Методика изучения темы Электромагнитные колебания в курсе физики средней школы

Методика изучения темы Электромагнитные колебания в курсе физики средней школы. При определении содержания и методов изучения данного раздела необходимо руководствоваться такими основными факторами, как научной значимостью отобранного для изучения материала и важностью его практических приложений. Колебательные процессы одни из самых распространенных процессов в природе. Изучение колебаний это универсальный ключ ко многим тайнам мира. Колебательные процессы, а именно электромагнитные колебания являются основой действия всех электро и радиотехнических устройств.

В процессе изучения темы Электромагнитные колебания рассматриваются свободные электромагнитные колебания и автоколебания в колебательных контурах, а также вынужденные колебания в электрических цепях под действием синусоидальной ЭДС. Все эти вопросы имеют очень большое значение, так как на их основе затем изучаются электромагнитные волны с их научно-практическими приложениями.

При изложении данной темы в курсе физики средней школы учитель должен опираться на следующие основные положения использование аналогий механических и электромагнитных колебаний изучение и объяснение явлений и процессов на основе знаний об электрическом и магнитном полях и электромагнитной индукции, полученных в X классе широкое применение физического эксперимента. Содержание материала и последовательность его изложений отражены в ниже следующем примерном поурочном планировании Данное поурочное планирование предложено Н.В. Усовой в ее пособии Методика изучения физики в 9-10 классах. 1-й и 2-й уроки.

Повторение материала об электромагнитной индукции. Свободные и вынужденные электрические колебания. 3-й урок. Колебательный контур. Превращение энергии при ЭМК. 4-й урок. Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями. 5-й урок. Уравнения гармонических колебаний в контуре.

Упражнения. Первые пять уроков отводятся на изучение процессов в колебательном контуре. Центральными являются уроки, на которых рассматривается колебательный контур, раскрывается сущность происходящих в нем процессов и устанавливается, что свободные электромагнитные колебания в идеальном контуре гармонические. С колебательным контуром учащиеся знакомятся, наблюдая электромагнитные колебания низкой частоты, возникающие в цепи, состоящей из последовательного соединенных конденсатора и катушки индуктивности.

Электромагнитные колебания вначале представляются как периодическое в идеале - гармоническое изменение физических величин заряда, тока, напряжения, характеризующих состояние системы проводников. Затем показывается, что при этом происходит периодическое изменение энергий электрического поля конденсатора и магнитного поля катушки с током. Очень важно при этом отметить, что эти изменения неразрывно связаны друг с другом, что выражается в сохранении полной энергии в идеальном колебательном контуре.

Необходимо показать, что колебательный контур это система, у которой есть состояние устойчивого равновесия, характеризуемое состоянием с минимальной потенциальной энергией конденсатор не заряжен, в которое система приходит сама собою разрядка конденсатора и через которое она может проходить по инерции явление самоиндукции. Это следует подчеркнуть при количественном изучении процессов в контуре и получении формулы Томсона, так как только для колебательной системы имеет смысл понятие собственная частота.

Чтобы доказать, что в идеальном контуре происходят гармонические колебания, необходимо получить основное уравнение, описывающее процессы в контуре и показать его аналогичность уравнению гармонических механических колебаний. Для получения основного уравнения, описывающего процессы в контуре, лучше использовать закон Ома для участка цепи, содержащего э.д.с. Это позволяет снять возможный вопрос о допустимости применения закона, установленного для постоянного тока, для описания процессов в колебательном контуре, кроме того, при этом отпадает необходимость оговаривать отсутствие гальванического элемента.

В этом случае роль разности потенциалов играет напряжение на конденсаторе, равное QC. Записав и считая сопротивление R контура очень малым, переходят к мгновенным значениям, что следует оговорить. В результате получают Для раскрытия физической сущности электромагнитных колебаний используется метод векторных диаграмм.

Построение ведется по четвертям периода и сопровождается объяснением того, как изменяется каждая из величин, представленных на диаграмме. Фазовые соотношения определяются исходя из того, что сила тока имеет смысл скорости изменения заряда, а э.д.с. самоиндукции с учетом знака скорости изменения тока. При изучении механических колебаний было установлено, что Рис.1 фазы таких колебаний отличаются на 2. После рассмотрения явлений в колебательном контуре переходят к изучению переменного тока как вынужденных электромагнитных колебаний.

Изучение начинается с демонстрации осциллограммы сетевого напряжения, вид которой позволяет считать переменный ток гармоническими электромагнитными колебаниями. Отмечают, что вообще переменный ток это вынужденные электромагнитные колебания, форма которых определяется законом изменения приложенного напряжения. Затем выводят уравнения гармонических колебаний э.д.с. индукции в витке обмотки генератора и тока в сети. Подробно устройство генератора не рассматривают, речь идет лишь о получении переменной э.д.с. путем вращения рамки в постоянном магнитном поле. Вывод уравнений опирается на изученные в Х классе закон электромагнитной индукции Фарадея и понятие магнитного потока.

Обращают внимание на то, что подобно тому, как при механических колебаниях возможен сдвиг фаз между вынуждающей силой и скоростью колеблющейся точки, так и в случае электромагнитных колебаний может быть сдвиг по фазе между током и напряжением.

Более подробное рассмотрение фазовых соотношений тока и напряжения будет сделано при изучении реактивных сопротивлений и закона Ома для переменного тока. В заключение рассматривается генератор на транзисторе как пример электромагнитной автоколебательной системы. В такой системе вырабатываются высокочастотные незатухающие колебания за счет дозированного периодического поступления энергии от источника постоянного напряжения, входящего в состав системы. Целесообразно сначала показать такой генератор в действии, а затем объяснить его устройство, используя саму установку и ее схему.

Учитывая исключительную важность повторения, обобщения и систематизации всего курса физики в ХI классе, следует особое внимание уделить задачам на повторение с использованием вновь изученного материала. 1.2