Открытый урок Свободные электромагнитные колебания в колебательном контуре (11 класс)

Тема урока: «Свободные электромагнитные колебания в контуре»


Цель урока: повторить основные закономерности и формулы, связанные с процессами зарядки и разрядки конденсатора, происхождение тока через катушку; рассмотреть механизм возникновения свободных электрических колебаний и переход энергии в колебательном контуре; сформулировать у учащихся целостное представление о свободных колебаний разной физической природы; научить определять амплитуду, период, частоту гармонических колебаний, формировать у учащихся диалектическое мышление, научную картину мира.
Тип урока: урок изучения нового материала.
Демонстрации:
свободные электрические колебания (видео);
зависимость частоты свободных электромагнитных колебаний от электроемкости и индуктивности контура.
План:
1. Актуализация опорных знаний
2. Простейший колебательный контур: наблюдение и механизм колебаний.
3. Превращение энергии в колебательном контуре
4. Аналогия с механическими колебаниями
5. Амплитуда, период и частота гармонических электромагнитных колебаний, формула Томсона.

Ход урока

1. Актуализация опорных знаний
Простейшая цепь, в которой могут происходить свободные электрические колебания, состоит из конденсатора и катушки, присоединенной к обкладкам конденсатора. Активное сопротивление проводников, из которых изготовлен колебательный контур, должно быль очень малым. Поэтому нам придется вспомнить основные характеристики конденсатора и катушки индуктивности, они нам понадобятся для изучения свободных колебаний в контуре.




Конденсатор
Катушка индуктивности







2. Изложение нового материала
А теперь мы немного отвлечемся от физики и вспомним русские народные сказки:
Старик с ярмарки дочерям подарки привез, самой младшей Машеньке – наливное яблочко и серебряное блюдечко. Села Машенька в уголок горницы, покатила наливное яблочко по блюдечку, поет, приговаривает: «Катись, катись, яблочко наливное, по серебряному блюдечку, покажи мне города и поля, покажи мне леса, моря, покажи мне гор высоту и небес красоту, всю родимую Русь-матушку».
Вам сейчас трудно представить, что еще 50-70 лет назад считалось чудом: разговаривать с человеком, который находится в соседнем классе через стенку, увидеть извержение вулкана на Камчатке. Все это стало возможно благодаря развитию принципиально новых средств связи, сердцем которых является колебательный контур. Триумфом электромагнитной теории в XIX ст. стало экспериментальное открытие электромагнитных волн, это открытие положило начало мобильной и сотовой связи, телевидения, интернета. Кстати, само открытие было сделано случайно, наблюдали разряд первого конденсатора (Лейденской банки), его обкладки присоединяли к проволочной катушке. Оказалось, что стальные спицы внутри катушки намагничиваются, и предусмотреть было невозможно, где у сердечника южный и северный полюс. Экспериментаторы не сразу поняли, что во время разрядки конденсатора через катушку возникают колебания.
Мы не можем непосредственно воспринимать нашими органами чувств электромагнитные колебания так, как мы видим колебания маятника или слышим колебания струны, поэтому, изучая электромагнитные колебания, приходится прибегать к аналогии с механическими колебаниями. А в качестве приборов будем использовать: катушку индуктивности (индуктивностью L), батарею конденсаторов (емкостью C), соединенные провода, источник тока, осциллограф и гальванометр (на дем. кафедре выставлены приборы).
Итак, соберем закрытый колебательный контур (его называют закрытым, т.к. он почти не излучает энергию в пространство). Наблюдаем электромагнитные колебания (видеоролик, 1 часть). Комментарии: ключ замыкаем на источник тока, заряжаем конденсатор, энергия поступает в колебательный контур, гальванометр фиксирует возникающее колебание электрического тока. Убедимся, что стрелка прибора колеблется не по инерции. Продемонстрируем электромагнитные колебания еще раз:

Рассмотрим механизм возникновения электромагнитных колебаний (замедленное кино)
1 Шаг: конденсатор заряжен, его энергия , на пластинах сосредоточен заряд – и + q=max


2 Шаг: под действием силы Кулона заряженные частицы устремляются через катушку к противоположной пластине. Возникает электрический ток в цепи, сила которого не сразу достигает максимального значения. Это обусловлено явлением самоиндукции. Полная энергия 13 EMBED Equation.3 1415


3 Шаг: конденсатор разряжается. Ток достигает максимального значения, энергия магнитного поля тоже максимальна 13 EMBED Equation.3 1415

4 Шаг: сила тока в катушке уменьшается, а значит, магнитное поле становится переменным, это является главным условием явления самоиндукции

5 Шаг: Конденсатор перезаряжается, пока сила тока постепенно уменьшается, но не равна нулю, энергия электрического поля конденсатора снова станет максимальной 13 EMBED Equation.3 1415

6,7,8 Шаг: конденсатор снова начнет перезаряжаться и система снова вернется в начальное положение. Если бы энергия не затрачивалась на сопротивление проводников, этот процесс был бы бесконечным, а колебания незатухающими


Еще раз повторим механизм возникновения колебаний в контуре. Закрепление материала вместе с учащимися

3. Превращение энергии и аналогия с механическими колебаниями
Заряд конденсатора аналогичен отклонению пружинного маятника от положения равновесия, энергия электрического поля заряженного конденсатора – потенциальной энергии деформированной пружины.
Если конденсатор полностью заряжен, то qmax, напряжение тоже максимально, а энергия равна . Когда конденсатор полностью разрядится, энергия магнитного поля станет максимальной. По закону сохранения энергии, процесс превращения будет продолжаться до тех пор пока будут происходить колебания в контуре.
Рассмотрите рисунок, попробуйте объяснить, что еще общее между колебаниями электрическими и механическими.

В действительности потери энергии неизбежны. В часности, катушка и провода имеют сопротивление R, это приведет к постепенному превращению энергии электромагнитного поля во внутреннюю энергию проводников. Отсюда еще одна характика – добротность контура – быстрота затухания колебания 13 EMBED Equation.3 1415, логично вспомнить закон Джоуля-Ленца 13 EMBED Equation.3 1415.
Таким образом, электромагнитные колебания аналогичны механическим, колебания энергии электромагнитного поля, а значит, заряда происходит по закону 13 EMBED Equation.3 1415. Такие колебания можно назвать гармоническими.






4. Период и частота
Во время колебаний значение заряда повторяется переодически. Минимальный промежуток времени Т, через который процесс повторяется, называется периодом колебания. Период колебаний рассчитывается по формуле: 13 EMBED Equation.3 1415
Проверим это экспериментально (видеоролик, 2 часть).
Еще одна характеристика электромагнитных колебаний 13 EMBED Equation.3 1415.
Вопросы для закрепления материала

Будут ли происходить электрические колебания в контуре, если сообщить энергию катушке индуктивности, а не конденсатору? Почему?
Почему не прекращаются колебания в контуре, когда заряд конденсатора равен «0»?
От чего зависит период свободных колебаний в контуре?
Видеоролик с мультсюжетом и качественными задачами.
Качественные задачи для решения в классе

Возникнут ли колебания в колебательном контуре, если заменить катушку индуктивности на резистор?
Где будет сосредоточена энергия во время колебаний в контуре через 1/8;1/4;1/2 периода?
Ёмкость конденсатора уменьшили в 2 раза, во сколько раз надо изменить индуктивность катушки, чтобы частота не изменилась? (увеличить в 2 раза)
Как изменится период колебаний, если изменить расстояние между пластинками конденсатора? (Т увеличится)
Как изменится частота свободных колебаний, если в катушку ввести железный сердечник? (V увеличится)
Заготовить листочки с фамилией и ответами, при оценивании добавить баллы учащихся, которые в течение урока дополняли и отвечали на вопросы.
Домашнее задание.
Оценивание учащихся производится на листочках контроля и выставляется на следующем уроке.

Рисунок 8Рисунок 8Root Entry