Использование графического метода при изучении электрического резонанса в курсе физики средней школы
Использование графического метода при изучении электрического резонанса в курсе физики средней школы
Цыкун В.Ф., учитель физики сш. №30, г. Хабаровска, Щербаков Н.Г., к.п.н., доцент кафедры общей физики ХГПУ
В настоящее время, когда физические методы исследования проникли во все области науки и техники, особую остроту приобрел вопрос о вооружении учащихся глубокими знаниями и методами исследования в физике.
Одним из методов исследований в физике является графический метод, который дает возможность учащимся усваивать сущность предмета, познавать закономерности новых явлений.
В этой связи является актуальным вопрос использования графического метода преподавания физики, который позволяет наглядно провести всесторонний анализ явления, выявить его причинно-следственные связи и обосновать экспериментальные наблюдения.
В качестве примера рассмотрим применение графического метода при изучении резонанса в электрической цепи.
Так, при изучении в 11 классе темы:
«Электрический резонанс», после
проведения опыта по наблюдению за
яркостью свечения электрической
лампочки, активное сопротивление которой
,
включенной последовательно с катушкой
индуктивности
,
конденсатором
и звуковым генератором ЗГ (рис.1), при
изменении частоты, для объяснения
эксперимента можно использовать
графический метод.
С этой целью необходимо дать учащимся следующее задание: исходя из закона Ома для переменного тока постройте зависимость силы тока I от частоты w источника переменного напряжения (I=I(w)).
Учащимся известно, что зависимость силы тока I от напряжения в исследуемой цепи подчиняется закону Ома в следующей форме записи:
,
где
-
полное сопротивление цепи, которое
равно
.
В этом выражении
- активное сопротивление контура,
- индуктивное и емкостное сопротивления,
- индуктивность катушки и емкость
конденсатора.
Так как напряжение
постоянно с изменением частоты, то
график зависимости тока от частоты
противоположен частотной зависимости
сопротивления.
Для построения зависимости
от частоты w
вначале строятся зависимости
(рис.2,3,4)
Затем графики зависимостей
представляем на одном рисунке (рис.5).
Указанные кривые пересекаются. Точка
пересечения этих графиков означает,
что при определенном значении частоты
источника переменного
тока w
емкостное сопротивление конденсатора
и индуктивное сопротивления катушки
индуктивности равны, т. е. XC=XL или
и тогда
.
Но учащимся известно, что по формуле
рассчитывается собственная частота
колебательного контура. Делаем вывод,
что при изменении частоты источника
переменного тока в колебательном контуре
на частоте w
= w0
наблюдается равенство реактивных
сопротивлений.
С учетом поведения кривых
на рис. 5 представлен график модуля
реактивного сопротивления цепи
.
Для его построения необходимо произвести
вычитание ординат соответствующих
графиков на нескольких частотах. Теперь
с учетом рис.2 и 5 качественно можно
представить график
(рис.6).
Из графика на рис.6 следует, что на частоте
и
(так как
).
Если
,
то
Для
.
С учетом частотной зависимости
сопротивления
от частоты согласно формуле строится
зависимость I=I(w)
(рис.7).
График зависимости тока от частоты
противоположен графику зависимости
полного сопротивления от частоты. На
низких ()
и высоких (
)
частотах
,
а
;
на частоте
полное сопротивление цепи для переменного
тока является чисто активным и равно
,
а ток на данной частоте максимален и
равен
.
Это явление, то есть резкое возрастание
тока в цепи на частоте
называется электрическим резонансом.
Ток, протекающий в цепи через
и
при последовательном соединении
одинаковый, напряжения на индуктивности
и емкости находятся в противофазе и
генератор на частоте
подключен только к
.
Для объяснения увеличения яркости
свечения лампочки на частоте
необходимо отметить, что она определяется
потребляемой мощностью, которая равна
.
Поэтому напряжение на резисторе равно
напряжению генератора
.
Обычно резонансную кривую для последовательной цепи в школьном курсе связывают с кривой I=I(w).
С нашей точки зрения для того, чтобы
определить к какому типу относится это
явление - резонансу тока или резонансу
напряжения, необходимо в дальнейшем
сравнить величины напряжений на
конденсаторе и катушке индуктивности
с напряжением на резисторе на резонансной
частоте
.
Для этого необходимо рассчитать напряжение на конденсаторе, равное
.
Определив (с помощью омметра) сопротивление
цепи
,
по известной емкости
и частоте
находят
.
Расчеты показывают, что
на резонансной частоте больше, чем
напряжение генератора
.
Такое же напряжение будет и на катушке
индуктивности.
Вследствие того, что напряжение на
катушке индуктивности и конденсаторе
во много раз больше напряжения генератора,
а также напряжения на резисторе
,
такой резонанс называется резонансом
напряжений.
Исходя из представленных графиков
учащиеся делают следующие выводы для
явления электрического резонанса для
цепи с последовательным соединением
и
:
а) наблюдается резонанс напряжений
;
б) ток максимален и равен
;
в) полное сопротивление минимально и
равно
;
г) емкостное сопротивление равно индуктивному;
д) реактивное сопротивление равно нулю, а значит сдвиг фаз между током и напряжением равен нулю;
с) энергия источника напряжения преобразуется во внутреннюю энергию.
Таким образом использование графического
метода позволяет без сложных математических
формул рассмотреть на высоком научном
уровне такое сложное явление как резонанс
напряжений в электрической цепи,
состоящей из
и
элементов при их последовательном
соединении, убедиться в закономерностях
изучаемого явления, условиях возникновения
электрического резонанса, режиме работы
источника и колебательного контура на
резонансной частоте. При этом бесспорно,
нужно учитывать уровень подготовки
учащихся (в условиях уровневой
дифференциации).
Список литературы
Для подготовки данной применялись материалы сети Интернет из общего доступа