信息技术与物理学科深度融合案例 受迫振动 共振

【课程背景】

“受迫振动 共振”是高中人教版（2019）教材选择性必修第一册第二章第六节的内容，是学生在学习了弹簧振子和单摆模型，对简谐运动的受力和能量特点有了充分认识之后所学习的更接近生活实际的振动，与生活的联系非常密切，趣味性和实用性强，能很好地激发学生学习物理的热情。

本节课通过自制的共振演示装置及列举生活中有关共振的实例，不但将信息技术与物理学科深度融合，还体现了物理来源于生活，跟生活紧密相连的特点，教会学生不仅仅将理论知识停留在纸面上，更要应用到生活中。

今天就带领同学们从这个基础的现象入手，通过Arduino主板制作的共振演示装置，学习物理学中的受迫振动和共振的应用。

【课前准备】

教师准备：使用Arduino主板及扩展板，带编码器电机，4位数码管显示模块，模拟角度传感器，橡胶轮，锂电池组，光盘、充电宝，PVC板制作共振演示装置。

                                                         
共振演示装置实物图：

【学习目标】

1.物理观念

在简谐运动的基础上认识阻尼振动和受迫振动，会从能量的角度进行分析。

2.科学思维

（1）通过实验，认识受迫振动的频率与驱动力频率的关系、受迫振动的振幅与固有频率的关系。

（2）通过小组实验培养学生团队合作的意识，透过现象看本质的思维方式。

3、科学态度与责任

（1）用共振的原理来解释和解决生活中的现象，培养学生理论联系实际的能力以及用科学的态度和方法面对问题的意识。

（2）在实验探究和观察过程中，培养学生科学严谨、实事求是的态度。

【教学重点与难点】

教学重点：受迫振动、共振

教学难点：驱动力频率和固有频率的区别与联系。

【教学过程】

一、创设情境，导入新课

师：“洗”是古代日常盥洗用具，多用青铜铸成，现代亦有许多仿制的工艺品。倒些清水在其中，用手掌慢慢摩擦盆耳，盆就会发出嗡嗡声，到一定节奏时还会溅起层层水花。这是为什么？

生：观后“洗”的相关视频，通过明显的实验现象，引发学生思考，引出新课。

二、固有周期和固有频率

     
物体的振动周期与频率同振动物体本身性质决定的，与振幅无关。

固有振动：振动系统不受外力作用的振动

固有周期：固有振动的周期T0

固有频率：振动系统没有受到外力作用时的固有振动，此时的频率称为固有频率。

三、阻尼振动

1.阻尼振动：振幅逐渐减小的振动

2.阻尼振动的图像：

3.振动系统受到的阻尼越大，振幅减小得越快，阻尼过大时，系统将不能发生振动。

4.实际的自由振动一定是阻尼振动。

四、受迫振动

用什么方法才能得到持续的振动呢？

1.驱动力：

作用在振动系统上的周期性外力

2.受迫振动

系统在驱动力作用下的振动

3.受迫振动的特点：

受迫振动的频率总总等于驱动力的频率，与系统的固有频率无关。

五、共振（演示）

当驱动力的频率与系统的固有频率接近时会出现什么现象？

1、实物演示

主控部分

   
导槽和滑杆

振动平台

第一个使用带弹性钢条顶端固定钕磁铁做为质子，第二个底端使用PVC条延长杆的长度。中间为使用牛顿摆改造的单摆。

2．功能介绍

通过电机循环转动带动连杆牵引滑杆在导槽中往复直线运动，使得与其固定连接的平台实现往复直线运动。当平台的振动频率接近振子的固有频率，振子的摆动振幅最大。

3．电路图

四位数码管显示接扩展板I2C接口，模拟角度传感器接引脚A0，12V直流电机通过专用适配器A相接引脚2，B相接引脚3，M+、M-接L289N电机驱动；L289N使能接引脚5，方向控制分别接引脚4、引脚6，并与扩展板共地，使用锂电池组为L289N供电，使用充电宝为Arduino主板供电。

4．程序代码

将读取到的A0引脚值（旋转角度传感器），做为PWM值传给电机，改变转速。并通过引脚2中断读取电机编码值，计算电机在单位时间（秒）的转动圈数，从而计算振动频率。并通过四位数码管显示。

5．演示操作

学生以小组上台，调整“频率”，并近距离观查共振现象。

6.共振曲线

7.共振

驱动力的频率等于系统的固有频率时，受迫振动的振幅最大，这种现象叫做共振。

驱动力的频率与系统的固有频率相差越少，振幅越大，相差越多，振幅越小。

六、生活中的应用

师：同学们小组讨论共振在生活中有哪些应用，然后进行分享。

生：在建筑工地经常可以看到，建筑工人在浇灌混凝土的墙壁或地板时，为了提高质量，总是一面灌混凝土，一面用搅拌棒进行搅拌，使混凝土之间变得更紧密、更结实。此外，粉碎机、测振仪、电振泵、测速仪等，也都是利用共振现象进行工作的。

生：人除了呼吸、心跳、血液循环等都有其固有频率外，人的大脑进行思维活动时产生的脑电波也会发生共振现象。类似的共振现象在其它动物身上也同样普遍地存在着。如动物之间脑电波的传递，信息的交流，都离不开共振。

生：共振能充当地球生物的保护神。我们知道，紫外线是太阳发出的一种射线，它们如果大举入侵地球，人类及各种生物势必遭受极大的危害，因为过量的紫外线会使生物的机能遭到严重的破坏。不过不用担心，我们有大气层中的臭氧层，是它们借助于共振的威力，阻止了紫外线的长驱直入。当紫外线经过大气层时，臭氧层的振动频率恰恰能与紫外线产生共振，因而就使这种振动吸收了大部分的紫外线。所以，共振能使大气中的臭氧层变得如防晒油一样，保证我们不至于被射线的伤害。

师：微波炉便是家庭应用共振技术的一个最好体现。具有2500赫兹左右频率的电磁波称为“微波”。食物中水分子的振动频率与微波大致相同，微波炉加热食品时，炉内产生很强的振荡电磁场，使食物中的水分子作受迫振动，发生共振，将电磁辐射能转化为热能，从而使食物的温度迅速升高。微波加热技术是对物体内部的整体加热技术，完全不同于以往的从外部对物体进行加热的方式，是一种极大地提高了加热效率、极为有利于环保的先进技术。

七、共振的危害

19世纪初，一队拿破仑士兵在指挥官的口令下，迈着威武雄壮、整齐划一的步伐，通过法国昂热市一座大桥。快走到桥中间时，桥梁突然发生强烈的颤动并且最终断裂坍塌，造成许多官兵和市民落入水中丧生。后经调查，造成这次惨剧的罪魁祸首，正是共振！因为大队士兵齐步走时，产生的一种频率正好与大桥的固有频率一致，使桥的振动加强，当它的振幅达到最大限度直至超过桥梁的抗压力时，桥就断裂了。类似的事件还发生在俄国和美国等地。有鉴于此，所以后来许多国家的军队都有这么一条规定：大队人马过桥时，要改齐走为便步走。

  对于桥梁来说，不光是大队人马厚重整齐的脚步能使之断裂，那些看似无物的风儿同样也能对之造成威胁。1940年，美国的全长860米的塔科马海峡吊桥因大风引起的共振而塌毁，尽管当时的风速还不到设计风速限值的1/3，可是因为这座大桥的实际的抗共振强度没有过关，所以导致事故的发生。要是风的横力产生的震动频率和构筑物的固定频率相同或者相近时，就会产生风荷载共振。近几十年来，美国及欧洲等国家和地区还发生了许多起高楼因大风造成的共振而剧烈摇摆的事件。

八、小组实践活动

师：结合本节课学习的内容，小组合作分工，使用两个啤酒瓶做为两侧立柱，两个易拉罐装少量水系在绳子上，制作一个简易“耦合共振摆”，并动手实验观查共振现象。

生：通过实验会发现，放手后，被抬高的易拉罐开始剧烈摆动起来，而第二个原本静止的易拉罐，也慢慢开始摆动起来，而且摆动幅度逐渐加大。随着第一个易拉罐摆幅逐渐减小，第二个易拉罐摆幅超过第一个。一段时间后，第二个易拉罐摆幅开始减小，第一个开始增大并超过第二个。在两个易拉罐最终停下来之前，上述过程反复交替出现。

师：上述装置在物理学上也被称为耦合共振摆装置，由于摩擦及空气阻力，第一个易拉罐即驱动摆的能量有限，当满足理想耦合条件时，能量将在驱动摆与受迫振动部分之间来回传递，于是就出现了两个易拉罐摆幅大小交替出现的现象。

演示视频

【课后反思】

     
本节课利用信息技术与物理学科教学进行融合，使用同学们直观的看到共振现象。应用信息技术丰富学生的体验，改变评价方式，变革教学模式，激发学生学习兴趣，提升其学习效果和核心素养，同时帮助学生适应数字时代的要求，让教学变得简单，让学生热爱学习。作为一线教师应立足应用，靶向教学，激发提升自身信息技术应用能力的内部驱动力，推动信息化教育教学创新，全面提升学生核心素养。

真不错 收藏了

赞

刚好前段时间搞了一个类似的作品，可以相互融入一下