Схема составления письменного отчета по лабораторной работе
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ
Методические указания к лабораторному практикуму
по курсу общей физики
Астрахань
УДК 537
Составители:
Селиванов Н. В., д. т. н., профессор, заведующий кафедрой физики АГТУ
Кузьмин С. И., к. т. н., доцент кафедры физики АГТУ
Тюлив В. Е., ведущий инженер кафедры физики АГТУ
Головчун С. Н., к. т. н., доцент кафедры физики АГТУ
Под ред. д. т. н., профессора, заведующего кафедрой физики АГТУ Селиванова Н. В.
Рецензент:
к. т. н., доцент кафедры физики АГТУ Евдашкин В. И.
Электрические колебания: Методические указания к лабораторному практикуму по курсу общей физики / Сост.: Н. В. Селиванов, С. И. Кузьмин, В. Е. Тюлив, С. Н. Головчун. – Астрахань: Издательство АГТУ, 2012. – 40 с.
Методические указания к лабораторным работам предназначены для студентов дневной и заочной форм обучения всех специальностей инженерно-технического профиля высших учебных заведений. Содержат краткий теоретический материал, описание лабораторных работ, методические рекомендации для студентов по их выполнению, список литературы.
Рекомендовано к печати на заседании кафедры физики АГТУ: протокол № 3 от 30 января 2012 г.
Оглавление
Предисловие. 4
Схема составления письменного отчета по лабораторной работе. 5
Лабораторная работа № 1
Изучение электронного осциллографа. 6
Лабораторная работа № 2
Сложение колебаний. 28
Лабораторная работа № 3
Измерение частоты и фазы колебаний. 42
Лабораторная работа № 4
Свободные затухающие колебания. 48
Лабораторная работа № 5
Вынужденные колебания. 58
Лабораторная работа № 6
Анализ спектра колебаний. 69
Предисловие
Работа в физической лаборатории требует от студентов вдумчивого, упорного, сознательного, сосредоточенного отношения. К выполнению очередной лабораторной работы необходимо подготовиться заранее. Для этого необходимо самостоятельно изучить соответствующий теоретический материал и ознакомиться с описанием приборов. Работа в лаборатории может быть полезной лишь тогда, когда она составляет единое целое с другими компонентами деятельности студента в процессе учения.
Основные учебники для подготовки к занятиям можно найти в библиотеках АГТУ:
Сивухин Д. В. Курс общей физики в 5-ти томах.
Иродов И. Е. Курс общей физики в 5-ти томах.
Савельев И. В. Курс общей физики в 3-х томах.
Детлаф А.А., Яворский Б. М. Курс физики.
Трофимова Т. И. Курс физики.
При выполнении работ полезными окажутся: справочники физических величин, содержащие табличные данные, физическая энциклопедия, физический энциклопедический словарь.
В начале занятия необходимо получить допуск к работе. Эта процедура проходит так: студент показывает преподавателю таблицы, подготовленные им для экспериментальных данных, и рассказывает, как он их будет заполнять. Студент допускается к работе, если он подготовлен к осознанному ее выполнению. В случае допуска к работе студент должен убедиться, что ему поставлена отметка о допуске в журнал преподавателя.
Следующий этап – выполнение лабораторной работы, сбор экспериментальных данных. В каждой работе следует стремиться к ясному пониманию того, с какой точностью вы измерили ту или иную физическую величину. На лабораторном занятии не стоит сразу начинать делать, что называется, «точные» измерения. Сначала необходимо провести качественные, оценочные опыты. На этом этапе важно убедиться, что работа вообще идет нормально, т е. установка работает, а экспериментальные данные по порядку величин правильно описывают изучаемое явление. Для этого нужно подставить округленные значения измеренных величин в расчетную формулу и оценить порядок определяемой величины. Пусть, например, в работе измерялась скорость света и в результате оценочного опыта и вычислений получилось значение в диапазоне (1 – 5)∙108 м/с. Это неплохо, скорее всего порядок выполнения работы и ход измерений правильно понят. Лишь после этого можно аккуратно настроить установку и приступать к измерениям. Окончив работу с установкой, студент обязан показать преподавателю экспериментальные данные, чтобы преподаватель подтвердил их.
Заключительный этап – устный отчет по лабораторной работе, производится после оформления отчета в письменном виде и предъявления его преподавателю для проверки. Устный отчет представляет собой собеседование.
Следует очень ответственно подходить к оформлению письменного отчета.
Лабораторная работа № 1
Рисунок 1. Осциллограф
Электронный прожектор I рис 2 предназначен для создания, фокусировки и ускорения электронного пучка. Он состоит из катода косвенного накала 4, управляющего электрода 1, фокусирующего А1 и ускоряющего А2 электродов. Управляющий электрод 1 имеет отрицательный потенциал относительно катода, поэтому сжимает электронный пучок в узкий луч и влияет на силу тока луча, и, следовательно, на яркость свечения экрана. Фокусирующий электрод А1 (первый анод) имеет небольшой положительный потенциал относительно ускоряющего электрода А2 (второго анода). Между А1 и А2 возникает двояко-выпуклая электронная линза. Это дает возможность фокусировать электронный луч в области экрана. Все электроды прожектора имеют цилиндрические формы с перегородками, в центре которых сделаны отверстия для пролета электронного пучка. Под номером 3 изображен спиральный нагреватель катода.
Рисунок 2. Электронная лучевая трубка
Рисунок 3. Действие электронных линз на электронный поток прожектора
Рассмотрим фокусирующее действие электрического поля на поток электронов на примере действия на электроны электрического поля между А1 и А2. Распределение потенциала в пространстве характеризуется эквипотенциальными поверхностями на рис. 3, электрическое поле сосредоточено между А1 и А2. Предположим, что электрон влетел в зазор между цилиндрами слева направо под углом к оси цилиндров анодов. За время, в течение которого он пролетает зазор между цилиндрами, электрическое поле сообщает ему ускорение вдоль оси за счет тангенциальных составляющих сил Fτ. В то же время электрон отклоняется сначала к оси трубки – при входе в электронную линзу, а потом от оси – за счет действия Fn при выходе из поля электронной линзы. Следовательно, в электрических полях, эквипотенциальные поверхности которых обращены выпуклостями к катоду, электроны при своем движении будут отклоняться к горизонтальной оси трубки (действие таких полей похоже на действие выпуклой собирающей линзы). Если поверхности полей имеют противоположную выпуклость, то электроны будут расходиться от горизонтальной оси трубки (действие таких полей похоже на действие вогнутых рассеивающих линз). Меняя напряжение на А1, можно четко сфокусировать электронный пучок на экране.
На пути к экрану электронный луч проходит между двумя парами отклоняющих пластин. Напряжения, приложенные к пластинам, создают между ними электрические поля, которые отклоняют электронный луч. Это приводит к смещению светящегося пятна на экране. Горизонтально расположенные пластины отклоняют луч по вертикали (ось Y), вертикально расположенные пластины отклоняют луч горизонтально (ось Х).
Если установить связь между напряжением на пластинах и смещением по оси Y пятна на экране, можно прийти к выводу, что смещение пятна пропорционально напряжению на пластинах: 
, где U – напряжение между пластинами, Y – смещение светящегося пятна на экране, е – заряд электрона, l – длина пластин, L – расстояние между пластинами и экраном, d – расстояние между пластинами, v – начальная скорость электронов, m – масса электрона.
Для того, чтобы на экране осциллографа можно было увидеть, как в некотором физическом процессе величина y меняется в зависимости от изменения другой физической величины х т.е. y = f(х), необходимо на горизонтально отклоняющие пластины подать напряжение Uх, пропорциональное Х, а на вертикально отклоняющие пластины одновременно подать напряжение Uу. Тогда электронный луч начертит на экране линию, соответствующую зависимости y = f(х). Если теперь заставить луч неоднократно повторять тот же путь по экрану, то вследствие инерционности зрения наблюдатель увидит неподвижный график зависимости y = f(х).
Наиболее часто осциллографы используются для исследования зависимости мгновенных значений напряжения от времени. Для этой цели применяют созданное специальным генератором осциллографа линейно нарастающее напряжение – линейную развертку. Причем на вертикально отклоняющие пластины подают напряжение пропорциональное исследуемой физической величине y, а на горизонтально отклоняющие пластины – напряжение, изменяющееся пропорционально времени (развертку).
Для создания напряжения, которое изменяется пропорционально времени, в осциллографе имеется генератор горизонтальной развертки. Под действием вырабатываемого им напряжения луч смещается по экрану ЭЛТ слева направо, причем в любой момент времени это смещение будет пропорционально времени, отсчитываемому от начала движения луча. Одновременно поданное на вертикально отклоняющие пластины напряжение, пропорциональное исследуемой физической величине y (рис. 4), будет смещать луч по вертикали в соответствии с изменением y, однако, когда луч дойдет до крайнего правого положения ЭЛТ, его нужно мгновенно перевести в исходное положение, а физический процесс повторить сначала. Следовательно, напряжение генератора развертки, доведя луч до крайнего правого положения экрана, скачком должно измениться до первоначального значения, а потом снова начать расти по тому же закону. Такое напряжение принято называть пилообразным. Причем во время обратного хода луча его гасят (выключают), поэтому обратный ход луча невидим (рис. 4).
Чтобы картина на экране осциллографа получилась устойчивой, необходимо, чтобы частота пилообразного напряжения (развертки) совпала или была ниже в кратное число раз частоты исследуемого физического процесса.
При работе с осциллографом частоту развертки регулируют в широких пределах до получения на экране изображения одного или нескольких периодов исследуемого сигнала. Однако характерная для генераторов развертки нестабильность частоты вызывает неустойчивость изображения и оно перемещается по горизонтали влево или вправо.
Синхронизация частоты генератора развертки позволяет получить на экране устойчивое изображение. Для этого частоту развертки регулируют до получения изображения близкого к устойчивому и подводят (включают) к генератору развертки напряжение синхронизации, частота развертки становится равной или кратной этому напряжению. Начальные фазы развертки и исследуемого сигнала в этом случае совпадают. Обычно используют внутреннюю синхронизацию, при которой напряжением синхронизации служит напряжение исследуемого сигнала. Это напряжение берется с одного из каскадов усилителя вертикального отклонения (УВО) осциллографа (рис. 5). В качестве напряжения синхронизации можно использовать также напряжение сети питания 50 Гц или подаваемое на вход внешней синхронизации другое внешнее напряжение.
Рисунок 4. Осциллограммы синусоидального напряжения: а) при отсутствии развертывающего напряжения; б) при частоте развертывающего напряжения, равной частоте исследуемого сигнала; (в, г) при его частоте, в два и три раза меньшей.
При наблюдении импульсов большой скважности используется ждущая развертка, которая позволяет осциллографировать импульсы большой скважности и случайные периодические процессы.
Если в качестве развертки использовать синусоидальное напряжение, то светлое пятно под воздействием подведенного к горизонтально отклоняющим пластинам напряжения синусоидальной формы движется от центра экрана влево и вправо с изменяющейся скоростью, вызывая появление горизонтальной светлой линии развертки. Такую развертку применяют при осциллографировании вольтамперных характеристик электронных приборов (диоды, транзисторы, тиристоры).
|
|
При круговой развертке светлое пятно движется по окружности с равномерной скоростью. Такое перемещение по эллипсу или при равных отклонениях по кругу можно получить, подавая на обе пары пластин (на оба канала Y-Х) два синусоидальных, сдвинутых на 90○ напряжения, которые, например, можно получить от двух независимых генераторов стандартных сигналов или иных источников. Круговую развертку применяют при сравнении частот разных генераторов, а также при измерениях фазового сдвига.
В комплект лабораторной установки ЭЛК-6 входит двухканальный осциллограф модели МОS-620. Он имеет чувствительность по каналу Y – 1 мВ/дел, минимальную длительность развертки – 0,2 мкс/дел, полосу пропускания каналов усиления – 20 мГц. Осциллограф имеет ЭЛТ с излучающим катодом, 6 дюймовым прямоугольным экраном, имеющим большую яркость. Напряжение на ускоряющем электроде (А2) – 2 кВ, температурный режим работы – 0 ± 40○С. Осциллограф обладает высокой эксплуатационной надежностью.
Работа с осциллографом
Лицевая панель осциллографа условно разделена на четыре части (рис. 6):
Первая – ЭЛТ, под экраном которой размещены некоторые ручки управления.
Вторая – HORIZONTAL – содержит ручки управления генератором развертки.
Третья – VERTICAL – содержит ручки управления каналами вертикального отклонения.
Четвертая – TRIGGER – содержит ручки управления синхронизацией.
Рисунок 6. Лицевая панель осциллографа MOS-620
ЭЛТ
 | Кнопка POWER | Включение/выключение питания прибора. |
 | Индикатор | Светодиодный индикатор питания прибора. |
 | Регулятор INTEN | Регулировка яркости точки или линии. |
 | Регулятор FOСUS | Регулировка фокусировки изображения. |
Синхронизация, TRIGGER
 | Вход EХT TRIG IN | Входной разъем для подключения сигнала внешнего запуска. Для использования этого сигнала установите переключатель SOURCE (23) в положение EХТ. |
 | Переключатель SOURCE | Для выбора одного из внутренних источников синхронизации или внешнего сигнала поданного на разъем EХT TRIG IN: СН1: при переключателе VERT MODE(14) в положении DUAL или ADD, канал СН1 становится внутренним источником синхронизации. СН2: при переключателе VERT MODE (14)в положении DUAL или ADD, канал СН2 становится внутренним источником синхронизации. LINE: для выбора сети питания в качестве внутреннего источника сигнала синхронизации. EХT: для выбора в качестве источника синхронизации внешнего сигнала подаваемого на входной разъем ЕXT TRIG IN (24). |
 | Кнопка TRIG ALT | если переключатель VERT MODE (14)находится в положении DUAL или ADD, и если при этом нажата кнопка TRIG ALT (27), то при положении переключателя SOURCE (23)СН1 или СН2 один из этих каналов становится внутренним источником сигнала синхронизации. |
 | Регулятор LEVEL | Предназначен для получения стабильного изображения формы сигнала. Устанавливает точку начала запуска развертки относительно осциллограммы сигнала. В направлении +: уровень запуска перемещается вверх по осциллограмме. В направлении «-»: уровень запуска перемещается вниз по осциллограмме. |
 | Регулятор LEVEL | Положение LOCK регулятора LEVEL(40) – при повороте ручки (28) в крайнее положение по часовой стрелке до щелчка, прибор автоматически оптимально будет поддерживать уровень синхронизации не зависимо от амплитуды сигнала, не требуя ручной регулировки синхронизации. |
 | Переключатель TRIGGER MODE | Осуществляет выбор требуемого режима синхронизации: AUTO: автоматический запуск развертки при отсутствии сигнала синхронизации или при частоте сигнала синхронизации ниже 25 Гц. NORM: при отсутствии сигнала синхронизации запуск развертки не происходит. Используется обычно для наблюдения сигнала с частотой ниже 25 Гц. TV-V: этот режим используется для наблюдения кадрового телевизионного сигнала. TV-H: этот режим используется для наблюдения строчного телевизионного сигнала. |
Прочее
 | Вывод CAL | Выход сигнала калибратора напряжения: меандр положительной полярности с калиброванным значением амплитуды 2В и частотой 1 кГц. |
 | Вывод GND | Для заземления шасси осциллографа. |
Описание задней панели (рис. 7) - Питание
 | Разъем АС | Входной разъем для подключения питания 220 В 50 Гц. |
 | Плавкий предохранитель | для переменного напряжения 220 В 50 Гц необходим плавкий предохранитель ТО. 315А / 250 В. Во избежание электрического шока перед извлечением предохранителя из держателя отключите сетевой шнур от розетки сети питания. |
 | Ножки | Позволяют использовать прибор в вертикальном положении. Также используются для укладки шнура питания. |
 | LINE VOLTAGE | Для выбора напряжения сети питания. |
Рисунок 7. Задняя панель осциллографа
Генератор звуковой частоты
При проведение процедур по изучению осциллографа, применяется генератор стандартных сигналов. Он имеет свой корпус. Генератор ГЗЧМ – генератор звуковой частоты с метрономом, предназначен для выполнения демонстрационного эксперимента. Генератор объединяет в своем составе три прибора: генератор звуковой частоты, метроном, генератор негармонических сигналов. Питание ГЗЧМ осуществляется от сети переменного тока напряжением 220В, частотой 50 Гц.
Структурная схема генератора показана на рис. 8. Здесь:
1 – стабилизатор питания,
2 – формирователь сигналов,
3 – блок времязадающих цепей (задающий генератор),
4 – усилитель мощности,
5 – измеритель частоты,
6 – измеритель времени,
7 – метроном, вырабатывает сигналы звуковой частоты,
8 – цифровое табло – индикатор, отображающий величины выходных сигналов.
ГЗЧМ обеспечивает формирование выходного переменного напряжения с частотой от 0,1 Гц до 100 кГц. В интервалах 0.1 – 1 – 10 – 100 – 1000 – 100000 Гц. Между указанными интервалами частота регулируется плавно другой ручкой управления.
ГЗЧМ обеспечивает формирование выходного переменного напряжения четырех видов:
– синусоидальной формы,
– треугольной (пилообразной) формы,
– прямоугольной формы (меандр),
– прямоугольной формы положительной полярности.
Рисунок 8. Структурная схема ГЗЧМ
Генератор обеспечивает плавную регулировку амплитуды выходного переменного напряжения в пределах 0В – 10В ± 0,25В.
В режиме «ЧАСТОТА» на индикаторах отображается значение частоты, заданной ручками управления генератора.
В режиме «ПЕРИОД» на индикаторах обозначается значение периода выходного сигнала генератора в секундах.
В режиме «МЕТРОНОМ» на индикаторах отображается число звуковых сигналов в минуту, выдаваемых генератором на динамик. Генератор в этом режиме обеспечивает формирование звуковых сигналов в диапазоне от 26 до 290 сигналов в минуту.
В качестве источника звука генератора используется динамик, к которому в положении 10, 100, 1К переключателя диапазонов частоты с помощью кнопки «ДИНАМИК» подключается выходной сигнал генератора. В режим «МЕТРОНОМ» генератор переходит по нажатию кнопки «МЕТРОНОМ» на лицевой панели прибора.
Порядок выполнения работы
I. Одноканальный режим работы (базовый режим)
1. Произведите внешний осмотр осциллографа.
2. Перед включением шнура питания в сеть удостоверьтесь, что переключатель напряжения питания на тыльной стороне прибора установлен в положение требуемого напряжения сети. После проверки напряжения питания, установите переключатели и регуляторы осциллографа, как указано ниже в таблице 1.
3. После установки переключателей и регуляторов, как указано в таблице, включите шнур питания в сеть.
4. Включите кнопку POWER, при этом должен зажечься светодиодный индикатор POWER. Примерно через 20 секунд на экране ЭЛТ должна появиться линия развертки. Если линия не появилась в течение 60 секунд, проверьте установку переключателей и регуляторов, согласно таблице 1.
5. Установите оптимальную яркость и фокусировку луча при помощи регуляторов INTEN, FOCUS соответственно.
6. Линию развертки совместите с центральной горизонтальной линией сетки экрана при помощи регуляторов СН1 POSITION и TRAСE ROTATION.
7. Подключите пробник к входу СН1 (штатный кабель) и коснитесь кончиком пробника выхода калибратора CAL 2Vp-p (левый нижний угол лицевой панели 1).
8. Установите переключатель AC-GND-DC в положение АС. На экране ЭЛТ должно появиться изображение сигнала, как показано на рис. 9.
9. Регулятором FOCUS добейтесь четкого изображения.
10. Для рассмотрения сигнала установите переключатели VOLTS/DIV и TIME/DIV в соответствующее положение так, чтобы форма сигнала (1-2 периода) была хорошо видна.
11. Регуляторами POSITION (11), (32) можно перемещать изображение сигнала относительно сетки для удобства измерения напряжения или периода.
12. Чтобы измерить амплитуду синусоидального сигнала, необходимо определить полный размах сигнала на экране по вертикали, т.е. определить число клеток по вертикали, разделить полученную величину на два и умножить на цену деления ручки VOLTS/DIV, получим необходимое напряжение. Аналогично измеряется амплитуда меандра. Амплитуды однополярных импульсов измеряются по всему размаху, без деления на два.
Таблица 1
| № п/п | Обозначение переключателя, кнопки | № позиции | Положение |
| POWER | Положение выключено (OFF) | ||
| INTEN | Среднее положение | ||
| FOCUS | Среднее положение | ||
| VERT MODE | СН1 | ||
| ALT/CHOP | Отжата ALT | ||
| CH2 INV | Отжата | ||
| POSITION | 11, 19 | Среднее положение | |
| VOLTS/DIV | 7, 22 | 0.5 V/DIL | |
| VARIABLE | 9, 21 | CAL (по часовой стрелке) | |
| AC-GND-DC | 10, 18 | GND | |
| SOURCE | CH1 | ||
| SLOPE | + | ||
| TRIG. ALT | Отжата | ||
| TRIGGER MODE | AUTO | ||
| TIME/DIV | 0.5 mSec/DIV | ||
| SWP/VER | CAL | ||
| POSITION | Среднее положение | ||
| 10. MAG | Отжата | ||
| LEVEL | LOCK |
13. Длительность импульсов и период колебаний измеряется следующим образом. Необходимо посчитать число клеток, уместившихся в периоде колебаний или входящих в форму импульса по горизонтали, далее умножить это число на цену деления ручки TIME/DIV, получим необходимое время. Измерьте амплитуду сигнала, запишите ее значение. Измерьте длительность периода сигнала, запишите его значение, определите частоту сигнала по формуле: 
, Гц.
II. Двухканальный режим
14. Измените положение переключателя VERT MODE на DUAL, при этом на экране должна появится еще одна линия канала СН2. В результате этого Вы увидите на экране: канал СН1 - меандр сигнала калибратора, канал СН2 - прямая линия, так как никакой сигнал на вход этого канала не подан.
Рисунок 9. Вид осциллограммы по п. 8
15. Теперь, подайте на вход СН2 сигнал от калибратора CAL 2Vp-p так же, как это было ранее сделано для канала СН1 вторым штатным кабелем-пробником.
16. Установите переключатель AC-GND-DC для канала СН2 в положение AC. При наличии сигнала на обоих входах на экране появится два изображения сигнала. Регуляторами POSITION (11), (32), (19) переместите осциллограммы на экране, как показано на рис. 10. Замерьте амплитуды этих сигналов и зарисуйте их.
III. Режим суммирования сигналов
17. Изображение алгебраической суммы сигналов каналов СН1, СН2 может быть получено на экране при установке переключателя VERT MODE в положение ADD.
18. Изображение разности сигналов СН1 и СН2 будет получено, если дополнительно нажать кнопку СН2 INV. Пронаблюдайте осциллограмму суммы и разности сигналов, измерьте их и зарисуйте.
Рисунок 10. Осциллограммы по п. 16
19. Отключите калиброванный сигнал, идущий от выхода CAL 2Vp-p ко входам СН1, СН2, на экране образуются две горизонтальные линии. Переведите переключатель AC-GND-DС канала СН1 в положение GND, в работе останется один канал СН2 (Y).
IV. Использование осциллографа в качестве измерительного прибора
20. Подготовьте к работе генератор ГЗЧМ. Включите его в сеть питания 220В. Включатель «СЕТЬ» находится на задней панели генератора. Переведите ГЗЧМ в режим «ЧАСТОТА». Ручками управление частотой и напряжением установите частоту выходного сигнала 1 кГц, напряжение 1В. Установите синусоидальную форму сигнала. Соедините выход ГЗЧМ со входом СН2 осциллографа штатным шнуром осциллографа.
21. Установите на экране осциллографа устойчивую осциллограмму одного, двух периодов сигнала.
22. Произведите измерение амплитуды и периода синусоидального сигнала для пяти положений выходного напряжения и частоты ГЗЧМ. Частоту изменять через 1 кГц, амплитуду через 2В. Данные запишите в таблицу 2.
Таблица 2 Измерение периода и частоты
| Физические величины | Значения физических параметров | ||||
| Номера опытов | |||||
| Напряжение (установить по ГЗЧМ), В | |||||
| Напряжение (изм. по осциллографу), В | |||||
| Период (по ГЗЧМ), с. | |||||
| Период (изм. по осциллографу), с. | |||||
| Частота (по ГЗЧМ), кГц | |||||
| Расчетная частота, кГц |
23. Произведите вычисление частоты, помня, что частота есть величина, обратная периоду.
24. Чтобы сравнить точность Ваших расчетов, установите ГЗЧМ в режим отображения значения периода на табло ГЗЧМ кнопкой «ЧАСТОТА».
V. Работа с импульсами прямоугольной формы
25. Установите частоту выходного сигнала ГЗЧМ 1 кГц, напряжение выходного сигнала 2В. Форму сигнала – прямоугольную однополярную.
26. Повторите предыдущие измерения для сигнала прямоугольной формы. Заполните таблицу, аналогичную таблице 2.
27. Произведите расчет частоты, сделайте выводы.
28. Отключите выходные провода ГЗЧМ от осциллографа. Установите выходное напряжение ГЗЧМ 1 В, частотой 1 кГц. Форму выходного сигнала – однополярную прямоугольную.
29. Для следующих измерений соберите цепь интегрирующей RC-цепочки по нижеприведенной схеме на установке ЛКЭ-6.
30. С помощью проводов, входящих в комплект лабораторной установки, соберите схему, согласно рис. 11.
31. Подключите контакт 18 ЛКЭ-6 лабораторной установки с информационным проводом выходной клеммы (красный) ГЗЧМ. Клемму «1» ГЗЧМ соедините с контактом 2 установки. Номера контактов указаны на схеме рис. 12.
Рисунок 11. Схема для исследования параметров импульса
и для получения круговой развертки осциллографа
Рисунок 12. Нумерация контактов и расположение элементов
Наборного поля ЛКЭ-6
32. Вход СН2 осциллографа подключите к клеммам установки 19, 12. На экране осциллографа получите один – два импульса устойчивого изображения.
33. Произведите измерение параметров импульса: амплитуды, длительности фронта и спада, длительности импульса на уровне 0,5 амплитуды. Запишите и зарисуйте данные по этим измерениям.
34. Для наблюдения круговой развертки (фигур Лиссажу) генератор ГЗЧМ переведите в режим генерирования синусоидальных колебаний амплитудой 1 В, частотой 1 кГц. Переключатель осциллографа AC-GND-DС канала СН1 переведите в положение АС. Вход канала СН1 соедините с контактами 18, 19. Вход СН2 оставьте включенным на контакты 19, 12 т.е. на конденсаторе С1. Переключатель TIME/DIV переведите в положение Х-Y. В этой ситуации на вертикальные и горизонтальные отклоняющие пластины будут поданы синусоидальные сигналы, сдвинутые по фазе друг относительно друга на 90 градусов. При равенстве амплитуд на каналах на экране образуется круговая развертка.
35. Манипулируя ручками управления VOLTS/DIV обоих каналов на экране можно поучить эллипс, развернутый по осям Х или Y. Такая же осциллограмма образуется если на входы СН1 и СН2 подавать синусоидальные сигналы от разных генераторов. При совпадении частот генераторов на экране образуется круговая развертка. Если значение частот отличается в два раза и более, осциллограммы будут представлять собой коронки из двух и более зубцов. Эти фигуры называют фигурами Лиссажу. Такой метод используется для определения частоты неизвестного генератора по частоте известного генератора.
36. Зарисуйте осциллограмму круговой развертки.
37. Выключите все оборудование, измерительные приборы, сложите провода, доложите преподавателю об окончании работы.
38. Займитесь подготовкой отчета.
Контрольные вопросы.
1. Какие возможности имеет осциллограф в области электрических измерений?
2. Объясните, почему светится экран осциллографа?
3. Какой фактор влияет на перемещение светящегося пятна по экрану?
4. Как образуется осциллограмма на экране ЭЛТ?
5. Что называется разверткой в осциллографе?
6. В каком соотношении должны находиться частоты исследуемого сигнала и развертки, чтобы на экране осциллограмма состояла из двух периодов?
7. Как изменяется осциллограмма при отсутствии синхронизации?
8. В чем отличие внутренней и внешней синхронизации?
9. Каким образом возможно изменить размер осциллограммы по вертикали?
10. На что влияет ручка управления «POSITION»?
11. Чем управляет ручка «TIME/DIV»?
12. С чем связана ручка «MODE» в зоне управления «VERTIKAL»?
13. Как изменяется режим работы осциллографа если ручку AC-GND-DC перевести в положение GND?
14. В каком положении должны находиться ручки «LEVEL» и «SWP. VAR» в процессе работы осциллографа?
15. Объясните технологию измерения амплитуды гармонических и негармонических сигналов.
16. Возможно ли с помощью осциллографа измерить частоту неизвестного генератора?
17. Как измерить длительность импульса исследуемого сигнала?
18. Как измерить постоянное напряжение с помощью осциллографа?
Литература
1. Инструкция по использованию осциллографа серии MOS-X-620 20 мГц.
2. Зисман Г. А., Тодес О. М. Курс общей физики. М, 1974.
3. Детлаф Ф. Ф. Яворский Б. М. Курс физики. М, 1989.
4. Практикум по физике «Электричество и магнетизм» под редакцией Ф. А. Николаева. М.: Высшая школа, 1991г.
5. Паспорт и техническое описание лабораторного комплекса ЛКЭ-6 «Электромагнитное поле в веществе». М.: Научно-технический центр ВЛАДИС, 2007.
6. Телешевский Б. Е. Измерения в электро- и радиотехнике. М.: Высшая школа, 1984г.
Лабораторная работа № 2
Сложение колебаний
Цель работы: научиться складывать и вычитать электрические колебания одного направления, складывать взаимно перпендикулярные колебания и определять соотношение частот сигналов с помощью фигур Лиссажу; изучить условия возникновения биений.
Оборудование: генератор электрических колебаний звуковой частоты ГЗЧМ, осциллограф MOS-620, модуль МО3 лабораторного комплекса ЛКЭ-6
Введение
Сложение колебаний одного направления
Сложение двух колебаний одинаковой частоты
Положим, тело участвует одновременно в двух гармонических колебательных движениях, происходящих в одном направлении с одинаковой частотой, но с различными начальными фазами и амплитудами. Участвуя в двух гармонических колебаниях, происходящих в одном направлении с одинаковой частотой, тело совершает гармоническое колебание в том же направлении и с той же частотой, что и составляющие колебания.
При этом величина амплитуды результирующего колебания зависит от сдвига фаз составляющих колебаний. Если сдвиг фаз между составляющими колебаниями равен нулю или кратен 2π, то амплитуда результирующего колебания равна сумме амплитуд составляющих колебаний.
Если амплитуды составляющих колебаний равны, то амплитуда результирующего колебания в результате сложения колебаний удваивается. Так как энергия колебаний пропорциональна квадрату амплитуды, то в этом случае происходит увеличение энергии в четыре раза.
Если сдвиг фаз равен нечетному числу π, то амплитуда результирующего колебания равна модулю разности амплитуд составляющих колебаний. Колебания ослабляют друг друга.
Если амплитуды составляющих колебаний равны, то амплитуда результирующего колебания равна нулю. В этом случае тело остается в покое, колебания гасят друг друга.
При сдвиге фаз, равном нечетному числу π/2 энергия результирующего колебания равна сумме энергий составляющих колебаний.
На рис. 1 изображены графики составляющих и результирующего (утолщенная линия) колебаний для случаев сложения двух колебаний одного направления и одинаковой частоты с различными сдвигами фаз Δφ. Графики результирующих колебаний получены путем алгебраического суммирования смещения в составляющих колебаниях, соответствующих одному моменту времени.
Если составляющие гармонические колебания имеют одинаковые направления, но различные периоды, то результирующее колебание негармоническое. При сложении негармонических колебаний с разними периодами результирующее движение может быть в общем случае непериодическим.
Рисунок 1. Сложение когерентных колебаний
Для создания более сложных колебаний можно использовать приемы сложения и умножения колебаний. На<