Электромагнитные колебания icon

Электромагнитные колебания





Скачать 150.04 Kb.
НазваниеЭлектромагнитные колебания
Дата конвертации28.03.2013
Размер150.04 Kb.
ТипУрок
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.

5. Таблица «Электромагнитные колебания»

6. Радиоприемник.


Эксперимент:

1. Демонстрация колебаний нитяного маятника.

2. Демонстрация колебаний пружинного маятника.

3. Демонстрация работы радиоприемника.

4. Демонстрация свободных электромагнитных колебаний.

5. Демонстрация 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 частотой W, 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:

  1. С,

L,  т.к.

  1. R, скорость затухания растет и при некотором значение R колебания 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 через L и 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 изменение W при уменьшении С и L.

4. Изменить сопротивление R. 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




  1. 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.


Демонстрация вынужденных электромагнитных колебаний.

Колебания переменного тока. Осциллограмма переменного тока.

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 тока E. 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, и U на обкладках конденсатора максимальны, тока в контуре нет. Следовательно, отсутствует магнитное поле.



б) 0

Вся энергия контура заключена в его электрическом поле

Конденсатор разряжается, создает в контуре ток I , 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 тока I и 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. q и достигают максимального значения. Вся энергия заключена в магнитном поле.


г)

Так как Uс=0, то и ток должен прекратится, но при уменьшении i возникает 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. , i убывает, а U и возрастают, следовательно, магнитная энергия превращается в электрическую.



д)

i = 0, =0, а U=max, E= max, и

е)

Конденсатор начинает разряжаться, ток i направление i, 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,
а Uс= 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.


I способ




Колебательный контур – замкнутая электрическая цепь.

По закону Ома для полной цепи имеем:

,

- ЭДС самоиндукции, возникающая в контуре.


Uс - разность потенциалов на обкладках конденсаторов

, т.к. ,

, , т.к. контур – идеальный, то R=0

Получим

,

, так как L > 0, C > 0, то




- это уравнение свободных гармонических колебаний.


II способ

Уравнение свободных гармонических колебаний в идеальном контуре Томсона можно получить с помощью закона сохранения энергии.

Самостоятельная работа с учебником

Мякишев Г.Я. Буховцев Б.Б. Физика. 11 класс





, т.к. , ,





, так как L > 0, C > 0, то








Уравнение свободных электромагнитных колебаний аналогично уравнению свободных механических 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, если QM, 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 контура L и C и не зависят от начальных условий.




  1. 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.

  6. Назовите уравнение свободных электромагнитных колебаний.

  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 зависимости i(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.]

Добавить документ в свой блог или на сайт
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:

Похожие:

Электромагнитные колебания iconЭлектромагнитные волны, электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды. Электромагнитной волной

Электромагнитные колебания iconНачну с того, что однажды я задумалась над словами,,Электромагнитные волны,, и,,Электромагнитные колебания,, в том смысле, означают ли они одно и тоже явление

Электромагнитные колебания iconС I l wэ =; Wм =; + = const; Wэ+ Wм= Wэмах= Wммах Если r ≠ 0, то наблюдаются затухающие колебания
Электромагнитные колебания – это процесс периодического изменения электромагнитных величин, характеризующих ускоренное движение электрического...

Электромагнитные колебания iconТс – электромагнитные колебания

Электромагнитные колебания iconЭлектромагнитные колебания

Электромагнитные колебания iconЭлектромагнитные колебания и волны 1

Электромагнитные колебания iconТема урока «электромагнитные колебания»

Электромагнитные колебания iconЭлектромагнитные колебания и волны. Переменный ток

Электромагнитные колебания icon«Электромагнитные колебания. Основы сто» Задание 1

Электромагнитные колебания iconСамостоятельная работа по теме «Свободные электромагнитные колебания» А1



База данных защищена авторским правом © 2018
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
поиск