Урок "Резонанс в електричних колах"

Дослідження явища електричного резонансу засобами ППЗ «Початки електроніки»

П.М. Клініч, Солобковецький ЗЗСО, Ярмолинецький р-н, Хмельницька обл.

В декількох журналах «Фізика в школах України» за 2012-2013 роки  були надруковані статті автора  про  методику використання на уроках фізики ППЗ «Початки електроніки» та цикл лабораторних робіт з електрики у 9 класі. В них розглядались питання використання програми для дослідження кіл постійного струму. Тепер хочу запропонувати колегам  розробку уроку-експерименту в 11 класі для дослідження коливань у колах змінного струму з використанням віртуальних осцилографа та мультиметра, які є в наборі інструментів названої вище програми.

 

 

Урок __

 

Резонанс в електричних колах

     Наука – це істина, помножена на сумніви

 (П.Валері).

 

Мета роботи: дослідити явище резонансу, з’ясувати вплив зміни індуктивності та ємності на виникнення резонансу; розвивати експериментальні уміння вимірювати; виховувати спостережливість, повагу до експерименту.

Основні поняття: резонанс, генератор, індуктивність, ємність

Обладнання:  ППЗ «Початки електроніки».

Тип уроку: вивчення нового матеріалу та формування практичних вмінь.

Учні діляться на дві команди і розгадують ребуси. Яка команда першою вгадала, та одержує бонуси.

• Що називається механічним резонансом?
• Нагадайте формулу Томсона.
• Як формулюється ця ж формула, але для частоти коливань?
• Який період коливань при L=1 Гн та С=1 Ф?
• Перетворіть 5 мкФ у фаради.
• Перетворіть 8 мГн у генрі.

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності

•           Чи можливо, маючи джерело живлення на 5 В, без ніяких електронних перетворювачів одержати напругу 200 В?
•           Що станеться, якщо в побутову електромережу ввімкнути контур з власною частотою = 50 Гц?
•           Чи немає тут помилки на малюнку, коли дві лампочки світяться, а третя – ні(всі лампочки однакові)?
•           Чи існували би мобільні телефони без резонансу?

 

 

 

 

 

 

План-схема уроку

 

Етап уроку	Час, хв	Форма і методи діяльності вчителя	Результат
І.Розминка	3	Гра «Відгадай  слово»	Створення сприятливого психоемоційного клімату
ІІ. Актуалізація опорних знань	5	Бесіда	Активізація пізнавальної діяльності
ІІІ. Мотивація навчальної діяльності	2	Постановка проблемних запитань.	Мотивація навчальної діяльності
IV. Пояснення нового матеріалу	20	Фронтальний експеримент	Усвідомлення матеріалу
V.Закріплення матеріалу	8	Самостійна робота	Вироблення умінь та навичок
VI. Підсумки уроку	5	Міні-виступ «Що я сьогодні відкрив для себе?»	Підбиття підсумків уроку
VII. Домашнє завдання	2	Творчого характеру. Розв’язування вправи	Міні-презентації

 

 

IV. Пояснення нового матеріалу

 

Згадаємо ще раз явище механічного резонансу. Як потрібно розгойдувати гойдалку, щоб від невеличкої вимушуючої сили значно її розгойдати?

Так, частота вільних(власних) коливань гойдалки(маятника) повинна співпадати з частотою цієї сили. Амплітуда вимушуючої сили ролі не грає. Це і є явище механічного резонансу, яке ми раніше вивчали. Згадайте, як інколи дрижать шибки у вікнах від автомобіля, що проїжджає повз будинок. Але варто автомобілю зменшити чи збільшити оберти двигуна, як дрижання зникає. Ефекти від механічного резонансу легко спостерігати чи чути. Інша справа з електричними коливаннями. Ми не можемо їх спостерігати(чути) своїми органами чуття. Але можна скористатись осцилографом, будову якого і принцип роботи ми вже з’ясували. А також спостерігали гармонічні коливання різних форм, навчились визначати за графіком коливань на екрані осцилографа частоту, період та амплітуду коливань.

Складемо електричне коло по принциповій схемі для дослідження резонансу за допомогою програми «Початки електроніки».

 

V.

 

 

 

 

 

 

 

Але спочатку розрахуємо значення індуктивності L для частоти 50 Гц і ємності 10 мкФ за формулою Томсона :

, . Тобто параметри кола будуть такі: С= 10 мкФ, L= 1 Гн при частоті власних коливань = 50 Гц.

Тепер виберемо частоту коливань на виході генератора рівною теж 50 Гц з амплітудою 5 В і спостерігаємо на екрані осцилографа за коливаннями, а за допомогою вольтметра змінного струму виміряємо напругу на котушці індуктивності. Помічаємо, що напруга виявилась рівною 215 В! Але ж джерело напруги «видає» всього лише 5 В?! Ось це і є резонанс. Що ж відбулося? А відбулося співпадання частоти власних коливань контура LC і частоти генератора.

Ми ствердно можемо сказати, що перша проблема нашого уроку розв’язана: 5В «перетворились» у 215В.

Також можна ніби дати відповідь і на другу проблему уроку – що станеться(згорить генератор, котушка, резистор?). А нічого і не сталося. Дослід-то був віртуальним. Але ми працювали не з потужними споживачами(наприклад, з електродвигунами змінного струму). Тут було би все набагато серйозніше. Щоб зрозуміти про що йдеться, пропоную вам розглянути широковідомі схеми під’єднання трифазних двигунів до однофазної мережі:

 

Тут є і індуктивності обмоток, і ємність конденсатора, а отже це – коливальні контури. Уявіть собі, що ви випадково підібрали конденсатор С такої ємності, що частота власних коливань цих двигунів-контурів стала = 50 Гц і під’єднали їх до побутової мережі. Станеться аварія – перевантаження мережі, різке зростання напруги – і добре, коли поруч буде запобіжник-автомат. На початку ери електрики про явище резонансу не знали, а тому на підприємствах часто траплялись крупні аварії.

Повернемось до дослідження резонансу.

Як частота генератора впливає на виникнення резонансу?

Будемо змінювати частоту генератора в невеличких межах та спостерігати за амплітудою коливань.

Дані занесемо у таблицю:

 

, Гц	40	47	50	60	70
U, В	4	24	215	11	2

Побудуємо графік залежності напруги від частоти:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V.Закріплення матеріалу уроку.

Зараз ви самостійно проведете два досліди. Перша команда досліджує вплив зміни індуктивності на розмах коливань, а друга – вплив ємності.

В цьому вам допоможуть два відеодосліди.( Вчитель демонструє два відеофрагменти реальних дослідів. В першому фрагменті індуктивність змінюється за допомогою осердя, а в другому – за допомогою магазину конденсаторів).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Звітом роботи команд будуть таблиці залежності напруги від відповідно індуктивності та ємності.

L, Гн
U, В

 

С, мкФ
U, В

 

(Вчитель пропонує по одному учню з кожної команди підійти до дошки та нарисувати відповідні резонансні криві залежності амплітуди коливань від індуктивності та амплітуди коливань від ємності)

Всі попередні досліди ми проводили   вивчаючи не просто резонанс, а резонанс напруг. Виявляється, що можна спостерігати і резонанс струмів. Завантажте готову електричну схему з папки програми на монтажний стіл.    З’ясуйте параметри лампочок. Так, вони абсолютно однакові. Але чому не світиться лампочка Л3? Виявляється, в паралельних вітках відбуваються коливання, енергія яких поповнюється через лампу Л3. Сили струму у вітках внаслідок резонансу при X_C=X_L можуть у багато разів  перевищувати загальну силу струму, як і напруги при резонансі напруг. Якщо змінити в колі індуктивність L чи ємність  С, то резонанс зникне і  через лампу Л3 потече струм I, а через лампи Л1 та Л2 – менші струми.

Яка роль опору R у самій першій схемі дослідження резонансу? Від значення цього опору залежить  те, наскільки різкою буде резонансна крива і амплітуда коливань.

 На перший погляд можна зробити висновок про негативний вплив резонансу. Та це тільки на перший погляд.

Згадайте, що механічний резонанс має і «погані», і «добрі» сторони.

Учні наводять приклади(камертон, струнні інструменти тощо).

Так і з резонансом в електричних колах. Без нього не було б ні ефірного радіо, ні телебачення, ні лазерів та інших звичних пристроїв.

 

VI. Підсумки уроку

Міні-виступи «Що я сьогодні відкрив для себе?»

Учні говорять про відкриття, яке вони зробили для себе на уроці. Відкриття може бути і емоційним, а не тільки фізичним.

 

 

VII. Домашнє завдання

1.Кожна команда на наступний урок створить міні-презентацію «Резонанс навколо нас».

2. Вправа. Обчислити значення нової ємності С конденсатора, якщо індуктивність контура буде 100 мГн, щоб відбувався  резонанс (попередні дані – 1 Гн, 10 мкФ).

 

 

 

 

http://pmklinich.blogspot.com/