Chuyên đề iv dao động và sóng điện từ

CHUYÊN ĐỀ IV DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ MỤC LỤC MỤC LỤC CHỦ ĐỀ DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ A TĨM TẮT LÍ THUYẾT B PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG TOÁN Dạng Bài toán liên quan đến tham số mạch LC Tần số, chu kì Giá trị cực đại, giá trị tức thời Giá trị tức thời hai thời điểm .10 Năng lượng điện trường Năng lượng từ trường Năng lượng điện từ 12 Dao động cưỡng Dao động riêng 14 Khoảng thời gian 16 Dạng Bài toán liên quan đến nạp lượng cho mạch LC, liên quan đến biểu thức 28 Nạp lượng cho tụ .28 Nạp lượng cho cuộn cảm 30 Biểu thức phụ thuộc thời gian 33 Điện lượng chuyển qua qua tiết diên thẳng dây dẫn 38 Dạng Bài toán liên quan đến mạch LC thay đổi cấu trúc .45 Mạch gồm tụ ghép 45 Tụ ghép liên quan đến lượng 47 Đóng mở khóa k làm tụ C1 (hoặc C1 bị đánh thủng) .48 Dạng Bài toán liên quan đến mạch LC có điện trở .60 Năng lượng hao phí 60 Công suất cần cung cấp 61 CHỦ ĐỀ SÓNG ĐIỆN TỪ 65 A TĨM TẮT LÍ THUYẾT 65 B PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG TOÁN 68 Dạng Bài toán liên quan đến lan truyền điện từ trường 68 Đặc điểm điện từ trường sóng điện từ 68 Ứng dụng sóng điện từ định vị 72 Dạng Bài toán liên quan đến mạch thu sóng 78 Bước sóng mạch thu 78 Điều chỉnh mạch thu sóng 83 Tụ xoay 86 Mạch thu sóng có ghép thêm tụ xoay 87 Mạch thu sóng có điện trở .90 File word: ducdu84@gmail.com Phone, Zalo: 0946 513 000 CHUYÊN ĐỀ BÀI TẬP VẬT LÝ 12 CHUYÊN ĐỀ IV DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ CHUYÊN ĐỀ IV DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ CHỦ ĐỀ DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ A TĨM TẮT LÍ THUYẾT Mạch dao động Cấu tạo: Gồm tụ điện mắc nối tiếp với cuộn cảm thành mạch kín Nếu r nhỏ ( 0): mạch dao động lí tưởng Hoạt động: Muốn mạch hoạt động ta tích điện cho tụ điện cho phóng điện mạch Tụ điện phóng điện qua lại mạch nhiều lần tạo dòng điện xoay chiều Khảo sát dao động kí: Người ta sử dụng hiệu điện xoay chiều tạo hai tụ điện cách nối hai với dao động kí thấy đồ thị dạng sin Dao động điện từ tự mạch dao động a Định luật biến thiên điện tích cường độ dịng điện mạch dao động lí tưởng di u AB e  L u  e  ri r  dt AB Vận dụng định luật Ơm cho đoạn mạch AB, ta có: với i dq q ' dt Với qui ước dấu hình vẽ, q q q u AB   Lq ''hay q '' 0 C nên C LC Ta lại có:   q C  q L    , LC ta có phương trình: q ''  q 0  1 Đặt Tương tự phần dao động cơ, nghiệm phương trình có dạng: q Q0 cos  t    Sự biến thiên điện tích bản: (2) q Q0 cos  t    Qui ước: + q > 0, cực bên mang điện tích dương + i > 0, dòng điện chạy qua cuộn cảm theo chiều từ B đến A   LC với   i I0 cos  t      với I0 q   Phương trình vể dòng điện mạch:   i I cos  t   q  q cos  t 2  Nếu chọn gốc thời gian lúc tụ điện bắt đầu phóng điện: Vậy, điện tích q tụ điện cường độ dòng điện i mạch dao động biến thiên điều hòa theo thời gian, i lệch pha π/2 so với q b Định nghĩa dao động điện từ Sự biến thiên điều hồ theo thời gian điện tích q tụ điện cường độ dòng điện (hoặc cường độ điện trường E cảm ứng từ B) mạch dao động gọi dao động điện từ tự c Chu kì tân số dao động riêng T 2 LC f  LC Tần số dao động riêng: Năng lượng điện từ Nếu khơng có tiêu hao lượng trình dao động điện từ, lượng tập trung tụ điện (WC) cuộn cảm (WL) Tại thời điểm bất kì, ta có: File word: ducdu84@gmail.com Phone, Zalo: 0946 513 000 CHUYÊN ĐỀ BÀI TẬP VẬT LÝ 12 CHUYÊN ĐỀ IV DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ Năng lượng điện trường tập trung tụ điện: WC  q Q 20  cos  t    C 2C Q02 CU 02 LI02   2C 2 = số Năng lượng từ trường tập trung cuộn cảm: Vậy, trình dao động mạch, lượng từ trường lượng điện trường ln chuyển hố cho nhau, tổng lượng điện từ không đổi B PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG TỐN Bài tốn liên quan đến tham số mạch LC Bài toán liên quan đến nạp lượngcho mạch LC.Liên quan đên biểu thức Bài toán liên quan đến mạch LC thay đổi cấu trúc Bài toán liên quan đến mạch LC có điện trở Dạng Bài tốn liên quan đến tham số mạch LC Tần số, chu kì   Các đại lượng q, U, E , i , B , biến thiên điều hòa theo thời gian với tần số góc, tần số chu kì WL WC  WL  I 2   2f     ; T 2 LC T 2 2 LC LC Q0 LC là: hay Liên hệ giá trị cực đại: I0 Q0 CU   ;f  W WC  WL  Q02 CU 02 LI02   2C 2 Năng lượng dao động điện từ: Năng lượng điện trường chứa tụ W C lượng từ trường chứa cuộn cảm W L biến thiên tuần hoàn theo thời gian với  ' 2.f' 2 f, T' T /  Q02 q Q02 W   cos  t    1  cos  2t  2      C C 2C 4C   2 2  W  Li  L Q0 sin t    Q sin t    Q 1  cos 2t  2         L 2 2C 4C  Ví dụ 1: (THPTQG − 2017) Gọi A v M biên độ vận tốc cực đại chất điểm dao động điều hịa; Q I0 điện tích cực đại tụ điện cường độ dòng điện cực đại mạch dao động LC hoạt động Biểu thức v M/A có đon vị với biểu thức I0 Q0 2 Q I A B Q0 I C D I Q0 Hướng dẫn vM   v M A    A   I0 Q    I0  Q0 * Từ  Chọn A Ví dụ 2: Một mạch dao động LC lí tưởng có cuộn cảm có độ tự cảm mH tụ điện có điện dung 8µF, lấy π2 = 10 Năng lượng từ trường mạch biến thiên với tần số A 1250 Hz B 5000 Hz C 2500 Hz D 625 Hz Hướng dẫn File word: ducdu84@gmail.com Phone, Zalo: 0946 513 000 CHUYÊN ĐỀ BÀI TẬP VẬT LÝ 12 f 2 LC  2 2.10 3.8.10 CHUYÊN ĐỀ IV DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ 1250  Hz  Từ trường cuộn cảm biến thiên với tần số f, lượng từ trườngbiến thiên với tần số f’ = 2f= 2500(Hz)  Chọn C Ví dụ 3: (CĐ – 2012) Một mạch dao động điện từ lý tưởng gồm cuộn cảm tụ điện có điện dung thay đổi Trong mạch có dao động điện từ tự Khi điện dung tụ điện có giá trị 20pF chu kỳ dao động riêng mạch dao động 3µs Khi điện dung tụ điện có giá trị 180pF chu kỳ dao động riêng mạch dao động là: A 1/9 µs B 1/27 µs C µs D 27 µs Hướng dẫn T2 2 LC C T 180      T2 9  s   T1 2 LC1 C1 20 Chọn C Chú ý: Khoảng thời gian hai lần liên tiếp để đại lượng q, u, i, E, B, WC, WL có độ lớn cực đại T/2 Ví dụ 4: Một mạch dao động với tụ điện C cuộn cảm L thực dao động tự Điện tích cực đại tụ điện 10 (µC) cường độ dịng điện cực đại mạch 10πA Khoảng thời gian lần liên tiếp điện tích tụ triệt tiêu A µs B µs C 0,5 µs D 6,28 µs Hướng dẫn W Q02 LI02 Q2 Q 10.10   LC  20  T 2 LC 2 2 2.10   s  2C I0 10 I0 T 10   s   Khoảng thời gian lần liên tiếp điện tích tụ triệt tiêu là: Chọn A Ví dụ 5: Một mạch đao động LC lí tưởng tụ điện có điện dung µs Điện áp cực đại tụ V dòng điện cực đại mạch mA Năng lượng điện trường tụ biến thiên với tần số góc A 450 (rad/s) B 500 (rad/s) C 250 (rad/s) D 125 rad/s Hướng dẫn Từ hệ thức: I0 Q0 CU   I0 /  CU  = 125 (rad/s) Năng lượng điện trường biến thiên với tần số  ' 2  250 (rad/s)  Chọn C Ví dụ 6: (ĐH − 2010) Một mạch dao động lí tưởng gồm cuộn cảm có độtự cảm 4µH tụ điện có điện dung biến đổi từ10 pF đến 640 pF Lấy π = 10 Chu kì daođộng riêng mạch có giá trị A từ 10 − s đến 3.10 − 7s B từ4.10 − s đến 3,2 10 − 7s −8 −7 C từ 10 s đến 3,6 10 s D từ4 10 − s s đến 2,4 10 − 7s Hướng dẫn T 2 LC 2 4.10  6.10.10  4.10   s   1 T 2 LC    T2 2 LC 2 4.10  6.640.10  12 3, 2.10   s  Chọn B Ví dụ 7: Cho mạch dao động điện từ gồm tụ điện có điện dung (µF) Biết điện trường tụ biến thiên theo thời gian với tần số góc 1000 (rad/s) Độ tự cảm cuộn dây File word: ducdu84@gmail.com Phone, Zalo: 0946 513 000 CHUYÊN ĐỀ BÀI TẬP VẬT LÝ 12 A 0,25 H CHUYÊN ĐỀ IV DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ B mH C 0,9 H D 0,0625 H Hướng dẫn Tần số dao động riêng mạch tần số biến thiên điện trường tụ nên: 1 L  0, 25  H    C 1000 4.10 Chọn A Ví dụ 8: Một mạch dao động LC tụ điện có điện dung 10 − 2/π2 F cuộn dây cảm Sau thu sóng điện từ lượng điện trường tụ điện biến thiên với tần số 1000 Hz Độ tự cảmcủa cuộn dây A 0,1 mH B 0,2 mH C mH D mH Hướng dẫn Tần số dao động riêng mạch nửa tần số biến thiên lượng điện trường 1   10  H   2 2  C  2f  C 10  1000   tụ nên f = 500 Hz Chọn A S C 9.109.4d S diện Chú ý: Điện dung tụ điện phẳng tính theo cơng thức: tích đối diện hai tụ, d khoảng cách hai tụ  số điện môi chất điện môi L tụ Ví dụ 9: Tụ điện mạch dao động LC tụ điện phẳng Mạch có chu kì dao động riêng T Khi khoảng cách hai tụ giảm bốn lần chu kì dao động riêng mạch A T Từ công thức:  Chọn B B 2T C D 0,5T C 0,5T Hướng dẫn S 9.109.4d giảm d bốn lần C’ = 4C nên T’ = 2T Ví dụ 10: Một mạch dao động LC lí tưởng biến đổi dải tần số từ 10 MHz đến 50 MHz cách thay đổi khoảng cách hai tụ điện phẳng Khoảng cách tụ thay đổi A lần B 16 lần C.160 lần D 25 lần Hướng dẫn f  f 2 LC C d d       25 f2 C2 d1 d1  f  2 LC1  Chọn D Ví dụ 11: Dịng điện mạch LC lí tưởng có cuộn dây có độ tự cảm µH, có đồ thị phụ thuộc dịng diện vào thời gian hình vẽ bên Tụ có điện dung là: A 2,5 nF B pF C 25 nF D 0,25 uF.  i(mA) 4 2 5/6 t(s) 4 Hướng dẫn File word: ducdu84@gmail.com Phone, Zalo: 0946 513 000 CHUYÊN ĐỀ BÀI TẬP VẬT LÝ 12 CHUYÊN ĐỀ IV DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ Từ đồ thị: I0 = mA, thời gian ngắn từ i = mA = I0/2 đến t = I0 i = là: 6 T T 2 10  s     T 2.10 (s)    106   rad / s  6 T 25.10  F   2 L Chọn C Ví dụ 12: (ĐH − 2014) Hai mạch dao động điện từ LC lí tưởng có dao động điện từ tự với cường độ dòng điện tức thời hai mạch i1 i2được biểu diễn hình vẽ Tổng điện tích hai tụ điện hai mạch thời điếm có giá trị lớn A 4/π µC B 3/ π µC C 5/ π µC D 10/π µC  C  i(10 A) i1 t(10 s) 6 8 i2 0, 1, 1,5 2, Hướng dẫn Cách 1:   0, 008  i1 0, 008cos  2000t    A   q1  2000 cos 2000t  C      q q1  q  i 0, 006 cos  2000t     A   q  0, 006 cos  2000t     C     2000 2   C    Chọn C    i 0,008cos  1000t    A  2  i i1  i   i 0, 006 cos  2000t     A  2 2  Q0  Q 01  Q02  Cách 2: 2  I0  I 01  I 02  0, 0082  0, 006 0, 01  A   Q   Chọn C Ví dụ 13: Hai mạch dao động điện từ LC lí tưởng có dao động điện từ tự với cường độ dòng điện tức thời hai mạch i1 i2được biểu diễn hình vẽ Tổng điện tích hai tụ điện hai mạch thời điểm có giá trị lớn A 7/π (µC) B 5/π(µC) C 8/π (µC) D 4/π (µC) I0 0, 01    C   2000  i(mA) (1) 1,5 O 3 8 t(ms) (2) 1/ 13 / Hướng dẫn 13T2 13 T   ms  ;   ms   T1 T2 T 2  ms  12 Từ đồ thị ta viết được: File word: ducdu84@gmail.com Phone, Zalo: 0946 513 000 CHUYÊN ĐỀ BÀI TẬP VẬT LÝ 12    CHUYÊN ĐỀ IV DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ 2 1000  rad / s  T    i1 8cos  200t    mA      i i1  i  i 3cos  2000t     mA    2 3  Từ đồ thị ta viết được:  I 2 7.10 7  mA   Q     C    1000  Chọn A Giá trị cực đại, giá trị tức thời 2  I0  I01  I02  2I01I02 cos W CU 02 LI02 Q02 Cu Li q Li       2 2C 2 2C I0 Q0 CU  CU LC Ví dụ 1: Một mạch dao động điện từ gồm tụ điện có điện dung 0,125 µF cuộn cảm có độ tự cảm 50 µH Điện trở mạch không đáng kế Hiệu điện cực đại hai tụ điện 4,5 V Cường độ dòng điện cực đại mạch A 0,225 A B 7,5 mA C 15 mA Hướng dẫn D 0,15 A CU 02 LI02 C   I U 0, 225  A   2 L Chọn A Ví dụ 2: Mạch dao động LC lí tưởng gồm tụ điện có điện dung 0,2 (µF) cuộn dây có hệ số tự cảm 0,05 (H) Tại thời điểm điện áp hai tụ 20 V cường độ dịng điện mạch 0,1 (A) Tính tần số góc dao động điện từ cường độ dịng điện cực đại mạch W A 104 rad/s; 0,11 C 1000 rad/s; 0,11 A B 104 rad/s; 0,12 A D 104 rad/s; 0,11 A Hướng dẫn    CL 10000  rad / s     2  W  Cu  Li  I  i  C u  0, 0116 0,11 A    2 L Chọn D Ví dụ 3: Cho mạch dao động LC lí tưởng Dịng điện chạy mạch có biểu thức i 0, 04 cos 20t (A) (với t đo µs) Xác định điện tích cực đại tụ điện A 10 − 12C B 0,002 C C 0,004 C Hướng dẫn D 2nC I0 0, 04  2.10  C    20rad 10 s Chọn D Ví dụ 4: (CĐ 2008): Mạch dao động LC có điện trở khơng gồm cuộn dây cảm (cảm thuần) có độ tự cảm mH tụ điện có điện dung nF Trong mạch có dao động điện từ tự (riêng), hiệu điện cực đại hai cực tụ điện V Khi hiệu điện hai tụ điện V cường độ dòng điện cuộn cảm I0 Q0  Q0  File word: ducdu84@gmail.com Phone, Zalo: 0946 513 000 CHUYÊN ĐỀ BÀI TẬP VẬT LÝ 12 A mA W CHUYÊN ĐỀ IV DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ B mA C mA Hướng dẫn D 12 mA Cu Li CU 02 C 9.10  2    i  U0  u       6.10  A  2 L 4.10  Chọn C Ví dụ 5: Mạch dao động điện từ LC gồm cuộn dây cảm có độ tự cảm 50 (mH) tụ có điện dung (µF) Điện áp cực đại tụ 12 (V) Tính giá trị điện áp hai tụ độ lớn cường độ dòng 0,04 (A) A 4(V) W C (V) Hướng dẫn B 8(V) D (V) Cu Li CU 20 L 50.10     u  U 02  i  122  0, 042.5 8  V  2 C 5.10  Chọn B Ví dụ 6: Một mạch dao động điện từ gồm tụ điện có điện dung 0,0625 (µF) cuộn dây cảm, dao động điện từ có dịng điện cực đại mạch 60 (mA) Tại thời điểm ban đầu điện tích tụ điện 1,5 (µC) cường độ dịng điện mạch 30 (mA) Độ tự cảm cuộn dây A 50 mH B 60 mH C 70 mH D 40 mH Hướng dẫn W q Li LI 20 q2    L  2C 2 C  I 02  i   L  1,52.10 12 0, 0625.10  602  302.3 10  0, 04  H   Chọn D Ví dụ 7: (ĐH − 2011) Một mạch dao động LC lí tưởng gồm cuộn cảm có độ tự cảm 50 mH tụ điện có điện dung C.Trong mạch có dao động điện từ tự với cuờng độ dòng điện i = 0,12cos2000t (i tính A, t tính s) Ở thời điểm mà cường độ dòng điện mạch nửa cường độ hiệu dụng hiệu điện hai tụ có độ lớn A 12 V C V C Hướng dẫn I I 5.10  H  ,i   2 B 14 V 1  2  L 2000 50.10  D 14 V 1 L 2 L  I02  W  LI02  Cu  Li  u  I0  i     I0   2 C C 8 3 14  V   Chọn D Chú ý: Các hệ thức liên quan đến tần số góc: u  2000.50.10   File word: ducdu84@gmail.com Phone, Zalo: 0946 513 000 CHUYÊN ĐỀ BÀI TẬP VẬT LÝ 12 CHUYÊN ĐỀ IV DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ  q Li Q20 i2   q  LC.i Q 02  q  Q 02 W    2C 2C   2 2 LI  q Li q 2 2 2  W  2C    LC  i I   q  i I Ví dụ 8: Trong mạch dao động LC có dao động điện từ tự (dao động riêng) với tần số góc 10 rad/s Điện tích cực đại tụ điện 10 − C.Khi cường độ dịng điện mạch 6.10 − A điện tích tụ điện A 6.10 − 10C B 8.10 − 10 C C 10 − 10C D 4.1010 − 10C Hướng dẫn q Li Q02 i2    q  Q 02  8.10  10  C   2C 2C  Chọn B Ví dụ 9: Trong mạch dao động LC lí tưởng có dao động điện từ tự do, biểu thức dòng điện mạch i 5 cos t (mA) Trong thời gian s có 500000 lần dòng điện triệt tiêu Khi cường độ W dòng điện mạch 4π (mA) điện tích tụ điện A nC B nC C 0,95.10 − 9C D 1,91 nC Hướng dẫn Trong chu kì dịng điện triệt lần nên s dòng điện triệt tiêu 2f lần 500000  250000  Hz    2f 500000  rad / s  f    2  W  q  Li  LI0  q  I  i 6.10  C  2C 2   Chọn A Chú ý: Nếu toán cho q, i, L U0để tìm ω ta phải giải phương trình trùng phương: U2 U2 1 q Li CU 02 C 2 L      q  i 2  20  20  i 2  q 1 2C 2  L  L   Ví dụ 10: Một mạch dao động LC lí tưởng gồm cuộn cảm có độ tự cảm 50 mH tụ điện có điện dung C.Trong mạch có dao động điện từ tự với điện áp cực đại hai đầu cuộn cảm W 12 V Ở thời điểm mà cường độ dòng điện mạch 0,03 A điện tích tụ có độ 14 C Tần số góc mạch lớn 15 A 2.103 rad/s B 5.104 rad/s C 5.103 rad/s Hướng dẫn D 25.104 rad/s U 02 1 144 1  i 2  q 0   0, 032.2  152.14.10  12 0 L   0, 05     2.103  rad / s   Chọn A Chú ý:  q  1 x2 Q  WL x W  WC W  WL   x  W   q   x U + Nếu i xI0 2 W  y W  WL W  WC   y  W  i   y I + Nếu q  yQ0 C File word: ducdu84@gmail.com Phone, Zalo: 0946 513 000 CHUYÊN ĐỀ BÀI TẬP VẬT LÝ 12 CHUYÊN ĐỀ IV DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ Ví dụ 11: Một mạch dao động LC lí tưởng có điện áp cực đại hai tụ điện U Tại thời điểm điện tích tụ có độ lớn 0,6 giá trị cực đại cường độ dịng điện mạch có giá trị A 0, 25I B 0,5I C 0,6.I0 Hướng dẫn D 0,8.I0 q 0, 6Q  WC 0,36W  WL  W  WC 0,64W  i  0, 64I 0,8I  Chọn D Ví dụ 12: (ĐH − 2008) Trong mạch dao động LC điện trở thuần, có dao động điện từ tự (dao động riêng) Điện áp cực đại hai tụ cường độ dòng điện cực đại qua mạch U0 I0 Tại thời điểm cường độ dịng điện mạch có giá trị I 0/2 độ lớn điện áp hai tụ điện A 0,75.U0 B 0,5.U0 D 0,25.U0 C 0,5.U0 Hướng dẫn Cách 1: i 0,5I0  WL 0, 25W  WC W  WL 0, 75W  u  0, 75U 0,5 3U  Chọn B Cách 2: W Cu Li CU 02 LI02 Cu LI02 CU 02       2 2 2 Cu CU 02 CU 02    u  U0 2 Ví dụ 13: (ĐH− 2010) Xét hai mạch dao động điện từ lí tưởng Chu kì dao động riêng mạch thứ T1, mạch thứ hai T = 2T1 Ban đầu điện tích tụ điện có độ lớn cực đại Q0 Sau tụ điện phóng điện qua cuộn cảm mạch Khi điện tích tụ hai mạch có độ lớn q (0