Свободные и вынужденные электромагнитные колебания.

Тема "Свободные и вынужденные электромагнитные колебания. Колебательный контур. Аналогия между механическими и элетромагнитными колебаниями"
Ажгалиева Д.А., учитель физики, «Ульяновская  ОСШ», ЗКО
Цели урока:

Дидактическая – создать условия для усвоения нового материала, используя поисковый метод обучения и принцип цикличности познания;

Образовательная – показать универсальных характер теории колебаний;

Развивающая – развивать когнитивные процессы учащихся, основываясь на применении научного метода познания: аналогичности и моделировании;

Воспитательная – продолжить формирование представлений о взаимосвязи явлений природы и единой физической картине мира, учить находить и воспринимать прекрасное в природе, искусстве и учебной деятельности.

Тип урока: диалоговая лекция с элементами поисковой деятельность (2 часа).

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

Оборудование:

для учителя -
• 
метроном, пружинный и математический маятники;
• 
Проектор;
• 
компьютер.

для ученика -
• 
лист с заготовкой опорного конспекта;
• 
сборники задач ;
• 
дифференцированные задания на карточках.

Ход урока.
• Творческое задание:

Компьютерная анимация.(выполняется учеником).

Рис. 1

Придумайте механическую систему, которая была бы аналогична электрической цепи, состоящей из конденсатора с электроемкостью С, резистора с активным сопротивлением R и ключа К. На конденсаторе в сосредоточен, ключ замыкают в начальный момент времени.
• 
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.

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 индуктивнос-ти, 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 (ученик)

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.

Сравнительная таблица.

Подведем итог: (обобщают ученики)

Колебательные процессы различной природы описываются одинаковыми по виду уравнениями и имеют тождественные графические интерпретации.

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.

Я благодарю инициативную группу учащихся из научного общества “Фрактал”, которая помогала мне в подборе информации, подготовке и проведении урока.
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.
Домашнее задание: §27, 29, 30. Опорный конспект. №949–Рымкевич А.П.
Итог урока.