10.(16). Магнитные свойства вещества. Природа диа- , пара- , ферромагнетизма. Переменный ток. Сопротивление, емкость, индуктивность цепи переменного тока.

Раскрыть значение изучаемого материала для образования, развития и воспитания учащихся. Раскрыть содержание основных понятий и законов (электромагнитная индукция, правило Ленца, закон Фарадея, самоиндукция, индуктивность).

Описать методику введения одного из основных элементов знания (логика введения, учебный эксперимент).

Магнетиком наз любую среду независимо от огрегатного сост , котор способна намагничив под действ внешнего м/п или иначе под дейст внеш токов

Под дейст внеш токов в магнетике возб м/п , индук которого склад из 2- х частей:индукции внешнего поля и индук внутр, допол поля самого магн-ка. по свойств и способности намагничив все многообразие сред м \о разд на 3 части:

1)диамаг 2)парамаг 3)ферромагнет

В диамаг средах поле возбужд-ое в магнет имеет малую величну и индукия этого дополнит поля направлена на встречу индук внешнего поля или поля внешних токов .Поэтому результирполе в диамагнетике оказ немного слабее внеш поля

В парам средах дополнит индукц магнет так же имеет небольшую величину, но направлена в сторону индук внешнего поля.Поэтому результир индук несколько > индукции внешн поля

Ферромагн – это среды, вкоторых дополнит индук также направлена в сторону индук внешнего поля, те это разновид парамагнет.Но величина этой дополнит индук сильно превосх величину инд внешнего поля.

Магн св-ва магн м.б объяснены на основ идеи, котор высказал в 1820 г. Ампер, котор закл в том, что атомы и молек всех сркд обтекаются, элементар молекулярными токами, а если есть ток, то и есть м/п.Значит, атомы и молек, по идее Ампера, являются элемент магнитиками. Внешнее поле создает преимущественную ориентацию этих магнитиков и т.о создает допол внутр поле в магнитике.Если же в атоме или в молекуле есть несколько элементарных токов, кот ориентир так и имеют такую величину, что суммар магн момент в отсутсвии внеш поля равен нулю, то под влиянием внеш поля в таких атомах и молек индуцируются молекул токи, отличные от нуля и происходит намагничивание поля.

По соврем представ в состав атомов и молек входят электрн заряженные частицы – электроны, котор действит соверш орбит и спиновое движ и т.о представ собой элемент токи Рассчитаем гиромагнитное соотношение.

Предположим, что в атоме электр совешает орбит движение

- момент импульса орбит движ

Пусть электрон совешает кругов движ, т.е r=const

L=m*v*r

, где G –гирромагнитное соотношение.

Были осуществл разнообр опыты по опред гиромагнит соотнош. При исслед магнитомеханич явлений и оказалось, что отношение:

-2G=-2(1/2*e/m) – для гиромагнит опытов

Именно такое соотношение по квантов теории соответств спиновому движению.Отсюда след вывод, что намагничивание магнетиков обусловлено спиновым движен электронов

Введем важное понятие - - вектор намагничивания

По опред вектор намагничивания числено равен суммарному магнитному моменту элементарных токов в единице обЪема. Выразим вектор намагнич. ; -число атомов

В более общем случае, когда l и B сост некот угол

Введ понятие вектора напряж магн поля Н

Сформулир теорему о циркуляции вектора Н

Рассмот магнетик. Выделим в этом магн контур произв формы. Введем инд магнит поля.

Запишем -? и - ?

Для этого показ внеш токи

Изобразим 6 внутренних токов

При подсч сумы надо учитывать только те атомы, элементарные токи которых нанизаны на данный учасок контура интегрирования, т.е надо учит. токи тех атомов, котор наход внутри цилиндра имеющего длину данног участка контура и радиус равный радиусу элементарных токов. В начале предположим что элемент контура ориентирован вдоль вектора индукции

r – радиус цилиндрика, радиус элементарного тока.

сперва подсчитаем число элемент токов для участка контура длиной dl:

Для случая, когда вектор dl иB сост м/у собой некот угол, будем иметь:

Для всего замкн контура получим:

- з/н полного тока для вектора Н

- из этой форм след, что есть некот силовая характеристика, харак-ая суммарное магнитное … в магнетике, кот зависит только от внешних токов. Это силовая харак-ка получила назван напряжен.

Опыт и теория показ, что вектор намагничивания

Введем коэф пропорц - маг-ая восприимчивость . Подставим в формулу :

Коэф - магнит проницаемость

В случае диамагнетиков имеем:

- чуть меньше 0; - чуть меньше единицы

В случае парамагн имеем:

- чуть больше 0; - чуть больше единицы

В случае ферром-ов:

- значит больше 1 ( ), .

Переменный ток –это ток, изменяющийся с течением времени по закону синусов и косинусов.

Эффектив значен тока?

Запишем элементар работу, в тепло

- для пост тока. Тк - для переем тока

Тк =⅓

Сопоставляя и можем записать

Если велич пост тока I численно равна амплитуд знач. перемен тока деленному на , то тепловые дей-я за целые число периодов оказ-я один-ми поэтому вводится понятия эффектив знач тока

1) Омичское сопротив Рассм цепь содерж-ю чисто омическое сопротив, т.е такую цепь в котор нет ни конден, ни катушки индуктивности.

Для реш задач связан с цепями переем тока удобно использ метод векторных диаграмм

Пусть

Те фазы совпад. - з-н Ома для цепи квазистац тока

R- омич сопротивление

2) Индуктианое сопротив (чисто индуктивноке сопротивление)

Рассмотрим схему

Пусть

Фазы I и U не совпадают напряжение опережает ток на

Построим векторную диаграмму

где - з-н Ома для цепи содер индуктив сопрот

4) Емкостное сопротивление

Пусть:

Построим векторную диаграмму

Запишем з-нОма

Содержание темы «Магнитные свойства вещества» в программе общеобразовательной средней школы сформулировано очень кратко: «Магнитные свойства вещества. Ферромагнетики. Магнитная запись информации». Но материал о магнитных свойствах имеет важное научное значение и важен еще и тем, что магнитные материалы находят широкое практическое применение. Кроме того. при изучении магнитных свойств вещества получают дальнейшее развитие представления о связи электрических и магнитных явлений, о связи макроскопических процессов с микроструктурой вещества. История развития учения о магнитных свойствах вещества богата интересными и ценными в мировоззренческом и воспитательном отношении фактами. Обязательно надо сообщить учащимся о вкладе отечественных ученых (А.Г.Столетов, Я.И.Френкель, Л. Д. Ландау и др.) в изучение магнитных свойств вещества и в создание современной теории ферромагнетизма. Следует указать школьникам на то, что гипотеза Ампера о существовании замкнутых «элементарных токов», циркулирующих в проводниках, предвосхитила современную электронную теорию магнитных свойств атомов и молекул, да и вещества в целом.

При изучении этой темы учащимся сначала на опытах показывают различие свойств диа-, пара- и ферромагнетиков, а затем уже дают объяснение. Для объяснения процессов намагничивания и для характеристики магнитных свойств вещества целесообразно познакомить старшеклассников с понятием магнитной проницаемости и намагниченностью . Понятие магнитной проницаемости вещества можно ввести несколькими способами: по магнитному взаимодействию, по изменению вектора магнитной индукции и т. п. Но в любом случае надо разъяснить физический смысл этой величины: магнитная проницаемость показывает, во сколько раз индукция магнитного поля в однородной среде больше или меньше индукции магнитного поля в вакууме:

Полезно не только указать, но и показать графически, что у диа- и !парамагнетиков магнитная проницаемость не зависит от индукции внешнего поля и для каждого конкретного вещества является величиной постоянной, а ддя ферромагнетиков - зависит от внешнего поля.

Как же объяснить учащимся процессы намагничивания?

В парамагнитном образце магнитные моменты различных атомов направлены беспорядочно - суммарный магнитный момент равен нулю, поэтому образец ненамагничен. При помещении его во внешнее магнитное поле магнитные моменты атомов выстраиваются вдоль вектора магнитной индукции внешнего поля - образец намагничивается вдоль внешнего поля и внешнее поле усиливается.

Магнитный момент атома диамагнетика равен нулю. Но при внесении диамагнитного образца во внешнее магнитное поле в его атомах индуцируется ток, который направлен таким образом, что его магнитное поле противодействует внешнему полю, вызвавшему этот ток. Значит, образуются дополнительные магнитные моменты орбитальных электронов. При этом вектор магнитной индукции магнитного поля атомов в целом оказывается направленным противоположно вектору магнитной индукции внешнего поля - диамагнетик ослабляет внешнее поле.

Полученных знаний будет вполне достаточно для объяснения экспериментальных фактов: втягивание парамагнетиков в область более сильного магнитного поля и установление их вдоль вектора магнитной индукции внешнего поля; выталкивание диамагнетиков перпендикулярно вектору магнитной индукции внешнего поля.

Перед тем как разбирать свойства ферромагнетиков и анализировать кривую намагничивания ферромагнитных образцов, целесообразно рассмотреть графики намагничивания диа- и парамагнетиков и сформулировать их основные свойства. Все это позволит сразу же подчеркнуть особые свойства ферромагнетиков: остаточная намагниченность, гистерезисные явления, магнитострикция, зависимость ферромагнитных свойств от температуры (точка Кюри) и др. Болынинство перечисленных свойств может быть показано учащимся экспериментально. А вот в объяснении природы ферромагнетизма имеются определенные трудности. Дело в том, что магнитные свойства вещества в разделе школьного курса «Электродинамика» иногда пытаются излагать на основе классической теории магнетизма, созданной П.Ланжевеном (1908). Для объяснения же природы ферромагнетизма этой теории не-достаточно.

Рис. 67

Согласно квантовой теории ферромагнетизма в некоторых кристаллических веществах особое квантовое (обменное) взаимодействие электронов незаполненных слоев приводит к самопроизвольному (без внешнего поля) упорядочиванию спиновых магнитных моментов, т.е. к намагничиванию. Намагничивание происходит таким образом, что в образце появляются облас-спонтанного намагничивания, хотя суммарная намагниченсть всего кристаллического образца равна нулю. Область спонтанного намагничивания - домены - могут быть экспериментально обнаружены. Самый простой метод - метод порошковых фигур. Снимки доменной структуры для различных образцов необходимо показать учащимся. График зависимости намагниченности ферромагнетика от индукции внешнего магнитного поля рассматривают после введения представлений о доменной структуре. южная форма кривой намагниченности говорит о различных процессах в ферромагнетике на разных этапах его намагничивания (рис. 67). Школьники должны знать основные сведения о диа-, пара- и ферромагнетиках, но материал необходимо давать только опиисательно (феноменологически).

В ходе изучения магнитных свойств вещества для обобщения и систематизации знаний целесообразно предложить учащимся заполнить сводную таблицу по магнитным свойствам вещества, где показать носители магнитных свойств, механизм намагничивания, поведение образца в магнитном поле, степень эффекта, магнит-ю проницаемость и зависимость ее от внешнего поля, наличие маг насыщения для диа-, пара- и ферромагнетиков, а также обсудить возможности использования магнитных материалов в быту и технике. (Аналогичную таблицу можно составить и при учении электрических свойств вещества.)

Откр электромагнитной индукц произошло в 1831г. Автор открытия – Фарадей. Он осущестаил серию опытов. Суть явлен открытое Фарадеем закл в том, что появляется ток, кот назыв индукционным, только тогла, когда измен магн поток, прониз подключенный к прибору проводник( коньур). Расчеты приводят к формуле .

- скорость измен магн потока, прониз площадку, огран данным контуром. Если имеется кат-ка,то в одном витке надо умножить на число витков.

Вскоре после открытия Фарад В 1833г Петербургский акад Ленц, сформулир правило определяющее направ индукции.

Правило Ленца: Индукционныц ток формир свое магн поле, которое компенсир те измен внешн поля, котор этот ток наводит.

М/о дать более прост: Индукционный ток противод причине наводящей этот ток

Предмет педагогики - это наука об образовании, обучении и воспитании, организуемое в учебно-воспиталеьных и просветительных учреждениях. Воспитание это целенаправленный педагогический процесс организации стимулирования активной деятельности учащихся способствующее развитию их личности. Обучение это процесс взаимосвязанный организованной деятельностью ученика и учителя, направленные на решение конкретных педагогических задач по усвоению З.У.Н. и связанных с ними способов познавательной деятельности.

Образование это целостный законченный этап обучения позволяющий зафиксировать определенный уровень. Понятие методологии в широком смысле означает научное знание о деятельности в определенной области, о средствах, методах и результатах этой деят-ти. Методология педагогики это учение о педагогическом знании средствах и методах его добывания и практическое применение. Структура методологии педагогики: 1.система педагогических знаний(что изучать)а)предмет П., б)состав и функции П., в) взаимосвязь П. с др. науками, г) категории П. 2. Процесс научного познания (как изучать)а) методы научного пед. исследования и их взаимосвязь, б)имперический и теоретический уровень научных исследований. 3. Процесс использования пед знаний (как применить).

Методы пед исследований: 1.теоретические методы: изучение и анализ научной лит-ры, анализ документации, построение гипотизы моделирование, анализ архивных материалов; 2. Социальные методы: беседа, анкетирование, тестирование, обобщение независимых характеристик; 3. Имперические: наблюдение, самонаблюдение, пед.эксперимент, изучение передового пед.опыта. 4. Статистический: графический, матем-ий и др. в любом пед исследовании лежит идея положительного опыта 1. Репродуктивный (не содержит нового, но лишь воспроизводит то что выработано и проверено массовой практикой). 2. Творческий опыт (результат творческого поиска учителя на основе достижений науки, он представляет собой систему методов позволяющих повысить систему обучения и воспитания).3. Новаторский представляет собой новую систему пед.работы, новый уровень в обучении и воспитании. 4.Прожекторский - надуманная деятельность, рассчитанная на внешний эффект.

11.(15). Раскрыть физический смысл электромагнитных колебаний в колебательном контуре.

Электрический колебательный контур. Собственные колебания. Формула Томсона. Затухающие колебания. Вынужденные колебания Резонанс.

Система уравнений Максвелла в вакууме. Физический смысл каждого уравнения, и их связь с электромагнитными волнами радиодиапазона.

Сформулировать образовательное, развивающее и воспитательное значение для учащихся изучаемых вопросов.

Раскрыть методику формирования системы знаний об электромагнитных колебаний (последовательность введения основных понятий и законов, описание опытов, примеры физических задач). Описать структуру урока изучения нового материала об электромагнитных колебаниях.

Перебросим переключатель в 1-ое положение, конденсатор зарядится, появится электрическое поле между пластинами. Затем перебросим во 2-ое положение. В первый момент после замыкания этой цепи противо ЭДС в катушке в точности компенсирует напряжение на конденсаторе В результате ток оказывается равным нулю с течением времени напряжение на конденсаторе убывает, но противо ЭДС убывает чуть быстрее Ток возрастает. Энергия электрического поля по мере разрядки убывает, а энергия магнитного поля возрастает. В момент полной разрядки электрическое поле отсутсвует, энергия электрического поля в конденсаторе = 0, а ток в цепи достигает максимума и энергия магнитного поля оказывается масимально и равна энергии электрического поля до замыкания цепи. А далее ток убывает за счет распада магнитного поля имея первоначальное направление. Убывающее магнитное поле в катушке поддерживает ток первоначального направления и происходит перезарядка конденсатора. По мере перезарядки энергия электрического поля между пластинами достигает максимума, а энергия магнитного поля убывает до нуля. Т.о возникает периодические колебания.

; Составим уравнение:

(1) (2)

Получим дифференциальное уравнение в виде: (3), где - представляет собой некоторую константу, которая определяетя формулой в виде. (4)

Функция (4) ест решение уравнения ( 3). Из решения (4) видно, что есть циклическая частота. Следовательно заряд q совершает гармоническое колебание по закону .

Выразим (5), где (5а)

(6)где (6а)

Из решения следует, что напяжение, заряд, ток изменяются по гармоническому закону совершая колебания с частотой , но ток по фазе опережает фазу напряжения заряда на . Найдем отношение амплитуды напряжения на конденсаторе к амплитуде тока в контуре: (7)

Если в цепи колебательного контура отсутсвует омическое сопротивление, то колебания заряда, напряжения, тока оказываются не затухающими и могут длиться неограниченно долго, но это только в идиализированной задаче, когда нагревания проводов, на излучение электромагнитных волн и прочие. В реальных же условиях, когда все эти потери энергии (на тепло) в цепи имеют место колебания оказываются затухающими.

Подсчитаем энергию электростатического поля в конденсаторе и энергию магнитного поля в соленоиде и сопоставим эти энергии.

Запишем выражение заряда:

(8)

(8а)

(8б)

Т.о имеет место колебание энергии электрического и магнитного полей. Суммарная энергия при этом остается неизменной, а электрические и магнитные колеблются от максимального значения до нуля.

Мы рассмотрели свободные не затухающие колебания. Это идеализированных случай, который имеет место при отсутсвии каких-либо потерь в колебательном контуре. В реальных усл. всегда имеется потери энер, имеется какие-то сопрот, например, омическое сопрот в электрич цепях и сопр. трения в механич системе и т д. И колеб в реаль. усл всегда оказыв затухающ.

Рассм случай свободных затухающих колеб (т.е при наличии потерь)

Перебр переключ в 1-е полож, конденсатор заряд. Затем перебр во 2-е полож

| :L

- коэффициент затухания;

(9)

Ищем решение в виде (10), т.е. уравнение (9) – это дифференциальное уравнение, а уравнение (10) – решение этого урав, где (11)

; - колебаний не возникает

(12)

Выразим напряж:

(13), где (13а) и ток (14) , где (14а)

Изобразим эти затухаюие колебания граф.

Введем понятие логарифмического декремента затухания:

- логариф – Ий декремент затухания

Одной из важн харак4терист колеб контура при налич затух являет добротность колебательн контура.

(16), где - энерг одного полного колеб - убыль энерг за период.

Рассмотрим вынужденные колеб

Пусть . Основа урав закл в следующ выраж

Обозначим , то

Реш неоднор урав имеет вид

Первое слаг имеет сомнож e и с течением > пром времен затух, тогда установ процесс и

Представим графич

к формуле

Впервые вихревое элек поле наблюдалось и исследов Фарадеем в опытах по электромаг индукции. Он же сформ закон электромаг индук, котор в соврем виде записыв так: и который количеств описывает св-ва вихрев электр поля. Развивая идей Фарадея Максвелл через 30 лет придал этому закону несколько иной вид, котор в соврем физич назыв 1-ых интегр уравн Максвелла.

Форм носит назв 1-ой форм Максвелла в интегр форме

- харак вихривое электр поле и выраж велич циркул вектора Е вихрив элек поля вдоль произв контура l

- харак измен маг поля, опред скорость измен маг потока прониз площадку огран контуром l.

Из урав Максвелла следует важ вывод о том, что измен магн поле порожд вокруг себя вихрив элек поле

Разив идею Фарадея, Максв высказал генеаль предполож о существовании тока смещен связан с изменяющимся элек полем.

В пластинах конденс ток (т.е направ движ носит) будет течь по внешней части цеп. Внутри м/у пласт движ зарядов отсут, т.е как бы на внутр поверх пласт конден движен зарядов прекр. МАксв предполож, что внутри м/у пласт тоже сущ электр ток, но этот ток имеет др природу и связан с измен электр полем внутри конден.Этот ток Макв назвал током смещенияВыразим аелич тока смещен

Рассм что проих внутри конденсат: D –модуль вектора элек индук

Знач внутри пластин конден течет ток, сплотностью

Из сопостав Максв сделал вывод, что временная произв от электр индук, имеет смысл плотности какого-то тока. Максвелл назвал этот ток током смещен. Ток смещ по Макс связан с быстрот измен электр индук (элек смещения) D.Ток смещен, плотн которого равна G имеет место только тогда, когдо элек поле измен и плот тока смещ оказ равной D

Для сост 2-го урав Максв в интегр форме нужно восполь законом полного тока

Сучетом тока смещ закона полного тока надо запис в виде - для вакуума

это урав – втор урав Максвелла в интегр форме

Если токов провод нет, то

Токи проводим в сочетании с токами смещения формир вокруг себя м/п Перв слагаем в дает ток провод, а 2-ое слаг – ток смещ. А ток смещ представ собой скорость измен потока вектора электр индук или иначе скор измен потока вектора элек смещ

Вывод Измен элек поле формирвокруг себя вихрив маг поле

(теорема Остраградского- Гаусса)

вакуум Е = 1

- 3-е урав Максвал в интегр форме

В лев части поток вектора элек смещен ч/з замк поверх В праа части алгебр сумма зарядгов внутри данной поверх То смысл урав сост в след: Силовые линии элек поля разомк, они начин на отриц зарядах и закан на отриц или уход в бескон. Есть заряды – истоки (стоки) силовых линий, значит есть поток вектора электр индук. Нет зарядов (ни стоков, ни истоков) и нет потока D

- 4-ое урав Максв в интег форме Смысл урав закл в том, что силов линии м/п замк, не имеют ни начала ни конца, поэтому сколько линии входит в произв замкн поверх столько же выходит из нее. Поток равен нулю

Урав Максв в диф форме выраж связ маг и электр харак в данной точке поля.Не по контуру (площ, Объему), а в данной точке Для установ таких связей введ понят дивергенция и ротора

-расхожд

-вихрь

-перв урав Максв в диф форме

-втор урав Максв в диф форме

-третье урав Максв в диф форме

-4-ое урав Максв в диф форме

Исходя из Ур Максв , м/о прити к выводу о существ электром волн и о св-вах электром волн

Рассм процесс обр и распр злектром волны в 2-х првод линии Вокруг т. О1 формир электр поле, направление кот в т О навстречу исход полю

За счет раб генер пусть в данной т О созд электр поле с напряженностью Е и пусть оно возраст. Измен электр поле, представленный вектором есть ток смещ по 2-му урав Максв,который как и любой ток, формир вокруг себя м/п, силов линии котор охват вектор по прав буравчика, те распол в плоскости перпендик плоск 2-х провод линии.В т. О1 при этом порожд м/п, вект котор и вект изм м/п- вект .Изм маг поле представ вектором в обл О1, формир вокруг себя вихрев элек поле по 1-му урав Максв. Это индуцир вихрив элек/п компенсирует исх э/п в области О и порожд измен э/п в области О2. Изм элек поле в тО2 поржд вихрив м/п, котор компенсир исходное м/п в т О1 и фрмир новое вихрив э/п в обл О3 и тд Формир волна, распростр в плоскости линии со скоростью с. Это волна содер 2 состав:электр сост колебл в плоскости линии, магн сост- в перпенд плоскости. Возник 3 вектора

2)При изучении электромагнитных колебаний нужно постоянно привлекать школьников 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. Это облегчит и сделает более прочным усвоение аналогичных понятий, соотношений и закономерностей для колебаний различной природы, изучение которых разорвано во времени.

Изучая эту тему, учащиеся встречаются с рядом физических моделей - идеальной колебательной системой (колебательным контуром), гармоническими колебаниями системы. Смысл этих идеализаций, их необходимость должны быть осознаны учащимися.

Следует акцентировать внимание на том, что гармонический характер как свободных колебаний в колебательном контуре, лишенном сопротивления, так и колебаний математического маятника - идеализация, что в природе чисто гармонических движений не существует, но при определенных условиях колебания в системе с большой степенью точности можно рассматривать как гармонические. Эти условия в каждом из названных случаев следует обязательно оговаривать, чтобы в сознании школьников не отождествлялись идеализированные объекты с реальными, чтобы они осознавали границы применимости изучаемых закономерностей.

При изучении колебаний наряду с использованием графиков полезно изображать спектрограммы сигналов. В теории колебаний, в радиотехнике, акустике, оптике широко используют понятие о спектре. Учащихся обычно знакомят с этим понятием только при изучении оптики, и поэтому они не получают сколько-нибудь целостного представления о спектральном методе как важнейшем при изучении колебаний и волн любой природы. Если ввести понятие о спектре ранее, при изучении механических или электромагнитных колебаний, то оно может стать одним из основных понятий, которое красной нитью пройдет через изучение акустических явлений, рассмотрение физических основ телефонной и радиосвязи, а также оптических явлений и поможет понять сущность и значение самого спектрального метода.

Свободные электромагнитные колебания

Изучение свободных электромагнитных колебаний начинают с демонстрации колебаний в цепи, состоящей из катушки индуктивности и конденсатора. Колебания должны быть достаточно медленными, чтобы можно было наглядно наблюдать сами колебания и их затухание. Для этого период колебаний должен быть не менее 0,3-0,5 с и затухание по возможности малым.

Демонстрационную установку собирают по схеме (рис. 69, а), которую вычерчивают на доске. На установке (рис. 69, б)

показывают все детали схемы и соединения между ними. Наблюдение колебаний в цепи с катушкой и конденсатором сопровождают рядом вопросов в сочетании с объяснением. Указывают, что конденсатор и соединенная с ним катушка индуктивности образуют колебательный контур, который является колебательной системой. Выясняют, какую роль в установке играет источник (сообщает системе «толчок», т.е. первоначальный запас энергии, заряжая конденсатор).

Обращают внимание школьников на то, какие величины в этом процессе «колеблются» (заряд конденсатора, сила тока 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 1/4 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 колебательных системах.

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

Учитывая принятую в средней школе последовательность изучения свободных и вынужденных электромагнитных колебаний, а также имеющуюся ко времени изучения электромагнитных колебаний математическую подготовку учащихся, следует признать наиболее предпочтительным первый подход.

Чтобы эти упражнения не носили чисто математического характера, с самого начала целесообразно сопоставить рассматриваемые ситуации с реальным колебательным движением: на экран проецируют тени от шарика, движущегося по окружности, и гири, подвешенной на пружине. Частоту вращения шарика подбирают такой, чтобы колебания его тени на экране совпадали с колебаниями груза на пружине. Каждому положению тени (проекции шарика), а следовательно, и положению вертикального пружинного маятника соответствует определенное значение фазы (это предлагают школьникам изобразить на чертеже).

Изменяя скорость вращения центробежной машины с укрепленным на ее диске шариком, показывают школьникам, наблюдающим за движением его тени и тени пружинного маятника, колебания со сдвигом по фазе. На той же установке, укрепив на диске центробежной машины еще один шарик, наблюдают и оценивают разность фаз колебаний теней шариков и показывают, что с течением времени (в данном случае) она остается постоянной.

Школьникам предлагают следующую самостоятельную работу: наблюдая колебания двух маятников, демонстрируемые учителем, определить разность фаз колебаний этих маятников и изобразить графически зависимости координаты от времени в одной и той же системе координат (время на графиках при этом удобнее откладывать в долях периода). В результате такой работы учащиеся усваивают, что каждому состоянию колебательной системы, каждому значению колеблющейся величины соответствует своя фаза. Они должны научиться определять фазу и разность фаз колеблющихся величин. Понятие фазы закрепляют при изучении вынужденных электромагнитных колебаний, а затем электромагнитных волн.