Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu hay học sinh dùng để ôn thi THPT Quốc gia đạt điểm cao, giáo viên sử dụng tài liệu để dạy thêm và ôn thi cho các em . Giáo viên có thể sử dụng để ôn thi học sinh giỏi tỉnh, ôn thi giáo viên dạy giỏi.
CHƯƠNG IV DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ ĐỖ MINH TUỆ CHƯƠNG IV DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ CHỦ ĐỀ MẠCH DAO ĐỘNG LC DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ I TÓM TẮT LÝ THUYẾT Định nghĩa: Mạch dao động mạch điện kín gồm tụ điện có điện dung C mắc nối tiếp với cuộn cảm có độ tự cảm L (còn gọi khung dao động) Chú ý: Nếu điện trở mạch nhỏ, coi không, bỏ qua hao phí lượng mạch dao động lí tưởng Ban đầu tích điện cho tụ đến giá trị cực đại q 0, điện áp cực đại U0, sau tụ phóng điện mạch tạo dòng điện xoay chiều mạch Cách cung cấp lượng cho mạch dao động: a) Cách 1: Cung cấp cho tụ điện Ban đấu nối tụ điện với nguồn điện chiều (Pin, Ác quy) đến điện tích tụ đạt cực đại q o, hiệu điện cực đại Uo chuyển khoá K sang (2) để tạo thành mạch dao động LC Năng lượng ban đầu tập trung tụ điện qo2 WC CU 2o 2C b) Cách 2: Cung cấp cho cuộn cảm Ban đầu khoá K đóng, dòng điện mạch qua L nguồn E (không qua tụ) ổn định có cường độ I1 ngắt khoá K Như r đóng khoá K lượng tập trung cuộn cảm (2) K (1) E C L K E, r C L 2 E LI1 L , lượng mạch dao 2 r động lúc sau W1L Phương trình vi phân bậc hai điện tích: q '' 2 q với 2 LC Tần số góc riêng, chu kì tần số dao động riêng mạch LC 0 Tần số góc riêng: LC Chu kì dao động riêng: T0 LC (Công thức Tôm-xơn) Tần số dao động riêng: f0 2 LC + C - q E i L Các biểu thức tức thời Điện tích tức thời tụ điện: q q cos(t q ) Điện áp tức thời hai tụ điện: u C u C U 0cos(t u C ) với U CẨM NANG VẬT LÍ 12 q q0 cos(t q ) U cos(t u C ) C C q0 C (51) 0916.609.081 – minhtuecbg81@gmail.com CHƯƠNG IV DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ ĐỖ MINH TUỆ Điện áp tức thời hai đầu cuộn cảm: u L + uC = u L u C U0 cos(t uC ) U cos(t u C ) u L U cos(t u L ) với u L u C Cường độ dòng điện tức thời mạch: i q ' q sin(t q ) I0 cos(t q ) i I0 cos(t i ) với I .q ; i q Kết luận: Trong mạch dao động LC lí tưởng: i, q, uL, uC biến thiên điều hòa tần số, khác pha q uC i u L uL uC biến thiên điều hòa biên độ, tần số, ngược pha Dòng điện i từ trường B biến thiên tần số pha Điện tích q điện trường E biến thiên tần số pha Trong mạch dao động LC: điện trường từ trường biến thiên theo thời gian tần số, vuông pha (từ trường sớm pha điện trường góc / ) Nguyên tắc hoạt động mạch dao động: dựa tượng tự cảm Dao động điện từ 7.1 Dao động điện từ: Biến thiên điện trường từ trường theo thời gian mạch dao động gọi dao động điện từ Nếu tác động điện từ với bên ngoài, dao động gọi dao động điện từ tự 7.2 Năng lượng điện từ mạch dao động: a) Năng lượng điện trường tập trung tụ điện: q q 20 WC cos (t ) 2C 2C b) Năng lượng từ trường tập trung cuộn cảm: q2 Li L2 q02 WL sin (t ) sin (t ) 2 2C c) Năng lượng điện từ toàn phần mạch dao động LC: 1 q2 2 W WL WC Li Li Cu Li qu C 2 C 2 2 q 02 CU02 q U LI02 W const 2C 2 d) Kết luận: - Mạch dao động thực dao động điện từ tự với tần số f, chu kì T, tần số góc lượng điện trường lượng từ trường biến thiên tuần hoàn với tần số f’ = 2f, chu kì T’ = T/2, tần số góc , = - Năng lượng điện trường lượng từ trường biến thiên tuần hoàn biên độ, tần số lệch pha góc (hay ngược pha nhau) - Trong qúa trình dao động điện từ tự có biến đổi qua lại lượng điện trường lượng từ trường, lượng điện trường giảm lượng từ trường tăng ngược lại tổng chúng tức lượng điện từ trường bảo toàn, không đổi theo thời gian - Khoảng thời gian ngắn hai lần mà WL = WC = W/2 T/4 - Khoảng thời gian ngắn hai lần WL = 3WC WC = 3WL T/6 e) Đồ thị dao động: - Đồ thị WL, WC theo thời gian hình sin, W theo thời gian đường thẳng - Đồ thị WL, WC theo điện tích q cung parabol; W theo q đoạn thẳng CẨM NANG VẬT LÍ 12 (52) 0916.609.081 – minhtuecbg81@gmail.com CHƯƠNG IV DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ ĐỖ MINH TUỆ - Biên độ lượng điện trường lượng từ trường W q 2o LI2o 4C 7.3 Dao động điện từ tắt dần Vì mạch dao động có điện trở R lượng dao động giảm dần biên đô q0, U0, I0 giảm dần theo thời gian gọi dao động điện từ tắt dần Đặc điểm: điện trở R lớn dao động điện từ tắt dần cành nhanh ngược lại 7.4 Dao động điện từ trì Hệ tự dao động Muốn trì dao động ta phải bù đủ phần lượng bị tiêu hao chu kì Để làm việc người ta dung tranzito để điều khiển việc bù lượng cho phù hợp Mạch dao động điều hoà có sử dụng tranzito tạo thành hệ tự dao động 7.5 Dao động điện từ cưỡng Sự cộng hưởng a) Dao động điện từ cưỡng bức: Mắc mạch dao động LC vó tần số góc riêng 0 nối tiếp với nguồn điện ngoài, nguồn điện xoay chiều có điện áp u U cos t Lúc này, dòng điện mạch LC biến thiên theo tần số góc nguồn điện xoay chiều chứa dao động theo tần số riêng 0 trình gọi dao động điện từ cưỡng b) Sự cộng hưởng: Giữ nguyên biên độ u, điều chỉnh = 0 biên độ dao động điện(I0) khung đạt cực đại tượng gọi cộng hưởng Giá trị cực đại biên độ cộng hưởng phụ thuộc vào điện trở R: - Nếu R nhỏ (I0)max cộng hưởng nhọn - Nếu R lớn (I0)min cộng hưởng tù Sự tương tự dao động điện từ dao động ĐẠI LƯỢNG CƠ Li độ Vận tốc Khối lượng Độc cứng Lực phục hồi Hệ số ma sát Thế Động ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN x v m k F Et Eđ Điện tích Dòng điện Độ tự cảm Điện dung Điện áp Điện trở NL điện trường NL từ trường q i L -1 C u R WC WL DAO ĐỘNG CƠ DAO ĐỘNG ĐIỆN x '' 2 x q '' 2 q LC k m x A cos t q q cos t v x ' A sin t i q ' q sin t W 1 kx mv2 kA 2 2 W v2 A x v max A CẨM NANG VẬT LÍ 12 (53) q 2 q 20 Li C 2 C i q 02 q I q 0916.609.081 – minhtuecbg81@gmail.com CHƯƠNG IV DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ ĐỖ MINH TUỆ II CÔNG THỨC GIẢI NHANH Chu kì tần số dao động riêng mạch LC: 1 T0 2 LC Tần số góc riêng: 0 f0 LC Tính chu kì tần số dao động mạch: q0 q12 q 22 I0 i 22 i12 T I0 i 22 i12 q0 q12 q 22 Ghép tụ điện: Cho L, C1 T1 , f1 ; L, C2 T2 , f L, C1ssC2 : T1.T2 Tss T12 T22 ; L,C1ntC2 : Tnt T12 T22 Ghép cuộn cảm: Cho C, L1 T1 , f1 ; C, L2 T2 , f C, L1ntL : Tnt T12 T22 ; C, L1ssL : Tss T1.T2 T12 T22 Năng lượng dao động điện từ: Năng lượng từ trường (trong cuộn cảm): WL C Li U0 u 2 Năng lượng điện trường (trong tụ điện): WC q2 L 2 Cu I0 i 2C Năng lượng dao động điện từ: W WL WC q LI22 CU 20 q02 q U Li 2C 2 2C 2 W q U Tỉ số lượng từ trường lượng điện trường: L WC q u Tỉ số lượng điện trường lượng từ trường: Khi WL n.WC q Khi WC = n.WL i q0 n 1 ; u WC I0 1 WL i U0 n 1 I0 n 1 Tính nhanh giá trị cực đại (biên độ): Biên độ điện tích: q0 I0 i2 q C.U 2C.W Biên độ điện áp: U0 q0 L L I0 u i2 C C C Biên độ cường độ dòng điện: I0 .q U CẨM NANG VẬT LÍ 12 (54) C C i2 u L L 0916.609.081 – minhtuecbg81@gmail.com CHƯƠNG IV DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ ĐỖ MINH TUỆ Tính nhanh giá trị tức thời: q, u, i i2 q2 i2 u Ta có: ; I0 q I0 U0 Điện áp tức thời: U 2o u L i C Cường độ dòng điện tức thời: I2o i u L 2 L (I0 i ) U 02 i C C C C C (U u ) I20 u u i L L L Biểu thức tức thời q, i, uC uC: Biểu thức điện tích tụ điện: q q cos(t q ) Biểu thức cường độ dòng điện: i I0 cos(t i ) Biểu thức hiệu điện hai tụ điện: u C U cos(t u C ) Biểu thức hiệu điện hai đầu cuộn cảm: u L U cos(t u L ) Mối quan hệ pha đại lượng i, q, uC, uL: q u C i u L Tính công suất cần cung cấp cho mạch để mạch dao động điện từ trì với hiệu điện cực đại U0: Trường hợp 1: Bỏ qua công suất xạ điện từ I20 CR 2 Pcc Ptoa nhiet I R R U0 2L Trường hợp 2: Công suất xạ điện từ Pbx CR Pcc Ptoa nhiet Pbx U Pbx 2L CHỦ ĐỀ ĐIỆN TỪ TRƯỜNG SÓNG ĐIỆN TỪ I ĐIỆN TỪ TRƯỜNG Liên hệ điện trường biến thiên từ trường biến thiên a) Hai giả thuyết Macxoen: Giả thuyết 1: Từ trường biến thiên “Khi từ trường biến thiên theo thời gian, sinh điện trường xoáy tức điện trường mà đường sức điện bao quanh đường sức từ” dB lớn E lớn dt Giả thuyết 2: Điện trường biến thiên “Khi điện trường biến thiên theo thời gian, sinh từ trường có đường sức từ bao quanh đường sức điện trường” dE lớn B lớn dt b) Điện trường xoáy: có đường sức điện đường cong khép kín Chú ý: Đường sức từ đường cong kín Dòng điện dẫn dòng điện dịch a) Dòng điện dẫn: dòng chuyển rời có hướng hạt mang điện b) Dòng điện dịch: khái niệm biến thiên điện trường hai tụ điện CẨM NANG VẬT LÍ 12 (55) 0916.609.081 – minhtuecbg81@gmail.com CHƯƠNG IV DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ ĐỖ MINH TUỆ Điện từ trường - Mỗi biến thiên theo thời gian từ trường sinh không gian xung quanh điện trường xoáy biến thiên theo thời gian ngược lại, biến thiên theo thời gian điện trường sinh từ trường biến thiên theo thời gian không gian xung quanh - Điện trường từ trường tồn độc lập với nhau, mà liên kết chặt chẽ với nhau, cúng chuyển hoá lẫn - Điện trường từ trường hai mặt thể khác loại trường gọi điện từ trường - Điện từ trường dạng vật chất tồn khách quan tự nhiên Chú ý: - Xung quanh điện tích điểm đứng yên so với người quan sát (NQS) điện trường - Xung quanh nam châm vĩnh cửu, dòng điện không đổi đứng yên so với người quan sát từ trường - Xung quanh dòng điện xoay chiều, tia lửa điện, tia sét, điện tích dao động điện từ trường - Điện trường bên hộp kim loại, lồng kim loại không II SÓNG ĐIỆN TỪ Định nghĩa: Quá trình lan truyền điện từ trường gọi sóng điện từ Đặc điểm tính chất sóng điện từ a) Đặc điểm: Trong trình truyền sóng ( E B ) Ox : điện trường từ trường dao động theo phương vuông góc với vuông góc với phương truyền sóng Sóng điện từ sóng ngang Cả E B biến thiên tuần hoàn theo không gian thời gian pha E v Tại điểm vectơ E, B, v tạo thành tam diện thuận B Sóng điện từ truyền môi trường, kể chân không (khác với sóng cơ) Tốc độ lan truyền sóng điện từ chân không tốc độ ánh sáng: c = 3.10 m/s Trong chân không, sóng điện từ có bước sóng: c cT (T, f: chu kì, tần số dao động điện từ) f b) Tính chất sóng điện từ: + Quá trình truyền sóng điện từ trình truyền lượng + Tần số lớn lượng sóng điện từ lớn (tỉ lệ thuận với f4) + Tuân theo quy luật: truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ + Tuân theo quy luật: giao thoa, nhiễu xạ Nguồn phát sóng điện từ (chấn tử): Bất vật thể tạo điện trường hay từ trường biến thiên gọi nguồn phát sóng điện từ Ví dụ: tia lửa điện, dây dẫn điện xoay chiều, cầu dao đóng ngắt mạch điện, Phân loại sóng điện từ: Sắp xếp theo thứ tự giảm dần bước sóng, sóng điện từ phân thành loại là: Sóng vô tuyến; Hồng ngoại; Ánh sáng nhìn thấy; Tử ngoại; Tia X; Tia gamma CHỦ ĐỀ PHÁT VÀ THU SÓNG ĐIỆN TỪ I TÓM TẮT LÝ THUYẾT Mạch dao động hở Anten a) Mạch dao động kín mạch dao động hở: - Mạch dao động kín: điện từ trường không xạ không gian xung quanh CẨM NANG VẬT LÍ 12 (56) 0916.609.081 – minhtuecbg81@gmail.com CHƯƠNG IV DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ ĐỖ MINH TUỆ - Mạch dao động hở: từ mạch dao động kín, ta tăng khoảng cách hai tụ điện, tăng khoảng cách vòng dây điện trường biến thiến từ trường biến thiên xạ nhiều vào không gian gọi mạch dao động hở b) Anten: Anten dạng mạch dao động hở, công cụ hữu hiệu để xạ sóng điện từ Nguyên tắc truyền thông sóng điện từ 2.1 Nguyên tắc chung: Để truyền thông tin âm thanh, hình ảnh, đến nơi xa, áp dụng quy trình chung là: * Nguyên tắc phát: - Biến âm (hình ảnh, ) dao động điện có tần số thấp, gọi tín hiệu âm tần (thị tần) - Dùng sóng điện từ có tần số cao (cao tần hay sóng mang) mang tín hiệu âm tần xa qua anten phát * Nguyên tắc thu: - Dùng máy thu với anten thu để chọn thu lấy sóng điện từ cao tần - Tách tín hiệu khỏi sóng cao tần dùng loa để nghe âm thanh, dùng hình để xem 2.2 Sơ đồ khối hệ thống phát thu dùng sóng điện từ: a) Hệ thống phát Ống nói: biến âm thành dao động điện âm tần Dao động cao tần: tạo dao động điện từ tần số cao (cỡ MHz) Biến điệu: trộn dao động âm với dđct dđct biến điệu Khuếch đại cao tần: khuếch đại dđct biến điệu đưa anten phát Anten phát: phát xạ sóng cao tần biến điệu không gian b) Hệ thống thu thanh: Anten thu: cảm ứng với nhiều sóng điện từ Chọn sóng: chọn lọc sóng muốn thu nhờ cộng hưởng Tách sóng: tách sóng âm tần khỏi sóng cao tần biến điệu Khuếch đại âm tần: khuếch đại âm tần đưa loa để tái lập âm Loa: chuyển dao động điện thành dao động âm 2.3 Nguyên tắc thu sóng điện từ a) Nguyên tắc phát sóng điện từ: Để phát sóng điện từ: mắc máy phát dao động điều hoà Anten phát Đài phát (Đài truyền hình, đài truyền thanh) phát sóng điện từ có tần số f, có bước sóng c = (c = 3.108 m/s) f b) Nguyên tắc thu sóng điện từ: Mắc Anten thu mạch dao động hay mạch chọn sóng (có tần số riêng f0 thay đổi được) f0 (có thể C L thay đổi f0 thay đổi) 2 LC c) Để máy thu bắt sóng điện từ truyền đến: Điều chỉnh để mạch dao động máy thu cộng hưởng với tần số chọn, đó: f0 = f c f 2 LC Chú ý: Nguyên tắc hoạt động mạch dao động máy thu dựa tượng cộng hưởng Sự truyền sóng vô tuyến quanh Trái Đất Sự truyền sóng điện từ thông tin quanh Trái Đất có đặc điểm khác nhau, thuỳ thuộc vào yếu tố: CẨM NANG VẬT LÍ 12 (57) 0916.609.081 – minhtuecbg81@gmail.com CHƯƠNG IV DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ ĐỖ MINH TUỆ - Độ dài bước sóng - Điều kiện môi trường mặt đất - Bầu khí quyển, đặc biệt tầng điện li Tầng điện li: Tầng điện li tầng khí quyển, phân tử khí bị iôn hoá tia Mặt Trời tia vũ trụ Nó có khả dẫn điện, nên phản xạ sóng điện từ Tầng điện li cách mặt đất khoảng 80 km đến 800 km Sóng vô tuyến: a) Định nghĩa: Sóng điện từ dùng thông tin vô tuyến có tần số từ hàng nghìn héc trở lên gọi sóng vô tuyến b) Phân loại sóng vô tuyến: Căn vào bước sóng chia sóng vô tuyến thành dải sóng Tên sóng Bước sóng (m) Tần số (Hz) Sóng dài Trên 1000 (m) 3.105 Sóng trung 100 đến 1000 3.105 đến 3.106 Sóng ngắn 10 đến 100 3.106 đến 3.107 Sóng cực ngắn 0,01 đến 10 3.107 đến 3.1010 c) Đặc tính phạm vi sử dụng: Loại sóng Sóng dài Sóng trung Sóng ngắn Sóng cực ngắn Đặc tính Phạm vi sử dụng Dùng thông tin nước Ban ngày: tầng điện li hấp thụ mạnh Sử dụng truyền thông tin vào Ban đếm: tầng điện li phản xạ tốt ban đêm Bị tầng điện li phản xạ mặt đất, mặt đất Một đài phát sóng ngắn với phản xạ lần thứ hai, tầng điện li phản xạ lần công suất lớn truyền thứ ba,… sóng khắp nơi mặt đất Năng lượng lớn nhất, truyền thẳng không bị Dùng vô tuyến truyền tầng điện li hấp thụ hay phản xạ hình qua vệ tinh Dùng thông tin vũ trụ Ít bị nước hấp thụ Sóng dài, sóng trung sóng ngắn hay dùng truyền thanh, truyền hình mặt đất II CÔNG THỨC GIẢI NHANH Nguyên tắc phát thu sóng điện từ Phát sóng điện từ: Mỗi đài phát phát sóng điện từ có tần số xác định f f c Máy thu: Có mạch chọn sóng mạch dao động LC, có tần số dao động riêng f0 2 LC Để máy thu bắt sóng điện từ truyền đến, cần điều chỉnh để mạch xảy cộng hưởng điện: f0 f 2 LC c với c = 3.108 m/s Tính bước sóng mà máy thu bắt được: 2c LC với C C C max L L Lm ax Bước sóng dài nhất: max 2c Lmax C max Bước sóng ngắn nhất: 2c L Cmin max CẨM NANG VẬT LÍ 12 (58) 0916.609.081 – minhtuecbg81@gmail.com CHƯƠNG IV DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ ĐỖ MINH TUỆ Tính độ tự cảm L để máy thu bắt sóng điện từ có tần số f (bước sóng ) 2 L 2 2 4 f C 4 c C Tính điện dung tụ điện để máy thu bắt sóng điện từ có tần số f (bước sóng ) 2 C 2 2 4 f L 4 c L S Công thức tính điện dung tụ điện xoay: C x , với d khoảng cách hai tụ 4kd điện Cho biết điện dung tụ điện thay đổi liên tục từ C1 = Cmin đến C2 = Cmax theo hàm bậc góc xoay, từ đến max Ta có: C x a. b Cmax C C1 Cmin a. b a max C Cmax a. max b b C a. min C b max C b C a. b Cmax C C Cx có giá trị biến thiên: a. b C x a. max b Chú ý: Đề cho tụ xoay gồm n kim lại song song tương đương với (n – 1) tụ điện giống mắc song song Cb = (n -1)Co Mạch chọn sóng máy thu vô tuyến điện gồm L C Để bắt sóng điện từ 1 phải mắc thêm tụ xoay Cx với tụ điện C nào? Tụ xoay có điện dung biến thiến khoảng nào? Giải: 2 Tính: C b 2 ;C bmax 2 4 c L 4 c L C.Cb C.Cbmax Nếu Cbmin, Cbmax < C Cx nối tiếp C C1x ; C2x C Cb C Cb max Nếu Cbmin, Cbmax > C Cx song song C C1x Cb C ; C 2x C b max C Mạch chọn sóng máy thu vô tuyến điện gồm L C Để bắt sóng điện từ 1 phải mắc thêm cuộn cảm Lx với cuộn cảm L nào? Giải: 12 22 Tính: L b 2 ; L b max 2 4 c C 4 c C L.Lb L.L b max Nếu Lbmin, Lbmax < L Lx song song L L1x ; L 2x L L b L Lb max Nếu Lbmin, Lbmax > L Lx nối tiếp L L1x L b L ; L 2x L b max L Mạch chọn sóng gồm cuộn cảm tụ điện có điện dung C thay đổi ( C1 C C ) Tìm giới hạn rộng giới hạn hẹp độ tự cảm L để máy thu bắt sóng điện từ 1 Giải: 12 22 L Giới hạn hẹp nhất: L11 L L 22 hep nhat 42c 2C1 4 c C Giới hạn rộng nhất: L12 L L 21 CẨM NANG VẬT LÍ 12 12 22 L rong nhat 4 c C 42c2 C1 (59) 0916.609.081 – minhtuecbg81@gmail.com CHƯƠNG IV DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ ĐỖ MINH TUỆ Ghép tụ điện ghép cuộn cảm thành bộ: Mạch (L,C1) Mạch (L,C2) Mạch (L,C1ssC2) T1 2 LC1 T2 2 LC2 Tss T12 T22 f1 2 LC1 f2 2 LC f ss f1f 2 f f 2 1 2c LC1 2c LC2 ss 12 22 Mạch (L1,C) Mạch (L2,C) Mạch (L1ntL2,C) T1 2 L1C T2 2 L2 C Tnt T12 T22 f1 L1C 1 c L1C f2 2 L C f nt f1f f12 f 22 nt 12 22 2c L2 C Mạch (L,C1ntC2) T1T2 Tnt T12 T22 f nt f12 f 22 nt 1 12 22 Mạch (L1ssL2,C) T1T2 Tss T12 T22 f ss f12 f 22 ss 1 12 22 Tóm lại cần nhớ: T 2 LC ; Css C1 C ; L nt L1 L xong! CẨM NANG VẬT LÍ 12 (60) 0916.609.081 – minhtuecbg81@gmail.com