Физика
Уроки Физики
Все предметы
ВНО 2016
Конспекты уроков
Опорные конспекты
Учебники PDF
Учебники онлайн
Библиотека PDF
Словари
Справочник школьника
Мастер-класс для школьника

ВСЕ УРОКИ ФИЗИКИ
11 КЛАСС

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

 

2-й семестр

 

Колебания и волны

УРОК 10/32

Тема. Свободные электрические колебания в колебательном контуре

 

Цель урока: выяснить механизм возникновения свободных электрических колебаний и энергетические преобразования в колебательном контуре.

Тип урока: урок изучения нового материала.

ПЛАН УРОКА

Демонстрации

5 мин.

Свободные электрические колебания

Изучение нового материала

30 мин.

1. Простейший колебательный контур.

2. Превращение энергии в колебательном контуре.

3. Резонанс

Закрепление изученного материала

10 мин.

1. Учимся решать задачи.

2. Контрольные вопросы

 

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Простейший колебательный контур

Как вы уже знаете, электрический ток может быть постоянным или переменным. Наибольшее распространение в мире получил переменный ток частотой 50-60 Гц, создаваемый индукционными генераторами. Однако для работы многих устройств (компьютеры, приемники, телефоны и др.) необходимые переменные токи высоких частот, измеряемых кілогерцами (кГц) и мегагерцами (МГц). Для их создания применяют специальные электрические цепи - колебательные контуры.

Любой колебательный контур состоит из конденсатора и катушки индуктивности. Рассмотрим его работу на опыте. Для этого соберем круг по схеме (рис. а). Сначала конденсатор получает энергию от источника постоянного тока. При этом верхняя пластина заряжается положительно, а нижняя негативно - на ней накапливается избыток электронов. Перемкнімо конденсатор на катушку индуктивности (рис. б). Избыток электронов из нижней пластины конденсатора перекинется через катушку к верхней пластины, и в цепи возникнет нарастающий электрический ток. В результате этого катушка становится электромагнитом и создает вокруг себя магнитное поле.

 

image128

 

Через явление самоиндукции после разрядки конденсатора ток не прекращается мгновенно, а будет продолжать течь еще некоторое время в том же направлении, снова заряжая пластины конденсатора. После этого весь процесс повторится в обратном направлении, и колебательный контур вернется в исходное состояние.

Описанный процесс перезарядки конденсатора через катушку повторяется через равные промежутки времени. При этом периодически меняются значения электрического заряда конденсатора, напряжения на нем и силы тока в контуре.

Периодические изменения электрического заряда, силы тока и напряжения в цепях называют электромагнитными колебаниями.

При отсутствии потерь энергии в контуре электромагнитные колебания будут гармоническими, т.е. значение электрического заряда, силы тока и напряжения в цепи изменяются по закону синуса или косинуса.

Английский физик Томсон вывел формулу для периода электромагнитных колебаний в контуре:

Используя формулу Томсона, можно определить собственную частоту колебаний колебательного контура:

image127

2. Превращение энергии в колебательном контуре

Зарядка конденсатора аналогичное отклонению пружинного маятника от положения равновесия, а энергия электрического поля заряженного конденсатора - потенциальной энергии деформированной пружины.

Если конденсатор заряжен до напряжения Um, то его заряд будет равен qm = CUm . В этом состоянии энергия электрического поля максимальна и равна . Это состояние эквивалентно состоянию пружинного маятника, когда пружину растянули на х и передали механической колебательной системе потенциальную энергию . Когда конденсатор полностью разрядится, энергия магнитного поля максимальна и равна . Это состояние эквивалентно состоянию пружинного маятника, когда груз на пружине в положении равновесия имеет максимальную скорость. Кинетическая энергия маятника при этом равна . Когда сила тока уменьшится до нуля, конденсатор окажется перезаряженным. Если потерь энергии в контуре нет, напряжение и заряд конденсатора равны начальным. Во время колебания груза на пружине этому моменту соответствует его остановка в крайнем верхнем положении, когда потенциальная энергия максимальна.

Затем конденсатор снова начнет разряжаться и в контуре возникнет ток обратного направления, энергия электрического поля заряженного конденсатора будет уменьшаться, а магнитного - расти. В определенный момент времени конденсатор разрядится, сила тока и энергия магнитного поля достигнут максимальных значений. Это соответствует прохождению грузом положения равновесия.

Необходимо подчеркнуть еще раз, что максимальная энергия, накопленная в конденсаторе, во время колебаний преобразуется в энергию магнитного поля катушки. Процесс превращения одного вида энергии в другой продлится до тех пор, пока в круге будут происходить колебания.

3. Резонанс

Осциллограмма показывает, что колебания в колебательном контуре являются затухающими. Так происходит потому, что катушка индуктивности и соединительные провода имеют электрическое сопротивление. Итак, согласно закону Джоуля-Ленца, энергия электрического тока будет постепенно превращаться в теплоту. Поскольку свободные колебания в контуре всегда являются затухающими, колебательный контур необходимо постоянно підживалювати энергией от внешнего источника питания. Для этого необходимо соединить колебательный контур с внешним источником переменного напряжения. В этом случае колебания будут вынужденными.

Резонанс - явление, которое заключается в том, что при некоторой частоты змушувальнои силы колебательная система оказывается особенно чувствительной к действию этой силы. В колебательном контуре сила тока максимальна, если частота переменного напряжения, приложенного к контуру, равна собственной частоте контура:

Резонансом в электрическом колебательном контуре называется явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой колебательного контура.

Чтобы обеспечить резонанс колебательный контур периодически с частотой колебаний в контуре подключают к источнику тока. Сам же колебательный контур управляет этими подключениями с помощью электронного устройства (например, транзистора).

 

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Что такое свободные и вынужденные колебания?

2. Почему колебания в колебательном контуре не прекращаются в тот момент, когда заряд конденсатора становится равным нулю?

3. Возникнут ли колебания в колебательном контуре, если заменить катушку индуктивности резистором?

4. Какие превращения энергии происходят во время свободных незатухаючих колебаний в колебательном контуре?

Второй уровень

1. Или будут происходить электрические колебания в контуре, если передать энергию катушке индуктивности, а не конденсатору?

2. Чему равна энергия контура в произвольный момент времени?

3. От чего зависит период свободных электромагнитных колебаний в контуре?

 

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Где сосредоточится энергия при свободных колебаний в контуре через 1/8, 1/4, 1/2 и 3/4 периода после того, как начнет разряжаться конденсатор?

2. Период свободных электромагнитных колебаний в контуре, состоящем из конденсатора емкостью 400 мкФ и катушки с индуктивностью 90 мГн?

3. Какая частота свободных электромагнитных колебаний в контуре, состоящем из конденсатора емкостью 250 пФ и катушки с индуктивностью 40 мкГн?

 

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

· Электрическим колебательным контуром называется электрическая цепь, состоящая из конденсатора С и катушки L.

· Периодические изменения электрического заряда, силы тока и напряжения в цепях называют электромагнитными колебаниями.

· Формула Томсона:

· Резонансом в электрическом колебательном контуре называется явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой колебательного контура.

 

Домашнее задание

1. Подр.: § 22.

2. 3б.:

Рів1 № 11.4; 11.9; 11.10; 11.12.

Рів2 № 11.20; 11.21; 11.22, 11.24.

Рів3 № 11.38, 11.39; 11.40; 11.41.