Изучение электромагнитных колебаний

При изучении 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. Предлагают вспомнить основные признаки любой колебательной системы и задают вопросы: 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 ¼ периода, показать соответствующие состояния механической колебательной системы (горизонтальный и вертикальный пружинные маятники, математический маятник). Далее учащимся предлагают самим составить таблицу, показывающую аналогию между величинами в механической и электрической колебательной системах.

Затем получают формулу для периода собственных колебаний в контуре. Как известно, это можно сделать несколькими способами: используя аналогию между величинами, характеризующими механическое и электрическое колебания, или используя закон сохранения энергии для идеального колебательного контура. Возможны и иные подходы.

Находим выражение для собственной частоты и периода колебаний в контуре:

и.

Целесообразно провести экспериментальную проверку полученных результатов. Изменяя индуктивность катушки и электроемкость батареи конденсаторов, наблюдают изменение собственной частоты колебаний в контуре. 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 (если это не было сделано ранее) понятие фазы колебания.

Следует иметь в виду, что фаза — понятие большой общности, применимое к колебаниям любой природы. Физический смысл фазы заключается в том, что она позволяет характеризовать состояние колебательной системы в любой момент времени.

Анализируя выражение показывают, что значение колеблющейся величины q в любой момент времени t определяется аргументом функции (щt+ц0), который в этом уравнении и представляет собой фазу колебания в любой момент времени, а ц0 — начальная фаза колебания при t= 0. Зная время в секундах или долях периода, можно.