Тема урока: Свободные и вынужденные электромагнитные колебания. Колебательный контур. Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями

КОНСПЕКТ УРОКА
Тема урока: Свободные и вынужденные электромагнитные колебания. Колебательный контур. Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями
Класс: 11
Тип урока: диалоговая лекция с элементами РКМПЧ (2 часа).
Цели урока:
Познавательные: продолжить формирование представлений о взаимосвязи явлений природы и единой физической картине мира.
Коммуникативные: развивать критическое мышление через работу с кластером.
Личностные: учить находить и воспринимать прекрасное в природе, искусстве и учебной деятельности, развивать когнитивные процессы учащихся, основываясь на применении научного метода познания: аналогичности и моделировании;
Результаты урока:
Предметные результаты:
Выделение необходимой информации, решение проблем творческого, поискового характера.
Метапредметные результаты:
Развитие речевой деятельности, формирование умения принимать, понимать людей разного социального положения.
Личностные результаты:
Закрепление нравственных норм поведения.
Основные виды деятельности ученика: Наблюдать осциллограммы гармонических колебаний силы тока в цепи. Формировать ценностное отношение к изучаемым на уроках физики объектам и осваиваемым видам деятельности
Оборудование:
для учителя -
метроном, пружинный и математический маятники;
ПК и проектор;
Коллекция конденсаторов постоянной и переменной емкости и катушек.
для ученика -
лист с заготовкой опорного конспекта;
рабочая карточка.
Домашнее задание: пользуясь §27, 29, 30, выполнить задания по уровням сложности.
План урока
Организация работы Ход урока
Стадия вызова
На доске записана тема урока, заготовлен опорный конспект, оформлена Рабочая карточка с заданиями для учащихся. Организационная часть урока.
Ребята! На прошлом уроке мы подвели итоги изучения темы «Механические колебания». На дом была дана работа по систематизации знаний по теме, пожалуйста, не забудьте её сдать. А сейчас повторим некоторые моменты пройденной темы.
- Какое движение называется колебательным движением?
- Каковы его свойства?
Какие колебания называются свободными? Вынужденными?
- В чем отличие свободных колебаний от вынужденных?
Основная учебная проблема нашего урока: «Могут ли происходить колебания в каких-либо других физических системах?»
Но прежде я хочу рассказать случай из истории. Лейденский профессор Мушенбрек, написал в своем дневнике однажды так: «Хочу сообщить вам новый и страшный опыт, который никак не советую повторять. Я делал некоторые исследования над электрической силой и для этой цели повесил на двух шнурах из голубого шелка железный ствол, получавший через сообщение электричество от стеклянного шара, который приводился в быстрое вращение и натирался прикосновениями рук. На другом конце свободно висела медная проволока, конец которой был погружен в круглый стеклянный сосуд, отчасти наполненный водой, который я держал в правой руке, другой же рукой я пробовал извлечь искры из наэлектризованного ствола. Вдруг моя правая рука была поражена с такой силой, что все тело содрогнулось, как от удара молнии. Сосуд, хотя и из тонкого стекла, обыкновенно сотрясением этим не разбивается, но рука и все тело поражаются столь страшным образом, что и сказать не могу, одним словом, я думал, что пришел конец... » Выяснилось, что в сосудах того типа, о котором пишет Мушенбрек, электричество может накапливаться в весьма значительных количествах. Так была открыта прославленная впоследствии «лейденская банка» – простейший конденсатор. (Приложение 1. Презентация «Изобретение лейденской банки»).
Стадия осмысления содержания.
Чтение лекции Рассказ об электромагнитных колебаниях и их свойствах (Приложение 2.Презентация «Электромагнитные колебания»)Стадия рефлексии
Мозговая атака и фронтальный опрос Предлагаю поработать с рабочей карточкой по учебнику (параграф 27) (Приложение 3.Рабочая карточка учащегося, задание 1)
Домашнее задание. 1 уровень (базовый) Заполнение кластера (задание 2 Рабочей карточки).
2 уровень (повышенный). Выполнение теста (ссылка http://physik.ucoz.ru/board/11_klass/ehlektromagnitnye_kolebanija_i_volny/test_quot_svobodnye_ehlektromagnitnye_kolebanija_quot_11_klass_2/59-1-0-646)
Сделать 2 скрин-шота: с выполненным заданием и результатом. Выслать учителю на e-mail.
Лекция учителя.
1. Введение (Учитель).
Получить электрические магнитные колебания также легко, как и заставить колебаться математический или пружинный маятники, но наблюдать эти колебания без специальных устройств невозможно.
Демонстрации: 1) колебания мятников в механических системах.
2) фрагмент видеофильма “Электромагнитные колебания”.
В. Какие же величины могут периодически изменятся в электрических цепях?
Опр. 1. Периодические или почти периодические изменения , и напряжения называются электромагнитными колебаниями.
В классической механике - это низкочастотные колебания.
В квантовой механике - это высокочастотные колебания.
Из вывода Максвелла следует, что в природе существует единое электромагнитное поле.

Рис. 2
Опр. 2. Одновременное периодическое изменение связанных между собой электрического и магнитного полей называется электромагнитными колебаниями.
Как и механические колебания, электромагнитные колебания могут быть:
- свободными (затухающими)- вынужденными (незатухающими)
а) Свободные электромагнитные колебания возникают в колебательном контуре после однократного подведения энергии.

Рис. 3
Как всегда в любом разделе физики, мы стараемся изучить протекающие процессы на модели (смотрите Приложение 5 - конспект урока «Свободные электромагнитные колебания»).
Рассмотрим электромагнитные колебания с точки зрения преобразования энергии в колебательном контуре.
Объяснение явления: На обкладках конденсатора сосредоточен электрический заряд, после того как колебательному контуру предоставляется самостоятельность, конденсатор разряжается через катушку индуктивности, в которой возникает электрический ток. В конденсаторе сосредоточено электрическое поле с энергией W, которая по мере разрядки конденсатора, а в катушке возрастанию тока способствует магнитной энергии W.
Если контур реальный, то потери энергии электромагнитного поля неизбежны, т.к. частично энергия электромагнитного поля переходит во внутреннюю энергию проводников, диэлектрика, а также выделяется в виде джоулевого тепла на активной нагрузке (омическом сопротивлении R). В результате, в реальном контуре возникают свободные электромагнитные колебания, которые являются затухающими.
Вывод: (делают ученики) Свободные колебания, возникающие при разрядке конденсатора через катушку — затухающие электромагнитные колебания.
Демонстрация:
Затухающие электромагнитные колебания на экране осциллографа, где Up – напряжение развертки.

Рис. 4
б) Вынужденные электромагнитные колебания - переменный электрический ток, являются незатухающими.
В Для того чтобы колебания были незатухающими, на колеблющееся тело должна действовать внешняя периодически изменяющаяся сила. Чем же будет являться внешняя сила для электрической цепи с незатухающими колебаниями? (Демонстрация колебаний метронома).
Опр. Вынужденными электромагнитными колебаниями называют периодические изменения силы тока и напряжения в электрической цепи, происходящие под действием переменной Э.Д.С. от внешнего источника.
Отв.(ученик). Роль внешней силы выполняет Э.Д.С. от внешнего источника - генератора переменного тока, работающего на электростанции. Вынужденные колебания электромагнитные обеспечивают работу электрических двигателей в станках на заводах и фабриках, приводят в действие электробытовые приборы и осветительные системы. Действие внешней переменной Э.Д.С. способно восстанавливать потерю энергии, создавать и поддерживать незатухающие электромагнитные колебания.
2. В идеальном колебательном контуре (R=0) возникают свободные электромагнитные колебания , которые являются гармоническими.
В Дайте определение гармоническим колебаниям.
Отв (ученик). Гармонические колебания - это такие колебания, при которых физическая величина изменяется по закону Sin или Cos.
Воспользуемся аналогией между механическими и электромагнитными колебаниями и найдем зависимость от времени для электрических характеристик идеального колебательного контура.
Дополнительная справка
Аналогия - один из методов научного познания, который широко применяется при изучении физики. В основе аналогии лежит сравнение. Если обнаруживается, что два или более объектов имеют сходные признаки, то делается вывод и о сходстве других признаков. Вывод по аналогии может быть как истинным, так и ложным, поэтому он требует экспериментальной проверки. (Г. Галилей – основоположник научного метода познания).
Для облегчения изучения электромагнитных колебаний удобно использовать электромеханические аналогии, поскольку теория колебаний имеет универсальный характер, т.е. колебательные и волновые процессы различной природы подчиняются общим закономерностям.
Давайте обратимся к сравнительной таблице (Приложение 6)
Подведем итог: (обобщают ученики)
Колебательные процессы различной природы описываются одинаковыми по виду уравнениями и имеют тождественные графические интерпретации.
2-й урок.
Академик Мандельштам отмечал: “Теория колебаний объединяет, обобщает различные области физики... Каждая из областей физики — оптика, механика, акустика — говорит на своем “национальном” языке. Но есть “интернациональный” язык, и это - язык теории колебаний... Изучая одну область, вы получаете тем самым интуицию и знания совсем в другой области”.
Анализ формулы Томсона., где - сосредоточенные параметры колебательного контура идеального.
если , то медленно до 0, т.е. период колебаний возрастает.
Если , то медленно до т.к. мешает эдс самоиндукции, хотя , но период колебаний укорачивается.
Чем больше С, тем больше времени необходимо для перезарядки конденсатора.
В реальном колебательном контуре происходят затухающие колебания, которые описываются экспоненциальным законом: .

Рис. 5
t - время релаксации, t - время, за которое амплитуда колебаний в е раз.
- декремент - количественная характеристика быстроты затухания.
(Понятие декремента, времени релаксации и график затухающих колебаний - объясняют ученики)
Вывод: Свободные колебания тока, заряда, напряжения из-за энергических потерь не будут строго гармоническими.
В реальном колебательном контуре при малом R, колебания будут происходить с длительным периодом, а при большом R могут вообще не возникнуть, т.е. конденсатор разрядится через катушку, а перезарядки не последует.
3. Закрепление материала.
№1266-Ст. (решает с комментариями ученик на доске).

Стихотворение Н. Заболоцкого: (читает ученица).
Рожденный пустыней колеблется звук,Колеблется синий на нитке паук,Колеблется воздух, прозрачен и чист,В сияющих звездах колеблется лист.
4. Самостоятельная работа по карточкам.
Цель: Проверить глубину и осознанность восприятия изученного материала.
Уровень: Частично-поисковый.
Форма: Индивидуальная.
Дифференциация по уровню сложности: Вариант 3,4 – задания базового уровня, Вариант 1,2 – задания повышенного уровня.
Текст карточек смотрите Приложение 4.