Інформація для вчителів
Застосування
Електричний коливальний контур із конденсатора, увімкненого послідовно з котушкою, можна порівняти з гармонічним осцилятором у механіці, тобто описати за аналогією з ним.
Застосування електричного коливального контуру знаходимо в інформаційній техніці, адже передавальна антена працює за принципом електричного коливального контуру.
Схема досліду
Інша інформація для вчителів (1/2)
Попередні знання
Учні мають бути обізнані з принципом дії конденсатора та котушки.
Принцип
Енергія електричного поля та енергія магнітного поля періодично змінюють одна одну - так само, як кінетична й потенціальна енергія в механічному маятнику.
Інша інформація для вчителів (2/2)
Навчальна мета
Учні мають зрозуміти, як працює електричний коливальний контур.
Завдання
Досліди поведінку електричного коливального контуру.
Теорія (1/3)
Енергія електричного поля та енергія магнітного поля періодично змінюють одна одну - так само, як кінетична й потенціальна енергія в механічному маятнику. Коли напруга на конденсаторі максимальна, уся енергія кола міститься в електричному полі конденсатора:
Коли конденсатор розряджається, через котушку тече струм. За максимальної сили струму I уся енергія коливального контуру передається в магнітне поле котушки:
Резонансну частоту L-C-контуру можна обчислити за індуктивністю L котушки та ємністю C конденсатора згідно з так званою формулою Томсона:
Теорія (2/3)
Виведення із закону збереження енергії:
Повна енергія коливального контуру зберігається і складається з енергії магнітного поля котушки та енергії електричного поля конденсатора:
Зі співвідношень та випливає:
Диференціювання цього рівняння за часом дає:
Теорія (3/3)
- тривіальний випадок. Для виразу в дужках обирають такий вигляд розв'язку:
Тут - колова частота, а - зсув фаз. Для диференціального рівняння звідси випливає
Інформація для учнів
Мотивація
Електричний коливальний контур із конденсатора, увімкненого послідовно з котушкою, можна порівняти з гармонічним осцилятором у механіці, тобто описати за аналогією з ним.
Застосування електричного коливального контуру знаходимо в інформаційній техніці, адже передавальна антена працює за принципом електричного коливального контуру.
Передавальна антена
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість | 1 | PHYWE Регульований трансформатор із цифровою індикацією, RiSU 2019 пост. струм: 0...20 В, 12 A / змін. струм: 0...25 В, 12 A | 13542-93 | 1 | 2 | Демонстраційний універсальний вимірювальний прилад, ADM3 | 13840-00 | 1 | 3 | MP-конденсатор 2 x 30 мкФ | 06007-00 | 1 | 4 | Котушка, 10000 витків | 06519-01 | 2 | 5 | Стрічкове розрізне залізне осердя | 06503-00 | 1 | 6 | Затискний пристрій для залізних осердь | 06506-00 | 1 | 7 | Перемикач, однополюсний | 06005-00 | 1 | 8 | З'єднувальний провід, 32 А, 750 мм, чорний, експериментальний кабель, штекер 4 мм | 07362-05 | 3 | 9 | З'єднувальний провідник, 750 мм, синій | 07362-04 | 3 | 10 | З'єднувальний провідник, 750 мм, червоний | 07362-01 | 2 |
|---|
Складання
Рис. 1
Рис. 2
- Збери установку за рис. 1 і рис. 2.
- У первинному колі блок живлення, перемикач і конденсатор увімкнені послідовно.
- У вторинному колі конденсатор, котушки із залізним осердям і перемикач увімкнені послідовно.
- Для вимірювання напруги демонстраційний універсальний вимірювальний прилад під'єднують паралельно до конденсатора.
Виконання
- Замкни перемикач так, щоб первинне коло було замкнене.
- Увімкни блок живлення і встанови постійну напругу 10 В.
- За короткий час конденсатор буде заряджено. Для контролю демонстраційний універсальний вимірювальний прилад також має показувати постійну напругу 10 В.
- (На демонстраційному універсальному вимірювальному приладі варто встановити діапазон вимірювання від -10 В до 10 В постійної напруги).
- Тепер переклади перемикач так, щоб замкнулося вторинне коло.
- Спостерігай за відхиленням стрілки демонстраційного універсального вимірювального приладу.
Протокол
Завдання (1/2)
Перетягни слова у правильні поля! Напруга на ____ коливається з частотою приблизно 1 Гц або повільніше. За одне ____ знак ____ на конденсаторі змінюється двічі. Відхилення стають дедалі ____, доки напруга не дійде до нуля.
Завдання (2/2)
Перетягни слова у правильні поля! L-C-контур є ____. Це означає, що коливальний контур має ____ у вигляді теплоти. Проте застосоване в досліді ____ насправді збільшує ____ приблизно на 2 порядки, через що ____ подовжується приблизно на порядок. Якщо в досліді виміряти справжній період коливань, з нього можна обчислити індуктивність коливального контуру: L=T^2/4\pi^2C