Giáo án vật lý 12 - Dao động điện từ

Bài 21. DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ. I. Mục tiêu: 1) Kiến thức: - Biết được cấu tạo của mạch LC và hiểu được khái niệm dao động điện từ. - Thiết lập được công thức về dao động từ riêng của mạch LC (các Biểu thức phụ thuộc thời gian phụ thuộc thời gian của điện tích, cường độ dòng điện, hiệu điện thế…) - Hiểu nguyên nhân tắt dần dao động điện từ và nguyên tắc duy trì dao động. - Hiểu được sự tương tự của dao động điện và dao động cơ. 2) Kĩ năng: - Rèn luyện kĩ năng giải thích hiện tượng, dự đoán có căn cứ. - Rèn luyện kĩ năng thiết kế phương án thí nghiệm, kĩ năng quan sát và rút ra kết luận. II. Chuẩn bị: GV: - Chuẩn bị thí nghiệm ảo minh họa chi tiết diễn Bàiến dao động điện từ trong mạch LC với đồ thị dao động khá tường minh. - In phóng trên giấy khổ lớn hình 21.3 về dao động của mạch LC và dao động của con lắc đơn trong SGK. HS: - Ôn tập các kiến thức cơ bản về dao động cơ, dao động tắt dần, dao động duy trì. - Ôn tập kiến thức của chương trình 11: Định luật Ôm cho các loại mạch điện, các công thức về tụ điện và Câuộn cảm, năng lượng tụ điện tích điện, năng lượng Câuộn cảm có dòng điện. III. Tổ chức các hoạt động dạy học: Tiết 1. Hoạt động 1. (30’) Tìm hiểu: DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ TRONG MẠCH LC. Hoạt động của GV Hoạt động của HS Nội dung -GV giới thiệu bài mới: Nghiên cứu một dao động tương tự như dao động cơ: dao động điện từ. -Giới thiệu mạch dao động bằng hình vẽ; mô phỏng cấu tạo mạch dao động trên máy chiếu và nêu câu hỏi gợi ý HS phát hiện kiến thức. H1. Nêu cấu tạo của mạch LC? H2. Khi khóa K nối chốt b, trong Câuộn dây xuất hiện hiện tượng gì? Điện tích tụ điện có thay đổi không? Vì sao? GV nêu vấn đề cần khảo sát: Điện tích của tụ điện Bàiến thiên trong quá trình Chú ý quan sát. Thảo luận nhóm, trả lời câu hỏi. -Mạch có Câuộn cảm nối tiếp với tụ điện. -Tụ điện phóng điện qua Câuộn cảm, mạch có dòng điện cảm ứng, điện tích của tụ giảm DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ TRONG MẠCH LC. 1) Mạch LC: Mạch nối tiếp gồm: -Câuộn cảm có độ tự cảm L. -Tụ điện với điện dung C. 2) Tích điện cho tụ bằng nguồn P (khóa K nối chốt a) Sau đó tụ phóng điện trong mạch kín LC (khóa K nối chốt b), trong mạch kín LC có một dòng điện dạng sin. phóng điện, sự Bàiến thiên đó có tuân theo qui luật nào không. H3. (Quan sát hình 21.4) Hiệu điện thế 2 đầu Câuộn cảm được xác định thế nào? So sánh hiệu điện thế 2 đầu Câuộn cảm với hiệu điện thế 2 đầu tụ điện. H4. Phương trình vi phân q” + 2q = 0 có nghiệm thế nào? Nhận xét gì về điện tích của tụ? H5. Từ nghiệm của pt, tính cường độ dòng điện trong mạch và hiệu điện thế trên 2 đầu tụ điện tại thời điểm t. Nhận xét. H6. Từ pt cường độ dòng điện và hiệu điện thế, nhận dần. -Trong Câuộn cảm xuất hiện suất điện động tự cảm làm chậm sự phóng điện của tụ điện. -Dòng điện tự cảm tich điện cho tụ khi tụ điện hết điện. -Thảo luận nhóm, cá nhân thiết lập phương trình: q” + 2q = 0 -So sánh với dao động cơ học, suy ra nghiệm pt 3) Giải thích (SGK) Ta có: dqi dt  Vận dụng định luật Ôm cho đoạn mạch AB. + uAB = e – ri với r = 0, "die L Lq dt     + Mặt khác AB qu C  Nên " " 0q qLq hay q C LC     Đặt 2 1 LC   ta có pt: q” + 2q = 0 *Nghiệm của phương trình: q = q0cos(t + ) *Cường độ dòng điện: 0' sin( )i q q t      xét về điện trường và từ trường trong mạch LC? -Giới thiệu dao động điện từ trong mạch LC. H7. (So sánh với dao động cơ) Lập Biểu thức xác định chu kì riêng, tần số góc riêng đặc trưng cho dao động của mạch LC. q” + 2q = 0 có dạng: q = q0cos(t + ) -Suy luận: +Có dòng điện Bàiến thiên  từ trường Bàiến thiên. +Điện tích của tụ Bàiến thiên, điện trường giữa 2 bản tụ Bàiến thiên. -Thảo luận nhóm, trả *Hiệu điện thế: 0 cos( )AB qu t C    *Nhận xét: -Các đại lượng q, i, u đều Bàiến thiên tuần hoàn theo thời gian theo qui luật dạng sin. Do đó, điện trường và từ trường trong mạch cũng Bàiến thiên theo qui luật dạng sin. -Bàiến thiên của điện trường và từ trường trong mạch gọi là dao động điện từ. Nếu không có tac dụng điện từ bên ngoài, dao động được gọi là dao động điện từ tự do +Tần số góc riêng: 1 LC   +Chu kì riêng: 2T LC +Tần số riêng: 1 2 f LC  lời câu hỏi C2. + q nhanh pha hơn i là 2  + u nhanh pha hơn i là 2  -Lập các Biểu thức , T, f. Hoạt động 2. (10’) Tìm hiểu NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TỪ TRONG MẠCH DAO ĐỘNG Gợi ý HS xây dựng các Biểu thức năng lượng điện và năng lượng từ. H1. Năng lượng điện trường tích lũy trong tụ điện, năng lượng từ trường tích lũy trong Câuộn cảm xác định thế nào? H2. Tại một thời điểm bất kì, năng lượng của mạch được xác định thế nào ? Thảo luận nhóm, thiết lập các Biểu thức: 22 20 2 2 20 2 0 cos ( ) 2 2 1 sin ( ) 2 2 2 C L C L qqW t C C qW Li t C qW W W hs C               Rút ra kết luận: WC và WL luôn chuyển hóa cho nhau nhưng W không đổi. Ghi nhận theo SGK. Nhận xét. H3. Nhận xét về sự Bàiến đổi năng lượng điện và năng lượng từ và năng lượng toàn phần của mạch? Hoạt động 3. (5’) Củng cố: GV nêu câu hỏi tổng kết nội dung bài học: ? Thế nào là dao động điện từ tự do trong mạch dao động? Viết các Biểu thức tần số góc, chu kì, tần số đặc trưng cho dao động. ? Biểu thức tính năng lượng điện, năng lượng từ và năng lượng toàn phần của mạch. Nhận xét. Tiết 2. Hoạt động 1. (15’) Tìm hiểu: DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ TẮT DẦN.DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ DUY TRÌ. Cho HS quan sát màn hình dao động kí điện tử trong thời gian dài, gọi HS nhận xét. -Điều chỉnh Bàiến trở, tăng dần điện trở của mạch dao -Quan sát hình ảnh trên màn hình dao động kí điện tử (hoặc hình 21.5 SGK) Rút ra nhận xét: dao động tắt dần. DAO ĐỘNG TẮT DẦN. Mạch dao động có điện trở thuần R nên năng lượng dao động điện từ tiêu hao do hiệu ứng tỏa nhiệt, Bàiên độ dao động giảm dần đến 0: dao động tắt dần. Giá trị R càng lớn, sự động. H1. Đường Biểu diễn cường độ dòng điện Bàiến thiên theo thời gian cho thấy dao động điện từ trong mạch như thế nào? H2. Điện trở của mạch ảnh hưởng thế nào đến dao động của mạch? -Cho HS quan sát hình 21.6 và nối mạch LC với tranzito T. Thực hiện TÁN cho HS quan sát. H3. Bằng cách nào duy trì được dao động điện từ của mạch LC? -Giới thiệu các bộ phận của mạch dao động, chú ý mạch được uy trì dao động nhưng tần số dao động vẫn là tần số 0 của mạch. -Quan sát TÁN, trả lời câu hỏi gợi ý. -Trả lời câu hỏi C3. tắt dần càng nhanh, R càng tăng có thể không có dao động. DAO ĐỘNG DUY TRÌ- HỆ TỰ DAO ĐỘNG. Mạch duy trì dao động. Dao động trong nạch LC được duy trì ổn định với tần số riêng 0 của mạch. Một hệ tự dao động. Hoạt động 2. (15’) Tìm hiểu: DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ CƯỠNG BỨC-SỰ CỘNG HƯỞNG. -Cho HS quan sát sơ đồ (hình 21.7). Giới thiệu nội dung: +Mạch LC có tần số riêng 0 nối tiếp với nguồn điện ngoài có hiệu điện thế 0 cosu U t . +Dòng điện trong mạch LC buộc phải Bàiến thiên theo tần số  của nguồn điện ngoài. -Để HS hiểu, nêu trước các câu hỏi gợi ý: H1. Nếu tác dụng lên hệ vật dao động cơ học một ngoại lực Bàiến đổi tuần hoàn 0 cosF F t thì hệ dao động thế nào? H2. Tần số của dao động thế nào? H3. Hiện tượng gì sẽ xảy ra nếu thay đổi tần số dao động của hiệu điện thế bằng tần số dao động riêng của Cá nhân suy nghĩ, trả lời câu hỏi. -Giống như dao động cơ, dao động của mạch là dao động điện từ cưỡng bức với tần số góc bằng tần số góc của hiệu điện thế ngoài. -Khi  = 0, hiện tượng cộng hưởng sẽ xảy ra. DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ CƯỠNG BỨC - SỰ CỘNG HƯỞNG. -Mắc mạch LC có tần số dao động riêng 0 nối tiếp nguồn điện ngoài có hiệu điện thế 0 cosu U t . Dòng điện trong mạch buộc phải Bàiến thiên với tần số góc : quá trình dao động điện từ cưỡng bức. -Giữ Bàiên độ U0 của hiệu điện thế ngoài không đổi, thay đổi  của nguồn điện ngoài. Khi  = 0 thì Bàiên độ dao động trong khung đạt cực đại: Sự cộng hưởng. Giá trị cực đại của Bàiên độ khi cộng hưởng tùy thuộc vào điện trở thuần R của mạch. +R nhỏ: cộng hưởng nhọn. mạch LC? H4. Điện trở của mạch có ảnh hưởng thế nào đến sự cộng hưởng? -Quan sát, phân tích kết quả TÁN về sự cộng hưởng qua hình vẽ (21.8) +R lớn: cộng hưởng từ. Hoạt động 3. (10’) Tìm hiểu: SỰ TƯƠNG TỰ GIỮA DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ VÀ DAO ĐỘNG CƠ. Hướng dẫn HS tìm hiểu sự tương tự giữa dao động điện và dao động cơ thông qua bảng tổng hợp sự tương ứng giữa các đại lượng của dao động cơ và dao động điện (trong bảng 21.1; 21.2) -Phân tích, tìm hiểu nội dung ghi trong bảng 21.1, 21.2. -Nghe và ghi nhận phân tích của GV. Bảng 21.1, bảng 21.2. Hoạt động 4. (5’) CỦNG CỐ - DẶN DÒ: GV: 1) Phát cho HS phiếu học tập có câu hỏi và bài tập ôn tập bài học đã chuẩn bị sẵn. Hướng dẫn HS trả lời và cách giải bài tập ở nhà. 2) Yêu cầu chuẩn bị nội dung cho tiết học sau: Giải bài tập về dao động điện từ trong bài học 22. HS: Ghi nhận những kiến thức GV tổng kết và những chuẩn bị ở nhà. IV. Rút kinh nghiệm. Bổ sung: