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

Тема. Колебательный контур.  Превращение энергии при электромагнитных колебаниях Цели урока:       ввести   понятия:   “электромагнитные   колебания”, обучающие: “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;   достоверность естественнонаучной информации;    формирование оценивать   умений    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 1. Организационный момент Ход урока 2. Актуализация опорных знаний. Постановка цели урока 1Давайте 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. 2В 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       заряжен от Конденсатор источника тока, причём верхняя пластина заряжена зарядом «+», а   нижняя   –   зарядом   «­«.   Таким образом, заряд верхней пластины 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 3q = +qm Напряжение между обкладками                      u = Um 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: Wэ =  .  2 mq 2 C   возникает индуктивностью   L,   при   возникновении магнитного   поля   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 = Im. Конденсатор разряжается, т.е. заряд обкладок                    q = 0, и напряжение между обкладками                   u =0. Т.к.   конденсатор   разряжен,   то   энергия электрического поля Т.к. тока в цепи  нет, то энергия магнитного поля  Wэ = 0, а энергия магнитного поля максимальна:  Wм = 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. Wм =  . 2 mLI 2 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. t =    Конденсатор разрядился, и сила тока должна уменьшиться до нуля, но, опять же, благодаря наличию   в   контуре   катушки   индуктивности,   при   уменьшении   тока   в   цепи   переменное 4магнитное поле создаёт ток самоиндукции, который теперь уже направлен  так же, как и ток в контуре (он его поддерживает), но ещё некоторое время ток в контуре продолжает протекать.. Его направление такое же, как в предыдущей ситуации, и конденсатор начинает заряжаться, причём верхняя пластина заряжается отрицательным зарядом, а нижняя – положительным. Заряд верхней пластины   q = ­ qm, напряжение                        u = Um, сила тока                             i = 0. ;   Wм = 0 (т.к. сила тока равна 0). Wэ =  2 mq 2 C Эта ситуация аналогична ситуации, когда груз на нити находится в крайнем левом положении при   его   движении   из   состояния   равновесия.   Кинетическая   энергия   снова   превращается   в потенциальную. t =    После зарядки конденсатор начинает разряжаться. Ток направлен от положительной пластины к   отрицательной   через   колебательный   контур.   Благодаря   катушке   с индуктивностью   L,   конденсатор   разряжается   не   мгновенно,   а   за   некоторый промежуток   времени.   Переменное   магнитное   поле   создаёт   ток   самоиндукции, препятствующий нарастанию тока в контуре. Поэтому ток в контуре нарастает тоже   не   мгновенно,   а   некоторое   время.   В   течение   этой   четверти   периода   конденсатор разряжается.            q = 0;   u = 0;   i = Im   (ток достигает максимума, но его направление противоположно направлению тока в контуре, как и в ситуации 2).  Wэ = 0,   Wм =  . 2 mLI 2 Эта   ситуация   аналогична   ситуации,   корда   груз   на   нити   из   крайнего   левого   положення проходит состояние равновесия. Потенциальная энергия превращается в кинетическую 5t = T Когда конденсатор разряжен, ток не может мгновенно уменьшиться до 0, т.к. при уменьшении   тока   в   контуре   возникает   ток   самоиндукции,   который   его   ещё поддерживает   некоторое   время,   т.е.   снова   конденсатор   начинает   заряжаться, причём верхняя пластина – положительно, а нижняя – отрицательно. При этом верхняя пластина достигает заряда   q = +qm; u = Um ; i = 0                                                                               Wэ =  ;   Wм = 0 2 mq 2 C Ситуация аналогична той, когда груз на нити находится в крайнем правом  положении  (см. ситуацию 1)       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:  +qm;   0;   ­qm;   0;   +qm колебания напряжения между обкладками конденсатора:                                                           Um;   0;    Um;   0;     Um  колебания силы тока:                     0;     Im;     0;     Im;     0 Обратите   также  внимание  на  то,  что  постоянно  происходит   превращение  энергии 6электрического поля в энергию магнитного поля и обратно. ;    0;     Wэ:      2 mq 2 C 2 mq 2 C ;    0;     Wм:      0;     ;     0;     2 mLI 2 2 mLI 2 2 mq 2 C ;   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 = 2   LC  = с  T Частота электромагнитных колебаний – число колебаний за единицу времени (1 с)                                                            1 T  1  2 LC             =      1 c  Гц 7Циклическая частота колебаний – число колебаний за 2 секунд Связь циклической частоты с периодом и частотой колебаний:     Таким образом,  2     2 T  =          рад с Колебания   в   реальном   колебательном   контуре   затухают   из­за   потерь   энергии   на нагревание провода. Посмотрите график зависимости заряда на обкладке конденсатора от времени.  1 LC 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 81) 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)   9