Колебательный контур. Презентация «Колебательный контур

Дата: ___________ Подпись: __________Класс: 9 класс Предмет: физика Учитель Чернобаев А.Ю.

Тема: «ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ»

Цель урока :
Задачи: Воспитательная: воспитать культуру физического труда; внимательность при объяснении нового материала. Образовательная: Дать понятие математическому и пружинному маятнику , изучить понятие электромагнитные колебания и изучить формулу Томсона
Развивающая: способствовать развитию мыслительной деятельности.
Требования к знаниям и умениям: Учащиеся должны знать : -что называется свободным и вынужденным колебанием - что называется колебательным контуром, определение электромагнитных колебаний Учащиеся должны уметь : - вычислять 1, Т, т, к, и на основании формул для периода матем. и пру­жинного маятников; - решать качест­венные задачи, объяснять явления на основе изученного ; - применять формулу Томсона при решении задач
Тип урока: комбинированный урок
Программное обеспечение : учебник, рабочая тетрадь, доска, справочный материал и предлагаемый учителем дополнительный материал.

План:

I Орг. момент II Проверка домашнего задания III Устный опрос по прошедшим темам: «Превращение энергии при колебательном движении» 1.Электромагнитные колебания 2. Формула Томсона 3. Решение задач V Рефлексия VI Подведение итогов VII Домашнее задание

Ход урока:

I Орг. момент II Проверка домашнего задания: III Устный опрос по прошедшим темам: «колебательное движение» - В каком положении кинетическая энергия тела в колебательном движении наибольшая? Почему? - В каком положении потенциальная энергия пружинного маятника наибольшая? Почему? - Чему равна полная энергия колебательного тела в любой точке траектории? - Какие примеры затухающего колебания вы можете привести?IV Изучение нового материала:

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ

1. Открытие электромагнитных колебаний было неожиданным. После того как изобрели простейший конденсатор и научились сообщать ему большой заряд с помощью электростатической машины, ученые начали наблюдать его электрический заряд. С простейшим конденсатором - лейденской банкой - вы ознакомились в 8 классе. Замыкая обкладки лейденской банки с помощью проволочной катушки, обнаружили, что стальные спицы внутри катушки намагничиваются. В этом ничего странного не было, так как электрический ток и должен намагничивать стальной сердечник катушки. Удивительным было то, что нельзя было предсказать, какой конец намагниченного сердечника катушки окажется северным полюсом, а какой - южным. Опыты, проведенные в одних и тех же условиях, давали различные результаты. Ученые не сразу поняли, что при разрядке конденсатора через катушку возникают колебания. За время разряда конденсатор успевает несколько раз перезарядиться, и электрический ток тоже меняет направление. Из-за этого сердечник может намагничиваться по-разному, и его полюсы поочередно меняются. Итак, при разрядке конденсатора периодически (или почти периодически) изменяются заряд, ток, напряжение, электрические и магнитные поля. Периодическое изменение этих величия называют электромагнитными колебаниями. Получить электромагнитные колебания почти так же просто, как и заставить тело колебаться, подвесив его на пружине. Но наблюдать электромагнитные колебания уже не так просто. Ведь мы непосредственно не видим ни переразрядки конденсатора, ни тока в катушке. К тому же колебания обычно происходят с очень большой частотой. Для наблюдения и исследования электромагнитных колебаний самым подходящим прибором является электронный осциллограф. Электромагнитные колебания возникают в электрической цепи, состоящей из батареи конденсаторов и катушки индуктивности (рис. 89, 6). Цепь, состоящая из последовательно соединенных конденсатора и катушки и позволяющая получать электромагнитные колебания, называется колебательным контуром. Такая установка состоит из источника тока (1), батареи конденсаторов (2), катушки индуктивности (3), электронного осциллографа (4) и переключателя (5). Емкость батареи (С) можно менять, перемещая рукоятку и включая разные конденсаторы. Можно менять и индуктивность (Ь) катушки, включая большее или меньшее число витков обмотки или внося в катушку стальной сердечник. Принципиальная схема такой установки дана на рис. 89, а. При повороте переключателя влево (рис. 89, а, положение б) конденсатор подключается к источнику тока и на его обкладках начинает накапливаться электрический заряд, т.е. конденсатор начинает заряжаться. А если ручку перебросить вправо (положение 7), то источник тока отключается, а к зажимам конденсатора присоединяется обмотка катушки. При этом конденсатор начинает разряжаться через катушку, и по обмотке идет электрический ток.

Такие поочередно изменяющиеся в колебательном контуре процессы можно увидеть на экране осциллографа. В идеальных условиях, когда электрическое сопротивление равно или близко к нулю, на экране можно увидеть свободные электромагнитные колебания (рис. 89, . А в случае, когда электрическое сопротивление контура будет большим, то на экране осциллографа появляется осциллограмма затухающего колебания (рис. 90). При увеличении электрической емкости конденсатора в установке можно увидеть растягивание осциллограммы в горизонтальном направления. Следовательно, с увеличением емкости колебательного контура период электромагнитного колебания возрастает (частота соответственно уменьшается). Когда емкость уменьшается, период колебания тоже уменьшается, а частота, естественно, возрастает. Такой же результат получается при изменении индуктивности катушки в контуре. Физические величины - индуктивность и емкость - вам известны из курса физики для 8 классов. При увеличении индуктивности период колебания возрастает, и, наоборот - при уменьшении индуктивности период сокращается. Этот результат аналогичен изменению периода колебания пружинного маятника при изменении массы груза и жесткости пружины. Таким образом, период свободного электромагнитного колебания в колебательном контуре вычисляется через индуктивность контура (L) и емкость (С) по формуле:

В честь него это выражение называется формулой Томсона. Для того чтобы получить период (Т) в секундах (с), индуктивность (L) должна быть выражена в генри (Гн), а емкость (С) - в фарадах (Ф). Явления в колебательном контуре аналогичны явлениям в пружинном маятнике. Действительно, для того чтобы возникли колебания в пружинном маятнике, пружину надо деформировать (сжать), сообщив ей потенциальную энергию (рис. 91, а). Аналогично, чтобы в колебательном контуре возникли колебания, следует зарядить конденсатор и таким образом сосредоточить в нем энергию электрического поля (рис. 91, 6).

Через четверть периода деформация пружины исчезает, а груз с максимальной скоростью проходит положение равновесия. При этом потенциальная энергия пружины превращается в кинетическую энергию груза (рис. 91, в). Точно так же через четверть периода конденсатор разряжается, и через обмотку катушки течет электрический ток максимальной силы. Энергия электрического поля конденсатора превратилась в энергию магнитного поля катушки (рис. 91, е). Далее груз, продолжая свое движение, растягивает пружину, и к концу полупериода кинетическая энергия груза вновь превращается в потенциальную энергию пружины (рис. 91, д). Аналогично электрические заряды за счет энергии магнитного поля начинают накапливаться на обкладках конденсатора, и к концу полупериода энергия магнитного поля катушки превращается в энергию электрического поля конденсатора (рис. 91, е). Этот процесс вновь повторяется, и к концу периода система возвращается в первоначальное состояние (рис. 91, ж, з, и, к). Таким образом, можно сделать вывод: в цепи, состоящей из конденсатора и катушки индуктивности, при очередной разрядке конденсатора возникают электромагнитные колебания. Решение задач: №3. Для демонстрации медленных электромагнитных колебаний собирается колебательный контур с конденсатором, емкость которого равна 2,5 мкФ. Какова должна быть индуктивность катушки при периоде колебания 0,2 с?

Дано:

№2. Какой должна быть длина математического маятника, чтобы период его колебаний был равен 1 с? №4. С каким периодом будет совершать колебания математический маятник длиной 1 м на поверхности Луны? Ускорение свободного падения на Луне 1,62 м/с 2 .Упр.23: №2. Как изменится период колебаний маятника, если переместить его с Земли на луну? Масса Луны в 81 раз меньше массы Земли, а радиус Земли в 3,7 раза больше радиуса Луны. №3. Тело массой 200 г, подвешенное на пружине с жесткостью 16 Н/м колеблется с амплитудой 2 см в горизонтальной плоскости. Определите циклическую частоту колебания тела и энергию системы.Упр.24: №1. Колебательный контур состоит из конденсатора емкостью 250 пФ и катушки индуктивностью 10 мГн. Определите период и частоту свободных колебаний. №2. Необходимо собрать колебательный контур частотой 3 мГц, используя катушку индуктивностью 1,3 мГн. Какова должна быть емкость конденсатора?

V Рефлексия - Что такое математический маятник? - От чего зависит период колебаний математического маятника? - От чего зависит период колебаний тела под действием силы упругости? - Каким образом с помощью маятников приборов находят залежи полезных ископаемых? - Какие колебания называются свободными? - Почему колебания затухают? - Как влияет сила трения на амплитуду колебаний? - Почему затухающие колебания нельзя назвать гармоническими? - Чем определяется собственная частота колебательной системы? - Что такое вынужденные колебания? - С какой частотой происходят вынужденные колебания? - Как зависит амплитуда вынужденных колебаний от частоты? - Какое явление называется резонансом? - Какие примеры применения резонанса вы можете привести? - Что представляет собой колебательный контур? Начертите его схему. - Что необходимо сделать, чтобы в колебательном контуре возникли свободные колебания? - Почему свободные электромагнитные колебания затухают? - Как влияет изменение емкости конденсатора на период свободного колебания в контуре? - Как влияет изменение индуктивности катушки на период свободного колебания в контуре? - Какой формулой выражается период свободных колебаний в колебательном контуре? В каких единицах измеряются величины, входящие в нее?VI Подведение итогов VII Домашнее задание: § 54-55 Упр.45 №2,5 Упр.46 Упр.22:

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Колебательный контур. Электромагнитные колебания. Принцип радиосвязи и телевидения Урок №51

Э лектромагнитные 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.

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 .

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. Странным же было то, что нельзя было предсказать, какой конец сердечника катушки окажется северным полюсом, а какой южным. Далеко не сразу поняли, что при разрядке конденсатора через катушку в электрической цепи возникают колебания.

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.

Схема передатчика Попова довольно проста - это колебательный контур, который состоит из индуктивности (вторичной обмотки катушки), питаемой батареи и емкости (искрового промежутка). Если нажать на ключ, то в искровом промежутке катушки проскакивает искра, вызывающая электромагнитные колебания в антенне. Антенна является открытым вибратором и излучает электромагнитные волны, которые, достигнув антенны приемной станции, возбуждают в ней электрические колебания.

Для регистрации принятых волн, Александр Степанович Попов применил специальный прибор - когерер (от латинского слова « когеренцио » - сцепление), состоящий из стеклянной трубки, в которой находятся металлические опилки. 24 марта 1896 года были переданы первые слова с помощью азбуки Морзе - «Генрих Герц» .

Хотя современные радиоприемники очень мало напоминают приемник Попова, основные принципы их действия те же.

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. – Радиосвязь - это процесс передачи и приема информации с помощью электромагнитных волн. – Амплитудная модуляция - это процесс изменения амплитуды высокочастотных колебаний с частотой, равной частоте звукового сигнала. – Процесс, обратный модуляции называется детектированием.

Радиовещание (т. е. передача звуковой информации на большие расстояния) осуществляется посредством электромагнитных волн, излучаемых антенной радиопередающего устройства. Напомним, 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 электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве в виде электромагнитных волн).

Для создания мощной электромагнитной волны, которую можно было бы зарегистрировать приборами на больших расстояниях от излучающей её антенны, необходимо, чтобы частота волны была не меньше 0,1 МГц (10 5 Гц) 1 . 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 - колебательная система, в которой могут существовать свободные электромагнитные колебания. Колебательный контур состоит из конденсатора (или батареи конденсаторов) и проволочной катушки.

Получить свободные электромагнитные колебания и удостовериться в их существовании можно с помощью установки, изображённой на рисунке 137.

Рис. 137. Установка для получения свободных электромагнитных колебаний

Катушка 4 с сердечником 5 (рис. 137, а) состоит из двух обмоток: первичной 4 1 , (из 3600 витков) и вторичной 4 2 (расположенной поверх первичной в средней её части и имеющей 40 витков).

Первичная обмотка катушки и батарея конденсаторов 2, соединённые друг с другом через переключатель 3, составляют колебательный контур. Вторичная обмотка замкнута на гальванометр 6, который будет регистрировать возникновение колебаний в контуре.

Поставим переключатель в положение 3 1 (рис. 137, б), соединив батарею конденсаторов с источником постоянного тока 1. Батарея зарядится от источника. Перекинем переключатель в положение 3 2 , соединив батарею с катушкой. При этом стрелка гальванометра совершит несколько затухающих колебаний, отклоняясь от нулевого деления то в одну, то в другую сторону, и остановится на нуле.

Чтобы объяснить наблюдаемое явление, обратимся к рисунку 138. Пусть при зарядке от источника тока (переключатель в положении З 1) конденсатор получил некоторый максимальный заряд q m . Допустим, при этом верхняя его обкладка зарядилась положительно, а нижняя - отрицательно (рис. 138, а). Между обкладками возникло напряжение Um и электрическое поле, обладающее энергией Е эл m .

Рис. 138. Объяснение возникновения и существования электромагнитных колебаний в колебательном контуре

При замыкании на катушку (переключатель в положении 3 2) в момент, который примем за начало отсчёта времени, конденсатор начинает разряжаться, и в контуре появляется электрический ток. Сила тока увеличивается постепенно, так как возникший в катушке ток самоиндукции направлен против тока, созданного разряжающимся конденсатором.

Через некоторый промежуток времени t 1 от начала разрядки конденсатор полностью разрядится - его заряд, напряжение между обкладками и энергия электрического поля будут равны нулю (рис. 138, б). Но, согласно закону сохранения энергии, энергия электрического поля не исчезла - она перешла в энергию магнитного поля тока катушки, которая в этот момент достигает максимального значения Е маг m . Наибольшему значению энергии соответствует и наибольшая сила тока I m .

Поскольку конденсатор разряжен, сила тока в контуре начинает уменьшаться. Но теперь ток самоиндукции направлен в ту же сторону, что и ток разряжавшегося конденсатора, и препятствует его уменьшению. Благодаря току самоиндукции к моменту времени 2t 1 от начала разрядки конденсатор перезарядится: его заряд вновь будет равен q m , но теперь верхняя обкладка будет заряжена отрицательно, а нижняя - положительно (рис. 138, в).

Понятно, что через промежуток времени, равный 3t 1 , конденсатор вновь будет разряжен (рис. 138, г), а через 4t l будет заряжен так же, как в момент начала разрядки (рис. 138, д).

За промежуток времени, равный 4t 1 , произошло одно полное колебание. Значит, Т = 4t 1 , где Т - период колебаний (a t 1 , 2 t1, 3t 1 - соответственно четверть, половина и три четверти периода).

При периодическом изменении в катушке 4 1 силы тока и его направления соответственно меняется и создаваемый этим током магнитный поток, пронизывающий катушку 4 2 . При этом в ней возникает переменный индукционный ток, регистрируемый гальванометром. Исходя из того что стрелка гальванометра совершила несколько затухающих колебаний и остановилась на нуле, можно сделать вывод, что электромагнитные колебания тоже были затухающими. Энергия, полученная контуром от источника тока, постепенно расходовалась на нагревание проводящих частей контура. Когда запас энергии иссяк, колебания прекратились.

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

Из данной формулы следует, что период колебательного контура определяется параметрами составляющих его элементов: индуктивностью катушки и ёмкостью конденсатора. Например, при уменьшении ёмкости или индуктивности период колебаний должен уменьшиться, а их частота - увеличиться. Проверим это на опыте. Уменьшим ёмкость батареи, отключив от неё несколько конденсаторов. Мы увидим, что колебания стрелки гальванометра участились.

В начале параграфа отмечалось, что подаваемые в антенну высокочастотные колебания необходимы для создания электромагнитных волн. Но для того чтобы волна излучалась в течение длительного времени, нужны незатухающие колебания. Для создания в контуре незатухающих колебаний необходимо восполнять потери энергии, периодически подключая конденсатор к источнику тока. В генераторе это осуществляется автоматически.

Вопросы

1. Для чего электромагнитные волны подаются в антенну?
2. Почему в радиовещании используются электромагнитные волны высокой частоты?
3. Что представляет собой колебательный контур?
4. Расскажите о цели, ходе и наблюдаемом результате опыта, изображённого на рисунке 137. Каким образом гальванометр мог регистрировать происходящие в этом контуре колебания?
5. Какие преобразования энергии происходят в результате электромагнитных колебаний?
6. Почему ток в катушке не прекращается в тот момент, когда конденсатор разряжен?
7. От чего зависит собственный период колебательного контура? Как его можно изменить?

Упражнение 42

Колебательный контур состоит из конденсатора переменной ёмкости и катушки. Как получить в этом контуре электромагнитные колебания, периоды которых отличались бы в 2 раза?

1 Дальность распространения волны зависит от её мощности Р, а мощность - от частоты v: P - v 4 . Из этой зависимости следует, что уменьшение частоты волны, например, всего лишь в 2 раза приведёт к уменьшению её мощности в 16 раз и соответствующему уменьшению дальности распространения.

Тест по физике Колебательный контур, Получение электромагнитных колебаний для учащихся 9 класса с ответами. Тест включает в себя 10 заданий с выбором ответа.

1. В колебательном контуре после разрядки конденсатора ток исчезает не сразу, а постепенно уменьшается, перезаряжая конденсатор. Это связано с явлением

1) инерции
2) электростатической индукции
3) самоиндукции
4) термоэлектронной эмиссии

2. Как изменится период собственных колебаний конту­ра, если его индуктивность увеличить в 10 раз, а емкость уменьшить в 2,5 раза?

1) Увеличится в 2 раза
2) Уменьшится в 2 раза
3) Увеличится в 4 раза
4) Уменьшится в 4 раза

3. Как изменится период собственных колебаний конту­ра, если его индуктивность увеличить в 20 раз, а емкость уменьшить в 5 раз?

1) Увеличится в 2 раза
2) Уменьшится в 2 раза
3) Увеличится в 4 раза
4) Уменьшится в 4 раза

4. Колебательный контур состоит из конденсатора электро­емкостью С и катушки индуктивностью L . Как изменится период электромагнитных колебаний в этом контуре, если и электроемкость конденсатора, и индуктивность катушки увеличить в 4 раза?

1) Не изменится
2) Увеличится в 4 раза
3) Уменьшится в 4 раза
4) Уменьшится в 16 раз

5. К

1) Уменьшится в 2 раза
2) Увеличится в 2 раза
3) Уменьшится в 4 раза
4) Увеличится в 4 раза

6. Как изменится период собственных электромагнитных колебаний в конту­ре, если ключ К перевести из положения 1 в положение 2?

1) Уменьшится в 4 раза
2) Увеличится в 4 раза
3) Уменьшится в 2 раза
4) Увеличится в 2 раза

7. Как изменится период собственных электромагнитных колебаний в конту­ре, если ключ К перевести из положения 1 в положение 2?

1) Уменьшится в 9 раз
2) Увеличится в 9 раз
3) Уменьшится в 3 раза
4) Увеличится в 3 раза

8. Как изменится период собственных электромагнитных колебаний в конту­ре, если ключ К перевести из положения 1 в положение 2?

1) Уменьшится в 4 раза
2) Не изменится
3) Уменьшится в 2 раза
4) Увеличится в 2 раза

9. На рисунке приведен график зависимости силы тока от времени в колебательном контуре при свободных колеба­ниях. Если емкость конденсатора увеличить в 4 раза, то пе­риод собственных колебаний контура станет равным

1) 2 мкс
2) 4 мкс
3) 8 мкс
4) 16 мкс

10. На рисунке приведен график зависимости силы тока от вре­мени в колебательном контуре при свободных колебаниях. Если катушку в этом контуре заменить на другую катушку, индуктивность которой в 4 раза меньше, то период колеба­ний контура будет равен

1) 1 мкс
2) 2 мкс
3) 4 мкс
4) 8 мкс

Ответы на тест по физике Колебательный контур, Получение электромагнитных колебаний
1-3
2-1
3-1
4-2
5-1
6-4
7-3
8-2
9-3
10-2