Тема уроку:  Коливальний контур. Перетворення енергії в коливальному контурі.

Мета уроку:

• засвоїти поняття коливального  контуру і суті електромагнітних коливань з використанням динамічної моделі "коливальний контур";
• розвивати логічне і абстрактне мислення; навички оперування фізичними величинами, формулами, вміння робити креслення електричних схем;
• виховувати  вміння сприймати матеріал, толерантно ставитись до опонента при доведенні власної точки зору; політехнічне сприйняття цілісної фізичної картини світу. 

Методично-дидактичне  забезпечення:  Бар’яхтар В. Г. Фізика. 11 клас. Академічний рівень. Профільний рівень: Підручник для загальноосвіт. навч. закладів / В. Г. Бар’яхтар, Ф. Я. Божинова.— Х.: Видавництво «Ранок», 2011.— 320 с.: іл., цифровий вимірювальний комплекс Еinstein™ ., демонстраційні  таблиці, презентація до уроку Power Point

Сценарій уроку:

І.  Етап орієнтації  учнів.

        Організаційний момент уроку.

Рефлексія  готовності до уроку:

         

ІІ.  Етап цілепокладання

Протягом останнього часу ми працюємо над  темою електромагнітних коливань, які повніше розкривають практичне значення у повсякденному житті електромагнітних коливань і електромагнітних хвиль (слайд 1)

ІІІ.  Етап проектування.

Перед початком нашої співпраці я пропоную познайомитися з тими завданнями, які на Вас чекають протягом уроку (слайд 2)

1. Пояснення нового матеріалу (змістово-пошукова фаза)
   •      1.1.Вступ;
   •      1.2.Поняття коливального контуру;
   •      1.3.Виникнення електромагнітних коливань в коливальному контурі;
   •      1.4.Енергія зарядженого конденсатора;
2. Розв’язування задач (адаптивно-перетворююча фаза)
3. Домашнє завдання

ІV  Організація  виконання  плану  діяльності

Пояснення нового матеріалу

Завдяки явищу самоіндукції   можливі коливання електричного заряду, сили струму, напруги та інших величин, які характеризують електричні кола. Ці коливання є електромагнітними і мають багато спільного з механічними коливаннями.

Здавалося б, коливання маятника нічим не нагадують розряд конденсатора через котушку індуктивності. Однак насправді це не так. Механічні і електромагнітні коливання підлягають однаковим фізичним законам. Це виявляється, якщо цікавитися не предметом коливання (тягарець на пружині чи сила електричного струму в колі), а процесом здійснення коливання. Відомо, що під коливанням слід розуміти будь-яку періодичну зміну деякої величини, тобто таку зміну, за якої значення цієї величини через певний інтервал часу – період – повторюється. (слайд 3) Однаковим законам підлягають також хвильові процеси різної природи.

Коливання можуть відбуватися в системі, яка називається коливальним контуром, що складається з конденсатора ємністю С і котушки індуктивністю L. (слайд 4).

Коливальний контур називається ідеальним, якщо в ньому немає втрат енергії на нагрівання сполучних дротів і дротів котушки, тобто нехтують опором R. (слайд 5)

     Виконаємо в зошитах креслення схемного зображення коливального контуру.

Розглянемо механізм виникнення коливань у контурі. Щоб отримати вільні коливання в механічній коливальній системі, необхідно надати цій системі енергії від побічного джерела. У процесі коливань ця енергія періодично перетворюється з потенціальної в кінетичну і навпаки. Щоб коливальний контур вивести зі стану електричної рівноваги, також необхідно цій коливальній системі надати певної енергії. Найпростіше це зробити, зарядивши конденсатор. Зарядження конденсатора  аналогічне відхиленню маятника від положення рівноваги, а енергія  електричного поля зарядженого конденсатора аналогічна потенціальній енергії  деформованої пружини, або піднятого тягарця  маятника.

(демонстрація електромагнітних коливань за допомогою складеного коливального контуру та цифрової лабораторія Еinstein™, приєднавши датчик  струму (±2.5 A)).

(демонстрація відеофрагманту) (слайд 6)

Припустимо, що активний опір контуру дуже малий і ним можна знехтувати (ідеальний контур). Для наочності порівнюватимемо процеси в контурі з коливаннями тягарця на пружині.

Якщо конденсатор зарядженого різниці потенціалів, то його заряд дорівнює. У цьому стані енергія електричного поля максимальна і дорівнює   Сила струму в контурі дорівнює нулю, магнітне поле в котушці індуктивності відсутнє (енергія магнітного поля дорівнює нулю). Цей стан еквівалентний стану пружинного маятника, коли ми розтягнули пружину на х, надали механічній коливальній системі потенціальної енергії , але тримаємо тягарець рукою, не даючи йому можливості рухатись.

Зрозуміло, що такий електричний стан в коливальному контурі не може залишатися незмінним, подібно тому, як пружина не може залишатися в деформованому стані після припинення дії зовнішньої сили. Конденсатор почне розряджатися і в колі потече струм. При цьому в котушці виникне потік магнітної індукції. Зростання цього потоку спричинить появу ЕРС самоіндукції., яка дорівнює різниці потенціалів на пластинах конденсатора. Енергія електричного поля зарядженого конденсатора зменшується, а енергія магнітного поля котушки зростає. Цей процес аналогічний перетворенню потенціальної енергії деформованої пружини в кінетичну енергію руху тягарця.

Коли потенціали пластин зрівнюються, сила струму в котушці матиме максимальне значення, тому що немає причин для подальшого її зростання. З цього моменту сила струму зменшується. До  того ж зменшується і магнітний потік, а тому в котушці виникає  ЕРС самоіндукції, яка прагне перешкодити зменшенню потоку індукції і сили струму. Таким чином, хоча конденсатор розрядився, струм у колі йде, заряджаючи конденсатор у зворотному напрямі. При цьому енергія магнітного поля котушки перетворюється в енергію електричного поля конденсатора. Так само і тягарець у положенні рівноваги має максимальну швидкість і за інерцією продовжує рухатися, стискаючи пружину; кінетична енергія руху тягарця перетворюється в потенціальну енергію пружини.

Коли сила струму зменшиться до нуля, конденсатор виявиться  перезарядженим. На верхній пластині виникне негативний заряд, а на  нижній – позитивний.  Якщо втрат енергії в контурі немає, різниця потенціалів і заряд дорівнюватимуть початковим, але протилежним за знаком. Під час коливань тягарця цьому моменту відповідає зупинка його в крайньому верхньому положенні, коли потенціальна енергія максимальна.

Далі контур починає знову розряджатися і в конденсаторі викає струм зворотного напряму, енергія електричного поля конденсатора зменшується, а магнітного в котушці – зростає. В певний момент конденсатор розрядиться, сила струму досягне максимального значення і енергія магнітного поля буде максимальною. Це відповідає проходженню тягарця положення рівноваги. Потім струм самоіндукції заряджатиме конденсатор, і коливальна система повернеться у вихідне положення. Далі весь процес повторюватиметься і в колі відбуватимуться електромагнітні коливання.

Щоб виникли електричні коливання в цьому контурі, йому необхідно повідомити деякий запас енергії, тобто зарядити конденсатор. Коли конденсатор заряджатиме, те електричне поле буде зосереджено між його пластинами. Отже, конденсатор заряджений, його енергія дорівнює  (слайд 7)

, але

тому                                                   

, отже

.

Оскільки після зарядки конденсатор матиме максимальний заряд (на пластинах    конденсатора, розташовані протилежні по знаку заряди), то при енергія електричного поля конденсатора буде максимальна і дорівнює:

В початковий момент часу вся енергія зосереджена між пластинами конденсатора, сила струму в колі дорівнює нулю. При замиканні конденсатора на котушку він починає розряджатися і в ланцюзі виникне струм, який, у свою чергу створить в котушці магнітне поле. Силові лінії цього магнітного поля направлені за правилом свердлика.

 При розрядці конденсатора струм не відразу досягає свого максимального значення, а поступово. Це відбувається тому що змінне  магнітне поле породжує в котушці друге електричне поле. У наслідок явища самоіндукції там виникає індукційний струм, який, згідно правилу Ленца, направлений убік, протилежну збільшенню розрядного струму.

  Коли розрядний струм досягає свого максимального значення, енергія магнітного поля максимальна і дорівнює

енергія конденсатора у цей момент рівна нулю. Таким чином, через енергія електричного поля повністю перейшла в енергію магнітного поля.

 З початком перезарядки конденсатора розрядний струм зменшуватиметься до нуля не відразу, а поступово. Це відбувається знову  ж таки через виникнення зворотної ЕРС і індукційного струму протилежної спрямованості. Цей струм протидіє зменшенню розрядного струму, як раніше протидіяв його збільшенню. Зараз він підтримуватиме основний струм.

Енергія магнітного поля зменшуватиметься, енергія електричного – збільшуватися  конденсатор перезаряджатиметься. (слайд 8,9)

 Таким чином, повна енергія коливального контуру, у будь-який момент часу, рівна сумі енергій магнітного і електричного  полів

 Коливання, при яких відбувається періодичне перетворення енергії електричного поля конденсатора в енергію магнітного поля  котушки, називаються електромагнітними коливаннями. (слайд 10) Оскільки ці коливання відбуваються за рахунок первинного запасу енергії і без зовнішніх дій, то вони є вільними (слайд 6)

2. Закріплення знань, умінь:

Дайте  відповіді на питання: (слайд 11)

1. Що таке електромагнітні коливання?
2. Що таке коливальний контур?
3. Як відбуваються електромагнітні коливання?
4. Чому дорівнює енергія електричного поля конденсатора?
5. Чому дорівнює енергія магнітного поля котушки?
6. Які перетворення енергії в коливальному контурі?
7. Які перетворення енергії в коливальному контурі?

V.   Контрольно-оцінювальний етап

Розв’язування задач.

1. (слайд 12)Після того як конденсатору коливального контуру було надано заряд   1·10^-6 Кл, у контурі відбуваються затухаючі коливання. Яка кількість теплоти виділиться в контурі до того часу, коли коливання повністю затухнуть? Ємність конденсатора 0,01 мкФ.

2. (слайд 13)У коливальному контурі індуктивність котушки становить 0,2 Гн, а амплітуда сили струму дорівнює 40 мА. Визначити енергію конденсатора і магнітного поля котушки в той момент, коли значення сили струму буде у  2 рази менше, ніж амплітудне.

Рефлексія  в кінці уроку:

Учні   будують  на окремих картках   5-ти бальну шкалу яка свідчить про те , як  вони зрозуміли матеріал уроку. 

 Домашнє завдання  (слайд 14)

• вивчити § 26; письмово відповісти на питання після § 26
• виконати: Впр. 22 (1,2,3)