Методическая разработка по теме 3.16 Электромагнитные колебания. Колебательный контур. Переменный электрический ток.

ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

НОВОСИБИРСКОЙ ОБЛАСТИ

«БАРАБИНСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

Рассмотрена на заседании

ЦМК ОГСЭД

Протокол № ___________

от ____________ 2018 г.

Председатель ЦМК

Хританкова Н. Ю.

(Ф. И. О.)

______________________

(подпись)

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

КОМБИНИРОВАННОГО ЗАНЯТИЯ ДЛЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЯ

Специальность 34.02.01 Сестринское дело (с базовой подготовкой)

Дисциплина: «Физика»

Раздел 3 Электродинамика. Колебания и волны. Оптика

Тема 3.16 Электромагнитные колебания. Колебательный контур. Переменный электрический ток.

.

Разработчик – преподаватель Вашурина Т. В.

2018

СОДЕРЖАНИЕ

Выписка из рабочей программы дисциплины «Физика»

для специальности 34.02.01 Сестринское дело (с базовой подготовкой)

МЕТОДИЧЕСКИЙ ЛИСТ

Тип занятия: комбинированный урок.

Вид занятия: беседа, объяснение с демонстрацией наглядных пособий, решение задач.

Продолжительность: 90 минут.

ЦЕЛИ ЗАНЯТИЯ

Учебные цели: сформировать представления о роли и месте физики в современной научной картине мира; понимание физической сущности наблюдаемых во Вселенной явлений через изучение понятия электромагнитные колебания, колебательный контур, переменный электрический ток; способствовать формированию умения владеть основополагающими физическими понятиями, уверенно пользоваться физической терминологией и символикой. Способствовать формированию умения организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения упражнений (ОК 2).

Развивающие цели: развивать интерес к будущей профессии, понимание сущности и социальной значимости (ОК 1), способствовать формированию умения решать физические задачи.

Воспитательные цели: способствовать развитию коммуникативных способностей; создавать условия для развития скорости восприятия и переработки информации, культуры речи; формировать умение работать в коллективе и команде (ОК 6).

Методы обучения: объяснительно-иллюстративный с использованием информационных технологий, репродуктивный.

Место проведения: аудитория колледжа.

МОТИВАЦИЯ

Тема 3.16 «Электромагнитные колебания. Колебательный контур. Переменный электрический ток» входит в программу по учебной дисциплине «Физика» и имеет большое значение, т.к. знания, полученные при изучении данной темы необходимы для изучения многих тем как в рамках программы по физике, так и при изучении смежных дисциплин (химия, математика). В технике и окружающем нас мире часто приходится сталкиваться с периодическими процессами, которые повторяются через одинаковые промежутки времени. Такие процессы называют колебательными. В зависимости от физической природы повторяющегося процесса различают колебания: механические; электромагнитные; электромеханические и т. п.

До начала XIX в. электричество и магнетизм считались явлениями, не связанными друг с другом, и рассматривались в разных разделах физики. В 1819 г. датский физик Г.Х. Эрстед обнаружил, что проводник, по которому течёт электрический ток, вызывает отклонение стрелки магнитного компаса, из чего следовало, что электрические и магнитные явления взаимосвязаны. Французский физик и математик А. Ампер в 1824 г. дал математическое описание взаимодействия проводника тока с магнитным полем.

На данное занятие отводится 2 учебных часа. Во время комбинированного занятия проводится актуализация знаний в форме устного опроса, с целью проверки остаточных знаний, которые необходимых при изучении нового материала; непосредственное изучение нового материала; первичного закрепление нового материала с помощью решения задач по данной теме. Контроль уровня усвоения нового материала проводится в форме тестирования студентов. Каждому образованному человеку необходимо непрерывно пополнять свои знания в области физики, развивать интерес к будущей профессии, понимать сущность и социальную значимость (ОК 1), научиться организовывать свою деятельность, уметь выбирать методы и способы выполнения задач и в дальнейшем оценивать их качество (ОК2), а также необходимо для будущего медицинского работника научится работать в коллективе и команде (ОК6).

ПРИМЕРНАЯ ХРОНОКАРТА КОМБИНИРОВАННОГО ЗАНЯТИЯ

ИСХОДНЫЙ МАТЕРИАЛ

План изложения учебного материала по теме

1. Свободные и вынужденные электромагнитные колебания

2. Колебательный контур

3. Характеристики электромагнитных колебаний

4. Переменный электрический ток

1. СВОБОДНЫЕ И ВЫНУЖДЕННЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ

Электромагнитные колебания - взаимосвязанные колебания электрического и магнитного полей.

Электромагнитные колебания появляются в различных электрических цепях. При этом колеблются величина заряда, напряжение, сила тока, напряженность электрического поля, индукция магнитного поля и другие электродинамические величины.

Свободные электромагнитные колебания возникают в электромагнитной системе после выведения ее из состояния равновесия, например, сообщением конденсатору заряда или изменением тока в участке цепи.

Это затухающие колебания, так как сообщенная системе энергия расходуется на нагревание и другие процессы.

Вынужденные электромагнитные колебания - незатухающие колебания в цепи, вызванные внешней периодически изменяющейся синусоидальной ЭДС.

Электромагнитные колебания описываются теми же законами, что и механические, хотя физическая природа этих колебаний совершенно различна.

Электрические колебания - частный случай электромагнитных, когда рассматривают колебания только электрических величин. В этом случае говорят о переменных токе, напряжении, мощности и т.д.

1. КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР

Колебательный контур - электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных конденсатора емкостью C, катушки индуктивностью L и резистора сопротивлением R.

Состояние устойчивого равновесия колебательного контура характеризуется минимальной энергией электрического поля (конденсатор не заряжен) и магнитного поля (ток через катушку отсутствует).

Величины, выражающие свойства самой системы (параметры системы): L и m, 1/C и k

величины, характеризующие состояние системы:

величины, выражающие скорость изменения состояния системы: u = x'(t) и i = q'(t) .

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Можно показать, что уравнение свободных колебаний для заряда q = q(t) конденсатора в контуре имеет вид

где q" - вторая производная заряда по времени. Величина

является циклической частотой. Такими же уравнениями описываются колебания тока, напряжения и других электрических и магнитных величин.

Одним из решений уравнения (1) является гармоническая функция

Период колебаний в контуре дается формулой (Томсона):

Величина φ = ώt + φ₀, стоящая под знаком синуса или косинуса, является фазой колебания.

Фаза определяет состояние колеблющейся системы в любой момент времени t.

Ток в цепи равен производной заряда по времени, его можно выразить

Чтобы нагляднее выразить сдвиг фаз, перейдем от косинуса к синусу

1. ПЕРЕМЕННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

1. Гармоническая ЭДС возникает, например, в рамке, которая вращается с постоянной угловой скоростью в однородном магнитном поле с индукцией В. Магнитный поток Ф , пронизывающий рамку с площадью S ,

где- угол между нормалью к рамке и вектором магнитной индукции .

По закону электромагнитной индукции Фарадея ЭДС индукции равна

где - скорость изменения потока магнитной индукции.

Гармонически изменяющийся магнитный поток вызывает синусоидальную ЭДС индукции

где - амплитудное значение ЭДС индукции.

2. Если к контуру подключить источник внешней гармонической ЭДС

,

то в нем возникнут вынужденные колебания, происходящие с циклической частотой ώ, совпадающей с частотой источника.

При этом вынужденные колебания совершают заряд q, разность потенциалов u , сила тока i и другие физические величины. Это незатухающие колебания, так как к контуру подводится энергия от источника, которая компенсирует потери. Гармонически изменяющиеся в цепи ток, напряжение и другие величины называют переменными. Они, очевидно, изменяются по величине и направлению. Токи и напряжения, изменяющиеся только по величине, называют пульсирующими (переменными).

В промышленных цепях переменного тока России принята частота 50 Гц.

Для подсчета количества теплоты Q, выделяющейся при прохождении переменного тока по проводнику с активным сопротивлением R, нельзя использовать максимальное значение мощности, так как оно достигается только в отдельные моменты времени. Необходимо использовать среднюю за период мощность - отношение суммарной энергии W, поступающей в цепь за период, к величине периода:

Поэтому количество теплоты, выделится за время Т:

Действующее значение I силы переменного тока равно силе такого постоянного тока, который за время, равное периоду T, выделяет такое же количество теплоты, что и переменный ток:

Отсюда действующее значение тока:

Аналогично действующее значение напряжения:

ПРИЛОЖЕНИЕ №1

КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ ПО ПРЕДЫДУЩЕЙ ТЕМЕ (устно)

«Механические колебания. Математический маятник»

1. Колебательные движения в окружающем мире.

2. Виды колебаний. Механические колебания.

3. Примеры простых колебательных систем.

4. Изменение кинетической и потенциальной энергии при механических колебаниях.

5. Полная механическая энергия колебательного движения.

6. Гармонические колебания и их характеристики. Уравнение гармонического колебания.

7. Характеристики колебательного движения.

8. Пружинный маятник.

9. Математический маятник.

10. Резонанс.

1. Ответ. В технике и окружающем нас мире часто приходится сталкиваться с периодическими (или почти периодическими) процессами, которые повторяются через одинаковые промежутки времени. Такие процессы называют колебательными.

   Колебания – один из самых распространенных процессов в природе и технике. Крылья насекомых и птиц в полете, высотные здания и высоковольтные провода под действием ветра, маятник заведенных часов и автомобиль на рессорах во время движения, уровень реки в течение года и температура человеческого тела при болезни, звук - это колебания плотности и давления воздуха, радиоволны - периодические изменения напряженностей электрического и магнитного полей, видимый свет - тоже электромагнитные колебания, только с несколько иными длиной волны и частотой, землетрясения - колебания почвы, биение пульса - периодические сокращения сердечной мышцы человека и т.д. 

 2. Ответ. Колебания бывают механические, электромагнитные, химические, термодинамические и различные другие. Несмотря на такое разнообразие, все они имеют между собой много общего.

   Колебательные явления различной физической природы подчиняются общим закономерностям. Например, колебания тока в электрической цепи и колебания математического маятника могут описываться одинаковыми уравнениями. Общность колебательных закономерностей позволяет рассматривать колебательные процессы различной природы с единой точки зрения. Признаком колебательного движения является его периодичность.

   Механические колебания – это движения, которые точно или приблизительно повторяются через одинаковые промежутки времени.

3. Ответ. Примерами простых колебательных систем могут служить груз на пружине (пружинный маятник) или шарик на нити (математический маятник).

4. Ответ. При механических колебаниях кинетическая и потенциальная энергии периодически изменяются.

    При максимальном отклонении тела от положения равновесия его скорость, а, следовательно, и кинетическая энергия обращаются в нуль. В этом положении потенциальная энергия колеблющегося тела достигает максимального значения. Для груза на пружине потенциальная энергия – это энергия упругих деформаций пружины. Для математического маятника – это энергия в поле тяготения Земли.

    Когда тело при своем движении проходит через положение равновесия, его скорость максимальна. Тело проскакивает положение равновесия по закону инерции. В этот момент оно обладает максимальной кинетической и минимальной потенциальной энергией. Увеличение кинетической энергии происходит за счет уменьшения потенциальной энергии.

    При дальнейшем движении начинает увеличиваться потенциальная энергия за счет убыли кинетической энергии и т. д.

    Таким образом, при гармонических колебаниях происходит периодическое превращение кинетической энергии в потенциальную и наоборот.

   Если в колебательной системе отсутствует трение, то полная механическая энергия при механических колебаниях остается неизменной.

5. Ответ. Полная механическая энергия колебательного движения.

Для груза на пружине:

   В положении максимального отклонения полная энергия мятника равна потенциальной энергии деформированной пружины:

   При прохождении положения равновесия полная энергия равна кинетической энергии груза:

   Для малых колебаний математического маятника:

   В положении максимального отклонения полная энергия мятника равна потенциальной энергии поднятого на высоту h тела:

   При прохождении положения равновесия полная энергия равна кинетической энергии тела:

   Здесь h_m – максимальная высота подъема маятника в поле тяготения Земли, x_m и υ_m = ω₀x_m – максимальные значения отклонения маятника от положения равновесия и его скорости.

6. Ответ. Гармонические колебания и их характеристики. Уравнение гармонического колебания.

    Простейшим видом колебательного процесса являются простые гармонические колебания, которые описываются уравнением

x = x_m cos (ωt + φ₀).

   Здесь x – смещение тела от положения равновесия,
   x_m – амплитуда колебаний, то есть максимальное смещение от положения равновесия,
   ω – циклическая или круговая частота колебаний,
   t – время.

7. Ответ. Характеристики колебательного движения.

   Смещение х – отклонение колеблющейся точки от положения равновесия. Единица измерения – 1 метр.

   Амплитуда колебаний А – максимальноеотклонение колеблющейся точки от положения равновесия. Единица измерения – 1 метр.

   Период колебаний T – минимальный интервал времени, за который происходит одно полное колебание, называется. Единица измерения – 1 секунда.

T=t/N

   где t - время колебаний, N - количество колебаний, совершенных за это время.

   По графику гармонических колебаний можно определить период и амплитуду колебаний:

   Частота колебаний ν – физическая величина, равная числу колебаний за единицу времени.

ν=N/t

   Частота – величина, обратная периоду колебаний:

   Частота колебаний ν показывает, сколько колебаний совершается за 1 с.Единица частоты – герц (Гц).

   Циклическая частота ω – число колебаний за 2π секунды.

   Частота колебаний ν связана с циклической частотой ω и периодом колебаний T соотношениями:

   Фаза гармонического процесса – величина, стоящая под знаком синуса или косинуса в уравнении гармонических колебаний φ = ωt + φ₀. При t = 0 φ = φ₀, поэтому φ₀ называют начальной фазой.

   График гармонических колебаний представляет собой синусоиду или косинусоиду.

   В математике процедура нахождения предела отношения Δх/Δt при Δt → 0 называется вычислением производной функции x(t) по времени t и обозначается как x'(t).Скорость  равна производной функции х(t) по времени t.

8. Ответ. Пружинный маятник.

   Пружинным маятником называют груз некоторой массы m, прикрепленный к пружине жесткости k, второй конец которой закреплен неподвижно.

  Собственная частота ω₀ свободных колебаний груза на пружине находится по формуле:

   Период T гармонических колебаний груза на пружине равен

   Значит, период колебаний пружинного маятника зависит от массы груза и от жесткости пружины.

   Физические свойства колебательной системы определяют только собственную частоту колебаний ω₀ и период T. Такие параметры процесса колебаний, как амплитуда x_m и начальная фаза φ₀, определяются способом, с помощью которого система была выведена из состояния равновесия в начальный момент времени.

9.Ответ. Математический маятник.

   Математическим маятником называют тело небольших размеров, подвешенное на тонкой нерастяжимой нити, масса которой пренебрежимо мала по сравнению с массой тела.

    В положении равновесия, когда маятник висит по отвесу, сила тяжести уравновешивается силой натяжения нити N. При отклонении маятника из положения равновесия на некоторый угол φ появляется касательная составляющая силы тяжести F_τ = –mg sin φ. Знак «минус» в этой формуле означает, что касательная составляющая направлена в сторону, противоположную отклонению маятника.

   Период колебаний математического маятника:

   Значит, период колебаний математического маятника зависит от длины нити и от ускорения свободного падения той местности, где установлен маятник.

10. Ответ. Резонанс.

Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при совпадении частоты собственных колебаний с частотой внешней вынуждающей силы называется резонансом.

   Зависимость амплитуды x_m вынужденных колебаний от частоты ω вынуждающей силы называется резонансной характеристикой или резонансной кривой.

   В отсутствие трения амплитуда вынужденных колебаний при резонансе должна неограниченно возрастать. В реальных условиях амплитуда установившихся вынужденных колебаний определяется условием: работа внешней силы в течение периода колебаний должна равняться потерям механической энергии за то же время из-за трения. Чем меньше трение, тем больше амплитуда вынужденных колебаний при резонансе.

  Явление резонанса может явиться причиной разрушения мостов, зданий и других сооружений, если собственные частоты их колебаний совпадут с частотой периодически действующей силы, возникшей, например, из-за вращения несбалансированного мотора.

Критерии оценки:

Оценка «5» - на поставленный вопрос студент дал полный развернутый ответ и ответил на дополнительный вопрос;

Оценка «4» - на поставленный вопрос студент дал полный развернутый ответ, но не ответил на дополнительный вопрос;

Оценка «3» - на поставленный вопрос студент дал неполный ответ и не смог ответить на дополнительный вопрос;

Оценка «2» - не ответил на поставленный вопрос.

ПРИЛОЖЕНИЕ №2

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ И СИСТЕМАТИЗАЦИИ НОВЫХ ЗНАНИЙ (письменно, не оценивается)

Физика 11 Разноуровневые самостоятельные и контрольные работы А. Кирик стр. 27 средний уровень №1-5.

Эталоны ответов к заданиям для закрепления и систематизации

ПРИЛОЖЕНИЕ № 3

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ

(Устно, не оценивается. Эталоны ответов к вопросам для предварительного контроля знаний содержатся в исходном материале)

1. Сформулируйте понятие электромагнитных колебаний.

2. В каком случае в системе возникают свободные электромагнитные колебания?

3. Что называют вынужденными электромагнитными колебаниями?

4. Сформулируйте определение колебательного контура.

5. Какими величинами характеризуется состояние колебательной системы?

6. Дайте определение циклической частоты.

7. Дайте определение фазы колебаний.

8. Когда в цепи возникает переменный электрический ток?

9. Какова частота переменного электрического тока в России?

10. По какой формуле можно рассчитать количество теплоты, выделяющееся в системе за время Т?

ПРИЛОЖЕНИЕ №4

КОНТРОЛИРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ (письменно)

Тест

1. Периодические изменения заряда, силы тока, напряжения называются

А) механическими колебаниями

В) электромагнитными колебаниями

С) свободными колебаниями Д)вынужденными колебаниями

2. Колебательный контур состоит

А) конденсатора и резистора 

В) конденсатора и лампы 

С) конденсатора и катушки индуктивности 

Д)конденсатора и вольтметра

3. Колебания, возникающие в системе без воздействия на неё внешних периодических сил, называются

А) гармоническими 

В) вынужденными 

С) автоколебаниями 

Д) свободными

4. Переменный электрический ток - это

А) вынужденные электромагнитные колебания 

В) свободные электромагнитные колебания 

С) затухающие электромагнитные колебания 

Д) механические колебания

5. Значение силы тока задано уравнением: i=8,5sin(314t+0,651). Определите действующее значение силы тока

A)  8,5 А.

B)  3,14 А.

C)  6 А.

D)  314 А.

E)  0,651 А..

Эталоны ответов к заданиям контролирующего материала:

Критерии оценки:

за 3 правильных ответа – «3» балла;

за 4 правильных ответа – «4» балла;

за 5 правильных ответов – «5» баллов.

ЗАДАНИЕ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ВНЕАУДИТОРНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

Цель: Определить объем информации для самостоятельной работы студента, обратить внимание на значимые моменты.

Время для выполнения задания: 45 минут.

Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Соцкий, Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений (с приложением на электронном носителе). Базовый и профильный уровни - М.: Просвещение, 2011 г., с. 80-90, параграфы 27 - 31 прочитать, конспект выучить; стр. 109, упр. 4 (1, 2).

Эталоны решения задач:

Решение задачи №1.

Решение задачи №2.

Критерии оценки:

• студент выучил конспект – «3» балла;

• студент прочитал параграфы и выучил конспект, решил верно одну задачу по теме – «4» балла;

• студент выучил конспект, владеет информацией из учебника, решил верно две задачи по теме – «5» баллов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Колебания в технике и окружающем нас мире [Электронный ресурс]/ Present5 // Режим доступа: http://present5.com/kolebaniya-v-texnike-i-okruzhayushhem-nas-mire/

2. Лекция «Электромагнитные колебания. Переменный ток» [Электронный ресурс]/ Yaklass // Режим доступа http://www.yaklass.ru/materiali?mode=lsntheme&themeid=132

3. Тест по теме «Электромагнитные колебания. Колебательный контур. Переменный электрический ток» [Электронный ресурс]/ Videouroki // Режим доступа https://videouroki.net/razrabotki/test-po-fizike-na-temu-elektromagnitnye-kolebaniya-peremennyy-tok.html

4. Лекция «Механические колебания [Электронный ресурс]/ Infourok // Режим доступа https://infourok.ru/test-po-fizike-na-temu-mehanicheskie-kolebaniya-klass-471833.html

5. Физика. 11 класс: Учебник для общеобразоват. учреждений с приложением на электронном носителе: базовый и профильный уровни: [Текст]/ Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н.Н. Соцкий.-20-е изд. - М. : Просвещение, 2011. – 399 с.