«Конденсатор и катушка индуктивности в цепи переменного тока»



Дата14.09.2017
Размер0.96 Mb.
ТипУрок




Тема урока: «Конденсатор и катушка индуктивности

в цепи переменного тока».

Цели и задачи урока:

Помочь усвоить понятия: реактивное, емкостное и индуктивное сопротивления; сдвиги фаз между колебаниями силы тока и напряжения в цепях с конденсатором и катушкой индуктивности; средняя мощность в цепи с конденсатором и катушкой индуктивности.

Начать формировать умения применять полученные знания для решения задач. Продолжить развитие умений: сравнивать, наблюдать, делать выводы, самостоятельно работать с учебником.

Тип урока:

Изучение нового материала.



Оборудование:

Батарея конденсаторов, дроссельная катушка, звуковой генератор, лампочка на 3,5 В, вольтметр демонстрационный, соединительные провода.


Ход урока.
1. Актуализация знаний.

  • Что мы изучили на прошлом уроке?

Переменный ток, активное сопротивление, действующие значения силы тока и напряжения.

Вынужденные электромагнитные колебания, т.е. колебания, происходящие под действием внешней периодической ЭДС.

  • Какие элементы может содержать цепь переменного тока?

Резистор, конденсатор, катушку индуктивности.

  • Какие виды сопротивлений переменному току существуют?

Активное, реактивное.

  • Какое мы уже изучили?

Активное.

  • Какое сопротивление называется активным?

Сопротивление элемента в электрической цепи, в котором электрическая энергия необратимо преобразуется во внутреннюю.

  • Как выглядит закон Ома для участка цепи с активным сопротивлением?

I = U/R.




  • Что можно сказать о сдвиге фаз между колебаниями силы тока и напряжения в проводнике с активным сопротивлением?

Сдвиг фаз между колебаниями силы тока и напряжения равен нулю, т.е. колебания силы тока и напряжения в проводнике с активным сопротивлением совпадают по фазе.

  • Вспомним понятие «действующее значение силы тока и напряжения»

Величина равная квадратному корню из среднего значения квадрата силы тока называется действующем значением силы переменного тока



Величина равная квадратному корню из среднего значения квадрата напряжения называется действующем значением напряжения


2. Изучение нового материала

Сегодня мы рассмотрим реактивное сопротивление. Оно бывает двух видов – емкостное и индуктивное. Продолжим заполнение таблицы, начатой на прошлом уроке.



Определение: реактивное сопротивление – это сопротивление элемента электрической цепи, для которого средняя мощность переменного тока равна нулю. Оно обусловлено наличием у проводников емкостных и индуктивных свойств. Благодаря этим свойствам, одну часть периода проводники накапливают энергию, другую – отдают ее. На идеальном реактивном сопротивлении не происходит превращения энергии электрического тока во внутреннюю энергию.

Рассмотрим поведение конденсатора в цепи переменного тока.

- Сначала вспомним, что такое конденсатор?

Система из двух проводников, разделенных диэлектриком, способная накапливать электрический заряд.

- Какая величина характеризует способность конденсатора накапливать заряд?

Электрическая емкость.

- Чему равна электроемкость конденсатора?



Отношению заряда, накопленного на одной из обкладок, к напряжению между обкладками: С=q/U.

Если подключить конденсатор последовательно с лампочкой к источнику переменного синусоидального напряжения. (Изображаем на доске и в тетрадях схему цепи), то в течение четверти периода конденсатор заряжается до максимального напряжения, затем напряжение на его обкладках уменьшается до нуля (также в течение одной четверти периода). Затем полярность напряжения меняется на противоположную и конденсатор снова заряжается, потом разряжается. (Показываем по графику зависимости напряжения на конденсаторе от времени, заранее начерченному на доске)

- Будет ли при этом гореть лампа?

Будет, так как по проводам, соединяющим конденсатор с выводами источника тока, будут протекать токи зарядки и разрядки конденсатора.

Установим связь между амплитудой колебаний напряжения на обкладках конденсатора и амплитудой колебаний силы тока.



Пусть напряжение, приложенное к конденсатору, изменяется по гармоническому закону: u = Umax cos t.

Тогда заряд на конденсаторе тоже изменяется по гармоническому закону: q = Cu = C Umax cos t.

По определению сила тока



i = q/t = - C Umax sin  t = C Umax cos( t+/2)= Imax cos( t+/2),

Imax = C Umax = Umax / (1/ C) = Umax / Xc ,

где Xc= 1/ C - емкостное сопротивление конденсатора.

Сравнивая выражения: u = Umax cos t и i = Imax cos( t+/2),

делаем вывод, что колебания силы тока опережают колебания напряжения на конденсаторе на /2.

Построим графики напряжения, приложенного к конденсатору, и силы тока, протекающего через конденсатор:



Найдем мгновенное значение мощности на конденсаторе:



p=i u=- Imax sin  t Umax cos  t=- Imax Umax 1/ 2 2 sin  t cos  t=- (Imax Umax) /2 sin 2 t.

Среднее значение мощности за период оказывается равно нулю, т.к. среднее за период значение синуса равно нулю _



p = 0

Выясним физический смысл равенства нулю средней мощности. Сначала за счет работы источника происходит зарядка конденсатора и накопление энергии электрического поля, а затем за счет энергии электрического поля конденсатора создается электрический ток противоположного направления.

Повторим сделанные нами выводы:

- Чему равен сдвиг фаз между колебаниями силы тока и напряжения в цепи с конденсатором?



Сдвиг фаз между колебаниями силы тока и напряжения в цепи с конденсатором равен /2. Причем колебания силы тока опережают колебания напряжения.

- Чему равна средняя за период мощность в цепи с конденсатором?



Средняя за период мощность в цепи с конденсатором равна нулю.

- От чего и как зависит емкостное сопротивление конденсатора?



Емкостное сопротивление конденсатора обратно пропорционально емкости конденсатора и частоте колебаний напряжения, приложенного к конденсатору.

- Как выглядит график обратно пропорциональной зависимости?



Гипербола.

(Строим графики зависимости емкостного сопротивления конденсатора от емкости конденсатора и частоты переменного тока в таблице)

Проверим на опыте зависимость сопротивления конденсатора от емкости конденсатора и от частоты колебаний напряжения, приложенного к конденсатору.

- Что необходимо иметь, чтобы проверить зависимость емкостного сопротивления от емкости конденсатора?



Нужен набор конденсаторов различной емкости (батарея конденсаторов), источник переменного синусоидального напряжения, амперметр или лампочка (чтобы заметить изменение емкостного сопротивления будем наблюдать за изменением силы тока в цепи).

Соберем электрическую цепь по схеме, изображенной в таблице. Подадим напряжение и заметим, что лампочка начала светиться.

- Что это означает?

В цепи с конденсатором протекает переменный ток.

- Значит ли это, что свободные заряды перемещаются внутри конденсатора между его обкладками?



Нет, в цепи протекают токи зарядки и разрядки конденсатора.

Увеличим емкость конденсатора, при этом амплитуду напряжения источника и частоту колебаний напряжения изменять не будем.

- Как изменилась яркость горения лампочки?

Яркость горения лампочки увеличилась.

- Что это означает?



Т.к. яркость увеличилась, значит, увеличилась сила тока. А т.к. амплитуда колебаний напряжения постоянна, то из закона Ома следует, что причиной увеличения силы тока было уменьшение сопротивления конденсатора. Следовательно, при увеличении емкости сопротивление конденсатора уменьшается.

Запишем результаты эксперимента:



Umax = const,  = const. C => I , так как Xс

Вывод Xc обратно зависит от С.

Теперь пронаблюдаем зависимость емкостного сопротивления от частоты.

- Что для этого необходимо сделать?

Необходимо изменять частоту приложенного к конденсатору напряжения.

В нашем источнике можно менять частоту подаваемого напряжения. Не изменяя амплитуды напряжения источника, увеличим его частоту.

- Как изменилась яркость горения лампочки?

Яркость горения лампочки увеличилась.

- Что это означает?



Т.к. яркость увеличилась, значит, увеличилась сила тока. А т.к. амплитуда колебаний напряжения постоянна, то из закона Ома следует, что причиной увеличения силы тока было уменьшение сопротивления конденсатора. Следовательно, при увеличении частоты переменного тока сопротивление конденсатора уменьшается.

Запишем результаты эксперимента:



Umax = const, C = const.  => I , так как Xс

Вывод Xc обратно зависит от .

Рассмотрим поведение катушки индуктивности в цепи переменного тока.

- Что такое индуктивность и от чего она зависит?

Физическая величина, характеризующая свойства проводника препятствовать изменению тока в нем численно равная ЭДС самоиндукции возникающей в проводнике при изменении силы тока на 1А за 1 с.

- От чего зависит индуктивность?



От размеров и форм проводника, и магнитных свойств среды в которой находится проводник.

Подключим катушку индуктивности последовательно с лампочкой к источнику синусоидального напряжения. Сопротивление катушки переменному току называют индуктивным сопротивлением и обозначают XL

- Как провести исследование зависимости индуктивного сопротивления от частоты переменного тока?

Необходимо изменять частоту подаваемого напряжения и следить за яркостью горения лампочки.

Проделаем это.(Учитель проводит демонстрацию)

- Какой вывод из опыта мы можем сделать?

При увеличении частоты приложенного напряжения яркость горения лампочки уменьшилась, значит, уменьшилась сила тока. А т.к. амплитуда колебаний напряжения постоянна, то из закона Ома следует, что причиной уменьшения силы тока было увеличение сопротивления катушки. Следовательно, при увеличении частоты переменного тока индуктивное сопротивление увеличивается.

Запишем результаты эксперимента:



Umax = const, L = const.  => I ,так как XL

Вывод XL прямо зависит от .

Исследуем зависимость индуктивного сопротивления от индуктивности катушки.

- Как провести такое исследование?

Необходимо изменять индуктивность катушки и следить за яркостью горения лампочки.

Проделаем это.(Учитель проводит демонстрацию)

- Какой вывод из опыта мы можем сделать?

При увеличении индуктивности катушки яркость горения лампочки уменьшилась, значит, уменьшилась сила тока. А т.к. амплитуда напряжения постоянна, то из закона Ома следует, что причиной уменьшения силы тока было увеличение сопротивления катушки. Следовательно, при увеличении индуктивности катушки ее сопротивление переменному току увеличивается.

Запишем результаты эксперимента:



Umax = const,  = const. L => I ,так как XL

Вывод XL прямо зависит от L.

Сформулируем вывод, от чего зависит сопротивление катушки переменному току.



Сопротивление катушки прямо зависит от частоты переменного тока и индуктивности катушки.

Как выводится формула для индуктивного сопротивления, чему равен сдвиг фаз между колебаниями силы тока и напряжения на катушке вы прочитаете в учебнике и самостоятельно заполните оставшуюся часть таблицы. (Учащимся отводится на эту работу 10 - 15 минут. При заполнении таблицы учитель строит вместе с учащимися графики зависимости индуктивного сопротивления от индуктивности катушки и частоты приложенного переменного напряжения)

Подведем итоги:

- Чему равен сдвиг фаз между колебаниями силы тока и напряжения в цепи с катушкой индуктивности?



Сдвиг фаз между колебаниями силы тока и напряжения в цепи с катушкой индуктивности равен /2. Причем колебания силы тока отстают от колебаний напряжения.

- Чему равна средняя за период мощность в цепи с катушкой индуктивности?



Средняя за период мощность в цепи с катушкой индуктивности равна нулю.

- От чего и как зависит индуктивное сопротивление катушки индуктивности?



Индуктивное сопротивление катушки индуктивности прямо пропорционально индуктивности катушки и частоте колебаний напряжения, приложенного к катушке индуктивности.

- Как выглядит график прямо пропорциональной зависимости?



Прямая, проходящая через начало координат.
3. Совершенствование знаний при решении задач

А.П. Рымкевич Физика. Задачник. 10 – 11 класс (2001г.), № 979 (969).


4. Подведение итогов урока

  • Что мы изучили на сегодняшнем уроке?

  • С какими новыми величинами мы познакомились?

  • От чего и как зависит емкостное сопротивление?

  • От чего и как зависит индуктивное сопротивление?

  • Каков вид закона Ома для цепи переменного тока с конденсатором? С катушкой индуктивности?

  • Каков сдвиг фаз между колебаниями силы тока и напряжения в цепи с конденсатором? С катушкой индуктивности?



5. Проверка усвоения содержания урока.

Самостоятельная работа по материалу урока.



Вариант 1.

  1. Какой из приведенных графиков соответствует зависимости индуктивного сопротивления в цепи переменного тока от частоты?

А. 1. Б. 2. В. 3. Г. 4.



  1. Как изменится емкостное сопротивление конденсатора, если его емкость увеличится в 2 раза?

А. Не изменится. Б. Увеличится в 2 раза. В. Увеличится в 4 раза. Г. Уменьшится в 2 раза. Д. Уменьшится в 4 раза.

  1. На рисунке изображены для двух цепей графики изменения напряжения и силы тока со временем. В какой из цепей имеется катушка индуктивности?

А. 1. Б. 2.



  1. Найти силу тока в катушке индуктивностью 0,051 Гн, которая включена в цепь переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 160 В.

Вариант 2.

  1. Какой из приведенных графиков соответствует зависимости емкостного сопротивления в цепи переменного тока от частоты?

А. 1. Б. 2. В. 3. Г. 4.



  1. Как изменится индуктивное сопротивление катушки, если ее индуктивность уменьшится в 2 раза?

А. Не изменится. Б. Увеличится в 2 раза. В. Увеличится в 4 раза. Г. Уменьшится в 2 раза. Д. Уменьшится в 4 раза.

  1. На рисунке изображены для двух цепей графики изменения напряжения и силы тока со временем. В какой из цепей имеется конденсатор?

А. 1. Б. 2.



  1. Конденсатор включен в цепь переменного тока частоты 50 Гц. Напряжение в сети 220 В. Сила тока 2,5 А. Какова емкость конденсатора?



Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©zodorov.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница