Submitted by Александр Валентинович Юмашев on Wed, 28/04/2010 - 12:11
Тема урока: Электромагнитные колебания.
Тип урока:комбинированный
Метод:частично-поисковый
Цели урока:
Обучение:
дать представление об электрических колебаниях как о процессах, при которых происходит периодическое изменение физических величин (ток, заряд, напряжение…);
разъяснить, что свободные электрические колебания – это свойство колебательного контура, независящее от внешних воздействий;
рассмотреть физическую природу процессов, происходящих в колебательном контуре;
научить учащихся применять уравнения ЭМК для вывода отдельных закономерностей.
Развивающие:
сформировать целостное представление о свободных колебаниях различной физической природы;
научить учащихся пользоваться единичными законами свободных колебаний для характеристики наблюдаемых колебательных процессов.
Д/з §11-16 стр. 52(1), упр. 2 (1-3)
Оборудование:
1. Использование презентаций «Электромагнитные колебания»
2. Видеофильм. «Эксперимент. Электромагнитные колебания в контуре».
3. Оборудование для демонстрации колебаний нитяного маятника и пружинного.
4. Оборудование для демонстрации затухающих электромагнитных колебаний.
I.Наблюдение вынужденных электромагнитных колебаний в цепи переменного тока.
С=0
R=0 Диод выключен
колебания в цепи переменного тока происходит с частотойW, совпадает с частотой вынуждающий ЭДС.
2. Наблюдение однополупериодного выпрямленного сигнала (диод выключен). Этот сигнал будет использован для возбуждения колебательного контура.R=0,C=0.
3. Включаем в цепь С и наблюдаем осциллограмму затухающих колебаний. (Для этого надо уменьшить частоту развертки осциллографа).
Исследование колебаний:
а)С¯,
L¯,т.к.
б)R, скорость затухания растет и при некотором значениеRколебания вообще не возникают.
Для возбуждения КК можно воспользоваться импульсами, получаемыми при однопериодном выпрямлении переменного тока. В этом случае пауза между импульсами 0,01 с. достаточно для возникновения и полного затухания колебаний в контуре.
Общий вид установки для получении осциллограммы затухающих колебаний и ее схема представлены на рисунке. Она состоит из однополупериодного выпрямителя, КК и осциллографа. Импульс от источника, проходя через диод периодических заряжает С. В промежутке между импульсами С разряжается черезLи реостат. Разряд имеет колебательный характер на экране осциллографа наблюдается осциллограмма затухающих колебаний.
1. С=0, демонстрация кривой импульсов при однополупериодном выпрямлении (2 кривых).
2. Уменьшение частоты разверстки получить одну развертку.
3. Показать изменениеWпри уменьшении С иL.
4. Изменить сопротивлениеR. Обратить внимание, что уменьшается начальная амплитуда колебаний и увеличивается быстрота затухания.
II. Наблюдение осциллограммы переменного тока.
Вынужденные колебания в л. цепи возбуждаются постоянно действующим источником тока. На экране осциллографа вы видите осциллограмму переменного тока, питающего большую часть наших промышленных установок и бытовых приборов. Он имеет синусоидальную форму, ,
I.Актуализация знаний.
1.Устные ответы у учащихся.
а) Механические колебания. Характеристики механических колебаний. Маятники.
;
,
,
б) Уравнение и график механических колебаний.
,
,
т.к. ,
- уравнение свободных механических колебаний.
Вывод: при свободных гармонических колебаниях скорость опережает по фазе смещение на , а ускорение опережает по фазе смещение на .
2. Фронтальный опрос.
·Электрическое поле и его свойства.
·Магнитное поле и его свойства.
·Вихревое электрическое поле и его свойства.
·Явление электромагнитной индукции.
·Закон электромагнитной индукции.
·Явление самоиндукции.
·Индуктивность.
·Емкость. Конденсатор, соединение конденсаторов в батареи.
·Энергия электрического поля (конденсатора).
·Энергия магнитного поля (катушки индуктивности).
Сегодня на уроке мы продолжаем изучение нестационарных явлений. Мы приступаем к изучению электромагнитных колебаний.
Учение о колебаниях и волнах в физике выделяется особо. Это обусловлено общностью закономерностей колебательных процессов различной природы и методов их исследований. Механические, акустические, ЭМ колебания и волны рассматриваются с единой точки зрения. Нам предстоит сегодня сравнить механические колебания и электромагнитные колебания.
Давайте вспомним основные положения теории механических колебаний.
Ответы учащихся у доски:
а) механические колебания и их характеристики, маятники;
б) уравнение и график механических колебаний.
Колебания свойственны всем явлениям природы. Пульсируют звезды, вращаются планеты солнечной системы, в земной атмосфере циркулируют потоки заряженных частиц, ветры возбуждают колебания и волны на поверхности водоемов. Внутри любого живого организма непрерывно происходят ритмично повторяющиеся процессы, например биение сердца. В линиях электропередач протекают переменные токи, электрическую энергию мы используем для работы различных электрических приборов, с помощью переменных электрических и магнитных полей мы осуществляем видео- и аудио- связь.
Механические и электромагнитные колебания подчиняются совершенно одинаковым количественным законам. Но если механические колебания наблюдать довольно просто, то наблюдение электромагнитных колебаний связано с определенными трудностями, т.к. мы не видим ни заряда конденсатора, ни тока в катушке.
На сегодняшний день у Вас есть все необходимые знания, для того чтобы изучить теорию электромагнитных колебаний.
Фронтальный опрос
§ Электрическое поле и его свойства.
§ Магнитное поле.
§ Вихревое электрическое поле.
§ ЭМ индукция.
§ Закон ЭМ индукции.
§ Магнитный поток.
§ Явление самоиндукции.
§ Индуктивность.
§ Емкость. Конденсаторы и их соединение.
§ Энергия магнитного поля.
§ Энергия электрического поля.
*Давайте вернемся к теории механических колебаний и послушаем ответы ваших одноклассников…
Сегодня мы убедимся с вами, что колебательные процессы описываются одинаковыми понятиями и единообразными математическими уравнениями, поэтому академик Леонид Исаакович Мандельштам подошел к изучению колебаний различной физической природы с единых позиций.
Огромная роль электромагнитных колебаний в нашей жизни делает необходимым их изучение.
Сообщение о значении электромагнитных колебаний.
В сообщении вы услышали много, на первый взгляд непонятных для вас фактов, и прав был Цицерон, который считал, что:
Погружение в науку может быть бесконечным.
И это погружение надо начинать с изучения элементарных фактов – электромагнитных колебаниях, причин их возникновения.
План урока:
1. Электромагнитные колебания.
2. Электромагнитный колебательный контур.
3. Уравнение и график электромагнитных колебаний.
4. Характеристики электромагнитных колебаний.
5. Затухание электромагнитных колебаний.
6. Сравните колебания различной природы.
Рассмотрим эксперимент, схема которого изображена на слайде №
(Демонстрируется 1 часть эксперимента « Электромагнитные колебания»)
Вывод:в электрической цепи возникает ток, периодически меняющийся и по амплитуде и по направлению, следовательно, периодически изменяются по модулю и направлению напряженность электрического поля в конденсаторе и индукция магнитного поля в катушке.
Электромагнитные колебания - одновременные периодические изменения взаимосвязанных электрического и магнитного полей.
Классификация электромагнитных колебаний
I.По способу возбуждений колебаний:
1)Свободные
2)Вынужденные
3)Авто колебания
4)Параметрические
II.По характеру колебаний (зависимость величин от времени Х(t),Vx(t),Ax(t)
1)Гармонические
2)Негармонические
Свободные электромагнитные колебания- электромагнитные колебания, происходящие в колебательном контуре за счёт расходования сообщённой этому контуру энергии, которая в дальнейшем не пополняется.
Вынужденные колебания – колебания, возникающие в цепи под действием внешней периодической электродвижущей силы.
Вернемся к свободным колебаниям, возникающим в цепи, состоящей из конденсатора и катушки.
Колебательный контур – замкнутая электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных катушки индуктивности и конденсатора.
Электромагнитные колебания происходят в колебательном контуре за счет расходования сообщенной ему энергии.
Когда ключ находится в положении 1 цепь контура разомкнута, а конденсатор заряжается от источника токаE.В положении 2 цепь контура замкнута и конденсатор разряжается через катушку. При разряде конденсатора через катушку индуктивности в контуре возникает ток, периодически изменяющийся и по амплитуде, и по направлению. Следовательно, периодически изменяются по модулю и по направлению напряженность электрического поля в конденсаторе и индукция магнитного поля в катушке.
Эксперимент «Свободные электромагнитные колебания в контуре» (TV).
Вывод:
Рассмотрим процесс превращения энергии в колебательном контуре без активного сопротивления. Процессы, происходящие в таком контуре, описывал лорд Уильям Томсон и контур получил название – идеальный контур Томсона.
Работа по слайду №
а)t=0,
конденсатор заряжается, иUна обкладках конденсатора максимальны, тока в контуре нет. Следовательно, отсутствует магнитное поле.
б) 0<t<
Вся энергия контура заключена в его электрическом поле
Конденсатор разряжается, создает в контуре токI, при этом в катушке, согласно правилу Ленца, возникает ЭДС самоиндукции, припятствующая нарастанию этого тока. При разрядке конденсатора уменьшаются ,U, следовательно уменьшается энергия электрического поля в конденсаторе. Сила токаIи индукция магнитного поля тока увеличиваются, т.е. возрастает энергия магнитного поля в катушке индуктивности. Следовательно энергия магнитного поля увеличивается за счет уменьшения электрической
в)t=
Конденсатор полностью разряжается,U=0, электрическое поле в нем отсутствует.qи достигают максимального значения. Вся энергия заключена в магнитном поле.
г)<t<
Так какUс=0, то и ток должен прекратится, но при уменьшенииiвозникает ЭДС самоиндукции, поддерживающая убывающий ток в прежнем направлении. В результате конденсатор перезаряжается, нижняя пластина +q, верхняя –q. Следовательно, в конденсаторе появляется электрическое поле, направлен снизу вверх. ,iубывает, аUи возрастают, следовательно, магнитная энергия превращается в электрическую.
д)
i = 0,=0,аU=max, E= max,и
е)
Конденсатор начинает разряжаться, токiнаправлениеi,B. Из-за явления самоиндукции нарастание происходит постепенно:
ж)
=0,i= , =max. Вся энергия превратилась в энергию магнитного поля.
з)
Возникающая в катушке ЭДС самоиндукции поддерживает убывающий ток и перезаряжает конденсатор. Верхняя обкладка заряжается положительно, нижняя – отрицательно.
i¯,B¯,Uс,, следовательно
и)
Ток в контуре прекращается, исчезает магнитное поле,
аUс=max, =max, следовательно вся энергия колебательного контура заключена теперь в его электрическом поле
Таким образом завершается полное колебание. В дальнейшем процессы повторяются.
Перейдем к количественное теории процессов в колебательном контуре.
Найдем зависимость от времени силы тока в катушке к напряжению на конденсаторе идеального колебательного контура при возникновении свободных электромагнитных колебаний.
Решением уравнение, является функция, , проверим справедливость этого уравнения.
Так как , то
Вывод: колебания силы тока в контуре опережают по фазе колебания заряда на .
Решением свободных электромагнитных колебаний может быть и выражение вида: , это в случае, если колебания в контуре возбуждаются за счет получения катушки в переменное магнитное поле.
Характеристики электромагнитных колебаний.
Самостоятельная работа по учебнику.
Амплитуда – модуль наибольшего значения колеблющихся величин.
(, , , , , , ).
Период – минимальный промежуток времени, через который процесс повторяется.
, ,
Частота – число колебаний в единицу времени.
Частота циклическая – число колебаний за секунды.
, ,
Фаза- величина, стоящая под знаком синуса или косинуса, однозначно
определяет состояние колебательной системы в любой момент времени.
p=wt=,
Учитывая, что , а отношение показывает какая часть периода прошла от момента начала колебаний, то любому значению времени, выраженному в долях периода, соответствует значение фазы, выраженное в радианах.
Так, по прошествии времени.
,
,
,
Следовательно можно графически изобразить зависимость заряда не от времени, а от фазы. Наибольшую роль играет не сама фаза, а сдвиг фаз между различными колебаниями. Мы в этом убедимся при изучении переменного тока.
Говоря о свободных колебаниях, мы не учитывали сопротивление колебательного контура.
Идеализация позволяет упругость рассмотрения свободных колебаний, но свободные электромагнитные колебания в реальном контуре затухают, т.к. энергия запасенная в контуре непрерывно расходуется на выделение тепла.
Оценим условия, при которых можно потерями пренебречь, мы оценим порядок величины, а не точное значение.
Начальная энергия контура .
Количество теплоты, выделяющееся в контуре за период .
Сравним эти величины, еслиQ<WM, то видно, что пренебречь затуханием можно, если тепловые потери за период много меньше начальной энергии контура, т.е. , так как , то ,
Это и есть условие, когда затуханием в течение некоторого времени, много большего периода, можно пренебречь и считать свободные колебания близкими к гармоническим.
Качественно это можно показать на опыте, уменьшая емкость и увеличивая индуктивность.
Если свободные колебания вообще не возникают: энергия заряженного конденсатора превратится во внутреннюю энергию резистора и перезарядки конденсатора не произойдет.
Величина называется добротностью контура.
Если , то колебания можно считать гармоническими, а контур в котором происходят такие колебания – идеальными.
Итог.
1.В колебательном контуре возникают гармонические колебания заряда и силы тока: ,
2.Собственная частота гармонических колебаний в колебательном контуре и период определяются только параметрами контураLиCи не зависят от начальных условий.
3.Амплитуда колебаний и определяется начальным запасом энергии контуре.
,
Вопросы по повторению
1.Что называют электромагнитным контуром.
2.Что такое колебательный контур.
3.Классификация электроколебаний.
4.Назовите характеристики электромагнитных колебаний.
5.Какие превращения энергии происходят в колебательном контуре.
7.Какой вид имеет решение уравнения свободных электромагнитных колебаний.
8.Почему колебания в реальном контуре прекращаются с течением времени ?
Выполнение проверочного теста (по вариантам (В-1, В-2), в течение 10 минут)
Решение задач:
1.
2. Колебательный контур содержит конденсатор емкостью ф и катушку с индуктивностью 1 мГн. В начальный момент времени заряд конденсатора был равен нулю, а сила тока равнялась 3А.
а) определите значения характеристик свободных колебаний тока и заряда в этом контуре;
б) нарисуйте график зависимостиi(t) и q(t);
г) выведите формулы, выражающие изменение со временем энергии электрического поля конденсатора и энергии магнитного поля катушки
Итак, электромагнитные колебания в контуре имеют сходство со свободными механическими колебаниями тела, это сходство относится не к природе самих величин, которые периодически изменяются, а к процессам периодического изменения различных величин.
[Самостоятельная работа с книгой § 13 и с таблицей в ОК.]
