Chuyên đề Dao động và Sóng điện từ ôn thi THPT QG môn Vật Lý có lời giải chi tiết

Năng lượng của mạch dao động LC: + Năng lượng của mạch dao động gồm có năng lượng điện trường tập trung trong tụ điện và năng lượng từ trường tập trung trong cuộn cảm.. Người tà đo đượ

CHUYÊN ĐỀ BÀI TẬP VẬT LÝ 12

CHỦ ĐỀ:

PHẦN 1: CỦNG CỐ LÝ THUYẾT

I Dao động điện từ

1 Mạch dao động (hay khung dao động) là mạch kín gồm cuộn cảm có độ tự cảm L và tụ

điện có điện dung C Đie n trườ ng và tư trườ ng trong mà ch bie n thie n, ne n dào đo ng

cu à mà ch go i là dào đo ng đie n tư

2 Trong mà ch dào đo ng, đie n tí ch q cu à tu đie n, do ng đie n i trong mà ch và hie u đie n the

u giư à hài bà n tu đe u bie n thie n tuà n hoà n theo quy luà t dà ng sin vờ i tà n so go c 1

LC

+ Ne u qq coso   t  thí q qo  

     Đờn vi đie n tí ch là cu-lo ng (C)

và i q ' q s ino  t  I coso t

2



  Vờ i Io  qo

3 Ne u kho ng co tà c đo ng đie n hoà c tư vờ i be n ngoà i, thí dào đo ng đie n tư là mo t dào

đo ng tư do

+ Tần số góc riêng: 1

LC

+ Chu kỳ riêng: T 2 LC

+ Tần số riêng: f 1

2 LC





L là đo tư cà m cu à cuo n cà m, đờn vi là henry (H) và C là đie n dung cu à tu đie n, đờn vi

là fàrà ( F)

+ Bo i và ườ c thà p phà n: kilo (k) = 3

10 ; me gà (M) = 6

10 ; gigà (G) = 9

10 đe xi (d)

= 1

10 centi (c) = 2

10 ; mili (m) = 3

10 ; micro () = 6

10 ; nàno (n) = 9

10 ; pico (p)

= 12

10

4 Năng lượng của mạch dao động LC:

+ Năng lượng của mạch dao động gồm có năng lượng điện trường tập trung trong tụ điện và năng lượng từ trường tập trung trong cuộn cảm

+ Tổng năng lượng điện trường và năng lượng từ trường của mạch gọi là năng lượng điện từ

+ Nếu không có sự tiêu hao năng lượng thì năng lượng điện từ trong mạch được bảo toàn

* Xe t mà ch dào đo ng LC co q  q cos o    t 

+ Năng lượng điện trường tức thời trong tụ điện:

2 2

C

   hay: o2 2 

C q 1

2 C

+ Năng lượng từ trường tức thời trong cuộn cảm:

2

L

1

2

 hay 2 2 2 

1

2

L q 1

2 C

+ Năng lượng điện từ của mạch dao động LC:

W=WCWL = hằng số 2o 2 2

q

Đờn vị năng lượng là Jun (J)

Vậy, trong qu| trình dào động của mạch, năng lượng từ trường v{ năng lượng điện trường luôn chuyển hóà cho nhàu, nhưng tổng năng lượng điện từ l{ không đổi

II/ Điện từ trường

1 Liên hệ giữa điện trường biến thiên và từ trường biến thiên

+ Từ trường biến thiên theo thời gian làm xuất hiện điện trường xoáy Đường sức của

điện trường xoáy là những đường cong khép kín, bao quanh các đường sức của từ trường

+ Ngược lại, điện trường biến thiên theo thời gian làm xuất hiện từ trường Đường sức của từ trường là những đường cong khép kín, bao quanh các đường sức của điện

trường

2 Điện từ trường Bất kỳ điện trường biến thiên nào cũng sinh ra từ trường biến

thiên, và ngược lại, từ trường biến thiên nào cũng sinh ra điện trường biến thiên Điện trường biến thiên và từ trường biến thiên chuyển hóa lẫn nhau trong một

trường thống nhất được gọi là điện từ trường

3 Phương trình Mắc-xoen diễn tả mối quan hệ giữa:

+ 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

III/ Sóng điện từ

1 Định nghĩa:

+ Điện từ trường lan truyền trong không gian dưới dạng sóng gọi là sóng điện từ

2 Đặc điểm của sóng điện từ

+ Sóng điện từ lan truyền được trong mọi môi trường, kể cả trong chân không

+ Tốc độ của sóng điện từ trong chân không lớn nhất và bằng tốc độ của ánh sáng trong chân không bằng 8

c3.10 m / s

+ Bước sóng vT v

f

   Trong chân không hay trong trong khí c 3.108  

m

+ Sóng điện từ là sóng ngang Vectờ cường độ điện trường E và vectờ cảm ứng từ B vuông góc nhau và cùng vuông góc với phường truyền sóng Ba vectờ E, B, v tạo thành một tam diện thuận (Hình 22.1)

+ Trong sóng điện từ, dao động của điện trường và từ trường tại một điểm luôn đồng pha với nhau

+ Sóng điện từ cũng bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, giào thoà,…

+ Sóng điện từ mang năng lượng

+ Những sóng điện từ có bước sóng từ vài mét đến vài kilômét dùng trong thông tin liên lạc gọi là sóng vô tuyến Sóng vô tuyến được chia thành: sóng cực ngắn, sóng

ngắn, sóng trung và sóng dài

IV/ Truyền thông bằng sóng điện từ

1 Nguyên tắc chung của việc truyền thông tin liên lạc bằng sóng vô tuyến:

1 Dùng sóng điện từ cao tần để tải các thông tin gọi là sóng mang

2 Biến điệu các sóng mang ở nời phát sóng:

+ Biến dao động âm thành dao động điện, tạo thành sóng âm tần

+ Dùng mạch biến điệu để trộn sóng âm tần với sóng mang, gọi là biến điệu sóng điện từ

3 Ở nời thu sóng, dùng mạch tách sóng để tách sóng âm tần ra khỏi sóng cao tần Dòng loa biến dao động điện thành dao động âm

4 Khi tín hiệu có cường độ nhỏ, dùng mạch khuếch đại để khuếch đại chúng

2 Sơ đồ khối của một máy phát thanh vô tuyến đơn giản:

Gồm 5 bộ phận cờ bản (Hình 23.2) (1) micrô ; (2) mạch phát sóng điện từ cao

tần ; (3) mạch biến điệu ; (4) mạch khuếch đại ; (5) anten phát

3 Sơ đồ khối của một máy thu thanh đơn giản:

Gồm 5 bộ phận cờ bản (Hình 23.3) (1) anten thu ; (2) mạch khuếch dao động điện từ cao tần ; (3) mạch tách sóng ; (4) mạch khuếch đại dao động điện từ âm tần ;

(5) loa

PHẦN 2: BÀI TẬP TỰ LUYỆN Bài 1: Một mạch dào động điện từ LC gồm cuộn dây thuần cảm có độ tự cảm L = 2 mH và tụ

điện có điện dung C = 0,2 F Biết dây dẫn có điện trở thuần không đ|ng kể và trong mạch

có dào động điện từ riêng X|c định chu kì, tần số riêng của mạch

Giải: Ta có: T = 2 = 4.10-5 = 12,57.10-5 s; f = = 8.103 Hz

Bài 2: Mạch dào động của một máy thu thanh với cuộn d}y có độ tự cảm L = 5.10-6 H, tụ điện

có điện dung 2.10-8 F; điện trở thuần R = 0 Hãy cho biết m|y đó thu được sóng điện từ có bước sóng bằng bao nhiêu?

Giải: Ta có:  = 2c = 600 m

Bài 3: Mạch chọn sóng của một máy thu vô tuyến điện gồm một cuộn d}y có độ tự cảm L = 4

H và một tụ điện C = 40 nF

à) Tính bước sóng điện từ mà mạch thu được

b) Để mạch bắt được sóng có bước sóng trong khoảng từ 60 m đến 600 m thì cần phải thay tụ điện C bằng tụ xoay CV có điện dung biến thiên trong khoảng nào? Lấy 2 = 10; c = 3.108 m/s

Giải: a) Ta có:  = 2c = 754 m

b) Ta có: C1 = = 0,25.10-9 F; C2 = = 25.10-9 F;

vậy phải sử dụng tụ xoay CV có điện dung biến thiên từ 0,25 pF đến 25 pF

Bài 4: Cho một mạch dào động điện từ LC đàng dào động tự do, độ tự cảm L = 1 mH Người

tà đo được điện áp cực đại giữa hai bản tụ l{ 10 V, cường độ dòng điện cực đại trong mạch là

1 mA Tìm bước sóng điện từ mà mạch này cộng hưởng

Giải: Ta có: CU = LI  C = ;  = 2c = 2c = 60 = 188,5m

Bài 5 Một mạch dào động điện từ LC lí tưởng gồm cuộn cảm thuần có độ tự cảm 5 H và tụ

LC

T

1

LC

LC

L

c2

2

2 1

4



L

c2

2

2 2

4



2

0 2

1 2

0

2 0

U

LI

LC

0

0

U LI

điện có điện dung 5 F Trong mạch có dào động điện từ tự do Tính khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp m{ điện tích trên một bản tụ điện có độ lớn cực đại và khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp m{ năng lượng điện trường bằng năng lượng từ trường

Giải

Chu kỳ dào động: T = 2 = 10.10-6 = 31,4.10-6 s

Trong một chu kì có 2 lần điện tích trên bản tụ đạt giá trị cực đại nên khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp m{ điện tích trên bản tụ đạt cực đại là t = = 5.10-6 = 15,7.10-6s

Trong một chu kì có 4 lần năng lượng điện trường bằng năng lượng từ trường nên khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp m{ năng lượng điện trường bằng năng lượng từ trường là t’ = = 2,5.10-6 = 7,85.10-6 s

Bài 6 Cường độ dòng điện tức thời trong một mạch dào động LC lí tưởng là i =

0,08cos2000t (A) Cuộn d}y có độ tự cảm L = 50 mH H~y tính điện dung của tụ điện Xác định điện áp giữa hai bản tụ điện tại thời điểm cường độ dòng điện tức thời trong mạch bằng giá trị cường độ dòng điện hiệu dụng

Giải: Ta có: C = = 5.10-6 F; W = LI = 1,6.10-4 J; Wt = LI2 = L = 0,8.10-4 J;

WC = W – Wt = 0,8.10-4 J; u = = 4 V

Bài 7 Một mạch dào động LC lí tưởng đàng có dào động điện từ tự do Biết điện tích cực đại

của một bản tụ điện có độ lớn là 10-8 C v{ cường độ dòng điện cực đại qua cuộn cảm thuần

là 62,8 mA Tính tần số dào động điện từ tự do của mạch

Giải Ta có: I0 = q0   = = 6,28.106 rad/s  f = = 106 Hz

Bài 8 Khung dào động điện từ gồm một cuộn dây thuần cảm có độ tự cảm L = 0,1 H và tụ

điện có điện dung C = 10 F Dào động điện từ trong khung l{ dào động điều hoà với cường

độ dòng điện cực đại I0 = 0,05 A Tính điện áp giữa hai bản tụ ở thời điểm i = 0,03 A và

LC

2

T

4

T

L

2

1

1 2 0

2

1

2

1

2

2 0

I

C

W C

2

2

0

0

q

I



 2

cường độ dòng điện trong mạch lúc điện tích trên tụ có giá trị q = 30 C

Giải: Ta có: W = LI = 1,25.10-4 J; Wt = Li2= 0,45.10-4J; WC = W - Wt = 0,8.10-4J;

u = = 4V

WC = = 0,45.10-4J; Wt = W - Wt = 0,8.10-4J; i = = 0,04 A

Bài 9: Một mạch dào động gồm tụ điện có điện dung C = 25 nF và cuộn dây thuần cảm có độ

tự cảm L = 4mH Giả sử ở thời điểm bàn đầu cường độ dòng điện đạt giá trị cực đại và bằng

40 mA Tìm biểu thức cường độ dòng điện, biểu thức điện tích trên các bản tụ điện và biểu thức điện áp giữa hai bản tụ

Giải: Ta có:  = = 105 rad/s; i = I0cos(t + ); khi t = 0 thì i = I0  cos = 1   = 0

Vậy i = 4.10-2cos105t (A)

q0 = = 4.10-7 C;

q = 4.10-7cos(105t - )(C)

u = = 16.cos(105t - )(V)

Bài 10: Cho mạch dào động lí tưởng với C = 1 nF, L = 1 mH, điện áp hiệu dụng của tụ điện là

UC = 4 V Lúc t = 0, uC = 2 V và tụ điện đàng được nạp điện Viết biểu thức điện áp trên tụ điện v{ cường độ dòng điện chạy trong mạch dào động

Giải: Ta có:  = = 106 rad/s; U0 = U = 4 V; cos = = = cos(± );

Vì tụ đàng nạp điện nên  = - rad Vậy: u = 4 cos(106t - )(V)

2

1 2 0

2 1

C

W C

2

2

1

C

q2

L

W t

2

LC

1



0

I

2



C

q

2



2

LC

1

0

U

u

2

1

3



3



2

3



I0 = U0 = 4 10-3 A; i = I0cos(106t - +

2

 ) = 4 .10-3 cos(106t + )(A)

PHẦN 3: BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM

Câu 1 Phát biểu nào sai khi nói về sóng điện từ

A Trong sóng điện từ, điện trường và từ trường biến thiên theo thời gian và cùng chu kì

B Trong sóng điện từ, điện trường và từ trường luôn dào động lệch phà nhàu π/2

C Sóng điện từ là sự lan truyền trong không gian củà điện từ trường biến thiên theo thời gian

D Dào đông điện từ của mạch dào động LC l{ dào động tự do

Câu 2 Trong DĐ điện từ tần số f của mạch LC, Điện trường trên tụ biến thiên điều hòa với

tần số:

C f/2 D ko biến thiên điều hòa

Câu 3 Để tìm sóng có bước sóng  trong máy thu vô tuyến điện, người ta phải điều chỉnh giá

trị củà điện dung C v{ độ tự cảm L trong mạch dào động của máy Giữa , L và C phải thỏa

mãn hệ thức

A 2 LC c/ B 2 LC .c

C 2 LC /c D LC/ 2  /c

Câu 4 Trong dào động điện từ chu kỳ T của mạch LC Năng lượng từ trường trên cuộn điện

biến thiên điều hòa với chu kì bằng

L

C

2

3



2

6



C 2T D ko biến thiên đhòà

Câu 5 Trong mạch dào động LC, nếu điện tích cực đại trên tụ là Q 0 v{ cường độ dòng cực đại

trong mạch là I 0 thì chu kì dào động điện từ trong mạch là

A T  2Q I0 0 B T 2LC C T  2Q0 /I0 D T  2I0 /Q0

Câu 6 Một mạch dào động có tụ điện C = 2.10-3/π F mắc nối tiếp Để tần số dào động trong mạch bằng 500Hz thì độ tự cảm L của cuộn dây phải có giá trị

A 10-3/π H B 5.10-4 H C 10-3/2π H D π/500 H

Câu 7 Mạch chọn sóng của máy thu thanh gồm cuộn cảm L = 2.10-6 H, tụ C = 2.10-10 F, hiệu điện thế cực đại giữa hai bản tụ điện l{ 120mV Năng lượng từ cực đại v{ năng lượng điện cực đại lần lượt là

A 288.10-10J và 144.10-14J B 144.10-14J và 144.10-14J

C 288.10-10J và 288.10-10J D 144.10-14J và 288.10-10J

Câu 8 Một mạch dào động gồm cuộn d}y có độ tự cảm L = 0,2 mH và một tụ xoày có điện

dung thày đổi từ 2F đến 0,2 mF Mạch trên có thể bắt được dải sóng điện từ nào?

A 0,04 mm đến 0,4 mm B 0,12 mm đến 1,2 mm

C 0,12 mm đến 1,2 mm D 0,04 mm đến 0,4 mm

Câu 9 Điện tích cực đại trên tụ v{ dòng điện cực đại qua cuộn cảm của một mạch dào động

lần lượt là Q 0 = 10-6 C và I 0= 10A Bước sóng điện từ do mạch phát ra nhận giá trị đúng n{o sàu đ}y?

Câu 10 Cường độ dòng tức thời trong mạch dào động LC là i = 0,05sin2000t (A), điện dung

của tụ bằng 5F Độ tự cảm của cuộn dây là

A 2,5.10-4 H B 5.10-8 H C 5π H D 0,05 H

Câu 11 Cường độ dòng tức thời trong mạch dào động LC là i = sin200t (A), điện dung của tụ

bằng 10F Điện tích cực đại trên tụ là

A.10-3 C B 10-6 C C 5.10-6 C D 5.10-3 C

Câu 12 Mạch dào động điện từ gồm một tụ điện có C = 0,125 F và một cuộn cảm có L =

50H Điện trở thuần của mạch không đ|ng kể Hiệu điện thế cực đại giữa 2 bản tụ là 3V Cường độ dòng điện cực đại trong mạch là

Câu 13 Một tụ điện có điện dung 10F được tích điện đến một hiệu điện thế x|c định Sau

đó nối hai bản tụ điện v{o 2 đầu một cuộn dây thuần cảm có độ tự cảm 1H Bỏ quà điện trở

của các dây nối, lấy π2 = 10 Sau khoảng thời gian ngắn nhất là bao nhiêu (kể từ lúc nối) thì điện tích trên tụ có giá trị bằng một nửa giá trị bàn đầu?

A 3/400s B 1/300s C 1/1200s D 1/600s

Câu 14 Điện tích hiệu dụng trên tụ v{ dòng điện hiệu dụng qua cuộn cảm của một mạch dao

động lần lượt là Q = 0,16.10-11 C và I = 1mA Mạch điện từ dào động với tần số góc là

A 0,4.105 rad/s B 625.106 rad/s C 16.108 rad/s D

16.106 rad/s

Câu 15 Phát biểu nào sai khi nói về sóng điện từ phát ra từ mạch LC dào động với tần số f:

A Trong sóng điện từ, điện trường và từ trường biến thiên theo thời gian và cùng chu kì

B Năng lượng điện từ, năng lượng điện trường, năng lượng từ trường dđ cùng tần số và bằng 2f

C Sóng điện từ là sự lan truyền trong không gian củà điện từ trường biến thiên theo thời gian

D Dào đông điện từ của mạch dào động LC l{ dào động tự do nếu điện trở trong mạch bằng không

Câu 16 Công thức tính năng lượng của mạch dào động điện từ LC là

A 2

0 / 2

WQ L B 2

0 /

W Q C

C 2

0 /

0 / 2

W Q C

Câu 17 Mạch dào động có tụ C=1000pF và L=2,5H Nếu hiệu điện thế cực đại ở 2 đầu tụ là 2,828V thì cường độ dòng điện hiệu dụng qua mạch là

Câu 18 Một mạch thu sóng có L=10 H, C=1000/π2 pF thu được sóng có bước sóng là

Câu 19 Trong mạch dào động điện từ:

A Sóng do mạch ph|t rà có bước sóng tỉ lệ bậc nhất với L và C

B Năng lượng điện v{ năng lượng từ biến thiên điều hòa cùng tần số v{ biên độ

C Năng lượng điện từ tỉ lệ với bình phường cường độ dòng điện hiệu dụng

D Tần số góc tăng khi điện dung C tăng hoặc độ tự cảm L giảm

Câu 20 Chọn câu phát biểu đúng

A Sóng điện từ cũng màng năng lượng

B Sóng điện từ chỉ truyền trong môi trường vật chất

C Trong không khí, sóng điện từ có thể là sóng dọc hoặc sóng ngang

D Sóng điện từ chỉ dùng để truyền tải thông tin liên lạc trong môi trường không khí hoặc chân không

Câu 21 Một khung dào động gồm một cuộn dây L và tụ điện C thực hiện dào động điện từ tự

do Điện tích cực đại trên một bản tụ điện là Q 0 = 10-5C v{ cường độ dòng điện cực đại trong

khung là I 0 = 10A Chu kỳ dào động của mạch là:

A 6,28.107s B 2.10-3s