Номер 4, страница 214 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

4. Расскажите о цели, ходе и наблюдаемом результате опыта, изображённого на рисунке 156. Каким образом гальванометр мог регистрировать происходящие в этом контуре колебания?

3. Что представляет собой колебательный контур?

Колебательный контур — это электрическая цепь, состоящая из катушки индуктивности (L) и конденсатора (C), соединенных друг с другом. В такой цепи могут возникать и поддерживаться электромагнитные колебания.

Процесс колебаний представляет собой периодическое преобразование энергии. Если зарядить конденсатор и замкнуть его на катушку, то энергия электрического поля, запасенная в конденсаторе, начнет переходить в энергию магнитного поля, создаваемого током в катушке. Когда конденсатор полностью разрядится, ток и энергия магнитного поля достигнут максимума. После этого магнитное поле начнет убывать, индуцируя ЭДС самоиндукции, которая будет поддерживать ток в том же направлении и перезаряжать конденсатор в обратной полярности. Затем процесс повторится в обратном направлении, и энергия магнитного поля снова перейдет в энергию электрического поля.

В идеальном колебательном контуре (без активного сопротивления) этот процесс происходит без потерь энергии, и колебания являются незатухающими. Период этих свободных колебаний определяется формулой Томсона: $ T = 2\pi\sqrt{LC} $ где $L$ — индуктивность катушки, а $C$ — ёмкость конденсатора.

В любом реальном контуре всегда присутствует активное сопротивление, на котором часть энергии рассеивается в виде тепла. Из-за этого реальные свободные колебания в контуре являются затухающими.

Ответ: Колебательный контур — это цепь, содержащая катушку индуктивности и конденсатор, в которой могут возникать свободные электромагнитные колебания, представляющие собой периодический процесс превращения энергии электрического поля конденсатора в энергию магнитного поля катушки и обратно.

4. Расскажите о цели, ходе и наблюдаемом результате опыта, изображённого на рисунке 156. Каким образом гальванометр мог регистрировать происходящие в этом контуре колебания?

(Поскольку рисунок 156 отсутствует, ответ основан на реконструкции типичного опыта по демонстрации электромагнитных колебаний в контуре).

Цель опыта: Обнаружить и продемонстрировать наличие быстрых электромагнитных колебаний в LC-контуре.

Ход опыта:

1. Собирается установка, включающая колебательный контур (катушка индуктивности L и конденсатор C), источник постоянного тока и двухпозиционный переключатель.

2. С помощью переключателя конденсатор подключается к источнику тока и заряжается до некоторого напряжения. В конденсаторе запасается энергия электрического поля.

3. Затем переключателем конденсатор отключается от источника и замыкается на катушку индуктивности. В образовавшемся замкнутом LC-контуре возникают свободные электромагнитные колебания.

Наблюдаемый результат:

Прямое подключение чувствительного гальванометра в разрыв колебательного контура не даст результата — его стрелка не отклонится. Это происходит потому, что частота колебаний в контуре обычно очень высока, и стрелка прибора из-за своей инертности не успевает реагировать на быстрые изменения направления тока. Среднее значение переменного тока за период равно нулю, поэтому суммарного отклоняющего действия не возникает.

Для регистрации колебаний применяется более сложная схема. Рядом с катушкой основного контура (L1) размещают вторую катушку (L2), которую подключают к гальванометру через детектор (например, полупроводниковый диод). При возникновении колебаний в контуре стрелка гальванометра отклоняется, а затем возвращается к нулю. Это отклонение и свидетельствует о наличии кратковременного процесса колебаний.

Каким образом гальванометр мог регистрировать колебания:

Гальванометр регистрирует колебания косвенным методом, основанным на явлении электромагнитной индукции и детектировании (выпрямлении) переменного тока.

1. Индуктивная связь: Быстропеременный ток в катушке L1 создает вокруг нее переменное магнитное поле. Это переменное магнитное поле пронизывает витки второй катушки L2 и по закону электромагнитной индукции создает в ней переменную ЭДС. В цепи катушки L2 возникает переменный ток той же высокой частоты.

2. Детектирование (выпрямление): Переменный ток из катушки L2 проходит через детектор (диод), который обладает односторонней проводимостью. Он пропускает ток преимущественно в одном направлении, "срезая" отрицательные полуволны тока. В результате синусоидальный переменный ток преобразуется в пульсирующий ток одного направления.

3. Регистрация гальванометром: Пульсирующий ток, в отличие от переменного, имеет ненулевое среднее значение. Инертная стрелка гальванометра реагирует именно на это среднее значение, отклоняясь на угол, пропорциональный ему. Таким образом, отклонение стрелки гальванометра доказывает, что в первом контуре действительно существуют высокочастотные колебания, хотя и невидимые при прямом измерении.

Ответ: Цель опыта — демонстрация электромагнитных колебаний. В ходе опыта заряженный конденсатор замыкается на катушку. Гальванометр регистрирует колебания не напрямую, а через вторую катушку, связанную с первой индуктивно. Переменный ток, наведенный во второй катушке, выпрямляется диодом, и гальванометр показывает наличие постоянной составляющей этого тока, что подтверждает существование высокочастотных колебаний в исходном контуре.