Найпростіший коливальний контур.

Тема: Коливальний контур. Виникнення електромагнітних коливань у коливальному контурі. Гармонічні електромагнітні коливання. Частота власних коливань контуру. Резонанс.

Мета заняття: – актуалізувати знання студентів про вільні та вимушені коливання;

- з’ясувати механізм виникнення електричних коливань та проаналізувати перетворення енергії в коливальному контурі;

- сформувати цілісне уявлення про вільні коливання різної фізичної природи;

- розв’язати задачі різних типів та ступенів складності по темі.

Структура заняття.

3. Актуалізація опорних знань

Фронтальна бесіда:

- що таке коливання?

- Які коливання називаються вільними, а які вимушеними?

5. Мотивація навчальної діяльності.

Серед різних електромагнітних явищ електромагнітні коливання займають особливе місце. Електроенергія, телебачення, радіо, телефон, радіолокація – це лише окремі приклади застосування електромагнітних коливань.

Досліджуючи електричні коливання серця, мозку людини, лікарі визначають стан здоров’я.

Світло та пов’язані з ним явища також є електромагнітними коливаннями.

Засвоєння нових знань.

Найпростіший коливальний контур.

Найпростіше коло, в якому мо­жуть відбуватися вільні електричні коливання, складається з конденсато­ра і котушки, приєднаної до його обкладок. Активний опір провідників, з яких виготовлено коливальний контур, має бути малим.

Щоб здобути в контурі електромагнітні коливання, достатньо зарядити конденсатор і замкнути його на котушку. При цьому конденсатор дістане енергію , де q – заряд конденсатора, а c – його електроєм­ність.

Під час розрядження конденсатора в колі виникає електричний струм, сила якого не відразу досягає максимального значення, а збільшується поступово. Це зумовлено явищем самоіндукції.

Під час розрядження конденсатора енергія електричного поля зменшу­ється, але водночас зростає енергія магнітного поля струму, яка визна­чається формулою ,

де L – індуктивність котушки, і – миттєве значення сили змінного струму.

Повна енергія електромагнітного поли контуру дорівнює сумі енергій магнітного й електричного полів: .

В момент, коли конденсатор цілком розрядиться, енергія електрично­го поля дорівнюватиме нулю. Енергія ж магнітного поля струму, згідно із законом збереження енергії, буде максимальною. У цей момент сила стру­му також досягне максимального значення І_т .

Як тільки сила струму та створене ним магнітне поле почнуть зменшуватися, виникне вихрове електричне поле, яке підтримуватиме наявність струму. У результаті конденсатор перезаряджатиметься доти, поки сила стру­му, поступово зменшуючись, не дорівнюватиме нулю. Енергія магнітного поля в цей момент також буде дорівнювати нулю, а енергія електричного поля конденсатора знову стане максимальною.

Після цього конденсатор знову почне перезаряджатися й система по­вернеться у вихідне положення. Якби енергія не втрачалася, то цей процес продовжувався б як завгодно довго. Коливання були б незатухаючими.

Аналогія між механічними й електромагнітними коливаннями.

Електромагнітні коливання в контурі мають схожість із вільними меха­нічними коливаннями. Схожість притаманна не природі самих величин, які періодично змінюються, а процесам періодичної зміни різних величин.

Завдання: Заповнити таблицю: (пропонуються дані одного стовпчика)

Механічні величини	Електричні величини
Координата х	Електричний заряд q
Швидкість V	Сила струму I
Прискорення a	Швидкість зміни сили струму
Маса тягарця т	Індуктивність L
Жорсткість пружини k	Величина, обернена до ємності 1/c
Коефіцієнт тертя μ	Опір R
Сила F	ЕРС (напруга) E
Потенціальна енергія	Енергія електричного поля
Кінетична енергія	Енергія магнітного поля

Електромагнітні коливання – це періодичні коливання пов’язаних електричного та магнітного полів. При електромагнітних коливаннях відбувається зміна заряду, сили струму та напруги.

Електричний заряд під час вільних коливань змінюється з часом за законом косинуса (або синуса): q=q_mcosωt.

– циклічна частота. – період вільних електромагнітних коливань.

7. Узагальнення та систематизація знань.

Запитання до студентів:

ü Чи будуть відбуватися електричні коливання в контурі, якщо надати енергії котушці індуктивності, а не конденсатору?

ü Чому коливання в коливальному контурі не припиняються в той мо­мент, коли заряд конденсатора дорівнює нулю?

ü Чи виникнуть коливання в коливальному контурі, якщо замінити котушку індуктивності на резистор?

ü Чому дорівнює енергія контуру в довільний момент часу?

ü Які перетворення енергії відбуваються під час вільних незатухаючих коливань у коливальному контурі?

ü За якою умови вільні коливання в контурі були б незатухаючими?

Завдання:Скласти узагальнюючу порівняльну таблицю формул:

Коливання в полі тяжіння	Пружні коливання	Електромагнітні коливання
x=	x=	q=
V =	V =	i =
Vmax =	Vmax =	Imax =
T=	T=	T=

Розв’язання задач.

Середній рівень:

№ 1.(Зб.: № 4.5)

Яким є період вільних електромагнітних коливань у контурі, що складається з конденсатора ємністю 400 мкФ і котушки з індуктив­ністю 90 мГн? (Відповідь: 38мс)

№ 2.(Зб.: № 4.25)

Котушку якої індуктивності треба ввімкнути в коливальний контур, що містить конденсатор ємністю 200 пФ, щоб отримати частоту вільних коливань 5 МГц? (Відповідь: 5мкГн)

Достатній рівень:

№ 3.

Електричний заряд, виражений у кулонах, змінюється з часом у такий спосіб: . Чому дорівнюють амплітуда коливань, циклічна частота й період? Знайти миттєве значення заряду (і сили струму) через 0,25с після початку коливань.

№ 4.(Зб.: №4.29)

На рис. показано графік залежності від часу заряду пластини конденсатора коливального контуру. Знайдіть амплітудне значення заряду, частоту й період коливань. Запишіть рівняння залежності q(t). Знайдіть залежність i(t).

Високий рівень: (індивідуальне завдання) (Зб.: № 4.28)

Коливальний контур складається з котушки індуктивністю 120 мкГн і повітряного конденсатора змінної ємності. Відстань між пластинами конденсатора дорівнює 0,2мм, площу перекриття пластин можна змі­нювати від 2 до 8 см². На які частоти можна настроїти даний контур? (Відповідь: від 2,44 МГц до 4,88 МГц)

– ємність плоского конденсатора; ε₀=8,85·10^-12 Кл/(Н·м²)

9. Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи студентів.

· Коршак Є.В. Фізика 11 клас § 48; впр. 25 № 2, 4.

Або: Гончаренко С.У. Фізика: 11 клас: § 20 – 22, Впр.6 № 3 – середній рівень;

Впр. 6 № 1 – достатній рівень

& Реферат:«Біографія О. С. Попова»

& Самостійно вивчити тему:«Відкриття радіо О.С.Поповим. Принцип дії радіотелефонного зв’язку. Радіомовлення і телебачення. Радіолокація. Стільниковий зв’язок. Супутникове телебачення»