Ученики на Учителя.com


Конспект урока "Колебательный контур. Превращение энергии при электромагнитных колебаниях" 11 класс

Тема. Колебательный контур.
Превращение энергии при электромагнитных колебаниях
Подготовила учитель физики
ГУ «Луганская школа № 18»
Карасёва Ирина Дмитриевна
Цели урока:
• обучающие: ввести понятия: “электромагнитные колебания”, “колебательный контур”;
показать универсальность основных закономерностей колебательных
процессов для колебаний любой физической природы; показать, что
колебания в идеальном контуре являются гармоническими; раскрыть
физический смысл характеристик колебаний;
• развивающие: развитие познавательных интересов, интеллектуальных и творческих
способностей в процессе приобретения знаний и умений по физике;
формирование умений оценивать достоверность естественнонаучной
информации;
• воспитательные: воспитание убежденности в возможности познания законов природы;
использования достижений физики на благо развития человеческой
цивилизации; необходимости сотрудничества в процессе
совместного выполнения задач, готовности к морально-этической
оценке использования научных достижений, чувства ответственности
за защиту окружающей среды.
Тип урока: урок усвоения новых знаний
Форма проведения: лекция
Ход урока
1. Организационный момент
2. Актуализация опорных знаний. Постановка цели урока
Давайте вспомним, что мы знаем о механических колебаниях.
• Назовите системы, в которых возникают механические колебания
(Математический маятник, пружинный маятник)
• Когда возникают механические колебания? (Когда тело выводят из
положения равновесия и отпускают)
• Какими бывают механические колебания? (Свободными или вынужденными,
затухающими или незатухающими)
• Какими свойствами должна обладать система для того, чтобы в ней могли
возникнуть свободные колебания? (В колебательной системе должна
возникать возвращающая сила и происходить превращение энергии из одного
вида в другой, трение в системе должно быть достаточно мало)
• Какие колебания называют вынужденными? (Колебания, происходящие при
постоянном действии на тело вынуждающей силы)
• Назовите причину затухания механических колебаний (Сила трения о воздух)
В электрических цепях, так же как и в механических системах, таких как груз на
пружине или математический маятник, могут возникать свободные колебания. Сегодня
мы приступаем к изучению таких систем. Тема сегодняшнего урока: “Колебательный
контур. Возникновение электромагнитных колебаний в колебательном контуре.
Частота собственных колебаний контура. Превращение энергии в колебательном
контуре”.
3. Изложение нового материала
Сегодня мы рассмотрим, почему в колебательном контуре происходят колебания и
как возникают электромагнитные колебания. Что же такое электромагнитные колебания?
Электромагнитные колебания – периодические изменения электромагнитных величин
(электрического заряда, силы тока и напряжения)
Простейшая система, в которой могут возникать свободные электромагнитные
колебания, – колебательный контур. Он состоит из конденсатора и катушки, которая
присоединена к его обкладкам.
Колебательный контур – система, состоящая из конденсатора и катушки,
присоединённой к его обкладкам.
В такой колебательной системе возникают свободные электромагнитные колебания –
колебания силы тока, заряда и напряжения.
Чтобы в контуре начались колебания, ему нужно сообщить энергию, т.е. зарядить
конденсатор.
Посмотрите на схему, на которой показано, как можно зарядить конденсатор.
Когда ключ переводится в положение 1, то конденсатор заряжается от источника
тока; если же в положение 2 – конденсатор начинает разряжаться и в контуре возникают
колебания силы тока, заряда и напряжения. Почему?
Рассмотрим процессы, происходящие в колебательном контуре в различные
моменты времени.
Вам известно, что период – это время, за которое совершается одно полное
колебание. Будем рассматривать процессы, происходящие в колебательном контуре через
каждую четверть периода.
1. t=0
Конденсатор заряжен от
источника тока, причём
верхняя пластина заряжена
зарядом «+», а нижняя –
зарядом «-«. Таким образом,
заряд верхней пластины
q = +q
m
Напряжение между обкладками
u = U
m
и ещё не началась разрядка конденсатора,
сила тока в цепи
i = 0
Маленькими буквами q, i, u мгновенные
значения величин.
В этом случае вся энергия системы
представляет энергию электрического поля
конденсатора:
W
э
=
2
2
m
q
C
.
Т.к. тока в цепи нет, то энергия магнитного
поля
W
м
= 0.
Эта ситуация аналогична ситуации с
механическими колебаниями груза на нити,
а именно тому положению, когда груз
отклонили вправо, то есть сообщили системе
энергию. Вся энергия системы представляет
в этом случае потенциальную энергию
груза, поднятым над нулевым уровнем.
2. t =
1
4
T
Конденсатор должен
разрядиться. В цепи появляется
электрический ток, который
протекает от «+» к «-«. Однако,
благодаря тому, что в контуре
есть катушка с индуктивностью L, при
возникновении магнитного поля возникает ток
самоиндукции. Он направлен против тока в
катушке и не позволяет току в контуре
мгновенно достичь максимального значения.
Поэтому конденсатор разряжается не
мгновенно, а через некоторый промежуток
времени. При этом сила тока достигает
максимального значения: i = I
m
.
Конденсатор разряжается, т.е. заряд обкладок
q = 0,
и напряжение между обкладками
u =0.
Т.к. конденсатор разряжен, то энергия
электрического поля
W
э
= 0,
а энергия магнитного поля максимальна:
W
м
=
2
2
m
LI
.
Эта ситуация аналогична ситуации, когда груз
на нити из крайнего правого положения
проходит положение равновесия. В этом
состоянии его скорость максимальна, а
значит, потенциальная энергия превращается
в кинетическую.
1
2
T
2
2
m
q
C
3
4
T
2
2
m
LI
2
2
m
q
C
Ситуации 1 и 5 абсолютно идентичны, то есть все рассмотренные нами процессы
произошли за один период. Дальше снова начинается разрядка конденсатора, потом
зарядка противоположным знаком и т.д., т.е. за время, равное одному периоду, произошли
колебания в колебательном контуре. Рассмотрим, как происходили колебания заряда
верхней обкладки конденсатора через каждую четверть периода:
+q
m
; 0; -q
m
; 0; +q
m
колебания напряжения между обкладками конденсатора:
U
m
; 0; U
m
; 0; U
m
колебания силы тока: 0; I
m
; 0; I
m
; 0
Обратите также внимание на то, что постоянно происходит превращение энергии
электрического поля в энергию магнитного поля и обратно.
W
э
:
2
2
m
q
C
; 0;
2
2
m
q
C
; 0;
2
2
m
q
C
Wм: 0;
2
2
m
LI
; 0;
2
2
m
LI
; 0
Итак,
в колебательном контуре происходят колебания заряда, силы тока и напряжения.
Причиной является наличие в контуре катушки индуктивности. Процесс зарядки и
разрядки конденсатора не происходит мгновенно, а через некоторый промежуток
времени. Каждую четверть периода происходит превращение энергии электрического
поля в энергию магнитного поля, и обратно.
А от чего же зависит период колебаний в колебательном контуре?
Период колебаний в контуре зависит от ёмкости конденсатора и индуктивности
катушки:
Т ~L, Т ~ С
Период колебаний – время одного полного колебания
T
= с
Частота электромагнитных колебаний – число колебаний за единицу времени (1 с)
=
1
Гц
c
Циклическая частота колебаний – число колебаний за 2
секунд
Связь циклической частоты с периодом и частотой колебаний:
=
рад
с
Таким образом,
T = 2
LC
11
2
T
LC

2
2
T
Колебания в реальном колебательном контуре затухают из-за потерь энергии на
нагревание провода. Посмотрите график зависимости заряда на обкладке конденсатора от
времени.
Когда по проводнику течёт ток, он нагревает проводник, на что затрачивается часть
энергии, и колебания постепенно затухают (уменьшается амплитуда колебаний).
Мы рассматривали сегодня колебания в колебательном контуре, которые не
затухали. Эти колебания могут происходить только в том случае, когда колебательный
контур идеальный (как математическая модель), либо в случае, когда колебательный
контур находится в сверхпроводящем состоянии, т.е. сопротивление контура R = 0.
Когда сопротивление контура R = 0, то колебания в контуре не затухают.
4. Подведение итогов урока
1) Электромагнитные колебания – периодические изменения электромагнитных
величин (электрического заряда, силы тока и напряжения).
2) Колебательный контур – система, состоящая из конденсатора и катушки,
присоединённой к его обкладкам.
3) Если R = 0, то в колебательном контуре возникают незатухающие колебания
заряда, силы тока и напряжения, причём у тока меняется не только значение, но и
направление.
4) В колебательном контуре происходит превращение энергии (электрической в
магнитную и обратно). При отсутствии сопротивления полная энергия
электромагнитного поля остаётся постоянной и равна сумме энергий
электрического и магнитного полей.
5) Период колебаний зависит от индуктивности катушки и ёмкости конденсатора.
6) Частота колебаний – величина, обратная периоду
7) Циклическая частота – число колебаний за 2
секунд.
5. Домашнее задание: § 48 (читать), конспект (выучить)
1
LC
Скачать материал

Физика - еще материалы к урокам: