Конспект лекций по УД Физика (1 курс, СПО, технический профиль ). Конспект лекций для студентов 1 курса всех форм обучения Специальность 19. 02. 10 Технология продукции общественного питания
 Скачать 4.41 Mb.
|
|
Вопросы для самоконтроля: 1. Какое движение называют колебательным? 2. Какие колебания называют гармоническими? 3. Какие колебания называют свободными? 4. Дайте определения периода, частоты и амплитуды колебательного движения? 5. По какому закону изменяется скорость, ускорение при свободных гармонических колебаниях? 6. Какие механические колебания называют свободными? 7. От чего зависит период колебания математического, пружинного маятника? 8. От чего зависит полная энергия колеблющегося тела? 9. Какие механические колебания называются затухающими? 10. От чего зависит амплитуда, период затухающих колебаний? 11. Какие механические колебания называют вынужденными? 12. От чего зависит амплитуда вынужденных колебаний? 13. Какое явление называют механическим резонансом? 14. Что такое волновой процесс? 15. Что называется поперечной волной? 16. Что называется продольной волной? 17. Назовите характеристики волны. Какова связь между ними? 18. Запишите уравнение гармонической волны Лекция № 20. Электромагнитные колебания и волны. Цель: познакомиться с условиями возникновения электромагнитных колебаний и волн, их характеристиками и видами. Основные понятия: Колебательный контур – электрическая цепь, состоящую из конденсатора и индуктивности, соединенных между собой. Вихревое электрическое поле – электрическое поле, порождаемое не электрическими зарядами (источниками), а меняющимися магнитными полями (вихрями). Ток смещения – ток, порождаемый переменным электрическим полем. 20.1. Свободные электромагнитные колебания Электромагнитными колебаниями называют периодические взаимосвязанные изменения зарядов, токов, напряженности электрического поля и индукции магнитного поля. Простейшей идеализированной колебательной системой в механике являются, например, математический или пружинный маятник. Как было показано, в этих системах возникают свободные гармонические колебания. При механических колебаниях происходит периодическое превращение энергии системы из кинетической в потенциальную. А  налогичные процессы протекают при возникновении электромагнитных колебаний в системе, называемой колебательным контуром. Колебательный контур представляет собой электрическую цепь, состоящую из конденсатора С и индуктивности L, соединенных между собой. Если сопротивление контура  , то такой колебательный контур называют идеальным. Рассмотрим возникновение свободных электромагнитных колебаний в идеальном колебательном контуре, пользуясь аналогией между механическими и электромагнитными явлениями. Чтобы возбудить колебания в контуре, необходимо: 1) либо сообщить конденсатору С некоторый заряд, в результате чего он будет обладать энергией  ; 2) либо возбудить в катушке индуктивности L ток, в результате чего она будет обладать энергией  .Сообщим конденсатору заряд. В начальный момент времени (t = 0) заряд на обкладках конденсатора равен  и ток в цепи отсутствует ( ). Между обкладками конденсатора появилось электрическое поле, энергия которого  ,где С – электроемкость конденсатора, U0 – максимальное напряжение между обкладками конденсатора. Такое состояние колебательного контура аналогично состоянию математического маятника, отклоненного от положения равновесия на малый угол (рис. а). З  амкнем конденсатор С на индуктивность L. Конденсатор начнет разряжаться, при этом в контуре возникает электрический ток, вследствие чего в катушке индуктивности появляется магнитное поле  . В идеальном контуре через четверть периода энергия электрического поля переходит в энергию магнитного поля: ,где L – индуктивность, I0 – максимальный ток, протекающий через катушку. Напряжение между обкладками конденсатора при этом равно нулю:  ,  . Такое состояние колебательного контура аналогично состоянию математического маятника при прохождении положения равновесия, т. е. когда потенциальная энергия системы полностью превращается в кинетическую энергию (рис. б).После этого магнитное поле должно быстро уменьшаться до нуля, так как нет токов, его поддерживающих. Изменяющееся магнитное поле вызывает ток самоиндукции в катушке индуктивности, который, согласно закону Ленца, поддерживает убывающий ток разрядки конденсатора. Таким образом, ток, продолжая течь в том же направлении, перезаряжает конденсатор. Когда закончится перезарядка конденсатора, ток в контуре будет равен нулю. Следовательно, через время, равное половине периода (  ), магнитное поле исчезнет, т.е. энергия магнитного поля полностью превратится в энергию электрического поля (рис. в). Это состояние колебательного контура аналогично состоянию математического маятника, отклоненного от положения равновесия на такой же малый угол, но уже в сторону, противоположную состоянию, показанному на рис. а.После этого конденсатор снова начинает разряжаться, в контуре возникает ток, но уже противоположного направления. Через время  конденсатор разрядится полностью, энергия электрического поля вновь превратится в энергию магнитного поля (рис. г). Через время  состояние контура станет таким же, как и в начальный момент времени (рис. д). Затем весь процесс повторяется.В контуре возникают колебания, при которых изменяются напряжение между обкладками конденсатора и сила тока. При этом происходит превращение энергии электрического поля в энергию магнитного поля и наоборот, т. е. возникают электромагнитные колебания. Если сопротивление контура равно нулю, то процесс превращения энергии электрического поля в энергию магнитного поля должен продолжаться бесконечно, возникают незатухающие электромагнитные колебания. Эти колебания называют собственными, или свободными, так как они происходят без воздействия внешней вынуждающей силы. Период незатухающих собственных колебаний, возникающих в колебательном контуре, определяется по формуле  , которую называют формулой Томсона. Циклическая, или круговая, частота собственных электромагнитных колебаний  .В идеальном колебательном контуре колебания заряда происходят по закону  , где Q0 – максимальный заряд на обкладках конденсатора, 0 – начальная фаза. Периодическое изменение заряда на обкладках конденсатора вызывает переменную разность потенциалов – переменное напряжение U и переменный электрический ток  , где  – амплитуда напряжения. Учитывая, что электрический ток характеризует скорость изменения заряда на обкладках конденсатора, можно записать  ,где  – амплитуда тока. Таким образом, по гармоническому закону изменяется не только заряд на обкладках конденсатора, но и напряжение и сила тока в контуре, т.е. возникают свободные электромагнитные колебания. Из выражений для Q, U и I вытекает, что колебания заряда (напряжения) и тока в контуре сдвинуты по фазе на /2. Следовательно, ток достигает максимального значения в те моменты времени, когда заряд (напряжение) на обкладках конденсатора равен нулю, и наоборот. |