Конспект урока по физике "Колебательный контур. Возникновение электромагнитных колебаний в колебательном контуре"

Урок 45

Тема. Колебательный контур.

Возникновение электромагнитных колебаний в колебательном контуре. Частота собственных колебаний контура.

Превращение энергии в колебательном контуре

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 = +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.
3                    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.
4                    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
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 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:

+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:     ;    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

	T = 2

 

                                                                                                            = с

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.

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: § 42 (читать), конспект (выучить)

Краткое описание документа:

На уроке по теме "Колебательный контур. Возникновение электромагнитных колебаний в колебательном контуре" учащиеся знакомятся с понятиями "электромагнитные колебания", “колебательный контур”; познают универсальность основных закономерностей колебательных процессов для колебаний любой физической природы; убеждаются в том, что колебания в идеальном контуре являются гармоническими; раскрывают физический смысл характеристик колебаний;