Bucla de oscilare care primește undele electromagnetice. Circuit oscilant. III. Învățarea materialelor noi


Fluctuații se întâmplă

mecanice, electromagnetice, chimice, termodinamice

și altele diverse. În ciuda acestei diversități, toate au multe în comun.


  • Un câmp magnetic

generate de curent electric

principala caracteristică fizică este inducția magnetică

  • Câmp electric

dă naștere la taxare

principala caracteristică fizică -

puterea câmpului


  • acestea sunt modificări periodice sau aproape periodice ale sarcinii q puterea curentă eu și tensiune U .

Tipuri de oscilante

a sistemelor

Matematic

pendulă

Primăvara încărcată

pendulă


Tipuri de oscilante

a sistemelor

Matematic

pendulă

Primăvara încărcată

pendulă

șovăitor

Circuit

Amortizor


Reprezentarea schematică a tipurilor de sisteme oscilatorii

Pendul matematic

Pendul de primăvară



  • acesta este cel mai simplu sistem în care pot apărea oscilații electromagnetice, constând dintr-un condensator și o bobină conectată la plăcile sale.

După natura proceselor care provoacă mișcări vibraționale

Tipuri de vibrație

mișcări

Liber

Forţat

Sistemul oscilator este lăsat la dispozitivele proprii, oscilațiile amortizate apar din cauza furnizării inițiale de energie.

Oscilările apar din cauza forțelor externe, care se schimbă periodic.


  • Vibrațiile libere se numesc vibrații în sistem care apar după îndepărtarea acestuia dintr-o stare de echilibru.
  • Vibrațiile forțate sunt numite vibrații în circuit sub influența unui EMF periodic extern.
  • Pentru a scoate sistemul din echilibru, este necesar să informați condensatorul cu o sarcină suplimentară.
  • Originea EMF: o forță care acționează în lateralul câmpului magnetic acționează asupra electronilor care se mișcă împreună cu conductorii cadrului, determinând o schimbare a fluxului magnetic și, în consecință, EMF de inducție.

pentru observație și cercetare, cel mai potrivit instrument este osciloscop electronic


OSCILLOSCOPE

(din lat. oscillo - mă leagăn și „număr”), măsurând

instrument pentru observarea relației dintre doi

sau mai multe cantități rapide schimbătoare

(electric sau electric)

Cele mai frecvente osciloscoape cu fascicul de electroni

în care semnale electrice

proporțional cu modificarea cantităților studiate,

sosiți pe plăcile deviante

tub osciloscop;

pe ecranul tubului pe care îl observă sau

ia o grafică

imagine de dependență.


L - INDUCTANŢĂ COILS Domnul.


C - CAPACITATE ELECTRICĂ CONDENSATOR F


ÎNCĂRCARE

CONDENSATOR

W este energia câmpului electric, J


Descărcarea condensatorului: energia câmpului electric scade, dar crește și energia câmpului magnetic al curentului.

  • L \u003d Li ² / 2 -

energia câmpului magnetic, J

i- putere AC, A


Energia totală a câmpului electromagnetic al circuitului este egală cu suma energiilor câmpurilor magnetice și electrice.

W = L i 2 / 2 + q 2 / 2C



W el W m W el

Conversia energiei într-un circuit oscilator

q 2/2 C \u003d q 2/2 C + Li 2/2 \u003d Li 2/2


În circuite oscilatorii reale

există întotdeauna o rezistență activă

ceea ce determină

atenuarea vibrațiilor.



Vibrații mecanice și electromagnetice și sisteme oscilatorii

vibrațiile mecanice și electromagnetice se supun exact acelorași legi cantitative


Pe lângă vibrațiile mecanice din natură, există

undele electromagnetice.

Sunt angajați în

circuit oscilator.

Este format din

bobină și condensator.

  • Ce transformări au loc în circuit

conversie de energie



  • §27-28,
  • abstract în tetr.,
  • vibrații mecanice repetate: definiții și cantități fizice care caracterizează vibrațiile.












Inapoi inainte

Atenţie! Previzualizarea diapozitivului este utilizată doar în scopuri educaționale și nu poate da o idee despre toate caracteristicile prezentării. Dacă sunteți interesat de această lucrare, vă rugăm să descărcați versiunea completă.

Obiectivele lecției:

  • educational: introduceți conceptele: „oscilații electromagnetice”, „circuit oscilator”; arată universalitatea legilor de bază ale proceselor oscilatorii pentru vibrații de orice natură fizică; arată că oscilațiile din circuitul ideal sunt armonice; dezvălui semnificația fizică a caracteristicilor oscilațiilor;
  • în curs de dezvoltare: dezvoltarea intereselor cognitive, a abilităților intelectuale și creative în procesul dobândirii de cunoștințe și abilități în fizică folosind diverse surse de informații, inclusiv tehnologia informației moderne; formarea de abilități pentru evaluarea fiabilității informațiilor despre științele naturale;
  • educational: educarea convingerii în posibilitatea cunoașterii legilor naturii; folosirea realizărilor fizicii în beneficiul dezvoltării civilizației umane; necesitatea cooperării în procesul îndeplinirii comune a sarcinilor, disponibilitatea pentru o evaluare morală și etică a utilizării realizărilor științifice, un sentiment de responsabilitate pentru protejarea mediului.

În timpul cursurilor

I. Moment organizațional.

În lecția de astăzi, începem să studiem un nou capitol din manual și tema lecției de astăzi este „Vibrațiile electromagnetice. Circuitul oscilant. ”

II. Verificarea temelor.

Să începem lecția verificând temele.

Slide 2. Test pentru repetarea materialului trecut și cursul clasei a 10-a.

Vi s-a solicitat să răspundeți la întrebările din diagrama prezentată în figură.

1. În ce poziție a tastei SA2 se aprinde lampa de neon când se deschide tasta SA1?

2. De ce lampa neon nu clipește când se închide cheia SA1, indiferent în ce poziție se află întrerupătorul SA2?

Testul se efectuează pe un computer. Între timp, unul dintre studenți, montează un circuit.

Răspuns. Lampa de neon clipește atunci când întrerupătorul SA2 este în a doua poziție: după ce tasta SA1 se deschide, ca urmare a auto-inducției, un curent care scade până la zero fluxuri în bobină, un câmp magnetic alternativ este excitat în jurul bobinei, generând un câmp electric vortex, care pentru o perioadă scurtă de timp susține mișcarea electronilor în bobină. Un curent scurt curge prin partea superioară a circuitului prin a doua diodă (este pornit în direcția de trecere). Ca urmare a auto-inducției în bobină la deschiderea circuitului, la capetele ei apare o diferență de potențial (EMF de auto-inducție), suficient pentru a menține o descărcare de gaz în lampă.

Când tasta SA1 (cheia SA2 în poziția 1) este închisă, tensiunea sursei de curent continuu nu este suficientă pentru a menține o descărcare de gaz în lampă, deci nu se aprinde.

Să verificăm corectitudinea presupunerilor dvs. Schema propusă este asamblată. Să vedem ce se întâmplă cu o lampă de neon la închiderea și deschiderea cheii SA1 în diferite poziții ale întrerupătorului SA2.

(Testul este compilat în programul MyTest. Evaluarea este stabilită de program).

Fișier pentru lansarea programului MyTest (aflat în folderul de prezentare)

Test. (Rulați programul MyTest, deschideți fișierul „Test”, apăsați tasta F5 pentru a începe testul)

III. Învățarea de materiale noi.

Slide 3.Afișarea problemei: Să ne amintim ce știm despre vibrațiile mecanice? (Conceptul de oscilații libere și forțate, auto-oscilații, rezonanță etc.) În circuitele electrice, precum și în sistemele mecanice, cum ar fi o sarcină pe un arc sau un pendul, pot apărea oscilații libere. În lecția de astăzi, începem să studiem astfel de sisteme. Subiectul lecției de astăzi este „Vibrațiile electromagnetice. Circuitul oscilant. ”

Obiectivele lecției

  • introducem conceptele: „oscilații electromagnetice”, „circuit oscilator”;
  • arată universalitatea legilor de bază ale proceselor oscilatorii pentru vibrații de orice natură fizică;
  • arată că oscilațiile din circuitul ideal sunt armonice;
  • dezvăluie sensul fizic al caracteristicilor oscilațiilor.

Reamintim mai întâi ce proprietăți trebuie să aibă un sistem pentru a putea apărea oscilații libere în el.

(În sistemul oscilator, trebuie să apară o forță de refacere și transformarea energiei de la un tip la altul, frecarea din sistem ar trebui să fie destul de mică.)

În circuitele electrice, precum și în sistemele mecanice, cum ar fi o sarcină pe un arc sau un pendul, pot apărea oscilații libere.

Ce vibrații se numesc vibrații libere? (Vibrațiile care apar în sistem după scoaterea lui din poziția de echilibru) Ce vibrații se numesc vibrații forțate? (oscilații care apar sub influența unui EMF extern care se schimbă periodic)

Modificările periodice sau aproape periodice de încărcare, curent și tensiune se numesc oscilații electromagnetice.

Slide 4. După ce au inventat borcanul Leyden și au învățat să îi ofere o taxă mare folosind o mașină electrostatică, au început să studieze descărcarea electrică a borcanului. Închizând plăcile borcanului Leyden cu o bobină de sârmă, am descoperit că spițele de oțel din interiorul serpentinei erau magnetizate, dar era imposibil de prezis care capătul miezului bobinei va fi polul nord și care spre sud. Un rol semnificativ în teoria oscilațiilor electromagnetice l-a avut un om de știință german din secolul al XIX-lea HELMHOLZ, germanul Ludwig Ferdinand. El este numit primul medic dintre oamenii de știință și primul om de știință dintre medici. A studiat fizica, matematica, fiziologia, anatomia și psihologia, obținând recunoaștere la nivel mondial în fiecare dintre aceste domenii. Acordând atenție naturii oscilatorii a descărcării borcanului Leyden, în 1869 Helmholtz a arătat că oscilații similare apar într-o bobină de inducție conectată la un condensator (adică, în esență, a creat un circuit oscilator format din inductanță și capacitate). Aceste experimente au jucat un rol important în dezvoltarea teoriei electromagnetismului.

Slide 4.De obicei, undele electromagnetice apar la o frecvență foarte mare, depășind cu mult frecvența vibrațiilor mecanice. Prin urmare, un osciloscop electronic este foarte convenabil pentru observarea și cercetarea lor. (Demonstrație a dispozitivului. Principiul acțiunii sale asupra animației.)

Slide 4.În prezent, osciloscoapele electronice au fost înlocuite cu cele digitale. Ne vor povesti despre principiile acțiunii lor ...

Slide 5.Oscilloscope Animation

Slide 6. Dar înapoi la unde electromagnetice. Cel mai simplu sistem electric capabil să oscileze liber este un circuit RLC în serie. Un circuit oscilator este un circuit electric format dintr-un condensator în serie cu o capacitate electrică C, un inductor L și o rezistență electrică R. O vom numi circuit secvențial RLC.

Experiment fizic. Avem un circuit, al cărui circuit este prezentat în figura 1. Conectați un galvanometru la bobină. Observăm comportamentul acului galvanometrului după mutarea comutatorului din poziția 1 în poziția 2. Ați observat că săgeata începe să oscileze, dar aceste fluctuații vor dispărea în curând. Toate circuitele reale conțin o rezistență electrică R. Pentru fiecare perioadă de oscilație, o parte din energia electromagnetică stocată în circuit se transformă în căldură Joule, iar oscilațiile devin amortizate. Este considerat un grafic al oscilațiilor amortizate.

Cum apar vibrațiile libere într-un circuit oscilator?

Luați în considerare cazul în care rezistența este R \u003d 0 (modelul unui circuit oscilator ideal). Ce procese apar în circuitul oscilator?

Diapozitiv 7. Animație „Contur oscilant”.

Slide 8.Ne orientăm la teoria cantitativă a proceselor din circuitul oscilator.

Luați în considerare o buclă RLC secvențială. Când tasta K este în poziția 1, condensatorul se încarcă la tensiune. După trecerea cheii pe poziția 2, începe procesul de descărcare a condensatorului prin rezistența R și inductorul L. În anumite condiții, acest proces poate avea un caracter oscilator.

Legea Ohm pentru un circuit RLC închis care nu conține o sursă de curent extern este scrisă ca

unde este tensiunea pe condensator, q este sarcina pe condensator, - curent în circuit. În partea dreaptă a acestui raport se află EMF-ul bobinelor de auto-inducție. Dacă alegem sarcina condensatorului q (t) ca variabilă, atunci ecuația care descrie vibrațiile libere din circuitul RLC poate fi redusă la următoarea formă:

Luați în considerare cazul când nu există pierderi de energie electromagnetică în circuit (R \u003d 0). Prezentăm notația: . Apoi

(*)

Ecuația (*) este ecuația de bază care descrie oscilațiile libere dintr-un circuit LC (circuit oscilator ideal) în absența atenuării. În aparență, coincide exact cu ecuația oscilațiilor libere ale sarcinii pe un arc sau fir în absența frecării.

Am scris această ecuație în timp ce studiam subiectul „Vibrații mecanice”.

În absența atenuării, oscilațiile libere în circuitul electric sunt armonice, adică au loc conform legii

q (t) \u003d q m cos (0 t + 0).

De ce? (Deoarece aceasta este singura funcție, a cărei a doua derivată este egală cu funcția însăși. În plus, cos0 \u003d 1, ceea ce înseamnă q (0) \u003d q m)

Amplitudinea oscilațiilor de sarcină q m și faza inițială 0 sunt determinate de condițiile inițiale, adică de modul în care sistemul a fost scos din echilibru. În special pentru procesul de oscilație, care începe în circuitul prezentat în figura 1, după trecerea tastei K în poziția 2, q m \u003d C, 0 \u003d 0.

Atunci ecuația oscilațiilor armonice ale încărcării pentru circuitul nostru ia forma

q (t) \u003d q m cos 0 t.

De asemenea, curentul produce oscilații armonice:

Diapozitiv 9.Unde este amplitudinea fluctuațiilor curente. Fluctuațiile curentului sunt depășite în fază prin oscilații de încărcare.

Cu oscilații libere, energia electrică W stocată în condensator este transformată periodic în energia magnetică W m a bobinei și invers. Dacă nu există pierderi de energie în circuitul oscilator, atunci energia electromagnetică totală a sistemului rămâne neschimbată:

Diapozitiv 9. Parametrii L și C ai circuitului oscilator determină numai frecvența naturală a vibrațiilor libere

.

Având în vedere că, obținem.

Diapozitiv 9.Formula a numit formula lui Thomson, fizicianul englez William Thomson (Lord Kelvin), care a dedus-o în 1853.

Evident, perioada oscilațiilor electromagnetice depinde de inductanța bobinei L și de capacitatea condensatorului C. Avem o bobină, a cărei inductanță poate fi crescută folosind un miez de fier și un condensator cu capacitate variabilă. Să reamintim mai întâi cum puteți schimba capacitatea unui astfel de condensator. Vă reamintesc, acesta este materialul cursului de clasa a X-a.

Un condensator variabil este format din două seturi de plăci metalice. Când mânerul este rotit, plăcile unui set intră în golurile dintre plăcile unui alt set. În acest caz, capacitatea condensatorului se modifică proporțional cu schimbarea în zona părții suprapuse a plăcilor. Dacă plăcile sunt conectate în paralel, atunci, crescând aria plăcilor, vom crește capacitatea fiecăruia dintre condensatoare, ceea ce înseamnă că capacitatea întregii bănci de condensatoare va crește. Când condensatoarele sunt conectate în serie la baterie, o creștere a capacității fiecărui condensator implică o scădere a capacității băncii condensatorului.

Să vedem cum perioada oscilațiilor electromagnetice depinde de capacitatea condensatorului C și de inductanța bobinei L.

Diapozitiv 9. Animație „Dependența perioadei undelor electromagnetice de la L și C”

Slide 10.Să comparăm acum vibrațiile electrice și cele ale sarcinii pe arc. Deschideți pagina 85 din tutorial, Figura 4.5.

Figura prezintă graficele schimbării sarcinii q (t) a condensatorului și a deplasării x (t) a sarcinii din poziția de echilibru, precum și graficele curentului I (t) și viteza sarcinii. v (t) pentru o perioadă T de oscilații.

Aveți un tabel pe tabelele pe care le-am completat la studierea subiectului „Vibrații mecanice”. Apendicele 2

Un rând din acest tabel este plin. Folosind figura 2, paragraful 29 al manualului și figura 4.5 la pagina 85 din manual, completați rândurile rămase ale tabelului.

Care sunt procesele similare ale vibrațiilor electrice și mecanice libere? Să vedem următoarea animație.

Slide 11. Animație „Analogia vibrațiilor electrice și mecanice”

Comparațiile obținute ale oscilațiilor libere ale sarcinii pe arc și procesele din circuitul oscilator electric ne permit să tragem o concluzie despre analogia dintre cantitățile electrice și cele mecanice.

Slide 12.Aceste analogii sunt prezentate în tabel. Apendicele 3

Aveți același tabel pe tabele și în manualul de la pagina 86.

Deci, am considerat partea teoretică. Ai înțeles totul? Poate cineva are întrebări?

Acum să trecem la rezolvarea problemelor.

IV. Educație fizică.

V. Consolidarea materialului studiat.

Rezolvarea problemelor:

  1. sarcinile 1, 2, sarcinile părții A nr. 1, 6, 8 (oral);
  2. sarcinile nr. 957 (răspunsul este 5,1 μH), nr. 958 (răspunsul va scădea de 1,25 ori) (de la bord);
  3. sarcina părții B (oral);
  4. sarcina numărul 1 din partea C (la bord).

Sarcini preluate din colectarea sarcinilor pentru clasele 10-11 A.P. Rymkevich și aplicații 10. Apendicele 4.

VI. Reflecţie.

Studenții completează un card reflectorizant.

VII. Rezumând lecția.

Obiectivele lecției sunt atinse? Rezumând lecția. Evaluarea studenților.

Viii. Teme pentru acasă.

Secțiunile 27-30, nr. 959, 960, sarcini rămase din apendicele 10.

Literatură:

  1. Curs de fizică multimedia „Fizică deschisă” versiunea 2.6 editat de profesorul MIPT S.M. Capră.
  2. Cartea problemelor clasa 10-11. A. P. Rymkevich, „Iluminarea” din Moscova, 2012.
  3. Fizică. Manual pentru instituțiile de învățământ pentru clasa a 11-a. G.Ya. Myakishev, B. B. Bukhovtsev, V.M. Charugin. „Iluminarea” din Moscova, 2011.
  4. Un supliment electronic la manualul G.Ya. Myakisheva, BB Bukhovtseva, V.M. Charugina. „Iluminarea” din Moscova, 2011.
  5. Inductie electromagnetica. Sarcini calitative (logice). Gradul 11, profil de educație fizică. CM. Novikov. Moscova „Chistye Prudy”, 2007. Biblioteca „Primului septembrie”. Seria „Fizică”. Problema 1 (13).
  6. http://pitf.ftf.nstu.ru/resources/walter-fendt/osccirc

P.S.Dacă nu este posibil să furnizeze fiecărui student un computer, atunci testul poate fi făcut în scris.

„Vibrații gratuite” - oscilații continue. Undele electromagnetice libere. Unde i și q sunt puterea curentă și încărcarea electrică în orice moment. Conform legii inducției electromagnetice: energia electromagnetică totală a circuitului oscilator. Numărul de oscilații pe unitatea de timp se numește frecvența de oscilație: energie totală.

„Rezonanță mecanică” - 1. Podul egiptean cu lanț din Sankt Petersburg. Rezonanță în tehnologie. 3. Mexico City 1985 Podul suspendat Tacoma. Frecvența de rezonanță pozitivă. 2. Instituția de învățământ de stat Gimnaziul nr. 363 al districtului Frunze. Contorul mecanic de frecvență de stuf - un dispozitiv pentru măsurarea frecvenței oscilațiilor.

„Frecvența de oscilare” - Unde sonore. Gândi ???? Infrasound este utilizat în afaceri militare, pescuit etc. Sunetul se poate propaga în gaze, lichide, solide? Ce determină volumul sunetului? Ce determină tonul? Viteza sunetului. Ecografie. În acest caz, vibrațiile sursei de sunet sunt evidente.

"Vibrații mecanice" - Cruce. Programul unui pendul de primăvară. Mișcarea oscilatorie. Liber. Longitudinal. „Oscilări și valuri”. Armonic. Vibrații libere. Undele - propagarea oscilațiilor în spațiu în timp. Completat: elevul clasei a 11-a „A” Oleinikova Julia. Vibrații forțate. Valurile. Pendulul matematic.

Pentru a utiliza previzualizarea prezentărilor, creați-vă un cont Google (cont) și introduceți-l: https://accounts.google.com


Legături pentru diapozitive:

Circuit oscilant. Vibrații electromagnetice. Principiul comunicațiilor radio și televiziunii Lecția nr. 51

Vibrațiile electromagnetice sunt schimbări periodice în timp a cantităților electrice și magnetice (încărcare, curent, tensiune, tensiune, inducție magnetică etc.) într-un circuit electric. După cum știți, pentru a crea o undă electromagnetică puternică, care ar putea fi detectată de instrumente la distanțe mari de antena radiantă, este necesar ca frecvența undei să nu fie mai mică de 0,1 MHz.

Una dintre principalele părți ale generatorului este circuitul oscilator - acesta este un sistem oscilator format din inductori L conectați în serie, un condensator cu capacitatea C și un rezistor cu rezistență R.

După ce au inventat borcanul Leyden (primul condensator) și au învățat să îi ofere o încărcătură mare folosind o mașină electrostatică, au început să studieze descărcarea electrică a borcanului. Închizând plăcile borcanului Leyden cu o bobină, s-a constatat că spițele de oțel din interiorul bobinei erau magnetizate. Lucrul ciudat a fost că era imposibil de prezis care capătul miezului bobinei se va dovedi a fi polul nord și care va fi sudul. Nu s-a înțeles imediat că atunci când un condensator este descărcat printr-o bobină, apar oscilații în circuitul electric.

Perioada oscilațiilor libere este egală cu perioada intrinsecă a sistemului oscilator, în acest caz, perioada circuitului. Formula pentru determinarea perioadei de oscilații electromagnetice libere a fost obținută de fizicianul englez William Thomson în 1853.

Schema emițătorului Popov este destul de simplă - este un circuit oscilator, care constă dintr-o inductanță (înfășurarea secundară a bobinei), o baterie și capacitatea furnizată (spark gap). Dacă apăsați tasta, atunci în spațiul de scânteie al bobinei sare o scânteie, provocând oscilații electromagnetice în antenă. Antena este un vibrator deschis și emite unde electromagnetice, care, după ce au ajuns la antena stației de recepție, excită vibrațiile electrice din el.

Pentru a înregistra valurile primite, Alexander Stepanovici Popov a folosit un dispozitiv special - un coerent (din cuvântul latin „coerență” - ambreiaj), format dintr-un tub de sticlă în care există filaje metalice. La 24 martie 1896, primele cuvinte au fost transmise folosind codul Morse - „Henry Hertz”.

Deși radiourile moderne au o asemănare foarte mică cu receptorul Popov, principiile de bază ale funcționării lor sunt aceleași.

Rezultate cheie: - Circuitul oscilant este un sistem oscilator format din bobine, un condensator și o rezistență activă conectate în serie. - Oscilările electromagnetice libere sunt oscilații care apar într-un circuit oscilator ideal, datorită cheltuielilor de energie comunicate cu acest circuit, care nu vor fi reumplute în viitor. - Perioada undelor electromagnetice libere poate fi calculată folosind formula Thomson. - Din această formulă rezultă că perioada circuitului oscilator este determinată de parametrii elementelor sale constitutive: inductanța bobinei și capacitatea condensatorului. - Comunicarea radio este procesul de transmitere și primire a informațiilor folosind unde electromagnetice. - Modularea amplitudinii este procesul de modificare a amplitudinii oscilațiilor de înaltă frecvență cu o frecvență egală cu frecvența semnalului sonor. - Procesul de modulare inversă se numește detectare.

 

Ar putea fi util să citiți: