Методическая разработка открытого урока по физике "Переменный ток на реальном участке цепи. Электрический резонанс"

Разделы: Физика

Цели урока:

  1. Ввести понятие о реальном участке цепи.
  2. Изучить основные особенности переменного электрического тока в цепи, состоящей из последовательно соединённых резистора, конденсатора и катушки индуктивности.
  3. Раскрыть физическую сущность процессов, происходящих при электрическом резонансе, и изучить средства его описания.
  4. Расширить политехнический кругозор учащихся сведениями о прикладном значении электрического резонанса.

Тип урока: урок изучения нового материала и первичного закрепления.

Демонстрации: явление электрического резонанса.

Учебно-методическое обеспечение: видеопрезентации учебного материала № 1, 2.

Технические средства обучения:

  • функциональный генератор ФГ-100;
  • осциллограф С1-83;
  • макет колебательного контура;
  • компьютер;
  • мультимедийный проектор;
  • экран.

ХОД УРОКА

I. Введение: создание мотивации.

Учитель:

“Закройте глаза, освободите уши, напрягите слух, и от нежнейшего дуновения до самого дикого шума, от простейшего звука до высочайшей гармонии, от самого мощного страстного крика до самых кротких слов разума – всё это речь природы, которая обнаруживает своё бытиё, свою силу, свою жизнь…

Она даёт дивное зрелище; видит ли она сама, мы не знаем, но она его даёт для нас, а мы, незамеченные, смотрим из-за угла… Каждому является она в особенном виде. Она скрывается под тысячей имён и названий, и всё равно одна и та же. Она ввела меня в жизнь, она и уведёт. Я доверяю ей. Пусть она делает со мной, что хочет…”. Иоганн Вольфганг Гёте

Физика – наука о природе, приоткрывшая завесу и разгадавшая больше загадок мироздания, чем любая другая наука. Мы – дети природы и должны уметь с ней разговаривать, понимать и беречь её.

Кроме того, мы должны не только пользоваться всем тем, что дарит нам природа, любоваться ею, но стараться постичь её и увидеть то, что скрыто от нас за внешними образами явлений. А это можно лишь с помощью замечательной науки – физики.

Только физика позволяет заметить, что в “явлениях природы есть формы и ритмы, недоступные глазу созерцателя, но открытые глазу аналитика. Эти формы и ритмы мы называем физическими законами” (Р.Фейнман).

II. Повторение ранее изученного материала.

Учитель:

На прошедших уроках мы детально изучили процессы, которые происходят на участке цепи с одним из возможных сопротивлений.

Сегодня на занятии мы должны с Вами изучить основные особенности переменного электрического тока на реальном участке цепи и раскрыть физическую сущность процессов, происходящих при электрическом резонансе.

Итак, давайте вспомним.

Фронтальный опрос

  1. Что называют электромагнитными колебаниями?
  2. Какие электромагнитные колебания называют вынужденными?
  3. Дайте определение переменного электрического тока.
  4. Что представляет собой цепь переменного тока с активным сопротивлением?
  5. Назовите основные особенности переменного электрического тока на участке цепи с активным сопротивлением.
  6. Дайте определение действующего значения силы переменного тока.
  7. Что представляет собой цепь переменного тока с емкостным сопротивлением?
  8. По каким законам меняются мгновенные значения напряжения и силы тока в такой цепи и чему равен сдвиг фаз между ними?
  9. От каких величин зависит реактивное емкостное сопротивление?
  10. Как записывается закон Ома для амплитудных и действующих значений силы тока и напряжения?
  11. Что представляет собой цепь переменного тока с индуктивным сопротивлением?
  12. Назовите основные особенности переменного электрического тока на участке цепи с емкостным сопротивлением.

Вам предлагается ещё раз вспомнить ранее изученный материал и посмотреть его видеопрезентацию.

<Приложение. Видеопрезентация 1>

III. Изучение нового материала.

В рабочих тетрадях записываем дату, вид работы, тему урока и рассматриваемые вопросы.

Рассматриваемые вопросы:

  • Закон Ома для электрической цепи переменного тока.
  • Резонанс в цепи переменного тока.
  • Применение и учёт резонанса в технике.

Учитель:

В действительности участок цепи, по которому протекает переменный электрический ток, обладает свойствами активного, емкостного и индуктивного сопротивлений, правда, в разной степени. В каких-то случаях тем или иным сопротивлением можно пренебречь – в зависимости от решаемой задачи.

Рассмотрим процессы, происходящие на реальном участке цепи, представляющем собой последовательное соединение резистора, конденсатора и катушки индуктивности.

<Рисунок 1>

Отношения между физическими величинами для такого участка значительно сложнее, поэтому обратимся к главным результатам.

Опишем прохождение переменного электрического тока на таком участке цепи.

Напряжение, подаваемое внешним генератором, в любой момент времени равно сумме падений напряжений на различных участках цепи:

Пусть напряжение в цепи изменяется по гармоническому закону:

Так как напряжение на каждом участке своё, то на разных участках цепи между колебаниями силы тока и напряжения имеется свой сдвиг фаз. Поэтому сила тока в цепи будет изменяться по закону:

Амплитуда приложенного напряжения определяется на векторной диаграмме как геометрическая сумма амплитуд падений напряжений на активном сопротивлении, катушке индуктивности и конденсаторе.

    <Рисунок 2>

    Из прямоугольного треугольника на чертеже имеем:

Тогда:

Полное электрическое сопротивление цепи переменному току:

Величина

называется реактивным сопротивлением или реактансом.

Закон Ома для цепи переменного тока запишется в виде:

Формулировка закона Ома для цепи переменного тока:

Амплитуда силы переменного тока прямо пропорциональна амплитуде напряжения и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.

Закон Ома для действующих значений силы тока и напряжения:

Сдвиг фаз между колебаниями силы тока и напряжения можно определить из векторной диаграммы:

На реальном участке цепи происходят новые физические явления. Одно из важных – электрический резонанс.

Явление электрического резонанса впервые было описано выдающимся английским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом в 1868 году.

Из формулы (7) следует условие, при котором наступает электрический резонанс: сила тока максимальна при минимальном значении полного сопротивления цепи, т.е. когда:

img7.jpg (1895 bytes)

При этом:

  • цепь обладает только активным сопротивлением;
  • (UL)рез. = (UC)рез. (по модулю), но противоположны по фазе.

Выводы:

Из (10) следует, что электрический резонанс происходит, когда частота вынуждающего напряжения равна собственной частоте электрической цепи:

Амплитуда установившихся колебаний силы тока при резонансе определяется:

При электрическом резонансе цепь фактически обладает только активным сопротивлением, т.е. нет сдвига фаз между силой тока и напряжением, хотя до и после резонанса этот сдвиг фаз есть.

Проанализируем формулу (12):

  • при R —> 0 (Imax)рез. —> (чем меньше активное сопротивление R, тем более острый максимум имеет резонансная кривая);
  • при R —> говорить о резонансе не имеет смысла.

<Рисунок 3>

Таким образом: резонанс в электрической цепи переменного тока – явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока в колебательном контуре при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с частотой свободных незатухающих колебаний в контуре.

Давайте посмотрим, каким образом на практике можно получить явление резонанса напряжений в электрической цепи переменного тока при последовательном соединении её элементов.

Демонстрационный эксперимент.

На вход реального колебательного контура подаём с функционального генератора переменное синусоидальное напряжение, частоту которого можно менять. К выходу колебательного контура подключаем осциллограф, преобразующий электрический сигнал в видимое изображение. Как будет реагировать колебательный контур на изменение частоты вынуждающего сигнала?

Изменяем частоту входного сигнала в сторону увеличения. Наблюдаем: увеличение амплитуды колебаний выходного сигнала на экране осциллографа.

При дальнейшем увеличении частоты входного сигнала наблюдается уменьшение амплитуды выходного сигнала. Момент, когда амплитуда колебаний выходного сигнала была максимальной, соответствует явлению электрического резонанса напряжений.

Изучим на практике, как реагирует колебательный контур на изменение ёмкости конденсатора и индуктивности катушки, т.е. как изменяется резонансная частота.

Увеличим ёмкость конденсатора. Наблюдаем: резонансная частота уменьшилась.

Увеличим индуктивность катушки. Наблюдаем: резонансная частота уменьшилась.

Подтвердим на практике, что: (UL)рез. = (UC)рез.

Для этого достаточно сравнить амплитуды выходного сигнала, снимаемого с конденсатора и катушки индуктивности.

Явление электрического резонанса широко используется при осуществлении радиосвязи в схемах настройки радиоприёмников (для выделения сигнала требуемой частоты), усилителей, генераторов высокочастотных колебаний. На явлении резонанса основана работа многих измерительных приборов. Например, резонансный волномер используется для измерения частоты и является основной частью генераторов стандартных сигналов.

Нужно помнить, что явление электрического резонанса необходимо учитывать при расчёте изоляции электрических цепей.

Вредное влияние резонанса проявляется в тех случаях, когда в цепи, не рассчитанной на работу в условиях резонанса, возникают чрезмерно большие токи или напряжения.

Резкие возрастания тока могут привести к нарушению изоляции витков катушки индуктивности, а большие напряжения – к пробою конденсаторов.

IV. Закрепление изученного материала.

Вопросы для закрепления

  1. Что было изучено сегодня на уроке?
  2. Как бы Вы сформулировали тему сегодняшнего урока?
  3. Какие новые понятия на уроке были введены?
  4. Что представляет собой реальный участок цепи?
  5. Какие новые формулы и законы изучили?
  6. С каким новым физическим явлением Вы познакомились?
  7. Дайте определение электрического резонанса.

Вашему вниманию представляются основные особенности переменного электрического тока в последовательной электрической цепи. Посмотрим на экран.

<Приложение. Видеопрезентация 2>

V. Подведение итогов урока.

Учитель:

Мы заканчиваем наш урок. Проследим логику изучения нами учебного материала.

С чего мы начали?

  1. Повторили ранее изученный материал.
  2. Выделили основные теоретические положения новой темы.
  3. Подтвердили эти положения демонстрационным экспериментом.
  4. Нашли практическое применение явления электрического резонанса.
  5. Систематизировали и закрепили полученные знания.

Рефлексия
(Карточки с вопросами находятся на столе у каждого учащегося).

  1. Что интересного запомнилось Вам на уроке?
  2. Что оказалось для Вас полезным?
  3. Что представляло наибольшую трудность?
  4. Как Вы оцениваете полученные сегодня знания (глубокие, осознанные; предстоит осознать; неосознанные)?

Несколько учеников зачитывают свои ответы. Учитель подводит итоги урока, объявляются отметки учащимся.

VI. Домашнее задание.

  • §35. Учебник “Физика-11”. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б.
  • № 981, 982, 983. Физика. Задачник 10-11 кл. Рымкевич А.П.

Заключительное слово учителя:

Наш урок мы завершим изречениями древнекитайского философа, последователя Конфуция – Сюнь-цзы:

“Не поднявшись на высокую гору, не узнаешь высоты неба. Не взглянув в глубокое ущелье в горах, не узнаешь толщины земли. Не услышав заветов предков, не узнаешь величия учёности”.

“В учении нельзя останавливаться”.

И действительно, сколько ещё непознанного и неразгаданного вокруг нас. Какое поле деятельности для умелых рук, пытливого ума, смелой и любознательной натуры! А “великий океан истины” всё также расстилается перед нами неразгаданным до конца, загадочным, волшебным и манящим.

Я благодарю всех за урок. До свидания.

Литература

  1. Мякишев Г.Я. Физика: учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев. – М.: Просвещение, 2005, с. 102-105.
  2. Глазунов А.Т., Кабардин О.Ф., Малинин А.Н. и др.; Под ред. Пинского А.А., Кабардина О.Ф. Физика: Учеб. для 11 кл. с углубл. изучением физики. – М.: Просвещение, 2005, с. 32-34, 39-41.
  3. Диск “Открытая физика”, версия 2,5, часть 2. Под редакцией профессора МФТИ Козела С.М. ООО “Физикон”, 2002.
  4. Сост. Кондрашов А.П., Комарова И.И. Великие мысли великих людей. – М.: РИПОЛ классик, 2007, с. 48.