книги / Электричество и магнетизм

Описание установки

Установка включает в себя звуковой генератор, к которому подсоединяются вольметр и осциллограф. На рис. 1.5, 1.6 показана передняя панель осциллографа.

Рис. 1.5. Внешний вид передней панели осциллографа

Рис. 1.6. Схема передней панели осциллографа

11

На схеме панели обозначены следующие регуляторы и переключатели:

1)«сеть» − кнопка включения;

2) «фокус» − регулятор фокусировки луча;

3) «яркость» − регулятор яркости;

4)кнопка переключения осциллографа в режим мультиметра (в данной работе не используется);

5)переключатель входа осциллографа «открытый − закрытый». Закрытый вход используется для исследования переменной составляющей входного сигнала. В этом случае сигнал подается на вход через разделительный конденсатор;

6)«время/дел» − переключатель длительности развертки;

7)↔ − совмещенный с переключателем 6 регулятор положения луча по горизонтали;

8)«V/дел» − переключатель делителя напряжения на входе Y (регулятор чувствительности осциллографа);

9)↕ − совмещенный с переключателем 8 регулятор положения луча по вертикали;

10)«μs/ms» − переключатель множителя частоты генератора развертки;

11)«запуск» − переключатель полярности запускающего импульса синхронизации;

12)«внутр/внеш» − переключатель вида синхронизации;

13)«тв/норм» − выключатель генератора развертки;

14) − вход Y;

15) общий вход;

16) − вход Х; 17) «уровень» – регулятор уровня сигнала синхронизации.

12

Порядок выполнения работы

Задание 1.1. Наблюдение формы сигнала звукового генератора, измерение его частоты

1.Изучите назначение и расположение органов управления осциллографа.

2.Подключите ко входу Y выход звукового генератора (ЗГ). Включите электропитание ЗГ (выключатель расположен на задней стенке генератора). Установите величину сигнала 5 В, частоту 100 Гц. Отрегулируйте чувствительность осциллографа так, чтобы сигнал не выходил за пределы экрана по вертикали.

3.Подберите частоту генератора развертки и уровень синхронизации осциллографа. Добейтесь устойчивого изображения сигнала на экране.

4.Изменяя частоту f сигнала ЗГ, наблюдайте за изменениями на экране.

5.Установите синусоидальную форму сигнала ЗГ. Измеряя время одного или нескольких периодов сигнала ЗГ, рассчитайте частоту f0. Сравните полученный результат с показаниями ЗГ.

6.Повторите измерения для разных частот, результаты измерений запишите в табл. 1.1.

Таблица 1 . 1

13

Задание 1.2. Измерение напряжения с помощью осциллографа. Оценка линейности усилителя вертикального отклонения

1. Подключите вольтметр параллельно ЗГ и осциллографу (рис. 1.7). Обратите внимание на соединительный провод от осциллографа к звуковому генератору. Этот провод часто содержит входной делитель напряжения 1:10. В этом случае измеренное напряжение необходимо умножить на 10 (коэффициент 10 в формуле (1.1)).

Рис. 1.7. Схема включения осциллографа

2. Отключите развертку осциллографа выключателем 13 (см. рис. 1.6). Изменяя выходное напряжение ЗГ Uв от 0 до 5 В, измерьте напряжение U0 с помощью осциллографа, для чего измерьте отклонение луча L0 по оси Y (двойную амплитуду) в делениях шкалы.

3. Рассчитайте напряжение на входе Y осциллографа U0 по формуле:

где k − цена деления шкалы осциллографа, на которую установлен переключатель делителя напряжения 8 (см. рис. 1.6).

4. Результаты измерений занесите в табл. 1.2.

14

Таблица 1 . 2

5. Постройте график зависимости U0 от U в.

Для построения графика можно воспользоваться методом наименьших квадратов (прил. II). Зависимость U0 от Uв линейная: U0 = γUв. Коэффициент γ рассчитайте по формуле:

Задание 1.3. Измерение частоты сигнала по фигурам Лиссажу

1. Hа вход Y подайте напряжение 12 В с частотой f = 50 Гц (розетка расположена на вертикальной стенке модуля МО3), на вход Х − выходное напряжение ЗГ. Отключите развертку осциллографа выключателем 13 (см. рис. 1.6).

2.Отрегулируйте чувствительность осциллографа и напряжение на выходе генератора так, чтобы луч не выходил за пределы экрана.

3.Изменяя частоту ЗГ, добейтесь устойчивой картины на экране осциллографа.

4.Найдите 5−6 различных частот ЗГ, при которых наблюдается устойчивая картина. Занесите в табл. 1.3 форму и число пересечений nx и ny фигур Лиссажу с осями X и Y.

5.Рассчитайте частоту сигнала по формуле:

15

6. Сравните полученный результат с показаниями шкалы звукового генератора. Результаты занесите в табл. 1.3.

Контрольные вопросы

1.Назначение и устройство осциллографа.

2.Измерения, которые можно проводить с помощью осциллографа.

3.Устройство и принцип действия электронно-лучевой

трубки.

4.Как получить на экране осциллографа прямую вертикальную линию?

5.Как получить на экране осциллографа горизонтальную

линию?

6.Как получить на экране развертку сигнала?

7.Наблюдение сложения взаимно перпендикулярных колебаний с помощью осциллографа.

8.Измерение частоты неизвестного сигнала по фигурам Лиссажу.

Задания для отчета

1. Найдите соотношение частот колебаний на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Фигуры Лиссажу

16

2.Электрон с некоторой начальной скоростью v0 влетает

вплоский конденсатор параллельно пластинам на равном расстоянии от них. Кпластинам конденсатора приложена разность потенциалов U = 300 В. Расстояние между пластинами d = 2 см, длина конденсатора l = 10 см. Какой должна быть предельная начальная скоростьэлектрона, чтобы электрон невылетел из конденсатора?

3.Электрон, пройдя ускоряющую разность потенциалов ∆φ, влетает в плоский воздушный конденсатор параллельно пластинам, длина которых l. На конденсатор подают напряжение, которое изменяется линейно со временем по закону U = αt, где α – положительная постоянная, t – время движения электрона в конденсаторе. Расстояние между пластинами конденсатора d. Определите, с какой скоростью электрон вылетит из конденсатора.

4.Узкий пучок электронов в вакууме пролетает сквозь плоский конденсатор параллельно его пластинам и попадает на флуоресцирующий экран, отстоящий от конденсатора на расстоянии L = 15 см. При подаче на конденсатор напряжения U = 50 В светящееся пятно на экране смещается на 21 мм. Расстояние между пластинами конденсатора d = 18 мм; длина конденсатора l = 6 см. Определите начальную скорость электрона.

5.Электрон влетает в плоский горизонтальный конденсатор параллельно пластинам со скоростью 9·106 м/с. Определите полное, нормальное и тангенциальное ускорение электрона через 10–8 с после начала его движения в конденсаторе. Разность потенциалов междупластинами100 В, расстояниемеждупластинами1 см.

6.Электрон влетает в плоский горизонтальный конденсатор параллельно его пластинам со скоростью 1·107 м/с. Напряженность поля в конденсаторе E = 100 В/см, длина конденсатора l = 5 см. Найдите величину и направление скорости электрона при вылете его из конденсатора.

7.Электрон, находящийся в однородном электрическом поле, получает ускорение, равное 1·104 см/с2. Найдите: 1) напряжен-

ность электрического поля; 2) скорость, которую получит электрон за 10–8 с своего движения; 3) работу сил поля за это время; 4) разностьпотенциалов, пройденнуюприэтом электроном в поле.

17

Лабораторная работа № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОЙ БУМАГИ

Цель работы: изучение метода моделирования электростатического поля с помощью электропроводной бумаги.

Приборы и принадлежности: планшет с электродами для крепления электропроводной бумаги, вольтметр, источник постоянного тока на модуле МО3, масштабная линейка.

Сведения из теории

Электрические заряды создают вокруг себя поле, называемое электрическим. Напряженность электрического поля Е определяется как сила F, действующая на единичный положи-

q

Потенциал электрического поля определяется как потенциальная энергия Wп, которой обладал бы положительный заряд, помещенный в данную точку поля:

Элементарная работа, совершаемая силами электрического поля,

18

Выражение, стоящее в скобках в формуле (2.9), носит название градиента скалярной величины ϕ и записывается сокращенно в следующем виде:

19

Поскольку градиент любой скалярной величины есть век-

тор, направленный в сторону наиболее быстрого возрастания

этой величины, то из соотношения (2.10) видно, что вектор E направлен в сторону наиболее быстрого убывания потенциала. Если это направление обозначить r , то

Для однородного электрического поля (E = const) можно написать:

где ∆φ – разность потенциалов между двумя точками электрического поля, находящимися на расстоянии ∆r друг от друга.

Электрическое поле, создаваемое неподвижными зарядами, можно изобразить графически в виде силовых линий, в каждой точке которых напряженность электрического поля является касательной. Кроме того на рисунок можно нанести линии равного потенциала (эквипотенциальные линии) (рис. 2.1). Форма этих линий и их густота отражают структуру поля.

Рис. 2.1. Графическое изображение электростатического поля

20