Автоколебательная система автоколебательный генератор незатухающих электромагнитных колебаний

Автоколебания. Генератор незатухающих колебаний
план-конспект урока по физике (11 класс) на тему

Мамеева-Шварцман Ирина Михайловна

Репетиторы Учи.Дома помогут подготовиться к ЕГЭ. Приходите на бесплатный пробный урок, на котором репетиторы определят ваш уровень подготовки и составят индивидуальный план обучения.

Бесплатно, онлайн, 40 минут

Предварительный просмотр:

Автоколебания. Генератор незатухающих колебаний.

Учитель физики: Мамеева-Шварцман Ирина Михайловна

2012-2013 учебный год

§ 36. Автоколебания. Генератор незатухающих колебаний

Колебания и волны

4. Электромагнитные колебания

  1. сформировать понятие автоколебаний; рассмотреть принцип действия генератора незатухающих колебаний на транзисторе, генераторов низких и высоких частот;
  2. исследовать зависимость вида осциллограммы колебаний от их частоты и амплитуды;
  3. продолжить формирование знаний по физическим основам получения переменного тока.
  1. развивать практические умения учащихся: умение анализировать, обобщать, выделять главную мысль из рассказа учителя и делать выводы;
  2. развивать умение применять полученные знания в новых условиях.
  1. расширить мировоззрение учащихся об истории исследования по проблемам вынужденных колебаний, вкладе ученых в становление теории автоколебаний;
  2. отрабатывать навыки учебного труда по составлению опорного конспекта (схемы) материала.

изучение и первичное закрепление новых знаний

Формы работы на уроке

Эвристическая беседа, составление опорного конспекта (схемы), мини-исследование, фронтальная работа, работа в группах, индивидуальный опрос (рефлексия, тестирование)

— учебник "Физика-11" (Мякишев, Буховцев), рабочие тетради, 2 листа ватмана, маркеры, бланки с тестом и рефлексией;

— компьютер, проектор, экран, виртуальный звуковой генератор, виртуальный осциллограф;

— флеш-рисунки «Генератор на транзисторе», «Диапазоны звуковых частот»

— OMS-модули «Генератор низкой (звуковой) частоты», «Генератор высокой частоты»

Зависимость осциллограммы электромагнитных колебаний звуковой частоты от частоты и амплитуды колебаний

Установление готовности класса к уроку.

Перед ребятами изображения (или реальные предметы) математического маятника и маятниковых часов; гитары и скрипки; воспроизведение звука стука мела о доску и звука от соприкосновения пенопласта со стеклом (или любые другие примеры, демонстрирующие затухающие и незатухающие колебания).

— Ребята, что объединяет все эти примеры. Вспомним, что свободные колебания в реальном колебательном контуре всегда затухающие. Но зачастую просто необходимо сделать их незатухающими. Давайте с вами постараемся найти пути к решению этой проблемы. Что же нужно для того, чтобы во время колебательного процесса энергия не терялась.

— Итак, нам требуется такое устройство, с помощью которого компенсировались бы потери энергии при каждом полном колебании в контуре для того, чтобы они были незатухающими. Как это можно сделать. (Работа в парах с последующим обсуждением всех предложенных вариантов).

— То есть, существуют такие колебания, которые поддерживаются автоматически – автоколебания. Но их надо как-то получать. Необходимо иметь источник, с помощью которого пополнялась бы энергия колебательной системы. Как называется прибор, который что-то создаёт? Является источником чего-либо. Генератор! Да вы просто генераторы идей!

— Давайте же теперь сформулируем с вами тему нашего сегодняшнего занятия…

— Но прежде чем приступить к изучению генератора автоколебаний, проведём подготовительную «разминку для ума»!

Вопросы учащимся (выбирают вопросы случайным образом из «чёрного ящика»)

1.Какие вещества называют полупроводниками?

2. Что такое транзистор?

3. Из каких основных элементов он состоит?

4. Назовите основные носители базы, эмиттера, коллектора.

5. Действие транзистора. Условное изображение на схеме.

6. Колебания. Виды колебаний.

7.Почему колебания затухают с течением времени?

Изучение нового материала

— Накануне первой мировой войны Россия в научном отношении значительно отставала от передовых капиталистических стран. В частности, в России не было радиотехнической промышленности. Всё оборудование для радиосвязи приходилось ввозить из-за границы, а после революции этот источник был практически закрыт. В этих условиях советские ученые Крылов, Мандельштам, Папалекси, Андронов провели столь глубокие исследования по проблемам вынужденных колебаний, что намного опередили своих западных коллег, так что мировой научный центр по этим проблемам переместился в СССР.

При свободных колебаниях энергия системы уменьшается. В связи с этим стали широко применяться автоколебания — незатухающие колебания, поддерживаемые в системе за счет постоянного внешнего источника энергии, причем сама система управляет им, обеспечивая согласованность поступления энергии определенными порциями в нужный момент времени. Частота и амплитуда автоколебаний определяются свойствами самой системы и не зависят от внешнего воздействия. Например, под стальной гирей, висящей на пружине, располагается электромагнит. Если будут попеременно включать и выключать ток, то гиря начнет совершать вынужденные колебания. Попробуйте-ка объяснить, что будет происходить дальше.

— А теперь постарайтесь привести примеры автоколебаний…

  1. незатухающие колебания маятника часов за счёт постоянного действия тяжести заводной гири;
  2. колебания скрипичной струны под воздействием равномерно движущегося смычка;
  3. колебание воздушного столба в трубе органа, при равномерной подаче воздуха в неё;
  4. вращательные колебания латунной часовой шестерёнки со стальной осью, подвешенной к магниту и закрученной
  5. образование турбулентных потоков на перекатах и порогах рек;
  6. голоса людей, животных и птиц образуются благодаря автоколебаниям, возникающим при прохождении воздуха через голосовые связки.

— Наиболее распространённой механической автоколебательной системой являются маятниковые часы. В 1657 году голландский физик Христиан Гюйгенс предложил использовать изохронность колебаний маятника для создания равномерного движения стрелки на часах. Устройство, предложенное Гюйгенсом, в его главных чертах сохранилось до настоящего времени: маятник, поднятый груз, анкер и ходовое колесо. Обратите внимание, что, в основном, маятник движется свободно, получая за период два толчка. Колебания возникают и поддерживаются самой колебательной системой, то есть являются автоколебаниями. Для многих автоколебательных систем характерны основные элементы: собственно колебательная система, источник энергии, «клапан» (регулирует поступление энергии в колебательную систему).

— Используя метод аналогий, перейдём от механической автоколебательной системы к электромагнитной автоколебательной системе, которая генерирует электромагнитные колебания. Что можно использовать в качестве источника энергии (источник тока), клапана (транзистор), колебательной системы в электрической цепи (автогенератор). Как можно осуществить обратную связь между клапаном и колебательной системой. (работа с учебником)

Принцип работы генератора на транзисторе ( флеш-рисунок «Генератор на транзисторе» )

— В момент подключения источника постоянного тока через коллекторную цепь транзистора проходит ток, заряжающий конденсатор колебательного контура. В контуре возникнут свободные электромагнитные колебания. Так как катушка колебательного контура индуктивно связана с катушкой обратной связи, то ее изменяющееся магнитное поле вызовет в катушке обратной связи переменную ЭДС такой же частоты, как и колебания в контуре. Эта ЭДС, будучи приложена к участку база – эмиттер, вызовет пульсацию тока в цепи коллектора. Так как частота этих пульсаций равна частоте электромагнитных колебаний в контуре, то они подзаряжают конденсатор контура и тем самым поддерживают постоянной амплитуду колебаний в контуре.

Наблюдение изменения формы осциллограммы от частоты и амплитуды колебаний

— Предлагаю вам совершить небольшое исследование электромагнитных колебаний звуковой частоты. Что нам для этого понадобиться. Звуковой генератор и осциллограф! Но не простые, а… виртуальные! Поэтому нужна ещё пара компьютеров для ваших мини-лабораторий.

— Делимся на 2 группы для изучения зависимости формы колебаний от их 1) частоты и 2) амплитуды.

— А так как мы будем работать со звуковым генератором, то напомните мне, пожалуйста, диапазон слышимых звуковых частот. ( флеш-рисунок «Диапазоны звуковых частот» )

1 группа будет работать в акустическом (слышимом) диапазоне звуковых частот.

Для 2 группы ограничений в диапазоне амплитуд нет.

Результаты наблюдений зависимости формы колебаний от их частоты:

Результаты наблюдений зависимости формы колебаний от их частоты:

— Ребята, посмотрите, какая у нас получилась необычная картинная галерея! Теперь звуком могут наслаждаться не только наши органы слуха, но и зрения! И не будут казаться странными следующие слова: «Ты ещё не видел новую мелодию? Смотри, какая красивая!»

Мы в нашем мини-исследовании применили звуковой генератор. Что нам известно про него. Какие ещё бывают генераторы.

Усвоение нового материала

Генераторы низкой (звуковой) и высокой частоты

( OMS-модули «Генератор низкой (звуковой) частоты» и «Генератор высокой частоты» )

Класс снова делится на 2 группы, которые одновременно работают с двумя модулями.

После просмотра всего материала и выполнения заданий каждая группа на листе ватмана составляет схему-опору (для сравнения работы двух генераторов на следующем уроке).

опорный конспект урока, § 36;

+ сообщение-доклад по теме;

+ творческая работа – «Я вижу звук»

— Заполните, пожалуйста, бланк «выходного» билета, полное заполнение которого даст вам возможность покинуть кабинет сразу после звонка с урока:

Тебе нравится физика?

Интересна ли для тебя тема урока?

Что нового ты узнал?

Где могут пригодиться тебе полученные знания?

Что у тебя сегодня получалось хорошо?

С какими проблемами ты столкнулся?

Что тебе не понравилось на уроке?

Ты доволен своей работой на уроке?

Оцени себя (1, 2, 3, 4, 5)

Пожелания и предложения

Если позволяет время, то учащиеся выполняют тест (в противном случае, его можно применить на следующем уроке на этапе актуализации знаний):

Фамилия, имя, класс ___________________________ Дата ________

  1. К автоколебаниям относятся…1. Колебания маятника в часах. 2. Колебания груза на пружине. 3. Биение сердца. 4. Колебания в генераторе высокой частоты. 5. Колебания струны гитары.

А. Только 1; 4. Б. Только 1; 3; 4. В. Только 1; 4.

  1. От каких элементов зависит частота электромагнитных колебаний высокочастотного генератора?

А. Только от емкости конденсатора. Б. От напряжения батареи, емкости конденсатора и индуктивности катушки. В. Только от емкости конденсатора и индуктивности катушки.

  1. Каково назначение катушки связи?

А. Устанавливает обратную связь между колебательным контуром и источником тока. Б. Устанавливает обратную связь между транзистором и источником тока. В. Устанавливает обратную связь между колебательным контуром и транзистором.

  1. Каково назначение транзистора в генераторе высокой частоты?

А. Регулирует частоту в колебательном контуре. Б. Регулирует поступление энергии от источника тока в колебательном контуре. В. Вырабатывает энергию.

  1. Амплитуда установившихся колебаний:

А. Зависит только от начальных условий. Б. Не зависит от параметров автоколебательной системы. В. Не зависит от начальных условий и определяется параметрами автоколебательной системы.

Автоколебательная система автоколебательный генератор незатухающих электромагнитных колебаний

2-й семестр

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

4. Электромагнитные колебания и волны

УРОК 9/51

Тема. Генератор незатухаючих электромагнитных колебаний

Цель урока: ознакомить учащихся с одним из способов образования незатухаючих электромагнитных колебаний.

Тип урока: комбинированный урок.

1. Принцип действия трансформатора.

2. Холостой ход трансформатора.

3. Работа трансформатора под нагрузкой .

Незатухающие электромагнитные колебания в генераторе на транзисторе .

Изучение нового материала

1. Незатухающие колебания.

2. Автоколебательные системы.

3. Генератор на транзисторе .

Закрепление изученного материала

1. Качественные вопросы.

2. Учимся решать задачи .

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Реальный колебательный контур оказывает определенное сопротивление электрическому току. Поэтому часть переданной энергии контура непрерывно превращается во внутреннюю энергию проводов, рассеивается в окружающем пространстве. Чем больше сопротивление контура, тем быстрее затухают колебания. Если сопротивление контура очень большой, колебания вообще могут и не возникнуть — конденсатор разрядится, а перезарядки не произойдет.

Читайте также  Авр для генератора с автозапуском датаком

Чтобы колебания не затухали, необходимо пополнять энергию контура, заряжая конденсатор от источника постоянного тока. Но если источник будет все время подключен к конденсатору, то конденсатор только будет обмениваться энергией с источником. Чтобы этого не происходило, контур может быть подключен к источнику только в те моменты, когда обкладка конденсатора, подключена к положительному полюсу источника тока, заряжена положительно. Во время колебаний знак заряда на обкладках периодически меняется, значит, ключ должен замыкать и размыкать круг с частотой, равной частоте электромагнитных колебаний контура, то есть несколько миллионов в секунду. Запирать с такой частотой механический ключ нельзя, поэтому в радиотехнике используют транзистор.

Очевидно, что для заполнения уменьшение энергии в колебательной системе необходимо иметь источник, с помощью которого пополнялась бы ее энергия. При этом важно выполнить два условия:

1) энергия, поступающая от источника в колебательную систему за период, должно точно равняться энергии, что за это время необратимо преобразуется в другие виды энергии;

2) энергия должна поступать в колебательную систему в такт, т.е. согласованно по фазе со свободными колебаниями, которые происходят в системе.

Ø Системы, в которых генерируются незатухающие колебания за счет поступления энергии от источника внутри системы, называются автоколивальними.

Ø Незатухающие колебания, существующие в системе без воздействия на нее внешних периодических сил, называются автоколебаниями.

Любая автоколивальна система состоит из четырех элементов:

1) источники энергии, за счет которого поддерживаются незатухающие колебания в генераторе на транзисторе это источник постоянного напряжения);

2) клапана — устройства, регулирующего поступление энергии от источника в колебательную систему (в генераторе роль клапана играет транзистор);

3) колебательной системы, то есть той части автоколивальної системы, в которой непосредственно происходят колебания в генераторе на транзисторе это колебательный контур);

4) устройства, что обеспечивает обратную связь, с помощью которого колебательная система управляет клапаном (в генераторе на транзисторе это индуктивная связь катушки контура с катушкой в цепи эмиттер — база).

3. Генератор на транзисторе

Рассмотрим одну из самых распространенных автоколебательных систем — генератор на транзисторе.

Источником энергии является источник тока, а колебательной системой — колебательный контур. Устройство, регулирующее поступление энергии от источника в колебательную систему, в генераторе есть транзистор.

А кто же управляет работой самого транзистора? Откуда транзистор «может знать», когда нужно замыкать или размыкать круг? Лучший вариант, если работой транзистора будут управлять колебания в контуре, тогда энергия от источника тока будет поступать в контур, когда это нужно. Иначе говоря, необходимо обеспечить обратную связь в системе. Такой обратную связь можно сделать, например, индуктивным: если между эмиттером и базой транзистора включить катушку L 3 B , на которую будет действовать магнитное поле катушки контура, то напряжение между эмиттером и базой будет меняться в такт с колебаниями в контуре. Поэтому транзистор «откроет» круг в течение определенной части периода колебаний.

Существует много типов электрических автоколебательных систем. Без них нельзя даже представить системы связи, радиолокация, компьютеры и др.

image375

1 — источники постоянного тока;

3 — колебательный контур;

4 — катушка, что обеспечивает обратную связь

1. Опишите свойства p — n -перехода в полупроводниках.

2. Какую роль в генераторе незатухаючих электромагнитных колебаний играет транзистор?

3. Приведите примеры автоколебательных систем.

1. Как устроен транзистор?

2. В чем заключается отличие автоколебаний от вынужденных колебаний и от свободных?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1. От чего зависит частота колебаний, возникающих в генераторе на транзисторе? амплитуда этих колебаний?

2. Чему равна частота электромагнитных колебаний, происходящих в генераторе?

2 ) . Учимся решать задачи

Емкость конденсатора колебательного контура 0,01 мкФ. Конденсатор зарядили до напряжения 40 В и соединили с катушкой индуктивности. В контуре возникли затухающие колебания. Какое количество теплоты выделилось за время полного затухания колебаний?

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

• Системы, в которых генерируются незатухающие колебания за счет поступления энергии от источника внутри системы, называются автоколивальними.

• Незатухающие колебания, существующие в системе без воздействия на нее внешних периодических сил, называются автоколебаниями.

• Любая автоколивальна система состоит из четырех элементов: 1) источника энергии; 2) клапана; 3) колебательной системы; 4) устройства, что обеспечивает обратную связь.

Генератор незатухающих колебаний

Особое внимание в 11-ом классе уделяю изучению принципа работы генератора незатухающих колебаний. Предлагаю его тогда, когда изучены: Колебательный контур; Переменный электрический ток; Генерирование электрической энергии; Трансформатор; Производство передача и использование электроэнергии.

Это даёт возможность изучать генератор:

  1. После того как ученики накопили все знания о колебаниях вообще и об электромагнитных колебаниях в частности.
  2. Через 2 урока после того, как мы изучим генератор незатухающих колебаний, мы изучаем тему: Электромагнитные волны. На этом уроке, когда рассмотрим опыты Герца, открытый колебательный контур, естественно звучит вопрос: Какое устройство нужно использовать, чтобы незатухающие электромагнитные волны излучать в пространство. Обязательно найдутся ученики, которые предложат недавно изученный генератор незатухающих колебаний.

Тогда на экране появится схема генератора:

и вопрос: что нужно к нему добавить, чтобы излучать электромагнитные волны в пространство? Ответ: открытый колебательный контур. Добавим:

и объясняем принцип действия радиотелеграфа.

На уроке: Принцип радиосвязи, ставим проблему: В какую часть генератора надо ввести токи звуковой частоты, чтобы они изменили амплитуду колебаний тока. Обязательно найдутся ученики, которые сообразят, что включить моделирующее устройство надо в анодную цепь.

Генератор незатухающих колебаний.

План урока:

Повторение пройденного материала. Фронтально. Основная цель опроса: закрепление пройденного материала и подготовка к изучению нового материал.

  1. Какие колебания называются свободными? Вынужденными?
  2. Назовите устройства, с помощью которых можно получить свободные и вынужденные электромагнитные колебания.
  3. От чего зависит частота свободных и вынужденных электромагнитных колебаний.
  4. Где применяются вынужденные электромагнитные колебания.
  5. Что такое трансформация тока?
  6. Какое явление применяется в работе трансформатора?
  7. Для какого тока возможна трансформация?
  8. Какие параметры тока изменяются при трансформации?
  9. От чего зависит коэффициент трансформации?
  10. Где применяют трансформаторы?

Разбор нового материала с применением презентации:

1. Постановка задачи: получить незатухающие электромагнитные колебания любой частоты.

2. Для решения этой задачи нужно применить автоколебательную систему. Вспомнить основные признаки этой системы: наличие колебательной системы, в которой могут возникать свободные колебания; источника энергии для восполнения потерь; обратной связи, которая регулирует подачу энергии в колебательную систему в такт колебаний.

3. Установить составные части генератора незатухающих колебаний:

    1. Колебательный контур – система, создающая свободные колебания;
    2. Источник тока – подключаем к колебательному контуру (+ к К.К.) .
    3. Клапан, который будет пропускать, или не пропускать электрический ток внутрь колебательного контура – 3-х электродная электронная лампа. (Повторить принцип её действия)
    4. Обратная связь, которая будет руководить процессом так, чтобы в такт колебаниям открывать или закрывать клапан (3-х электродную электронную лампу) – её роль играет катушка индуктивно связанная с катушкой колебательного контура. Точно так же, как в трансформаторе индуктивно связанные две катушки, только для лучшей связи эти катушки чаще всего «садят» на один сердечник.

    4. Принцип действия генератора рассматриваем по половинам периодов.

      1. половина периода: Когда лампа пришла в рабочее состояние и может пропускать ток, ключ замыкают. Постоянный ток идёт по анодной цепи и заряжает конденсатор (нижнюю обкладку – положительно). Когда конденсатор зарядится до максимального заряда, ток прекращается и колебательный контур предоставлен самому себе. Конденсатор начинает разряжаться, через катушку L течёт переменный ток: растущий в периода и убывающий во периода. Он создаёт переменное магнитное поле, направление которого определяем по правилу буравчика. Такое же магнитное поле возникает и в катушке L1, которая индуктивно связана с катушкой колебательного контура. В катушке L1 возникает индукционный ток, направленный к сетке лампы. На сетке накапливается положительный заряд, лампа открыта, ток через неё идёт, в колебательном контуре совпадает по направлению с током перезарядки и восполняет все потери энергии в колебательном контуре. Конденсатор перезарядится до максимального заряда.
      2. 2-ая половина периода: К началу второй половины периода, конденсатор перезарядился. Теперь его верхняя обкладка заряжена положительно и в колебательном контуре ток разрядки течёт в противоположном направлении. Магнитное поле в катушках L и L1 направлено вниз, и индукционный ток идёт от сетки. Сетка заряжается отрицательно, лампа заперта, ток через неё не идёт и колебательный контур предоставлен самому себе. В нём идёт 2-ая половина периода, происходит расход энергии на работу против сопротивления. Эта утечка энергии восстановится в течение 1-ой половины следующего периода.

      5. После устного разбора, ученики под руководством учителя перечерчивают чертежи в тетради и под диктовку записывают подробное пояснение.

      На следующем уроке:

      После подробного повторения и закрепления изученного лампового генератора, я рассказываю обо всех отрицательных их качествах и о том, что только в некоторых отраслях техники ещё применяют такие генераторы. В радио и телевидении применяют транзисторные генераторы, демонстрирую слайд 15 из презентации и кратко поясняю сущность его работы и подробно преимущества.

      Закон всемирного тяготения. Сила тяжести, вес и невесомость

      АВТОКОЛЕБАНИЯ, незатухающие колебания, которые могут существовать в колебательной системе при отсутствии периодических внешних воздействий (в отличие от вынужденных колебаний) за счет наличия в системе активного элемента, восполняющего неизбежные в реальной системе потери энергии. Амплитуда и период автоколебания определяются свойствами самой системы и не зависят от конечного изменения начальных условий. Примеры автоколебаний — колебания маятника часов, скрипичной струны при движении смычка, тока в радиотехническом генераторе.

      ГЕНЕРАТОР НА ТРАНЗИСТОРЕ — ав­токолебательный генератор незатухающих электро­магнитных колебаний.

      Вынужденные колебания, которые мы рассматривали до сих пор, возникают под действием переменного напряжения, вырабатываемого генераторами на электростанциях. Такие генераторы не могут создавать колебания высокой частоты, необходимые для радиосвязи. Потребовалась бы чрезмерно большая скорость вращения ротора. Колебания высокой частоты получают с помощью других устройств, например с помощью генератора на транзисторе. Он назван так потому, что одной из основных его частей является полупроводниковый прибор — транзистор.

      Автоколебательные системы. Незатухающие вынужденные колебания нередко поддерживаются в цепи действием внешнего периодического напряжения. Но возможны и другие способы получения незатухающих колебаний. Пусть в системе, в которой могут существовать свободные электромагнитные колебания, имеется источник энергии. Если сама система будет регулировать поступление энергии в колебательный контур для компенсации потерь энергии на резисторе, то в ней могут возникнуть незатухающие колебания. Системы, в которых генерируются незатухающие колебания за счет поступления энергии от источника внутри самой системы, называются автоколебательными. Незатухающие колебания, существующие в системе без воздействия на нее внешних периодических сил, называются автоколебаниями. Генератор на транзисторе — пример автоколебательной системы. Он состоит из колебательного контура с конденсатором емкостью С и катушкой индуктивностью L, источника энергии и транзистора. Если конденсатор колебательного контура зарядить, то в контуре возникнут затухающие колебания. В конце каждого периода колебаний заряд на пластинах конденсатора имеет меньшее значение, чем в начале периода. Суммарный заряд, конечно, сохраняется (он всегда равен нулю), но происходит уменьшение положительного заряда одной пластины и отрицательного заряда другой на равные по модулю значения. В результате энергия колебаний уменьшается, так как пропорциональна квадрату заряда одной из пластин конденсатора. Чтобы колебания не затухали, нужно компенсировать потери энергии за каждый период. Пополнять энергию в контуре можно, подзаряжая конденсатор. Для этого надо периодически подключать контур к источнику постоянного напряжения. Конденсатор должен подключаться к источнику только в те интервалы времени, когда присоединенная к положительному полюсу источника пластина заряжена положительно, а присоединенная к отрицательному полюсу — отрицательно. Только в этом случае источник будет подзаряжать конденсатор, пополняя его энергию. Если же ключ замкнуть в момент, когда присоединенная к положительному полюсу источника пластина имеет отрицательный заряд, а присоединенная к отрицательному полюсу — положительный, то конденсатор будет разряжаться через источник. Энергия конденсатора при этом будет убывать.

      3. Задача на использование формулы тонкой линзы.

      Билет 10

      1. Силы упругости: природа сил упругости; виды упругих деформаций; закон Гука.

      Силы упругости – это силы возникающие при деформации тела и направлены в сторону, противоположную смещению частиц тела из положения равновесия.

      Деформация — изменение объема и/или формы тела.

      Типы деформаций:

      1.Основные: 2.Другие типы деформаций:
      а) растяжение (сжатие) а) изгиб (сочетание растяжения и сжатия)

      б) сдвиг б) кручение (сводится к сдвигу)

      Упругие деформации— это деформации, которые исчезают после прекращения действия внешних сил.

      Пластические деформации — это деформации, которые не исчезают после прекращения действия внешних сил.

      Закон Гука: F = k l, где l — величина деформации, абсолютно удлинение, к— коэффициент жесткости, [к] = Н/м.

      Сила упругости направлена противоположно деформации, поэтому в проекции на ось х

      закон Гука принимает вид:

      F= — кх, где х=Δl— удлинение тела

      ( х > О при деформации растяжения, х < 0 при деформации сжатия).

      Примеры сил упругости:

      Сила реакции опоры (сила, действующая со стороны опоры на тело). Сила нормального давления(тела на опору). Сила реакции опоры и сила нормального давления направлены перпендикулярно поверхности соприкосновения тел. Сила натяжения— направлена вдоль нити (троса и т.п.).

      2.Вынужденные электромагнитные колебания. Переменный ток: генератор переменного тока; мощ­ность переменного тока; действующие значения силы переменного тока и напряжения; активное, индук­тивное, ёмкостное сопротивления.

      Свободные и вынужденные электромагнитные колебания. Колебательный контур и превращение энергии при электромагнитных колебаниях. Частота и период колебаний.

      Электромагнитные колебания — это колебания электрических и магнитных полей, которые сопровождаются периодическим изменением заряда, тока и напряжения. Простейшей системой, где могут возникнуть и существовать электромагнитные колебания, является колебательный контур. Колебательный контур — это система, состоящая из катушки индуктивности и конденсатора (рис. 41, а). Если конденсатор зарядить и замкнуть на катушку, то по катушке потечет ток (рис. 41, б). Когда конденсатор разрядится, ток в цепи не прекратится из-за самоиндукции в катушке. Индукционный ток, в соответствии с правилом Ленца, будет течь в ту же сторону и перезарядит конденсатор (рис. 41, в). Ток в данном направлении прекратится, и процесс повторится в обратном направлении (рис. 41, г). Таким образом, в колебательном контуре будут происходить электромагнитные колебания из-за превращения энергии электрического поля конденсатора в энергию магнитного поля катушки с током , и наоборот.
      Период электромагнитных колебаний в идеальном колебательном контуре (т. е. в таком контуре, где нет потерь энергии) зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора и находится по формуле Томсона . Частота с периодом связана обратно пропорциональной зависимостью. В реальном колебательном контуре свободные электромагнитные колебания будут затухающими из-за потерь энергии на нагревание проводов. Для практического применения важно получить незатухающие электромагнитные колебания, а для этого необходимо колебательный контур пополнять электроэнергией, чтобы скомпенсировать потери энергии. Для получения незатухающих электромагнитных колебаний применяют генератор незатухающих колебаний, который является примером автоколебательной системы.

      3.Задача на применение закона радиоактивного рас­пада

      Билет 11

      1.Силы трения: природа сил трения; коэффициент трения скольжения; закон сухого трения; трение по­коя; учёт и использование трения в быту и технике.

      Силы трения— это силы, которые возникают при соприкосновении тел и направлены вдоль поверхности соприкосновения. Различают три вида силы трения:

      трение скольжения; трение покоя, трение качения.

      Сила трения скольжения— это сила, которая возникает при скольжении одного тела вдоль поверхности другого; направлена в сторону противоположную этому движению. Обусловлена разрушением неровностей на поверхностях соприкасающихся тел при их относительном движении, а также преодолением сил межмолекулярного взаимодействия.

      Величина силы трения скольжения слабо зависит от скорости относительного

      движения тел и практически не зависит от площади их соприкосновения. Коэффициент трения скольжения зависит от материала, из которого изготовлены соприкасающиеся поверхности тел, и от качества их обработки.

      F= N, где коэффициент трения, N = m·g —- сила нормального давления,

      Сила трения покоя— это сила, которая возникает при попытке сдвинуть одно тело вдоль поверхности другого и препятствует возможному движению. Величина силы трения покоя удовлетворяет неравенству и может быть найдена из условия, что равнодействующая всех сил, действующих.на тело, равна нулю. Сила трения покоя Fтр возрастает с увеличением сдвигающей силы F от нуля до своего максимального значения, равного

      Сила трения качения — это сила, которая возникает при качении одного тела по поверхности другого. Обусловлено, в частности, деформациями при соприкосновении тел. Как правило, сила трения качения ‘Значительно меньше, чем сила трения скольжения, поэтому колесо широко используется во всех, наземных транспортных средствах. Для уменьшения трения используются шариковые и роликовые подшипники, в которых трение скольжения заменяется трением качения.

      2.Трансформатор: принцип трансформации перемен­ного тока; устройство трансформатора; холостой ход; режим нагрузки; передача электрической энергии.

      ТРАНСФОРМАТОР (от латинского transformo — преобразую) электрический, устройство для преобразования переменного напряжения по величине. Состоит из одной первичной обмотки и одной или нескольких вторичных и ферромагнитного сердечника (магнитопровода). Основные типы трансформаторов: силовые (повышающие или понижающие сетевое напряжение), используемые в электрических сетях, радиотехнических устройствах, системах автоматики и др.; измерительные, предназначенные главным образом для определения больших напряжений и токов. Мощность от долей Вт до сотен MВт, преобразуемые напряжения от долей B до сотен кВ. Впервые трансформатор применил П.Н. Яблочков в 1876 в цепях электрического освещения; трехфазный трансформатор разработал М.О. Доливо-Добровольский в 1890. Трансформаторы тока широко используются для измерения электрического тока и в устройствах релейной защиты электроэнергетических систем, в связи с чем на них накладываются высокие требования по точности. Трансформаторы тока обеспечивают безопасность измерений, изолируя измерительные цепи от первичной цепи с высоким напряжением, часто составляющим сотни киловольт.

      К трансформаторам тока предъявляются высокие требования по точности. Как правило, трансформатор тока выполняют с двумя и более группами вторичных обмоток: одна используется для подключения устройств защиты, другая, более точная — для подключения средств учёта и измерения (например, электрических счётчиков). Коэффициент трансформации к измерительных трансформаторов тока является их основной характеристикой. Номинальный (идеальный) коэффициент указывается на трансформаторе в виде отношения номинального тока первичной (первичных) обмоток к номинальному току вторичной (вторичных) обмоток, например, 100/5 А или 10-15-50-100/5 А (для первичных обмоток с несколькими секциями витков). При этом реальный коэффициент трансформации несколько отличается от номинального. К=U1|U2 К=N1|N2 — коэффициент трансформации, U1и U2 – напряжения на первичной и вторичной обмотках, N1 и N2 – число витков на первичной и вторичной обмотках. Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. При прохождении тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает Э.Д.С. индукции во вторичной обмотке.

      3.Экспериментальное задание: «Исследование последовательного соединения проводников».

      studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2021 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.004 с) .

      Ответы к экзаменационным билетам по физике 11 класс (ответы к 29 билетам)

      Автоколебания. Автоколебательная система. Генератор незатухающих электромагнитных колебаний.

      1. Деформация это процесс изменения формы и размеров тела. Деформация Е – это безразмерная величина, равная отношению размера изделия дельта эль к исходному размеру эль нулевое. Механическое напряжение – величина, характеризующая упругие силы на единицу площади, численно раная отношению силы упругости к площади поперечного сечения образца.

      Закон Гука. Ряд растяжения или сжатия, характеризующегося вектором деформации (удлинения или сжатия) дельта l : сила упругости пропорциональна вектору деформации и противоположна ему по направлению. Механическое напряжение возникающая в образце пропорциональна относительному удлинению сигма=EE.

      σ=F/S, F/S=E* дельтаl/l0 F=(ES/l0)*дельта l. F=k*дельта l.

      Жесткость K=ES/l0. Упругая деф. – деф, при котором при снятии нагрузки образец восстанавливает свою форму. Пластичная наоборот. Пластичная деформация происходит путем взаимных сдвигов соседних слоев материала, причем эти сдвиги имеют необратимый характер. Запас прочности величина, показывающая во сколько раз предел прочности больше допустимой нагрузки. Деформация: растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб, кручение.

      Коэффициент пропорциональности Е называют модулем Юнга и определяют по формуле σ= Е │ ε │

      Юнга на площадь поперечного сечения стержня и обратно пропорциональна его длине.

      Пределы пропорциональности и упругости. Закон Гука

      выполняется при небольших деформациях, а, следовательно, при напряжениях, не

      превосходящих некоторого предела. Максимальное напряжение sп (см. Рис. 7), при

      котором ещё выполняется закон Гука, называют пределом пропорциональности.

      Если увеличивать нагрузку, то деформация становится нелинейной, напряжение

      перестанет быть прямо пропорциональным относительному удлинению. Тем не менее,

      при небольших нелинейных деформациях после снятия нагрузки форма и размеры тела

      практически восстанавливаются. Максимальное напряжение, при котором ещё не

      возникают заметные остаточные деформации (относительная остаточная деформация не

      превышает 0,1%), называют пределом упругости sуп. Предел упругости превышает

      предел пропорциональности лишь на сотые доли процента.

      2. Вынужденные колебания это незатухающие колебания. Неизбежные потери энергии на трение компенсируются подводом энергии от внешнего источника периодически действующей силы. Существуют системы, в которых незатухающие колебания возникают не за счет периодического внешнего воздействия, а в результате имеющейся у таких систем способности самой регулировать поступление энергии от постоянного источника. Такие системы называются автоколебательными, а процесс незатухающих колебаний в таких системах автоколебаниями. В автоколебательной системе можно выделить три характерных элемента — колебательная система, источник энергии и устройство обратной связи между колебательной системой и источником. В качестве колебательной системы может быть использована любая механическая система, способная совершать собственные затухающие колебания (например, маятник настенных часов).

      Источником энергии может служить энергия деформация пружины или потенциальная энергия груза в поле тяжести. Устройство обратной связи представляет собой некоторый механизм, с помощью которого автоколебательная система регулирует поступление энергии от источника. На рис.2.5.3 изображена схема взаимодействия различных элементов автоколебательной системы.

      Примером механической автоколебательной системы может служить часовой механизм с анкерным ходом (рис.2.5.4). Ходовое колесо с косыми зубьями жестко скреплено с зубчатым барабаном, через который перекинута цепочка с гирей. На верхнем конце маятника закреплен анкер (якорек) с двумя пластинками из твердого материала, изогнутыми по дуге окружности с центром на оси маятника. В ручных часах гиря заменяется пружиной, а маятник балансиром маховичком, скрепленным со спиральной пружиной. Балансир совершает крутильные колебания вокруг своей оси. Колебательной системой в часах является маятник или балансир. Источником энергии поднятая вверх гиря или заведенная пружина. Устройством, с помощью которого осуществляется обратная связь, является анкер, позволяющий ходовому колесу повернуться на один зубец за один полупериод. Обратная связь осуществляется взаимодействием анкера с ходовым колесом. При каждом колебании маятника зубец ходового колеса толкает анкерную вилку в направлении движения маятника, передавая ему некоторую порцию энергии, которая компенсирует потери энергии на трение. Таким образом, потенциальная энергия гири (или закрученной пружины) постепенно, отдельными порциями передается маятнику.Механические автоколебательные системы широко распространены в окружающей нас жизни и в технике. Автоколебания совершают паровые машины, двигатели внутреннего сгорания, электрические звонки, струны смычковых музыкальных инструментов, воздушные столбы в трубах духовых инструментов, голосовые связки при разговоре или пении и т.д.

      Авто колебания, автоколебательная система, генератор незатухающих электромагнитных колебаний . Для поддержания незатухающих электромагнитных колебаний в контуре необходимо пополнять запасы энергии в нём. Это можно сделать, периодически подключая конденсатор контура к источнику постоянного тока. Трудность заключается в том, что элек-е колебания в контурах обычно происходят с большой частотой, и с такой же частотой конденсатор нужно подключать к источнику постоянного тока и отключать его, согласуя моменты подключений конденсатора к источнику с моментами появления на его обкладках зарядов, совпадающих по знаку со знаками полюсов подключаемого источника тока. В качестве быстродействующего ключа может использоваться транзистор( Пока на базу транзистора не подается сигнал, ток через него не проходит, конденсатор отключен от источника…При подаче на базу управляющего сигнала через транзистор протекает Эл-ий ток, и конденсатор заряжается от источника). Для согласования моментов подключения колебательного контура к источнику постоянного тока с соответствующими моментами изменения напряжения на конденсаторе используется принцип обратной связи(катушка обр-ой связи). Катушка обр-ой связи подключена так, что при возрастании силы тока в цепи коллектора на базе оказывается потенциал, отпирающий транзистор, а при уменьшении коллекторного тока – потенциал, запирающий(положительная обр-я связь).Рассмотренный генератор незатухающих электромаг-ых колебаний является примером автоколебательной системы. Автоколебательной систем- система, состоящая из устройства, в котором могут происходить свободные колебании, источника энергии и элемента, управляющего поступлением энергии от источника к колеб-ой системе, и устройства, обеспечивающего положительную обратную связь колеб-ой системы с управляющим элементом. Особенностью автоколеб-ой системы явл-я способность поддерживать колебания постоянной амплитуды за счет автоматического пополнения энергии системы от внутреннего источника.(Такие колебания- автоколебания)

      Автоколебания

      Автоколеба́ния — незатухающие колебания в диссипативной динамической системе с нелинейной обратной связью, поддерживающиеся за счёт энергии постоянного, то есть непериодического внешнего воздействия. [1]

      Автоколебания отличаются от вынужденных колебаний тем, что последние вызваны периодическим внешним воздействием и происходят с частотой этого воздействия, в то время как возникновение автоколебаний и их частота определяются внутренними свойствами самой автоколебательной системы.

      Термин автоколебания в русскоязычную терминологию введён А. А. Андроновым в 1928 году.

      Содержание

      Примеры

      Примерами автоколебаний могут служить:

      • незатухающие колебания маятника часов за счёт постоянного действия тяжести заводной гири;
      • колебания скрипичной струны под воздействием равномерно движущегося смычка
      • возникновение переменного тока в цепях мультивибратора и в других электронных генераторах при постоянном напряжении питания;
      • колебание воздушного столба в трубе орга́на, при равномерной подаче воздуха в неё. (см. также Стоячая волна)
      • вращательные колебания латунной часовой шестерёнки со стальной осью, подвешенной к магниту и закрученной (опыт Гамазкова) (кинетическая энергия колеса, как в униполярном генераторе преобразуется в потенциальную энергию электрического поля, потенциальная энергия электрического поля, как в униполярном двигателе, преобразуется в кинетическую энергию колеса и т.д. )

      Молоток Маклакова

      Молоток, совершающий удары за счёт энергии электрической цепи переменного тока с частотой, во много раз меньшей частоты тока в цепи [2] .

      Катушка L колебательного контура помещается над столом (или другим предметом, по которому требуется ударять). Снизу в неё входит железная трубка, нижний конец которой является ударной частью молотка. В трубке есть вертикальная прорезь, чтобы уменьшить токи Фуко. Параметры колебательного контура такие, что собственная частота его колебаний совпадает с частотой тока в цепи (например, переменного городского тока, 50 герц).

      После включения тока и установления колебаний наблюдается резонанс токов контура и внешней цепи, и железная трубка втягивается в катушку. Индуктивность катушки растёт, колебательный контур выходит из резонанса, а амплитуда колебаний тока в катушке уменьшается. Поэтому трубка возвращается в исходное положение — вне катушки — под действием силы тяжести. Затем колебания тока внутри контура начинают нарастать, и снова наступает резонанс: трубка опять втягивается в катушку.

      Трубка совершает автоколебания, т. е. периодические движения вверх и вниз, и при этом громко стучит по столу, подобно молотку. Период этих механических автоколебаний в десятки раз превосходит период переменного тока, поддерживающего их.

      Молоток назван по имени М. И. Маклакова, лекционного ассистента Московского физико-технического института, предложившего и осуществившего такой опыт для демонстрации автоколебаний.

      Механизм автоколебаний

      Автоколебания могут иметь различную природу: механическую, тепловую, электромагнитную, химическую. Механизм возникновения и поддержания автоколебаний в разных системах может основываться на разных законах физики или химии. Для точного количественного описания автоколебаний разных систем может потребоваться разный математический аппарат. Тем не менее, можно представить схему, общую для всех автоколебательных систем, качественно описывающую этот механизм (рис. 1).
      На схеме: S — источник постоянного (непериодического) воздействия; R — нелинейный регулятор, преобразующий постоянное воздействие в переменное (например, в прерывистое во времени), которое и «раскачивает» колеблющийся элемент (элементы) системы V, а колебания через обратную связь B управляют работой регулятора R, задавая фазу и частоту его действия. Диссипация (рассеивание энергии) в автоколебательной системе восстанавливается за счёт поступления в неё энергии из источника постоянного воздействия, благодаря чему автоколебания не затухают.

      Если колеблющийся элемент системы способен к собственным затухающим колебаниям (т.н. гармонический диссипативный осциллятор), автоколебания (при равенстве диссипации и поступления энергии в систему за время периода) устанавливаются на частоте, близкой к резонансной для этого осциллятора, их форма становится близкой к гармонической, а амплитуда, в некотором диапазоне значений, тем больше, чем больше величина постоянного внешнего воздействия.
      Примером такого рода системы может служить храповой механизм маятниковых часов, схема которого представлена на рис. 2. На ось храпового колеса A (которое в этой системе выполняет функцию нелинейного регулятора) действует постоянный момент силы M, передающийся через зубчатую передачу от заводной пружины или от гири. При вращении колеса A его зубцы сообщают кратковременные импульсы силы маятнику P (осциллятору), благодаря которым его колебания не затухают. Кинематика механизма играет роль обратной связи в системе, синхронизируя вращение колеса с колебаниями маятника таким образом, что за полный период колебания колесо поворачивается на угол, соответствующий одному зубцу.

      Автоколебательные системы, не содержащие осцилляторов, называются релаксационными. Колебания в них могут сильно отличаться от гармонических, и иметь прямоугольную, треугольную или трапециедальную форму. Амплитуда и период релаксационных автоколебаний определяются соотношением величины постоянного воздействия и характеристик инерционности и диссипации системы.

      Простейшим примером релаксационных автоколебаний может служить работа электрического звонка, изображённого на рис. 3.. Источником постоянного (непериодического) воздействия здесь является электрическая батарея U; роль нелинейного регулятора выполняет прерыватель T, замыкающий и размыкающий электрическую цепь, в результате чего в ней возникает прерывистый ток; колеблющимися элементами являются магнитное поле, периодически наводимое в сердечнике электромагнита E, и якорь A, движущийся под воздействием переменного магнитного поля. Колебания якоря приводят в действие прерыватель, что и образует обратную связь.
      Инерционность этой системы определяется двумя различными физически величинами: моментом инерции якоря А и индуктивностью обмотки электромагнита E. Увеличение любого из этих параметров приводит к увеличению периода автоколебаний.

      При наличии в системе нескольких элементов, колеблющихся независимо друг от друга, и одновременно воздействующих на нелинейный регулятор или регуляторы (которых тоже может быть несколько), автоколебания могут принимать более сложный характер, например, апериодический, или динамический хаос.

      В природе и технике

      Автоколебания лежат в основе многих явлений природы:

      • колебания листьев растений под действием равномерного потока воздуха;
      • образование турбулентных потоков на перекатах и порогах рек;
      • голоса людей, животных и птиц образуются благодаря автоколебаниям, возникающим при прохождении воздуха через голосовые связки;
      • действие регулярных гейзеров
      • Система «атмосфера — лёд — океан»

      На автоколебаниях основан принцип действия большого количества всевозможных технических устройств и приспособлений, в том числе:

      • работа всевозможных часов, как механических, так и электрических;
      • звучание всех духовых и струнно-смычковых музыкальных инструментов;
      • действие всевозможных генераторов электрических и электромагнитных колебаний, применяемых в электротехнике, радиотехнике и электронике;
      • работа поршневых паровых машин и двигателей внутреннего сгорания;
      • некоторые системы автоматического регулирования работают в режиме автоколебаний, когда регулируемая величина колеблется в окрестности требуемого значения, то превышая его, то опускаясь ниже него, в допустимом для целей регулирования диапазоне (например, система терморегулирования бытового холодильника).

      В то же время, в некоторых технических системах автоколебания могут возникать без специального намерения конструкторов этих систем, в результате неудачного выбора их технических параметров. Такие автоколебания могут быть нежелательными (например, «рычание» водопроводного крана при определённых расходах воды), а зачастую разрушительными, являющимися причиной аварий c тяжёлыми последствиями, когда речь идёт о системах с большими уровнями энергии, циркулирующей в них. Например:

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: