DĐ và sóng điện từ

Chuyên đề Luyện thi Tốt nghiệp THPT và Luyện thi Đại học, Cao đẳng 2009 CHUYÊN ĐỀ LUYỆN THI TỐT NGHIỆP THPT VÀ LUYỆN THI ĐẠI HỌC, CAO ĐẲNG 2009 Môn: VẬT LÍ Chuyên đề: DAO ĐỘNG và SÓNG ĐIỆN TỪ I. MỤC ĐÍCH CHUYÊN ĐỀ • Để hiểu quá trình dao động của các điện tích như thế nào cũng như quá trình lan truyền sóng điện từ hay nguyên tắc phát và thu sóng vô tuyến thì đây là bài học mà bạn cần tìm hiểu. • Cung cấp kĩ năng giải bài tập qua một số bài có lời giải chi tiết, các dạng bài tập phù hợp với chương trình thi tốt nghiệp và đại học. II. KIẾN THỨC CƠ BẢN 1. Mạch dao động. 1.1 Dao động điện từ tự do trong mạch dao động a) Dao động điện từ tự do trong mạch dao động  Biểu thức mô tả sự biến thiên của điện tích: q = q 0 cos(ωt + φ). Với ω = 1 LC , đơn vị ω là rad/s. + C _ L  Phương trình dòng điện i trong mạch: Δq dq ⎛ π ⎞ ( ) i = = = −ω q 0 sin ω + ϕ =t I 0 cos ⎜ t ⎟ Δt dt I 0 1 ⎝ 2 ⎠ Với I 0 = ωq 0 hay ω = = q0 LC Kết luận: điện tích q trên tự điện và cường độ dòng điện i trong mạch dao động biến thiên điều hòa theo thời gian, i sớm pha 2 Biểu thức tính chu kì dao động: T 2 LC Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt π so với q. Trang 1 Chuyên đề Luyện thi Tốt nghiệp THPT và Luyện thi Đại học, Cao đẳng 2009 Tần số dao động: f = 1 2 LC b) Năng lượng điện – từ trường  Tại thời điểm t, điện tích trên tụ là: q q 0 cos ( )t Trên tụ có một hiệu điện thế: u = q = q 0 cos ( )t Như vậy: năng lượng tụ điện là 2 2 C C = 1 qu = q 0 2 ( ) q 0 ⎣ + (2 t)⎤ Wd 2 2C cos t 4C ⎡1 cos  Tại thời điểm t khi tụ phóng điện thì trên cuộn dây xuất hiện dòng điện: i q ' = −ωq0 sin( )t Tương ứng với năng lượng tức thời trên cuộn cảm: LI2 = 11 LiL q2ω 2 2 2 ( ) 0 ⎣ − (2 t)⎤ Wt 2 2 0 sin t 4 ⎡1 cos ⎦ Như vậy năng lượng điện từ trường: W = W + Wt = q 2 0 ⎡1 + cos (2 t) ⎤⎦ + LI 2 0 ⎡1 − cos (2 t)⎤ 2 2 4C ⎣ 4 ⎣ ⎦ ⇒ W = q0 = LI 0 = 1 Cu 2 2C 2 2 Kết luận: 0  Năng lượng của mạch dao động gồm có năng lượng điện trường tập trung ở tụ điện và năng lượng từ trường tập trung ở cuộn cảm.  Năng lượng điện trường và năng lượng từ trường biến thiên tuần hoàn với tần số là 2ω hay chu kì là T 2 .  Tổng năng lượng điện trường và năng lượng từ trường tại thời điểm bất kì là một hằng số. 2. Điện từ trường 2.1 Mối quan hệ giữa điện trường và từ trường a) Từ trường biến thiên và điện trường xoáy  Khi có một từ trường biến thiên theo thời gian, nó sinh ra một điện trường xoáy tức là một điện trường mà các đường sức bao quanh các các đường cảm ứng từ. b) Điện trường biến thiên và từ trường:  Khi có một điện trường biến thiên theo thời gian, nó sinh ra một từ trường xoáy tức là một từ trường mà các đường cảm ứng từ bao quanh các các đường sức từ. 2.2 Điện từ trường và thuyết điện từ MẮC-XOEN a) Điện từ trường  Điện trường biến thiên theo thời gian sinh ra từ trường, từ trường biến thiên theo thời gian sinh ra điện trường xoáy. Hai trường biến Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Trang 2 Chuyên đề Luyện thi Tốt nghiệp THPT và Luyện thi Đại học, Cao đẳng 2009 thiên này liên quan mật thiết với nhau và là hai thành phần của một trường thống nhất, gọi là điện từ trường. b) Thuyết điện từ Mắc-xoen Mắc-xoen đã xây dựng được hệ thống phương trình diễn tả mối quan hệ  Điện tích, điện trường, dòng điện và từ trường.  Sự biến thiên của từ trường theo thời gian và điện trường xoáy.  Sự biến thiên của điện trường theo thời gian và từ trường. 3. Sóng điện từ - thông tin vô tuyến và thông tin liên lạc bằng sóng vô tuyến 3.1 Sóng điện từ a) Khái niệm:  Sóng điện từ là điện từ trường lan truyền trong không gian theo thời gian. b) Tính chất:  Sóng điện từ truyền được trong các môi trường rắn, lỏng, khí và cả trong chân không. Sóng điện từ truyền trong chân không với vận tốc là c = 3.10 8 m/s. Trong các môi trường khác thì sóng điện từ truyền với vận tốc nhỏ hơn c và phụ thuộc vào hằng số điện môi.  Sóng điện từ là sóng ngang, tức là vec-tơ E , B vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng (vuông góc với vec-tơ v ).  Dao động của điện trường và từ trường tại một điểm luôn luôn đồng pha nhau.  Sóng điện từ bị phản xạ, khúc xạ như sóng cơ.  Sóng điện từ mang năng lượng. 3.2 Thông tin vô tuyến a) Khái niệm sóng vô tuyến  Là sóng điện từ có tần số từ hàng nghìn hec (Hz) trở lên. b) Phân loại sóng vô tuyến  Sóng dài: năng lượng sóng càng lớn do đó tần số càng cao, các sóng dài ít bị nước hấp thụ nên được dùng để thông tin dưới nước.  Sóng trung: truyền tốt vào ban đêm vì ban ngày chúng bị tầng điện li hấp thụ mạnh nên không truyền xa được.  Sóng ngắn: có năng lượng lớn hơn sóng trung, chúng được tầng điện li phản xạ lại mặt đất và phản xạ tiếp lên tầng điện li … do đó sóng ngắn được dùng phổ biến trong thông tin vô tuyến.  Sóng cực ngắn: có năng lượng lớn nhất, không bị tầng điện li hấp thụ hay phản xạ, có khả năng truyền đi xa theo đường thẳng và được ứng dụng trong thông tin vũ trụ, vô tuyến truyền hình, thông tin vệ tinh. 3.3 Thông tin liên lạc bằng sóng vô tuyến a) Nguyên tắc chung:  Dùng sóng điện từ cao tần, những sóng vô tuyến dùng để tải các thông tin gọi là sóng mang.  Biến điệu sóng mang. Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Trang 3 Chuyên đề Luyện thi Tốt nghiệp THPT và Luyện thi Đại học, Cao đẳng 2009  Tách sóng âm tần ra khỏi sóng cao tần.  Khuếch đại tính hiệu âm tần. b) Sơ đồ khối  Sơ đồ khối của máy phát thanh 1 2 (1): Micro. 3 4 5 (2): Mạch phát sóng điện từ cao tần. (3): Mạch biến điệu. (4): Mạch khuếch đại. (5): Angten phát.  Sơ đồ khối của máy thu thanh 5 (1): Loa. 1 2 3 4 (2): Mạch khuếch đại dao động điện từ âm tần. (3): Mạch tách sóng. (4): Mạch khuếch đại dao động điện từ cao tần. (5): Angten thu. III. CỦNG CỐ KIẾN THỨC Bài tập 1 (Trích từ đề thi trên Hocmai.vn): Cường độ tức thời của dòng điện trong mạch dao động là i = 0,05sin(2000t). Tụ điện trong mạch có điện dung C = 5μF. Độ tự cảm của cuộn cảm là: A. 5.10 -5 H. C. 100H. Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt B. 0,05H. D. 0,5H. Trang 4 Chuyên đề Luyện thi Tốt nghiệp THPT và Luyện thi Đại học, Cao đẳng 2009 Trả lời: Biểu thức dòng điện: i = 0,05sin(2000t), tần số là: ω = 1 LC = 2000 =⇒ L 1 2 ω C = 1 2 . . −6 = , ( ). 0 05 H Phương án trả lời: B. Bài tập 2 (Trích từ đề thi trên Hocmai.vn): Một mạch dao động có tụ điện C = 0,5μF. Để tần số dao động của mạch bằng 960Hz thì độ tự cảm của cuộn dây là: A. 52,8 H. C. 0,345 H. Trả lời: Ta có từ biểu thức tính tần số dao động B. 5,49.10 -2 H. D. 3,3.10 2 H. f = 1 2 LC ⇒ = L 1 2 2 π = 2 π 1 2 −6 = , . −2 ( ) . 4 f C 4 .960 0 5 10. , . Phương án trả lời: B. Bài tập 3 (Trích từ đề thi trên Hocmai.vn): Mạch dao động LC có điện dung của tụ C = 10 -6 F. Người ta dùng hiệu điện thế không đổi U = 100(V) nạp điện vào tụ. Năng lượng điện từ trong mạch là: A. 5 mJ. C. 5 J. Trả lời: Ta có năng lượng điện trường: B. 10 mJ. D. 10 J. 2 Q0 1 2 = 1 −6 2 = −2 ( ) = ( ) W = = 2C 2 CU 2 10 100 . . , . 5 mJ . Phương án trả lời: A. Bài tập 4 (Trích từ đề thi trên Hocmai.vn): Một mạch dao động LC đang dao động tự do. Điện tích cực đại trên tụ điện là 2.10 -6 C và dòng điện cực đại trong mạch là 0,314 (A). Lấy π 2 = 10. Tần số dao động điện từ tự do trong khung là: A. 25 kHz. B. 3.10 3 kHz. C. 50 kHz. Trả lời: D. 2500 kHz. Ta có năng lượng từ trường cực đại bằng năng lượng điện trường cực đại: 2 ⎛ ⎞ 2 Q 0 1 2 2 1 I 0 W = = CU ω =⇒ = ⎜ ⎟ 2C 2 ω = π =⇒ I0 LC ⎝ Q0 ⎠ 2 f Q 0 I 0 314 ⇒ = f 0 = , 6 = 3 ( ) = 25 10 Hz . 25 k Hz( ) 2 Q 0 2 3 14 2 10. , . . − Phương án trả lời: A. Bài tập 5 (Trích từ đề thi trên Hocmai.vn): Mạch dao động LC gồm cuộn dây thuần cảm có L = 5mH và tụ điện có C = 5 μF. Biết giá trị cực đại của hiệu điện thế giữa hai đầu cuộn dây là U 0 = 12V. Tại thời Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Trang 5 . dòng điện và từ trường.  Sự biến thiên của từ trường theo thời gian và điện trường xoáy.  Sự biến thiên của điện trường theo thời gian và từ trường. 3. Sóng điện từ - thông tin vô tuyến và. gian, nó sinh ra một từ trường xoáy tức là một từ trường mà các đường cảm ứng từ bao quanh các các đường sức từ. 2.2 Điện từ trường và thuyết điện từ MẮC-XOEN a) Điện từ trường  Điện trường biến. thông tin liên lạc bằng sóng vô tuyến 3.1 Sóng điện từ a) Khái niệm:  Sóng điện từ là điện từ trường lan truyền trong không gian theo thời gian. b) Tính chất:  Sóng điện từ truyền được trong