Конспект урока в 11 классе

11 класс

Тема урока : Свободные электрические колебания в колебательном контуре 

Цель урока: выяснить механизм возникновения свободных электрических колебаний и энергетические преобразования в колебательном контуре.

Оборудование :плакат, чертеж, электрическая цепь состоящая из катушки конденсатора ,источника тока ,ключ ,соединительные провода.

Тип урока: урок изучения нового материала.

  Ход урока:

I.Организационный момент

II.Проверка и опрос домашнего задания

III. Изучение нового материала

1.Простейший колебательный контур

Как вы уже знаете, электрический ток может быть постоянным или переменным. Наибольшее распространение в мире получил переменный ток частотой 50-60 Гц, создаваемый индукционными генераторами. Однако для работы многих устройств (компьютеры, приемники, телефоны и др.) необходимые переменные токи высоких частот, измеряемых кілогерцами (кГц) и мегагерцами (МГц). Для их создания применяют специальные электрические цепи - колебательные контуры.

Любой колебательный контур состоит из конденсатора и катушки индуктивности. Рассмотрим его работу на опыте. Для этого соберем круг по схеме (рис. а). Сначала конденсатор получает энергию от источника постоянного тока. При этом верхняя пластина заряжается положительно, а нижняя негативно - на ней накапливается избыток электронов. Переключаем конденсатор на катушку индуктивности (рис. б). Избыток электронов из нижней пластины конденсатора перекинется через катушку к верхней пластины, и в цепи возникнет нарастающий электрический ток. В результате этого катушка становится электромагнитом и создает вокруг себя магнитное поле.

Через явление самоиндукции после разрядки конденсатора ток не прекращается мгновенно, а будет продолжать течь еще некоторое время в том же направлении, снова заряжая пластины конденсатора. После этого весь процесс повторится в обратном направлении, и колебательный контур вернется в исходное состояние.Описанный процесс перезарядки конденсатора через катушку повторяется через равные промежутки времени. При этом периодически меняются значения электрического заряда конденсатора, напряжения на нем и силы тока в контуре. Периодические изменения электрического заряда, силы тока и напряжения в цепях называют электромагнитными колебаниями. При отсутствии потерь энергии в контуре электромагнитные колебания будут гармоническими, т.е. значение электрического заряда, силы тока и напряжения в цепи изменяются по закону синуса или косинуса.Английский физик Томсон вывел формулу для периода электромагнитных колебаний в контуре: 

Используя формулу Томсона, можно определить собственную частоту колебаний колебательного контура:

2.Превращение энергии в колебательном контуре

Зарядка конденсатора аналогичное отклонению пружинного маятника от положения равновесия, а энергия электрического поля заряженного конденсатора - потенциальной энергии деформированной пружины.

Если конденсатор заряжен до напряжения Um, то его заряд будет равен qm = CUm . В этом состоянии энергия электрического поля максимальна и равна  . Это состояние эквивалентно состоянию пружинного маятника, когда пружину растянули на х и передали механической колебательной системе потенциальную энергию  . Когда конденсатор полностью разрядится, энергия магнитного поля максимальна и равна  . Это состояние эквивалентно состоянию пружинного маятника, когда груз на пружине в положении равновесия имеет максимальную скорость. Кинетическая энергия маятника при этом равна  . Когда сила тока уменьшится до нуля, конденсатор окажется перезаряженным. Если потерь энергии в контуре нет, напряжение и заряд конденсатора равны начальным. Во время колебания груза на пружине этому моменту соответствует его остановка в крайнем верхнем положении, когда потенциальная энергия максимальна. Затем конденсатор снова начнет разряжаться и в контуре возникнет ток обратного направления, энергия электрического поля заряженного конденсатора будет уменьшаться, а магнитного - расти. В определенный момент времени конденсатор разрядится, сила тока и энергия магнитного поля достигнут максимальных значений. Это соответствует прохождению грузом положения равновесия. Необходимо подчеркнуть еще раз, что максимальная энергия, накопленная в конденсаторе, во время колебаний преобразуется в энергию магнитного поля катушки. Процесс превращения одного вида энергии в другой продлится до тех пор, пока в круге будут происходить колебания.

3. Резонанс

Осциллограмма показывает, что колебания в колебательном контуре являются затухающими. Так происходит потому, что катушка индуктивности и соединительные провода имеют электрическое сопротивление. Итак, согласно закону Джоуля-Ленца, энергия электрического тока будет постепенно превращаться в теплоту. Поскольку свободные колебания в контуре всегда являются затухающими, колебательный контур необходимо постоянно підживалювати энергией от внешнего источника питания. Для этого необходимо соединить колебательный контур с внешним источником переменного напряжения. В этом случае колебания будут вынужденными.

Резонанс - явление, которое заключается в том, что при некоторой частоты змушувальнои силы колебательная система оказывается особенно чувствительной к действию этой силы. В колебательном контуре сила тока максимальна, если частота переменного напряжения, приложенного к контуру, равна собственной частоте контура: 

Резонансом в электрическом колебательном контуре называется явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой колебательного контура. Чтобы обеспечить резонанс колебательный контур периодически с частотой колебаний в контуре подключают к источнику тока. Сам же колебательный контур управляет этими подключениями с помощью электронного устройства (например, транзистора).

 IV.Закрепление урока :

1. Что такое свободные и вынужденные колебания?

2. Почему колебания в колебательном контуре не прекращаются в тот момент, когда заряд конденсатора становится равным нулю?

3. Возникнут ли колебания в колебательном контуре, если заменить катушку индуктивности резистором?

4. Какие превращения энергии происходят во время свободных незатухаючих колебаний в колебательном контуре?

5. Период свободных электромагнитных колебаний в контуре, состоящем из конденсатора емкостью 400 мкФ и катушки с индуктивностью 90 мГн?

6. Какая частота свободных электромагнитных колебаний в контуре, состоящем из конденсатора емкостью 250 пФ и катушки с индуктивностью 40 мкГн? 

V.Домашнее задание : § 17- §19 читать и отвечать на вопросы ,задание А1-А3 стр.76