Setzenergo.ru

Строительный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Переменный ток в осветительной сети квартир это вынужденные

Физика. 11 класс

Конспект урока

Физика, 11 класс

Урок 8. Переменный электрический ток

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Свойства переменного тока;

2) Понятия активного сопротивления, индуктивного и ёмкостного сопротивления;

3) Особенности переменного электрического тока на участке цепи с резистором;

4) Определение понятий: переменный электрический ток, активное сопротивление, индуктивное сопротивление, ёмкостное сопротивление.

Глоссарий по теме

Переменный электрический ток — это ток, периодически изменяющийся со временем.

Сопротивление элемента электрической цепи (резистора), в котором происходит превращение электрической энергии во внутреннюю называют активным сопротивлением.

Действующее значение силы переменного тока равно силе такого постоянного тока, при котором в проводнике выделяется то же количество теплоты, что и при переменном токе за то же время.

Величину ХC, обратную произведению ωC циклической частоты на электрическую ёмкость конденсатора, называют ёмкостным сопротивлением.

Величину ХL, равную произведению циклической частоты на индуктивность, называют индуктивным сопротивлением.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2014. – С. 86 – 95.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. — М.: Дрофа, 2014. – С. 128 – 132.

Степанова. Г.Н. Сборник задач по физике. 10-11 класс. М., Просвещение 1999 г.

Е.А. Марон, А.Е. Марон. Контрольные работы по физике. М., Просвещение, 2004

Основное содержание урока

Сейчас невозможно представить себе нашу цивилизацию без электричества. Телевизоры, холодильники, компьютеры – вся бытовая техника работает на нем. Основным источником энергии является переменный ток.

Электрический ток, питающий розетки в наших домах, является переменным А что это такое? Каковы его характеристики? Чем же переменный ток отличается от постоянного? Об этом мы поговорим на данном уроке.

В известном опыте Фарадея при движении полосового магнита относительно катушки появлялся ток, что фиксировалось стрелкой гальванометра, соединенного с катушкой. Если магнит привести колебательное движение относительно катушки, то стрелка гальванометра будет отклоняться то в одну сторону, то в другую – в зависимости от направления движения магнита. Это означает, что возникающий в катушке ток меняет свое направление. Такой ток называют переменным.

Электрический ток, периодически меняющийся со временем по модулю и направлению, называется переменным током.

Переменный электрический ток представляет собой электромагнитные вынужденные колебания. Переменный ток в отличие от постоянного имеет период, амплитуду и частоту.

Сила тока и напряжение меняются со временем по гармоническому закону, такой ток называется синусоидальным. В основном используется синусоидальный ток. Колебания тока можно наблюдать с помощью осциллографа.

Если напряжение на концах цепи будет меняться по гармоническому закону, то и напряженность внутри проводника будет так же меняться гармонически. Эти гармонические изменения напряженности поля, в свою очередь вызывают гармонические колебания упорядоченного движения свободных частиц и, следовательно, гармонические колебания силы тока. При изменении напряжения на концах цепи, в ней с очень большой скоростью распространяется электрическое поле. Сила переменного тока практически во всех сечениях проводника одинакова потому, что время распространения электромагнитного поля превышает период колебаний.

Рассмотрим процессы, происходящие в проводнике, включенном в цепь переменного тока. Сопротивление проводника, в котором происходит превращение электрической энергии во внутреннюю энергию, называют активным. При изменении напряжения на концах цепи по гармоническому закону, точно так же меняется напряженность электрического поля и в цепи появляется переменный ток.

При наличии такого сопротивления колебания силы тока и напряжения совпадают по фазе в любой момент времени.

— мгновенное значение силы тока;

m— амплитудное значение силы тока.

– колебания напряжения на концах цепи.

Колебания ЭДС индукции определяются формулами:

При совпадении фазы колебаний силы тока и напряжения мгновенная мощность равна произведению мгновенных значений силы тока и напряжения. Среднее значение мощности равно половине произведения квадрата амплитуды силы тока и активного сопротивления.

Часто к параметрам и характеристикам переменного тока относят действующие значения. Напряжение, ток или ЭДС, которая действует в цепи в каждый момент времени — мгновенное значение (помечают строчными буквами — і, u, e). Однако оценивать переменный ток, совершенную им работу, создаваемое тепло сложно рассчитывать по мгновенному значению, так как оно постоянно меняется. Поэтому применяют действующее, которое характеризует силу постоянного тока, выделяющего за время прохождения по проводнику столько же тепла, сколько это делает переменный.

Действующее значение силы переменного тока равно силе такого постоянного тока, при котором в проводнике выделяется то же количество теплоты, что и при переменном токе за то же время.

Um — амплитудное значение напряжения.

Действующие значения силы тока и напряжения:

Электрическая аппаратура в цепях переменного тока показывает именно действующие значения измеряемых величин.

Конденсатор включенный в электрическую цепь оказывает сопротивление прохождению тока. Это сопротивление называют ёмкостным.

Величину ХC, обратную произведению циклической частоты на электрическую ёмкость конденсатора, называют ёмкостным сопротивлением.

Ёмкостное сопротивление не является постоянной величиной. Мы видим, что конденсатор оказывает бесконечно большое сопротивление постоянному току.

Если включить в электрическую цепь катушку индуктивности, то она будет влиять на прохождение тока в цепи, т.е. оказывать сопротивление току. Это можно объяснить явлением самоиндукции.

Величину ХL, равную произведению циклической частоты на индуктивность, называют индуктивным сопротивлением.

Если частота равна нулю, то индуктивное сопротивление тоже равно нулю.

При увеличении напряжения в цепи переменного тока сила тока будет увеличиваться так же, как и при постоянном токе. В цепи переменного тока содержащем активное сопротивление, конденсатор и катушка индуктивности будет оказываться сопротивление току. Сопротивление оказывает и катушка индуктивности, и конденсатор, и резистор. При расчёте общего сопротивления всё это надо учитывать. Основываясь на этом закон Ома для переменного тока формулируется следующим образом: значение тока в цепи переменного тока прямо пропорционально напряжению в цепи и обратно пропорционально полному сопротивлению цепи.

Если цепь содержит активное сопротивление, катушку и конденсатор соединенные последовательно, то полное сопротивление равно

Закон Ома для электрической цепи переменного тока записывается имеет вид:

Преимущество применения переменного тока заключается в том, что он передаётся потребителю с меньшими потерями.

В электрической цепи постоянного тока зная напряжение на зажимах потребителя и протекающий ток можем легко определить потребляемую мощность, умножив величину тока на напряжение. В цепи переменного тока мощность равна произведению напряжения на силу тока и на коэффициент мощности.

Мощность цепи переменного тока

Величина cosφ – называется коэффициентом мощности

Коэффициент мощности показывает какая часть энергии преобразуется в другие виды. Коэффициент мощности находят с помощью фазометров. Уменьшение коэффициента мощности приводит к увеличению тепловых потерь. Для повышения коэффициента мощности электродвигателей параллельно им подключают конденсаторы. Конденсатор и катушка индуктивности в цепи переменного тока создают противоположные сдвиги фаз. При одновременном включении конденсатора и катушки индуктивности происходит взаимная компенсация сдвига фаз и повышение коэффициента мощности. Повышение коэффициента мощности является важной народнохозяйственной задачей.

Читать еще:  Выключатель подсветки двери шкафа

Разбор типовых тренировочных заданий

1. Рамка вращается в однородном магнитном поле. ЭДС индукции, возникающая в рамке, изменяется по закону e=80 sin 25πt. Определите время одного оборота рамки.

Дано: e=80 sin 25πt.

Колебания ЭДС индукции в цепи переменного тока происходят по гармоническому закону

Согласно данным нашей задачи:

Время одного оборота, т.е. период связан с циклической частотой формулой:

Подставляем числовые данные:

2. Чему равна амплитуда силы тока в цепи переменного тока частотой 50 Гц, содержащей последовательно соединенные активное сопротивление 1 кОм и конденсатор емкости С = 1 мкФ, если действующее значение напряжения сети, к которой подключен участок цепи, равно 220 В?

Напишем закон Ома для переменного тока:

Для амплитудных значений силы тока и напряжения, мы можем записать Im=Um/Z?

Полное сопротивление цепи равно:

Подставляя числовые данные находим полное сопротивление Z≈3300 Ом. Так как действующее значение напряжения равно:

то после вычислений получаем Im ≈0,09 Ом.

2. Установите соответствие между физической величиной и прибором для измерения.

Техническое использование переменного тока.

§ 31. Переменный электрический ток

Свободные электромагнитные колебания в контуре быстро затухают, и поэтому они практически не используются. Напротив, незатухающие вынужденные колебания имеют огромное практическое значение.

Переменный ток в осветительной сети квартиры, применяемый на заводах и фабриках и т. д., представляет собой не что иное, как вынужденные электромагнитные колебания. Сила тока и напряжение меняются со временем по гармоническому закону.

Колебания напряжения легко обнаружить с помощью осциллографа. Если на вертикально отклоняющие пластины осциллографа подать напряжение от сети, то временная развертка на экране будет представлять собой синусоиду (рис. 4.8). Зная скорость движения луча по экрану в горизонтальном направлении (она определяется частотой пилообразного напряжения), можно вычислить частоту колебаний. Частота переменного тока — это число колебаний в 1 с. Стандартная частота промышленного переменного тока равна 50 Гц. Это означает, что на протяжении 1 с ток 50 раз идет в одну сторону и 50 раз — в противоположную. Частота 50 Гц принята для промышленного тока во многих странах мира. В США принята частота 60 Гц.

Если напряжение на концах цепи меняется по гармоническому закону, то и напряженность электрического поля внутри проводников будет также меняться гармонически. Эти гармонические изменения напряженности поля, в свою очередь, вызывают гармонические колебания скорости упорядоченного движения заряженных частиц и, следовательно, гармонические колебания силы тока.

Но при изменении напряжения на концах цепи электрическое поле не меняется мгновенно во всей цепи. Изменения поля распространяются хотя и с очень большой, но не с бесконечно большой скоростью.

Однако, если время распространения изменений поля в цепи много меньше периода колебаний напряжения, можно считать, что электрическое поле во всей цепи сразу же меняется при изменении напряжения на концах цепи. При этом сила тока в данный момент времени будет иметь практически одно и то же значение во всех сечениях неразветвленной цепи.

Переменное напряжение в гнездах розетки осветительной сети создается генераторами на электростанциях. Проволочную рамку, вращающуюся в постоянном однородном магнитном поле, можно рассматривать как простейшую модель генератора переменного тока. Поток магнитной индукции Ф, пронизывающий проволочную рамку площадью S, пропорционален косинусу угла α между нормалью к рамке и вектором магнитной индукции (рис. 4.9):

При равномерном вращении рамки угол α увеличивается прямо пропорционально времени:

где ω — угловая скорость вращения рамки. Поток магнитной индукции меняется по гармоническому закону:

Здесь величина ω играет уже роль циклической частоты.

Согласно закону электромагнитной индукции ЭДС индукции в рамке равна взятой со знаком «-» скорости изменения потока магнитной индукции, т. е. производной потока магнитной индукции по времени:

е = -Ф’ = -BS (cos ωt)’ = BSω • sin ωt = m sin ωt,

где = m = BSω — амплитуда ЭДС индукции.

Если к рамке подключить колебательный контур, то угловая скорость ω вращения рамки определит частоту со колебаний значений ЭДС, напряжения на различных участках цепи и силы тока.

Мы будем изучать в дальнейшем вынужденные электрические колебания, происходящие в цепях под действием напряжения, меняющегося с циклической частотой ω по закону синуса или косинуса:

u = Um cos ωt, (4.14)

где Um — амплитуда напряжения, т. е. максимальное по модулю значение напряжения.

Если напряжение меняется с циклической частотой ω, то и сила тока в цепи будет меняться с той же частотой. Но колебания силы тока не обязательно должны совпадать по фазе с колебаниями напряжения. Поэтому в общем случае сила тока i в любой момент времени (мгновенное значение силы тока) определяется по формуле

i = Im sin (ωt + φс). (4.15)

Здесь Im — амплитуда силы тока, т. е. максимальное по модулю значение силы тока, а φс — разность (сдвиг) фаз между колебаниями силы тока и напряжения.

В промышленных цепях переменного тока сила тока и напряжение меняются гармонически с частотой v = 50 Гц. Переменное напряжение на концах цепи создается генераторами на электростанциях.

Вопросы к параграфу

1. При каких условиях в электрической цепи возникают вынужденные электромагнитные колебания?

2. Одинаково ли мгновенное значение силы переменного тока в данный момент времени во всех участках неразветвленной цепи?

Как устроена электропроводка в квартире? Общие принципы

Идея статьи о бытовой электропроводке возникла, когда я в очередной раз объяснял знакомым устройство тройного выключателя для санузла. Я и хотел рассказать об этом выключателе, вызывающем вопросы у неспециалистов. И поняв, что означенный выключатель — штука простая, если понимаешь принципы устройства электропроводки, решил зайти издалека.

Сравним электрический ток с током воды. Вода течет по трубе к турбине и, вращая ее, утекает по второй (отходящей) трубе. Если вторую трубу перекрыть, ток воды прекратится и турбина вращаться перестанет.

Электрический ток работает совершенно аналогично.

  • Здесь есть «подающая труба» — фазный провод, при прикосновении к которому светится индикатор напряжения.
  • Есть «отводящая труба» — рабочий ноль, по которому ток «утекает» от «турбины» — прибора.

Если, например, рабочий ноль оборван, ток в цепи исчезает. Но напряжение на приборе сохраняется (турбина остается залита водой, и стоит появиться пути оттока, как «вода» снова потечет).

На самом деле все несколько сложнее. От электрощитовой к квартирам идет не один фазный провод, а три. Возвращаясь к нашему сравнению: по трем трубам вода течет, через одну утекает обратно. Это стандартная пятипроводная схема: три фазы и рабочий ноль. Есть еще заземляющий провод, но о заземлении разговор отдельный. Пока представим, что его нет. Между любыми разными фазами напряжение составляет 380 вольт, между любой фазой и нулевым проводом («нулем») 220 вольт. Фаза, ноль и заземление — то самое, с чего мы начали и что приходит в вашу квартиру.

Читать еще:  Выключатель света заднего хода краз

Как правило, горожане имеют дело со следующей схемой электропроводки.

Каждый подъезд питается кабелем, состоящим из 4 или 5 жил. Три фазы и ноль присутствуют всегда, отдельного заземляющего провода в старых домах может не быть.

В электрощитовой дома есть автоматические выключатели, питающие «квартирные» линии. Обычно по одному на каждый подъезд. Автоматы обесточивают линию в случае короткого замыкания или перегрузки (если мощность электроприборов превышает допустимую).

Четырехжильный кабель подключен:

  • тремя жилами — к трем клеммам автоматического выключателя;
  • нулевой жилой — к нулевой клемме либо (в старых домах) прямо к корпусу электрощита.

Кабель проложен через подвал и оттуда поднимается по стояку, проходя через расположенные на этажах распределительные электрощиты.

Внимание! С этого момента начинается практическая часть. Электрооборудование, с которым имеют дело жители, начинается именно с электрощита.

Здесь можно увидеть тянущиеся снизу вверх толстые изолированные жилы, от которых идут ответвления к оборудованию щита. Конкретный способ коммутации отличается в зависимости от типа дома, поэтому я буду говорить о некоем условном варианте. Для понимания важен не конкретный метод, а принцип.

Через щит проходят три фазы и ноль. Заземление мы для простоты опускаем.

Для работы бытовых электроприборов нужны одна фаза и ноль (помните: труба, подающая воду, и труба отводящая?). Следовательно, один из фазных проводов имеет участок, где с него снята изоляция для подключения проводов, подающих ток к квартирам.

Место подключения может быть как открытым (например, оголенная жила просто притягивается клеммой к шине, от которой отходят провода, питающие квартиры), так и закрытым (например, пластиковым «орешком», внутри которого отходящие провода присоединены к питающей жиле опять-таки клеммой). Если фазный провод случайно соединится с нулевым, произойдет короткое замыкание; попадание фазы на корпус электрощита смертельно опасно для прикоснувшегося к нему человека (это то же самое, что коснуться оголенного провода). Потому фазы всегда изолированы от корпуса.

А вот нулевой провод, наоборот, часто соединяется с корпусом щита.

Предположим, что на этаже у нас три квартиры. К каждой из них от шин отходят одна фазная и одна нулевая жилы. Обе жилы подключены к входным клеммам УЗО — устройства защитного отключения (в старых домах его может не быть вообще, например, в моем доме 80-х годов постройки УЗО нет). Два провода вошли сверху, два вышли снизу к электросчетчику. При необходимости УЗО можно отключить, обесточив электросчетчик и всю квартиру сразу.

От счетчика фазный провод идет ко входам однофазных автоматических выключателей, соединяясь специальными перемычками со входами всех автоматов (при необходимости с их помощью можно «разорвать» фазу, обесточив нужную линию в квартире), нулевой же провод подключается к колодке или клеммнику (обычно он расположен рядом с автоматами или над ними).

Вся электропроводка квартиры разделена на несколько линий или групп. Чаще всего это розеточная группа, световая (питающая люстры) и линия для электроплиты. Бывает иначе, но я рассматриваю типовую «усредненную» схему. К каждой линии поступают от электрощита фаза и ноль. Условно говоря, от квартиры к щиту протянуты в перекрытиях по трехжильному проводу от каждой группы.

К щиту провода спускаются по проложенным в стене каналам и подключаются по стандартной схеме:

  • одна жила — к выходу автоматического выключателя (сверху автомата — вход, снизу — выход);
  • вторая — к одной из свободных клемм нулевой колодки или клеммника.

То есть с одной стороны к колодке подходит питающий нулевой провод от счетчика, с другой — отходящие провода на квартирные линии. То же и с автоматами, только здесь каждая линия подключается к своему, отдельному автомату.

Автоматические выключатели
Фото: Sid74, pixabay.com

С автоматическими выключателями все мы имеем дело, если нужно обесточить квартиру. Или от чрезмерной нагрузки «выбило пробки» — хотя собственно пробки остались в совсем старых домах, многие называют так автоматические выключатели. Тогда мы выходим на лестничную площадку и включаем или выключаем автоматические выключатели.

Итак, в квартиру идут две жилы: нулевая от нулевой колодки и фазная от автоматического выключателя. И так три раза, три группы: розетки, освещение и электроплита.

В квартире провод, питающий электроплиту (его легко определить: он толще других), идет, не разветвляясь, к розетке плиты. Две других группы разветвляются на ряд линий, идущих к осветительным приборам и розеткам. Световые провода проложены в перекрытиях, частично в стенах: там, где провод опускается к выключателю. Розеточные могут проходить по-разному, в современных домах, как правило, они также спускаются от потолка внутри стены к каждой розетке. В домах постройки 60−80-х годов по-разному. Общий ориентир: расположение розеток. Обычно провода спускаются сверху там, где розетки расположены высоко (примерно в метре) над полом. Если они установлены над самым плинтусом, провода скорее всего проложены в полу.

Естественно, проводка не представляет собой один цельный провод. Линии много раз разветвляются и соединяются. Происходит все это в распаячных коробках, вмурованных в стену (пластиковых, в старых домах — металлических) или просто в полостях стены под потолком. Обычно такие места закрыты металлическими крышками и легко определяются под обоями простукиванием.

В большинстве случаев от одного автомата запитаны все розетки, кроме одной: расположенной в блоке выключателей санузла (часто здесь же включается свет и на кухне). Эта розетка запитана от «светового» автомата вместе с остальным освещением.

Если установлена дополнительная розетка в ванной, она может быть подключена к любой группе, а также иметь вообще отдельный автомат. Если вам понадобится проводить с ней какие-то манипуляции, не полагайтесь на случай. Убедитесь, что вы ее действительно обесточили. Включите в розетку настольную лампу и при горящей лампе выключайте автомат. Лампа погасла? Вы отключили то, что нужно!

Тем не менее «инструкции написаны кровью» — а потому обязательно убедитесь в отсутствии напряжения при помощи указателя напряжения (индикатора). Учтите, что многие розетки защищены от «несанкцинированного втыкания» посторонних предметов детьми. Гнезда розетки закрыты шторкой, которая открывается при одновременном втыкании двух штырей (как и происходит при включении вилки). Так что, пользуясь индикатором, убедитесь, что действительно достали до клемм. Лучше всего проверять индикатором розетку со снятой крышкой.

Может оказаться и так, что в квартире несколько розеточных групп, запитанных от разных автоматов. Например, отдельная линия может идти на розетки кухни или санузла, могут быть проложены отдельные линии на каждую комнату (модная схема, особенно при самостоятельном монтаже проводки). Бывают и переделки стандартной вроде бы схемы — например, вынужденные, при устранении неисправностей.

Читать еще:  Makel mimoza выключатель одноклавишный с подсветкой

Так что если не уверены в том, что правильно понимаете устройство электропроводки, лучше обратиться к специалистам. Хотя и они иногда разводят руками, видя творение безвестного электромонтажника…

Какие превращения энергии происходят при гармонических колебаниях. Превращение энергии при механических колебаниях. Свободные и вынужденные колебания. Резонанс. Превращение энергии при гармонических колебаниях

При колебаниях математического маятника полная энергия системы складывается из кинетической энергии материальной точки (шарика) и потенциальной энергии материальной точки в поле сил тяготения. При колебаниях пружинного маятника полная энергия складывается из кинетической энергии шарика и потенциальной энергии упругой деформации пружины:

При прохождении положения равновесия и в первом и во втором маятнике кинетическая энергия шарика достигает максимального значения, потенциальная энергия системы равна нулю. При колебаниях происходит периодическое превращение кинетической энергии в потенциальную энергию системы, полная энергия системы при этом остается неизменной, если отсутствуют силы сопротивления (закон сохранения механической энергии). Например, для пружинного маятника можно записать:

В колебательном контуре (рис.14.1.с) полная энергия системы складывается из энергии заряженного конденсатора (энергии электрического поля )и энергии катушки с током (энергии магнитного поля . Когда заряд конденсатора максимален, ток в катушке равен нулю (см. формулы 14.11 и 14.12), энергия электрического поля конденсатора максимальна, энергия магнитного поля катушки равна нулю. В момент времени, когда заряд конденсатора равен нулю, ток в катушке максимален, энергия электрического поля конденсатора равна нулю, энергия магнитного поля катушки максимальна. Также как и в механических осцилляторах, в колебательном контуре происходит периодическое превращение энергии электрического поля в энергию магнитного поля, полная энергия системы при этом остается неизменной, если отсутствует активное сопротивление R . Можно записать:

. (14.15)

Если в процессе колебаний на математический или на пружинный маятник действуют внешние силы сопротивления, а в цепи колебательного контура есть активное сопротивление R , энергия колебаний, а значит, и амплитуда колебаний будут уменьшаться. Такие колебания называются затухающими колебаниями , на рисунке 14.2 приведен график зависимости колеблющейся величины Х от времени.

§ 16. Переменный электрический ток.

С источниками постоянного тока мы уже знакомы, знаем, для чего они нужны, знаем законы постоянного тока. Но гораздо большее практическое значение в нашей жизни имеет переменный электрический ток, который используется в быту, на производстве и других областях человеческой деятельности. Сила тока и напряжение переменного тока (например, в осветительной сети нашей квартиры) меняются со временем по гармоническому закону. Частота промышленного переменного тока – 50Гц. Источники переменного тока разнообразны по своему устройству и характеристикам. Проволочную рамку, вращающуюся в постоянном однородном магнитном поле, можно рассматривать как простейшую модель генератора переменного тока. На рис.14.3 рамка вращается вокруг вертикальной оси ОО , перпендикулярной силовым линиям магнитного поля, с постоянной угловой скоростью . Угол α между вектором и нормалью меняется по закону , магнитный поток через поверхность S , ограниченную рамкой, меняется со временем, в рамке возникает ЭДС индукции.

Механическими колебаниями называют движения тела, повторяющиеся точно или приблизительно через одинаковые промежутки времени. Основными характеристиками механических колебаний являются: смещение, амплитуда, частота, период. Смещение — это отклонение тела от положения равновесия. Амплитуда — модуль максимального отклонения от положения равновесия. Частота — число полных колебаний, совершаемых в единицу времени. Период — время одного полного колебания, т. е. минимальный промежуток времени, через который происходит повторение процесса. Период и частота связаны соотношением: v = 1/Т. Простейший вид колебательного движения — гармонические колебания, при которых колеблющаяся величина изменяется со временем по закону синуса или косинуса (рис. 9). Свободными называют колебания, которые совершаются за счет первоначально сообщенной энергии при последующем отсутствии внешних воздействий на систему, совершающую колебания. Например, колебания груза на нити (рис. 10). Рассмотрим процесс превращения энергии на примере колебаний груза на нити (см. рис. 10). При отклонении маятника от положения равновесия он поднимается на высоту h относительно нулевого уровня, следовательно, в точке А маятник
обладает потенциальной энергией mgh. При движении к положению равновесия, к точке О, уменьшается высота до нуля, а скорость груза увеличивается, и в точке О вся потенциальная энергия mgh превратится в кинетическую энергию mv^2/2. В положении равновесия кинетическая энергия имеет максимальное значение, а потенциальная энергия минимальна. После прохождения положения равновесия происходит превращение кинетической энергии в потенциальную, скорость маятника уменьшается и при максимальном отклонении от положения равновесия становится равной нулю. При колебательном движении всегда происходят периодические превращения его кинетической и потенциальной энергии.
При свободных механических колебаниях неизбежно происходит потеря энергии на преодоление сил сопротивления. Если колебания происходят под действием периодической внешней силы, то такие колебания называют вынужденными. Например, родители раскачивают ребенка на качелях, поршень движется в цилиндре двигателя автомобиля, колеблются нож электробритвы и игла швейной машины. Характер вынужденных колебаний зависит от характера действия внешней силы, от ее величины, направления, частоты действия и не зависит от размеров и свойств колеблющегося тела. Например, фундамент мотора, на котором он закреплен, совершает вынужденные колебания с частотой, определяемой только числом оборотов мотора, и не зависит от размеров фундамента.


При совпадении частоты внешней силы и частоты собственных колебаний тела амплитуда вынужденных колебаний резко возрастает. Такое явление называют механическим резонансом. Графически зависимость амплитуды вынужденных колебаний от частоты действия внешней силы показана на рисунке 11.
Явление резонанса может быть причиной разрушения машин, зданий, мостов, если собственные их частоты совпадают с частотой периодически действующей силы. Поэтому, например, двигатели в автомобилях устанавливают на специальных амортизаторах, а воинским подразделениям при движении по мосту запрещается идти «в ногу».
При отсутствии трения амплитуда вынужденных колебаний при резонансе должна возрастать со временем неограниченно. В реальных системах амплитуда в установившемся режиме резонанса определяется условием потерь энергии в течение периода и работы внешней силы за то же время. Чем меньше трение, тем больше амплитуда при резонансе.

Превращение энергии при колебательном движении.

Тип урока : комбинированный.

Образовательная: Изучить возможные превращения энергии в колебательных системах. Подтвердить справедливость закона сохранения механической энергии в колебательных системах. Понять взаимосвязь физических величин при колебательном процессе.

Воспитательная : внести максимализм в мотивы социального поведения для достижения определенной цели посредством решения экспериментальных задач.

Развивающая : развитие некоторых элементов умственной деятельности: умение выдвигать гипотезы, умение проверять гипотезы, наблюдать, делать выводы.

Оборудование к уроку: математический маятник, пружинный маятник, штатив, линейка, секундомер.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector