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3.1 周期与频率

交变电流的产生、描述及变压器 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 周期是完成一次全振动的时间,频率是单位时间内完成全振动的次数,二者互为倒数。

从哪来 本知识点建立在 6.1 自感现象 和 6.2 互感现象 之上。LC振荡电路中的能量在电场能与磁场能之间周期性转化,这种由自感和互感(耦合)驱动的电磁振荡,其快慢即由周期和频率描述。

为什么 LC振荡电路是一个二阶线性微分方程系统。根据牛顿第二定律类比,电感 $L$ 相当于质量(惯性),电容 $C$ 相当于弹簧系数(弹性)。 当电容放电时,电流增大,磁场能增加;当电流最大时,磁场能最大,随后反向充电电容,电场能增加。 这种能量在电场和磁场间的往复转化具有惯性,不会瞬间停止,而是形成简谐运动。 根据简谐运动理论,系统的固有频率仅由系统本身的参数决定,与初始能量无关。推导可得 $\omega = \frac{1}{\sqrt{LC}}$,因此周期 $T = 2\pi\sqrt{LC}$,频率 $f = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$。

讲法
类比法:机械振动模型 适合形象思维强、对电磁场抽象概念感到困难的学生。 将LC电路比作弹簧振子: - 电容器 $C$ 像弹簧,储存势能(电场能); - 电感线圈 $L$ 像小球,具有惯性(磁场能); - 电荷 $q$ 像位移 $x$; - 电流 $i$ 像速度 $v$。 告诉学生:就像弹簧振子的周期只取决于弹簧劲度系数和小球质量,LC电路的周期只取决于电容和电感,与电压大小无关。
讲法
能量守恒推导法 适合逻辑推理能力强、喜欢数学推导的学生。 从能量守恒出发: 总能量 $E = \frac{q^2}{2C} + \frac{1}{2}Li^2$ 是常数。 对时间求导:$\frac{q}{C}\frac{dq}{dt} + Li\frac{di}{dt} = 0$。 代入 $i = \frac{dq}{dt}$,得 $L\frac{d^2q}{dt^2} + \frac{1}{C}q = 0$。 对比简谐运动方程 $x'' + \omega^2 x = 0$,直接得出 $\omega^2 = \frac{1}{LC}$。 强调:这是系统固有的属性,由微分方程的特征根决定。
讲法
实验观察法 适合动手能力强、通过现象理解本质的学生。 使用示波器观察LC振荡电路的电压波形。 1. 改变电容 $C$(并联不同电容),观察波形变宽(周期变大)。 2. 改变电感 $L$(串联不同线圈),观察波形变宽(周期变大)。 3. 改变初始充电电压,发现波形宽度不变,只是振幅改变。 结论:周期由 $L$ 和 $C$ 决定,与能量无关。
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练一道
基础题
一个LC振荡电路,电感 $L = 0.1 \text{ H}$,电容 $C = 10 \mu\text{F}$。求该电路的振荡周期 $T$ 和频率 $f$。(取 $\pi \approx 3.14$)
变式
在上述电路中,若将电容 $C$ 增大为原来的 4 倍,电感 $L$ 减小为原来的 1/4,新的振荡频率 $f'$ 是原频率 $f$ 的多少倍?
试试手自己判
检测题
一个LC振荡电路,其振荡频率为 $f$。若保持电感 $L$ 不变,将电容 $C$ 变为原来的 9 倍,则新的振荡频率 $f'$ 为( ) A. $9f$ B. $3f$ C. $f/3$ D. $f/9$
看答案和判分标准
答案:C
判对标准:
- 学生能正确写出频率公式 $f \propto \frac{1}{\sqrt{C}}$。
- 能推导出 $C$ 变为 9 倍,$\sqrt{C}$ 变为 3 倍,故 $f$ 变为 $1/3$。
- 选择 C 即为掌握。若选 A 或 D,说明对平方根关系理解错误;若选 B,说明计算错误。
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