SlideShare a Scribd company logo
1 of 18
План:
1. Введение.
2. Гармонические колебания и движение по окружности.
3. Поступательное и вращательное движения.
4. Электромагнитные и механические аналогии.
5. Применение аналогии при решении задач.
6. Волчок и магнит.
7. Заключение.
8. Список используемой литературы.
1
Введение.
Аналогия - один из методов научного познания, который широко
применяется при изучении физики.
В основе аналогии лежит сравнение. Если обнаруживается, что два или
более объектов имеют сходные признаки, то делается вывод и о сходстве
некоторых других признаков. Вывод по аналогии может быть как истинным,
так и ложным, поэтому он требует экспериментальной проверки.
Значение аналогий при обучении связано с повышением научно-
теоретического уровня изложения материала на уроках физики в средней
школе, с формированием научного мировоззрения учащихся.
В практике обучение аналогии используется в основном для пояснения
уже введенных трудных понятий и закономерностей.
Электромагнитные колебания и волны - темы школьного курса физики,
усвоение которых традиционно вызывает большие затруднения у учащихся.
Поэтому для облегчения изучения электромагнитных процессов используются
электромеханические аналогии, поскольку колебания и волны различной
природы подчиняются общим закономерностям.
Аналогии между механическими и электрическими колебательными
процессами с успехом используются в современных исследованиях и расчетах.
При расчете сложных математических систем часто прибегают к
электромеханической аналогии, моделируя механическую систему
соответствующей электрической.
Демонстрационный эксперимент при изучении переменного тока
вскрывает лишь некоторые основные особенности процессов протекания тока
по различным электрическим цепям. Здесь большое значение имеют аналогии,
дающие возможность понять ряд явлений в цепях переменного тока, сущность
которых трудно разъяснить в средней школе другими средствами. К таким
вопросам в первую очередь относятся явления в цепях переменного тока с
емкостью и индуктивностью, а также сдвиг фаз между током и напряжением.
Использование метода аналогии при решении задач может идти в двух
направлениях:
непосредственное применение этого метода;
отыскание физической системы, которая аналогична данной в условии
задачи.
Таким образом, аналогии позволяют учащимся более глубоко понять
известные физические явления, понятия и процессы.
2
Гармонические колебания и движение по окружности.
Рассмотрим материальную точку, которая равномерно движется по
окружности. Её скорость равна υ и направлена по касательной к окружности.
Если радиус окружности обозначить через R, то центростремительное
ускорение точки равно и направлено по радиусу к центру (см.
Приложение, рис. 1).
Посмотрим, как движется проекция точки на диаметр окружности. Из
рисунка ясно, что если положение точки на окружности задается углом φ, то
положение ее проекции определяется координатой
(1)
Проекция скорости на диаметр (обозначим ее через u) равна
(2)
и, наконец, проекция ускорения
(3)
Из формул (1) и (3) легко получить, что
(4)
С таким же ускорением двигалась бы точка с массой m под действием
силы
(5)
Такая сила, пропорциональная координате, называется гармонической, а
движение под действием такой силы – гармоническим движением.
Введем вместо линейной скорости угловую (рад/c). Тогда
и
, , .
Таким образом, мы получили все характеристики гармонического
движения. Отсюда можно сделать вывод, что проекцию точки на окружности
можно заменить реальной частицей, движение которой будет описываться
полученными выше формулами.
Поступательное и вращательное движения.
Движение по окружности называется равномерным, если центральный
угол φ, описывающий положение точки на окружности, за любые равные
промежутки времени изменяется на одинаковую величину (см. Приложение,
рис. 2). При этом угловой скоростью вращательного движения называется
3
отношение изменения угла ∆φ к промежутку времени ∆t, за который это
изменение произошло. При вращении твердого тела вокруг неподвижной оси
угловые скорости всех его точек одинаковы, поэтому движение сразу всех точек
твердого тела можно описать с помощью одной величины – вектора угловой
скорости. Длина этого вектора равна угловой скорости вращения любой из точек
тела (кроме лежащих на оси вращения), а направлен он по оси вращения в ту
сторону, откуда вращение кажется происходящим против часовой стрелки
(иногда говорят, что вектор угловой скорости направлен по правилу правого
винта или буравчика).
Физический смысл понятий, характеризующих вращательное движение,
можно легко выяснить из аналогии, существующей между поступательным
движением по прямой и вращательным движением вокруг неподвижной оси. Эта
аналогия состоит в том, что формулы для поступательного и вращательного
движений переходят друг в друга, если произвести в них замену по правилам,
приведенным в таблице (см. Приложение, таблица 1).
Так формула F = ma имеет своим аналогом формулу М = Iε для
вращательного движения, формуле p = mυ соответствует L = Iω и т. д. И
физический смысл соответствующих величин тоже оказывается сходным:
момент инерции является мерой инертности тела при вращательном движении,
момент силы ускоряет или замедляет вращение твердого тела аналогично тому,
как сила вызывает ускорение или замедление тела на прямой. Следует помнить,
что вращательное движение все же имеет принципиальные отличия от
поступательного: например, масса тела постоянна при ускорении тела по всем
направлениям, а момент инерция тела при вращении его вокруг разных осей
может иметь разные значения.
Согласно таблице формуле F = m∆υ для поступательного движения
∆t
соответствует формула М = I∆ω для вращательного.
∆t
4
Электромагнитные и механические аналогии.
В теме "Электромагнитные колебания" рассматривается
электромагнитный процесс, возникающий при разрядке конденсатора через
катушку индуктивности, и делается вывод о колебательном характере этого
процесса.
Электромагнитные колебания в контуре имеют сходство со свободными
механическими колебаниями, например с колебаниями тела, закрепленного на
пружине. Сходство относится не к природе самих величин, которые
периодически изменяются, а к процессам периодического изменения различных
величин.
При механических колебаниях периодически изменяются координата
тела x и проекции его скорости υ , а при электромагнитных колебаниях
меняются заряд конденсатора q и сила тока в цепи i. Одинаковый характер
изменения величин (механических и электрических) объясняется тем, что
имеется аналогия в условиях, при которых порождаются механические и
электромагнитные колебания. Возвращение к положению равновесия тела на
пружине вызывается силой упругости F , пропорциональной смещению тела от
положения равновесия. Коэффициентом пропорциональности является
жесткость пружины k. Разрядка конденсатора (появление тока) обусловлена
напряжением U между пластинами конденсатора, которое пропорционально
заряду q. Коэффициентом пропорциональности является величина С
1
, обратная
емкости, так как U = C
1
q.
Подобно тому, как вследствие инертности тело лишь постепенно
увеличивает скорость под действием силы и эта скорость после прекращения
действия силы не становится сразу равной нулю, электрический ток в катушке
за счет явления самоиндукции увеличивается под действием напряжения
постепенно и не исчезает сразу, когда это напряжение становится равным
нулю. Индуктивность контура L играет ту же роль, что и масса тела m в
механике. Соответственно кинетической энергии тела
2
2
υm
отвечает энергия
магнитного поля тока
2
2
Li
, а импульсу тела mυ отвечает поток магнитной
индукции Li .
Зарядке конденсатора от батареи соответствует сообщение телу,
прикрепленному к пружине, потенциальной энергии
2
2
kx
при смещении тела на
расстояние mx от положения равновесия.
Сравнивая это выражение с энергией конденсатора
C
q
2
2
, замечаем, что
жесткость k пружины играет при механическом колебательном процессе такую
же роль, как величина С
1
, обратная емкости, при электромагнитных
колебаниях, а начальная координата mx соответствует заряду mq .
5
Возникновение в электрической цепи тока i за счет разности потенциалов
соответствующих появлению в механической колебательной системе скорости
υ x под действием силы упругости пружины. Моменту, когда конденсатор
разрядится, а сила тока достигнет максимума, соответствует прохождение тела
через положение равновесия с максимальной скоростью. Далее конденсатор
начнет перезаряжаться, а тело смещаться влево от положения равновесия. По
прошествии половины периода Т конденсатор полностью перезарядится и сила
тока станет равной нулю. Этому состоянию соответствует отклонение тела в
крайнее левое положение, когда его скорость равна нулю.
Рассмотренные выше колебания являются свободными. Здесь не учтено,
что в любой реальной механической системе существуют силы трения.
Таким образом, соответствие между механическими и электрическими
величинами при колебательных процессах можно представить в виде таблицы
(см. Приложение, таблица 2).
Процессы в колебательном контуре легче понять при рассмотрении
преобразований энергий, которые происходят при колебаниях, используя
таблицу (см. Приложение, таблица 3).
Применение аналогии при решении задач.
Задача 1. Изобразите механические системы, аналогичные
электрическим цепям, схематически изображенными на рисунках.
рис.1
Решение. Аналогичная механическая система, соответствующая
рисункам, должна содержать тело массой m и две пружины с разными
жестокостями 1k и 2k
а) Общая емкость системы конденсаторов (рис. 1.а) равна
21 CCC +=
Используя аналогию механических и электрических величин, найдем что
общая жесткость пружин искомой механической системы находится из
соотношения
21
111
kkk
+=
6
Это соответствует последовательному соединению двух пружин.
Учитывая, что один конденсатор заряжен, искомую механическую
систему можно представить в виде одной сжатой пружины жесткость 1
k и
одной недеформированной пружины жесткостью 2
k (рис.2.а).
б) Аналогично рассмотрим вторую схему.
Общая емкость системы конденсаторов (рис.1.б) равна
21
111
CCC
+=
Используя аналогию механических и электрических величин, найдем, что
общая жесткость пружин искомой механической системы находится из
соотношения
21 kkk +=
Это соответствует параллельному соединению двух пружин (рис.2.б).
рис.2.
Задача 2. На рисунке изображен колебательный контур. Придумайте
механическую аналогию.
О т в е т. Аналогичная механическая система соответствующая рисунку должна
содержать два тела массами 1m и 2m , и пружину жесткостью k.
Общая индуктивность системы при последовательном соединении
катушек равна
21 LLL +=
Используя аналогию механических и электрических величин найдем, что
общая масса
21
mmm +=
А это соответствует рисунку:
Задача 3. Придумайте механическую систему, которая была бы
аналогична электрической цепи, состоящей из конденсатора емкостью С и
7
резистора сопротивлением R. Первоначальный заряд конденсатора равен qм.
Ключ К замыкается в некоторый момент времени принимаемый за начальный.
О т в е т. Электрическую цепь, состоящую из емкости и сопротивления,
можно представить как предельный случай электрического колебательного
контура, в котором индуктивность настолько мала, что ею можно пренебречь.
Поэтому аналогичная механическая система будет представлять собой
прикрепленное к пружине (жесткость К) тело с очень малой массой, но со
значительным объемом, находящееся в поле действия силы вязкого трения с
коэффициентом ß.
Задача4. Придумайте механическую динамическую аналогию
электрической цепи, представленной на рисунке. В начальный момент
катушка индуктивностью L и резистор сопротивлением R отключены от
источника постоянного тока с ЭДСε .
О т в е т. Аналогичная механическая система состоит из тела,
находящегося в поле тяжести Земли и расположенного внутри жидкости с
коэффициентом вязкости Р. Если отпустить это тело, то оно падает в жидкости
под действием силы тяжести FT= mg.
Задача 5. Рассчитайте максимальное значение силы тока в цепи,
изображенной на рисунке. До замыкания ключа заряд на конденсаторе 1C
равен q, второй конденсатор не заряжен. Воспользуйтесь
электромеханической аналогией.
Решение.
Здесь происходит превращение потенциальной энергии в кинетическую
или в соответствии с аналогией энергия электрического поля конденсатора
превращается в энергию магнитного поля катушки.
22
22
mvкx
=
8
так как
C
qkx
22
22
→ и
22
22
Limv
→
тогда
22
2
1
2
Mm LI
C
q
= .
Отсюда значение максимальной силы тока равно
1
LC
q
I m
m
=
Задача 6. Найти максимальную скорость груза на пружине в вязкой
среде при действии на него переменной силы F=10sin10t(H). Масса - груза 0,1
кг, жесткость пружины 2 Н/м, вязкость среды 1 Н* м/с.
Р е ш е н и е. В связи с тем что такой более сложный процесс, какой
представлен в условии этой задачи, в школьном курсе физики не изучается,
снова обратимся к аналогии. Аналогичная электрическая система выглядит как
колебательный контур, содержащий внешний источник переменного тока.
Рис.9
Из закона Ома для переменного тока максимальная сила тока
2
2 1






−+
==
LC
wLR
U
Z
U
I MM
M
Установим соответствия характеристик механической и электрической
систем: f→ U: ß→ R :m→ L:K→ 1/C.
Учитывая аналогичность систем, получаем:
mυ =
22
)/( ωωβ Km
m
F
−+
При подстановке следующих данных:
F=10Н, ω =10с-1
, ß=1 Н•м/с, m=0,1кг, K=2 Н/м окончательно получаем
mυ ≈ 1,28 м/с.
9
Ответ: mυ ≈ 1,28 м/с
Задача 7. Источник с ЭДС ε и нулевым внутренним сопротивлением
соединен последовательно с катушкой индуктивности L и конденсатором С. В
начальный момент времени конденсатор не заряжен. Найти зависимость от
времени напряжения на конденсаторе после замыкания ключа.
Решение. Искать нужную зависимость, используя законы
электромагнетизма, довольно сложно и не наглядно, поэтому целесообразно
использовать механическую аналогию. На рис.1 приведена аналогичная
механическая колебательная система. Аналогом источника с ЭДС может
служить поле силы тяжести. При выдергивании подставки из-под
прикрепленного к пружине груза начинаются его колебания. Он совершает
гармоническое колебание около точки Xm, график которого дан на рис. 2. а.
Уравнение координаты имеет вид:
xm-x(t)=xm cos ωot,
или
x(t)=xm (1 - cos ωot).
Рис. 1
Рис. 2
Аналогичное электрическое колебание (рис. 2) описывается следующими
уравнениями:
q (t)=qм (1 – cos ωot);
10
qм = ε С, q (t)=Cε (1 — cos ωot) ,
U(t)=
C
tq )(
, U(f)= ε (1 — cos ωot).
Здесь ωo = LC/1 .
11
Волчок и магнит.
Тысячелетиями люди удивлялись чудесным свойствам магнита, но не
могли разгадать его тайну, так как не знали законов волчка и строение атома.
Первое научное сочинение о магнетизме принадлежит английскому врачу
Гильберту, написавшему в 1600 г. книгу «О магните, магнитных телах и
большом магните—Земле». Здесь впервые уточняется понятие полюсов
магнита, а также делается попытка понять строение магнита: если разделить
магнит на части, то получится множество маленьких магнитов. Следовательно,
магнит состоит из множества маленьких магнитиков.
Только в 1785 г. французский военный инженер Кулон, используя
изобретенные им крутильные весы, исследовал взаимодействие магнитных
полюсов и доказал, что оно подчинено закону обратных квадратов расстояния.
Однако природа магнита продолжала оставаться таинственной. Только
аналогия притяжения и отталкивания магнитных полюсов и электрических
зарядов наводила на мысль о родстве этих двух явлений. Лишь после
обнаружения Эрстедом на опыте действия электрического тока на магнитную
стрелку и уточнения Ампером законов этого действия мысль о взаимосвязи
электричества и магнетизма была подтверждена. Ампер выдвинул теорию, по
которой магнит состоит из маленьких, элементарных круговых токов, но
круговой ток, как известно, обладает магнитными полюсами. Фарадей и
Максвелл разработали учение о магнитном поле.
Еще Фарадей установил, что все вещества можно разделить на две
группы — парамагнитных и диамагнитных веществ и что нет материалов,
безразличных к магнетизму. Правда, магнитные свойства большинства тел
очень слабо выражены и для их обнаружения приходится воздействовать очень
сильными магнитными полями на маленькие и легкие образцы исследуемых
материалов. Подвешивая стержень из висмута между полюсами сильного
электромагнита, можно увидеть, что стержень устанавливается
перпендикулярно направлению линий индукции магнитного поля, тогда как
стержень из алюминия располагается параллельно этим линиям. Висмут
диамагнитен, алюминий парамагнитен (в переводе с греческого пара — значит
вдоль, диа — поперек, через).
12
Лишь в наши дни явления диа- и парамагнетизма получили свое
объяснение в электронной теории. Начнем с диамагнетизма. Его
происхождение связано с движением электронов вокруг ядра атома по орбите
(назовем это движение орбитальным). Электрон, обращающийся вокруг ядра,
можно уподобить волчку (см. Приложение, «Волшебный волчок»), и подобно
тому, как поле тяготения вызывает прецессию волчка, противодействующую
силе тяжести, так внешнее магнитное поле вызывает прецессию вращающегося
вокруг ядра электрона, противодействующую магнитному полю. Так как в
любом атоме любого вещества происходит орбитальное движение электронов,
то диамагнетизм свойствен всем видам вещества. Но диамагнитные свойства
очень слабы и во многих случаях они перекрываются парамагнитными
свойствами. От чего же зависят парамагнитные свойства? Дело в том, что,
кроме орбитального движения, электронам присуще еще и вращательное
движение вокруг их собственной оси. Для наглядности принято сравнивать
движение электрона вокруг собственной оси с движением Земли вокруг оси
(при одновременном ее движении по орбите вокруг Солнца). Таким образом,
электрон уподобляется волчку, и его движение получило название «спин» (от
английского глагола to spin — запускать волчок). Надо при этом иметь в виду,
что это всего лишь полезный, наглядный образ. Современная физика отказалась
от представления об электроне, как о каком-то вращающемся шарике, однако
спин все-таки существует, и мы будем пользоваться этим наглядным образом
электрона-волчка, обладающего магнитными свойствами.
В зависимости от направления вращения условно различают
положительный спин и отрицательный. Два спина с противоположными
знаками друг друга «нейтрализуют».
Если каждому электрону с положительным спином соответствует в атоме
электрон с отрицательным спином, то магнитные свойства, зависящие от
спинов, нейтрализуются и остается, лишь магнетизм, зависящий от
орбитального движения электронов. Вещества из таких атомов диамагнитны.
Но во многих случаях числа положительных и отрицательных спинов не
уравновешены, тогда атом обладает результирующим спином и
соответствующим магнитным моментом. Рисунок (см. Приложение, рис. 2)
иллюстрирует схему атома железа.
Электроны на оболочках К, L, и N спарены (эти оболочки заселены
парами электронов с противоположно ориентированными спинами), тогда как
на оболочке М имеются непарные электроны, дающие нескомпонсированный
спин — спин атома. То же, только в более слабой степени, можно сказать и о
любом парамагнетике.
Тепловое движение приводит спины атомов в беспорядочное
расположение, и парамагнитные свойства вещества обычно не проявляются. Но
если поместить такое вещество во внешнее магнитное поле, то спины атомов в
результате прецессии ориентируются приблизительно вдоль линий индукции
внешнего магнитного поля (как гироскоп вдоль меридиана) и вещество
проявляет свойства парамагнетика.
13
Особую группу составляет небольшой класс веществ — ферромагнетики,
названные по их главному представителю — железу. По современной теории
кристалл железа состоит из отдельных микроскопических областей (доменов), в
каждой из которых спины атомов уже расположены (без участия внешнего
поля) в направлении кристаллических осей (вспомните анизотропию
кристаллов). В ненамагниченном железе домены ориентированы так, что
суммарное магнитное поле их равно нулю.
Поднося к куску железа магнит или помещая его в магнитное поле, мы
вызываем определенную ориентацию доменов и появление магнитных свойств
— железо становится магнитом. Неаккуратным обращением вы можете
испортить этот магнит, если будете, например, ронять его или ударять по нему,
так как при ударах наведенный порядок доменов нарушается. Наоборот, вы
можете усилить магнитные свойства магнита, если замкнете его полюсы
железной пластинкой, к середине которой подвесите маленькую коробочку, и
будете постепенно, день за днем, добавлять в коробочку грузы (песок). Так вы
сможете «воспитать» ваш магнит, и он будет поднимать значительные тяжести.
Заключение.
Метод аналогии рассматривает новые вопросы, сопоставляемые с
изученными ранее.
Рассмотренные аналогии позволяют более глубоко проникнуть в процесс
обучения физики средней школы, что в свою очередь дает нам, учащимся,
лучше понимать физические законы и процессы.
Мною в этой работе рассмотрена лишь небольшая часть аналогий,
которые можно использовать на уроках физики и на факультативных занятиях,
элективных курсах, кружках.
Я считаю, что важное значение аналогии имеют как для учащихся
имеющих сложности в обучении, так и для учащихся, которые хотят более
глубоко понять физические процессы, явления и понятия.
Аналогии позволяют решать задачи повышенного уровня сложности,
олимпиадного характера, в которых рассматриваются процессы не изучаемые в
курсе средней школы.
Рассмотренные мною аналогии широко используются в научных
исследованиях.
Список используемой литературы.
1. Я. А. Смородинский «Похожие движения»
2. Дроздов В. Г. Аналогии при изучении колебательных систем в 10 классе.
//Физика в школе// №3, 1991 г.
3. Мукусиев Б. А. Использование аналогии при решении физических
задач. //Физика в школе// №6, 1991 г.
14
4. http:// www. students.ru
Приложение.
рис. 1
Таблица 1.
Поступательное движение Вращательное движение
Перемещение S
Скорость υ: υ = ∆ S
∆t
Ускорение а: a = ∆υ
∆t
Масса m
Сила F:
Угол φ
Угловая скорость ω:
ω = ∆φ
∆t
Угловое ускорение ε:
ε = ∆ω
∆t
Момент инерции I
Момент силы М:
15
F = ma = m∆υ
∆t
Импульс p:
p = mυ
Кинетическая энергия Тп:
Тп = mυ² Тп = p²
2 , 2m
М = I ε = I ∆ω
∆t
Момент импульса L:
L = I ω
Кинетическая энергия Тв:
Тв = Iω² Тв = L²
2 , 2I
Таблица 2.
Таблица 3.
Время Колебательный контур Пружинный маятник
0=t На конденсаторе находится заряд q0;
энергия электрического поля Wэ
максимальна. Энергия магнитного
поля Wм равна нулю
C
q
Wэ
2
2
0
= ; 0=мW
Смешение X0 тела от положения
равновесия — наибольшее; его
потенциальная энергия Wп максимальна,
кинетическая Wк равна нулю
2
2
0kx
Wп = ; 0=kW
16
Механические величины Электрические величины
Координата х Заряд q
Скорость vx=x' Сила тока i=q'
Ускорение аx=vx Скорость изменения силы тока i'
Масса m Индуктивность L
Жесткость k Величина, обратная электроемкости 1/С
Сила F Напряжение U
Вязкость β Сопротивление R
Потенциальная энергия
деформированной пружины kx2
/2
Энергия электрического поля конденсатора
q2
/(2C)
Кинетическая энергия mv2
/2 Энергия магнитного поля катушки Li2
/2
Импульс mv Поток магнитной индукции Li
0
4
>> t
T При замыкании цепи конденсатор
начинает разряжаться через катушку:
возникает ток и связанное с ним
магнитное поле. Вследствие
самоиндукции сила тока нарастает
постепенно; энергия электрического
поля преобразуется в энергию
магнитного поля
мэ WW →
Тело приходит в движение, его скорость
возрастает постепенно. Потенциальная
энергия преобразуется в кинетическую
кп WW →
4
T
t =
Конденсатор разрядился, сила тока I0
максимальна, энергия электрического
поля равна нулю, энергия магнитного
поля максимальна
Wэ=0;
2
0LI
Wм =
При прохождении положения
равновесия скорость v0, тела и его
кинетическая энергия максимальны,
потенциальная энергия равна нулю
Wп=0;
2
2
0mv
Wk =
42
T
t
T
>>
Вследствие самоиндукции сила тока
уменьшается постепенно; на
конденсаторе начинает накапливаться
заряд и
мэ WW ←
Тело, достигнув положения равновесия,
продолжает движение по инерции с
постепенно уменьшающейся скоростью
и
kп WW ←
2
T
t =
Конденсатор перезарядился; сила
тока в цепи равна нулю
C
q
Wэ
2
2
0
= ; Wм=0
Пружина максимально растянута:
скорость тела равна нулю
2
2
0kx
Wп = ; Wk=0
24
3 T
t
T
>>
Разрядка конденсатора
возобновляется; ток течет в
противоположном направлении; сила
тока постепенно возрастает
мэ WW →
Тело начинает движение в
противоположном направлении с
постепенно увеличивающейся
скоростью
kп WW →
4
3T
t =
Конденсатор полностью разрядился;
сила тока I0 в цепи максимальна
Wэ=0;
2
2
0LI
Wм =
Тело проходит положение равновесия,
его скорость максимальна
Wп=0;
2
2
0mv
Wk =
4
3T
tT >>
Вследствие самоиндукции ток
продолжает течь в том же
направлении, конденсатор начинает
заряжаться мэ WW ←
По инерции тело движется к крайнему
положению
kп ЦW ←
Tt = Конденсатор снова заряжен, ток в
цепи отсутствует, состояние контура
аналогично первоначальному
C
q
Wэ
2
2
0
= ; Wм=0
Смещение тела максимально, его
скорость равна нулю и состояние
аналогично первоначальному
2
2
0kx
Wп = ; Wk=0
17
K M L N
- электрон со спином +
- электрон со спином -
Рис.2
18

More Related Content

What's hot

Лекция 11. Элементы релятивистской механики (часть 2)
Лекция 11. Элементы релятивистской механики (часть 2)Лекция 11. Элементы релятивистской механики (часть 2)
Лекция 11. Элементы релятивистской механики (часть 2)kotikes
 
л 3.3. с 1. к 1
л 3.3. с 1. к 1л 3.3. с 1. к 1
л 3.3. с 1. к 1salimaader
 
Laboratorny praktikum 10_klass-1
Laboratorny praktikum 10_klass-1Laboratorny praktikum 10_klass-1
Laboratorny praktikum 10_klass-1marymam
 
тема 3. общие физические модели. законы ньютона
тема 3. общие физические модели. законы ньютонатема 3. общие физические модели. законы ньютона
тема 3. общие физические модели. законы ньютонаsalimaader
 
Специальная теория относительности
Специальная теория относительностиСпециальная теория относительности
Специальная теория относительностиNickEliot
 
слайды клекции №1
слайды клекции №1слайды клекции №1
слайды клекции №1student_kai
 
кин лекция 8
кин лекция 8кин лекция 8
кин лекция 8student_kai
 
программа курса механика
программа курса механикапрограмма курса механика
программа курса механикаsalimaader
 

What's hot (19)

Лекция 11. Элементы релятивистской механики (часть 2)
Лекция 11. Элементы релятивистской механики (часть 2)Лекция 11. Элементы релятивистской механики (часть 2)
Лекция 11. Элементы релятивистской механики (часть 2)
 
573
573573
573
 
л 3.3. с 1. к 1
л 3.3. с 1. к 1л 3.3. с 1. к 1
л 3.3. с 1. к 1
 
Laboratorny praktikum 10_klass-1
Laboratorny praktikum 10_klass-1Laboratorny praktikum 10_klass-1
Laboratorny praktikum 10_klass-1
 
тема 3. общие физические модели. законы ньютона
тема 3. общие физические модели. законы ньютонатема 3. общие физические модели. законы ньютона
тема 3. общие физические модели. законы ньютона
 
зад2 теория
зад2 теориязад2 теория
зад2 теория
 
Задание 5
Задание 5Задание 5
Задание 5
 
32853
3285332853
32853
 
Специальная теория относительности
Специальная теория относительностиСпециальная теория относительности
Специальная теория относительности
 
Задание 2
Задание 2Задание 2
Задание 2
 
Задание 4
Задание 4Задание 4
Задание 4
 
533
533533
533
 
слайды клекции №1
слайды клекции №1слайды клекции №1
слайды клекции №1
 
Задание 6
Задание 6Задание 6
Задание 6
 
кин лекция 8
кин лекция 8кин лекция 8
кин лекция 8
 
программа курса механика
программа курса механикапрограмма курса механика
программа курса механика
 
Neoptolemeevskaya mehanika
Neoptolemeevskaya mehanikaNeoptolemeevskaya mehanika
Neoptolemeevskaya mehanika
 
Pril1
Pril1Pril1
Pril1
 
зад1 теория
зад1 теориязад1 теория
зад1 теория
 

Similar to Реферат по физике «Аналогии в курсе физики средней школы»

гдз по физике 10кл. к уч. громова с.в 2002 155с
гдз по физике 10кл. к уч. громова с.в 2002  155сгдз по физике 10кл. к уч. громова с.в 2002  155с
гдз по физике 10кл. к уч. громова с.в 2002 155сИван Иванов
 
гдз по физике 10 класс громов с.в
гдз по физике 10 класс громов с.вгдз по физике 10 класс громов с.в
гдз по физике 10 класс громов с.вYou DZ
 
курс «механика» тема 1. кинематика
курс «механика» тема 1. кинематикакурс «механика» тема 1. кинематика
курс «механика» тема 1. кинематикаsalimaader
 
Введение в физику звука. Лекция №1: МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ.
Введение в физику звука. Лекция №1: МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ.Введение в физику звука. Лекция №1: МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ.
Введение в физику звука. Лекция №1: МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ.Oleksii Voronkin
 
учебное пособие по технической механике
учебное пособие по технической механикеучебное пособие по технической механике
учебное пособие по технической механикеDemanessa
 
лунагравит
лунагравитлунагравит
лунагравитvladimir_37
 
теоретический минимум по разделу механика курса общей физики методические ука...
теоретический минимум по разделу механика курса общей физики методические ука...теоретический минимум по разделу механика курса общей физики методические ука...
теоретический минимум по разделу механика курса общей физики методические ука...Иван Иванов
 
ъ1.2. с 2. к 2
ъ1.2. с 2. к 2ъ1.2. с 2. к 2
ъ1.2. с 2. к 2timorevel
 
500 1 физика. 11кл.-жилко в.в, маркович л.г_минск, 2014 -287с
500 1  физика. 11кл.-жилко в.в, маркович л.г_минск, 2014 -287с500 1  физика. 11кл.-жилко в.в, маркович л.г_минск, 2014 -287с
500 1 физика. 11кл.-жилко в.в, маркович л.г_минск, 2014 -287сpsvayy
 
10. физика фкгос7 9
10. физика фкгос7 910. физика фкгос7 9
10. физика фкгос7 9rassyhaev
 
законы ньютона
законы ньютоназаконы ньютона
законы ньютонаbaurova
 
тема 4.2.14.введение в динамику
тема 4.2.14.введение в динамикутема 4.2.14.введение в динамику
тема 4.2.14.введение в динамикуstudent_kai
 
л 4.3. с 2. к 1
л 4.3. с 2. к 1л 4.3. с 2. к 1
л 4.3. с 2. к 1salimaader
 
й 3.1. в к 3
й 3.1. в к 3й 3.1. в к 3
й 3.1. в к 3timorevel
 
Введение в физику звука. Лекция №2: ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ
Введение в физику звука. Лекция №2: ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ Введение в физику звука. Лекция №2: ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ
Введение в физику звука. Лекция №2: ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ Oleksii Voronkin
 

Similar to Реферат по физике «Аналогии в курсе физики средней школы» (18)

533
533533
533
 
гдз по физике 10кл. к уч. громова с.в 2002 155с
гдз по физике 10кл. к уч. громова с.в 2002  155сгдз по физике 10кл. к уч. громова с.в 2002  155с
гдз по физике 10кл. к уч. громова с.в 2002 155с
 
гдз по физике 10 класс громов с.в
гдз по физике 10 класс громов с.вгдз по физике 10 класс громов с.в
гдз по физике 10 класс громов с.в
 
курс «механика» тема 1. кинематика
курс «механика» тема 1. кинематикакурс «механика» тема 1. кинематика
курс «механика» тема 1. кинематика
 
Введение в физику звука. Лекция №1: МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ.
Введение в физику звука. Лекция №1: МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ.Введение в физику звука. Лекция №1: МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ.
Введение в физику звука. Лекция №1: МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ.
 
Dinamika
DinamikaDinamika
Dinamika
 
учебное пособие по технической механике
учебное пособие по технической механикеучебное пособие по технической механике
учебное пособие по технической механике
 
лунагравит
лунагравитлунагравит
лунагравит
 
теоретический минимум по разделу механика курса общей физики методические ука...
теоретический минимум по разделу механика курса общей физики методические ука...теоретический минимум по разделу механика курса общей физики методические ука...
теоретический минимум по разделу механика курса общей физики методические ука...
 
ъ1.2. с 2. к 2
ъ1.2. с 2. к 2ъ1.2. с 2. к 2
ъ1.2. с 2. к 2
 
500 1 физика. 11кл.-жилко в.в, маркович л.г_минск, 2014 -287с
500 1  физика. 11кл.-жилко в.в, маркович л.г_минск, 2014 -287с500 1  физика. 11кл.-жилко в.в, маркович л.г_минск, 2014 -287с
500 1 физика. 11кл.-жилко в.в, маркович л.г_минск, 2014 -287с
 
10. физика фкгос7 9
10. физика фкгос7 910. физика фкгос7 9
10. физика фкгос7 9
 
законы ньютона
законы ньютоназаконы ньютона
законы ньютона
 
тема 4.2.14.введение в динамику
тема 4.2.14.введение в динамикутема 4.2.14.введение в динамику
тема 4.2.14.введение в динамику
 
8 физика-2
8 физика-28 физика-2
8 физика-2
 
л 4.3. с 2. к 1
л 4.3. с 2. к 1л 4.3. с 2. к 1
л 4.3. с 2. к 1
 
й 3.1. в к 3
й 3.1. в к 3й 3.1. в к 3
й 3.1. в к 3
 
Введение в физику звука. Лекция №2: ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ
Введение в физику звука. Лекция №2: ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ Введение в физику звука. Лекция №2: ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ
Введение в физику звука. Лекция №2: ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ
 

More from Kirrrr123

Shakhmaty v shkole_rabochaya_programma_1-4_klassy
Shakhmaty v shkole_rabochaya_programma_1-4_klassyShakhmaty v shkole_rabochaya_programma_1-4_klassy
Shakhmaty v shkole_rabochaya_programma_1-4_klassyKirrrr123
 
Работа с текстом на уроках математики
Работа с текстом на уроках математикиРабота с текстом на уроках математики
Работа с текстом на уроках математикиKirrrr123
 
Урок физики "Источники звука. Звуковые колебания и волны"
Урок физики "Источники звука. Звуковые колебания и волны" Урок физики "Источники звука. Звуковые колебания и волны"
Урок физики "Источники звука. Звуковые колебания и волны" Kirrrr123
 
Урок физики "Что прочнее гранита?" (интеграция с биологией)
Урок физики "Что прочнее гранита?" (интеграция с биологией)Урок физики "Что прочнее гранита?" (интеграция с биологией)
Урок физики "Что прочнее гранита?" (интеграция с биологией)Kirrrr123
 
Урок физики в 8 классе "Тепловые явления в живой природе"
Урок физики в 8 классе "Тепловые явления в живой природе"Урок физики в 8 классе "Тепловые явления в живой природе"
Урок физики в 8 классе "Тепловые явления в живой природе"Kirrrr123
 
Урок физики в 9 классе "Акустика. Звуки вокруг нас"
Урок физики в 9 классе "Акустика. Звуки вокруг нас"Урок физики в 9 классе "Акустика. Звуки вокруг нас"
Урок физики в 9 классе "Акустика. Звуки вокруг нас"Kirrrr123
 
Урок физики в 9 классе "Распространение звука. Скорость звука. Высота, тембр ...
Урок физики в 9 классе "Распространение звука. Скорость звука. Высота, тембр ...Урок физики в 9 классе "Распространение звука. Скорость звука. Высота, тембр ...
Урок физики в 9 классе "Распространение звука. Скорость звука. Высота, тембр ...Kirrrr123
 
Ситуационная задача по теме «Трение»
Ситуационная задача по теме  «Трение»Ситуационная задача по теме  «Трение»
Ситуационная задача по теме «Трение»Kirrrr123
 
Тема «Квадратные уравнения. Виды квадратных уравнений»
Тема «Квадратные уравнения. Виды квадратных уравнений»Тема «Квадратные уравнения. Виды квадратных уравнений»
Тема «Квадратные уравнения. Виды квадратных уравнений»Kirrrr123
 
Тема «Метод выделения полного квадрата двучлена»
Тема «Метод выделения полного квадрата двучлена»Тема «Метод выделения полного квадрата двучлена»
Тема «Метод выделения полного квадрата двучлена»Kirrrr123
 
Тема «Дискриминант»
Тема «Дискриминант»Тема «Дискриминант»
Тема «Дискриминант»Kirrrr123
 
Тема «Формула для нахождения корней квадратного уравнения общего вида»
Тема «Формула для нахождения корней квадратного уравнения общего вида»Тема «Формула для нахождения корней квадратного уравнения общего вида»
Тема «Формула для нахождения корней квадратного уравнения общего вида»Kirrrr123
 
Тема «Формула для нахождения корней квадратного уравнения, когда b- четное чи...
Тема «Формула для нахождения корней квадратного уравнения, когда b- четное чи...Тема «Формула для нахождения корней квадратного уравнения, когда b- четное чи...
Тема «Формула для нахождения корней квадратного уравнения, когда b- четное чи...Kirrrr123
 
Тема «Теорема Виета. Теорема, обратная теореме Виета.»
Тема «Теорема Виета. Теорема, обратная теореме Виета.»Тема «Теорема Виета. Теорема, обратная теореме Виета.»
Тема «Теорема Виета. Теорема, обратная теореме Виета.»Kirrrr123
 
Тема «Уравнения, приводимые к квадратным.»
Тема «Уравнения, приводимые к квадратным.»Тема «Уравнения, приводимые к квадратным.»
Тема «Уравнения, приводимые к квадратным.»Kirrrr123
 
Тема «Решение задач на движение с помощью квадратных уравнений.»
Тема «Решение  задач на движение с помощью квадратных уравнений.»Тема «Решение  задач на движение с помощью квадратных уравнений.»
Тема «Решение задач на движение с помощью квадратных уравнений.»Kirrrr123
 
Путешествие в Мыслеград
Путешествие в МыслеградПутешествие в Мыслеград
Путешествие в МыслеградKirrrr123
 
испанский тесты
испанский тестыиспанский тесты
испанский тестыKirrrr123
 
изучение частиц не и ни в 5 7 классах
изучение частиц не и ни в 5 7 классахизучение частиц не и ни в 5 7 классах
изучение частиц не и ни в 5 7 классахKirrrr123
 
сборник артикуляционных сказок
сборник артикуляционных сказоксборник артикуляционных сказок
сборник артикуляционных сказокKirrrr123
 

More from Kirrrr123 (20)

Shakhmaty v shkole_rabochaya_programma_1-4_klassy
Shakhmaty v shkole_rabochaya_programma_1-4_klassyShakhmaty v shkole_rabochaya_programma_1-4_klassy
Shakhmaty v shkole_rabochaya_programma_1-4_klassy
 
Работа с текстом на уроках математики
Работа с текстом на уроках математикиРабота с текстом на уроках математики
Работа с текстом на уроках математики
 
Урок физики "Источники звука. Звуковые колебания и волны"
Урок физики "Источники звука. Звуковые колебания и волны" Урок физики "Источники звука. Звуковые колебания и волны"
Урок физики "Источники звука. Звуковые колебания и волны"
 
Урок физики "Что прочнее гранита?" (интеграция с биологией)
Урок физики "Что прочнее гранита?" (интеграция с биологией)Урок физики "Что прочнее гранита?" (интеграция с биологией)
Урок физики "Что прочнее гранита?" (интеграция с биологией)
 
Урок физики в 8 классе "Тепловые явления в живой природе"
Урок физики в 8 классе "Тепловые явления в живой природе"Урок физики в 8 классе "Тепловые явления в живой природе"
Урок физики в 8 классе "Тепловые явления в живой природе"
 
Урок физики в 9 классе "Акустика. Звуки вокруг нас"
Урок физики в 9 классе "Акустика. Звуки вокруг нас"Урок физики в 9 классе "Акустика. Звуки вокруг нас"
Урок физики в 9 классе "Акустика. Звуки вокруг нас"
 
Урок физики в 9 классе "Распространение звука. Скорость звука. Высота, тембр ...
Урок физики в 9 классе "Распространение звука. Скорость звука. Высота, тембр ...Урок физики в 9 классе "Распространение звука. Скорость звука. Высота, тембр ...
Урок физики в 9 классе "Распространение звука. Скорость звука. Высота, тембр ...
 
Ситуационная задача по теме «Трение»
Ситуационная задача по теме  «Трение»Ситуационная задача по теме  «Трение»
Ситуационная задача по теме «Трение»
 
Тема «Квадратные уравнения. Виды квадратных уравнений»
Тема «Квадратные уравнения. Виды квадратных уравнений»Тема «Квадратные уравнения. Виды квадратных уравнений»
Тема «Квадратные уравнения. Виды квадратных уравнений»
 
Тема «Метод выделения полного квадрата двучлена»
Тема «Метод выделения полного квадрата двучлена»Тема «Метод выделения полного квадрата двучлена»
Тема «Метод выделения полного квадрата двучлена»
 
Тема «Дискриминант»
Тема «Дискриминант»Тема «Дискриминант»
Тема «Дискриминант»
 
Тема «Формула для нахождения корней квадратного уравнения общего вида»
Тема «Формула для нахождения корней квадратного уравнения общего вида»Тема «Формула для нахождения корней квадратного уравнения общего вида»
Тема «Формула для нахождения корней квадратного уравнения общего вида»
 
Тема «Формула для нахождения корней квадратного уравнения, когда b- четное чи...
Тема «Формула для нахождения корней квадратного уравнения, когда b- четное чи...Тема «Формула для нахождения корней квадратного уравнения, когда b- четное чи...
Тема «Формула для нахождения корней квадратного уравнения, когда b- четное чи...
 
Тема «Теорема Виета. Теорема, обратная теореме Виета.»
Тема «Теорема Виета. Теорема, обратная теореме Виета.»Тема «Теорема Виета. Теорема, обратная теореме Виета.»
Тема «Теорема Виета. Теорема, обратная теореме Виета.»
 
Тема «Уравнения, приводимые к квадратным.»
Тема «Уравнения, приводимые к квадратным.»Тема «Уравнения, приводимые к квадратным.»
Тема «Уравнения, приводимые к квадратным.»
 
Тема «Решение задач на движение с помощью квадратных уравнений.»
Тема «Решение  задач на движение с помощью квадратных уравнений.»Тема «Решение  задач на движение с помощью квадратных уравнений.»
Тема «Решение задач на движение с помощью квадратных уравнений.»
 
Путешествие в Мыслеград
Путешествие в МыслеградПутешествие в Мыслеград
Путешествие в Мыслеград
 
испанский тесты
испанский тестыиспанский тесты
испанский тесты
 
изучение частиц не и ни в 5 7 классах
изучение частиц не и ни в 5 7 классахизучение частиц не и ни в 5 7 классах
изучение частиц не и ни в 5 7 классах
 
сборник артикуляционных сказок
сборник артикуляционных сказоксборник артикуляционных сказок
сборник артикуляционных сказок
 

Реферат по физике «Аналогии в курсе физики средней школы»

  • 1. План: 1. Введение. 2. Гармонические колебания и движение по окружности. 3. Поступательное и вращательное движения. 4. Электромагнитные и механические аналогии. 5. Применение аналогии при решении задач. 6. Волчок и магнит. 7. Заключение. 8. Список используемой литературы. 1
  • 2. Введение. Аналогия - один из методов научного познания, который широко применяется при изучении физики. В основе аналогии лежит сравнение. Если обнаруживается, что два или более объектов имеют сходные признаки, то делается вывод и о сходстве некоторых других признаков. Вывод по аналогии может быть как истинным, так и ложным, поэтому он требует экспериментальной проверки. Значение аналогий при обучении связано с повышением научно- теоретического уровня изложения материала на уроках физики в средней школе, с формированием научного мировоззрения учащихся. В практике обучение аналогии используется в основном для пояснения уже введенных трудных понятий и закономерностей. Электромагнитные колебания и волны - темы школьного курса физики, усвоение которых традиционно вызывает большие затруднения у учащихся. Поэтому для облегчения изучения электромагнитных процессов используются электромеханические аналогии, поскольку колебания и волны различной природы подчиняются общим закономерностям. Аналогии между механическими и электрическими колебательными процессами с успехом используются в современных исследованиях и расчетах. При расчете сложных математических систем часто прибегают к электромеханической аналогии, моделируя механическую систему соответствующей электрической. Демонстрационный эксперимент при изучении переменного тока вскрывает лишь некоторые основные особенности процессов протекания тока по различным электрическим цепям. Здесь большое значение имеют аналогии, дающие возможность понять ряд явлений в цепях переменного тока, сущность которых трудно разъяснить в средней школе другими средствами. К таким вопросам в первую очередь относятся явления в цепях переменного тока с емкостью и индуктивностью, а также сдвиг фаз между током и напряжением. Использование метода аналогии при решении задач может идти в двух направлениях: непосредственное применение этого метода; отыскание физической системы, которая аналогична данной в условии задачи. Таким образом, аналогии позволяют учащимся более глубоко понять известные физические явления, понятия и процессы. 2
  • 3. Гармонические колебания и движение по окружности. Рассмотрим материальную точку, которая равномерно движется по окружности. Её скорость равна υ и направлена по касательной к окружности. Если радиус окружности обозначить через R, то центростремительное ускорение точки равно и направлено по радиусу к центру (см. Приложение, рис. 1). Посмотрим, как движется проекция точки на диаметр окружности. Из рисунка ясно, что если положение точки на окружности задается углом φ, то положение ее проекции определяется координатой (1) Проекция скорости на диаметр (обозначим ее через u) равна (2) и, наконец, проекция ускорения (3) Из формул (1) и (3) легко получить, что (4) С таким же ускорением двигалась бы точка с массой m под действием силы (5) Такая сила, пропорциональная координате, называется гармонической, а движение под действием такой силы – гармоническим движением. Введем вместо линейной скорости угловую (рад/c). Тогда и , , . Таким образом, мы получили все характеристики гармонического движения. Отсюда можно сделать вывод, что проекцию точки на окружности можно заменить реальной частицей, движение которой будет описываться полученными выше формулами. Поступательное и вращательное движения. Движение по окружности называется равномерным, если центральный угол φ, описывающий положение точки на окружности, за любые равные промежутки времени изменяется на одинаковую величину (см. Приложение, рис. 2). При этом угловой скоростью вращательного движения называется 3
  • 4. отношение изменения угла ∆φ к промежутку времени ∆t, за который это изменение произошло. При вращении твердого тела вокруг неподвижной оси угловые скорости всех его точек одинаковы, поэтому движение сразу всех точек твердого тела можно описать с помощью одной величины – вектора угловой скорости. Длина этого вектора равна угловой скорости вращения любой из точек тела (кроме лежащих на оси вращения), а направлен он по оси вращения в ту сторону, откуда вращение кажется происходящим против часовой стрелки (иногда говорят, что вектор угловой скорости направлен по правилу правого винта или буравчика). Физический смысл понятий, характеризующих вращательное движение, можно легко выяснить из аналогии, существующей между поступательным движением по прямой и вращательным движением вокруг неподвижной оси. Эта аналогия состоит в том, что формулы для поступательного и вращательного движений переходят друг в друга, если произвести в них замену по правилам, приведенным в таблице (см. Приложение, таблица 1). Так формула F = ma имеет своим аналогом формулу М = Iε для вращательного движения, формуле p = mυ соответствует L = Iω и т. д. И физический смысл соответствующих величин тоже оказывается сходным: момент инерции является мерой инертности тела при вращательном движении, момент силы ускоряет или замедляет вращение твердого тела аналогично тому, как сила вызывает ускорение или замедление тела на прямой. Следует помнить, что вращательное движение все же имеет принципиальные отличия от поступательного: например, масса тела постоянна при ускорении тела по всем направлениям, а момент инерция тела при вращении его вокруг разных осей может иметь разные значения. Согласно таблице формуле F = m∆υ для поступательного движения ∆t соответствует формула М = I∆ω для вращательного. ∆t 4
  • 5. Электромагнитные и механические аналогии. В теме "Электромагнитные колебания" рассматривается электромагнитный процесс, возникающий при разрядке конденсатора через катушку индуктивности, и делается вывод о колебательном характере этого процесса. Электромагнитные колебания в контуре имеют сходство со свободными механическими колебаниями, например с колебаниями тела, закрепленного на пружине. Сходство относится не к природе самих величин, которые периодически изменяются, а к процессам периодического изменения различных величин. При механических колебаниях периодически изменяются координата тела x и проекции его скорости υ , а при электромагнитных колебаниях меняются заряд конденсатора q и сила тока в цепи i. Одинаковый характер изменения величин (механических и электрических) объясняется тем, что имеется аналогия в условиях, при которых порождаются механические и электромагнитные колебания. Возвращение к положению равновесия тела на пружине вызывается силой упругости F , пропорциональной смещению тела от положения равновесия. Коэффициентом пропорциональности является жесткость пружины k. Разрядка конденсатора (появление тока) обусловлена напряжением U между пластинами конденсатора, которое пропорционально заряду q. Коэффициентом пропорциональности является величина С 1 , обратная емкости, так как U = C 1 q. Подобно тому, как вследствие инертности тело лишь постепенно увеличивает скорость под действием силы и эта скорость после прекращения действия силы не становится сразу равной нулю, электрический ток в катушке за счет явления самоиндукции увеличивается под действием напряжения постепенно и не исчезает сразу, когда это напряжение становится равным нулю. Индуктивность контура L играет ту же роль, что и масса тела m в механике. Соответственно кинетической энергии тела 2 2 υm отвечает энергия магнитного поля тока 2 2 Li , а импульсу тела mυ отвечает поток магнитной индукции Li . Зарядке конденсатора от батареи соответствует сообщение телу, прикрепленному к пружине, потенциальной энергии 2 2 kx при смещении тела на расстояние mx от положения равновесия. Сравнивая это выражение с энергией конденсатора C q 2 2 , замечаем, что жесткость k пружины играет при механическом колебательном процессе такую же роль, как величина С 1 , обратная емкости, при электромагнитных колебаниях, а начальная координата mx соответствует заряду mq . 5
  • 6. Возникновение в электрической цепи тока i за счет разности потенциалов соответствующих появлению в механической колебательной системе скорости υ x под действием силы упругости пружины. Моменту, когда конденсатор разрядится, а сила тока достигнет максимума, соответствует прохождение тела через положение равновесия с максимальной скоростью. Далее конденсатор начнет перезаряжаться, а тело смещаться влево от положения равновесия. По прошествии половины периода Т конденсатор полностью перезарядится и сила тока станет равной нулю. Этому состоянию соответствует отклонение тела в крайнее левое положение, когда его скорость равна нулю. Рассмотренные выше колебания являются свободными. Здесь не учтено, что в любой реальной механической системе существуют силы трения. Таким образом, соответствие между механическими и электрическими величинами при колебательных процессах можно представить в виде таблицы (см. Приложение, таблица 2). Процессы в колебательном контуре легче понять при рассмотрении преобразований энергий, которые происходят при колебаниях, используя таблицу (см. Приложение, таблица 3). Применение аналогии при решении задач. Задача 1. Изобразите механические системы, аналогичные электрическим цепям, схематически изображенными на рисунках. рис.1 Решение. Аналогичная механическая система, соответствующая рисункам, должна содержать тело массой m и две пружины с разными жестокостями 1k и 2k а) Общая емкость системы конденсаторов (рис. 1.а) равна 21 CCC += Используя аналогию механических и электрических величин, найдем что общая жесткость пружин искомой механической системы находится из соотношения 21 111 kkk += 6
  • 7. Это соответствует последовательному соединению двух пружин. Учитывая, что один конденсатор заряжен, искомую механическую систему можно представить в виде одной сжатой пружины жесткость 1 k и одной недеформированной пружины жесткостью 2 k (рис.2.а). б) Аналогично рассмотрим вторую схему. Общая емкость системы конденсаторов (рис.1.б) равна 21 111 CCC += Используя аналогию механических и электрических величин, найдем, что общая жесткость пружин искомой механической системы находится из соотношения 21 kkk += Это соответствует параллельному соединению двух пружин (рис.2.б). рис.2. Задача 2. На рисунке изображен колебательный контур. Придумайте механическую аналогию. О т в е т. Аналогичная механическая система соответствующая рисунку должна содержать два тела массами 1m и 2m , и пружину жесткостью k. Общая индуктивность системы при последовательном соединении катушек равна 21 LLL += Используя аналогию механических и электрических величин найдем, что общая масса 21 mmm += А это соответствует рисунку: Задача 3. Придумайте механическую систему, которая была бы аналогична электрической цепи, состоящей из конденсатора емкостью С и 7
  • 8. резистора сопротивлением R. Первоначальный заряд конденсатора равен qм. Ключ К замыкается в некоторый момент времени принимаемый за начальный. О т в е т. Электрическую цепь, состоящую из емкости и сопротивления, можно представить как предельный случай электрического колебательного контура, в котором индуктивность настолько мала, что ею можно пренебречь. Поэтому аналогичная механическая система будет представлять собой прикрепленное к пружине (жесткость К) тело с очень малой массой, но со значительным объемом, находящееся в поле действия силы вязкого трения с коэффициентом ß. Задача4. Придумайте механическую динамическую аналогию электрической цепи, представленной на рисунке. В начальный момент катушка индуктивностью L и резистор сопротивлением R отключены от источника постоянного тока с ЭДСε . О т в е т. Аналогичная механическая система состоит из тела, находящегося в поле тяжести Земли и расположенного внутри жидкости с коэффициентом вязкости Р. Если отпустить это тело, то оно падает в жидкости под действием силы тяжести FT= mg. Задача 5. Рассчитайте максимальное значение силы тока в цепи, изображенной на рисунке. До замыкания ключа заряд на конденсаторе 1C равен q, второй конденсатор не заряжен. Воспользуйтесь электромеханической аналогией. Решение. Здесь происходит превращение потенциальной энергии в кинетическую или в соответствии с аналогией энергия электрического поля конденсатора превращается в энергию магнитного поля катушки. 22 22 mvкx = 8
  • 9. так как C qkx 22 22 → и 22 22 Limv → тогда 22 2 1 2 Mm LI C q = . Отсюда значение максимальной силы тока равно 1 LC q I m m = Задача 6. Найти максимальную скорость груза на пружине в вязкой среде при действии на него переменной силы F=10sin10t(H). Масса - груза 0,1 кг, жесткость пружины 2 Н/м, вязкость среды 1 Н* м/с. Р е ш е н и е. В связи с тем что такой более сложный процесс, какой представлен в условии этой задачи, в школьном курсе физики не изучается, снова обратимся к аналогии. Аналогичная электрическая система выглядит как колебательный контур, содержащий внешний источник переменного тока. Рис.9 Из закона Ома для переменного тока максимальная сила тока 2 2 1       −+ == LC wLR U Z U I MM M Установим соответствия характеристик механической и электрической систем: f→ U: ß→ R :m→ L:K→ 1/C. Учитывая аналогичность систем, получаем: mυ = 22 )/( ωωβ Km m F −+ При подстановке следующих данных: F=10Н, ω =10с-1 , ß=1 Н•м/с, m=0,1кг, K=2 Н/м окончательно получаем mυ ≈ 1,28 м/с. 9
  • 10. Ответ: mυ ≈ 1,28 м/с Задача 7. Источник с ЭДС ε и нулевым внутренним сопротивлением соединен последовательно с катушкой индуктивности L и конденсатором С. В начальный момент времени конденсатор не заряжен. Найти зависимость от времени напряжения на конденсаторе после замыкания ключа. Решение. Искать нужную зависимость, используя законы электромагнетизма, довольно сложно и не наглядно, поэтому целесообразно использовать механическую аналогию. На рис.1 приведена аналогичная механическая колебательная система. Аналогом источника с ЭДС может служить поле силы тяжести. При выдергивании подставки из-под прикрепленного к пружине груза начинаются его колебания. Он совершает гармоническое колебание около точки Xm, график которого дан на рис. 2. а. Уравнение координаты имеет вид: xm-x(t)=xm cos ωot, или x(t)=xm (1 - cos ωot). Рис. 1 Рис. 2 Аналогичное электрическое колебание (рис. 2) описывается следующими уравнениями: q (t)=qм (1 – cos ωot); 10
  • 11. qм = ε С, q (t)=Cε (1 — cos ωot) , U(t)= C tq )( , U(f)= ε (1 — cos ωot). Здесь ωo = LC/1 . 11
  • 12. Волчок и магнит. Тысячелетиями люди удивлялись чудесным свойствам магнита, но не могли разгадать его тайну, так как не знали законов волчка и строение атома. Первое научное сочинение о магнетизме принадлежит английскому врачу Гильберту, написавшему в 1600 г. книгу «О магните, магнитных телах и большом магните—Земле». Здесь впервые уточняется понятие полюсов магнита, а также делается попытка понять строение магнита: если разделить магнит на части, то получится множество маленьких магнитов. Следовательно, магнит состоит из множества маленьких магнитиков. Только в 1785 г. французский военный инженер Кулон, используя изобретенные им крутильные весы, исследовал взаимодействие магнитных полюсов и доказал, что оно подчинено закону обратных квадратов расстояния. Однако природа магнита продолжала оставаться таинственной. Только аналогия притяжения и отталкивания магнитных полюсов и электрических зарядов наводила на мысль о родстве этих двух явлений. Лишь после обнаружения Эрстедом на опыте действия электрического тока на магнитную стрелку и уточнения Ампером законов этого действия мысль о взаимосвязи электричества и магнетизма была подтверждена. Ампер выдвинул теорию, по которой магнит состоит из маленьких, элементарных круговых токов, но круговой ток, как известно, обладает магнитными полюсами. Фарадей и Максвелл разработали учение о магнитном поле. Еще Фарадей установил, что все вещества можно разделить на две группы — парамагнитных и диамагнитных веществ и что нет материалов, безразличных к магнетизму. Правда, магнитные свойства большинства тел очень слабо выражены и для их обнаружения приходится воздействовать очень сильными магнитными полями на маленькие и легкие образцы исследуемых материалов. Подвешивая стержень из висмута между полюсами сильного электромагнита, можно увидеть, что стержень устанавливается перпендикулярно направлению линий индукции магнитного поля, тогда как стержень из алюминия располагается параллельно этим линиям. Висмут диамагнитен, алюминий парамагнитен (в переводе с греческого пара — значит вдоль, диа — поперек, через). 12
  • 13. Лишь в наши дни явления диа- и парамагнетизма получили свое объяснение в электронной теории. Начнем с диамагнетизма. Его происхождение связано с движением электронов вокруг ядра атома по орбите (назовем это движение орбитальным). Электрон, обращающийся вокруг ядра, можно уподобить волчку (см. Приложение, «Волшебный волчок»), и подобно тому, как поле тяготения вызывает прецессию волчка, противодействующую силе тяжести, так внешнее магнитное поле вызывает прецессию вращающегося вокруг ядра электрона, противодействующую магнитному полю. Так как в любом атоме любого вещества происходит орбитальное движение электронов, то диамагнетизм свойствен всем видам вещества. Но диамагнитные свойства очень слабы и во многих случаях они перекрываются парамагнитными свойствами. От чего же зависят парамагнитные свойства? Дело в том, что, кроме орбитального движения, электронам присуще еще и вращательное движение вокруг их собственной оси. Для наглядности принято сравнивать движение электрона вокруг собственной оси с движением Земли вокруг оси (при одновременном ее движении по орбите вокруг Солнца). Таким образом, электрон уподобляется волчку, и его движение получило название «спин» (от английского глагола to spin — запускать волчок). Надо при этом иметь в виду, что это всего лишь полезный, наглядный образ. Современная физика отказалась от представления об электроне, как о каком-то вращающемся шарике, однако спин все-таки существует, и мы будем пользоваться этим наглядным образом электрона-волчка, обладающего магнитными свойствами. В зависимости от направления вращения условно различают положительный спин и отрицательный. Два спина с противоположными знаками друг друга «нейтрализуют». Если каждому электрону с положительным спином соответствует в атоме электрон с отрицательным спином, то магнитные свойства, зависящие от спинов, нейтрализуются и остается, лишь магнетизм, зависящий от орбитального движения электронов. Вещества из таких атомов диамагнитны. Но во многих случаях числа положительных и отрицательных спинов не уравновешены, тогда атом обладает результирующим спином и соответствующим магнитным моментом. Рисунок (см. Приложение, рис. 2) иллюстрирует схему атома железа. Электроны на оболочках К, L, и N спарены (эти оболочки заселены парами электронов с противоположно ориентированными спинами), тогда как на оболочке М имеются непарные электроны, дающие нескомпонсированный спин — спин атома. То же, только в более слабой степени, можно сказать и о любом парамагнетике. Тепловое движение приводит спины атомов в беспорядочное расположение, и парамагнитные свойства вещества обычно не проявляются. Но если поместить такое вещество во внешнее магнитное поле, то спины атомов в результате прецессии ориентируются приблизительно вдоль линий индукции внешнего магнитного поля (как гироскоп вдоль меридиана) и вещество проявляет свойства парамагнетика. 13
  • 14. Особую группу составляет небольшой класс веществ — ферромагнетики, названные по их главному представителю — железу. По современной теории кристалл железа состоит из отдельных микроскопических областей (доменов), в каждой из которых спины атомов уже расположены (без участия внешнего поля) в направлении кристаллических осей (вспомните анизотропию кристаллов). В ненамагниченном железе домены ориентированы так, что суммарное магнитное поле их равно нулю. Поднося к куску железа магнит или помещая его в магнитное поле, мы вызываем определенную ориентацию доменов и появление магнитных свойств — железо становится магнитом. Неаккуратным обращением вы можете испортить этот магнит, если будете, например, ронять его или ударять по нему, так как при ударах наведенный порядок доменов нарушается. Наоборот, вы можете усилить магнитные свойства магнита, если замкнете его полюсы железной пластинкой, к середине которой подвесите маленькую коробочку, и будете постепенно, день за днем, добавлять в коробочку грузы (песок). Так вы сможете «воспитать» ваш магнит, и он будет поднимать значительные тяжести. Заключение. Метод аналогии рассматривает новые вопросы, сопоставляемые с изученными ранее. Рассмотренные аналогии позволяют более глубоко проникнуть в процесс обучения физики средней школы, что в свою очередь дает нам, учащимся, лучше понимать физические законы и процессы. Мною в этой работе рассмотрена лишь небольшая часть аналогий, которые можно использовать на уроках физики и на факультативных занятиях, элективных курсах, кружках. Я считаю, что важное значение аналогии имеют как для учащихся имеющих сложности в обучении, так и для учащихся, которые хотят более глубоко понять физические процессы, явления и понятия. Аналогии позволяют решать задачи повышенного уровня сложности, олимпиадного характера, в которых рассматриваются процессы не изучаемые в курсе средней школы. Рассмотренные мною аналогии широко используются в научных исследованиях. Список используемой литературы. 1. Я. А. Смородинский «Похожие движения» 2. Дроздов В. Г. Аналогии при изучении колебательных систем в 10 классе. //Физика в школе// №3, 1991 г. 3. Мукусиев Б. А. Использование аналогии при решении физических задач. //Физика в школе// №6, 1991 г. 14
  • 15. 4. http:// www. students.ru Приложение. рис. 1 Таблица 1. Поступательное движение Вращательное движение Перемещение S Скорость υ: υ = ∆ S ∆t Ускорение а: a = ∆υ ∆t Масса m Сила F: Угол φ Угловая скорость ω: ω = ∆φ ∆t Угловое ускорение ε: ε = ∆ω ∆t Момент инерции I Момент силы М: 15
  • 16. F = ma = m∆υ ∆t Импульс p: p = mυ Кинетическая энергия Тп: Тп = mυ² Тп = p² 2 , 2m М = I ε = I ∆ω ∆t Момент импульса L: L = I ω Кинетическая энергия Тв: Тв = Iω² Тв = L² 2 , 2I Таблица 2. Таблица 3. Время Колебательный контур Пружинный маятник 0=t На конденсаторе находится заряд q0; энергия электрического поля Wэ максимальна. Энергия магнитного поля Wм равна нулю C q Wэ 2 2 0 = ; 0=мW Смешение X0 тела от положения равновесия — наибольшее; его потенциальная энергия Wп максимальна, кинетическая Wк равна нулю 2 2 0kx Wп = ; 0=kW 16 Механические величины Электрические величины Координата х Заряд q Скорость vx=x' Сила тока i=q' Ускорение аx=vx Скорость изменения силы тока i' Масса m Индуктивность L Жесткость k Величина, обратная электроемкости 1/С Сила F Напряжение U Вязкость β Сопротивление R Потенциальная энергия деформированной пружины kx2 /2 Энергия электрического поля конденсатора q2 /(2C) Кинетическая энергия mv2 /2 Энергия магнитного поля катушки Li2 /2 Импульс mv Поток магнитной индукции Li
  • 17. 0 4 >> t T При замыкании цепи конденсатор начинает разряжаться через катушку: возникает ток и связанное с ним магнитное поле. Вследствие самоиндукции сила тока нарастает постепенно; энергия электрического поля преобразуется в энергию магнитного поля мэ WW → Тело приходит в движение, его скорость возрастает постепенно. Потенциальная энергия преобразуется в кинетическую кп WW → 4 T t = Конденсатор разрядился, сила тока I0 максимальна, энергия электрического поля равна нулю, энергия магнитного поля максимальна Wэ=0; 2 0LI Wм = При прохождении положения равновесия скорость v0, тела и его кинетическая энергия максимальны, потенциальная энергия равна нулю Wп=0; 2 2 0mv Wk = 42 T t T >> Вследствие самоиндукции сила тока уменьшается постепенно; на конденсаторе начинает накапливаться заряд и мэ WW ← Тело, достигнув положения равновесия, продолжает движение по инерции с постепенно уменьшающейся скоростью и kп WW ← 2 T t = Конденсатор перезарядился; сила тока в цепи равна нулю C q Wэ 2 2 0 = ; Wм=0 Пружина максимально растянута: скорость тела равна нулю 2 2 0kx Wп = ; Wk=0 24 3 T t T >> Разрядка конденсатора возобновляется; ток течет в противоположном направлении; сила тока постепенно возрастает мэ WW → Тело начинает движение в противоположном направлении с постепенно увеличивающейся скоростью kп WW → 4 3T t = Конденсатор полностью разрядился; сила тока I0 в цепи максимальна Wэ=0; 2 2 0LI Wм = Тело проходит положение равновесия, его скорость максимальна Wп=0; 2 2 0mv Wk = 4 3T tT >> Вследствие самоиндукции ток продолжает течь в том же направлении, конденсатор начинает заряжаться мэ WW ← По инерции тело движется к крайнему положению kп ЦW ← Tt = Конденсатор снова заряжен, ток в цепи отсутствует, состояние контура аналогично первоначальному C q Wэ 2 2 0 = ; Wм=0 Смещение тела максимально, его скорость равна нулю и состояние аналогично первоначальному 2 2 0kx Wп = ; Wk=0 17
  • 18. K M L N - электрон со спином + - электрон со спином - Рис.2 18