Vị trí, vai trò của chương “Dao động và sóng điện từ” trong chương trình

trình Vật lý lớp 12

Phần Dao động và sóng điện từ sẽ kết thúc việc nghiên cứu những dạng chuyển động đơn giản nhất của cơ học. Chuyển động dao động phức tạp hơn nhiều so với chuyển động thẳng và chuyển động cong nhưng người ta vẫn xếp vào loại những chuyển động cơ học. Trong chuyển động dao động thì dao động điều hòa được xem là chuyển động đơn giản nhất vì nó không thể phân tích thành những chuyển động đơn giản hơn nữa.

Dao động cơ học có thể quan sát bằng mắt thường, trong khi đó dao động điện từ và sự lan truyền của chúng trong không gian theo thời gian lại phải hình dung qua mô hình tưởng tượng. Người ta nghiên cứu nó trên cơ sở tương tự với dao động cơ học.

Trước khi học chương này, HS đã có những kiến thức liên quan như sau:

- Hiện tượng cảm ứng điện từ.

- Năng lượng điện trường và năng lượng từ trường.

- Dao động điều hòa, dao động tắt dần, dao động cưỡng bức, hiện tượng cộng hưởng.

40

2.2. Mục tiêu kiến thức, kỹ năng cần đạt đƣợc qua việc dạy chƣơng “Dao động và sóng điện từ”

2.2.1. Nội dung kiến thức học sinh cần đạt được sau khi học chương “Dao động và sóng điện từ”. động và sóng điện từ”.

2.2.1.1. Dao động điện từ trong mạch LC lý tưởng

- Mạch dao động LC: Gồm một tụ điện C và một cuộn cảm L nối với nhau thành mạch dao động kín.

- Dao động điện từ là dao động của mạch dao động LC trong đó năng lượng của mạch gồm năng lượng từ trường tập trung ở cuộn cảm L và năng lượng điện trường tập trung ở tụ biến thiên điều hòa theo một tần số góc

1 ω =

LC. Tại mọi thời điểm, năng lượng tổng cộng là năng lượng điện từ luôn bảo toàn (với mạch LC lý tưởng). Tần số góc ω = 1

LC chỉ phụ thuộc vào đặc tính của mạch dao động điện từ nên dao động điện từ trong mạch dao động là dao động điện từ tự do (tương tự dao động cơ). Khi đó, tần số góc

1 ω =

LC gọi là tần số dao động riêng.

2.2.1.2. Dao động điện từ trong mạch LC không lý tưởng

Khi mạch dao động LC có điện trở R thì năng lượng dao động của mạch không được bảo toàn và khi đó, dao động của mạch là dao động tắt dần.

- Để tránh sự tắt dần, ta bổ sung năng lượng cho mạch LC (dùng Tranzitor hay IC để bù đắp) ta được dao động điện từ duy trì.

- Khi năng lượng được bổ sung cho mạch bằng ngoại lực cưỡng bức thì dao động của mạch là dao động cưỡng bức.

2.2.1.3. Sự biến thiên của các đại lượng trong mạch dao động LC * Điện tích giữa hai bản tụ q: q = Q0 cos(t +) (C) * Cường độ dòng điện i: i = I0 cos(t ++

2



41

* Hiệu điện thế hai bản tụ: u = U0 cos(t +) (V) 0 0

Q U

C



* Năng lượng điện tập trung ở tụ điện C: 2 02 2 d 1 W os ( ) 2 C 2 Q q c t C     

* Năng lượng từ tập trung ở cuộn cảm L: 2 02 2 t 1 W sin ( ) 2 2 Q Li t C      2.2.1.4. Điện từ trường

Điện từ trường là một dạng vật chất tồn tại khách quan gồm điện trường và từ trường liên quan chặt chẽ với nhau, đóng vai trò để truyền tương tác giữa các điện tích. Quá trình lan truyền của điện trường với vận tốc: v = c = 3.108 m/s.

Điện trường tĩnh và từ trường tĩnh chỉ là trường hợp riêng của điện từ trường. Ứng dụng để truyền điện từ trường tạo thành sóng điện từ, sử dụng trong khoa học kỹ thuật.

2.2.1.5. Sóng điện từ

Sóng điện từ là quá trình lan truyền trong không gian của điện trường biến thiên tuần hoàn theo thời gian.

Sóng điện từ có vận tốc lớn bằng vận tốc ánh sáng trong chân không (v = c = 3.108 m/s).

Sóng điện từ mang năng lượng, mật độ năng lượng điện trường bằng tổng mật độ năng lượng điện trường và từ trường. Năng lượng của sóng tỷ lệ với lỹ thừa bậc bốn của tần số. Sóng điện từ xét theo phương truyền sóng là sóng ngang, tại mọi thời điểm ta luôn luôn có E& B

luôn vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng.

Sóng điện từ truyền đi trong mọi môi trường (kể cả chân không) với bước sóng  và liên hệ với chu kỳ, tần số theo công thức:  = v.T = v

f . Sóng điện từ cũng giống như sóng cơ học, sóng ánh sáng cũng bị phản xạ, giao thoa, nhiễu xạ,...

42 thông tin liên lạc, sóng vô tuyến, đài phát thanh.

2.2.1.6. Sự phát và thu sóng điện từ

Nguyên tắc phát sóng điện từ: Phối hợp một máy phát dao động duy trì với một ăngten. Mạch LC sinh ra dao động điện từ cao tần cảm ứng cho LA của ăngten A một điện trường dao động với cùng tần số f. Từ trường này làm cho LA có một suất điện động cảm ứng tạo nên dòng điện i biến thiên dọc theo ăngten phát ra sóng điện từ có tần số f.

Nguyên tắc thu sóng điện từ: Phối hợp một ăngten thu với mạch dao động LC ở lối vào máy thu, ăngten nhận một lúc rất nhiều sóng điện từ có nhiều tần số cưỡng bức từ nhiều đài phát, các electron trong ăng ten bị dao động cưỡng bức với nhiều tần số fcb trong mạch LC cũng có các dao động điện từ cưỡng bức. Muốn thu một tần số sóng f nào đó, ta điều chỉnh liên tục làm cho tần số riêng của mạch LC trùng với tần số của mạch cần bắt. Lúc đó trong mạch LC có cộng hưởng điện, dao động biến thiên trong LC lớn nhất trong mạch LC đã chọn được sóng.

2.2.2. Nội dung kỹ năng học sinh cần đạt được sau khi học chương “Dao động và sóng điện từ”. động và sóng điện từ”.

Cùng với việc hình thành và nắm vững kiến thức cơ bản ở trên, HS cần phải rèn luyện kỹ năng cơ bản sau:

2.2.2.1. Kỹ năng suy luận lý thuyết

- Từ kiến thức đã học về tụ điện, về hiện tượng cảm ứng điện từ, HS suy luận trong mạch LC có một dao động điện từ.

- Từ các khái niệm về sóng cơ học, về phương trình dao động cơ học, phương trình vi phân bậc hai, HS suy luận được các phương trình của các đại lượng dao động trong mạch như: điện tích q, dòng điện i, năng lượng điện Wđ, năng lượng từ WL.

- Do có điện trở R trên mạch dao động LC, nên theo định luật Jun-len- xơ, có sự tỏa nhiệt trên mạch. Do đó, năng lượng dao động trong mạch giảm.

43

Ngoài ra, năng lượng điện từ còn bị mất do bức xạ điện từ ra môi trường xung quanh. Từ đó, muốn duy trì được dao động, ta phải bù đắp năng lượng cho mạch sau từng chu kỳ dao động (tương tự như dao động cơ).

2.2.2.2. Kỹ năng vận dụngkiến thức

- Kỹ năng vận dụng kiến thức để giải thích các hiện tượng có liên quan, giải thích sự tạo thành mạch dao động, sự tạo thành điện - từ trường, sóng điện từ, tính chất sóng điện từ, sự thu và phát sóng điện từ.

- Khả năng độc lập, sáng tạo tự chủ trong suy nghĩ hình thành kiến thức. Trong quá trình xây dựng kiến thức mới, HS hoàn toàn tự mình rút ra kiến thức dưới sự hướng dẫn của giáo viên để bổ sung, bỗi dưỡng năng lực sáng tạo, tự chủ trong học tập dưới hình thức là giải bài tập sáng tạo.

- Kỹ năng ghi nhớ và vận dụng thành thạo các công thức đã học để giải bài tập thành thạo.

2.2.2.3. Kỹ năng về thí nghiệm

- HS có kỹ năng đọc số liệu từ thí nghiệm. Khi chuyển tín hiệu dao động thành tín hiệu trên màn hình dao động ký điện tử, HS có kỹ năng xác định biên độ sóng, chu kỳ, tần số hay pha ban đầu của sóng điện từ,...

2.3. Xây dựng hệ thống bài tập chƣơng “Dao động và sóng điện từ” thuộc chƣơng trình Vật lý 12 nâng cao

Trên cơ sở nghiên cứu về lý luận và nội dung kiến thức của chương. Đồng thời dựa trên đề thi học sinh giỏi môn Vật lý qua các năm và kinh nghiệm của bản thân và đồng nghiệp, tôi xây dựng hệ thống bài tập gồm 30 bài tập theo ba chủ đề:

+ Dao động điện từ: 14 bài. + Sóng điện từ: 12 bài.

44

2.4. Xây dựng hệ thống bài tập chƣơng “Dao động và sóng điện từ”

2.4.1. Các bài tập thuộc nội dung: Dao động điện từ (14 bài)

Bài 1: Mạch dao động gồm một tụ điện C = 50F và một cuộn dây có độ tự cảm L=5mH (điện trở cuộn dây r = 0). Biết điện tích cực đại trên hai bản tụ điện U0 là 3V. Hãy xác định:

a. Tần số góc, chu kỳ, tần số của dao động điện từ trong mạch?

b. Viết biểu thức tính điện tích tức thời trên tụ điện C và cường độ dòng điện trong mạch? Biết rằng, tại thời điểm ban đầu (t = 0) thì điện tích trên bản tụ đạt cực đại.

c. Tính năng lượng điện trường và năng lượng từ trường tại thời điểm ban đầu?

d. Tính năng lượng điện trường và năng lượng từ trường ở thời điểm t = 4000s

 ?

Bài 2: Một mạch dao động gồm một tụ điện 300 pF, một cuộn cảm 15.10-4

H Điện tích cực đại trên tụ điện khi dao động là 30pC. Hãy xác định:

a. Tần số dao động điện từ trong mạch khi dao động? b. Hiệu điện thế cực đại và dòng điện cực đại trong mạch?

c. Tìm năng lượng điện trường, từ trường và năng lượng điện từ tại thời điểm điện tích trên hai bản tụ điện giảm còn một nửa?

Bài 3: Một mạch dao động LC có cuộn dây độ tự cảm L = 40H và một tụ

điện có điện dung C tạo ra sóng điện từ có tần số f = 4MHz. Hiệu điện thế cực đại trên mạch khi dao động là 0,5V.

a. Tìm điện dung của tụ điện?

b. Tính dòng điện trong mạch tại thời điểm mà năng lượng điện trường gấp ba lần năng lượng từ trường?

Bài 4: Mạch dao động gồm cuộn cảm có độ tự cảm L và tụ điện có điện dung

45 điện cực đại trong mạch là I0 = 0,2 mA.

a. Xác định độ tự cảm L của cuộn dây? b. Tìm hiệu điện thế cực đại trên hai bản tụ?

Bài 5: Mạch dao động điện từ gồm tụ điện C = 200pF và cuộn cảm có độ tự

cảm L = 2H. Ở thời điểm bất kỳ, điện tích và dòng điện chạy qua mạch lần lượt là 500nC và 0,01mA.

a. Xác định tần số của mạch dao động trên? b. Tính điện tích cực đại trên hai bản tụ điện?

c. Tìm cường độ dòng điện cực đại xuất hiện trong mạch?

Bài 6: Một mạch dao động gồm một tụ điện C, một cuộn cảm 10H. Ở thời

điểm bất kỳ, năng lượng từ trường trong cuộn cảm bằng 2,25.10-5

J và bằng một nửa năng lượng điện từ trường trong mạch.

a. Tính dòng điện trong mạch khi đó? b. Tính điện tích cực đại trên hai bản tụ? c. Xác định điện dung C của tụ điện?

Bài 7: Cường độdòng điện trong mạch LC, có L = 4H được mô tả trên dao động ký điện tử như hình vẽ.

a. Xác định điện dung C của tụ điện ? b. Viết phương trình điện tích q trên tụ C?

Bài 8: Mạch dao động LC gồm một tụ điện có điện dung C =5F và một cuộn dây có độ tự cảm L. Cứ sau khoảng thời gian là 2.10-6

s thì năng lượng điện trường và từ trường lại bằng nhau. Biết hiệu điện thế cực đại trong mạch là U0 = 1,2 V.

a. Tính độ tự cảm L của cuộn dây?

b. Tính cường độ dòng điện trong mạch khi dao động?

Bài 9: Mạch dao động LC gồm một tụ điện có điện dung C và một cuộn dây

i (mA) 4 2 5/6 t (10-6 s) Hình 2.1 - 4

46

có độ tự cảm L = 25H . Cứ sau khoảng thời gian là 10-6 s thì cường độ dòng điện trong mạch lại có giá trị 1mA. Biết điện tích cực đại trong mạch là Q0 = 900pC.

a. Tính điện dung C của tụ điện?

b. Tính hiệu điện thế cực đại trong mạch khi dao động?

Bài 10: Trong một mạch dao động LC, tần số của dao động điện từ trong mạch f = 10.104

Hz. Ngoài ra, dòng điện cực đại và hiệu điện thế cực đại xuất hiện trên mạch là 0,01mA và 0,8V.

a. Xác định điện dung C và độ tự cảm L của mạch dao động trên? b. Sau thời gian bao lâu thì năng lượng điện trường chuyển hóa hết thành năng lượng từ trường?

Bài 11: Một mạch dao động gồm một tụ điện 350 pF, một cuộn cảm 30Hvà

một điện trở thuần R.

a. Để duy trì một hiệu điện thế cực đại 15mV giữa 2 bản cực của tụ phải cung cấp cho mạch một công suất P = 6nW. Tìm giá trị của điện trở R?

b. Cho R =1,5, cần cung cấp cho mạch một công suất bằng bao nhiêu để duy trì dao động của nó khi điện áp cực đại trên tụ điện là 30mV?

Bài 12: Điện trở hoạt động của một mạch dao động là R = 0,33.

a. Hỏi công suất tiêu thụ của mạch là bao nhiêu để duy trì được trong nó một dao động điện không tắt với biên độ của của cường độ dòng điện Imax= 30mA?

b. Tính nhiệt lượng tỏa ra trên mạch sau thời gian 1 phút kể từ khi bắt đầu dao động?

Bài 13: Một máy phát sóng điện từ với tần số dao động có thể thay đổi, được mắc nối tiếp với một cuộn cảm L = 2,50mH và một tụ điện C = 3,00F. Hỏi tần số là bao nhiêu thì máy phát sinh ra biên độ dòng điện lớn nhất trong mạch ?

Bài 14: Một máy phát được mắc nối tiếp với một cuộn cảm L = 2,00mH và một tụ điện có điện dung C. Để tạo ra được điện dung C mong muốn, người ta

47

dùng các tụ điện C1 = 4,00F và C2 = 6,00 F hoặc một cách riêng lẻ hoặc ghép chúng với nhau. Hỏi tần số cộng hưởng mà mạch có thể bắt được?

2.4.2. Các bài tập thuộc nội dung: Sóng điện từ (12 bài)

Bài 15: Mạch chọn sóng của một máy thu vô tuyến điện gồm một tụ điện có

điện dung C và cuộn cảm có độ tự cảm L = 20H.

a. Tính tần số của sóng mà mạch bắt được khi điện dung của tụ điện là 450pF?

b. Khi mạch chọn sóng bắt được sóng có tần số f = 1,5 MHz thì điện dung C của tụ điện là bao nhiêu?

c. Người ta dùng mạch chọn sóng trên vào một đài thu tín hiệu âm thanh. Khi đó, trên đài có nghe thấy có tiếng “sôi”. Hãy giải thích hiện tượng và nêu cách khắc phục?

Bài 16: Mạch chọn sóng gồm một tụ điện có điện dung C = 100pF và một tụ

cuộn cảm có độ tự cảm L có thể thay đổi được.

a. Tính tần số của mạch dao động khi điều chỉnh cuộn cảm đến giá trị L = 250H.

b. Mạch dao động trên được dùng trong một đài thu sóng. Giả sử kênh VOV2 của đài tiếng nói Việt Nam có tần số 97,5 MHz. Hỏi phải thay đổi độ tự cảm L bằng bao nhiêu để “bắt” được kênh VOV2?

Bài 17: Mạch chọn sóng được dùng trong một đài phát thanh gồm cuộn cảm

có độ tự cảm L = 1mH và một tụ điện có điện dung thay đổi được.

a. Xác định bước sóng của đài phát khi điện dung của tụ có giá trị 1000pF?

b. Hỏi sóng điện từ ở ý a) là loại sóng nào? Có thể dùng để truyền tín hiệu đi trong phạm vi nào?

Bài 18: Mạch chọn sóng của máy thu vô tuyến gồm một tụ điện C0 = 2000pF và cuộn cảm L = 8,8H.