Свободные колебания

Тема урока: «Колебательный контур. Превращения энергии в колебательном контуре.»

Тип урока: введение нового материала и первичное закрепление

Класс: 11

Цели урока:

образовательные: сформировать понятия колебательного контура; сформировать представление как в колебательном контуре энергия электрического поля периодически превращается в энергию магнитного поля; показать, что колебания в идеальном колебательном контуре являются гармоническими; получить основное уравнение, описывающее свободные электрические колебания в контуре; вывести формулу, с помощью которой можно вычислить период свободных электрических колебаний.

развивающие: развитие навыков самостоятельного поиска решения задач, логического мышления, умения рассуждать, сравнивать, делать выводы

воспитательные: воспитание умения работать в группе, формирование физического мышления. содействовать формированию у учащихся умения осознавать собственную учебную деятельность, осуществлять самоконтроль.

Учебно-методическое обеспечение: УМК Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, В.М.Чаругин "Физика. 11 класс", презентация "Электромагнитные колебания"

Оборудование: Компьютер, мультимедийный проектор, экран

Структура урока:

Организационный момент. (1 мин)

Опрос домашней темы по вопросам учебника с разбором решения домашних задач. (6 мин)

Постановка цели и задач урока. (2 мин)

Объяснение новой темы. (20 мин)

Закрепление новой темы - решение качественных и количественных задач. (11 мин)

Подведение итогов. Выставление оценок. (3 мин)

Домашнее задание. (2 мин)

Ход урока

1. Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности класса к уроку.

2. Опрос домашней темы по вопросам учебника с разбором решения домашних задач.

3. Постановка цели и задач урока.

4. Объяснение новой темы.

К
олебания могут происходить в системе, которая называется колебательным контуром, состоящим из конденсатора емкостью С и катушки индуктивностью L. Колебательный контур называется идеальным, если в нем нет потерь энергии на нагревание соединительных проводов и проводов катушки, т. е. пренебрегают сопротивлением R.

Cделаем в тетрадях чертеж схематичного изображения колебательного контура.

Чтобы возникли электрические колебания в этом контуре, ему необходимо сообщить некоторый запас энергии, т.е. зарядить конденсатор. Когда конденсатор зарядится, то электрическое поле будет сосредоточено между его пластинами.

Итак, конденсатор заряжен, его энергия равна

, но ,

поэтому , следовательно,

.

Так как после зарядки конденсатор будет иметь максимальный заряд (на пластинах конденсатора, расположены противоположные по знаку заряды), то при q=qmax энергия электрического поля конденсатора будет максимальна и равна

.

В начальный момент времени вся энергия сосредоточена между пластинами конденсатора, сила тока в цепи равна нулю. При замыкании конденсатора на катушку он начинает разряжаться и в цепи возникнет ток, который, в свою очередь, создаст в катушке магнитное поле. Силовые линии этого магнитного поля направлены по правилу буравчика.

При разрядке конденсатора ток не сразу достигает своего максимального значения, а постепенно. Это происходит потому, что переменное магнитное поле порождает в катушке второе электрическое поле. Вследствие явления самоиндукции там возникает индукционный ток, который, согласно правилу Ленца, направлен в сторону, противоположную увеличению разрядного тока.

Когда разрядный ток достигает своего максимального значения, энергия магнитного поля максимальна и равна

,

а энергия конденсатора в этот момент равна нулю. Таким образом, через t=T/4 энергия электрического поля полностью перешла в энергию магнитного поля.

С началом перезарядки конденсатора разрядный ток будет уменьшаться до нуля не сразу, а постепенно. Это происходит опять же из-за возникновения противо э.д.с. и индукционного тока противоположной направленности. Этот ток противодействует уменьшению разрядного тока, как ранее противодействовал его увеличению. Сейчас он будет поддерживать основной ток. Энергия магнитного поля будет уменьшаться, энергия электрического – увеличиваться, конденсатор будет перезаряжаться.

Таким образом, полная энергия колебательного контура, в любой момент времени, равна сумме энергий магнитного и электрического полей

Колебания, при которых происходит периодическое превращение энергии электрического поля конденсатора в энергию магнитного поля катушки, называются ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ колебаниями. Так как эти колебания происходят за счет первоначального запаса энергии и без внешних воздействий, то они являются СВОБОДНЫМИ.

5. Закрепление новой темы - решение качественных и количественных задач.

1. Найти отношение энергии магнитного поля к энергии электрического поля для момента времени t=T/2,

считая, что процессы происходят в идеальном колебательном контуре.

t=T/4, t=T/2, t=5T/4

2. Где будет сосредоточена энергия колебательного контура в момент времени t=T/4, t=T/2, t=5T/4 ?

3. Почему в колебательном контуре колебания не прекращаются в тот момент, когда конденсатор полностью разрядится?

6. Подведение итогов. Выставление оценок.

7. Домашнее задание.

Параграф 27-28. Вопросы.

Задачи из сборника Рымкевича: 942,943