Превращение энергии и аналогия с механическими колебаниями
Урок _____
Тема : Гармонические электромагнитные колебания в колебательном контуре. Формула Томсона.
Цель урока: рассмотреть механизм возникновения свободных электрических колебаний и переход энергии в колебательном контуре; сформулировать у учащихся целостное представление о свободных колебаний разной физической природы.
Задачи 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
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.
Рассмотрим механизм возникновения электромагнитных колебаний (замедленное кино)
1 Шаг: конденсатор заряжен, его энергия 
, на пластинах сосредоточен заряд – и + q=max
2 Шаг: под действием силы Кулона заряженные частицы устремляются через катушку к противоположной пластине. Возникает электрический ток в цепи, сила которого не сразу достигает максимального значения. Это обусловлено явлением самоиндукции. Полная энергия 
3 Шаг: конденсатор разряжается. Ток достигает максимального значения, энергия магнитного поля тоже максимальна 
4 Шаг: сила тока в катушке уменьшается, а значит, магнитное поле становится переменным, это является главным условием явления самоиндукции
5 Шаг: Конденсатор перезаряжается, пока сила тока постепенно уменьшается, но не равна нулю, энергия электрического поля конденсатора снова станет максимальной 
6,7,8 Шаг: конденсатор снова начнет перезаряжаться и система снова вернется в начальное положение. Если бы энергия не затрачивалась на сопротивление проводников, этот процесс был бы бесконечным, а колебания незатухающими
|
|
|
Еще раз повторим механизм возникновения колебаний в контуре. Закрепление материала вместе с учащимися
Превращение энергии и аналогия с механическими колебаниями
Заряд конденсатора аналогичен отклонению пружинного маятника от положения равновесия, энергия электрического поля заряженного конденсатора – потенциальной энергии деформированной пружины.
Если конденсатор полностью заряжен, то qmax, напряжение тоже максимально, а энергия равна 
. Когда конденсатор полностью разрядится, энергия магнитного поля станет максимальной. По закону сохранения энергии, процесс превращения будет продолжаться до тех пор пока будут происходить колебания в контуре.
Рассмотрите рисунок, попробуйте объяснить, что еще общее между колебаниями электрическими и механическими.
В действительности потери энергии неизбежны. В часности, катушка и провода имеют сопротивление R, это приведет к постепенному превращению энергии электромагнитного поля во внутреннюю энергию проводников. Отсюда еще одна характика – добротность контура – быстрота затухания колебания 
, логично вспомнить закон Джоуля-Ленца 
.
Таким образом, электромагнитные колебания аналогичны механическим, колебания энергии электромагнитного поля, а значит, заряда происходит по закону 
. Такие колебания можно назвать гармоническими.
Период и частота
Во время колебаний значение заряда повторяется переодически. Минимальный промежуток времени Т, через который процесс повторяется, называется периодом колебания. Период колебаний рассчитывается по формуле: 
Проверим это экспериментально (видеоролик, 2 часть).
Еще одна характеристика электромагнитных колебаний 
.
Вопросы для закрепления материала
- Будут ли происходить электрические колебания в контуре, если сообщить энергию катушке индуктивности, а не конденсатору? Почему?
- Почему не прекращаются колебания в контуре, когда заряд конденсатора равен «0»?
- От чего зависит период свободных колебаний в контуре?
Видеоролик с мультсюжетом и качественными задачами.
Дата добавления: 2021-12-10; просмотров: 26; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!