Presentazione “Circuito oscillante. Vibrazioni elettromagnetiche. Il principio delle comunicazioni radiofoniche e televisive” presentazione per una lezione di fisica (9° elementare) sull'argomento. Circuito oscillatorio Presentazioni sulla fisica del circuito oscillatorio di 9a elementare

Per utilizzare le anteprime delle presentazioni, crea un account Google e accedi ad esso: https://accounts.google.com

Didascalie delle diapositive:

Circuito oscillatorio. Vibrazioni elettromagnetiche. Il principio delle comunicazioni radiofoniche e televisive Lezione n. 51

Le oscillazioni elettromagnetiche sono cambiamenti periodici nel tempo delle quantità elettriche e magnetiche (carica, corrente, tensione, tensione, induzione magnetica, ecc.) in un circuito elettrico. Come è noto, per creare un'onda elettromagnetica potente che possa essere registrata da strumenti posti a grande distanza dall'antenna emittente, è necessario che la frequenza dell'onda sia almeno di 0,1 MHz.

Una delle parti principali del generatore è il circuito oscillatorio: si tratta di un sistema oscillatorio costituito da una bobina di induttanza L collegata in serie, un condensatore con capacità C e un resistore con resistenza R.

Dopo aver inventato la bottiglia di Leida (il primo condensatore) e aver imparato come impartirle una grande carica utilizzando una macchina elettrostatica, iniziarono a studiare la scarica elettrica della bottiglia. Chiudendo i rivestimenti di una bottiglia di Leida con una bobina, scoprirono che i raggi d'acciaio all'interno della bobina erano magnetizzati. La cosa strana era che era impossibile prevedere quale estremità del nucleo della bobina sarebbe stata il polo nord e quale il polo sud. Non si capì immediatamente che quando un condensatore viene scaricato attraverso una bobina, si verificano oscillazioni nel circuito elettrico.

Il periodo delle oscillazioni libere è pari al periodo naturale del sistema oscillatorio, in questo caso il periodo del circuito. La formula per determinare il periodo delle oscillazioni elettromagnetiche libere fu ottenuta dal fisico inglese William Thomson nel 1853.

Il circuito del trasmettitore di Popov è abbastanza semplice: è un circuito oscillatorio, costituito da induttanza (l'avvolgimento secondario della bobina), una batteria alimentata e una capacità (spark gap). Se si preme il tasto, nello spinterometro della bobina salta una scintilla, provocando oscillazioni elettromagnetiche nell'antenna. L'antenna è un vibratore aperto ed emette onde elettromagnetiche che, quando raggiungono l'antenna della stazione ricevente, eccitano in essa oscillazioni elettriche.

Per registrare le onde ricevute, Alexander Stepanovich Popov ha utilizzato un dispositivo speciale - un coherer (dalla parola latina "coerenza" - coesione), costituito da un tubo di vetro contenente limatura di metallo. Il 24 marzo 1896 furono trasmesse le prime parole utilizzando il codice Morse: "Heinrich Hertz".

Sebbene i moderni ricevitori radio somiglino ben poco al ricevitore di Popov, i principi di base del loro funzionamento sono gli stessi.

Principali conclusioni: – Un circuito oscillatorio è un sistema oscillatorio costituito da una bobina, un condensatore e una resistenza attiva collegati in serie. – Le oscillazioni elettromagnetiche libere sono oscillazioni che si verificano in un circuito oscillatorio ideale a causa del dispendio di energia impartita a questo circuito, che non viene successivamente reintegrata. – Il periodo delle oscillazioni elettromagnetiche libere può essere calcolato utilizzando la formula di Thomson. – Da questa formula segue che il periodo del circuito oscillatorio è determinato dai parametri dei suoi elementi costitutivi: l'induttanza della bobina e la capacità del condensatore. – La comunicazione radio è il processo di trasmissione e ricezione di informazioni utilizzando onde elettromagnetiche. – La modulazione di ampiezza è il processo di modifica dell'ampiezza delle oscillazioni ad alta frequenza con una frequenza pari alla frequenza del segnale sonoro. – Il processo inverso di modulazione è chiamato rilevamento.

“Oscillazioni libere” - Oscillazioni non smorzate. Oscillazioni elettromagnetiche libere. Dove i e q sono l'intensità della corrente e la carica elettrica in qualsiasi momento. Secondo la legge dell'induzione elettromagnetica: L'energia elettromagnetica totale del circuito oscillatorio. Il numero di oscillazioni per unità di tempo è chiamato frequenza di oscillazione: energia totale.

“Risonanza meccanica” - 1. Catena del ponte egiziano a San Pietroburgo. Risonanza nella tecnologia. 3. Città del Messico 1985 Ponte sospeso di Tacoma. Valore di risonanza positivo Frequenzimetro. 2. Istituto scolastico statale Ginnasio n. 363 del distretto di Frunzensky. Il frequenzimetro meccanico è un dispositivo per misurare la frequenza delle vibrazioni.

“Frequenza di vibrazione” - Onde sonore. Pensiamo???? Gli infrasuoni sono utilizzati negli affari militari, nella pesca, ecc. Il suono può propagarsi nei gas, nei liquidi e nei solidi? Cosa determina il volume del suono? Da cosa dipende l'altezza del suono? Velocità del suono. Ultrasuoni. In questo caso le vibrazioni della sorgente sonora sono evidenti.

“Vibrazioni meccaniche” - Trasversale. Grafico di un pendolo a molla. Movimento oscillatorio. Gratuito. Longitudinale. "Vibrazioni e onde". Armonico. Vibrazioni libere. Le onde sono la propagazione delle vibrazioni nello spazio nel tempo. Completato da: studentessa dell'11° anno “A” Yulia Oleynikova. Vibrazioni forzate. Onde. Pendolo matematico.

Indietro avanti

Attenzione! Le anteprime delle diapositive sono solo a scopo informativo e potrebbero non rappresentare tutte le funzionalità della presentazione. Se sei interessato a quest'opera, scarica la versione completa.

Obiettivi della lezione:

educativo: introdurre i concetti: “oscillazioni elettromagnetiche”, “circuito oscillatorio”; mostrare l'universalità delle leggi fondamentali dei processi oscillatori per oscillazioni di qualsiasi natura fisica; mostrare che le oscillazioni in un circuito ideale sono armoniche; rivelare il significato fisico delle caratteristiche delle vibrazioni;
sviluppando: sviluppo di interessi cognitivi, capacità intellettuali e creative nel processo di acquisizione di conoscenze e competenze in fisica utilizzando varie fonti di informazione, comprese le moderne tecnologie dell'informazione; sviluppare competenze per valutare l'affidabilità delle informazioni sulle scienze naturali;
educativo: favorire la fiducia nella possibilità di conoscere le leggi della natura; utilizzare le conquiste della fisica a beneficio dello sviluppo della civiltà umana; la necessità di cooperazione nel processo di esecuzione congiunta dei compiti, la disponibilità per una valutazione morale ed etica dell'uso dei risultati scientifici e il senso di responsabilità per la protezione dell'ambiente.

Durante le lezioni

I. Momento organizzativo.

Nella lezione di oggi iniziamo a studiare un nuovo capitolo del libro di testo e l'argomento della lezione di oggi è “Oscillazioni elettromagnetiche. Circuito oscillatorio.

II. Controllo dei compiti.

Iniziamo la nostra lezione controllando i tuoi compiti.

Diapositiva 2. Test di ripasso del materiale e del corso di 10a elementare.

Ti è stato chiesto di rispondere a domande sul diagramma mostrato in figura.

1. In quale posizione del tasto SA2 lampeggerà la lampada al neon quando si apre il tasto SA1?

2. Perché la lampada al neon non lampeggia quando si chiude la chiave SA1, qualunque sia la posizione dell'interruttore SA2?

Il test viene eseguito su un computer. Uno degli studenti, nel frattempo, sta assemblando un diagramma.

Risposta. La lampada al neon lampeggia nella seconda posizione dell'interruttore SA2: dopo l'apertura dell'interruttore SA1, per il fenomeno dell'autoinduzione, nella bobina scorre una corrente decrescente fino a zero, attorno alla bobina si eccita un campo magnetico alternato generando un vortice campo elettrico, che per un breve periodo mantiene il movimento degli elettroni nella bobina. Una corrente a breve termine scorrerà lungo la parte superiore del circuito attraverso il secondo diodo (è collegato nella direzione del flusso). Come risultato dell'autoinduzione nella bobina, quando il circuito viene aperto, ai suoi capi apparirà una differenza di potenziale (fem di autoinduzione), sufficiente a mantenere una scarica di gas nella lampada.

Quando la chiave SA1 è chiusa (la chiave SA2 è in posizione 1), la tensione della sorgente CC non è sufficiente per mantenere la scarica di gas nella lampada, quindi questa non si accende.

Controlliamo se le tue ipotesi sono corrette. Lo schema proposto è assemblato. Vediamo cosa succede ad una lampada al neon quando l'interruttore SA1 viene chiuso e aperto in diverse posizioni dell'interruttore SA2.

(Il test viene compilato nel programma MyTest. Il punteggio viene assegnato dal programma).

File per l'avvio del programma MyTest (si trova nella cartella con la presentazione)

Test. (Esegui il programma MyTest, apri il file “Test”, premi il tasto F5 per avviare il test)

III. Imparare nuovo materiale.

Diapositiva 3. Enunciazione del problema: ricordiamo cosa sappiamo sulle vibrazioni meccaniche? (Il concetto di oscillazioni libere e forzate, auto-oscillazioni, risonanza, ecc.) Le oscillazioni libere possono verificarsi nei circuiti elettrici, così come nei sistemi meccanici, come un carico su una molla o un pendolo. Nella lezione di oggi iniziamo a studiare tali sistemi. L'argomento della lezione di oggi: “Oscillazioni elettromagnetiche. Circuito oscillatorio.

Obiettivi della lezione

Introduciamo i concetti: “oscillazioni elettromagnetiche”, “circuito oscillatorio”;
mostreremo l'universalità delle leggi fondamentali dei processi oscillatori per oscillazioni di qualsiasi natura fisica;
dimostreremo che le oscillazioni in un circuito ideale sono armoniche;
Riveliamo il significato fisico delle caratteristiche delle vibrazioni.

Ricordiamo innanzitutto quali proprietà deve avere un sistema affinché in esso si verifichino oscillazioni libere.

(Nel sistema oscillatorio dovrebbe sorgere una forza di ripristino e l’energia dovrebbe essere convertita da un tipo all’altro; l’attrito nel sistema dovrebbe essere piuttosto piccolo.)

Nei circuiti elettrici, così come nei sistemi meccanici, come un carico su una molla o un pendolo, possono verificarsi vibrazioni libere.

Quali oscillazioni sono chiamate oscillazioni libere? (oscillazioni che si verificano in un sistema dopo che è stato rimosso da una posizione di equilibrio) Quali oscillazioni sono chiamate oscillazioni forzate? (oscillazioni che si verificano sotto l'influenza di campi elettromagnetici esterni che cambiano periodicamente)

Cambiamenti periodici o quasi periodici di carica, corrente e tensione sono chiamati oscillazioni elettromagnetiche.

Diapositiva 4. Dopo aver inventato la bottiglia di Leida e aver imparato come impartirle una grande carica utilizzando una macchina elettrostatica, iniziarono a studiare la scarica elettrica delle bottiglie. Chiudendo i rivestimenti di una bottiglia di Leida utilizzando una bobina di filo, scoprirono che i raggi d'acciaio all'interno della bobina erano magnetizzati, ma era impossibile prevedere quale estremità del nucleo della bobina sarebbe stata il polo nord e quale sarebbe stata il polo sud. . Un ruolo significativo nella teoria delle oscillazioni elettromagnetiche fu svolto dallo scienziato tedesco del XIX secolo HELMHOLTZ Hermann Ludwig Ferdinand. È chiamato il primo medico tra gli scienziati e il primo scienziato tra i medici. Ha studiato fisica, matematica, fisiologia, anatomia e psicologia, ottenendo riconoscimenti a livello mondiale in ciascuna di queste aree. Attirando l'attenzione sulla natura oscillatoria della scarica della bottiglia di Leida, nel 1869 Helmholtz dimostrò che oscillazioni simili si verificano in una bobina di induzione collegata a un condensatore (cioè, essenzialmente, creò un circuito oscillatorio costituito da induttanza e capacità). Questi esperimenti hanno svolto un ruolo importante nello sviluppo della teoria dell'elettromagnetismo.

Diapositiva 4. Tipicamente, le vibrazioni elettromagnetiche si verificano a una frequenza molto elevata, superando significativamente la frequenza delle vibrazioni meccaniche. Pertanto, un oscilloscopio elettronico è molto comodo per osservarli e studiarli. (Dimostrazione del dispositivo. Il principio del suo funzionamento nell'animazione.)

Diapositiva 4. Attualmente gli oscilloscopi elettronici sono stati sostituiti da quelli digitali. Ci racconterà i principi del loro funzionamento...

Diapositiva 5. Animazione “Oscilloscopio”

Diapositiva 6. Ma torniamo alle oscillazioni elettromagnetiche. Il sistema elettrico più semplice capace di oscillazioni libere è un circuito RLC in serie. Un circuito oscillatorio è un circuito elettrico costituito da un condensatore collegato in serie con capacità elettrica C, una bobina con induttanza L e resistenza elettrica R. Lo chiameremo circuito RLC in serie.

Esperimento fisico. Abbiamo un circuito, il cui schema è mostrato nella Figura 1. Colleghiamo un galvanometro alla bobina. Osserviamo il comportamento dell'ago del galvanometro dopo aver spostato l'interruttore dalla posizione 1 alla posizione 2. Noti che l'ago inizia a oscillare, ma queste oscillazioni presto si estinguono. Tutti i circuiti reali contengono una resistenza elettrica R. Durante ogni periodo di oscillazione, parte dell'energia elettromagnetica immagazzinata nel circuito viene convertita in calore Joule e le oscillazioni vengono smorzate. Viene considerato un grafico delle oscillazioni smorzate.

Come si verificano le oscillazioni libere in un circuito oscillatorio?

Consideriamo il caso in cui la resistenza R=0 (modello di un circuito oscillatorio ideale). Quali processi si verificano nel circuito oscillatorio?

Diapositiva 7. Animazione “Circuito oscillante”.

Diapositiva 8. Passiamo alla teoria quantitativa dei processi in un circuito oscillatorio.

Consideriamo un circuito RLC seriale. Quando l'interruttore K è in posizione 1, il condensatore è carico di tensione. Dopo aver spostato la chiave in posizione 2, inizia il processo di scarica del condensatore attraverso il resistore R e l'induttore L. In determinate condizioni, questo processo può avere natura oscillatoria.

La legge di Ohm per un circuito RLC chiuso che non contiene una fonte di corrente esterna è scritta come

dov'è la tensione sul condensatore, q è la carica del condensatore, – corrente nel circuito. Sul lato destro di questa relazione c'è la fem di autoinduzione della bobina. Se scegliamo come variabile la carica del condensatore q(t), l'equazione che descrive le oscillazioni libere nel circuito RLC può essere ridotta alla seguente forma:

Consideriamo il caso in cui non ci sono perdite di energia elettromagnetica nel circuito (R = 0). Introduciamo la notazione: . Poi

(*)

L'equazione (*) è l'equazione base che descrive le oscillazioni libere in un circuito LC (circuito oscillatorio ideale) in assenza di smorzamento. In apparenza coincide esattamente con l'equazione delle oscillazioni libere di un carico su una molla o un filo in assenza di forze di attrito.

Abbiamo annotato questa equazione studiando l'argomento “Vibrazioni meccaniche”.

In assenza di smorzamento, le oscillazioni libere in un circuito elettrico sono armoniche, cioè si verificano secondo la legge

q(t) = q m cos( 0 t + 0).

Perché? (Poiché questa è l'unica funzione, la cui derivata seconda è uguale alla funzione stessa. Inoltre, cos0 = 1, che significa q(0) = q m)

L'ampiezza delle oscillazioni di carica q m e la fase iniziale 0 sono determinate dalle condizioni iniziali, cioè dal modo in cui il sistema è stato portato fuori dall'equilibrio. In particolare, per il processo di oscillazione che inizierà nel circuito mostrato in Figura 1, dopo aver spostato la chiave K nella posizione 2, q m = C, 0 = 0.

Quindi assumerà la forma l'equazione delle oscillazioni armoniche della carica per il nostro circuito

q(t) = qm cos 0 t .

La corrente compie anche oscillazioni armoniche:

Diapositiva 9. Dov'è l'ampiezza delle fluttuazioni attuali. Le oscillazioni della corrente sono in anticipo rispetto alle oscillazioni della carica.

Nelle oscillazioni libere si verifica una conversione periodica dell'energia elettrica W e immagazzinata nel condensatore nell'energia magnetica W m della bobina e viceversa. Se non c'è perdita di energia nel circuito oscillatorio, l'energia elettromagnetica totale del sistema rimane invariata:

Diapositiva 9. I parametri L e C del circuito oscillatorio determinano solo la frequenza naturale delle oscillazioni libere

Considerando ciò, otteniamo .

Diapositiva 9. Formula chiamò la formula di Thomson il fisico inglese William Thomson (Lord Kelvin), che la derivò nel 1853.

Ovviamente, il periodo delle oscillazioni elettromagnetiche dipende dall'induttanza della bobina L e dalla capacità del condensatore C. Abbiamo una bobina, la cui induttanza può essere aumentata utilizzando un nucleo di ferro, e un condensatore variabile. Ricordiamo innanzitutto come modificare la capacità di un tale condensatore. Lascia che ti ricordi che questo è materiale del corso di 10a elementare.

Un condensatore variabile è costituito da due serie di piastre metalliche. Quando si ruota la maniglia, le piastre di un set si inseriscono negli spazi tra le piastre dell'altro set. In questo caso, la capacità del condensatore cambia in proporzione alla variazione dell'area della parte sovrapposta delle piastre. Se le piastre sono collegate in parallelo, aumentando l'area delle piastre, aumenteremo la capacità di ciascun condensatore, il che significa che aumenterà la capacità dell'intero banco di condensatori. Quando i condensatori sono collegati in serie in una batteria, un aumento della capacità di ciascun condensatore comporta una diminuzione della capacità della batteria di condensatori.

Vediamo come il periodo delle oscillazioni elettromagnetiche dipende dalla capacità del condensatore C e dall'induttanza della bobina L.

Diapositiva 9. Animazione “Dipendenza del periodo delle oscillazioni elettromagnetiche da L e C”

Diapositiva 10. Confrontiamo ora le oscillazioni elettriche e le oscillazioni di un carico su una molla. Aprire la pagina 85 del libro di testo, Figura 4.5.

La figura mostra i grafici delle variazioni della carica q (t) del condensatore e dello spostamento x (t) del carico dalla posizione di equilibrio, nonché i grafici della corrente I (t) e della velocità del carico v(t) per un periodo T di oscillazioni.

Sulle vostre scrivanie c'è una tabella che abbiamo compilato studiando l'argomento “Vibrazioni meccaniche”. Appendice 2.

Hai completato una riga di questa tabella. Utilizzando la Figura 2, paragrafo 29 del libro di testo e la Figura 4.5 a pagina 85 del libro di testo, compila le restanti righe della tabella.

Come sono simili i processi delle vibrazioni elettriche libere e di quelle meccaniche? Guardiamo la seguente animazione.

Diapositiva 11. Animazione “Analogia tra vibrazioni elettriche e meccaniche”

I confronti ottenuti tra le oscillazioni libere di un carico su una molla e i processi in un circuito oscillatorio elettrico ci consentono di trarre una conclusione sull'analogia tra quantità elettriche e meccaniche.

Diapositiva 12. Queste analogie sono presentate nella tabella. Appendice 3.

La stessa tabella è disponibile sui vostri banchi e nel vostro libro di testo a pagina 86.

Quindi, abbiamo considerato la parte teorica. Ti era tutto chiaro? Forse qualcuno ha delle domande?

Ora passiamo alla risoluzione dei problemi.

IV. Minuto di educazione fisica.

V. Consolidamento del materiale studiato.

Risoluzione dei problemi:

problemi 1, 2, problemi della parte A n. 1, 6, 8 (orale);
problemi n. 957 (risposta 5,1 μH), n. 958 (la risposta diminuirà di 1,25 volte) (alla lavagna);
parte del compito B (orale);
compito n. 1 della parte C (alla lavagna).

I problemi sono tratti dalla raccolta di problemi per i gradi 10-11 di A.P. Rymkevich e appendici 10. Appendice 4.

VI. Riflessione.

Gli studenti compilano una scheda riflettente.

VII. Riassumendo la lezione.

Gli obiettivi della lezione sono stati raggiunti? Riassumendo la lezione. Valutazione degli studenti.

VIII. Assegnazione dei compiti.

Paragrafi 27 – 30, n. 959, 960, compiti rimanenti dell'appendice 10.

Letteratura:

Corso multimediale di fisica “Open Physics” versione 2.6 a cura del professore del MIPT S.M. Capra.
Libro dei problemi per le classi 10-11. AP Rymkevich, “Illuminismo” di Mosca, 2012.
Fisica. Libro di testo per l'undicesimo grado degli istituti di istruzione generale. G.Ya.Myakishev, B.B. Bukhovtsev, V.M. Charugin. “Illuminismo” di Mosca, 2011.
Supplemento elettronico al libro di testo di G.Ya. Myakishev, B.B. Bukhovtseva, V.M. Charugina. “Illuminismo” di Mosca, 2011.
Induzione elettromagnetica. Compiti qualitativi (logici). 11° grado, profilo fisico-matematico. CM. Novikov. Mosca “Chistye Prudy”, 2007. Biblioteca “Primo Settembre”. Serie “Fisica”. Numero 1 (13).
http://pitf.ftf.nstu.ru/resources/walter-fendt/osccirc

PS Qualora non fosse possibile dotare ogni studente di un computer, la prova potrà essere somministrata per iscritto.

Ci sono fluttuazioni

meccanica, elettromagnetica, chimica, termodinamica

e vari altri. Nonostante tale diversità, hanno tutti molto in comune.

Un campo magnetico

generato dalla corrente elettrica

la principale caratteristica fisica è l'induzione magnetica

Campo elettrico

genera con la carica

principale caratteristica fisica -

intensità di campo

si tratta di cambiamenti periodici o quasi periodici di responsabilità Q, forza attuale IO e tensione U .

Tipi di oscillatorio

sistemi

Matematico

pendolo

Primavera

pendolo

Tipi di oscillatorio

sistemi

Matematico

pendolo

Primavera

pendolo

Oscillatorio

Circuito

Schema di funzionamento dell'ammortizzatore

Rappresentazione schematica dei tipi di sistemi oscillatori

Pendolo matematico

Pendolo a molla

Questo è il sistema più semplice in cui possono verificarsi oscillazioni elettromagnetiche, costituito da un condensatore e una bobina collegata alle sue armature.

Secondo la natura dei processi che causano movimenti oscillatori

Tipi di oscillatorio

movimento

Disponibile

Costretto

Il sistema oscillante è lasciato a se stesso, grazie alla riserva di energia iniziale si verificano oscillazioni smorzate.

Le oscillazioni si verificano a causa di forze esterne che cambiano periodicamente.

Le oscillazioni libere sono oscillazioni in un sistema che si verificano dopo che è stato rimosso da uno stato di equilibrio.

Le oscillazioni forzate sono chiamate oscillazioni in un circuito sotto l'influenza di un campo elettromagnetico periodico esterno.

Per portare il sistema fuori equilibrio, è necessario conferire una carica aggiuntiva al condensatore.

Origine della forza elettromagnetica: gli elettroni che si muovono insieme ai conduttori del telaio vengono influenzati da una forza del campo magnetico, provocando un cambiamento nel flusso magnetico e, di conseguenza, nella fem indotta.