Lý thuyết Vật lí Lớp 12 - Chương 3: Dao động và sóng điện từ

Nội dung text: Lý thuyết Vật lí Lớp 12 - Chương 3: Dao động và sóng điện từ

1. LÝ THUYẾT CHƯƠNG 3: DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ I. DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ TRONG MẠCH LC 1. Sự biến thiên điện tích và dòng điện trong mạch dao động - Mạch dao động là một mạch điện khép kín gồm một tụ điện có điện dung C và một cuộn dây có độ tự cảm L, có điện trở thuần không đáng kể nối với nhau. - Điện tích trên tụ điện C trong mạch dao động biến thiên điều hòa theo phuơng trình q q0 cos t - Cường độ dòng điện trên cuộn dây L: i q ' q0 sin t I0 cos t 2 1 Trong đó  và I q LC 0 0 - Biến thiên của điện trường và từ trường ở trong mạch trên được gọi là dao động điện từ. Nếu không có tác động bên ngoài thì dao động điện từ này được gọi là dao động điện từ tự do. - Chu kì và tần số riêng của mạch dao động: 1 T 2 LC;f 2 LC Nhận xét Dòng điện biến thiên điều hòa cùng tần số và sớm pha so với điện tích trong mạch. Điều này tương tự như 2 vận tốc v biến thiên sớm pha so với li độ x trong dao động điều hòa. 2 2. Năng lượng điện từ trong mạch dao động - Giả sử phương trình của điện tích là q q0cos t - Năng lượng điện trường tập trung trong tụ điện 1 q2 1 q2 W . . 0 cos2 t C 2 C 2 C - Năng lượng từ trường tập trung trong cuộn cảm 1 1 1 q2 W .Li2 .L2q2 sin2 t . 0 sin2 t L 2 2 0 2 C - Năng lượng điện từ toàn phân trong mạch LC là
2. k 2 1 x '' 2x 0, với  q ''  q 0, với  m LC x A cos t q q0 cos t v x ' Asin t i q ' q0 sin t 1 1 1 1 q2 1 1 q2 W kx2 mv2 kA2 W Li2 0 2 2 2 2 C 2 2 C Bảng 3.2: Sự tương tự giữa dao động cơ và dao động điện. II. ĐIỆN TỪ TRƯỜNG - SÚNG DIỆN TỪ 1. Điện từ trường 1.1. Giả thuyết của Mắc-xoen - Giả thuyết về từ trường biến thiên Nếu tại một nơi có từ trường biến thiên theo thời gian thì tại nơi đó xuất hiện một điện trường xoáy. Điện trường xoáy là điện trường có các đường sức điện là những đường cong khép kín, bao quanh các đường cảm ứng từ. - Giả thuyết về điện trường biến thiên Nếu tại một nơi có điện trường biến thiên theo thời gian thì tại nơi đó xuất hiện một từ trường biến thiên. Từ trường này cũng có các đường sức từ là những đường cong khép kín như từ trường tĩnh, bao quanh các đường sức của điện trường. Như vậy, điện trường biến thiên và từ hường biến thiên cùng tồn tại trong không gian. Chúng chuyên hóa lẫn nhau trong một trường thống nhất gọi là điện từ trường. Dưới đây là bảng phân biệt giữa điện trường tĩnh và điện trường xoáy để chúng ta hiểu rõ hơn về điện trường tĩnh, điện trường xoáy: Điện trường tĩnh Điện trường xoáy Được sinh ra xung quanh một điện tích đứng Được sinh ra xung quanh một điện tích dao yên động hoặc xung quanh một từ trường biến thiên Có đường sức là đường cong hở, đi ra ở điện Có đường sức là đường cong khép kín, không tích dương và đi vào điện tích âm phân biệt điểm đầu và điểm cuối Chỉ biến thiên trong không gian, không biến Biến thiên cả trong không gian và thời gian thiên theo thời gian Bảng 3.3: Phân biệt giữa điện trường tĩnh và điện trường xoáy Chú ý Không thể có từ trường hoặc điện trường tồn tại riêng rẽ
3. - Sóng điện từ mang theo năng lượng khi lan truyền, tỉ lệ với lũy thừa bậc 4 của tần số. Sóng điện từ có tần số càng cao thì khả năng lan truyền càng xa. - Sóng điện từ tuân theo các quy luật truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ, giao thoa, nhiễu xạ, 2.4. Một số chú ý quan trọng - Khi sóng điện từ truyền đi, điện trường và từ trường biến thiên cùng pha và có phương vuông góc với nhau (chứ không phải vuông pha). - Điện trường trong lòng tụ điện biến thiên cùng tần số và cùng pha với hiệu điện thế giữa hai đầu u tụ điện: E d Trong đó d là khoảng cách giữa hai tụ. - Từ trường trong lòng cuộn cảm biến thiên cùng tần số và cùng pha với dòng điện qua cuộn cảm: B 4 10 7 Li Trong đó L là độ tự cảm của cuộn dây. 3. Sóng vô tuyến 3.1. Định nghĩa Sóng vô tuyến là các sóng điện từ dùng trong vô tuyến, có bước sóng từ vài mét đến vài kilômét. 3.2. Phân loại Theo tần số và bước sóng, sóng vô tuyến được phân chia thành 4 loại: sóng cực ngắn, sóng ngắn, sóng trung và sóng dài. Loại sóng Tần số (MHz) Bước sóng (m) Sóng dài 0,003 đến 0,3 103 đến 105 Sóng trung 0,3 đến 3,0 102 đến 103 Sóng ngắn 3,0 đến 30 10 đến 102 Sóng cực ngắn 30 đến 30000 10 2 đến 10 Bảng 3.4: Bảng phân loại sóng vô tuyến 3.3. Đặc tính Tâng điện li là lớp khí quyển bị ion hóa mạnh bởi ánh sáng Mặt Trời và nằm trong khoảng độ cao từ 80 km đếm 800 km, có ảnh hưởng rất lớn đến sự truyền sóng vô tuyến điện. Sóng dài có năng lượng thấp, bị nước hấp thụ ít nên được dùng để truyền thông tin dưới nước. Sóng dài ít dùng để truyền thông tin trên mặt đất vì năng lượng nhỏ không thể truyền được đi xa. Sóng trung ban ngày bị tầng điện li hấp thụ mạnh nên không truyền được đi xa. Ban đêm sóng ít bị hấp thụ, tầng điện li phản xạ nên truyền được đi xa. Do đó, vào ban đêm, ta nghe đài sẽ rõ hơn nghe ban ngày.
4. Để truyền được các thông tin như âm thanh, hình ảnh, đến những nơi xa, người ta đều áp dụng một quy trình chung là: + Biến âm thanh, hình ảnh, muốn truyền đi thành các dao động điện, gọi là các tín hiệu âm tần. + Dùng sóng điện từ có tần số cao (cao tần), gọi là sóng mang để truyền các tín hiệu âm tần đi xa qua anten phát. + Dùng máy thu với anten thu để chọn và thu lấy sóng điện từ cao tần. + Tách tín hiệu ra khỏi sóng cao tần, dùng loa để nghe âm thanh đã truyền tới (hoặc dùng màn hình để xem hình). Sơ đồ khối của một hệ thống phát thanh và thu thanh dùng sóng điện từ * Hệ thống phát thanh gồm: - Dao động cao tần: Tạo ra sóng mang. - Micro: Biến âm thanh ta nói thành dao động điện âm tần. - Mạch biến điệu: trộn dao động âm tần và dao động cao tần, thành sóng cao tần biến điệu. - Khuếch đại cao tần: khuếch đại dao động cao tần biến điệu để đưa ra anten phát. - Anten phát: phát xạ sóng cao tần đã biến điệu đi xa. * Hệ thống thu thanh gồm: - Anten thu: thu sóng cao tần biến điệu. - Chọn sóng: chọn lọc sóng muốn thu nhờ mạch LC có điện dung biến thiên, thay đổi C để xảy ra hiện tuợng cộng hưởng, khi đó sẽ thu được sóng muốn thu. - Tách sóng: lấy ra dao động âm tần từ dao động cao tần biến điệu đã thu được. - Khuếch đại âm tần: làm cho dao động âm tần đã tách được mạnh lên, rồi đưa ra loa.