Изучение затухающих колебаний

ФЭЛ- 2

 

Изучение затухающих колебаний

 

 

Тула, 2009 г

Лабораторная работа

Изучение затухающих колебаний

Цель работы:  с помощью встроенного генератора импульсов и электронного осциллографа получить затухающие электромагнитные колебания; определить период электромагнитных колебаний, логарифмический декремент затухания, коэффициент затухания и другие параметры колебательного контура.

Теоретическое описание.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Методика эксперимента.

Рис. 4 Принципиальная электрическая блок-схема учебной установки ФЭЛ-2.

 

Принципиальная блок схема установки изображена на рис. 4. Используемая в настоящей задаче установка ФЭЛ-2 состоит из изучаемого колебательного контура К, мультивибратора М для генерации электрических колебаний прямоугольной формы, устройства Д для преобразования этих колебаний в кратковременные импульсы и осциллографа О. Мультивибратор М и преобразователь Д смонтированы на единой печатной плате и являются источником кратковременных импульсов. Возбуждаемые этими импульсами затухающие колебания в колебательном контуре подаются на электронный осциллограф (к клеммам входа Y). На экране осциллографа наблюдается временная развертка этих колебаний.

Возбуждение колебаний импульсом, по сущест­ву, означает, что в какой-то момент времени включается постоянное напряжение, которое через заданное время выключается - в данном случае после окончания периода развертки. Величина напряжения, подаваемого на контур, определяет начальный запас энергии и, следовательно, амплитуду колебаний. По истечении времени, равного периоду развертки, контур получает новый импульс, задающий контуру первоначальную энергию, и процесс повторяется.

Приборы и оборудование.

 

Учебная установка ФЭЛ-2 позволяет наблюдать на экране осциллографа временную развертку напряжения, снимаемого с пластин конденсатора С колебательного контура (рис. 4). Изображение, получаемое на осциллографе, соответствует кривой затухающих колебаний рис. 2. Установка снабжена микропроцессорным управлением. Параметры контура (ёмкость С и активное сопротивление R) устанавливаются с помощью кнопок управления на передней панели установки. Для надежного срабатывания кнопку необходимо удерживать нажатой в течение одной-двух секунд. Индуктивность контура L является неизменной и имеет активное сопротивление порядка нескольких Ом, которым в процессе расчетов можно пренебречь. Для установки и изменения параметров контура генератор импульсов необходимо выключить соответствующей кнопкой.  Все параметры индицируются на цифровом ЖКД LCD индикаторе.

 

Порядок работы.

1. Перед началом работы ознакомится с принципиальной блок-схемой установки и разобраться в назначении управляющих кнопок.

2. Проверить целостность сетевых проводов и соединительного измерительного провода.

3. Подключить выход «ВЫХОД Y» учебной установки соединительным проводом к входу Y электронного осциллографа.

4.  Включить установку и электронный осциллограф в сеть напряжением ~ 220 В. Поставить переключатели «СЕТЬ» на панели осциллографа и установки в положение «вкл», при этом должны загореться соответствующие световые индикаторы.

5. Кнопкой «ЁМКОСТЬ С» установить одно из значений емкости колебательного контура. Кнопкой «УСТАНОВКА R +» установить первое наименьшее значение активного сопротивления R контура. Для включения генератора импульсов нажать на кнопку «ГЕНЕРАТОР».

6. Установить на осциллографе режим, позволяющий наиболее оптимально наблюдать и измерять параметры колебательного контура. Для этого: перевести осциллограф в режим синхронизации исследуемым сигналом, для чего поставить переключатель «INT-LINE-EXT» (слева от входа X) – переключающий режим внутренней и внешней синхронизации – в положение INT (режим внутренней синхронизации); переключатель «AUTO NORM TV» (способ развертки) поставить в положение «AUTO» (автоматическая). Рекомендуемы положения для других переключателей: VOLTS/DIV (Вольт/дел) в положение  .5 V;.2 V или другое удобное для наблюдения, переключатель TIME/DIV (Время/дел) в положение.5 ms;.2 ms или любое другое удобное для наблюдения. Переключатель «+ ─ X-EXT» (тип развертки) в положение «+» либо «─».  ПРИ ЭТОМ РУЧКА ПЛАВНОЙ РЕГУЛИРОВКИ РАСТЯЖЕНИЯ ПО ОСИ X TIME VAR. ДОЛЖНА БЫТЬ ПОВЕРНУТА ДО УПОРА ПО ЧАСОВОЙ СТРЕЛКЕ – только в этом положении показания ручки «TIME/DIV» соответствуют надписям у этой ручки. Добиться устойчивого изображения сигнала, плавно вращая ручку «LEVEL» («УРОВЕНЬ»).

 

7. Разместить ВАХ так, чтобы изображение занимало большую часть экрана и располагалось строго симметрично относительно оси абсцисс аналогично рис.2: для перемещения всей картинки по оси X вращать ручку POSITION входа X. Аналогичную функцию выполняет ручка POSITION оси Y. Для растяжения графика по оси Y можно использовать ручку плавной регулировки VOLT VAR.

 

 

8. Зарисовать вид затухающих колебаний с экрана осциллографа по клеткам на миллиметровую бумагу.

 

9. Оценить по осциллограмме, а затем рассчитать период колебаний T по формуле (2.13); коэффициент затухания β по формуле (2.11); по осциллограмме оценить логарифмический декремент затухания как натуральный логарифм отношения амплитуд двух соседних колебаний (например «нулевого» - начального колебания с n=0 и первого с n=1):

и сравнить эти данные с расчетом логарифмического декремента по формуле:

10. Оценить добротность контура, используя формулу (2.19). Все необходимые текущие параметры контура для расчета выводятся на LCD индикатор.

11.   Изменить параметры колебательного контура, для чего необходимо выключить генератор импульсов нажатием кнопки «ГЕНЕРАТОР». Установить другое значение R при неизменной емкости С и наблюдать за изменением формы сигнала при увеличении активного сопротивления контура. Повторить расчеты пп. 7-10. При сопротивлении контура R>600 Ом наблюдается очень сильное затухание, переходящее в апериодический разряд конденсатора.

 

 

12.  Изменить емкость С колебательного контура, предварительно выключив кнопкой генератор импульсов. Повторить действия пп. 7-11.

С
R, Ом
А0+А1, в ед.шкалы
А2+А3, в ед.шкалы
Qпр=
Тпр, по осциллограмме
Ттеор=
λ теор = βТ теор
Qтеор =

13. Все полученные и рассчитанные величины занести в таблицу:

 

14.  По окончании работы выключить установку и электронный осциллограф выключателями «СЕТЬ», при этом должны погаснуть соответствующие световые индикаторы и вынуть вилки из розеток.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется колебательным движением? Дайте определение периода, частоты коле­баний.

 

2. Какие колебания называются гармоническими? Напишите дифференциальное уравне­ние гармонических колебаний.

 

3. Что такое затухающие колебания? Приведите дифференциальное уравнение затухаю­щих колебаний для случая, когда сила трения пропорциональна скорости тела.

 

4.  Каковы условия возникновения собственных колебаний?

 

5.  Дайте определение декремента затухания, логарифмического декремента затухания.

 

6.  Напишите закон убывания амплитуды колебаний при затухающих колебаниях. Как в этом случае понимают термин "амплитуда".

 

7.  При каком условии периодическое колебание переходит и затухающее?

 

8.  В чем состоит методика определения логарифмического декремента затухания в данной работе?

 

10. Каким образом в настоящей работе происходит возбуждение колебаний в колебательном контуре? Поясните работу принципиальной блок-схемы установки на рис. 4

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. И.Е. Иродов. Электромагнетизм (основные законы), 2001г., глава 11

 

2. А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. Курс физики, 2000, главы 27 и 28.

 

 

3. Т.И. Трофимова. Курс физики, 1985, глава 18

 

4. И.В. Боднарь, Л.Г. Березуцкий «Методическое пособие к лабораторным работам по курсу ФХОМКиТ РЭС и ЭВС». Мн.; БГУИР, 1997 г.

 

5. Б. Ф. Алексеев, К. А. Барсуков«Лабораторный практикум по физике: Учебное пособие для студентов втузов», М., Высш. шк., 1988 г.

 

ФЭЛ- 2

 

Изучение затухающих колебаний

 

 

Тула, 2009 г

Лабораторная работа

Изучение затухающих колебаний

Цель работы:  с помощью встроенного генератора импульсов и электронного осциллографа получить затухающие электромагнитные колебания; определить период электромагнитных колебаний, логарифмический декремент затухания, коэффициент затухания и другие параметры колебательного контура.

Теоретическое описание.