Методика изучения электромагнитных колебаний

В школьном курсе физики изучаются следующие виды электромагнитных колебаний: свободные, вынужденные и автоколебания. При изучении всех этих видов электромагнитных колебаний школьников нужно постоянно привлекать к использованию аналогий, к экспериментальной проверке выводов по аналогии. Поскольку колебания различной природы подчиняются общим закономерностям, то аналогии используют при сопоставлении свободных колебаний в механических и электрических системах, вынужденных колебаний и резонансных явлений в этих системах и т. д.

При изучении электромагнитных колебаний обращают внимание школьников на то, какие величины в этом процессе «колеблются» (заряд конденсатора, ток в контуре, напряжение на конденсаторе и катушке, ЭДС самоиндукции), какие превращения энергии в нем происходят. При этом необходимо повторить основные признаки любой колебательной системы и четко выяснить следующие моменты: что считать устойчивым положением равновесия в этой системе (разряжен конденсатор, нет тока в контуре), фактором, возвращающим систему в это положение, если она была из него выведена (заряженный конденсатор создает электрическое поле, которое вызывает ток в контуре, разряжающий конденсатор), и фактором «инертности», обеспечивающим прохождение положения равновесия «по инерции» (индуктивность катушки, благодаря которой конденсатор не разряжается сразу, а перезаряжается и тем самым обеспечивается периодичность процесса).

В качестве упражнения для более основательного усвоения физической сущности электрических колебаний в контуре полезно рядом с рисунками, изображающими колебательный процесс в, контуре через каждую 1/4 периода, показать соответствующие состояния механической колебательной системы (горизонтальный и вертикальный пружинные маятники, математический маятник). Далее желательно составить таблицу, показывающую аналогию между величинами в механической и электрической колебательной системах.

После этого выводится формула для периода собственных колебаний в контуре:

Это можно сделать несколькими способами: по аналогии между величинами, характеризующими механическое и электрическое колебания, или используя закон сохранения энергии для идеального колебательного контура.

Целесообразно провести экспериментальную проверку полученных результатов, изменяя индуктивность катушки и электроемкость батареи конденсаторов. Изменяя напряжение, подаваемое на конденсатор, наблюдают изменение амплитуды колебаний в контуре. С помощью реостата, включенного в цепь контура, можно проиллюстрировать также влияние затухания на период (частоту) и амплитуду колебаний.

После того как получено уравнение гармонических колебаний в контуре

вводят понятие фазы колебания.

Изучение свободных колебаний в контуре завершает рассмотрение затухающих электрических колебаний. Выясняют причины затухания. После этого логично сделать переход к колебательным системам, в которых колебания с частотой, равной собственной частоте колебаний системы, происходят как угодно долго за счет внешнего источника энергии, т. е. к автоколебательным системам.

Автоколебания представляют собой незатухающие колебания в реальных колебательных системах, которые поддерживаются за счет внешнего источника энергии, причем поступление энергии регулируется самой колебательной системой. Частота и амплитуда автоколебаний определяются свойствами самой системы и не зависят от внешнего воздействия.

Вначале необходимо повторить то общее, что присуще таким колебательным системам, как пружинный и нитяной маятники, колебательный контур: в них могут возникать свободные колебания, эти колебания всегда являются затухающими, в идеализированных системах они являются незатухающими, гармоническими. В этом случае их частота определяется свойствами самой системы, а амплитуда зависит от начальных условий. Эти моменты вспоминают с помощью уже известных демонстраций, которые здесь имеет смысл повторить. Демонстрируя работу маятника в часах, учащимся предлагают самим определить, какой вид колебаний имеет здесь место, назвать основные части этой колебательной системы: маятник (колебательная система), поднятая гиря (источник энергии), храповое колесо с анкерной вилкой (клапан, регулирующий поступление энергии от источника в систему).

Программа одиннадцатилетней средней школы в качестве электромагнитной автоколебательной системы предусматривает рассмотрение генератора на транзисторе. После изучения свободных электрических колебаний и автоколебаний школьников знакомят с вынужденными электрическими колебаниями. Начинают знакомство с колебаний низкой частоты, основной областью применения которых является электротехника.

Важно, чтобы учащиеся воспринимали переменный ток именно как процесс вынужденных электромагнитных колебаний в цепи. При этом можно проверить справедливость тех закономерностей, которые были уже установлены, для механических вынужденных колебаний (соотношения между частотой источника и частотой собственных колебаний цепи, явление резонанса и т. д.), и тем самым более прочно усвоить их. В то же время должны быть усвоены понятия, специфичные именно для цепей переменного тока: действующие значения тока и напряжения, их отличие от мгновенных, максимальных и средних значений этих же величин, физическая сущность активных и реактивных сопротивлений и способы их вычисления и экспериментального определения, принципиальное устройство генераторов переменного тока, преобразование переменного тока с помощью трансформатора и др.