地突然倒地，停止了呼吸......
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16
次声波
频率小于20Hz（赫兹）的声波叫做次声波。 次声波不容易衰减，不易被水和空气吸收。 而次声波的波长往往很长，因此能绕开某 些大型障碍物发生衍射。某些次声波能绕 地球2至3周。某些频率的次声波由于和人 体器官的振动频率相近，容易和人体器官 产生共振，对人体有很强的伤害性，危险 时可致人死亡。