Карасева Ирина Дмитриевна

Конспект урока физики «Колебательный контур. Превращение энергии при электромагнитных колебаниях» (11 класс)

Материал опубликован 10 February 2017

Тема. Колебательный контур.

Превращение энергии при электромагнитных колебаниях

Подготовила учитель физики

ГУ «Луганская школа № 18»

Карасёва Ирина Дмитриевна

Цели урока:

обучающие: вв ести 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: разв итие 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; необх одимости 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

Организационный момент

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”.

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.

t=0

Конденсатор заряжен от источника тока, 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 = .

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 =

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 = Im.

Конденсатор разряжается, т.е. заряд обкладок

q = 0,

и напряжение между обкладками

u =0.

Т.к. конденсатор разряжен, то энергия электрического поля

Wэ = 0,

а энергия магнитного поля максимальна:

Wм = .

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 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).

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 = .

Эта ситуация аналогична ситуации, корда груз на нити из крайнего левого положення проходит состояние равновесия. Потенциальная энергия превращается в кинетическую

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

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 электрического поля в энергию магнитного поля и обратно.

Wэ: ; 0; ; 0;

Wм: 0; ; 0; ; 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

Частота электромагнитных колебаний – число колебаний за единицу времени (1 с)

Циклическая частота колебаний – число колебаний за 2 секунд

Связь циклической частоты с периодом и частотой колебаний:

Таким образом,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.

Подведение итогов урока

Электромагнитные колебания – периодические изменения электромагнитных величин (электрического заряда, силы тока и напряжения).

Колебательный контур – система, состоящая из конденсатора и катушки, присоединённой к его обкладкам.

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.

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.

Период колебаний зависит от индуктивности катушки и ёмкости конденсатора.

Частота колебаний – величина, обратная периоду

Циклическая частота – число колебаний за 2 секунд.

Домашнее задание: § 48 (читать), конспект (выучить)