Лабораторные работы по физике Лекции и конспекты по физике Лекции по термодинамике Электростатика Механика, термодинамика Кинематика, гидродинамика

Лабораторные работы по физике

Лабораторная работа № 4-4

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Цель работы: изучить устройство, работу электронного осциллографа и генератора звуковой частоты и их применение к исследованию электрических колебаний звуковой частоты.

Оборудование: электронный осциллограф, звуковые генераторы известной и неизвестной частот, соединительные провода.

Введение

Электронный осциллограф – электроизмерительный прибор, предназначен для наблюдения и исследования электрических процессов. С помощью осциллографа можно исследовать форму кривых, описывающих процесс, сравнивать амплитуду и частоту различных сигналов и т.д. Применяя специальные преобразователи, с помощью осциллографа можно также исследовать быстрые неэлектрические процессы, например механические колебания.

В настоящей работе с помощью осциллографа исследуются процессы сложения колебаний одного направления и сложения взаимно перпендикулярных колебаний. В качестве источников колебаний применяют стандартный генератор звуковой частоты (ГЗ), с помощью которого можно получить колебания в широком диапазоне частот, и генератор Гх, частота которого постоянна.

Электронно-лучевая трубка – основной элемент электронного осциллографа (рис. 1). Основные части: 1 – оксидный катод; 2 – электрод, управляющий яркостью изображения, наложением больших или меньших отрицательных напряжений по отношению к катоду; 3 – фокусирующий катод (первый анод), выделяющий узкий электронный пучок; 4 –ускоряющий анод (второй анод), от потенциала которого зависит чувствительность трубки; 5 – две пары вертикально и горизонтально отклоняющих, пластин; 6 – ускоритель (третий анод) усиливает яркость изображения и представляет собой проводящий слой на боковой поверхности экрана; 7 – экран с флюоресцирующим слоем. Попадая на этот слой, электроны вызывают свечение в точке удара.

Генератор развертки. Для получения на экране трубки картины электрического процесса в координатах "напряжение – время" к одной паре пластин подводится линейно меняющееся со временем (пилообразное) напряжение (рис. 2). Электронный луч под действием пилообразного напряжения прочерчивает горизонтальную линию, пробегая за равные отрезки времени равные расстояния. В течение некоторого времени луч возвращается в исходное положение (обратный ход).

Наклон пилообразного напряжения и, следовательно, скорость движения луча можно изменять. При этом будет меняться временной масштаб развертки.

Определение частоты сигналов методом фигур Лиссажу. Если подключить к горизонтальному входу осциллографа источник переменного (синусоидального) тока, то светящаяся точка будет совершать гармоническое колебание вдоль оси Х: . При подключении к вертикальному входу осциллографа источника синусоидального колебания светящаяся точка совершает колебание вдоль оси Y: , где a и b – амплитуды соответствующих смещений,   и  – циклические частоты колебаний вдоль осей X и Y, a – разность фаз колебаний. Траектория движения точки – результат сложения двух взаимно перпендикулярных колебаний. Если частоты взаимно перпендикулярных колебаний неодинаковы, то траектории результирующего движения имеют вид довольно сложных кривых.

Если отношение частот  выражается рациональной дробью, то результирующее движение имеет форму кривой, называемой фигурой Лиссажу. Их вид зависит от соотношения амплитуд, частот и фазы a складываемых взаимно перпендикулярных колебаний. Фигуры Лиссажу вписываются в прямоугольник, центр которого совпадает с нулевым положением луча, а стороны параллельны осям X и Y. В качестве примера для нескольких значений  и разности фаз a фигуры Лиссажу приведены на рис. 3. Чем ближе к единице рациональная дробь, выражающая отношение частот колебаний, тем сложнее фигура Лиссажу.

Порядок выполнения работы

Специальным кабелем или соединительными проводами подключить осциллограф к генератору.

Включив осциллограф и звуковой генератор, получить устойчивую картину сигнала.

Изменяя частоту сигнала звукового генератора получить и зарисовать фигуры Лиссажу для соотношения частот 3:2; 2:1; 1:2; 2:3; 3:1.

Определить для каждого случая частоту колебаний неизвестного генератора, используя формулу , где и  – число точек касания фигуры соответственно с горизонтальной и вертикальной линиями.

Контрольные вопросы

Каково назначение осциллографа?

Из каких основных блоков состоит осциллограф? Каково их назначение?

Как устроена электронно-лучевая трубка? Каким образом формируется в ней электронный луч?

Что получается в результате сложения двух колебаний одинакового направления и при сложении двух взаимно перпендикулярных колебаний?

Как с помощью осциллографа определяется истинное значение амплитуды измеряемого сигнала?

Рекомендательный библиографический список

Бутковский О.Я, Бухарова О.Д., Кузнецов А.А. Лабораторный практикум по физике. Электростатика и постоянный ток / Владим. политехн. ин-т. – Владимир, 1993. – 44 с.

Лабораторный практикум. Колебания и волны: Учеб. пособие /Под ред. В.А. Шилова. – М: МИФИ, 1989. – 56 с.

Лабораторная работа 3.02. Изучение теплового излучения

Цель работы: изучение закона Стефана-Больцмана для реального тела.

Принадлежности: установка для изучение закона Стефана-Больцмана для реального тела, комнатный термометр.

 

Описание установки и методики измерений

 Электрическая схема установки представлена на рис.1.8. Источник переменного тока (ИПТ) 1 с помощью ключа 2 подключается к лампе накаливания 3 и эталонному сопротивлению Ro – 4. Изменяя сопротивление реостата R – 5, можно менять ток в цепи накала лампы, а, следовательно, и температуру лампы. При каждом положении движка реостата вольтметром измеряется падение напряжения на эталонном сопротивлении (Uo) и исследуемой лампе (Uл). Величина тока в цепи лампы определяется по закону Ома Io=Uo/Ro, сопротивление вольфрамовой нити RT = Uл/Iл , а мощность излучения лампы согласно закону Джоуля - Ленца Рл = Iл×Uл.

 Энергетическая светимость реальных тел определяется формулой:

* = sTn , (1.20)

где s – постоянная Стефана-Больцмана, T – абсолютная термодинамическая температура тела, А* < 1 – степень черноты, равная коэффициенту монохроматического поглощения, n – показатель степени, который у реальных тел зависит от многих факторов: химического состава, состояния поверхности и т. д. и отличаетсяот (1.23).

В данной работе в качестве излучающего тела используется вольфрамовая нить накала электрической лампы. Нить находится в вакууме, поэтому вся подводимая энергия излучается в окружающее пространство. Температуру нити можно определить из закона изменения электросопротивления:

RТ = RK [1+a(T - TK)], (1.21)

где RT – электросопротивление лампы в нагретом состоянии (при температуре Т), RK – электросопротивление лампы при комнатной температуре TK, a – температурный коэффициент электросопротивления. Из (1.21) температура нити равна:

T = TK + (RT - RK) / aRК . (1.22)

Энергетическая светимость нити по определению будет равна мощности (излучаемой энергии с единицы площади поверхности):

* = Pл/S, (1.23)

где Pл– мощность, подводимая к лампе, S – площадь боковой поверхности нити.

Из(1.20) и(1.23) получается соотношение Pл/S= А*sTn, прологарифмировав, которое получим уравнение, выражающее зависимость мощности лампы от температуры нити накала:

lnPл = ln(А*sS) + nlnT = lnPo + nlnT. (1.24)

График зависимости lnPл от lnT будет представлять прямую линию (рис.1.9),тангенс угла наклона к осиабсцисс которой определяет значение показателя степени n и равен:

n = tga = D(lnPл)/D(lnT).  (1.25)

 Если lnT = 0, то прямая пересекает ось ординат в точке lnPo, где Po=А*sS, откуда легко найти поглощательную способность или степень черноты вольфрамовой спирали:

А* = Po/sS. (1.26)

1.3.2. Порядок выполнения работы

1. Определить по термометру комнатную температуру Тк. При этой температуре измерить сопротивление нити накала.

ВНИМАНИЕ! Ввиду использованных в работе малых значений электросопротивлений нити при измерениях необходимо учитывать электросопротивление подводящих проводов!


Физика выполнение лабораторных работ. Лекции и конспекты