Урок физики «Механические и электромагнитные колебания. Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями»
Класс 11
Дата 05.09.2016
Тема: «Механические и электромагнитные колебания. Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями.»
Цель:
провести полную аналогию между механическими и электромагнитными колебаниями, выявив сходство и различие между ними
научить обобщению, синтезу, анализу и сравнению теоретического материала
воспитание отношения к физике, как к одному из фундаментальных компонентов естествознания.
ХОД УРОКА
Проблемная ситуация: Какое физическое явление мы будем наблюдать, если отклонить шарик от положения равновесия и опустить? (продемонстрировать)
Вопросы классу: Какое движение совершает тело? Сформулируйте определение колебательного процесса.
Колебательный процесс - это процесс, который повторяется через определённые промежутки времени.
1. Сравнительные характеристики колебаний
Фронтальная работа с классом по плану (проверка осуществляется через проектор).
План:
Определение
Как можно получить? (с помощью чего и что для этого надо сделать)
Можно ли увидеть колебания?
Сравнение колебательных систем.
Превращение энергии
Причина затуханий свободных колебаний.
Аналогичные величины
Уравнение колебательного процесса.
Виды колебаний.
Применение
Учащиеся в ходе рассуждений приходят к полному ответу на поставленный вопрос и сравнивают его с ответом на экране.
Вопрос учащимся
кадр на экране
Механические колебания
Электромагнитные колебания
Сформулируйте определения механических и электромагнитных колебаний
это периодические изменения координаты, скорости и ускорения тела.
это периодические изменения заряда, силы тока и напряжения
Вопрос учащимся: Что общего в определениях механических и электромагнитных колебаний и чем они отличаются!
Общее: в обоих видах колебаний происходит периодическое изменение физических величин.
Отличие: В механических колебаниях - это координата, скорость и ускорение В электромагнитных - заряд, сила тока и напряжение.
Вопрос учащимся
кадр на экране
Механические колебания
Электромагнитные колебания
Как можно получить колебания?
С помощью колебательной системы (маятников)
С помощью колебательной системы (колебательного контура), состоящего из конденсатора и катушки.
13 EMBED PBrush 1415
а) пружинного;
13 EMBED PBrush 1415
б) математического
13 EMBED PBrush 1415
Вопрос учащимся: Что общего в способах получения и чем они отличаются?
Общее: и механические, и электромагнитные колебания можно получить с помощью колебательных систем
Отличие: различные колебательные системы - у механических - это маятники, а у электромагнитных - колебательный контур.
Демонстрация учителя: показать нитяной, вертикальный пружинный маятники и колебательный контур.
Вопрос учащимся
кадр на экране
Механические колебания
Электромагнитные колебания
«Что необходимо сделать, чтобы в колебательной системе возникли колебания?»
Вывести маятник из положения равновесия: отклонить тело от положения равновесия и опустить
13 EMBED PBrush 1415
вывести контур из положения равновесия: зарядить конденса тор от источника постоянного напряжения (ключ в положении 1), а затем перевести ключ в положение 2.
13 EMBED PBrush 1415
Демонстрация учителя: Демонстрации механических и электромагнитных колебаний (можно использовать видеосюжеты)
Вопрос учащимся: « Что общего в показанных демонстрациях и их отличие?»
Общее: колебательная система выводилась из положения равновесия и получала запас энергии.
Отличие: маятники получали запас потенциальной энергии, а колебательная система - запас энергии электрического поля конденсатора.
Вопрос учащимся: Почему электромагнитные колебания нельзя наблюдать также как и механические (визуально)
Ответ: так как мы не можем увидеть, как происходит зарядка и перезарядка конденсатора, как течёт ток в контуре и в каком направлении, как меняется напряжение между пластинами конденсатора
2 Работа с таблицами
Сравнение колебательных систем
Работа учащихся с таблицей № 1 , в которой заполнена верхняя часть (состояние колебательного контура в различные моменты времени), с самопроверкой на экране.
Задание: заполнить среднюю часть таблицы (провести аналогию между состоянием колебательного контура и пружинного маятника в различные моменты времени)
Таблица № 1: Сравнение колебательных систем
После заполнения таблицы на экран проецируется заполненные 2 части таблицы и учащиеся сравнивают свою таблицу с той, что на экране.
Кадр на экране
Вопрос учащимся: посмотрите на эту таблицу и назовите аналогичные величины:
Ответ: заряд - смещение, сила тока - скорость.
Дома: заполнить нижнюю часть таблицы № 1 (провести аналогию между состоянием колебательного контура и математического маятника в различные моменты времени).
Превращение энергии в колебательном процессе
Индивидуальная работа учащихся с таблицей № 2 , в которой заполнена правая часть (превращение энергии в колебательном процессе пружинного маятника) с самопроверкой на экране.
Задание учащимся: заполнить левую часть таблицы, рассмотрев превращение энергии в колебательном контуре в различные моменты времени (можно использовать учебник или тетрадь).
Время
колебательный контур
пружинный маятник
13 EMBED Equation.3 1415
на конденсаторе находится максимальный заряд – qm,
13 EMBED Equation.3 1415
смещение тела от положения равновесия максимально – xm,
13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
при замыкании цепи конденсатор начинает разряжаться через катушку; возникает ток и связанное с ним магнитное поле. Вследствие самоиндукции сила тока нарастает постепенно
13 EMBED Equation.3 1415
тело приходит в движение, его скорость возрастает постепенно вследствие инертности тела
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
конденсатор разрядился, сила тока максимальна – Im,
13 EMBED Equation.3 1415
при прохождении положения равновесия скорость тела максимальна – vm,
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
вследствие самоиндукции сила тока уменьшается постепенно, в катушке возникает индукционный ток и конденсатор начинает перезаряжаться
13 EMBED Equation.3 1415
тело, достигнув положение равновесия, продолжает движение по инерции с постепенно уменьшающейся скоростью
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
конденсатор перезарядился, знаки заряда на обкладках поменялись
13 EMBED Equation.3 1415
пружина максимально растянута, тело сместилось в другую сторону
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
разрядка конденсатора возобновляется, ток течёт в другом направлении, сила тока постепенно растёт
13 EMBED Equation.3 1415
тело начинает движение в противоположном направлении, скорость постепенно растёт
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
конденсатор полностью разрядился, сила тока в цепи максимальна - Im
13 EMBED Equation.3 1415
тело проходит положение равновесия, его скорость максимальна - vm
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
вследствие самоиндукции ток продолжает течь в том же направлении, конденсатор начинает заряжаться
13 EMBED Equation.3 1415
по инерции тело продолжает двигаться в том же направлении к крайнему положению
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
конденсатор снова заряжен, ток в цепи отсутствует, состояние контура аналогично первоначальному
13 EMBED Equation.3 1415
смещение тела максимально. Его скорость равна 0 и состояние аналогично первоначальному
13 EMBED Equation.3 1415
После индивидуальной работы с таблицей учащиеся анализируют свою работу, сравнивая свою таблицу с той, что на экране.
Вопрос классу: аналогию каких величин вы увидели в этой таблице?
Ответ: кинетическая энергия - энергия магнитного поля,
потенциальная энергия - энергия электрического поля
инерция - самоиндукция
смещение - заряд, скорость - сила тока.
Затухание колебаний:
Вопрос учащимся
кадр на экране
Механические колебания
электромагнитные колебания
Почему свободные колебания затухают?
колебания затухают под действием силы трения (сопротивления воздуха)
колебания затухают, так как контур обладает сопротивлением
Вопрос учащимся: аналогию каких величин вы здесь увидели?
Ответ: коэффициента трения и сопротивления
В результате заполнения таблиц учащиеся пришли к выводу, что существуют аналогичные величины.
Кадр на экране:
Аналогичные величины:
13 EMBED Equation.3 1415Смещение
x ( q
Заряд
Скорость
V ( I
Сила тока
Масса
m ( L
Индуктивность
Жёсткость
k ( 13 EMBED Equation.3 1415
Величина, обратная ёмкости
Коэффициент трения
· ( R
Сопротивление
Кинетическая энергия
Eк ( Wм
Энергия магнитного поля
Потенциальная энергия
Еп ( Wэ
Энергия электрического поля
Дополнение учителя: аналогичными так же являются: масса - индуктивность, жёсткость - величина, обратная ёмкости.
Видеосюжеты: 1) возможные видеосюжеты свободных колебаний
Механические колебания
Электромагнитные колебания
шарик на нити, качели, ветка дерева, после того как с неё слетела птица, струна гитары
колебания в колебательном контуре
2) возможные видеосюжеты вынужденных колебаний:
Механические колебания
Электромагнитные колебания
игла швейной машины, качели, когда их раскачивают, ветка дерева на ветру, поршень в двигателе внутреннего cгорания
работа электробытовых приборов, линии электропередач, радио, телевидение, телефонная связь, магнит, который вдвигают в катушку
Вопрос учащимся
кадр на экране
Механические колебания
Электромагнитные колебания
Сформулируйте Определения свободных и вынужденных колебаний.
Свободные - это колебания, которые происходят без воздействия внешней силы Вынужденные - это колебания, которые происходят под воздействием внешней периодической силы.
Свободные - это колебания, которые происходят без воздействия переменной ЭДС Вынужденные это колебания, которые происходят под воздействием переменной ЭДС
Вопрос учащимся: Что общего в этих определениях?
Ответ; свободные колебания происходят без воздействия внешней силы, а вынужденные - под воздействием внешней периодической силы.
Вопрос учащимся: Какие ещё виды колебаний вы знаете? Сформулируйте определение.
Ответ: Гармонические колебания - это колебания, которые происходят по закону синуса или косинуса.
Возможные применения колебаний:
Колебание геомагнитного поля Земли под действием ультрафиолетовых лучей и солнечного ветра (видеосюжет)
Влияние колебаний магнитного поля Земли на живые организмы, движение клеток крови (видеосюжет)
Вредная вибрация ( разрушение мостов при резонансе, разрушение самолётов при вибрации) - видеосюжет
Полезная вибрация (полезный резонанс при уплотнении бетона, вибросортировка - видеосюжет
Электрокардиограмма работы сердца
Колебательные процессы в человеке ( колебание барабанной перепонки, голосовых связок, работа сердца и лёгких, колебания клеток крови)
Дома: 1) заполнить таблицу № 3 (используя аналогию вывести формулы для колебательного процесса математического маятника и колебательного контура),
2) заполнить таблицу № 1 до конца (провести аналогию между состояниями колебательного контура и математического маятника в различные моменты времени.
Выводы по уроку: в ходе урока учащиеся провели сравнительный анализ на основе ранее изученного материала, тем самым систематизировали материал по теме: «Колебания»; рассмотрели применение на примерах из жизни.
Таблица №3. Уравнение колебательного процесса
Пружинный маятник
Математический маятник
Колебательный контур
13 EMBED PBrush 1415
Выразим h через х из подобия
·АОЕ и
·АВС
13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
Разные колебания описываются
однотипными уравнениями
Root Entry