Эксперимент, страница 166 - гдз по физике 9 класс учебник Закирова, Аширов

Эксперимент

Соберите цепь, схема которой изображена на рисунке 168.

Сравните графики, полученные на экране осциллографа при замкнутом и разомкнутом ключе.

Объясните причину изменения графика на участке от $T/2$ до $\text{T}$.

Рис. 168. Схема цепи для наблюдения свободных электромагнитных колебаний

В данном эксперименте рассматривается работа колебательного контура. Ключ, о котором идет речь в задании, — это условное обозначение подключения и отключения источника переменного напряжения.

Сравнение графиков, полученных на экране осциллографа при замкнутом и разомкнутом ключе

1. При замкнутом ключе (источник переменного напряжения подключен к цепи):

Источник переменного напряжения подключен к колебательному контуру (параллельно соединенные конденсатор C и катушка индуктивности L) через диод. Диод пропускает ток только в одном направлении, выполняя функцию однополупериодного выпрямителя. В течение тех полупериодов, когда напряжение источника имеет положительную полярность, диод открыт, и конденсатор C заряжается. В течение отрицательных полупериодов диод закрыт, и цепь источника разомкнута. Таким образом, осциллограф, подключенный параллельно контуру, будет показывать пульсирующее напряжение: его значение будет расти во время положительных полупериодов источника и затем, возможно, незначительно спадать за счет разряда конденсатора на катушку, пока не начнется следующий цикл зарядки. График будет представлять собой последовательность положительных "горбов" с частотой, равной частоте источника.

2. При разомкнутом ключе (источник переменного напряжения отключен):

После того как конденсатор зарядился и источник отключается, в замкнутом контуре, состоящем из конденсатора C и катушки индуктивности L, начинаются свободные электромагнитные колебания. Заряженный конденсатор начинает разряжаться через катушку. Энергия электрического поля конденсатора переходит в энергию магнитного поля катушки, а затем обратно. Этот процесс повторяется циклически. На экране осциллографа будет видна синусоидальная (или косинусоидальная) зависимость напряжения от времени. Поскольку любой реальный контур обладает активным сопротивлением (в основном, сопротивление провода катушки), энергия будет постепенно расходоваться на нагрев, и колебания будут затухающими. Амплитуда колебаний напряжения будет экспоненциально уменьшаться со временем. Период этих свободных колебаний $T$ определяется параметрами самого контура по формуле Томсона: $T = 2\pi\sqrt{LC}$ и, как правило, не совпадает с периодом напряжения источника.

Ответ: При замкнутом ключе график на осциллографе представляет собой пульсирующее однополярное напряжение (результат однополупериодного выпрямления). При разомкнутом ключе график — это затухающая синусоида, соответствующая свободным электромагнитным колебаниям в LC-контуре.

Объяснение причины изменения графика на участке от T/2 до T

Здесь $T$ — это период свободных колебаний в LC-контуре. Рассмотрим полный цикл колебаний, начав с момента времени $t=0$, когда конденсатор полностью заряжен, и напряжение на нем максимально ($U=U_{max}$).

• Промежуток от $t=0$ до $t=T/4$: Конденсатор разряжается, напряжение на нем падает до нуля. Энергия электрического поля переходит в энергию магнитного поля катушки, ток в катушке достигает максимума.
• Промежуток от $t=T/4$ до $t=T/2$: Катушка отдает накопленную энергию, перезаряжая конденсатор в обратной полярности. Напряжение на конденсаторе меняется от нуля до $-U_{max}$ (максимального по модулю отрицательного значения). Ток в цепи падает до нуля.
• Промежуток от $t=T/2$ до $t=3T/4$: Этот участок — начало интересующего нас интервала. В момент $t=T/2$ конденсатор полностью заряжен в обратной полярности. Он начинает разряжаться, и в цепи возникает ток, направленный противоположно току в первой четверти периода. Напряжение на конденсаторе меняется от $-U_{max}$ до нуля. Энергия электрического поля вновь переходит в энергию магнитного поля.
• Промежуток от $t=3T/4$ до $t=T$: В момент $t=3T/4$ ток в катушке максимален. За счет явления самоиндукции катушка препятствует уменьшению тока, поддерживая его и перезаряжая конденсатор уже в исходной, положительной полярности. Напряжение на конденсаторе меняется от нуля до $+U'_{max}$ (амплитуда будет немного меньше исходной из-за затухания). Цикл завершается.

Таким образом, на участке от $T/2$ до $T$ происходит сначала разрядка конденсатора, заряженного в обратной полярности, а затем его перезарядка в исходной (положительной) полярности. Этот процесс обусловлен циклическим обменом энергией между электрическим полем конденсатора и магнитным полем катушки индуктивности.

Ответ: Причиной изменения графика на участке от $T/2$ до $T$ является процесс, при котором конденсатор, заряженный до максимального отрицательного напряжения, сначала полностью разряжается (от $T/2$ до $3T/4$), а затем перезаряжается до максимального положительного напряжения (от $3T/4$ до $T$). Этот процесс управляется энергией, запасенной в магнитном поле катушки, и явлением электромагнитной самоиндукции.