Ответьте на вопросы, страница 18 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Можно ли автоколебания считать свободными колебаниями? Почему?

2. Можно ли автоколебания считать вынужденными колебаниями? Почему?

3. Почему при увеличении силы тока в колебательном контуре направление индукционного тока в катушке связи имеет противоположное значение?

4. Почему в автоколебательных системах подача энергии от источника тока должна происходить в строго определенный момент времени?

1. Можно ли автоколебания считать свободными колебаниями? Почему?

Нет, автоколебания нельзя считать свободными колебаниями. Основное различие заключается в характере энергетического обмена системы.
Свободные колебания возникают в системе после однократного выведения её из состояния равновесия. После этого система предоставлена самой себе, и колебания происходят за счёт первоначально сообщённой энергии. В реальных системах всегда присутствуют потери энергии (трение, сопротивление), из-за чего свободные колебания являются затухающими — их амплитуда со временем уменьшается.
Автоколебания — это незатухающие колебания, которые система поддерживает сама за счёт энергии от внешнего, как правило, непериодического источника (например, источника постоянного тока). Сама система с помощью механизма обратной связи регулирует поступление энергии порциями в нужные моменты времени, чтобы скомпенсировать её потери.
Таким образом, ключевое отличие — наличие в автоколебательной системе внутреннего механизма для восполнения потерь энергии, что позволяет колебаниям быть незатухающими, в отличие от свободных колебаний.

Ответ: Нет, так как автоколебания, в отличие от свободных, являются незатухающими благодаря наличию в системе источника энергии и механизма, который компенсирует энергетические потери.

2. Можно ли автоколебания считать вынужденными колебаниями? Почему?

Нет, автоколебания не являются вынужденными колебаниями. Несмотря на то что в обоих случаях на систему действует внешняя сила, поддерживающая колебания, характер этого воздействия и результат принципиально различны.
Вынужденные колебания вызываются действием внешней периодической силы. Частота установившихся вынужденных колебаний равна частоте этой внешней силы, а не собственной частоте колебательной системы (за исключением случая резонанса).
Автоколебания поддерживаются за счёт постоянного (непериодического) источника энергии. Система сама управляет процессом поступления энергии. Частота автоколебаний определяется внутренними свойствами самой системы (её собственной частотой), а не параметрами внешнего источника. Внешний источник лишь поставляет энергию, но не задаёт ритм колебаний.

Ответ: Нет, потому что при вынужденных колебаниях частота определяется внешней периодической силой, а при автоколебаниях частота определяется собственными параметрами системы, а источник энергии является непериодическим.

3. Почему при увеличении силы тока в колебательном контуре направление индукционного тока в катушке связи имеет противоположное значение?

Это явление объясняется фундаментальным законом электромагнетизма — правилом Ленца, которое является следствием закона электромагнитной индукции Фарадея.
Правило Ленца гласит: индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре, всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует изменению магнитного потока, которым этот ток был вызван.
Рассмотрим процесс:
1. Увеличение силы тока в основной катушке колебательного контура приводит к увеличению создаваемого ею магнитного поля и, следовательно, к увеличению магнитного потока, пронизывающего катушку связи. Математически это означает, что производная магнитного потока по времени положительна: $d\Phi/dt > 0$.
2. Согласно правилу Ленца, в катушке связи возникает индукционный ток такого направления, чтобы созданное им собственное магнитное поле было направлено против основного магнитного поля, то есть чтобы оно препятствовало росту общего магнитного потока.
3. Чтобы создать магнитное поле, направленное противоположно основному, индукционный ток в катушке связи должен течь в направлении, противоположном току в основной катушке (при условии, что обе катушки намотаны в одну сторону).

Ответ: В соответствии с правилом Ленца, индукционный ток создаёт магнитное поле, препятствующее изменению породившего его магнитного потока. При увеличении тока в контуре растёт и магнитный поток, поэтому индукционный ток в катушке связи течёт в противоположном направлении, чтобы своим магнитным полем ослабить этот рост.

4. Почему в автоколебательных системах подача энергии от источника тока должна происходить в строго определенный момент времени?

Подача энергии в автоколебательных системах должна происходить в строго определённые моменты времени для поддержания незатухающих колебаний. Это требование связано с необходимостью положительной обратной связи.
Основная задача подвода энергии — компенсировать её неизбежные потери в системе (например, на тепло в резисторе LC-контура). Чтобы колебания не затухали, а их амплитуда поддерживалась на постоянном уровне, подводимая энергия должна "подталкивать" систему в такт с её собственными колебаниями.
Представим механический аналог — раскачивание качелей. Чтобы амплитуда качания увеличивалась или поддерживалась, нужно толкать качели в тот момент, когда они движутся в направлении толчка. Если толкать их в противофазе (когда они движутся навстречу), то колебания будут, наоборот, затухать.
В электронной автоколебательной системе (например, в LC-генераторе) активный элемент (транзистор или лампа) работает как "клапан". Этот клапан, управляемый самим колебательным процессом через цепь обратной связи, открывается и пропускает порцию энергии от источника питания в колебательный контур именно в те фазы колебания, когда эта энергия способствует увеличению (или поддержанию) амплитуды. Если энергия будет подаваться в неправильные моменты (в противофазе), это приведёт к отбору энергии у контура и срыву колебаний.

Ответ: Энергия должна подаваться в фазе с собственными колебаниями системы, чтобы компенсировать потери, а не гасить колебания. Это условие (положительная обратная связь) обеспечивает поддержание постоянной амплитуды и сам факт существования незатухающих автоколебаний.