Разработка урока

Ф(11)

Урок № 13-14 Дата: 09.10.2025

Тема урока "Колебательный контур. Свободные электромагнитные колебания в колебательном контуре. Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями

Образовательная цель: рассмотреть электромагнитные колебания, колебательный контур; универсальность основных закономерностей колебательных процессов для колебаний любой физической природы; гармонические колебания; физический смысл характеристик колебаний. графики зависимости электрического заряда, силы тока и напряжения от времени при свободных электромагнитных колебаниях. определение по графику характеристик колебаний;аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями. формула Томсона.

Развивающие: цели- способствовать развитию у учащихся УУД (личностного) самоопределения в целях учебной деятельности , нравственно-этические нормы и ценности; способствовать развитию у учащихся УУД (познавательного) поиска и распознавания полезной информации (на основе наблюдения и оценки выявленных закономерностей).-способствовать развитию у учащихся УУД (регулятивного) самоконтроля учебной деятельности (на основе сравнения способа действия и его результата с заданным эталоном).

Воспитательные:цели: воспитывать в учащихся чувство патриотизма, гуманности, уважения к старшим, этические нормы, дисциплинированность.

Тип урока: Комбинированный

Методы и формы обучения: Фронтальная, индивидуальная

Литература. Мякишев Г.Я.,Буховцев Б.Б.,Чаругин В.М. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций. М.: Просвещение, 2022. – С. 74 - 82

Ход урок

  Организационный момент

Эпиграф к уроку

О, сколько нам открытий чудных

Готовят просвещенья дух

И опыт, сын ошибок трудных

И гений, парадоксов – друг

И случай – бог изобретатель.

А. С. Пушкин

В данной теме речь пойдет о колебательном контуре и получении электромагнитных колебаний.

Актуализация базовых знаний.

1.Электромагнитными колебаниями называют периодические изменения со временем заряда, силы тока и напряжения.

2.Электромагнитные колебания бывают двух видов - свободные и вынужденные.

3.Свободными колебаниями называют колебания, возникающие в колебательной системе за счет первоначально сообщенной этой системе энергии.

4.Вынужденные электромагнитные колебания - это периодические изменения заряда, силы тока и напряжения в цепи под действием переменной электродвижущей силы от внешнего источника.

Система, состоящая из конденсатора и катушки индуктивности, присоединенной к его обкладкам, называется колебательным контуром.

5.Период электромагнитных колебаний – промежуток времени, в течение которого ток в колебательном контуре и напряжение на пластинах конденсатора совершает одно полное колебание.

6.Частота колебаний – число колебаний в единицу времени.

Мотивация учебной деятельности. Прежде чем приступить к изучению новой темы, повторим основные понятия, которые помогут разобраться в данной теме.

Явление самоиндукции заключается в возникновении индукционного тока в проводнике при изменении силы тока в нем.

Индуктивность контура — это физическая величина, введенная для оценивания способности проводника противодействовать изменению силы тока в нем.

Конденсатор — это устройство, предназначенное для накопления заряда и энергии электрического поля.

Радиовещание (т.е. передача звуковой информации на большие расстояния) осуществляется посредством электромагнитных волн, излучаемых антенной радиопередающего устройства. Известно, что источником электромагнитных волн являются ускоренно движущиеся заряженные частицы. Значит, для того, чтобы антенна излучала электромагнитные волны, в ней нужно возбуждать колебания свободных электронов. Такие колебания называются электромагнитными, поскольку они порождают электромагнитным полем, распространяющееся в пространстве в виде электромагнитной волны.

Таким образом, электромагнитные колебания — это периодические изменения со временем электрических и магнитных величин (заряда, силы тока, напряжения, напряженности, магнитной индукции и др.) в электрической цепи.

Как известно, для создания мощной электромагнитной волны, которую можно было бы зарегистрировать приборами на больших расстояниях от излучающей антенны, необходимо, чтобы частота волны не меньше 0,1 МГц. Колебания таких больших частот невозможно получить от генератора переменного электрического тока, поэтому они подаются на антенну от генератора высокочастотных электромагнитных колебаний, имеющегося в каждом радиопередающем устройстве.

Одной из основных частей генератора является колебательный контур — это колебательная система, состоящая из включенных последовательно катушки индуктивностью L, конденсатора емкостью C и резистора сопротивлением R.

Если из такой системы удалить активное сопротивление, то полученный контур будет азываться идеальным (или, контуром Томсона).

Рассмотрим свободные электромагнитные колебания, т.е. колебания, происходящие в идеальном колебательном контуре за счет расходования сообщенной этому контуру энергии, которая в дальнейшем не пополняется.

Получим их и удостоверимся в существовании с помощью установки, состоящей из источника тока, конденсатора и катушки. Катушка и конденсатор, соединенные друг с другом через переключатель, составляют колебательный контур. На некоторое время с помощью переключателя зарядим конденсатор, замкнув его на источник тока.

Теперь наш заряженный конденсатор подсоединим обратно с катушкой. Что же происходит дальше.

Так как цепь замкнута (в данном случае через катушку индуктивности), то электроны начнут перемещаться по проводнику от отрицательно заряженной обкладки конденсатора к положительной. Перемещаясь, электроны уравновесят напряжение на обкладках конденсатора и сделают его равным нулю, но в тот момент, когда напряжение на пластинах конденсатора будет нулевым, ток в катушке индуктивности, а, следовательно, и энергия магнитного поля вокруг ее витков, будут максимальными.

При нулевом напряжении ток должен был бы перестать течь, но этого не происходит. А ток продолжает течь из-за явления самоиндукции, т.е. под действием рассеивающегося магнитного поля катушки в проводнике наводится электрический ток, возникает электродвижущая сила самоиндукции, которая двигает электроны. При этом на месте этих электронов остаются «дырки», которые притягивают к себе другие электроны, таким образом, минус конденсатора заряжается положительно, а положительно заряженная обкладка становится отрицательно заряженной.

Затем электрический ток в колебательном контуре вновь течет от минуса к плюсу. Описанное выше повторяется. Когда минус второй раз стал плюсом, а плюс - минусом, говорят, что в колебательном контуре было совершено одно полное колебание. Вот так и происходят электромагнитные колебания в контуре.

Теперь обратимся к истории открытия этих колебаний. Дело все в том, что они были открыты почти случайно.

После того как изобрели лейденскую банку (первый конденсатор) и научились сообщать ей большой заряд с помощью электростатической машины, начали изучать электрический разряд банки. Замыкая обкладки лейденской банки с помощью катушки, обнаружили, что стальные спицы внутри катушки намагничиваются.

В этом ничего удивительного не было: электрический ток и должен намагничивать стальной сердечник катушки.

Странным же было то, что нельзя было предсказать, какой конец сердечника катушки окажется северным полюсом, а какой южным.

Повторяя опыт примерно в одинаковых условиях, получали в одних случаях один результат, а в других другой.

Далеко не сразу поняли, что при разрядке конденсатора через катушку в электрической цепи возникают колебания.

За время разрядки конденсатор успевает много раз перезарядиться, и ток меняет направление много раз, в результате чего сердечник может намагничиваться различным образом.

Известно, что колебания, происходящие только благодаря начальному запасу энергии называются свободными. Период свободных колебаний равен собственному периоду колебательной системы, в данном случае периоду контура. Формула для определения периода свободных электромагнитных колебаний была получена английским физиком Уильямом Томсоном в 1853 г. Она называется формулой Томсона и выглядит так:

Данная формула показывает, что период колебательного контура определяется параметрами составляющих его элементов: индуктивностью катушки и емкостью конденсатора. Из формулы Томсона следует, например, что при уменьшении емкости или индуктивности период колебаний должен уменьшиться, а их частота — увеличиться и, наоборот, при увеличении емкости или индуктивности период колебаний увеличивается, а их частота уменьшается.

Но надо отметить еще одну важную особенность. Изначально между обкладками конденсатора запасено определенное количество энергии. Эта энергия неизбежно будет расходоваться на совершаемую работу, а именно, на передвижение электронов по проводнику, а это означает, что колебания в контуре рано или поздно прекратятся. Но избежать прекращения колебательного процесса в контуре довольно не сложно, для этого необходимо всего лишь подключить контур к источнику тока, который будет вбрасывать внутрь цепи новые порции энергии, не давая энергии израсходоваться полностью. В генераторе это осуществляется автоматически.

Основные выводы:

– Колебательный контур — это колебательная система, состоящая из включенных последовательно катушки, конденсатора и активного сопротивления.

– Свободные электромагнитные колебания — это колебания, происходящие в идеальном колебательном контуре за счет расходования сообщенной этому контуру энергии, которая в дальнейшем не пополняется.

– Период свободных электромагнитных колебаний можно рассчитать с помощью формулы Томсона.

– Из этой формулы следует, что период колебательного контура определяется параметрами составляющих его элементов: индуктивности катушки и емкости конденсатора.

2. Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями

Чтобы в колебательном контуре возникли колебания, необходимо сообщить колебательному контуру энергию, зарядив конденсатор от источника тока.

Энергия, полученная конденсатором заключена в электрическом поле обкладок

где   - заряд конденсатора, C – его электроемкость.

Между обкладками конденсатора возникает разность потенциалов  .

При разрядке конденсатора энергия электрического поля превращается в энергию магнитного поля, определяемая по формуле

где   – индуктивность катушки,   – сила переменного тока.

Полная энергия колебательного контура равна

Когда конденсатор разрядится полностью, вся энергия электрического поля превращается в энергию магнитного поля. Когда сила тока и созданное им магнитное поле начинает уменьшаться, возникает ЭДС самоиндукции, стремящийся поддержать ток, и начинается перезарядка конденсатора. При свободных колебаниях через промежутки времени, равные периоду колебаний, состояние системы в точности повторяется. Полная энергия такой системы любой момент времени равно максимальной энергии электрического поля или максимальной энергии магнитного поля.

q, u и i - мгновенные значения заряда, напряжения и силы тока. При отсутствии сопротивления в контуре полная энергия электромагнитного поля не изменяется. Колебания затухающие, сопротивление катушки и проводников превращают энергию электромагнитного поля во внутреннюю энергию проводника.

Электромагнитные колебания в контуре имеют сходство со свободными механическими колебаниями. Характер периодического изменения различных величин одинаков. При механических колебаниях периодически изменяются координата тела x и проекция его скорости  , а при электромагнитных колебаниях изменяются заряд q конденсатора и сила тока i в цепи.

Индуктивность катушки L аналогична массе тела m, при колебаниях груза на пружине, кинетическая энергия тела  , аналогична энергии магнитного поля тока  .

Роль потенциальной энергии выполняет энергия заряда конденсатора:

Координата тела аналогична заряду конденсатора.

Полная энергия колебательного контура, в любой момент времени, равна сумме энергий магнитного и электрического полей:

Производная полной энергии по времени равна нулю при R = 0. Следовательно, равна нулю сумма производных по времени от энергий магнитного и электрического полей:

то есть

Знак « - » минус в этом выражении означает, что, когда энергия магнитного поля возрастает, энергия электрического поля убывает и наоборот. Физический смысл этого выражения заключается в том, что скорость изменения энергии магнитного поля равна по модулю и противоположна по направлению скорости изменения электрического поля.

Электрический заряд и сила тока, при свободных колебаниях с течением времени изменяются по закону синуса или косинуса, то есть совершают гармонические колебания.

Циклическая частота для свободных электрических колебаний:

Период свободных колебаний в контуре равен:

Формула Томсона.

Период свободных электрических колебаний в колебательном контуре зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора.

Период электромагнитных колебаний – промежуток времени, в течение которого ток в колебательном контуре и напряжение на пластинах конденсатора совершает одно полное колебание.

Частотой колебаний называется величина, обратная периоду колебаний:

Частоту свободных колебаний называют собственной частотой колебательной системы.

Заряд конденсатора изменяется по гармоническому закону:

где   – амплитуда колебаний заряда. Сила тока также совершает гармонические колебания:

где   – амплитуда колебаний силы тока. Колебания силы тока опережают по фазе колебания заряда на  .

Закрепление . Решение задач с разбором

Задача 1. Идеальный колебательный контур состоит из конденсатора ёмкостью 2 мкФ и катушки индуктивности. В контуре происходят свободные электромагнитные колебания. В таблице приведена зависимость энергии W, запасённой в конденсаторе идеального колебательного контура, от времени t.

На основании анализа этой таблицы выберите два верных утверждения.

1) Период электромагнитных колебаний в контуре равен 1 мкс.

2) Период электромагнитных колебаний в контуре равен 2 мкс.

3) Индуктивность катушки равна примерно 13 нГн.

4) Максимальное напряжение на конденсаторе равно 5 В.

5) Максимальное напряжение на конденсаторе равно 50 кВ.

Решение. При электромагнитных колебаниях в контуре происходит периодическое превращение энергии электрического поля конденсатора в энергию магнитного поля катушки и обратно, при этом максимальная энергия, запасенная в катушке, равна максимальной энергии, запасенной в конденсаторе

Период колебаний конденсатора равен 1000 нс, но период электромагнитных колебаний в контуре в два раза больше и составляет 2000 нс = 2 мкс.

Утверждение 2 — верно, утверждение 1 — неверно.

Воспользуемся формулой Томсона и выразим индуктивность катушки:

Утверждение 3 — неверно.

Максимальное напряжение на конденсаторе равно

Значение   находим из таблицы =25 мкДж

2. Емкость конденсатора колебательного контура С=1мкФ, индуктивность катушки L=0,04 Гн, амплитуда колебаний напряжения U_m=100 В.

В данный момент времени напряжение на конденсаторе u=80 В. Найти:

1. амплитуду колебаний силы тока I_m; 2. полную энергию W;

3. энергию электрического поля W_эл; 4. энергию магнитного поля W_м;

5. мгновенное значение силы тока i.

Дано:

С=1 мкФ=0,000001Ф

L=0,04 Гн

U_m=100 В

u=80 В

Найти: I_m; W; W_эл; W_м; i.

Решение

Из закона сохранения энергии максимальные энергии конденсатора и катушки индуктивности равны

Откуда

Полная энергия равна

Энергия электрического поля в момент, когда напряжение на конденсаторе 

Из закона сохранения энергии   выразим  :

Мгновенное значение силы тока выразим из формулы:

Подведение итогов урока.Анализ работы в классе. Оценивание

Домашнее задание: