Apresentação “Circuito oscilante. Vibrações eletromagnéticas. O princípio da radiocomunicação e da televisão” apresentação para uma aula de física (9º ano) sobre o tema. Circuito oscilatório Apresentações sobre circuito oscilatório de física do 9º ano

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Legendas dos slides:

Circuito oscilatório. Vibrações eletromagnéticas. O princípio das comunicações de rádio e televisão Lição nº 51

Oscilações eletromagnéticas são mudanças periódicas ao longo do tempo nas grandezas elétricas e magnéticas (carga, corrente, tensão, tensão, indução magnética, etc.) em um circuito elétrico. Como se sabe, para criar uma onda eletromagnética poderosa que possa ser registrada por instrumentos a grandes distâncias da antena emissora, é necessário que a frequência da onda seja de pelo menos 0,1 MHz.

Uma das partes principais do gerador é o circuito oscilatório - este é um sistema oscilatório composto por uma bobina de indutância L conectada em série, um capacitor com capacitância C e um resistor com resistência R.

Depois de inventarem a jarra de Leyden (o primeiro capacitor) e aprenderem como transmitir-lhe uma grande carga usando uma máquina eletrostática, eles começaram a estudar a descarga elétrica da jarra. Ao fechar o revestimento de uma jarra de Leyden com uma bobina, eles descobriram que os raios de aço dentro da bobina estavam magnetizados. O estranho é que era impossível prever qual extremidade do núcleo da bobina seria o pólo norte e qual seria o pólo sul. Não foi imediatamente entendido que quando um capacitor é descarregado através de uma bobina, ocorrem oscilações no circuito elétrico.

O período de oscilações livres é igual ao período natural do sistema oscilatório, neste caso o período do circuito. A fórmula para determinar o período de oscilações eletromagnéticas livres foi obtida pelo físico inglês William Thomson em 1853.

O circuito do transmissor de Popov é bastante simples - é um circuito oscilatório, que consiste em uma indutância (o enrolamento secundário da bobina), uma bateria alimentada e uma capacitância (faísca). Se você pressionar a tecla, uma faísca salta no centelhador da bobina, causando oscilações eletromagnéticas na antena. A antena é um vibrador aberto e emite ondas eletromagnéticas que, ao atingirem a antena da estação receptora, excitam nela oscilações elétricas.

Para registrar as ondas recebidas, Alexander Stepanovich Popov utilizou um dispositivo especial - um coesor (da palavra latina “coerência” - coesão), composto por um tubo de vidro contendo limalha de metal. Em 24 de março de 1896, foram transmitidas as primeiras palavras em código Morse - “Heinrich Hertz”.

Embora os receptores de rádio modernos tenham muito pouca semelhança com o receptor de Popov, os princípios básicos de sua operação são os mesmos.

Principais conclusões: – Um circuito oscilatório é um sistema oscilatório composto por uma bobina, um capacitor e uma resistência ativa conectados em série. – Oscilações eletromagnéticas livres são oscilações que ocorrem em um circuito oscilatório ideal devido ao gasto de energia transmitida a este circuito, que não é posteriormente reposta. – O período de oscilações eletromagnéticas livres pode ser calculado usando a fórmula de Thomson. – Desta fórmula segue-se que o período do circuito oscilatório é determinado pelos parâmetros dos seus elementos constituintes: a indutância da bobina e a capacitância do condensador. – A comunicação por rádio é o processo de transmissão e recepção de informações por meio de ondas eletromagnéticas. – Modulação de amplitude é o processo de alteração da amplitude das oscilações de alta frequência com uma frequência igual à frequência do sinal sonoro. – O processo reverso de modulação é chamado de detecção.

“Oscilações livres” - Oscilações não amortecidas. Oscilações eletromagnéticas livres. Onde i e q são a intensidade da corrente e a carga elétrica em qualquer momento. De acordo com a lei da indução eletromagnética: A energia eletromagnética total do circuito oscilatório. O número de oscilações por unidade de tempo é chamado de frequência de oscilação: Energia total.

“Ressonância mecânica” - 1. Corrente da Ponte Egípcia em São Petersburgo. Ressonância em tecnologia. 3. Cidade do México 1985 Ponte Suspensa de Tacoma. Valor de ressonância positiva Medidor de frequência. 2. Instituição educacional estadual Ginásio nº 363 do distrito de Frunzensky. O medidor de frequência mecânico de palheta é um dispositivo para medir a frequência de vibração.

“Frequência de vibração” - Ondas sonoras. Vamos pensar???? O infra-som é usado em assuntos militares, pesca, etc. O som pode viajar em gases, líquidos e sólidos? O que determina o volume do som? De que depende o tom do som? Velocidade do som. Ultrassom. Neste caso, as vibrações da fonte sonora são óbvias.

“Vibrações mecânicas” - Transversais. Gráfico de um pêndulo de mola. Movimento oscilatório. Livre. Longitudinal. "Vibrações e Ondas." Harmônico. Vibrações livres. Ondas são a propagação de vibrações no espaço ao longo do tempo. Concluído por: aluna do 11º ano “A” Yulia Oleynikova. Vibrações forçadas. Ondas. Pêndulo matemático.

Para trás para a frente

Atenção! As visualizações de slides são apenas para fins informativos e podem não representar todos os recursos da apresentação. Se você estiver interessado neste trabalho, baixe a versão completa.

Lições objetivas:

educacional: introduzir os conceitos: “oscilações eletromagnéticas”, “circuito oscilatório”; mostrar a universalidade das leis básicas dos processos oscilatórios para oscilações de qualquer natureza física; mostre que as oscilações em um circuito ideal são harmônicas; revelar o significado físico das características das vibrações;
em desenvolvimento: desenvolvimento de interesses cognitivos, habilidades intelectuais e criativas no processo de aquisição de conhecimentos e habilidades em física utilizando diversas fontes de informação, incluindo modernas tecnologias de informação; desenvolver competências para avaliar a fiabilidade da informação das ciências naturais;
educacional: fomentar a confiança na possibilidade de conhecer as leis da natureza; utilizar as conquistas da física em benefício do desenvolvimento da civilização humana; a necessidade de cooperação no processo de execução conjunta de tarefas, prontidão para uma avaliação moral e ética do uso das conquistas científicas e um senso de responsabilidade pela proteção do meio ambiente.

Durante as aulas

I. Momento organizacional.

Na lição de hoje começamos a estudar um novo capítulo do livro didático e o tema da lição de hoje é “Oscilações eletromagnéticas. Circuito oscilatório.”

II. Verificando o dever de casa.

Vamos começar nossa lição verificando sua lição de casa.

Diapositivo 2. Teste de revisão da matéria e da disciplina do 10º ano.

Você foi solicitado a responder perguntas sobre o diagrama mostrado na figura.

1. Em que posição da chave SA2 a lâmpada neon piscará quando a chave SA1 for aberta?

2. Por que a lâmpada neon não pisca quando a chave SA1 está fechada, independentemente da posição da chave SA2?

O teste é realizado em um computador. Enquanto isso, um dos alunos está montando um diagrama.

Responder. A lâmpada neon pisca na segunda posição da chave SA2: após a chave SA1 ser aberta, devido ao fenômeno de autoindução, uma corrente diminuindo para zero flui na bobina, um campo magnético alternado é excitado ao redor da bobina, gerando um vórtice campo elétrico, que por um curto período mantém o movimento dos elétrons na bobina. Uma corrente de curto prazo fluirá ao longo da parte superior do circuito através do segundo diodo (ele está conectado na direção da vazão). Como resultado da autoindução na bobina, quando o circuito é aberto, aparecerá uma diferença de potencial em suas extremidades (fem de autoindução), suficiente para manter uma descarga de gás na lâmpada.

Quando a chave SA1 está fechada (a chave SA2 está na posição 1), a tensão da fonte DC não é suficiente para manter a descarga do gás na lâmpada, por isso ela não acende.

Vamos verificar se suas suposições estão corretas. O esquema proposto está montado. Vamos ver o que acontece com uma lâmpada neon quando a chave SA1 é fechada e aberta em diferentes posições da chave SA2.

(O teste é compilado no programa MyTest. A pontuação é atribuída pelo programa).

Arquivo para iniciar o programa MyTest (localizado na pasta com a apresentação)

Teste. (Execute o programa MyTest, abra o arquivo “Test”, pressione a tecla F5 para iniciar o teste)

III. Aprendendo novo material.

Deslize 3. Enunciado do problema: Vamos relembrar o que sabemos sobre vibrações mecânicas? (O conceito de oscilações livres e forçadas, auto-oscilações, ressonância, etc.) As oscilações livres podem ocorrer em circuitos elétricos, bem como em sistemas mecânicos, como uma carga sobre uma mola ou um pêndulo. Na lição de hoje começaremos a estudar tais sistemas. O tema da lição de hoje: “Oscilações eletromagnéticas. Circuito oscilatório.”

lições objetivas

Vamos apresentar os conceitos: “oscilações eletromagnéticas”, “circuito oscilatório”;
mostraremos a universalidade das leis básicas dos processos oscilatórios para oscilações de qualquer natureza física;
mostraremos que as oscilações num circuito ideal são harmônicas;
Vamos revelar o significado físico das características das vibrações.

Vamos primeiro lembrar quais propriedades um sistema deve ter para que ocorram oscilações livres nele.

(No sistema oscilatório, uma força restauradora deveria surgir e a energia deveria ser convertida de um tipo para outro; o atrito no sistema deveria ser bem pequeno.)

Em circuitos elétricos, bem como em sistemas mecânicos, como uma carga sobre uma mola ou um pêndulo, podem ocorrer vibrações livres.

Quais oscilações são chamadas de oscilações livres? (oscilações que ocorrem em um sistema depois que ele é removido de uma posição de equilíbrio) Quais oscilações são chamadas de oscilações forçadas? (oscilações que ocorrem sob a influência de CEM externos que mudam periodicamente)

Mudanças periódicas ou quase periódicas na carga, corrente e tensão são chamadas de oscilações eletromagnéticas.

Diapositivo 4. Depois de inventarem a jarra de Leyden e aprenderem como transmitir-lhe uma grande carga usando uma máquina eletrostática, eles começaram a estudar a descarga elétrica das jarras. Ao fechar o revestimento de uma jarra de Leyden usando uma bobina de arame, eles descobriram que os raios de aço dentro da bobina estavam magnetizados, mas era impossível prever qual extremidade do núcleo da bobina seria o pólo norte e qual extremidade seria o pólo sul. . Um papel significativo na teoria das oscilações eletromagnéticas foi desempenhado pelo cientista alemão do século XIX HELMHOLTZ Hermann Ludwig Ferdinand. Ele é considerado o primeiro médico entre os cientistas e o primeiro cientista entre os médicos. Estudou física, matemática, fisiologia, anatomia e psicologia, alcançando reconhecimento mundial em cada uma dessas áreas. Chamando a atenção para a natureza oscilatória da descarga do jarro de Leyden, em 1869 Helmholtz mostrou que oscilações semelhantes ocorrem em uma bobina de indução conectada a um capacitor (ou seja, em essência, ele criou um circuito oscilatório que consiste em indutância e capacitância). Esses experimentos desempenharam um papel importante no desenvolvimento da teoria do eletromagnetismo.

Diapositivo 4. Normalmente, as vibrações eletromagnéticas ocorrem em uma frequência muito alta, excedendo significativamente a frequência das vibrações mecânicas. Portanto, um osciloscópio eletrônico é muito conveniente para observá-los e estudá-los. (Demonstração do dispositivo. O princípio de seu funcionamento em animação.)

Diapositivo 4. Atualmente, os osciloscópios eletrônicos foram substituídos pelos digitais. Ele nos contará sobre os princípios de seu funcionamento...

Diapositivo 5. Animação “Osciloscópio”

Diapositivo 6. Mas voltemos às oscilações eletromagnéticas. O sistema elétrico mais simples capaz de oscilações livres é um circuito RLC em série. Um circuito oscilatório é um circuito elétrico que consiste em um capacitor conectado em série com capacidade elétrica C, uma bobina com indutância L e resistência elétrica R. Vamos chamá-lo de circuito RLC em série.

Experimento físico. Temos um circuito cujo diagrama é mostrado na Figura 1. Vamos conectar um galvanômetro à bobina. Vamos observar o comportamento da agulha do galvanômetro após mover a chave da posição 1 para a posição 2. Você percebe que a agulha começa a oscilar, mas essas oscilações logo desaparecem. Todos os circuitos reais contêm resistência elétrica R. Durante cada período de oscilação, parte da energia eletromagnética armazenada no circuito é convertida em calor Joule e as oscilações são amortecidas. Um gráfico de oscilações amortecidas é considerado.

Como ocorrem as oscilações livres em um circuito oscilatório?

Consideremos o caso em que a resistência R=0 (modelo de um circuito oscilatório ideal). Que processos ocorrem no circuito oscilatório?

Diapositivo 7. Animação “Circuito oscilante”.

Diapositivo 8. Passemos à teoria quantitativa dos processos em um circuito oscilatório.

Considere um circuito RLC serial. Quando a chave K está na posição 1, o capacitor é carregado com tensão . Após colocar a chave na posição 2, inicia-se o processo de descarga do capacitor através do resistor R e do indutor L. Sob certas condições, esse processo pode ter natureza oscilatória.

A lei de Ohm para um circuito RLC fechado que não contém uma fonte de corrente externa é escrita como

onde está a tensão no capacitor, q é a carga do capacitor, – corrente no circuito. No lado direito desta relação está a fem de autoindução da bobina. Se escolhermos a carga do capacitor q(t) como variável, então a equação que descreve as oscilações livres no circuito RLC pode ser reduzida à seguinte forma:

Consideremos o caso em que não há perdas de energia eletromagnética no circuito (R = 0). Vamos apresentar a notação: . Então

(*)

A equação (*) é a equação básica que descreve oscilações livres em um circuito LC (circuito oscilatório ideal) na ausência de amortecimento. Na aparência, coincide exatamente com a equação das oscilações livres de uma carga em uma mola ou rosca na ausência de forças de atrito.

Escrevemos esta equação ao estudar o tema “Vibrações mecânicas”.

Na ausência de amortecimento, as oscilações livres em um circuito elétrico são harmônicas, ou seja, ocorrem de acordo com a lei

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

Por que? (Uma vez que esta é a única função cuja segunda derivada é igual à própria função. Além disso, cos0 = 1, o que significa q(0) = q m)

A amplitude das oscilações de carga q m e a fase inicial 0 são determinadas pelas condições iniciais, ou seja, pela forma como o sistema foi desequilibrado. Em particular, para o processo de oscilação que se iniciará no circuito mostrado na Figura 1, após mudar a chave K para a posição 2, q m = C, 0 = 0.

Então a equação das oscilações harmônicas da carga do nosso circuito terá a forma

q(t) = q m cos 0 t .

A corrente também realiza oscilações harmônicas:

Diapositivo 9. Onde está a amplitude das flutuações atuais. As oscilações de corrente estão à frente das oscilações de carga em fase.

Com oscilações livres, ocorre uma conversão periódica da energia elétrica W e armazenada no capacitor na energia magnética W m da bobina e vice-versa. Se não houver perda de energia no circuito oscilatório, então a energia eletromagnética total do sistema permanece inalterada:

Diapositivo 9. Os parâmetros L e C do circuito oscilatório determinam apenas a frequência natural das oscilações livres

Considerando isso, obtemos.

Diapositivo 9. Fórmula chamou de fórmula de Thomson, o físico inglês William Thomson (Lord Kelvin), que a derivou em 1853.

Obviamente, o período de oscilações eletromagnéticas depende da indutância da bobina L e da capacitância do capacitor C. Temos uma bobina cuja indutância pode ser aumentada usando um núcleo de ferro e um capacitor variável. Vamos primeiro lembrar como você pode alterar a capacitância desse capacitor. Deixe-me lembrá-lo de que este é o material do curso do 10º ano.

Um capacitor variável consiste em dois conjuntos de placas metálicas. Quando a alça é girada, as placas de um conjunto cabem nos espaços entre as placas do outro conjunto. Neste caso, a capacitância do capacitor muda proporcionalmente à mudança na área da parte sobreposta das placas. Se as placas estiverem conectadas em paralelo, ao aumentar a área das placas aumentaremos a capacidade de cada capacitor, o que significa que a capacidade de todo o banco de capacitores aumentará. Quando os capacitores são conectados em série em uma bateria, um aumento na capacidade de cada capacitor acarreta uma diminuição na capacidade do banco de capacitores.

Vamos ver como o período das oscilações eletromagnéticas depende da capacitância do capacitor C e da indutância da bobina L.

Diapositivo 9. Animação “Dependência do período de oscilações eletromagnéticas em L e C”

Diapositivo 10. Vamos agora comparar as oscilações elétricas e as oscilações de uma carga em uma mola. Abra a página 85 do livro, Figura 4.5.

A figura mostra gráficos de mudanças na carga q (t) do capacitor e deslocamento x (t) da carga da posição de equilíbrio, bem como gráficos de corrente I (t) e velocidade de carga v(t) para um período T de oscilações.

Em suas mesas há uma tabela que preenchemos ao estudar o tema “Vibrações mecânicas”. Apêndice 2.

Você completou uma linha desta tabela. Usando a Figura 2, parágrafo 29 do livro e a Figura 4.5 na página 85 do livro, preencha as linhas restantes da tabela.

Como são semelhantes os processos de vibrações elétricas e mecânicas livres? Vamos assistir a seguinte animação.

Diapositivo 11. Animação “Analogia entre vibrações elétricas e mecânicas”

As comparações obtidas entre oscilações livres de uma carga sobre uma mola e processos em um circuito oscilatório elétrico permitem-nos tirar uma conclusão sobre a analogia entre grandezas elétricas e mecânicas.

Diapositivo 12. Essas analogias são apresentadas na tabela. Apêndice 3.

A mesma tabela está disponível em suas mesas e em seu livro na página 86.

Então, consideramos a parte teórica. Ficou tudo claro para você? Talvez alguém tenha dúvidas?

Agora vamos prosseguir para a resolução de problemas.

4. Minuto de educação física.

V. Consolidação do material estudado.

Solução de problemas:

problemas 1, 2, problemas da parte A nº 1, 6, 8 (oralmente);
problemas nº 957 (resposta 5,1 μH), nº 958 (a resposta diminuirá 1,25 vezes) (no quadro);
tarefa parte B (oralmente);
tarefa nº 1 da parte C (no quadro).

Os problemas foram retirados da coleção de problemas do 10º ao 11º ano de A.P. Rymkevich e apêndices 10. Apêndice 4.

VI. Reflexão.

Os alunos preenchem um cartão reflexivo.

VII. Resumindo a lição.

Os objetivos da aula foram alcançados? Resumindo a lição. Avaliação do aluno.

VIII. Trabalho de casa.

Parágrafos 27 a 30, nº 959, 960, tarefas restantes do Apêndice 10.

Literatura:

Curso de física multimídia “Open Physics” versão 2.6 editado pelo professor do MIPT S.M. Cabra.
Livro de problemas para as séries 10-11. AP Rymkevich, Moscou “Iluminismo”, 2012.
Física. Livro didático para o 11º ano das instituições de ensino geral. G.Ya.Myakishev, B.B. Bukhovtsev, V.M. Charugin. Moscou “Iluminismo”, 2011.
Suplemento eletrônico do livro de G.Ya.Myakishev, B.B. Bukhovtseva, V.M. Charugina. Moscou “Iluminismo”, 2011.
Indução eletromagnética. Tarefas qualitativas (lógicas). 11º ano, perfil de física e matemática. CM. Novikov. Moscou “Chistye Prudy”, 2007. Biblioteca “Primeiro de Setembro”. Série “Física”. Edição 1 (13).
http://pitf.ftf.nstu.ru/resources/walter-fendt/osccirc

P.S. Se não for possível fornecer um computador a cada aluno, o teste poderá ser aplicado por escrito.

Existem flutuações

mecânico, eletromagnético, químico, termodinâmico

e vários outros. Apesar dessa diversidade, todos eles têm muito em comum.

Um campo magnético

gerado por corrente elétrica

a principal característica física é a indução magnética

Campo elétrico

gera com eu carrego

principal característica física -

força do campo

estas são mudanças periódicas ou quase periódicas de carga q, força atual EU e tensão você .

Tipos de oscilatório

sistemas

Matemático

pêndulo

Primavera

pêndulo

Tipos de oscilatório

sistemas

Matemático

pêndulo

Primavera

pêndulo

Oscilatório

O circuito

Diagrama operacional do amortecedor

Representação esquemática de tipos de sistemas oscilatórios

Pêndulo matemático

Pêndulo de mola

Este é o sistema mais simples em que podem ocorrer oscilações eletromagnéticas, composto por um capacitor e uma bobina conectada às suas placas.

Pela natureza dos processos que causam movimentos oscilatórios

Tipos de oscilatório

movimento

Disponível

Forçado

O sistema oscilatório é deixado por conta própria, oscilações amortecidas ocorrem devido à reserva de energia inicial.

As oscilações ocorrem devido a forças externas que mudam periodicamente.

Oscilações livres são oscilações em um sistema que ocorrem depois que ele é removido de um estado de equilíbrio.

Oscilações forçadas são chamadas de oscilações em um circuito sob a influência de um EMF periódico externo.

Para desequilibrar o sistema, é necessário fornecer uma carga adicional ao capacitor.

Origem do EMF: os elétrons que se movem junto com os condutores da estrutura são influenciados por uma força do campo magnético, causando uma mudança no fluxo magnético e, consequentemente, na fem induzida.