Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Khoa học tự nhiên Vật lý chuyên đề giao động sóng điện từ...

Tài liệu chuyên đề giao động sóng điện từ

.PDF
10
358
110

Mô tả:

chuyên đề giao động 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 = q0cos(ωt + φ). Với ω = 1 LC , đơn vị ω là rad/s. + C _ L ™ Phương trình dòng điện i trong mạch: Δq dq π⎞ ⎛ = = −ωq0 sin ( ωt + ϕ ) = I0 cos ⎜ ωt + ϕ + ⎟ Δt dt 2⎠ ⎝ I 1 Với I0 = ωq0 hay ω = 0 = q0 LC i= 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 π so với q. 2 Biểu thức tính chu kì dao động: T = 2π LC Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Trang 1 Chuyên đề Luyện thi Tốt nghiệp THPT và Luyện thi Đại học, Cao đẳng 2009 Tần số dao động: f = b) 1 2π LC Năng lượng điện – từ trường ™ Tại thời điểm t, điện tích trên tụ là: q = q0 cos ( ωt ) Trên tụ có một hiệu điện thế: u = q q0 = cos ( ωt ) C C Như vậy: năng lượng tụ điện là q20 q20 1 2 ⎡1 + cos ( 2ωt ) ⎤⎦ Wd = qu = cos ( ωt ) = 2 2C 4C ⎣ ™ Tại thời điểm t khi tụ phóng điện thì trên cuộn dây xuất hiện dòng điện: i = q ' = −ωq0 sin ( ωt ) Tương ứng với năng lượng tức thời trên cuộn cảm: LI2 1 1 Wt = Li2 = Lω2q02 sin2 ( ωt ) = 0 ⎡⎣1 − cos ( 2ωt ) ⎤⎦ 2 2 4 Như vậy năng lượng điện từ trường: q20 LI20 ⎡1 + cos ( 2ωt ) ⎤⎦ + ⎡1 − cos ( 2ωt ) ⎤⎦ W = Wd + Wt = 4C ⎣ 4 ⎣ q2 LI2 1 ⇒ W = 0 = 0 = Cu20 2C 2 2 Kết luận: ™ 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 b) 3. thiên này liên quan mật thiết với nhau và là hai thành phần của một trường thống nhất, gọi là điện từ trường. 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. 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 = 3.108 m/s. Trong các môi trường khác thì sóng điện từ truyền với vận tốc nhỏ hơn c và phụ thuộc vàoG hằng G số điện môi. ™ Sóng điện từ là sóng ngang, tức là vec-tơ E , B vuông góc với G 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 b) ™ Tách sóng âm tần ra khỏi sóng cao tần. ™ Khuếch đại tính hiệu âm tần. Sơ đồ khối ™ Sơ đồ khối của máy phát thanh 1 3 4 5 2 (1): Micro. (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 2 3 4 (1): Loa. (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: B. 0,05H. A. 5.10-5H. C. 100H. D. 0,5H. Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt 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: 1 ω= LC = 2000 ⇒ L = 1 2 ω C = 1 2000 .5.10 −6 2 = 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. B. 5,49.10-2 H. C. 0,345 H. D. 3,3.102 H. Trả lời: Ta có từ biểu thức tính tần số dao động f= 1 2π LC ⇒L = 1 2 2 4π f C = 1 2 2 4 π .960 .0, 5.10 −6 = 5, 49.10 −2 (H) . 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. B. 10 mJ. C. 5 J. D. 10 J. Trả lời: Ta có năng lượng điện trường: W= Q20 1 2 1 = CU = .10 −6.1002 = 0, 5.10 −2 ( J ) = 5 ( mJ ) . 2C 2 2 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 π2 = 10. Tần số dao động điện từ tự do trong khung là: A. 25 kHz. B. 3.103 kHz. C. 50 kHz. D. 2500 kHz. Trả lời: Ta có năng lượng từ trường cực đại bằng năng lượng điện trường cực đại: Q2 1 1 ⎛ I0 ⎞ W = 0 = CU2 ⇒ ω2 = =⎜ ⎟ 2C 2 LC ⎝ Q0 ⎠ I ⇒ ω = 2πf = 0 Q0 ⇒f= 2 I0 0, 314 = = 25.103 (Hz ) = 25 ( kHz ) 2πQ0 2.3,14.2.10 −6 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 U0 = 12V. Tại thời Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Trang 5 Chuyên đề Luyện thi Tốt nghiệp THPT và Luyện thi Đại học, Cao đẳng 2009 điểm cường độ dòng điện trong mạch có giá trị i = 0,2(A), năng lượng điện trường trong tụ điện có giá trị bằng: B. Wd = 2,6.10-4 J. A. Wd = 2,6 mJ. D. Wd = 1,6 mJ. C. Wd = 1,0.10-4 J. Trả lời: Ta có tần số dao động trong mạch: ω= 1 LC = 1 5.10 −3.5.10 −6 ≈ π ⎛ rad ⎞ .10 4 ⎜ ⎟. 5 ⎝ s ⎠ Năng lượng từ trường trên cuộn cảm khi i = 0,2A. 1 1 2 Wt = Li2 = .5.10 −3 ( 0, 2 ) = 10 −4 ( J ) . 2 2 Năng lượng điện - từ trường W= 1 2 1 2 CU = .5.10 −6 (12 ) = 3, 6.10 −4 ( J ) . 2 2 Vậy năng lượng điện trường khi i = 0,2 A là Wd = W - Wt = 3,6.10-4 - 10-4 = 2,6.10-4 (J). Phương án trả lời: B. Bài tập 6 (Trích từ đề thi trên Hocmai.vn): Mối liên hệ giữa điện trường và từ trường thể hiện: A. Tần số của điện trường phụ thuộc vào tốc độ biến thiên của từ trường. B. Khi từ trường biến thiên làm xuất hiện điện trường biến thiên và ngược lại điện trường biến thiên làm xuất hiện từ trường biến thiên. C. Tần số của Gtừ trường G G phụ thuộc vào tốc độ biến thiên của điện trường. D. Các vectơ E ; B ; v lập thành 1 tam diện thuận. Trả lời: Sự biến thiên của điện trường sinh ra từ trường xoáy. - Sự biến thiên của từ trường sinh ra điện trường xoáy. Do vậy mối liên hệ giữa điện trường và từ trường thể hiện khi từ trường biến thiên làm xuất hiện điện trường biến thiên và ngược lại điện trường biến thiên làm xuất hiện từ trường biến thiên. Phương án trả lời: B. Bài tập 7 (Trích từ đề thi trên Hocmai.vn): Sóng nào sau đây truyền đi xa nhất trên mặt đất khi nguồn phát có cùng công suất đủ lớn. A. Sóng dài. B. Sóng trung bình. C. Sóng ngắn. D. Sóng rất ngắn. Trả lời: Sóng truyền đi xa nhất trên mặt đất khi nguồn phát có cùng công suất đủ lớn là sóng ngắn vì sóng ngắn bị tầng điện phản xạ. Phương án trả lời: C. Bài tập 8 (Trích từ đề thi trên Hocmai.vn): Phát biểu nào sau đây là ĐÚNG khi nói về sóng điện từ: A. Năng lượng sóng điện từ tỷ lệ với luỹ thừa bậc hai của tần số. B. Sóng điện từ truyền đi xa được nhờ sự biến dạng của những môi trường đàn hồi. C. Vận tốc của sóng điện từ trong chân không nhỏ hơn nhiều lần so với vận tốc của ánh sáng trong chân không. Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Trang 6 Chuyên đề Luyện thi Tốt nghiệp THPT và Luyện thi Đại học, Cao đẳng 2009 D. Điện từ trường do một điện tích điểm dao động theo phương thẳng đứng sẽ lan truyền trong không gian dưới dạng sóng. Trả lời: Quá trình lan truyền điện từ trường trong không gian dưới dạng sóng gọi là sóng điện từ. Phương án trả lời: D. Bài tập 9 (Trích từ đề thi trên Hocmai.vn): Mạch chọn sóng của máy thu thanh gồm cuộn dây độ tự cảm L = 2 μH, tụ điện có điện dung C. Máy thu được sóng điện từ có bước sóng λ = 18π (m) và vận tốc 3.10-8 m/s, thì điện dung tụ điện có giá trị là: B. 0,45.10-9 (F). A. 0,9.10-9 (F). D. 0,45.10-6 (F). C. 0,9.10-6 (F). Trả lời: Ta có bước sóng của máy thu: λ= c 2πc 2πc = = = 2πc LC 1 f ω LC Điện dung của tụ điện C= λ2 2 2 4π c L = ( (18π )2 4 π2 . 3.108 ) .2.10−6 2 = 4, 5.10 −10 (F ) = 0, 45.10 −9 (F ) . Phương án trả lời: B. Bài tập 10 (Trích từ đề thi trên Hocmai.vn): Chọn câu đúng. Nguyên tắc thu sóng điện từ: A. Mắc phối hợp một máy phát dao động điều hòa với một ăngten. B. Mỗi máy thu đều phải có ăngten để thu sóng. C. Mắc phối hợp mạch dao động với một ăngten. D. Máy hạ thế và ăng ten. Trả lời: Ăngten của máy thu đóng vai trò cổng vào: tiếp nhận sóng cần thu. - Mạch dao động được cảm ứng với mạng Ăngten. - Nếu mắc phối hợp mạch dao động với mạng Ăngten thì sóng cần thu sẽ làm cho mạch dao động. Phương án trả lời: C. IV. BÀI TẬP VỀ NHÀ Bài tập 1: Dùng một tụ điện 10 μF để lắp một bộ chọn sóng sao cho có thể thu được các sóng điện từ trong một giải tần số từ 400 Hz đến 500 Hz phải dùng cuộn cảm có thể biến đổi trong phạm vi: A. 10 mH đến 15 mH. B. 8 mH đến 16 mH. C. 1 mH đến 1,6 mH. D. 1 mH đến 16 mH. Bài tập 2: Một mạch chọn sóng với L không đổi có thể thu được sóng các sóng trong khoảng từ f1 tới f2 (với f1 < f2) thì giá trị của tụ C trong mạch phải là: A. C = 1 4 π2 f12L . Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt B. C = 1 4 π2 f22L . Trang 7 Chuyên đề Luyện thi Tốt nghiệp THPT và Luyện thi Đại học, Cao đẳng 2009 C. 1 4 π2 f12L >C> 1 4 π2 f22L . D. 1 4 π2 f12L - Xem thêm -