nghiên cứu chương trình DAO ĐỘNG và SÓNG điên từ

Nếu điện trở của mạch rất nhỏ coi như bằng không thì mạch dao động là lí tưởng.Thực tế, cuộn dây luôn có điện trở r ≠ 0, nên không có mạch dao động lí tưởng.Chính điện trở này làm cho nă

L

MỞ ĐẦU

“Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông” là một nhiệm vụ quan trọng không thể thiếu của người Giáo viên trong quá trình dạy học môn Vật lí THPT Đặc biệt, trong những năm gần đây, chương trình và sách giáo khoa đã được biên soạn lại và đưa vào giảng dạy nhằm nâng cao chất lượng dạy học, đáp ứng yêu cầu đổi mới giáo dục toàn diện theo chủ trương của ngành giáo dục nước nhà Vì vậy việc nghiên cứu cấu trúc chương trình, nội dung kiến thức, cách trình bày nội dung kiến thức trong sách giáo khoa Vật lí là cần thiết, đặc biệt đối với những học viên cao học thuộc chuyên ngành LL & PPDH Vật lý Đây cũng là nhiệm vụ chính của học phần “ Nghiên cứu chương trình Vật lý phổ thông”.

Để có thể giảng dạy tốt bộ môn Vật lí ở trường phổ thông thì người giáo viên ngoài lòng đam mê và nhiệt huyết cần phải hiểu biết sâu sắc các kiến thức của môn học.Người giáo viên phải hiểu sâu về kiến thức cũng như ý đồ của SGK thì mới có thể tổ chức hoạt động dạy học có hiệu quả và kích thích được sự hứng thú của học sinh cũng như lựa chọn được phương pháp dạy học phù hợp với đặc trưng của môn học.

Trong bài tiểu luận này sẽ đề cập đến nội dung chương trình hai chương này đồng thời cung cấp phương hướng giảng dạy cho giáo viên.

CHƯƠNG 1 DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIÊN TỪ

1 Mạch dao động (khung dao động)

Hình 1: Mạch dao động điện từ tự do

K

E

Mạch dao động là một trong những khái niệm đầu tiên mà

HS tiếp xúc khi nghiên cứu về dao động điện từ Mạch dao động gồm một cuộn cảm có độ tự cảm L mắc nối tiếp với một tụ điện có điện dung C thành một mạch kín Ta vẫn thường gọi là mạch dao động LC.

Nếu điện trở của mạch rất nhỏ (coi như bằng không) thì mạch dao động là lí tưởng.Thực tế, cuộn dây luôn có điện trở r ≠

0, nên không có mạch dao động lí tưởng.Chính điện trở này làm cho năng lượng của hệ bị tiêu hao dưới dạng nhiệt năng nên dao động của mạch LC bị tắt dần.

Mạch như hình vẽ là mạch dao động lí tưởng, đơn giản Thông thường mạch dao động không phải chỉ chứa một cuộn dây

và một tụ điện mà có thể chứa hệ các tụ điện và các cuộn dây ghép nối tiếphoặc song songtùytheoyêu cầu và mục đích sử dụng.

 Lưu ý

Mạch LRC mà ta xét trong các bài toán về dòng điện xoay chiều sau này cũng được xem là mạch dao động điện từ, nhưng đây không phải là mạch dao động điện từ lí tưởng.

2 Dao động điện từ

2.1 Một số khái niệm

2.1.1 Dao động điện từ

Để nghiên cứu dao động điện từ ta khảo sát quá trình phóng điện và quá trình nạp điện của tụ điện C

qua cuộn L (hình 1)

Để mạchdaođộngbanđầu ta cần cung cấp cho mạch một năng lượng E.

Ban đầu khóa K ở (1) nguồn điện

t1 t2 t3 t4

UC , IL

UC IL

Hình 2: Sự biến thiên của i và u trong mạch LC

tíchđiệnchochohaibảntụ điện đến điện tích Q 0 và hiệu điện thế cực đại giữa hai bản tụ điện là U 0 = Q 0 /C

Với U 0 = E – I.r = E (do mạch hở)

Khi đó tụ điện có dự trữđiệnnăng:

2 0

max

2

đ

CU

Khi chuyển K từ (1) đến (2), tụ điện tạo thành một mạch kín với cuộn dây L Lúc này tụ điện bắt

đầu phóng điện (đóng vai trò

nguồn điện tức thời)

Ban đầu: t 0 đến t 1 cường độ

dòng điện qua mạch tăng dần sẽ

tạo ra từ trường quanh cuộn dây

làm tập trung năng lượng của tụ

điện chuyển sang trên cuộn dây.

Trong cuộn dây xuất hiện dòng điện tựcảmvới e=−L di

dt

(địnhluậtLenx) làm chậm sự phóng điện của tụ Nên tụ C càng phóng điện thì điện năng của tụ càng giảm thì độ tăng dòng điện càng giảm Tại thời điểm t 1 dòng điện qua cuộn dây đạt cực đại I 0

còn điện áp trên tụ bằng 0 Tất cả điện năng lúc này chuyển hóa hoàn toàn thành năng lượng từ trường tập trung ở cuộn dây, trị

số năng lượng đó đượcxácđịnh: ƯW tmax=

LI 0 2

2

Đối với mạchlítưởng: W t max= W đ max

Khi điện tích trên tụ điện q = 0 thì cuộn cảm trở thành nguồn năng lượng, từ t 1 đến t 2 thì dòng điện giảm, tụ điện bắt đầu được nạp điện trở lại, điện áp của tụ điện tăng lên tuy nhiên dấu của điện tích trên hai bản tụ điện ngược lại Năng lượng từ trường

biến đổi trở lại thành năng lượng điện trường trong tụ điện.Sau khi điện tích trên tụ đạt giá trị cực đại, tụ điện lại phóng điện 

cứ như vậy quá trình tiếp diễn.quá trình dao động điện và từ trong mạch LC tương tự như của con lắc đơn.

Trong mạch có sự biến thiên của q và i ta nói mạch LC có đặc điểm như vậy là mạch dao động điện từ.

2.1.2 Dao động điện từ tự do

Quá trình tuần hoàn của việc biến đổi năng lượng giữa tụ C

và cuộn L trong mạch dao động không do tác động của nguồn bên ngoài gọi là dao động riêng (dao động tự do) của mạch dao động 2.1.3 Dao động điện từ tắt dần

Như ở trên khi khảo sát mạch dao động nếu xem mạch là lí tưởng có nghĩa là điện trở của dây dẫn và cuộn dây r ≈ 0 thì năng lượng điện trường và năng lượng từ trường trong mạch biến thiên qua lại lẫn nhau Thực tế, cuộn dây luôn có điện trở r ≠ 0, nên không có mạch dao động lí tưởng.Chính điện trở này làm cho năng lượng của hệ bị tiêu hao dưới dạng nhiệt năng nên dao động của mạch LC bị tắt dần.

C

u ͠

R

Hình 3: mạch DĐ cưỡng bức dùngnguồnđiệnngòai

2.1.4 Dao động điện từ duy trì

Nguyên nhân của dao động điện từ tự do trong các hệ thực tắt dần vì năng lượng của dao động một phần chuyển thành nhiệt

lượng thông qua điện trở Để tránh sự tắt dần của dao động tự do

người ta tìm cách cấp thêm năng lượng

cho vật dao động để bù lại phần năng

lượng đã chuyển thành nhiệt, mà không

làm thay đổi tần số riêng của nó dao

động như vậy gọi là dao động duy trì

Trong kỹ thuật vô tuyến điện tử, có hai phương pháp chính

để bù tiêu hao của năng lượng:

- Dùng năng lượng của nguồn điện ngoài: đây là dao động cưỡng

bức hay còn gọi là kích thích ngoài.

- Thiết lập mạch điện tử để tự bù tiêu hao: đây là những máy tạo

dao động hình sin tự kích thích.

2.1.5 Dao động điện từ cưỡng bức

Dao động cưỡng bức là dao động của mạch dao động LC khi được kích thích bằng một năng lượng của nguồn điện bên ngoài

để bù tiêu hao.Nguồn năng lượng bên ngoài này là một điện áp

xoay chiều hình sin.Mạch dao động sẽ dao động với tần số của

nguồn cưỡng bức.

Khi tần số dao động cưỡng bức bằng tần số của dao động riêng của mạch ta có hiện tượng cộng hưởng.

Hình 9: Mô hình sự lan truyền của sóng điện từ trong không gian

3 Sóng điện từ

Quá trình lan truyền điện từ trường được gọi là sóng điện

từ

Maxwell đã tiên đoán sự tồn tại của sóng điện từ và xây dựng được các phương trình toán học về quy luật của nó gọi là phương trình Maxwell.

- Vận tốc lan truyền sóng điện từ trong chân không là c = 3.10 8 m/s; và trong môi trường vật chất đồng nhất vàđẳnghướnglà

c v=

n , vớin= εμ làchiết suất tuyết đối của môi trường; ε và μ là hệ số điện môi và từ môi của môi trường đó Vì ε, μ > 1 nên n > 1 và v < c.

- Sóng điện từ là sóng ngang: tại mỗi điểm trong không gian có sóng điệntừ, cácvectơE và B⃗ luôndao động theo hai phương vuông góc nhau vàcảhaivectơnàycùng vuông góc với phương truyền sóng

- Khác với sóng cơ học, sóng điện từ truyền được cả trong môi trường vật chất và trong chân không

Trong chân không, sóng điện từ có bước sóng là: λ = c T

Những đặc điểm này đều đã được kiểm chứng bằng thực tế Sau khi sóng điện từ được phát và thu bằng các phương tiện ngày càng tiến bộ.

- Sóng điện từ có mang năng lượng Năng lượng sóng điện từ chính là năng lượng của điện từ trường Mật độ năng lượng sóng điệntừlà:

w= εε E +μμH μμ H

- Sóng điện từ tuân theo các quy luật truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ.

- Sóng điện từ tuân theo các quy luật giao thoa, nhiễu xạ.

Nguồn phát sóng điện từ (còn gọi là chấn tử) rất đa dạng, có thể

là bất cứ vật thể nào tạo ra một điện trường hoặc một từ trường biến thiên như: tialửađiện,dâydẫnđiệnxoay chiều, cầu dao đóng ngắt mạch điện,…

 Thang sóng điện từ

4.

Ứng

dụng của sóng điện từ trong kỹ thuật

4.1 Anten

Hình 10 Sơ đồ phát sóng điện từ đixabằngAntencódâynối trời và nối đất

Hình12: Antenthusóngvô tuyến của Mic không dây Hình 11: An ten có các chấn tử kim loại

Antenchínhlàmột dạng mạch dao động hở là một công cụ

hữu hiệu để thu phát sóng điện từ Antencónhiềudạng khác nhau

tuỳ theo tần số sóng và nhu cầu sử dụng Hình 10d.

Một số ví dụ vềcácloạiAntenđangđượcsử dụng hiện nay.

Hình13: Antencómặtkim loại phản xạ

a Nguyên tắc thu phát thông tin bằng sóng điện từ

Hình 17: Sơ đồ của quá trình phát thanh

Liên lạc bằng sóng điện từ là phương pháp phát và thu các thông tin ở khoảng cách xa và rất xa nhờ sóng điện từ do không cần dây dẫn nên cự ly truyền và thu sóng trở nên rộng lớn Từ một điểm trên mặt đất các thông tin được truyền đến bất cứ nơi nào trên thế giới.

Để truyền được thông tin như âm thanh, hình ảnh đến những nơi xa, người ta đều áp dụng một qui trình chung như sau:

- Biến các âm thanh từ micro, hình ảnh từ camera thành các tín dao động điện tần số thấp gọi là các tín hiệu âm tần.

* Xét quá trình phát âm thanh (phát thanh)

- Trộn các tín hiệu âm tần ở hình 18.a có năng lượng thấp không thể mang đi xa, vào các sóng cao tần( tần số cao) ở hình 18.b có năng lượng lớn hơn rất nhiều để mang sóng âm tần đi xa Quá trình này gọi là biến điệu tần số, kết quả quá trình biến điệu

là một sóng có tần số là tần số sóng cao tần nhưng biên độ biến thiên theo tần số sóng âm tần( hình 18.c).

Hình 19: Sơ đồ thu sóng phát thanh

Hình 18: Biến điệu sóng cao tần -Các tín hiệu này được truyền đi trong khônggianđếnAntencủamáythu, trongAntencủamáythu có vô số sóng vô tuyến từ các đài phát khác nhau Cuộn dây L’ củaAntenmắc song song với cuộn dây L của mạch dao động, khi cần chọn một sóng nào đó ta điều chỉnh tụ C trên mạch LC để có tần số dao động trùng với tần số dao động của sóng cần thu.

Trong mạch dao động sẽ có hiện tượng cộng hưởng với sóng cần thu đó Sóng vô tuyến đó sẽ được khuếch đại và truyền đến bộ phận phát ra âm thanh.

C KẾT LUẬN

Qua nghiên cứu nội dung chương trình vật lí trung học phổ thông 2 với

sự nghiên cứu sâu sắc về chương dòng điện xoay chiều chúng tôi đã có được một cách nhìn khái quát, thống nhất về các loại dao động, nắm chắc hơn về các kiến thức vật lí của chương trình THPT đặc biệt hiểu rõ

ý nghĩa vật lí”.Nghiêncứunộichương trình vật lí phổ thông 2 giúp có cách tiếp cận mới về kiến thức phổ thông, tổng kết và khái quát chúng

để từ đó có hướng dạy học phù hợp hỗ trợ học sinh học tập tự chủ, tích cực song hành với việc phát triển tư duy