Переменный электрический ток на реальном участке цепи. Резонанс - ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ - КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ

Задачи урока: ввести понятие о реальном участке цепи; сформировать представление о резонансе, изучить средства его описания; продолжить формирование познавательных мотивов, умения решать задачи.

План урока

Этапы урока	Время, мин	Приёмы и методы
I. Повторение домашнего задания. Актуализация знаний II. Изучение нового материала III. Совершенствование знаний IV. Домашнее задание	10—12 20—25 10—13 1—2	Решение задач. Работа с таблицей. Фронтальное повторение
		Рассказ учителя. Демонстрация опыта. Записи на доске и в тетрадях. Беседа
		Решение качественных и экспериментальных задач
		Запись на доске

I. У доски решают задачу, подобную домашней. Фронтально повторяют вопросы: что такое индуктивное сопротивление? Одинаковая ли фаза колебаний силы тока и напряжения на участке с катушкой индуктивности? Как это изобразить графически? (Один из школьников выполняет рисунок на доске.) Чему равна напряжённость электрического поля в катушке? Почему? Как изменяются сила тока и напряжение на катушке? Почему свободные механические колебания затухают? Вспомним, при каких условиях происходит явление резонанса при вынужденных колебаниях математического маятника. (Учитель демонстрирует опыт.) Как вы думаете, что играет роль внешней силы при переменном электрическом токе на участке цепи?

II. При рассмотрении новой темы учитывают последовательность изложения материала в учебнике, логику системного подхода при изучении явлений: система — участок цепи с активным, индуктивным и ёмкостным сопротивлениями; явление — резонанс; характеристики явления — резонансная частота, резонансная амплитуда силы тока, зависимость силы тока от частоты и активного сопротивления; теоретический и экспериментальный методы изучения явления.

1. Ранее речь шла о переменном электрическом токе на участке цепи с одним из возможных сопротивлений. В действительности участок цепи, по которому идёт переменный электрический ток, обладает свойствами активного, индуктивного и ёмкостного сопротивлений, правда, в разной степени. В каких-то случаях тем или иным сопротивлением можно пренебречь — в зависимости от решаемой задачи.

На реальном участке цепи, т. е. с активным, индуктивным и ёмкостным сопротивлениями, могут происходить новые физические явления. Одно из важных — резонанс. Описывают переменный электрический ток на таком участке цепи (рис. 60).

(Схему цепи изображают на доске и в тетрадях.) Участок цепи представляет собой последовательное соединение трёх элементов с тремя видами сопротивлений. Отношения между физическими величинами для такого участка цепи значительно сложнее, поэтому стоит рассмотреть главные результаты.

2. После определения резонанса экспериментально демонстрируют само явление (см. рис. 60). Вопросы для организации беседы: на каком участке цепи мы исследуем поведение переменного электрического тока? Как регистрируется изменение силы тока? (Ответ. Лампочка обладает активным сопротивлением, её накал определяется выделяемой энергией в единицу времени: P = I²R; увеличивается накал лампочки, значит, сила тока возрастает.) Какие условия (факторы) мы меняем при проведении опыта? (Ответ. Частоту внешнего переменного напряжения от звукового генератора.) Зависит ли сила тока на рассматриваемом участке цепи от частоты? Если зависит, то как? (Ответ. Сначала возрастает, а затем убывает.)

3. Напряжение, подаваемое внешним генератором, в любой момент времени равно сумме напряжений на участках цепи: U = U_R + U_L + U_C. Сила тока по закону последовательного соединения одинакова на всех участках: i = I_m cos (ωt + φ). На разных участках цепи между силой тока и напряжением есть свой сдвиг фаз, так как напряжение на каждом участке своё.

Общее сопротивление цепи

где

Важно подчеркнуть, что для такой цепи переменного тока неприменимо простое суммирование сопротивлений. Для максимальных (и действующих) значений выполняется закон Ома в следующей форме:

Отсюда и условие, при котором наступает резонанс: сила тока максимальна при минимальном значении полного сопротивления участка цепи, т. е. когда R_L = R_C. Это происходит, если частота внешнего напряжения A это, по определению, как раз собственная частота колебательного контура.

При резонансе цепь фактически состоит только из активного сопротивления, т. е. нет сдвига фаз между силой тока и напряжением, хотя до и после резонанса этот сдвиг фаз есть.

4. Зависит ли возрастание силы тока при резонансе от значения активного сопротивления? Из уравнения видно, что зависит. Как экспериментально подтвердить это заключение? (Демонстрируют опыт: при условии резонанса увеличивают активное сопротивление — см. рис. 60.) Параллельно, опираясь на материал учебника (рис. 4.20), изображают график. Вопросы для обсуждения: при каком условии сила тока при резонансе будет максимальной? Какое значение силы тока в идеальном случае предсказывает теория? Наблюдается ли это на практике?

Очевидно, в реальных цепях переменного тока резонанс может быть опасен. Обычно частота внешних колебаний напряжения не изменяется, но зато часто меняются параметры цепи L и С. При этом неожиданно может возникнуть условие резонанса. Резкое возрастание силы тока может сжечь электронные схемы приборов. Применение явления резонанса в радиосвязи описано в учебнике.

5. Дополнительно. Наконец необходимо выяснить, что происходит с энергией на участке цепи при условии резонанса. Во- первых, в цепях переменного тока не вся поступающая извне энергия может потребляться. Часть её может возвращаться генератору. Во-вторых, потребление энергии зависит от характера нагрузки. Например, на активном сопротивлении потребляется вся поступающая энергия. Для расчёта среднего значения мощности было получено выражение

где φ — угол сдвига фаз между силой тока и напряжением. Значение cos φ показывает, какая часть поступающей в цепь электрической энергии преобразуется в другие виды. Эту величину называют коэффициентом использования мощности.

В электротехнике существует целое направление поиска средств повышения cos φ для конкретных электрических цепей. Например, увеличение cos φ от 0,2 до 0,8 равносильно повышению использования мощности в четыре раза! Как можно повысить коэффициент мощности? Раз φ — угол сдвига фаз между током и напряжением, то нужно сделать его как можно меньше. Это достигается подбором (сочетанием) индуктивного и ёмкостного сопротивлений. В частности, в электрической цепи параллельно участку с катушкой индуктивности подключают конденсатор. Подбор конденсатора для сложных участков цепи может быть сложной технической задачей.

III. Далее коллективно решают задачи.

1. Как и почему изменяется накал лампочки при поочерёдном замыкании катушки индуктивности/конденсатора (см. рис. 60)?

2. Учебник, пример решения задачи № 6 на с. 99.

3. П., № 666.

IV. Домашнее задание: § 23; упр. на с. 100 (ЕГЭ); индивидуально — П., № 665, 667.