Конспект урока по физике "Колебательный контур. Превращение энергии при электромагнитных колебаниях"

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   морально­этической   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 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     тока, Конденсатор   заряжен   от источника   причём верхняя   пластина   заряжена зарядом   «+»,   а   нижняя   – зарядом   «­«.   Таким   образом, заряд верхней пластины                     q = +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 .  Т.к. тока в цепи  нет, то энергия магнитного поля  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. 2.   t =  T   1 4   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   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 значения.   а энергия магнитного поля максимальна:  Wэ = 0, 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. 3 t =  1 T   2 Конденсатор разрядился, и сила тока должна уменьшиться до нуля, но, опять же, благодаря  наличию  в  контуре катушки  индуктивности,  при  уменьшении  тока  в цепи переменное магнитное 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. Wэ =  ;   Wм = 0 (т.к. сила тока равна 0). 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. 3 4 T   t =  4 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).  Эта   ситуация   аналогична   ситуации,   корда   груз   на   нити   из   крайнего   левого   положення проходит состояние равновесия. Потенциальная энергия превращается в кинетическую Wэ = 0,   Wм =  2 mLI 2 . 5 t = 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:  колебания напряжения между обкладками конденсатора: +qm;   0;   ­qm;   0;   +qm                                                           Um;   0;    Um;   0;     Um  колебания силы тока:                     0;     Im;     0;     Im;     0 Обратите   также  внимание  на  то,  что  постоянно  происходит   превращение  энергии электрического поля в энергию магнитного поля и обратно. Wэ:      2 mq 2 C ;    0;     2 mq 2 C ;    0;     2 mq 2 C Wм:      0;     Итак, 2 mLI 2 ;     0;     2 mLI 2 ;   0     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    T  = с Частота электромагнитных колебаний – число колебаний за единицу времени (1 с)                                                            1 T  1  2 LC                =  1 c  Гц Циклическая частота колебаний – число колебаний за 2 секунд Связь циклической частоты с периодом и частотой колебаний:     2    Таким образом,   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 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)