Ход работы. Исследование графиков электромагнитных колебаний с помощью компьютера с осциллографом-приставкой.

Исследование графиков электромагнитных колебаний с помощью компьютера с осциллографом-приставкой.

Цель работы:научиться по графикам свободных и вынужденных электромагнитных колебаний определять их основные характеристики.

Оборудование:

1. Ноутбук
2. Компьютерный измерительный блок
3. Осцилограф-приставка
4. Электрическая цепь для получения свободных электромагнитных колебаний
5. Прибор для наблюдения сдвига фаз между колебаниями силы тока и напряжения
6. Генератор низкой частоты ГНЧШ-1
7. Мультиметр

Ход работы

I Исследование свободных электромагнитных колебаний.

Схема электрической цепи для получения графика свободных электромагнитных колебаний изображена на рисунке 1, а сама установкa на фото 1.

Рис. 1 Фото 1

При установке переключателя в положение 1 конденсатор заряжается до напряжения, равного ЭДС источника, а при переводе переключателя в положение 2 в колебательном контуре возникают свободные затухающие электромагнитные колебания, график которых с помощью осциллографа-приставки можно наблюдать на экране компьютера.

1. Подключите осциллограф к входу 1 измерительного блока, а измерительный блок к компьютеру. Первый канал осциллографа подключите к катушке колебательного контура электрической цепи для наблюдения свободных колебаний.
2. Включите компьютер и запустите программу L-физика. Последовательно открывайте в меню следующие пункты:

- электродинамика

- осциллограф

- проведение эксперимента

- настройка

В этом разделе сделайте следующие установки:

Режим работы – ждущий

Развертка с/дел – 0,005

Канал для запуска – 1

Характер сигнала – возрастание

Положение на экране - 2

1 канал, чувствительность В/дел – 0,5

Закройте настройку значком «V» и включите «пуск».

1. В первом опыте по наблюдению свободных колебаний в колебательном контуре используйте конденсатор 1 мкФ и катушку без сердечника. Сопротивление переменного резистора 0 Ом. Зарядите конденсатор, замкните его на катушку и пронаблюдайте на экране компьютера график затухающих колебаний, зависимость напряжений от времени (u(t)). Изменяется или нет период колебаний в контуре при уменьшении их амплитуды? Зарисуйте график u(t) в тетрадь. 1 клетка экрана – 1 клетка в тетради. Зная, что 1 деление экрана по оси t 0,005 секунды, определите период колебаний. Запишите его в таблицу 1. Вычислите индуктивность катушки.

Таблица 1

1. Опыт повторите для случаев, указанных в таблице 1. Для получения емкости 5,7 мкФ параллельно конденсатору 1 мкФ подключите конденсатор 4,7 мкФ.
2. Используя конденсатор 1 мкФ и катушку с сердечником зарисуйте графики свободных колебаний при сопротивлении переменного резистора 0, 50, 100 Ом.
3. Проверьте, как зависит период свободных колебаний от активного сопротивления контура?

II Исследование переменного напряжения генератора низкой частоты.

На фото 2 показана установка для 2-ой части работы. Она состоит из генератора низкой частоты, к выходу которого подключен мультиметр и 1-ый канал осциллографа-приставки, соединенного с ноутбуком.

Фото 2

1. Отключите осциллограф от колебательного контура и подключите его к выходу ГНЧШ-1.

Установите диапазон частот генератора 20-200 Гц. Измените в режиме «настройка»

чувствительность 1-го канала осциллографа с 0,5 В/дел на 2 В/дел

1. Включите генератор в сеть и получите график зависимости напряжения генератора от времени. Пронаблюдайте, как меняется график при изменении величины напряжения и его частоты. Включая многократно «пуск» и «стоп», пронаблюдайте в правом верхнем углу экрана значение мгновенного напряжения в момент, указанный желтой чертой.
2. Не отключая осциллограф, подключите к выходу генератора мультиметр для измерения действующего значения переменного напряжения на пределе 20 В.
3. Для трех пар значений величины напряжения и его частоты заполните таблицу 2.

Таблица 2

Частота ; Гц
Период колебаний по графику Т; с
Амплитуда напряжения по графику U ; В
Уравнение u(t); В
Действующее напряжение по мультиметру U; В
Отношение амплитудного напряжения к действующему U / U

III Наблюдение сдвига фаз между колебаниями напряжения и силы тока в резисторе,

конденсаторе, катушке и в последовательном колебательном контуре.

Схема электрической цепи для наблюдения графиков зависимости напряжения u(t) силы тока i(t) изображена на рисунке 2, а сама установка на фото 3.

Рис. 2 Фото 3

1. Подсоедините к выходу ГНЧ прибор для демонстрации сдвига фаз. Подсоедините 1-ый и 2-

ой канал осциллографа к гнездам, указанным на панели прибора. При таком включении на

1-ый канал будет подано переменное напряжение ГНЧ, его график голубого цвета, а на 2-ой

канал – напряжение с последовательно включенного резистора с малым сопротивлением.

Так как между колебаниями напряжения на этом резисторе и силы тока в нем сдвига фаз

нет, то график колебания силы тока i(t) будет подобен графику колебаний напряжения u(t).

Этот график на экране красного цвета.

2. Установите следующие настройки осциллографа:

Чувствительность 1-го канала – 2 В/дел

Чувствительность 2-го канала – 0,1 В/дел

3. Для наблюдения графиков колебания напряжения u(t) и силы тока i(t) в цепи с активным сопротивлением замкните катушку и конденсатор проводами со штекерами на концах. Пронаблюдайте на мониторе компьютера графики напряжения и силы тока, зарисуйте их в тетрадь. Запишите, в какую сторону сдвинут график тока относительно графика напряжения и чему равен сдвиг фаз между ними.

4. Повторите задания пункта 3 для конденсатора и для катушки, замыкая проводниками два остальные элемента цепи.

5*. Удалите проводники, замыкающие элементы цепи. Плавно изменяя частоту генератора

от 30 до 80 Гц, пронаблюдайте, как изменяется сила тока в последовательном

колебательном контуре и сдвиг фаз между колебаниями тока и напряжения. Определите,

при какой частоте сила тока наибольшая, а сдвиг фаз равен нулю. Это частота, при

которой в колебательном контуре наступает резонанс. Запишите выводы в тетрадь. Зная

резонансную частоту и емкость конденсатора (с=9,4 мкФ), вычислите индуктивность

катушки.

6*. Установите в настройке чувствительность второго канала, как и первого 2 В/дел.

Соблюдая указанные на схеме цвета, подключите 1-ый канал осциллографа к

конденсатору, а 2-ой к катушке. Пронаблюдайте и зарисуйте в тетрадь графики

колебания напряжений на конденсаторе и катушке и определите сдвиг фаз между ними.

Изменяя частоту генератора от 30 до 80 Гц, пронаблюдайте, как меняется амплитуда

напряжения на катушке и конденсаторе и сдвиг фаз между ними.

Контрольные вопросы.

1. График какой зависимости можно получить на экране используемого в данной работе осцилографа?
2. Как с помощью этого осциллографа определить амплитуду исследуемого напряжения и его частоту?
3. В настройках установлены: время – 0,005 с/дел, чувствительность – 2 В/дел. Максимальное смещение синусоиды от горизонтальной оси 3 деления. На десяти делениях горизонтальной оси уложилось 5 колебаний. Запишите уравнение зависимости исследуемого напряжения от времени.
4. Как, используя осциллограф и мультиметр, доказать, что амплитудное значение напряжения больше действующего в ?
5. При наблюдении графика свободных колебаний в колебательном контуре на 4 деления оси t уложилось 5 колебаний. Вычислите собственную частоту свободных колебаний этого контура и индуктивность его катушки, если емкость конденсатора 4 мкФ, а развертка осциллографа 0,005 с/дел.
6. Как с помощью осциллографа получить график колебания силы тока i(t) в какой-либо электрической цепи?
7. На экране осциллографа получены графики колебаний напряжения и силы тока в некотором приборе. Как определить:

1. опережают колебания тока колебания напряжения или отстают от них?

2. величину сдвига фаз?