Giáo án Vật lý 12 nâng cao - Bài 29+30: Dao động điện từ

BÀI 29 - 30 : DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ
I / MỤC TIÊU :
Hiểu cấu tạo của mạch dao động LC và khái niệm dao động điện từ.
Thiết lập của công thức về dao động điện từ riêng của mạch LC (các biểu thức phụ thuộc thời gian của điện tích, cường độ dòng điện, hiệu điện thế, năng lượng điện từ)
Hiểu nguyên nhân làm tắt dần dao động và nguyên tắc tạo ra dao động duy trì.
Hiểu sự tương tự điện - cơ.
II / CHUẨN BỊ :
1 / Giáo viên :
Vẽ trên giấy khổ lớn Hình 29.1b và hình minh họa dao động điện từ tắt dần (hình 29.5 SGK)
2 / Học sinh :
- Ôn lại dao động cơ học ( Dao động cơ học, dao động tắt dần, dao động duy trì ).
- Ôn lại định luật Ôm cho các loại mạch điện, năng lượng tụ điện tích điện ( năng lượng điện trường) và năng lượng ống dây có dòng điện (năng lượng từ trường )
III / NỘI DUNG :
1. Dao động điện trong mạch LC.
Mạch LC gồm một tụ điện có điện dung C mắc nối tiếp với một cuộn dây thuần cảm có độ tự cảm L thành một mạch điện kín. Mạch LC còn được gọi là mạch dao động.
Muốn cho mạch dao động hoạt động, ta tích điện cho tụ điện rồi cho nó phóng điện trong mạch, tạo nên dòng điện có cường độ biến thiên tuần hoàn trong mạch, hiệu điện thế giữa hai bản của tụ điện và giữa 2 đầu cuộn cảm biến đổi tuần hoàn. Quá trình này gọi là dao động điện. 
2. Khảo sát định lượng dao động điện trong mạch dao động C.
Chọn chiều dương trong mạch là chiều đi qua cuộn cảm từ B đến A như hình vẽ. Nếu dòng điện chạy theo chiều đó thì cường độ i > 0 , nếu đi theo chiều ngược lại thì i < 0.
Ta có : i = q’
Dòng điện i chạy trong cuộn cảm sinh ra suất điện động tự cảm :
e = -L (1)
Theo định luật Ôm :
uAB = e – r.i	{r = 0 vì cuộn dây thuần cảm 
=> uAB = e = -L	(2)
Mặt khác, uAB cũng là hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện, nên ta có :
uAB = 	(3)
Từ (1), (2) và (3), suy ra :
 = -L = -Lq”
=> q” + .q = 0	(4)
Pt (4) có nghiệm : q = qocos(wt + j)
Vậy điện tích của bản A biến đổi điều hòa theo thời gian với tần số góc w = 
Cường độ dòng điện chạy trong cuộn cảm và hiệu điện thế uAB giữa hai bản tụ điện cũng biến đổi điều hòa theo thời gian với cùng tần số góc w :
i = q’ = -wqosin(wt + j)
uAB = cos(wt + j)
Nếu trong quá trình xảy ra dao động không có tác dụng điện từ bên ngoài lên mạch LC thì dao động đó là dao động điện tự do (dao động riêng) của mạch dao động LC.
Sự biến thiên tuần hoàn của điện trường giữa hai bản tụ và từ trường trong cuộn cảm trong mạch dao động được gọi là dao động điện từ.
Chu kỳ và tần số dao động riêng của dao động điện từ tự do của mạch dao động LC là :
T = và f = 
3. Năng lượng điện từ của mạch dao động LC
Trong quá trình dao động điện từ, năng lượng điện từ (năng lượng toàn phần) của mạch dao động là tổng năng lượng điện trường tích lũy trong tụ điện (WC) và năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn cảm (WL)
WC = (wt + j)
WL = sin2(wt + j)
Năng lượng điện từ : 
W = WC + WL = =const
Vậy : trong quá trình dao động điện từ, có sự chuyển đổi từ năng lượng điện trường thành năng lượng từ trường và ngược lại, nhưng tổng của chúng thì không đổi.
4. Dao động điện từ tắt dần :
Dao động điện từ tắt dần trong mạch dao động LC là : dao động điện từ có các biên độ dao động của điện tích, của cường độ dòng điện và của hiệu điện thế giảm dần theo thời gian.
Nguyên nhân là do trong thực tế, các mạch dao động LC đều có điện trở R nên trong mạch luôn có nhiệt lượng tỏa ra làm năng lượng toàn phần bị giảm liên tục.
5. Dao động điện từ duy trì :
Dao động điện từ duy trì là dao động điện từ của mạch dao động đã được bù đắp năng lượng để nó không bị tắt dần.
Cách phổ biến để tạo ra dao động điện từ duy trì là dùng mạch tranzito. Máy tạo ra dao động duy trì còn gọi là máy phát dao động dùng tranzito.
IV / GỢI Ý VỀ TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG DẠY - HỌC :
Hoạt động của học sinh
Hoạt động của giáo viên
Hoạt động 1 :
HS : Điện trường.
HS : Từ trường.
HS : Là mạch điện khép kín gồm một tụ điện có điện dung C và một cuộn dây thuần cảm có độ tự cảm L.
HS : Hiệu điện thế
HS : Tụ điện sẽ phóng điện và tạo nên dòng điện.
HS : Biến thiên tuần hoàn.
HS : Biến thiên tuần hoàn.
Hoạt động 2 : 
HS : i = =q’
HS : e = - L
HS : uAB = e – r.i = e
HS : uAB = 
HS : q” + .q = 0	
HS : q = qocos(wt + j)
HS : Nêu định nghia dao động diện từ ?
HS : T = và f = 
Hoạt động 3 : 
HS : WC = (wt + j)
HS : WL = sin2(wt + j)
HS : W = WC + WL = =const
HS : Trong quá trình dao động điện từ, có sự chuyển đổi từ năng lượng điện trường thành năng lượng từ trường và ngược lại, nhưng tổng của chúng thì không đổi. 
Hoạt động 4 : 
HS : Nêu kết luận.
HS : Nêu kết luận
Hoạt động 5 : 
HS : Phương trình vi phân
HS : Tần số góc
HS : Phương trình dao động điều hòa
HS : Phương trình vận tốc
HS : Năng lượng
GV : Khi một tụ điện tích điện thì nó năng lượng gì ?
GV : Khi một cuộn cảm mang dòng điện thì nó tích lũy năng lượng gì ?
GV : Quan sát hình 29.1a và nêu định nghĩa mạch dao động ?
GV : Nếu ban đầu ta tích điện cho tụ điện C thì trong mạch giữa hai bản tụ điện xuất hiện cái gì ?
GV : Khi nối tụ điện với cuộn dây L thì xuất hiện tượng gì ?
GV : Dòng điện này có đặc điểm gì ?
GV : Hiệu điện thế giữa hai đầu cuộn dây và giữ hai bản tụ điện có đặc điểm gì ?
GV : Em hãy cho biết biểu thức cường độ dòng điện qua mạch ?
GV : Em hãy cho biết biểu thức suất điện động tự cảm ?
GV : Em hãy cho biết biểu thức hiệu điện thế ở hai đầu đoạn mạch ?
GV : Em hãy cho biết biểu thức hiệu điện thế ở hai đầu tụ điện ?
GV : Hướng dẫn học sinh biến đổi để dẫn tới phương trình vi phân bậc 2 ?
GV : Giới thiệu nghiệm của phương trình vi phân bậc 2 ?
GV : Dao động diện từ là gì ?
GV : Viết công thức chu kỳ và tần số dao động riêng của dao động điện từ tự do của mạch dao động LC ?
GV : Em hãy cho biết biểu thức năng lượng điện trường ( WC ) tích lũy trong tụ điện được xác định như thế nào ?
GV : Em hãy cho biết biểu thức năng lượng từ trường ( WL ) tích lũy trong cuộn cảm được xác định như thế nào ?
GV : Em hãy cho biết biểu thức năng lượng điện từ của mạch dao động ?
GV : Nêu nhận xét ?
GV : Dao động điện từ tắt dần là gì ?
GV : Dao động điện từ duy trì là gì ?
GV : GV hướng dẫn cho HS thấy những đặc điểm giống nhau giữa dao động điện từ và dao động cơ học (GV hướng dẫn HS lập bảng so sánh như ở SGK).
V / CỦNG CỐ VÀ DẶN DÒ :
Trả lời câu hỏi 1, 2, 3 và làm bài tập 1, 
Xem bài 32