МПК Магнитопорошковый метод. Удк 372. 8 53 16 ббк 74. 262. 22 С серия Классический курс основана в 2007 году
 Скачать 6.65 Mb.
|
|
Экспериментальное исследование электромагнитных колебаний. Решение задач Методические рекомендации В первой части урока углубляют представления об экспериментальном изучении колебаний. Теоретическое описание колебаний имеет ряд преимуществ по начальным условиям с помощью известных формул (закономерностей) можно рассчитать нужные параметры. Но обычно первичное изучение процесса, накопление сведений он м осуществляют с помощью эксперимента С помощью установки рис. 55; ДЭ-2, опыт 15) можно исследовать основные свойства колебаний в колебательном контуре. Установка даёт осциллограмму колебаний переменного тока за время в полпери- ода, теза с. Опыт 1. Передвинем влево ползунок реостата, те. выключим его сопротивление. На экране электронного осциллографа ЭО будет наблюдаться график изменения силы тока в контуре. Это график колебаний с уменьшением амплитуды. Вывод свободные электромагнитные колебания в контуре затухают. Строго говоря, затухающие колебания нельзя назвать гармоническими. Причина затухания свободных колебаний — существование активного сопротивления проводников, катушки. Часть энергии электромагнитного поля при каждом колебании превращается в тепловую. Опыт 2. Как будут изменяться колебания, если увеличить активное сопротивление колебательного контура Это делают с помощью реостата. (На экране осциллографа колебания затухают, при большом сопротивлении их нет.) Опыт 3. Какие изменения в колебательных процессах произойдут, если увеличить электроёмкость конденсатора? С помощью формулы Томсона можно теоретически предсказать один из результатов опыта — это увеличение периода колебаний. Нона осциллограмме и амплитуда колебаний увеличивается. Теоретически это можно объяснить так I m = q LC m , a q m = CU. В итоге получаем I m = C L U . При постоянных значениях и U амплитудное значение силы тока зависит от элек- троёмкости, что и подтверждает опыт. Опыт 4. Какие изменения в колебательных процессах происходят при изменении индуктивности катушки Как можно изменить индуктивность (В катушку помещают ферритовый стержень, обычный металлический стержень) Каким способом можно получить высокочастотные колебания (На эти вопросы во многих случаях можно проще и нагляднее получить ответ с помощью эксперимента, чем с помощью теории) Во второй части урока может быть организована самостоятельная работа на 15—20 мин). Самостоятельная работа Вариант I 1. Чем различаются электромагнитные колебания в одинаковых идеальных колебательных контурах, если конденсаторы были за- Рис. 55 ряжены от источников тока с разными ЭДС Ответ поясните графиком. Определите период электромагнитных колебаний в контуре с катушкой индуктивностью 2·10 –2 Гни конденсатором, выданным учителем. Вариант II 1. Чем могут различаться электромагнитные колебания в одинаковых колебательных контурах, нос разными активными сопротивлениями Ответ поясните графиками. Сколько колебаний произойдёт в колебательном контуре за время, равное 2 с, если ёмкость конденсатора равна 800 пФ, а индуктивность катушки равна 2 мкГн? Домашнее задание 20*; П, № 645, Урок 5*. Автоколебания. Генератор незатухающих колебаний Задачи урока рассмотреть новый вид колебательной системы автоколебательную систему изучить свойства автоколебаний изучить генератор незатухающих колебаний. План урока Этапы урока Время, мин Приёмы и методы Повторение изученного материала. Изучение нового материала понятие об автоколебательной системе, принцип работы клапана, устройство и принцип работы генератора на транзисторе Подведение итогов. Домашнее задание 25 Решение задач. Фронтальный опрос Рассказ учителя. Демонстрации. Работа с учебником. Записи в тетрадях. Беседа Повторение. Выделение главного Урок проводят и после изучения переменного тока (см. учебник, однако все три вида колебаний можно рассмотреть вместе. Повторяют домашние задачи, фронтально — основные представления об электромагнитных колебаниях и средствах их описания. Письменно один из школьников решает задач у. Сколько колебаний произойдёт в контуре за время, равное 2 с, если ёмкость конденсатора равна 4800 пФ, а индуктивность катушки равна 1 мкГн. Новый материал достаточно сложный и объёмный, поэтому следует точно выстроить логику его изучения. При первом прочтении дать материал кратко. В реальном колебательном контуре электромагнитные колебания всегда и достаточно быстро затухают. Во-первых, потому что всегда есть активное сопротивление и постоянно идёт превращение части энергии электромагнитного поля во внутреннюю энергию. А это безвозвратная потеря энергии. Во-вторых, обычно в колебательном контуре за время, равное 1 с, происходит много колебаний, и поэтому запасённая энергия быстро теряется. Нона практике важно иметь постоянные колебания. Как быть Так формулируется учебная проблема урока. Для получения длительных во времени колебаний колебательную систему расширяют, включая вне источник тока (источник энергии) и специальный клапан (рис. 4.27 учебника. Клапан нужен для того, чтобы быстро и вовремя сообщать энергию в колебательный контур. Внешнее управление для этого не годится например, не получится включать и выключать ключ. Используют внутреннее управление сам колебательный контур периодически включает и выключает клапан. Такой механизм управления называют положительной обратной связью. О роли положительной обратной связи в природе можно подготовить реферат. В качестве ключа используют так называемый генератор на транзисторе рис. 4.25, 4.26 учебника. Катушка св связи включена так, что в первую часть периода при возрастании тока в катушке L, а значит, ив катушке св на базе транзистора оказывается потенциал, отпирающий транзистор. При этом ток от батареи поддерживает ток в колебательном контуре, те. в контур сообщается энергия. Так продолжается полпериода колебаний. Во вторую часть периода транзистор заперт. (Схема цепи дана на рисунке 56.) Резисторы R1 и R2 специально подбирают. Колебания звуковой частоты можно регистрировать и с помощью гальванометра вцепи контура подробнее см ФЭ-2, с. Опыты ставят после рассмотрения принципиальной схемы генератора по учебнику (рисунок может быть дан на доске, для выявления в экспериментах свойств автоколебаний используется беседа. Примерные вопросы как доказать, что частота автоколебаний зависит от параметров колебательного контура Ответ. Рис. 56 Изменять индуктивность и ёмкость контура) Отчего зависит амплитуда колебаний Ответ. От активного сопротивления контура, от ЭДС источника тока, от эффективности обратной связи) Зависит ли она от источника энергии и от характера обратной связи Ответ. Да.) Выводы. Колебательная система, которая способна поддерживать свои колебания с постоянной амплитудой, называется автоколебательной системой. Можно выделить следующие основные свойства автоколебаний а) колебания существуют относительно долго, пока есть энергия в источнике тока б) частота автоколебаний равна частоте собственных колебаний контура в) амплитуда электромагнитных колебаний в контуре зависит от напряжения источника тока, активного сопротивления контура, вида обратной связи. Автоколебания в отличие от свободных колебаний являются вынужденными колебаниями. Вопросы для повторения чем отличаются автоколебания от свободных и вынужденных электромагнитных колебаний Какой элемент цепи (см. рис. 4.26 учебника) обеспечивает обратную связь Какой элемент цепи используется как клапан Что будет происходить, если катушку св снять с сердечника Теоретический ответ по схеме и опыт) Отчего зависят частота и амплитуда автоколебаний Является ли колебательный контур в автоколебательной системе замкнутой системой Сохраняется ли в нём энергия Предположите, что произойдёт с колебаниями, если ключ разомкнуть (см. рис. 56). (При обобщении знаний используется таблица Домашнее задание 25; упр. нас (Урок 6. Переменный электрический ток Задачи урока ввести понятие о новом явлении — переменном электрическом токе, изучить принцип получения переменного электрического тока, рассмотреть важнейшие характеристики переменного тока продолжить формирование познавательных мотивов и умения решать задачи. План урока Этапы урока Время, мин Приёмы и методы Изучение нового материала значение незатухающих колебаний, понятие о переменном токе, принцип работы генератора Повторение и закрепление изученного материала Домашнее задание 15—20 Рассказ учителя. Демонстрация. Работа с учебником. Записи в тетрадях. Беседа Решение задач. Беседа Запись на доске 80 81 I. Постановка учебной проблемы. При открытии и изучении физических явлений учёные исследуют возможности использования данного явления для нужд людей. В частности, уместен вопрос можно ли получить постоянные во времени электромагнитные колебания и использовать их Очевидно, что такие колебания не могут быть свободными. Последние всегда затухают. Какие это колебания и каких получить? Вынужденными электромагнитными колебаниями называют колебания силы тока и напряжения в электрической цепи под действием переменной ЭДС от внешнего источника тока. Такие колебания называют переменным электрическим током. Значит, переменный электрический ток может существовать в любых электрических системах, например на участке любого проводника или на лампочке. Рассмотрим некоторые характеристики переменного электрического тока осветительной сети амплитуда, период и частота колебаний, мгновенные и действующие значения тока и напряжения. (Учитель демонстрирует осциллограмму, сообщает значение частоты, отмечает квазистационарность электрического поля переменного тока.) Итак, для существования переменного тока на участке цепи обязательно надо иметь внешний источник переменной ЭДС. Таким источником является генератор переменного тока. (Далее на основе материала учебника рассматривают принцип работы и устройство генератора рисунок 4.9 учебника и формулы заносят в тетради. Решение задач остаётся важнейшим средством усвоения содержания материала, логики познания рассматриваемых явлений. Важен не только подбор задач, важны идея и последовательность их решения, дополнительные вопросы и др. Приведём примерз ада ч и. Напряжение переменного тока изменяется по закону u =140 sin 314 t. Определите частоту переменного тока, период и амплитудное значение напряжения. Можно ли предсказать, чему будет равно напряжение через время, равное 10 с. Домашнее задание § 21; П, № Урок 7. Электрический ток на участке цепи с резистором. Решение задач Задачи урока изучить особенности переменного электрического тока на участке цепи с резистором рассмотреть преобразования энергии на таком участке ввести понятия о действующем значении силы тока и напряжения выяснить применимость закона Ома для участка цепи переменного тока с резистором продолжить формирование умений выделять и описывать переменный ток План урока Этапы урока Время, мин Приёмы и методы Повторение теоретического материала Изучение нового материала Повторение и отработка изученного материала Домашнее задание 15—20 15—20 Рассказ ученика у доски. Ответы на вопросы Работа с учебником. Записи в тетрадях. Консультация Решение экспериментальных задач. Беседа Запись на доске. Повторение изученного материала. Учитель ставит учебную проблему урока, называет форму работы — самостоятельная работа с учебником, обращает внимание школьников на структурные элементы текста параграфа учебника (с. 88—90), конкретизирует задачи деятельности (выделение характеристик переменного тока на участке с резистором, в частности мгновенных и действующих значений напряжения и силы тока на этом участке. Вначале следует фронтальное повторение (проговаривание) рассмотренного материала по вопросам что такое активное сопротивление Что на участке цепи создаёт внешнее напряжение и = U m cos wt? Ответ. Электрическое поле, которое изменяется по такому же закону) Одинаковы ли фазы колебаний, графики которых изображены на рисунке 4.11 учебника Какую работу совершает переменный электрический ток на резисторе за период Как определяют действующее значение силы тока Для чего это нужно Какие величины регистрируют амперметр и вольтметр переменного тока? Для отработки изученного материала решают задачи. На демонстрационном столе собрана электрическая цепь из реостата на 100 Ом, амперметра на 5 А, вольтметра на 50 В, источника переменного тока на 42 В, ключа. Определите амплитудные значения силы тока и напряжения на реостате. Определите потребляемую энергию за время, равное 1 с. Запишите уравнения силы тока и напряжения на резисторе. На демонстрационном столе собрана установка из звукового генератора (выход 5 Ом, лампочки накаливания на 3,5 В на подставке, ключа. Определите, зависит ли мощность, выделяемая на резисторе, от частоты переменного тока. Напряжение зажигания неоновой лампочки 100 В. При каком действующем напряжении вцепи переменного тока она будет гореть. Домашнее задание § 21; упр. нас (ЕГЭ); индивидуально П, № 656, 657. Урок 8*. Переменный электрический ток на участке цепи с конденсатором. Урок можно построить по аналогии с предыдущим. Учебная проблема урока формулируется так эксперимент убедительно доказывает, что лампочка вцепи переменного тока с конденсатором горит, а вцепи постоянного тока нет (демонстрируется известный опыт. Как это теоретически объяснить (Учитель организует самостоятельную работу с учебником. При отработке знаний сначала фронтально обсуждают вопросы как изменяется за период заряд на конденсаторе рис. 4.15 учебника Какое поле создаёт в электрической цепи источник тока напряжением и = U m cos wt? Изменяется ли оно стечением времени Меняется ли сдвиг фаз между током и напряжением стечением времени (с увеличением частоты подаваемого напряжения В одинаковой ли фазе происходят колебания силы тока и напряжения на участке цепи с конденсатором Как определяют ёмкостное сопротивление Зависит ли оно от частоты Если да, то как? З ада ч и для коллективного решения. Как с помощью установки (рис. 57) экспериментально доказать, что ёмкостное сопротивление зависит от частоты электрического тока и ёмкости участка цепи Теоретически предскажите результаты следующих опытов а) как будет гореть лампочка при увеличении ёмкости; б) как будет гореть лампочка при увеличении частоты колебаний. Рассчитайте ёмкост- ное сопротивление конденсатора при двух разных значениях Си. Определите сопротивление конденсатора вцепи переменного тока с частотой 50 Гц, если его ёмкость равна 4 мкФ. П, № Дополнительно. Желательно аналогично случаю с резистором определить, как изменяется мощность на участке цепи с конденсатором. Для этого получим формулу для мгновенной мощности = iu = I m U m cos wt cos wt + p 2 ( ) = – I U m m 2 sin2 График этой функции изображён на рисунке 58. Для сравнения приведён график силы тока. Колебания мощности происхо- Рис. Рис. 58 84 дят по гармоническому закону, нос частотой, в два раза большей, чем частота колебаний силы тока. График расположен симметрично относительно оси времени, поэтому первую половину периода участок цепи с конденсатором поглощает энергию, а вторую половину отдаёт энергию внешней цепи. В среднем за период энергия не расходуется сколько поступает, столько же и уходит. Домашнее задание § 22*, 24* (1, 2); упр. нас индивидуально — П, № Урок 9*. Решение задач (резерв учителя) Урок 10*. Электрический ток на участке цепи с катушкой индуктивности Задачи урока изучить явление переменного электрического тока вцепи с катушкой продолжить формирование умений выделять и описывать физические явления, выражать свои мысли в устной и письменной речи. План урока Этапы урока Время, мин Приёмы и методы Повторение ёмкость вцепи переменного тока, явление электромагнитной индукции Изучение нового материала. Повторение и отработка изученного материала Подведение итогов. Домашнее задание 25—30 Фронтальный опрос Рассказ учителя. Демонстрация. Работа с учебником. Записи в тетрадях. Беседа. Решение задач Выделение главного. Повторение. Приведём план организации изучения нового материала. Учитель формулирует учебную проблему урока что происходит с переменным электрическим током на участке электрической цепи с катушкой индуктивности. Для простоты рассмотрения предполагается, что активное сопротивление отсутствует. На участок подаётся переменное напряжение ирис учебника. На основе известных знаний дадим теоретическое обоснование происходящего процесса. Итак, в катушке возникает переменное электрическое поле и проходит переменный электрический ток, который создаёт около катушки переменное магнитное поле. Последнее (по закону электромагнитной индукции) создаёт в катушке индуцированное электрическое поле. Оно (по правилу Ленца) всегда препятствует изменению силы тока вцепи. В учебнике зафиксировано, что при условии равенства нулю активного сопротивления внешнее электрическое поле должно компенсироваться индуцированным электрическим полем в каждый момент времени (с. 93 учебника. Почему Потому что в противном случае даже небольшое напряжение U по закону Ома приводило бык большим значениям силы тока I. Значит, и е. Далее предлагаем несколько иную, чем в учебнике, логику рассмотрения содержания. Если и = U m cos wt, а е =–Li, то cos wt = По какому же закону изменяется сила тока i на участке цепи с катушкой индуктивности Для ответа на вопрос надо решить полученное уравнение. Предположим, что сила тока изменяется по закону i = I m sin wt. Возьмём от этого выражения производную и подставим в уравнение. Получим U m cos wt = LI m w cos wt, отсюда В итоге при таком значении амплитуды силы тока мы верно определили уравнение колебаний силы тока вцепи с катушкой индуктивности. При сравнении выражений I m = U L m w и получаем R = Приводят определение индуктивного сопротивления. Углубление знаний организуется при решении задач. Определите сдвиг фаз между током и напряжением на участке цепи с катушкой индуктивности. Постройте графики. Как и почему изменяется накал лампочки при изменении частоты переменного тока (рис. 59)? Что и почему происходит с накалом лампочки привнесении в катушку сердечника Выскажите гипотезу может ли при изменении частоты переменного тока накал лампочки изменяться даже при отсутствии катушки Подсказка. При больших значениях частоты тока у лампочки накаливания проявляется индуктивное сопротивление 3. Задача П, № Дополнительно. Исследуем, как изменяется мощность вцепи электрического тока с катушкой индуктивности. Для этого получим формулу для мгновенной мощности = и = I m U m cos wt sin wt = I U m m 2 sin 2 На рисунке (выполняется на доске) показываем график мощности. Впервой половине периода энергия положительная, те. она поступает в цепь от внешнего источника тока. Во вто- Рис. 59 рой половине периода энергия отрицательная, те. цепь отдаёт энергию, запасённую в форме энергии магнитного поля катушки. В среднем за период мощность (и энергия) равна нулю. Катушка индуктивности не потребляет электрической энергии, ив этом состоит особенность индуктивного сопротивления. При подведении итогов повторяют вопросы почему колебания напряжения на участке индуктивного сопротивления опережают по фазе колебания силы тока В чём сходство и различия переменного тока на участках с ёмкостью и индуктивностью Отчего зависит индуктивное сопротивление Есть ли индуктивное сопротивление у проводника Можно ли при известной частоте тока по показаниям амперметра и вольтметра определить индуктивность катушки? Домашнее задание § 22*; упр. нас (ЕГЭ); упр. нас (Урок 11. Переменный электрический ток на реальном участке цепи. Резонанс Задачи урока ввести понятие о реальном участке цепи сформировать представление о резонансе, изучить средства его описания продолжить формирование познавательных мотивов, умения решать задачи. План урока Этапы урока Время, мин Приёмы и методы. Повторение домашнего задания. Актуализация знаний. Изучение нового материала. Совершенствование знаний. Домашнее задание 20—25 10—13 Решение задач. Работа с таблицей. Фронтальное повторение Рассказ учителя. Демонстрация опыта. Записи на доске ив тетрадях. Беседа Решение качественных и экспериментальных задач Запись на доске. У доски решают задачу, подобную домашней. Фронтально повторяют вопросы что такое индуктивное сопротивление Одинаковая ли фаза колебаний силы тока и напряжения на участке с катушкой индуктивности Как это изобразить графически Один из школьников выполняет рисунок на доске) Чему равна напряжённость электрического поля в катушке Почему Как изменяются сила тока и напряжение на катушке Почему свободные механические колебания затухают Вспомним, при каких условиях происходит явление резонанса при вынужденных колебаниях математического маятника. (Учитель демонстрирует опыт) Как выдумаете, что играет роль внешней силы при переменном электрическом токе на участке цепи. При рассмотрении новой темы учитывают последовательность изложения материала в учебнике, логику системного подхода при изучении явлений система — участок цепи с активным, индуктивными ёмкостным сопротивлениями явление резонанс характеристики явления — резонансная частота, резонансная амплитуда силы тока, зависимость силы тока от частоты и активного сопротивления теоретический и экспериментальный методы изучения явления. Ранее речь шла о переменном электрическом токе на участке цепи с одним из возможных сопротивлений. В действительности участок цепи, по которому идёт переменный электрический ток, обладает свойствами активного, индуктивного и ёмкостного сопротивлений, правда, в разной степени. В каких-то случаях тем или иным сопротивлением можно пренебречь — в зависимости от решаемой задачи. На реальном участке цепи, тес активным, индуктивными ёмкостным сопротивлениями, могут происходить новые физические явления. Одно из важных резонанс. Описывают переменный электрический ток на таком участке цепи (рис. 60). Схему цепи изображают надо- ске ив тетрадях) Участок цепи представляет собой последовательное соединение трёх элементов стремя видами сопротивлений. Отношения между физическими величинами для такого участка цепи значительно сложнее, поэтому стоит рассмотреть главные результаты. После определения резонанса экспериментально демонстрируют само явление (см. рис. 60). Вопросы для организации беседы на каком участке цепи мы исследуем поведение переменного электрического тока Как регистрируется изменение силы тока Ответ. Лампочка обладает активным сопротивлением, её накал определяется выделяемой энергией в единицу времени P = I 2 R; увеличивается накал лампочки, значит, сила тока возрастает) Какие условия (факторы) мы меняем при проведении опыта Ответ. Частоту внешнего переменного напряжения от звукового генератора) Зависит ли сила тока на рассматриваемом участке цепи от частоты Если зависит, то как Ответ. Сначала возрастает, а затем убывает. Напряжение, подаваемое внешним генератором, в любой момент времени равно сумме напряжений на участках цепи U = U R + U L + U C . Сила тока по закону последовательного соединения одинакова на всех участках i = I m cos ( wt + j). На разных участках цепи между силой тока и напряжением есть свой сдвиг фаз, так как напряжение на каждом участке своё. Рис. 60 Общее сопротивление цепи = R R R L C 2 2 + – где R L = Lw, Важно подчеркнуть, что для такой цепи переменного тока неприменимо простое суммирование сопротивлений. Для максимальных (и действующих) значений выполняется закон Ома в следующей форме: I m = U Z m . Отсюда и условие, при котором наступает резонанс сила тока максимальна при минимальном значении полного сопротивления участка цепи, те. когда R L = R C . Это происходит, если частота внешнего напряжения w= 1 LC . А это, по определению, как раз собственная частота колебательного контура. При резонансе цепь фактически состоит только из активного сопротивления, тенет сдвига фаз между силой тока и напряжением, хотя дои после резонанса этот сдвиг фаз есть. Зависит ли возрастание силы тока при резонансе от значения активного сопротивления Из уравнения видно, что зависит. Как экспериментально подтвердить это заключение Демонстрируют опыт при условии резонанса увеличивают активное сопротивление — см. рис. 60.) Параллельно, опираясь на материал учебника (рис. 4.20), изображают график. Вопросы для обсуждения при каком условии сила тока при резонансе будет максимальной Какое значение силы тока в идеальном случае предсказывает теория Наблюдается ли это на практике Очевидно, в реальных цепях переменного тока резонанс может быть опасен. Обычно частота внешних колебаний напряжения не изменяется, но зато часто меняются параметры цепи L и С. При этом неожиданно может возникнуть условие резонанса. Резкое возрастание силы тока может сжечь электронные схемы приборов. Применение явления резонанса в радиосвязи описано в учебнике. Дополнительно. Наконец необходимо выяснить, что происходит с энергией на участке цепи при условии резонанса. Во- первых, в цепях переменного тока не вся поступающая извне энергия может потребляться. Часть её может возвращаться генератору. Во-вторых, потребление энергии зависит от характера нагрузки. Например, на активном сопротивлении потребляется вся поступающая энергия. Для расчёта среднего значения мощности было получено выражение Р = IU cos j, где j — угол сдвига фаз между силой тока и напряжением. Значение cos j показывает, какая часть поступающей в цепь электрической энергии преобразуется в другие виды. Эту величину называют коэффициентом использования мощности. В электротехнике существует целое направление поиска средств повышения cos j для конкретных электрических цепей. Например, увеличение cos j от 0,2 до 0,8 равносильно повышению использования мощности в четыре раза Как можно повысить коэффициент мощности Раз j — угол сдвига фаз между током и напряжением, то нужно сделать его как можно меньше. Это достигается подбором (сочетанием) индуктивного и ёмкост- ного сопротивлений. В частности, в электрической цепи параллельно участку с катушкой индуктивности подключают конденсатор. Подбор конденсатора для сложных участков цепи может быть сложной технической задачей. Далее коллективно решают задачи. Как и почему изменяется накал лампочки при поочерёдном замыкании катушки индуктивности/конденсатора (см. рис. 60)? 2. Учебник, пример решения задачи № 6 нас. П, № 666. IV. Домашнее задание 23; упр. нас (ЕГЭ); индивидуально П, № 665, Урок 12*. Решение задач. Самостоятельная работа Приведём вопросы и задания, которые можно использовать на уроке для коллективной и индивидуальной работы. Обобщить знания о переменном токе можно с помощью таблицы 15. Вопросы для обобщения какова природа всех взаимосвязанных изменений силы тока и напряжения Ответ. Переменное электрическое поле) Какие законы выполняются для участка цепи переменного тока Как создать условия для существования явления резонанса на участке цепи Почему переменный электрический ток относят к вынужденным электромагнитным колебаниям Можно ли считать затухающие электромагнитные колебания в контуре переменным током В результате какого внешнего действия на участке цепи, например с резистором, существует переменный электрический ток Можно ли считать переменным током электрические колебания, которые происходят не по гармоническому закону Охарактеризуйте переменный электрический ток, который мы используем дома уравнения напряжения и силы тока, период, фаза колебаний, амплитудные значения. Опишите устройство, принцип действия амперметра и вольтметра электромагнитной системы. Действующее, мгновенное или амплитудное значение силы тока показывает амперметр Можно лис помощью амперметра и вольтметра определить сопротивление данного резистора и потребляемую им мощность Если да, то как. Для обнаружения напряжения на участке цепи в быту часто используют пробник. Изучите устройство и принцип действия этого прибора. Можно ли в нём использовать неоновую лампочку, напряжение зажигания которой 300 В. Поданным на конденсаторе (он выдаётся) рассчитайте его сопротивление при включении в цепь бытовой осветительной сети. Изменяется ли сопротивление конденсатора стечением времени, или это постоянная величина. Пример решения качественной задач и. Как и почему изменяется накал лампочек при увеличении частоты переменного тока (рис. Анализ физического явления. Наблюдаемое физическое явление — переменный электрический ток на участке цепи с конденсатором, на участке цепи с катушкой индуктивности. Лампочки выполняют роль индикаторов. Ток непросто переменный, его частота увеличивается. Как это можно сделать в школьных условиях Можно использовать звуковой генератор в качестве источника переменного напряжения, оборудование подготовлено заранее.) Изучаемые участки цепи соединены параллельно, напряжение на них подаётся одинаковое. Накал лампочки при её неизменном сопротивлении зависит от силы тока. Значит, надо рассмотреть, как меняется сила тока на каждом из участков цепи. Р е ш е ни е. Сначала рассмотрим, как изменяется сопротивление на каждом участке цепи. Так как R L = Lw и R С = 1 C w , сопротивление на участке АВ уменьшается, а на участке CD растёт. При одинаковом напряжении сила тока на первом участке возрастает, на втором уменьшается. Лампочка Л горит ярче, а лампочка Л — слабее. Вопросы для обсуждения при анализе решения как изменится накал лампочки в основной цепи Можно ли подобрать частоту напряжения так, чтобы все три лампочки горели одинаково. Типичные расчётные задачи. Напряжение вцепи переменного тока изменяется по закону и =140 sin 314t. Определите действующее значение напряжения и частоту колебаний силы тока. Напряжение на участке цепи переменного тока изменяется поза- кону u =210 sin 314t. Определите, какое количество теплоты выделится в электрической плитке сопротивлением 450 Ом зач работы. Домашнее задание § 24* (5); П, № 663, Рис. 61 Урок 13. Получение переменного электрического тока Задачи урока повторить принцип получения переменного электрического тока изучить устройство современного генератора сформировать представления о получении электроэнергии. План урока Этапы урока Время, мин Приёмы и методы. Повторение домашнего задания. Актуализация знаний. Изучение нового материала. Совершенствование знаний. Домашнее задание 20—25 10—13 Контроль работы. Фронтальное повторение Рассказ учителя. Работа с учебником. Беседа Решение задач Запись на доске. Повторяют решение задачи достаточно подробно принцип получения переменного электрического тока. Материал имеет качественный характер, возможны довольно существенные различия в содержании рассказа учителя. Мотивация. Трудно представить существование современной цивилизации без электроэнергии. Если в нашей квартире отключается свет хотя бы на несколько минут, то мы уже испытываем многочисленные неудобства. А что произойдёт при отключении электроэнергии на несколько часов Вот почему так важно представлять физические основы получения, передачи и использования переменного электрического тока. Ведь именно переменный электрический ток — основной источник электроэнергии. Энергия в форме энергии переменного электрического тока удобна и с высоким КПД вырабатывается, передаётся и распределяется между потребителями. Затем превращается в другие формы энергии — механическую, тепловую и др. Устройство и принцип действия генератора рассматривают на основе материала учебника, желательно продемонстрировать модель, использовать таблицу, другие иллюстрации. Один из выводов технически современный генератор переменного тока — сложное инженерное устройство. Желательно ориентироваться в наиболее важных характеристиках современных генераторов переменного тока. В таблице 16 приведены данные мощного турбогенератора. Таблица Характеристика (параметр) Значение параметра. Масса. Мощность. Напряжение на выходе. КПД. Скорость вращения ротора. Коэффициент мощности cos j 600 т МВт кВ об/мин 0,9 В мощных турбогенераторах охлаждение осуществляется с помощью водорода, удельная теплоёмкость которого враз больше теплоёмкости воздуха. Охлаждённый газ специально прокачивают через зазоры. У гидрогенераторов масса ротора доходит дот При этом для обеспечения постоянной и точной частоты выходного напряжения ротор должен вращаться с постоянной скоростью. В настоящее время существует множество генераторов с самыми разными параметрами. Решают задачу, подобную задаче П, № 654. Итоги урока подводят во фронтальной беседе по вопросам почему основную часть электроэнергии получают с помощью индукционных генераторов переменного тока Как принцип действия генератора воплощается в его устройстве Какие проблемы производства электроэнергии характерны для нашей страны сейчас. Домашнее задание § 26* (я часть П, № Урок 14. Передача переменного электрического тока Трансформатор Задачи урока повторить явление электромагнитной индукции изучить принцип действия, устройство и применение трансформатора раскрыть социальную значимость физических знаний. План урока Этапы урока Время, мин Приёмы и методы. Повторение домашнего задания. Изучение нового материала. Совершенствование знаний. Домашнее задание 20—25 Работа с таблицей. Фронтальное повторение Рассказ учителя. Демонстрация опыта. Записи на доске ив тетрадях. Беседа Решение задач. Фронтальное повторение материала с использованием таблицы (см. с. 88). II. Генератор электрического тока не может накапливать электроэнергию — она должна сразу же передаваться потребителям. Как это осуществляется на практике — учебная проблема урока. На рисунке 4.32 учебника приведена схема передачи электроэнергии от генератора к потребителям. Почему между генератором и потребителем электроэнергии находится ещё одно устройство — трансформатор Дело в том, что генераторы большой мощности — 800—1000 МВт — производят токи сравнительно небольшого напряжения — 10—20 кВ, а значит, большой силы тока — до 500 000 А. Такие токи при их передаче по проводам, согласно закону Джоуля—Ленца P = I 2 R, будут сильно нагревать проводник, при этом, естественно, потери электроэнергии будут огромными. Получим формулу для расчёта потерь электроэнергии при передаче её по проводнику длиной l и площадью поперечного сечения S. Из формулы для мощности переменного тока выразим силу тока = P Ucos и подставим в выражение P = Получим = 2 2 2 2 r j P l SU При больших, в несколько сот километров, длинах линий передачи большой мощности потери могут быть громадными. Вот почему возникает необходимость в повышении напряжения, увеличении сечения проводников (но тут свои ограничения, повышении коэффициента мощности. Далее рассматривают устройство и работу трансформатора. При этом сочетают рассказ учителя, работу с учебником, эксперимент, беседу. Установка для демонстрации принципа действия трансформатора традиционная (рис. 62). Опыты проводят после изучения а) режима холостого хода (ключ разомкнут б) при наличии нагрузки. Вопросы для организации беседы почему сердечник трансформатора собирают из отдельных листов железа Почему сердечник называют магнитопроводом Можно ли сердечник сделать из меди Каковы основные характеристики трансформатора Почему так важно знать мощность трансформатора Одинаковы ли показания вольтметров в режиме холостого хода трансформатора Отчего зависит ЭДС индукции, которая возникает в каждой обмотке Будет ли работать трансформатор, если одну из катушек снять с сердечника Какие изменения в первичной и вторичной цепях происходят при замыкании ключа Как и почему изменяются показания приборов при возрастании нагрузки. Решают типичные задачи. Первичная обмотка трансформатора имеет 800 витков. Сколько витков имеет вторичная обмотка, если напряжение понижается от 220 до 6 В. Понижающий трансформатор с коэффициентом трансформации 10 включён в сеть напряжением 220 В. Определите напряжение на Рис. 62 выходе трансформатора, если сопротивление нагрузки 10 Ома сопротивление вторичной катушки 1 Ом 3. Задачи П, № Домашнее задание § 26*, 27*, 28* (1); упр. нас индивидуально — П, № Урок 15*. Использование переменного электрического тока. Решение задач В начале урока (не более 10 мин) следует краткое рассмотрение нового материала, при этом главное внимание уделяется схеме преобразования энергии (рис. 4.30, 4.31 учебника. Эффективнее всего, работая с учебником, эту схему конкретизировать и занести в тетради. Например, уточняется, что потери при передаче электроэнергии достигают 3—5%, а КПД потребителей колеблется в больших пределах — 10—90%. Важно обратить внимание школьников на то, что механизм передачи энергии по проводам заключается в существовании и распространении электромагнитного поля. Вот почему даже на громадные расстояния электроэнергия передаётся практически мгновенно. Вопросы для организации беседы почему существует проблема передачи электроэнергии на большие расстояния Почему в энергосистеме необходимо использовать целую систему трансформаторов разной мощности и разного напряжения Почему стремятся строить единые системы электроснабжения территорий Каковы особенности электроэнергии Возможно ли создание единой энергосистемы из генераторов, которые производят переменный электрический ток разной частоты Почему не получают и не используют переменный электрический ток частотой, скажем, 5 Гц Почему для современных энергосистем так важен трансформатор Каков принцип его действия Каковы основные характеристики трансформатора Есть ли у вас дома трансформаторы напряжения? Вторая часть урока отводится на самостоятельную работу. Ниже для выбора предлагаем вопросы и задачи. Вопросы: изменится ли накал лампочки, соединённой вцепи переменного тока последовательно с конденсатором, если закоротить конденсатор Как поведёт себя трансформатор, если ошибочно вместо переменного к нему подключили постоянный электрический ток? З ада ч и 1. Определите частоту собственных электромагнитных колебаний контура, если индуктивность катушки 1 мГн, а ёмкость конденсатора нФ. 2. Сила тока в первичной обмотке трансформатора равна 0,2 А, а напряжение равно 220 В. Чему равны напряжение и сила тока во вторичной обмотке, если коэффициент трансформации равен 0,1? 96 3. Дайте определение автоколебаний, с помощью блок-схемы покажите преобразования энергии в такой колебательной системе и изобразите график колебаний силы тока в этой системе. Резонанс в колебательном контуре наступает при частоте внешних колебаний 10 МГц. Определите индуктивность катушки, если электроёмкость конденсатора равна 50 пФ. Трансформатор повышает напряжение от 220 до 660 В. Сколько витков содержит вторичная обмотка, если в первичной 840 витков В какой из обмоток и почему использован провод большего сечения. Изобразите график колебаний напряжения на конденсаторе в закрытом колебательном контуре. Почему реально электромагнитные колебания в закрытом колебательном контуре затухают? Домашнее задание § 28* (3, 4); упр. нас индивидуально П, № 672, 673. Индивидуально построить график суточного потребления электроэнергии в квартире (где живёт сам ученик определить, какое количество электроэнергии в течение года может оказаться неучтённым, если погрешность квартирного электросчётчика Урок 16*. Конференция Успехи и проблемы электроэнергетики» При планировании конференции на неё переносится часть материала предыдущих уроков. Для теоретического изучения вопросов, подготовки рефератов и выступления можно предложить следующие темы. Характеристики первичных источников электрической энергии (ветряные, солнечные, термальные, приливные, тепловые и др. Современные электрогенераторы технические решения физических идей, параметры, тенденции совершенствования. Современные системы передачи электроэнергии неравномерность нагрузки и приёмы её сглаживания, обслуживание сетей, аккумуляторные станции и др построение схемы распределения электрической мощности в вашем районе. Схема распределения электроэнергии в современной квартире. Экологические проблемы современной энергетики. Для итогового контроля изучения темы лучше всего организовать зачёт, на котором, кроме устного собеседования, выполняется тест. |