Chương IV: Dao Động Và Sóng Điện Từ – Vật Lý Lớp 12
Bài 20: Mạch Dao Động
Bài đầu tiên mà các em sẽ được học trong chương 4 dao động và sóng điện từ này là bài 20 mạch dao động. Các em sẽ được tìm hiểu về các khái niệm liên quan đến mạch dao động, dao động điện từ tự do và năng lượng điện từ.
Tóm Tắt Lý Thuyết
* Kiến thức cần thiết:
- Kiến thức cơ bản:
- Các khái niệm, đại lượng đặc trưng cho tụ điện và cuộn cảm.
- Kiến thức về mạch xoay chiều LC đã được học.
- Năng lượng của điện trường trong tụ điện và năng lượng từ trường trong cuộn dây
- Kiến thức kĩ năng:
- Viết biểu thức của các đại lượng biến thiên điều hòa.
- Sử dụng máy tính cầm tay để tìm các đại lượng
* Kiến thức trọng tâm:
- Kiến thức cơ bản:
- Biết được cấu tạo của mạch dao động LC và hiểu được các khái niệm về mạch dao động LC và dao động điện từ.
- Nêu được vai trò của tụ điện và cuộn cảm trong hoạt động của mạch LC.
- Nêu được sự chuyển hóa của năng lượng điện trường và năng lượng từ trường trong mạch LC.
- Hiểu được nguyên nhân làm tắt dần dao động điện từ và nguyên tắc duy trì dao động.
- Hiểu được sự tương tự giữa dao động điện và dao động cơ.
- Kiến thức kĩ năng:
- Viết được biểu thức của điện tích, hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện, cường độ dòng điện, chu kì, tần số góc và tần số dao động riêng của mạch dao động LC.
- Tính được chu kì, tần số góc và tần số dao động riêng của mạch LC.
- Tính được điện tích cực đại và cường độ dòng điện cực đại của mạch LC.
I.Mạch Dao Động
– Một cuộn cảm có độ tự cảm L mắc nối tiếp với một tụ điện có điện dung C thành một mạch điện kín gọi là mạch dao động LC. Nếu điện trở của mạch rất nhỏ, coi như bằng không thì mạch là một mạch dao động LC lí tưởng.
– Muốn cho mạch dao động hoạt động thì ta tích điện cho tụ điện rồi cho nó phóng điện trong mạch. Tụ điện sẽ phóng điện qua lại trong mạch nhiều lần, tạo ra một dòng điện xoay chiều trong mạch.
Người ta sử dụng điện áp xoay chiều được tạo ra giữa hai bản tụ điện bằng cách nối hai bản này với mạch ngoài.
– Mạch ngoài ở đây là các bộ phận khác của mạch vô tuyến. Ví dụ: Muốn xem dạng đồ thị biến thiên của điện áp, người ta nối hai bản này với lối vào của một dao động kí điện tử, sẽ thấy trên màn hình của dao động kí xuất hiện một hình sin.
Hình 1. Mạch dao động LC mắc với dao động kí điện tử
II. Dao Động Điện Từ Tự Do Trong Mạch Dao Động
1. Định luật biến thiên điện tích và cường độ dòng điện trong một mạch dao động lí tưởng
– Điện tích của một bản của tụ điện trong mạch dao động LC là:
\(q = q_0cos(ωt + φ) (C)\)
với q (C): điện tích của một bản tụ điện tại thời điểm t, \(q_0 > (C)\): điện tích cực đại của một bản tụ điện, \(ω = \frac{1}{\sqrt{LC}} > 0 (rar/s)\): tần số góc của dao động.
– Cường độ dòng điện chạy trong mạch dao động LC là:
\(i = \frac{dq}{dt} = I_0cos(ωt + φ + 0,5π)(A)\)
với i (A): cường độ dòng điện chạy trong mạch tại thời điểm t (i > 0 ứng với dòng điện có chiều chạy đến bản mà ta xét), \(I_0 = q_0ω > 0 (A)\): cường độ dòng điện cực đại chạy trong mạch.
2. Định nghĩa dao động điện từ tự do
Sự biến thiên điều hòa theo thời gian của điện tích q của một bản tụ điện và cường độ dòng điện i (hoặc cường độ điện trường \(\vec{E}\) và cảm ứng từ \(\vec{B})\) trong mạch dao động được gọi là dao động điện từ tự do.
3. Chu kì và tần số dao động riêng của mạch dao động
– Chu kì và tần số của dao động điện từ tự do trong mạch dao động gọi là chu kì và tần số dao động riêng của mạch dao động.
– Công thức tính chu kì và tần số dao động riêng của mạch dao động gọi là công thức Tôm-xơn:
\(T = 2π\sqrt{LC}\) và \(f = \frac{1}{2π\sqrt{LC}}\)
III. Năng Lượng Điện Từ
– Khi một mạch dao động hoạt động thì trong mạch có cả năng lượng điện trường (được tích trữ trong tụ điện) và năng lượng từ trường (được tích trữ trong cuộn cảm). Tổng năng lượng điện trường và năng lượng từ trường của mạch gọi là năng lượng điện từ.
– Nếu không có sự tiêu hao năng lượng thì năng lượng điện từ trong mạch sẽ được bảo toàn. Tức là, trong quá trình dao động của mạch, năng lượng từ trường và năng lượng điện trường luôn chuyển hóa cho nhau, nhưng tổng năng lượng điện từ là không đổi.
IV. Dao Động Điện Từ Tắt Dần. Dao Động Điện Từ Duy Trì. Hệ Tự Dao Động
– Trong các mạch dao động thực luôn có tiêu hao năng lượng (ví dụ do điện trở thuần của dây dẫn hay cuộn dây không thuần cảm) vì vậy dao động điện từ sẽ dừng lại sau khi năng lượng bị tiêu hao hết. Hiện tượng này gọi là dao động điện từ tắt dần.
– Muốn duy trì dao động, ta phải bù đủ và đúng phần năng lượng bị tiêu hao trong mỗi chu kì dao động. Muốn làm việc này, có thể dùng tranzito để điều khiển việc bù năng lượng từ pin cho mạch dao động LC ăn nhịp với từng chu kì dao động của mạch. Khi dao động trong mạch LC được duy trì ổn định với tần số dao riêng của mạch, người ta gọi đây là hệ tự dao động.
V. Sự Tương Tự Giữa Dao Động Điện Từ Và Dao Động Cơ
Các Bài Tập & Lời Giải Bài Tập SGK Bài 20 Mạch Dao Động
Hướng dẫn các bàn hoàn thánh các bài tập sgk bài 20 mạch dao động chương IV vật lý lớp 9. Các bạn sẽ được giải các bài tập mạch dao động, giao động điện từ tự do.
Bài Tập 1 Trang 107 SGK Vật Lý Lớp 12
Mạch dao động là gì?
>> Xem: lời giải bài tập 1 trang 107 sgk vật lý lớp 12
Bài Tập 2 Trang 107 SGK Vật Lý Lớp 12
Nêu định luật biến thiên của điện tích của một bản tụ điện và cường độ dòng điện trong mạch dao động?
>> Xem: lời giải bài tập 2 trang 107 sgk vật lý lớp 12
Bài Tập 3 Trang 107 SGK Vật Lý Lớp 12
Viết công thức tính chu kỳ và tần số dao động riêng của mạch dao động?
>> Xem: lời giải bài tập 3 trang 107 sgk vật lý lớp 12
Bài Tập 4 Trang 107 SGK Vật Lý Lớp 12
Dao động điện từ tự do là gì?
>> Xem: lời giải bài tập 4 trang 107 sgk vật lý lớp 12
Bài Tập 5 Trang 107 SGK Vật Lý Lớp 12
Năng lượng điện từ là gì?
>> Xem: lời giải bài tập 5 trang 107 sgk vật lý lớp 12
Bài Tập 6 Trang 107 SGK Vật Lý Lớp 12
Sự biến thiên của dòng điện I trong một mạch dao động lệch pha như thế nào so với sự biến thiên của điện tích q của một bản tụ điện?
A. i cùng pha với q
B. i ngược pha với q
C. i sớm pha so \(\)\(\frac{\pi }{2}\) với q
D. i trễ pha so \(\frac{\pi }{2}\) với q
>> Xem: lời giải bài tập 6 trang 107 sgk vật lý lớp 12
Bài Tập 7 Trang 107 SGK Vật Lý Lớp 12
Nếu tăng số vòng dây của cuộn cảm thì chu kì của dao động điện từ sẽ thay đổi như thế nào?
>> Xem: lời giải bài tập 7 trang 107 sgk vật lý lớp 12
Bài Tập 8 Trang 107 SGK Vật Lý Lớp 12
Tính chu kì và tần số dao động riêng của một mạch dao động, biết tụ điện trong mạch có điện dung là 120pF và cuộn cảm có độ tự cảm là 3mH.
>> Xem: lời giải bài tập 8 trang 107 sgk vật lý lớp 12
Lời Kết:
Qua bài học này, các em sẽ được tìm hiểu về các mạch giao động, cùng với đó các bài tập liên quan từ dễ đến khó, từ tự luận cho đến trắc nghiệm. Nội dung bài học này cần nắm các vấn đề sau:
– Phát biểu được định nghĩa về mạch dao động và dao động điện từ là gi?
– Nêu được vai trò của tụ điện và cuộn cảm trong hoạt động của mạch LC.
– Vận dụng và giải các bài tập tính chu kỳ và tần số của mạch dao động
Hy vọng qua nội dung tóm tắt ở trên các em sẽ có cho mình một kiến thức tốt nhất để giải các bài tập và chuẩn bị thật tốt trong các kì thi sắp tới nhé.
Trả lời