Разработка урока физики по теме "Механические и электромагнитные колебания. Колебательные системы"

• 1 слайд

  Громова Татьяна Александровна МБОУ «ЧСОШ №1»
  Механические и электромагнитные колебания и колебательные системы
  механические и электромагнитные колебания подчиняются совершенно одинаковым количественным законам
  

• 2 слайд

  Громова Татьяна Александровна МБОУ «ЧСОШ №1»
  Колебательное движение – движение точно или почти точно повторяющееся через равные промежутки времени.
  
  Гармонические колебания – колебания подчиняющиеся законам синуса или косинуса
  
  Резонанс – явление резкого возрастания амплитуды колебаний при совпадении частоты, вынуждающей силы с собственной частотой колебательной системы.
  Типы колебательных
  систем
  Схема работы амортизатора
  Математический
  маятник
  
  Пружинный
  маятник
  
  Колебательный
  Контур
  

• 3 слайд

  Громова Татьяна Александровна МБОУ «ЧСОШ №1»
  Схематическое представление типов колебательных систем
  Математический маятник
  Пружинный маятник
  Колебательный контур
  

• 4 слайд

  Громова Татьяна Александровна МБОУ «ЧСОШ №1»
  А – максимальное отклонение тела от состояния равновесия
  x – смещение, отклонение от положения равновесия
  T– период, время одного полного колебания
  V– частота, число колебаний в единицу времени
  ω– циклическая частота, число колебаний в 2 секунды
  а , U, f– мгновенные значения ускорения, скорости, силы
  аm, Um, Fm - амплитудные значение ускорения, скорости, силы
  φ – фаза колебаний – величина, стоящая под знаком sin или cos в решении уравнения гармонических колебаний
  ε, i, u, q – мгновенные значения ЭДС, силы тока, напряжения, электрического заряда
  εm , Im, Um, qm – амплитудные значения ЭДС, силы тока, напряжения, электрического заряда
  Ep, Eк,–потенциальная, кинетическая энергии колеблющихся тел
  Wэ, Wм – энергии электрического поля конденсатора и магнитного поля катушки индуктивности
  Epm, Eкm,Wэm, Wмm – максимальные значения энергий
  Основные параметры колебательного движения
  

• 5 слайд

  Громова Татьяна Александровна МБОУ «ЧСОШ №1»
  Графическое представление колебательного движения
  

• 6 слайд

  Громова Татьяна Александровна МБОУ «ЧСОШ №1»
  Основные уравнения и зависимости,
  описывающие колебательные процессы
  

• 7 слайд

  Громова Татьяна Александровна МБОУ «ЧСОШ №1»
  Свободные
  Вынужденные
  Автоколебания
  Типы колебательного
  движения
  По характеру процессов, вызывающих колебательные движения
  Колебательная система предоставлена сама себе, затухающие колебания происходят за счет первоначального запаса энергии.
  Колебания происходят за счёт внешних, периодически изменяющихся сил.
  Незатухающие колебания, существующие в замкнутой системе тел без воздействия извне, за счет поступления энергии из внутреннего источника.
  

• 8 слайд

  Громова Татьяна Александровна МБОУ «ЧСОШ №1»
  Простые
  Параметрические
  Релаксационные
  Типы колебательного
  движения
  По характерным особенностям колебательной системы и ее действиям
  Проходящие без изменения в колебательной системе (колебательные системы, авто на рессорах)
  Проходящие с изменением одного или двух параметров
  (ведро на коромысле)
  Колебания с превращение одного вида энергии в другой
  (двигатель внутреннего сгорания)
  

• 9 слайд

  Громова Татьяна Александровна МБОУ «ЧСОШ №1»
  Сложение взаимно перпендикулярных колебаний
  Фигуры Лиссажу
  С одинаковой амплитудой, частотой, отличающейся в 1,5 раза и одинаковой разностью фаз
  Траектория: фигурные восьмерки
  

• 10 слайд

  Громова Татьяна Александровна МБОУ «ЧСОШ №1»
  Сложение взаимно перпендикулярных колебаний
  Фигуры Лиссажу
  С одинаковой амплитудой, частотой и разностью фаз, равной π/4
  Траектория: эллипс
  

• 11 слайд

  Громова Татьяна Александровна МБОУ «ЧСОШ №1»
  Сложение взаимно перпендикулярных колебаний
  Фигуры Лиссажу
  С одинаковой амплитудой, частотой и разностью фаз, равной π/2
  Траектория: окружность
  

• 12 слайд

  Громова Татьяна Александровна МБОУ «ЧСОШ №1»
  Сложение взаимно перпендикулярных колебаний
  Фигуры Лиссажу
  С одинаковой амплитудой, частотой, отличающейся в 2 раза и разностью фаз, равной 0
  Траектория: восьмерка
  

• 13 слайд

  Громова Татьяна Александровна МБОУ «ЧСОШ №1»
  Решение задачи
  № 1266 Степанова
  

• 14 слайд

  Громова Татьяна Александровна МБОУ «ЧСОШ №1»
  Самостоятельная работа
  по карточкам
  

• 15 слайд

  Громова Татьяна Александровна МБОУ «ЧСОШ №1»
  Домашнее задание
  §27, 29, 30.
  Опорный конспект.
  №949–Рымкевич А.П.
  

Разработка урока физики. (Презентация прилагается)

Тема урока
Механические и электромагнитные колебания. Колебательные системы
Предмет Физика
Класс 11 ( профильный)
Авторы  урока (ФИО, должность) Громова Татьяна Александровна, учитель физики.
Образовательное учреждение Муниципальное бюджетное образовательное учреждение «ЧСОШ №1 с углубленным изучением отдельных предметов» и доцент кафедры физики БГТУ им В.Г.Шухова Корнилов Андрей Викторович.
Республика/край, город/ Россия, Белгородская обл., п. Чернянка.
Методическая информация

Урок рассчитан на 2 часа
Тип урока: комбинированный - диалоговая лекция с элементами поисковой деятельность.
Цели урока
Дидактическая – создать условия для усвоения нового материала, используя поисковый метод обучения и принцип цикличности познания;
Образовательная – показать универсальных характер теории колебаний;
Развивающая – развивать когнитивные процессы учащихся, основываясь на применении научного метода познания: аналогичности и моделировании;
Воспитательная – продолжить формирование представлений о взаимосвязи явлений природы и единой физической картине мира, учить находить и воспринимать прекрасное в природе, искусстве и учебной деятельности.

Задачи урока

Обобщить  знания, умения, навыки и качества, которые актуализируют, приобретут, закрепят ученики в ходе урока.
Необходимое оборудование и материалы для учителя -
• метроном, пружинный и математический маятники;
• конденсатор, катушка индуктивности, источник питания, гальванометр, соединительные провода, осциллограф;
• компьютер;

▪ скайп и ноутбук.
для ученика -
• лист с заготовкой опорного конспекта;
• сборники задач под редакцией Г.Н. Степановой;
• дифференцированные задания на карточках.
Подробный конспект урока.
Ход и содержание урока

I. Оргмомент и мотивация урока.
II. Введение. (Учитель).
Получить электрические магнитные колебания также легко, как и заставить колебаться математический или пружинный маятники, но наблюдать эти колебания без специальных устройств невозможно.
Демонстрации: 1) колебания мятников в механических системах.
2)осциллограмма и фигура Лиссажу , наблюдаемые по скайпу с лабораторией БГУ им.Шухова.

 Слайд 1 и 2

- Каким законам подчиняются механические колебания?

(Ответ: гармоническим и закону сохранения энергии)

- Что такое гармонические колебания?

(Ответ: это колебания происходящие по закону sin или cos)

 У: Так вот есть еще колебания, называемые электромагнитными, которые подчиняются таким же законам.

- Что такое резонанс?

(Ответ: резкое возрастание амплитуды собственных колебаний.)

Слайд 2 и 3

-Какие колебательные системы вы знаете?

(Ответ: пружинный маятник, математический маятник)

У: есть еще одна система – это колебательный контур. Рассмотрим из чего он состоит: конденсатор и катушка индуктивности. Слайд 4

- Назовите параметры, характеризующие колебательные движения.

(Ответ: амплитуда, частота, период, фаза)

У: сопоставим ваши объяснения и добавим параметры электромагнитных колебаний. Рассмотрим графическое представление колебательного движения. Слайд 5 и 6

– В чём состоит закон сохранения энергии?
(Ответ. В замкнутой системе полная энергия не изменяется.)
– Как рассчитать энергию магнитного поля катушки?
(Ответ. Eм = LI²/2.)
– Как рассчитать энергию электрического поля конденсатора?
(Ответ. Еэ = CU²/2; Eэ= q²/(2C).)
– В чём заключается явление самоиндукции и как рассчитывают величину ЭДС самоиндукции и её направление?
(Ответ. Явление самоиндукции есть возникновение ЭДС индукции εsi в проводнике, в котором изменяется сила тока; ε si направлена так, чтобы противодействовать изменению силы тока и рассчитывается по формуле εsi = –LI't, где I't – производная силы тока по времени.)
– Какие колебания являются гармоническими?
(Ответ. Это колебания, при которых колеблющаяся величина зависит от времени по закону синуса или косинуса, а её вторая производная пропорциональна этой величине и имеет противоположный знак (x"t = – 2x), причём коэффициентом пропорциональности является квадрат циклической частоты.)
– Что такое сила тока? (Ответ. Это производная от заряда по времени: I = q'.)
Слайд 7
У: Как и механические колебания, электромагнитные колебания могут быть:
- свободными (затухающими)
- вынужденными (незатухающими)
 Свободные электромагнитные колебания возникают в колебательном контуре после однократного подведения энергии.

Опр. 1. Периодические или почти периодические изменения заряда, силы тока и напряжения называются электромагнитными колебаниями.
В классической механике - это низкочастотные колебания.
В квантовой механике - это высокочастотные колебания.
У: Из вывода Максвелла следует, что в природе существует единое электромагнитное поле.
Опр. 2. Одновременное периодическое изменение связанных между собой электрического и магнитного полей называется электромагнитными колебаниями.
У: Как всегда в любом разделе физики, мы стараемся изучить протекающие процессы на модели. Рассмотрим электромагнитные колебания с точки зрения преобразования энергии в колебательном контуре.
Объяснение явления: На обкладках конденсатора сосредоточен электрический заряд, после того как колебательному контуру предоставляется самостоятельность, конденсатор разряжается через катушку индуктивности, в которой возникает электрический ток. В конденсаторе сосредоточено электрическое поле с энергией W , которая по мере разрядки конденсатора, а в катушке возрастанию тока способствует магнитной энергии W .
Если контур реальный, то потери энергии электромагнитного поля неизбежны, т.к. частично энергия электромагнитного поля переходит во внутреннюю энергию проводников, диэлектрика, а также выделяется в виде джоулевого тепла на активной нагрузке (омическом сопротивлении R). В результате, в реальном контуре возникают свободные электромагнитные колебания, которые являются затухающими.
Вывод: (делают ученики) Свободные колебания, возникающие при разрядке конденсатора через катушку — затухающие электромагнитные колебания.
Демонстрация: Затухающие электромагнитные колебания на экране осциллографа, где Up – напряжение развертки.

Вывод. Вынужденные электромагнитные колебания - переменный электрический ток, являются незатухающими. Для того чтобы колебания были незатухающими, на колеблющееся тело должна действовать внешняя периодически изменяющаяся сила. Чем же будет являться внешняя сила для электрической цепи с незатухающими колебаниями? Демонстрация колебаний метронома.
Опр. (слайд 7.) Вынужденными электромагнитными колебаниями называют периодические изменения силы тока и напряжения в электрической цепи, происходящие под действием переменной Э.Д.С. от внешнего источника.
Дополнение (ученик). Роль внешней силы выполняет Э.Д.С. от внешнего источника - генератора переменного тока, работающего на электростанции. Вынужденные колебания электромагнитные обеспечивают работу электрических двигателей в станках на заводах и фабриках, приводят в действие электробытовые приборы и осветительные системы. Действие внешней переменной Э.Д.С. способно восстанавливать потерю энергии, создавать и поддерживать незатухающие электромагнитные колебания. В идеальном колебательном контуре (R=0) возникают свободные электромагнитные колебания , которые являются гармоническими.

У: Дайте определение гармоническим колебаниям.
Ответ (ученик). Гармонические колебания - это такие колебания, при которых физическая величина изменяется по закону Sin или Cos.
Воспользуемся аналогией между механическими и электромагнитными колебаниями и найдем зависимость от времени для электрических характеристик идеального колебательного контура.

Частично поисковая деятельность учащихся. (Сравнительная таблица)

(приложение №1)
Левая часть таблицы «Механические колебания» в опорном конспекте заполнена заранее. Правую часть таблицы «Электромагнитные колебания» заполняют учащиеся после комментариев учителя и в результате самостоятельного поиска. Затем проверяется оформленный материал.
 У: Для облегчения изучения электромагнитных колебаний удобно использовать электромеханические аналогии, поскольку теория колебаний имеет универсальный характер, т.е. колебательные и волновые процессы различной природы подчиняются общим закономерностям. Колебательные процессы различной природы описываются одинаковыми по виду уравнениями и имеют тождественные графические интерпретации. Академик Мандельштам отмечал: “Теория колебаний объединяет, обобщает различные области физики... Каждая из областей физики — оптика, механика, акустика — говорит на своем “национальном” языке. Но есть “интернациональный” язык, и это - язык теории колебаний... Изучая одну область, вы получаете тем самым интуицию и знания совсем в другой области”.
Характерные особенности колебательной системы .Слайд8
(Понятие декремента, времени релаксации и график затухающих колебаний - объясняют ученики)
Вывод: Свободные колебания тока, заряда, напряжения из-за энергических потерь не будут строго гармоническими.
В реальном колебательном контуре при малом R, колебания будут происходить с длительным периодом, а при большом R могут вообще не возникнуть, т.е. конденсатор разрядится через катушку, а перезарядки не последует.

У: А если происходит наложение взаимно перпендикулярных колебаний, то что произойдет и как они будут выглядеть?

Д:( доцент кафедры физики БГТУ им В.Г.Шухова Корнилов Андрей Викторович)
Сначала рассмотрим теоретически, те математическим сложением уравнений взаимно перпендикулярных колебаний.(На доске объясняет вывод формулы уравнения взаимно перпендикулярных колебаний).

 Демонстрация: фигуры Лиссажу на осцилографе,

Слайд 9, 10, 11, 12 подробное объяснение каждой фигуры Лиссажу на осциллографе и как она зависит от сдвига фаз.

III. Закрепление материала. Слайд 13
№1266-Ст. (решает с комментариями ученик на доске).

Самостоятельная работа на карточках (приложение 2)

Рефлексия деятельности на уроке

IV. Домашнее задание. Слайд 14
§27, 29, 30. Опорный конспект. №949–Рымкевич А.П.

Список литературы

1.     Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев. Физика: Учебник для 11 класса общеобразовательных учреждений / 17-е изд. – М.: Просвещение, 2011. – 366 с.

2.     Углубленное изучение физики в 10 - 11 классах: Кн. для учителя / О.Ф. Кабардин, С.И. Кабардина, В.А. Орлов и др.; Под ред. О.Ф. Кабардина,  В.А. Орлова. – М.: Просвещение, 2007.

3.     Сборник задач по физике для 10-11 классов общеобразовательных учреждений / Рымкевич А.П. – М.: Просвещение,2005. –   224 с.

4.     Универсальные поурочные разработки по физике: 11 класс/ Волков В.А.. – М.: «ВАКО», 2007. – 400с.

Методические рекомендации.

В основе методики лежит связь между школой и ВУЗом. Объяснение новой темы учителя школы и преподавателя ВУЗа тесно переплетаются и дополняют друг друга. Обучающиеся могут наглядно наблюдать демонстрации, подготовленные в лаборатории университета, и работать с преподавателем ВУЗа, не покидая кабинет школы. Презентация состоит из серии слайдов, где каждый слайд выполняет свою методическую функцию. Переход от одного слайда к другому зависит от темпа работы класса, но четко контролируется и управляется учителем. Содержание слайдов определяется темой изучаемого материала и материалом, изученным на предыдущих уроках. Достичь диагностируемой цели урока можно при логически продуманном правильном подборе содержания слайдов, соответствующих цели урока и поурочному контролю в конце урока. Как показывает практика, использование совместных уроков позволяет получить прогнозируемый хороший результат. Особенно удачно такая методика вписывается в уроки изучения нового материала, на которых теоретические навыки закрепляются практическими. Все этапы урока логически увязываются целью и контролем знаний в конце урока. Задания подбираются с учетом повторения пройденного и готовят учащихся к изучению и осмыслению новой темы. Краткий конспект изучаемого материала записан на слайдах и  в раздаточном материале. Обращаясь к ним, учитель концентрирует внимание учащихся, выделяя главное. В рабочей тетради дети делают записи опорного конспекта нового материала. Эффективность таких уроков зависит во многом от объема практической работы, выполненной на них.

Основные уравнения механических колебательных движений		Везде, где есть соображение, есть разум; везде, где есть разум, есть торжество.     Буаст	Основные уравнения электромагнитных колебательных движений
x’’= –x уравнение координаты, описывающее колебания пружинного маятника		Аналогия между механическими параметрами и электрическими x – q  – I a – I’ x’’– q’’ m – L k – – –	q’’= –q основное уравнение свободных электромагнитных колебаний
x’’= –x уравнение координаты, описывающее колебания математического маятника			сдвиг по фазе между электрическим напряжением и силой тока
период колебаний математического маятника	период колебаний пружинного маятника		формула Томсона, период колебаний колебательного контура
кинетическая энергия колеблющейся точки	потенциальная энергия колеблющейся точки		Wм=  энергия магнитного поля катушки индуктивности	Wэ= энергия электрического поля конденсатора
решения уравнений , координаты x’= , скорости x’’= , ускорения , силы		полное сопротивление в цепи переменного тока	решения уравнений q=qmcos, колебания заряда , напряжения q’=, силы тока , колебания ЭДС
, связь циклической частоты, периода, частоты , частота через период, , период через частоту , фаза колебаний, , разность фаз , , действующее значение напряжения и силы тока Переменный ток – ток, периодически меняющийся по величине и направлению, незатухающие вынужденные электромагнитные колебания

Задачи I варианта	Задачи II варианта
1. Изменение заряда конденсатора в колебательном контуре происходит по закону . Чему равна частота электромагнитных колебаний в контуре?	1. Изменение заряда конденсатора в колебательном контуре происходит по закону      .      Чему равен период электромагнитных колебаний в контуре?
2. Заряд на пластинах конденсатора изменяется с течением времени в соответствии с выражением Чему равна амплитуда силы тока?	2. Заряд на пластинах конденсатора изменяется с течением времени в соответствии с выражением Запишите уравнение зависимости силы тока от времени?
3. Изменение заряда конденсатора в колебательном контуре происходит по закону: Начертите график изменения заряда конденсатора в колебательном контуре?	3. Изменение заряда конденсатора в колебательном контуре происходит по закону: Начертите график изменения заряда конденсатора в колебательном контуре?
4. Как изменится период электромагнитных колебаний в контуре L —С, если электроемкость конденсатора увеличить в 4 раза?	4. Как изменится частота электромагнитных колебаний в контуре L —С, если индуктивность конденсатора увеличить в 4 раза?
5. Уравнение  выражает зависимость силы тока от времени в колебательном контуре. Каково соотношение между энергией электрического поля конденсатора W1 и магнитного поля в катушке W2 в момент времени, когда i = 5А?	5. Уравнение  выражает зависимость силы тока от времени в колебательном контуре. Каково соотношение между энергией электрического поля конденсатора W1 и магнитного поля в катушке W2 в момент времени, когда i = 0?