При электромагнитных колебаниях в колебательной системе происходят периодические изменения физических величин, связанных с изменениями электрического и магнитного полей. Простейшей колебательной системой такого типа является колебательный контур , то есть цепь, содержащая индуктивность и емкость.
Благодаря явлению самоиндукции в такой цепи возникают колебания заряда на обкладках конденсатора, силы тока, напряженностей электрического поля конденсатора и магнитного поля катушки, энергии этих полей и т.д. При этом математическое описание колебаний оказывается полностью аналогичным рассмотренному выше описанию механических колебаний. Приведем таблицу физических величин, являющихся взаимными аналогами при сравнении двух типов колебаний.
Механические колебания пружинного маятника | Электромагнитные колебания в колебательном контуре |
m – масса маятника | L – индуктивность катушки |
k – жесткость пружины | – величина, обратная емкости конденсатора. |
r – коэффициент сопротивления среды | R – активное сопротивление контура |
x – координата маятника | q – заряд конденсатора |
u – скорость маятника | i – cила тока в контуре |
Е р – потенциальная энергия маятника | W E – энергия электр. поля контура |
Е к – кинетическая энергия маятника | W H – энергия магнит. поля контура |
F m – амплитуда внешней силы при вынужденных колебаниях | E m – амплитуда вынуждающей ЭДС при вынужденных колебаниях |
Таким образом, все математические соотношения, приведенные выше, можно перенести на электромагнитные колебания в контуре, заменив все величины на их аналоги. Например, сравним формулы для периодов собственных колебаний:
– маятник, | – контур. (28) |
Налицо их полная идентичность.
Волна – это процесс распространения колебаний в пространстве. В зависимости от физической природы процесса волны делятся на механические (упругие, звуковые, ударные, волны на поверхности жидкости и т. д.) и электромагнитные.
В зависимости от направления колебаний волны бывают продольные и поперечные. В продольной волне колебания происходят вдоль направления распространения волны, а в поперечной – перпендикулярно этому направлению.
Механические волны распространяются в некоторой среде (твердой, жидкой или газообразной). Электромагнитные волны могут распространяться и в пустоте.
Несмотря на разную природу волн, их математическое описание практически одинаково, подобно тому, как механические и электромагнитные колебания описываются уравнениями одинакового вида.
Механические волны
Приведем основные понятия и характеристики волн.
x – обобщенная координата – любая величина, совершающая колебания при распространении волны (например, смещение точки от положения равновесия).
l – длина волны – наименьшее расстояние между точками, колеблющимися с разностью фаз 2p (расстояние, на которое волна распространяется за один период колебаний):
где u – фазовая скорость волны, T – период колебаний.
Волновая поверхность – геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе.
Фронт волны – геометрическое место точек, до которых дошли колебания к данному моменту времени (передняя волновая поверхность).
В зависимости от формы волновых поверхностей волны бывают плоские, сферические и т. п.
Уравнение плоской волны, распространяющейся вдоль оси x, имеет вид
x (х, t) = x m cos(wt – kx) , (30)
где – волновое число.
Уравнение плоской волны, распространяющейся в произвольном направлении:
где – волновой вектор, направленный по нормали к волновой поверхности.
Уравнением сферической волны будет
, (32)
из чего видно, что амплитуда сферической волны убывает по закону 1/r.
Фазовая скорость волны, т.е. скорость, с которой движутся волновые поверхности, зависит от свойств среды, в которой распространяется волна.
фазовая скорость упругой волны в газе, где g – коэффициент Пуассона, m – молярная масса газа, T – температура, R – универсальная газовая постоянная.
фазовая скорость продольной упругой волны в твердом теле, где E – модуль Юнга,
r – плотность вещества.
фазовая скорость поперечной упругой волны в твердом теле, где G – модуль сдвига.
Волна, распространяясь в пространстве, переносит энергию. Количество энергии, переносимой волной через некоторую поверхность в единицу времени, называется потоком энергии Ф. Для характеристики переноса энергии в разных точках пространства вводится векторная величина, называемая плотностью потока энергии . Она равна потоку энергии через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространению волны, а по направлению совпадает с направлением фазовой скорости волны.
, (36)
где w – объемная плотность энергии волны в данной точке.
Вектор иначе называется вектором Умова.
Среднее по времени значение модуля вектора Умова называется интенсивностью волны I.
I = < j > . (37)
Электромагнитные волны
Электромагнитная волна – процесс распространения в пространстве электромагнитного поля. Как говорилось ранее, математическое описание электромагнитных волн аналогично описанию механических волн, таким образом, необходимые уравнения можно получить, заменив в формулах (30) – (33) x на или , где –напряженности электрического и магнитного полей. Например, уравнения плоской электромагнитной волны выглядят следующим образом:
. (38)
Волна, описываемая уравнениями (38), показана на рис. 5.
Как видно, векторы и образуют с вектором правовинтовую систему. Колебания этих векторов происходят в одинаковой фазе. В вакууме электромагнитная волна распространяется со скоростью света С = 3×10 8 м/с. В веществе фазовая скорость
где r – коэффициент отражения.
Волновая оптика
Волновая оптика рассматривает круг явлений, связанных с распространением света, которые можно объяснить, представляя свет как электромагнитную волну.
Основное понятие волновой оптики – световая волна . Под световой волной понимают электрическую составляющую электромагнитной волны, длина волны которой в вакууме l 0 лежит в пределах 400 – 700 нм. Такие волны воспринимает человеческий глаз. Уравнение плоской световой волны можно представить в виде
E = Acos(wt – kx + a 0) , (43)
где А – принятое обозначение амплитуды светового вектора Е, a 0 – начальная фаза (фаза при t = 0, x = 0).
В среде с показателем преломления n фазовая скорость световой волны равна u = c/n, а длина волны l = l 0 /n . (44)
Интенсивность световой волны, как следует из (41), определяется средним значением вектора Пойнтинга I = < S >, и можно показать, что
Дата 05.09.2016
Тема: «Механические и электромагнитные колебания. Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями.»
Цель:
провести полную аналогию между механическими и электромагнитными колебаниями, выявив сходство и различие между ними
научить обобщению, синтезу, анализу и сравнению теоретического материала
воспитание отношения к физике, как к одному из фундаментальных компонентов естествознания.
ХОД УРОКА
Проблемная ситуация: Какое физическое явление мы будем наблюдать, если отклонить шарик от положения равновесия и опустить? (продемонстрировать)
Вопросы классу: Какое движение совершает тело? Сформулируйте определение колебательного процесса.
Колебательный процесс - это процесс, который повторяется через определённые промежутки времени.
1. Сравнительные характеристики колебаний
Фронтальная работа с классом по плану (проверка осуществляется через проектор).
Определение
Как можно получить? (с помощью чего и что для этого надо сделать)
Можно ли увидеть колебания?
Сравнение колебательных систем.
Превращение энергии
Причина затуханий свободных колебаний.
Аналогичные величины
Уравнение колебательного процесса.
Виды колебаний.
Применение
Учащиеся в ходе рассуждений приходят к полному ответу на поставленный вопрос и сравнивают его с ответом на экране.
кадр на экранеМеханические колебания
Электромагнитные колебания
Сформулируйте определения механических и электромагнитных колебаний
это периодические изменения координаты, скорости и ускорения тела.
это периодические изменения заряда, силы тока и напряжения
Вопрос учащимся: Что общего в определениях механических и электромагнитных колебаний и чем они отличаются!
Общее: в обоих видах колебаний происходит периодическое изменение физических величин.
Отличие: В механических колебаниях - это координата, скорость и ускорение В электромагнитных - заряд, сила тока и напряжение.
Вопрос учащимсякадр на экране
Механические колебания
Электромагнитные колебания
Как можно получить колебания?
С помощью колебательной системы (маятников)
С помощью колебательной системы (колебательного контура), состоящего из конденсатора и катушки.
а) пружинного;
б) математического
Вопрос учащимся: Что общего в способах получения и чем они отличаются?
Общее: и механические, и электромагнитные колебания можно получить с помощью колебательных систем
Отличие:
различные колебательные системы - у механических - это маятники,
а у электромагнитных - колебательный контур.
Демонстрация учителя: показать нитяной, вертикальный пружинный маятники и колебательный контур.
кадр на экранеМеханические колебания
Электромагнитные колебания
«Что необходимо сделать, чтобы в колебательной системе возникли колебания?»
Вывести маятник из положения равновесия: отклонить тело от положения равновесия и опустить
вывести контур из положения равновесия: зарядить конденса тор от источника постоянного напряжения (ключ в положении 1), а затем перевести ключ в положение 2.
Демонстрация учителя: Демонстрации механических и электромагнитных колебаний (можно использовать видеосюжеты)
Вопрос учащимся: « Что общего в показанных демонстрациях и их отличие?»
Общее: колебательная система выводилась из положения равновесия и получала запас энергии.
Отличие: маятники получали запас потенциальной энергии, а колебательная система - запас энергии электрического поля конденсатора.
Вопрос учащимся: Почему электромагнитные колебания нельзя наблюдать также как и механические (визуально)
Ответ: так как мы не можем увидеть, как происходит зарядка и перезарядка конденсатора, как течёт ток в контуре и в каком направлении, как меняется напряжение между пластинами конденсатора
2 Работа с таблицами
Сравнение колебательных систем
Работа учащихся с таблицей № 1 , в которой заполнена верхняя часть (состояние колебательного контура в различные моменты времени), с самопроверкой на экране.
Задание: заполнить среднюю часть таблицы (провести аналогию между состоянием колебательного контура и пружинного маятника в различные моменты времени)
Таблица № 1: Сравнение колебательных систем
После заполнения таблицы на экран проецируется заполненные 2 части таблицы и учащиеся сравнивают свою таблицу с той, что на экране.
Кадр на экране
Вопрос учащимся: посмотрите на эту таблицу и назовите аналогичные величины:
Ответ: заряд - смещение, сила тока - скорость.
Дома: заполнить нижнюю часть таблицы № 1 (провести аналогию между состоянием колебательного контура и математического маятника в различные моменты времени).
Превращение энергии в колебательном процессе
Индивидуальная работа учащихся с таблицей № 2 , в которой заполнена правая часть (превращение энергии в колебательном процессе пружинного маятника) с самопроверкой на экране.
Задание учащимся: заполнить левую часть таблицы, рассмотрев превращение энергии в колебательном контуре в различные моменты времени (можно использовать учебник или тетрадь).
на конденсаторе находится максимальный заряд – q m ,смещение тела от положения равновесия максимально – x m ,
при замыкании цепи конденсатор начинает разряжаться через катушку; возникает ток и связанное с ним магнитное поле. Вследствие самоин дукции сила тока нарастает постепенно
тело приходит в движение, его скорость возрастает постепенно вследствие инертности тела
конденсатор разрядился, сила тока максимальна – I m ,
при прохождении положения равновесия скорость тела макси мальна – v m ,
вследствие самоиндукции сила тока уменьшается постепенно, в катушке возникает индукционный ток и конденсатор начинает перезаряжаться
тело, достигнув положение равновесия, продолжает движение по инерции с постепенно уменьшаю щейся скоростью
конденсатор перезарядился, знаки заряда на обкладках поменялись
пружина максимально растянута, тело сместилось в другую сторону
разрядка конденсатора возобнов ляется, ток течёт в другом направле нии, сила тока постепенно растёт
тело начинает движение в противо положном направлении, скорость постепенно растёт
конденсатор полностью разрядился, сила тока в цепи максимальна - I m
тело проходит положение равнове сия, его скорость максимальна - v m
вследствие самоиндукции ток продол жает течь в том же направлении, конденсатор начинает заряжаться
по инерции тело продолжает двигаться в том же направлении к крайнему положению
конденсатор снова заряжен, ток в цепи отсутствует, состояние контура аналогично первоначальному
смещение тела максимально. Его скорость равна 0 и состояние аналогично первоначальному
После индивидуальной работы с таблицей учащиеся анализируют свою работу, сравнивая свою таблицу с той, что на экране.
Вопрос классу: аналогию каких величин вы увидели в этой таблице?
Ответ: кинетическая энергия - энергия магнитного поля,
потенциальная энергия - энергия электрического поля
инерция - самоиндукция
смещение - заряд, скорость - сила тока.
Затухание колебаний:
Вопрос учащимсякадр на экране
Механические колебания
электромагнитные колебания
Почему свободные колебания затухают?
колебания затухают под действием силы трения (сопротивления воздуха)
колебания затухают, так как контур обладает сопротивлением
Вопрос учащимся: аналогию каких величин вы здесь увидели?
Ответ: коэффициента трения и сопротивления
В результате заполнения таблиц учащиеся пришли к выводу, что существуют аналогичные величины.
Кадр на экране:
Аналогичные величины:
Дополнение учителя: аналогичными так же являются: масса - индуктивность, жёсткость - величина, обратная ёмкости.Видеосюжеты: 1) возможные видеосюжеты свободных колебаний
Механические колебанияЭлектромагнитные колебания
шарик на нити, качели, ветка дерева, после того как с неё слетела птица, струна гитары
колебания в колебательном контуре
2) возможные видеосюжеты вынужденных колебаний:
игла швейной машины, качели, когда их раскачивают, ветка дерева на ветру, поршень в двигателе внутреннего c горанияработа электробытовых приборов, линии электропередач, радио, телевидение, телефонная связь, магнит, который вдвигают в катушку
кадр на экране
Механические колебания
Электромагнитные колебания
Сформулируйте Определения свободных и вынужденных колебаний.
Свободные - это колебания, которые происходят без воздействия внешней силы Вынужденные - это колебания, которые происходят под воздействием внешней перио дической силы.
Свободные - это колебания, которые происходят без воздействия переменной ЭДС Вынужденные - это колебания, которые происходят под воздействием переменной ЭДС
Вопрос учащимся: Что общего в этих определениях?
Ответ; свободные колебания происходят без воздействия внешней силы, а вынужденные - под воздействием внешней периодической силы.
Вопрос учащимся: Какие ещё виды колебаний вы знаете? Сформулируйте определение.
Ответ: Гармонические колебания - это колебания, которые происходят по закону синуса или косинуса.
Возможные применения колебаний:
Колебание геомагнитного поля Земли под действием ультрафиолетовых лучей и солнечного ветра (видеосюжет)
Влияние колебаний магнитного поля Земли на живые организмы, движение клеток крови (видеосюжет)
Вредная вибрация (разрушение мостов при резонансе, разрушение самолётов при вибрации) - видеосюжет
Полезная вибрация (полезный резонанс при уплотнении бетона, вибросортировка - видеосюжет
Электрокардиограмма работы сердца
Колебательные процессы в человеке (колебание барабанной перепонки, голосовых связок, работа сердца и лёгких, колебания клеток крови)
Дома: 1) заполнить таблицу № 3 (используя аналогию вывести формулы для колебательного процесса математического маятника и колебательного контура),
2) заполнить таблицу № 1 до конца (провести аналогию между состояниями колебательного контура и математического маятника в различные моменты времени.
Выводы по уроку: в ходе урока учащиеся провели сравнительный анализ на основе ранее изученного материала, тем самым систематизировали материал по теме: «Колебания»; рассмотрели применение на примерах из жизни.
Таблица №3. Уравнение колебательного процесса
Выразим h через х из подобия ∆АОЕ и ∆АВС
§ 29. Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями
Электромагнитные колебания в контуре имеют сходство со свободными механическими колебаниями, например с колебаниями тела, закрепленного на пружине (пружинный маятник). Сходство относится не к природе самих величин, которые периодически изменяются, а к процессам периодического изменения различных величин.
При механических колебаниях периодически изменяются координата тела х и проекция его скорости v x , а при электромагнитных колебаниях изменяются заряд q конденсатора и сила тока i в цепи. Одинаковый характер изменения величин (механических и электрических) объясняется тем, что имеется аналогия в условиях, при которых возникают механические и электромагнитные колебания.
Возвращение к положению равновесия тела на пружине вызывается силой упругости F x упр, пропорциональной смещению тела от положения равновесия. Коэффициентом пропорциональности является жесткость пружины k .
Разрядка конденсатора (появление тока) обусловлена напряжением и между пластинами конденсатора, которое пропорционально заряду q . Коэффициентом пропорциональности является величина обратная емкости, так как
Подобно тому как, вследствие инертности, тело лишь постепенно увеличивает скорость под действием силы и эта скорость после прекращения действия силы не становится сразу равной нулю, электрический ток в катушке за счет явления самоиндукции увеличивается под действием напряжения постепенно и не исчезает сразу, когда это напряжение становится равным нулю. Индуктивность контура L выполняет ту же роль, что и масса тела m при механических колебаниях. Соответственно кинетическая энергия тела аналогична энергии магнитного поля тока
Зарядка конденсатора от батареи аналогична сообщению телу, прикрепленному к пружине, потенциальной энергии при смещении тела на расстояние х m от положения равновесия (рис. 4.5, а). Сравнивая это выражение с энергией конденсатора замечаем, что жесткость k пружины выполняет при механических колебаниях такую же роль, как величина обратная емкости, при электромагнитных колебаниях. При этом начальная координата х m соответствует заряду q m .
Возникновение в электрической цепи тока i соответствует появлению в механической колебательной системе скорости тела v х под действием силы упругости пружины (рис. 4.5, б).
Момент времени, когда конденсатор разрядится, а сила тока достигнет максимума, аналогичен тому моменту времени, когда тело будет проходить с максимальной скоростью (рис. 4.5, в) положение равновесия.
Далее конденсатор в ходе электромагнитных колебаний начнет перезаряжаться, а тело в ходе механических колебаний - смещаться влево от положения равновесия (рис. 4.5, г). По прошествии половины периода Т конденсатор полностью перезарядится и сила тока станет равной нулю.
При механических колебаниях этому соответствует отклонение тела в крайнее левое положение, когда его скорость равна нулю (рис. 4.5, д). Соответствие между механическими и электрическими величинами при колебательных процессах можно свести в таблицу.
Электромагнитные и механические колебания имеют разную природу, но описываются одинаковыми уравнениями.
Вопросы к параграфу
1. В чем проявляется аналогия между электромагнитными колебаниями в контуре и колебаниями пружинного маятника?
2. За счет какого явления электрический ток в колебательном контуре не исчезает сразу, когда напряжение на конденсаторе становится равным нулю?
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ. СВОБОДНЫЕ И ВЫНУЖДЕННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ В КОЛЕБАТЕЛЬНОМ КОНТУРЕ.
- Электромагнитные колебания - взаимосвязанные колебания электрического и магнитного полей.
Электромагнитные колебания появляются в различных электрических цепях. При этом колеблются величина заряда, напряжение, сила тока, напряженность электрического поля, индукция магнитного поля и другие электродинамические величины.
Свободные электромагнитные колебания возникают в электромагнитной системе после выведения ее из состояния равновесия, например, сообщением конденсатору заряда или изменением тока в участке цепи.
Это затухающие колебания , так как сообщенная системе энергия расходуется на нагревание и другие процессы.
Вынужденные электромагнитные колебания - незатухающие колебания в цепи, вызванные внешней периодически изменяющейся синусоидальной ЭДС.
Электромагнитные колебания описываются теми же законами, что и механические, хотя физическая природа этих колебаний совершенно различна.
Электрические колебания - частный случай электромагнитных, когда рассматривают колебания только электрических величин. В этом случае говорят о переменных токе, напряжении, мощности и т.д.
- КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР
Колебательный контур - электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных конденсатора емкостью C, катушки индуктивностью L и резистора сопротивлением R. Идеальный контур – если сопротивлением можно пренебречь, то есть, только конденсатор С и идеальная катушка L.
Состояние устойчивого равновесия колебательного контура характеризуется минимальной энергией электрического поля (конденсатор не заряжен) и магнитного поля (ток через катушку отсутствует).
- ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ
Аналогия механических и электромагнитных колебаний
Характеристики: | Механические колебания | Электромагнитные колебания |
Величины, выражающие свойства самой системы (параметры системы): | m- масса (кг) k- жесткость пружины (Н/м) | L- индуктивность (Гн) 1/C- величина, обратная емкости (1/Ф) |
Величины, характеризующие состояние системы: | Кинетическая энергия (Дж) Потенциальная энергия (Дж) х - смещение (м) | Электрическая энергия(Дж ) Магнитная энергия (Дж) q - заряд конденсатора (Кл) |
Величины, выражающие изменение состояния системы: | v = x"(t) скорость-быстрота смещения (м/с) | i = q"(t) сила тока – быстрота изменения заряда (А) |
Другие характеристики: T=1/ν T=2π/ω ω=2πν | T- период колебаний время одного полного колебания(с) |
|
ν- частота-число колебаний за единицу времени (Гц) |
||
ω - циклическая частота число колебаний за 2π секунд(Гц) |
||
φ=ωt – фаза колебаний- показывает, какую часть от амплитудного значения принимает в данный момент колеблющаяся величина, т.е. фаза определяет состояние колеблющейся системы в любой момент времени t. |
где q" - вторая производная заряда по времени.
Величина является циклической частотой. Такими же уравнениями описываются колебания тока, напряжения и других электрических и магнитных величин.
Одним из решений уравнения (1) является гармоническая функция
Это интегральное уравнение гармонических колебаний.
Период колебаний в контуре (формула Томсона):
Величина φ = ώt + φ 0 , стоящая под знаком синуса или косинуса, является фазой колебания.
Ток в цепи равен производной заряда по времени, его можно выразить
Напряжение на пластинах конденсатора изменяется по закону:
Где I max =ωq мак – амплитуда силы тока (А),
U max =q max /C - амплитуда напряжения (В)
Задание: для каждого состояния колебательного контура записать значения заряда на конденсаторе, тока в катушке, напряженности электрического поля, индукции магнитного поля, электрической и магнитной энергии.
Цель:
- Демонстрация нового метода решения задач
- Развитие абстрактного мышления, умения анализировать сравнивать, обобщать
- Воспитание чувства товарищества, взаимопомощи, толерантности.
Темы “ Электромагнитные колебания” и “Колебательный контур” – психологически трудные темы. Явления, происходящие в колебательном контуре, не могут быть описаны при помощи человеческих органов чувств. Возможна только визуализация при помощи осциллографа, но и этом случае мы получим графическую зависимость и не можем непосредственно наблюдать за процессом. Поэтому они остаются интуитивно и эмпирически неясны.
Прямая аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями помогает упростить понимание процессов и провести анализ изменения параметров электрических цепей. Кроме того упростить решение задач со сложными механическими колебательными системами в вязких средах. При рассмотрении данной темы ещё раз подчеркивается общность, простота и немногочисленность законов, необходимых для описания физических явлений.
Данная тема дается после изучения следующих тем:
- Механические колебания.
- Колебательный контур.
- Переменный ток.
Необходимый набор знаний и умений:
- Определения: координата, скорость, ускорение, масса, жесткость, вязкость, сила, заряд, сила тока, скорость изменения силы тока со временем (применение этой величины), электрическая емкость, индуктивность, напряжение, сопротивление, ЭДС, гармонические колебания, свободные, вынужденные и затухающие колебания, статическое смещение, резонанс, период, частота.
- Уравнения, описывающие гармонические колебания (с использованием производных), энергетические состояния колебательной системы.
- Законы: Ньютона, Гука, Ома (для цепей переменного тока).
- Умение решать задачи на определение параметров колебательной системы (математический и пружинный маятник, колебательный контур), её энергетических состояний, на определение эквивалентного сопротивления, емкости, равнодействующей силы, параметров переменного тока.
Предварительно в качестве домашнего задания учащимся предлагаются задачи, решение которых значительно упрощается при использовании нового метода и задачи приводящие к аналогии. Задание может быть групповым. Одна группа учащихся выполняет механическую часть работы, другая часть, связанную с электрическими колебаниями.
Домашнее задание.
1а . Груз массой m, прикрепленный к пружине жесткостью k, отвели от положения равновесия и отпустили. Определите максимальное смещение от положения равновесия, если максимальная скорость груза v max
1б . В колебательном контуре, состоящем из конденсатора емкостью С и катушки индуктивности L, максимальное значение силы тока I max . Определите максимальное значение заряда конденсатора.
2а . На пружине жесткостью k подвешен груз массой m. Пружина выводится из состояния равновесия смещением груза от положения равновесия на А. Определите максимальное x max и минимальное x min смещение груза от точки, в которой находился нижний конец нерастянутой пружины и v max максимальную скорость груза.
2б . Колебательный контур состоит из источника тока с ЭДС равной Е, конденсатора емкостью С и катушки, индуктивности L и ключа. До замыкания ключа конденсатор имел заряд q. Определите максимальный q max и q min минимальный заряд конденсатора и максимальный ток в контуре I max.
При работе на уроках и дома используется оценочный лист
Вид деятельности |
Самооценка |
Взаимооценка |
Физический диктант | ||
Сравнительная таблица | ||
Решение задач | ||
Домашняя работа | ||
Решение задач | ||
Подготовка к зачету |
Ход урока №1.
Аналогия между механическими и электрическими колебаниями
Введение в тему
1. Актуализация ранее полученных знаний.
Физический диктант с взаимопроверкой.
Текст диктанта
2. Проверка (работа в диадах, или самооценка)
3. Анализ определений, формул, законов. Поиск аналогичных величин.
Явная аналогия прослеживается между такими величинами как скорость и сила тока. . Далее прослеживаем аналогию между зарядом и координатой, ускорением и скоростью изменения силы тока с течением времени. Сила и ЭДС характеризуют внешнее воздействие на систему. По второму закону Ньютона F=ma, по закону Фарадея Е=-L. Следовательно, делаем вывод, что масса и индуктивность аналогичные величины. Необходимо обратить внимание на то, что эти величины сходны и по своему физическому смыслу. Т.е. данную аналогию можно получить и в обратном порядке, что подтверждает её глубокий физический смысл и правильность наших выводов. Далее сравниваем закон Гука F = -kx и определение емкости конденсатора U=. Получаем аналогию между жесткостью (величиной характеризующей упругие свойства тела) и величиной обратной емкости конденсатора (в результате можно говорить о том, что емкость конденсатора характеризует упругие свойства контура). В результате на основе формул потенциальной и кинетической энергии пружинного маятника, и , получаем формулы и . Так как это электрическая и магнитная энергия колебательного контура, то данный вывод подтверждает правильность полученной аналогии. На основании проведенного анализа составляем таблицу.
Пружинный маятник |
Колебательный контур |
4. Демонстрация решения задач № 1а и № 1б на доске. Подтверждение аналогии.
1а. Груз массой m, прикрепленный к пружине жесткостью k, отвели от положения равновесия и отпустили. Определите максимальное смещение от положения равновесия, если максимальная скорость груза v max |
1б. В колебательном контуре, состоящем из конденсатора емкостью С и катушки индуктивности L, максимальное значение силы тока I max . Определите максимальное значение заряда конденсатора. |
||
по закону сохранения энергии cследовательно Проверка размерности: |
по закону сохранения энергии Следовательно Проверка размерности: Ответ: |
||
Во время выполнения решения задач на доске, учащиеся разделяются на две группы: “Механики” и “Электрики” и при помощи таблицы составляют текст аналогичный тексту задач 1а и 1б . В итоге замечаем, что текст и решение задач подтверждают сделанные нами выводы.
5. Одновременное выполнение на доске решения задач № 2а и по аналогии № 2б . При решении задачи 2б дома должны были возникнуть трудности, так как аналогичные задачи не решались на уроках и процесс, описанный в условии неясен. Решение задачи 2а проблем возникнуть не должно. Параллельное решение задач на доске при активной помощи класса должно привести к выводу о существовании нового метода решения задач через аналогии между электрическими и механическими колебаниями.
Решение: Определим статическое смещение груза. Так как груз находится в состоянии покоя Следовательно Как видно из рисунка, x max =x ст +А=(mg/k)+A, x min =x ст -A=(mg/k)-A. Определим максимальную скорость груза. Смещение от положения равновесия незначительно, следовательно колебания можно считать гармоническими. Примем, что в момент начала отсчета смещение было максимально, тогда x=Acos t. Для пружинного маятника =. =x"=Asin t,при sin t=1 = max . |