МИНИСТЕРСТВО ОБразования

РОССИЙСКой ФЕДЕРАЦИи

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физический факультет

Кафедра радиофизики

физический практикум

«электричество и магнетизм»

Часть 1

Учебно-методические рекомендации

для студентов физического факультета

Издательство Тюменского государственного университета, 2000

Работа утверждена на заседании кафедры радиофизики

Печатается по решению учебно-методического Совета университета

Методические указания предназначены для студентов II курса физического факультета, выполняющих лабораторные работы физического практикума по курсу «Электричество и магнетизм». Они содержат рекомендации по выполнению, обработке и оформлению результатов измерений. Настоящие методические указания составлены с учётом рекомендаций международных комиссий по естественно-физическому образованию на основе приборных возможностей физического практикума Тюменского Госуниверситета.

Составители:

Зав. каф. радиофизики, кандидат физико-математических наук, доцент В.А. Михеев

кандидат физико-математических наук, доцент С.Г. Монтанари

кандидат физико-математических наук, доцент В.П. Дубов

Ответственный за выпуск:

Старший преподаватель А.А. Гармонов

 Тюменский государственный университет, 2000

содержание

Лабораторная работа №1

изучение осциллографа……………………………………………..4

Лабораторная работа №2

исследование электрических полей с помощью электролитической ванны………………………………………..15

Лабораторная работа №3

Изучение вынужденных колебаний и явления резонанса в последовательном колебательном контуре …………………………………………………………………....27

Лабораторная работа №4

проверка закона Ома для цепей переменного тока ....36

Рекомендуемая ЛИТЕРАТУРА………………………………………44

Лабораторная работа №1

Изучение осциллографа

Цель работы:знакомство с устройством и изучение основных принципов работы с электронным осциллографом.

Приборы и принадлежности:осциллограф, генератор, соединительные кабели.

Краткая теория

По назначению и электрическим характеристикам осциллографы делятся на универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие и специальные. По количеству воспроизводимых на экране ЭЛТ электрических процессов различают одно- и двухлучевые (многолучевые), одно- и двухканальные (многоканальные) осциллографы.

Электронно-лучевой осциллограф предназначен для визуализации периодических и однократных электрических сигналов и измерения их параметров. Входное сопротивление большинства осциллографов составляет (0,5...1)·10⁶Ом, а с дополнительным пробником – свыше 10⁷Ом. Благодаря столь высокому входному сопротивлению, осциллограф обычно используется как вольтметр, т.е. подключается параллельно участку цепи, на котором следует измерить напряжение.

Универсальные осциллографыпозволяют исследовать в реальном времени разнообразные электрические процессы и сигналы с широким спектром. Они имеют полосу пропускания в канале сигнала до сотен мегагерц, отличаются высокой надежностью в работе, просты в управлении, компактны.

Скоростные осциллографыпредназначены для исследования быстропротекающих процессов с длительностью, равной долям и единицам наносекунд. Как правило, в этих приборах используются широкополосные ЭЛТ бегущей волны для наблюдения в реальном времени электрических процессов с верхней частотой спектра более 1 ГГц.

Стробоскопические осциллографыприменяются для исследования только повторяющихся сигналов с длительностью до нескольких пикосекунд (10^-12с). Изображение сигнала на экране ЭЛТ формируется в течение многих периодов повторения из выборок его мгновенных значений. Выборки сдвинуты на определенный временной интервал. Осциллографы преобразуют сигнал с трансформацией масштаба времени. Поэтому исследуемый сигнал на экране ЭЛТ не воспроизводится в реальном времени.

Запоминающие осциллографыиспользуются при исследованиях однократных или редко повторяющихся электрических сигналов. Специальные ЭЛТ с запоминанием в этих осциллографах воспроизводят изображение сигнала на экране после его исчезновения на входе осциллографа.

Специальные осциллографыпозволяют решать задачи, связанные, например, с наблюдением и выделением сигналов с определенными параметрами, временных участков электрических процессов и т.п. Наибольшее распространение среди этого вида приборов получили телевизионные осциллографы, снабженные блоками для обработки телевизионного кадра.

В последнее время всё большее распространение получают цифровые осциллографы, в которых все операции преобразования и обработки сигналов осуществляются с помощью цифровых схем на базе микропроцессоров. Для отображения сигналов в таких осциллографах обычно используются матричные жидкокристаллические индикаторные панели. Иногда цифровые осциллографы выполняются в виде небольшой приставки к компьютеру с возможностью наблюдения сигналов на экране монитора.

В настоящей работе изучается универсальный осциллограф с ЭЛТ - наиболее распространённый в настоящее время радиоизмерительный прибор.

Упрощённая блок-схема универсального аналогового осциллографа представлена на рис. 1. В таком осциллографе используется ЭЛТ с электростатическим отклонением, которая содержит термоэлектронный источник 1 (катод), модулятор 2, систему фокусировки 3, две пары пластин, отклоняющих пучок по горизонтали (Х) 4 и вертикали (Y) 5, и люминесцентный экран 6.

Исследуемый сигнал через разъём «ВходY» и аттенюатор (ступенчатый ослабитель) поступает на усилитель, далее на линию задержки и на оконечный усилитель «Y». В оконечном усилителе исследуемый сигнал преобразуется в два противофазных сигнала, которые подаются на пластины вертикального отклонения. На горизонтально отклоняющие пластины подается изменяющееся по определённому закону напряжение развёртки. Совместное и одновременное воздействие на электронный луч напряжений сигнала и развёртки формирует на экране ЭЛТ осциллограмму наблюдаемого электрического колебания.

Периодические процессы (рис. 2а) удобно наблюдать, используя линейную периодическую развёртку. Напряжение развёрткиU_рпериодически линейно нарастает (рис. 2в) за время рабочего ходаt_р.х, а затем очень быстро спадает за малый промежуток времени обратного ходаt_о.х. Соответственно, электронный луч во время рабочего хода развёртки равномерно перемещается во экрану ЭЛТ слева направо, а во время обратного хода быстро возвращается в исходное левое крайнее положение. Этот процесс периодически повторяется, и в случае, если исследуемый сигнал на вертикально отклоняющих пластинах трубки отсутствует, на экране ЭЛТ получается горизонтальная линия, называемаялинией развёрткиили просто –развёрткой. При подаче сигналаU_сна вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ электронный луч во время рабочего хода развёртки дополнительно отклоняется по вертикали, и на экране ЭЛТ появляется осциллограмма. Для того, чтобы во время обратного хода луча на экране не появлялось изображение, на модулятор ЭЛТ с момента окончания рабочего хода подаются запирающие импульсы гашения длительностьюt_о.х..

Для удобства наблюдения осциллограммы необходимо правильно выбрать скорость развёртки (время пробега лучом 1 см экрана ЭЛТ по горизонтали), а также обеспечить устойчивость (неподвижность) осциллограммы. Обычно следует выбрать такую скорость развёртки, чтобы за время одного рабочего хода получать два или три периода исследуемого сигнала.

Рис. 2. Временные диаграммы а) исследуемого сигнала;б) импульсов синхронизации;в) напряжения развёртки.

Устойчивость осциллограмм достигается при жесткой связи исследуемого сигнала с развёрткой. Поэтому на экране ЭЛТ начало каждого рабочего хода развёртки должно строго совпадать с одной и той же характерной точкой исследуемого периодического сигнала (например, точкойАна рис. 2а), т.е. сигнал и развёртка должны бытьсинхронизированы. Это достигается путём формирования тем или иным способом импульсов синхронизации (рис.2б).

Автоколебательный режимсинхронизации развёртки обеспечивается с помощью сформированных из исследуемого сигнала импульсов синхронизацииU_сх(рис. 2б) и осуществляется путем принудительного навязывания генератору развёртки периода повторенияТ_р, кратного периоду сигналаТ_с(T_р=nT_с,n= 1,2,3,...). Период развёртки при синхронизации подстраивается под период сигнала и осциллограмма на экране ЭЛТ получается неподвижной.

Периодические импульсные сигналы часто характеризуютсяскважностью– безразмерной величиной, равной отношению периода повторения импульсов к длительности одиночного импульса (см., например, сигнал на рис.2б). Для наблюдения периодических сигналов с очень большой скважностью и непериодических процессов в осциллографах используется ждущая развёртка. В этом режиме генератор развёртки запускается либо самим исследуемым сигналом (внутренняя синхронизация), либо внешним импульсом (внешняя синхронизация), либоот сетис промышленной частотой 50 Гц. Сформированный в осциллографе импульс запуска вызывает однократный (только на времяТ_р) запуск генератора развёртки.

Для получения устойчивой осциллограммы сигнала с большой скважностью и для обеспечения возможности наблюдения на экране ЭЛТ переднего фронта импульса момент запуска развёртки должен опережать каждый импульс сигнала на строго постоянный временной интервал. При работе свнутренней синхронизациейдля наблюдения на экране ЭЛТ переднего фронта импульса сигналаU_св каналY осциллографа введена линия задержки на времяt_зад(см. рис.1). Линия задержки обеспечивает поступление исследуемого сигнала на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ после запуска развёртки импульсами синхронизации.

Поскольку осциллографы используются не только для наблюдения, но и для измерения параметров сигналов, необходимо обеспечить стабильность параметров самого осциллографа с целью уменьшения систематической погрешности. Для этого перед измерениями необходимо произвести калибровку– подать на вход осциллографа периодический сигнал с известными значениями частоты и амплитуды, либо известное постоянное напряжение. Это позволяет контролировать и, при необходимости, подстраивать величину коэффициента отклонения луча по вертикали и длительность развёртки. Многие осциллографы имеют встроенный калибратор.