Урок по физики - Вынужденные колебания. Резонанс напряжений в электрической цепи.
план-конспект урока по физике (11 класс) на тему

План-конспект урока по физике. Тема: Вынужденные колебания. Резонанс напряжений в электрической цепи.

Цель урока: объяснить, почему большее значение имеют вынужденные колебания, а не свободные; как устанавливаются вынужденные колебания; формировать понятие резонанса, который может возникать не только в механических системах, но и в электромагнитных колебательных системах, особенно широко это явление применяется в радиосвязи.

когда наступает резкое возрастание амплитуды и возникает резонанс;

формировать умение работы с книгой.

Ход урока

Проверка домашнего задания методом индивидуального опроса

1. Как происходит преобразование энергии в колебательных системах без трения?

2. Как силы сопротивления действуют на колеблющееся тело? Какие колебания являются затухающими?

3. Задача. Колебания материальной точки описываются уравнением: X= 70. Определите амплитуду колебаний, и смещение точки от положения равновесия в следующие моменты времени: t1=π/2 и t2 = π/3. При каких фазах смещение по модулю равно половине амплитуды?

Решение. Хм= 0, 7м; X= 0,5 м; Х= 0,35 м; 𝝋1=π/6; 𝝋2= 5π/6; 𝝋3 =7π /6; 𝝋4=11π/6.

Изучение нового материала

1. ВНУТРЕННИЕ СВОБОДНЫЕ ВСЕГДА ЗАТУХАЮЩИЕ

С И Л Ы

ВНЕШНИЕ ВЫНУЖДЕННЫЕ, ПРИТОК W В ТАКТ С

КОЛЕБАНИЯМИ НЕ ДАЕТ ЗАТУХАТЬ.

ЕСЛИ НЕВПОПАД ЭФФЕКТА НЕТ!!!

2. Вынужденные колебания пружинного маятника.

. 

Рассмотрим, как в колебательной системе, обладающей собственной частотой возникают и поддерживаются вынужденные колебания. Если вращать рукоятку установки, то на тело начнет действовать периодическая внешняя сила. Тело будет раскачиваться с увеличивающейся амплитудой. Через некоторое время, колебания будут иметь установившийся характер, амплитуда перестанет увеличиваться. Частота колебаний груза будет равна частоте вращения рукоятки (частоте изменения внешней силы).

Резонанс. (от латинского слова resonans –дающий отзвук)

Пользуясь все той же установкой, проверим, как зависит от частоты внешней силы амплитуда установившихся колебаний. Амплитуда начинает расти при дальнейшем увеличении частоты внешней силы. Она достигает максимума, если свободные колебания груза будут действовать в

такт с внешней силой. Амплитуда стремится к нулю, если частота внешней силы очень большая.

Вследствие, инертности тело не успевает смещаться и «дрожит на месте».

Зависимость амплитуды от внешней частоты представлена на рисунках.

Резонансом называется резкое увеличение амплитуды вынужденных колебаний при совпадении частоты свободных колебаний с частотой изменения внешней силы.

3.Объяснение резонанса на основе энергетических преобразований.

4.Применение резонанса и борьба с ним.

Самостоятельная работа с учебником. «Применение резонанса и борьба с ним»

Подготовить ответы на вопросы.

1. Какие тела, сооружения, машины представляют собой колебательную систему?

2. Насколько может увеличиться амплитуда, работающей машины или напряжение в материалах?

3. Какие меры предпринимают, чтобы резонанс не наступил или хотя бы ослабить его?

4. Почему строевой шаг воинской части может привести к разрушению моста, через который часть переходит?

5. Привести примеры полезного действия резонанса.

задания методом индивидуального опроса

1. На доске начертить схему подключения, вывести формулу, начертить график зависимости силы тока и напряжения от времени:

А) для активного сопротивления;

Б) для емкостного сопротивления

В) для индуктивного сопротивления

2. Решить задачу. Резистор, катушка и конденсатор соединены, последовательно и включены в

электрическую цепь, по которой течет ток 0,8 А. Активное сопротивление цепи 50 Ом,

напряжение в цепи 200 В. Вычислить полное сопротивление цепи, коэффициент мощности

и активную мощность.

R – полное сопротивление цепи; I – действующее значение силы тока ; U – действующее значение напряжения. R=U/I = 200/0,8 = 250 Ом; Р= I2RAK; P= I U QUOTE ; P= (0,8)2·200= 32 Вт.

QUOTE = Р/I U = 32/160= 0,2.

Изучение нового материала

В механических системах, совершающих колебания, резонанс наступает, если мал коэффициент трения. В электромагнитной системе резонанс может наступить при малом активном сопротивлении. От этого сопротивления проводник нагревается.

Собственная частота колебаний в контуре, если активное сопротивление мало, вычисляется по формуле: ω0= 1/ QUOTE ;

При вынужденных колебаниях I= max, когда частота меняющегося напряжения равна собственной частоте контура: ω= ω0 = 1/ QUOTE

Резонансом в электрической цепи называют явление резкого возрастания амплитуды, вынужденных колебаний силы тока, при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой колебательного контура.

Амплитуда силы тока при резонансе.

При резонансе в электрической цепи мощность в контуре Р=max, когда сила тока и напряжение совпадают по фазе. После включения внешнего переменного напряжения резонанс для силы тока

устанавливается постепенно. Амплитуда силы тока увеличивается, до тех пор , пока энергия выделившаяся на резисторе, не будет равна внешней энергии, поступившей в контур за это время.

Выразим это с помощью формул: Im2 R/2 = UmIm/2; упростим выражение: ImR= Um;

Найдем амплитуду силы тока: Im= Um/R.

Если R→0, амплитуда тока начинает резко возрастать: ( Im)РЕЗ→ QUOTE . Если R увеличивается, сила тока уменьшается. При большом сопротивлении ( R ) – резонанс не наступает.

На графике представлены зависимости амплитуды силы тока от частоты при различных сопротивлениях (R1< R2< R3).

Демонстрация увеличения напряжения на конденсаторе и катушке индуктивности при увеличении силы тока. Для демонстрации собирают установку, которая изображена в учебнике. Учащиеся наблюдают, как с увеличением частоты внешнего напряжения меняется сила тока

( показания амперметра) и напряжение на катушке или конденсаторе (показания вольтметра).

Величины могут увеличиваться в десятки и даже в сотни раз.

Использование резонанса в радиосвязи – сообщение учащегося.

Вред от резонанса в электрической цепи – сообщение учащегося.

Вывод: в электрической цепи может наступить резонанс – резкое возрастание амплитуды силы тока и напряжения при совпадении частот внешнего напряжения и собственных колебаний контура. Наибольшее применение резонанс нашел в радиосвязи.

Закрепление изученного материала

1. Электрон пролетает между пластинами конденсатора, какую траекторию он опишет, если

на него подано: а) переменное напряжение высокой частоты; б) постоянное напряжение.

Ответы: а) параболу; б) синусоиду.

2. Какова разность фаз между колебаниями I и U при резонансе.

3. Когда наиболее отчетливо выражены резонансные свойства контура. ( при R→0).

Домашнее задание: §