Контрольные вопросы

1. Привести электрическую схему контура, в котором возникают вынужденные колебания. По какому закону изменяется напряжение на источнике? Дайте определение вынужденных колебаний. Вынужденные колебания являются затухающими или незатухающими?

2. Чему равны собственная частота контура и коэффициент затухания?

3. Приведите зависимость напряжения на конденсаторе от времени.

4. От каких факторов зависит амплитуда напряжения на конденсаторе?

5. Запишите формулы для реактивных сопротивлений и импеданса. Поясните в чем различие реактивных и активного сопротивлений?

6. Что такое резонанс? Покажите, что резонанс токов наступает при частоте внешней ЭДС .

7. Что такое добротность колебательного контура? Как вычислить добротность через параметры колебательного контура?

8. Что такое амплитудно-частотная характеристика? Как изменяется форма резонансной кривой с изменением добротности? Как определить добротность по резонансной кривой?

9. Понятие импеданса тканей организма

10. Что такое реография и как она используется в медицине?

Литература:

1. Савельев И.В. Курс общей физики, 3-е изд. – М: Наука, 1988, Т. 2, параграф 91.

2. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика.– М: Высшая школа, 1987, главы 18.2 – 18.4.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 13

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Цель работы: ознакомление с устройством и работой электронного осциллографа.

Приборы и принадлежности: электронный осциллограф, звуковой генератор, преобразователь импульсов (модуль ФПЭ-08), источник питания, выпрямитель, собранный на мостовой схеме на плоскостных диодах.

Теоретическое введение

Электронный осциллограф – прибор, используемый для исследования процессов, протекающих в электрических цепях.

Основными элементами являются: электронно-лучевая трубка; генератор развертки; усилители отклоняющих пластин; блок питания.

Электростатическая трубка представляет собой вакуумированную стеклянную колбу (рис. 1). Внутри нее расположена электронная пушка 1, две пары отклоняющих пластин 6 и 7 и флуоресцирующий экран Э.

Э

Рис. 1

лектронная пушка предназначена для создания сфокусированного электронного пучка и состоит из следующих элементов: 2 – катода косвенного накала, испускающего при нагревании электроны; 3 – управляющего электрода, имеющего отрицательный потенциал относительно катода; изменяя потенциал управляющего электрода, можно регулировать количество вылетающих из электронной пушки электронов, т.е. яркость пятна на экране трубки; 4 и 5 – первого фокусирующего и второго ускоряющего анодов. Потенциал первого анода в несколько раз меньше потенциала второго анода. Аноды имеют форму цилиндров с перегородками, в центре которых сделаны отверстия. Перегородки служат для улавливания электронов, не удовлетворяющих условиям фокусировки.

Р

Рис. 2

ассмотрим фокусирующее действие электрических полей на примере поля между первым и вторым анодами. Характер его показан эквипотенциальными кривыми на рис. 2. Поле сосредоточено в основном у щели между цилиндрами. Предположим, что электрон влетает в поле слева направо под углом к оси цилиндров. Пока он пролетает зазор между цилиндрами, поле сообщает ему ускорение вдоль оси (тангенциальные составляющие силы , показанные на рис. 2 имеют все время одно направление) и в то же время отклоняет его сначала вниз, а потом вверх. Следовательно, в полях, обращенных выпуклостями эквипотенциальных поверхностей к катоду, электроны при своем движении будут собираться к горизонтальной оси (действие таких полей похоже на действие собирающих линз). В полях, выпуклость эквипотенциальных поверхностей которых имеет противоположное направление, электроны будут расходиться от горизонтальной оси (действие таких полей похоже на действие рассеивающих линз).

Отклоняющие пластины. На пути к экрану электронный пучок проходит между двумя парами отклоняющих пластин. Напряжения, приложенные к пластинам, создают между ними электрические поля, которые отклоняют электронный луч и перемещают светящееся пятно по экрану. Горизонтально расположенные пластины отклоняют луч по вертикали (вдоль оси У), а вертикально расположенные – по горизонтали (вдоль оси Х).

У

Рис. 3

становим связь между напряжениями на пластинах А и В и величиной смещения пятна на экране (рис. 3).

Электрон влетает в однородное электрическое поле со скоростью . Вдоль оси Z на электрон не действуют никакие силы, поэтому в этом направлении он движется равномерно: .

Вдоль оси У на электрон действует постоянная сила , где – напряженность поля между пластинами. Следовательно, движение электрона вдоль оси У является равноускоренным и для него справедливы уравнения: . Ускорение найдем из второго закона Ньютона: .

Тогда .

Учитывая, что , получаем .

Из последней формулы следует, что траектория электрона между пластинами представляет собой параболу. При выходе из пространства между пластинами электрон отклонится от своего первоначального направления движения на угол и сместится по оси У на величину :

Теперь найдем смещение светящегося пятна на экране

.

Итак, смещение луча на экране пропорционально напряжению на отклоняющих пластинах.

Отклонение пятна на экране (в миллиметрах), вызванное напряжением в 1 В на отклоняющих пластинах, называется чувствительностью трубки:

Если – потенциал второго анода относительно катода, то

.

Тогда чувствительность зависит от расстояния между пластинами и экраном и от потенциала на втором аноде.

Для того чтобы на экране осциллографа можно было увидеть, как в некотором физическом процессе величина у меняется в зависимости от изменения другой физической величины х, т.е. , необходимо на горизонтально отклоняющие пластины подать напряжение , пропорциональное х, а на вертикально отклоняющие пластины подать напряжение , пропорциональное у. Тогда электронный луч начертит на экране линию, соответствующую зависимости . Если теперь заставить луч неоднократно повторить этот же путь на экране, то вследствие инерционности глаза наблюдатель увидит неподвижный график зависимости .

На практике часто приходится наблюдать изменение различных физических величин в зависимости от времени, т.е. . При этом на вертикально отклоняющие пластины необходимо подать напряжение, пропорциональное исследуемой величине у, а на горизонтально отклоняющие пластины – напряжение, изменяющееся пропорционально времени.

Д

Рис. 4

ля создания напряжения, величина которого меняется пропорционально времени, в осциллографе существует генератор развертки. Под действием этого напряжения луч смещается по экрану слева направо, причем в любой момент времени это смещение будет пропорционально времени, отсчитанному от начала движения луча. Одновременно поданное на вертикально отклоняющие пластины напряжение, пропорциональное исследуемой физической величине у, будет смещать луч по вертикали в соответствии с изменением у. Однако, когда луч дойдет по горизонтали до крайнего правого положения, его нужно мгновенно перевести в исходное положение, а физический процесс повторить сначала. Следовательно, напряжение генератора развертки скачком должно измениться до первоначального значения, а потом снова должно расти по тому же закону. Поэтому зависимость напряжения генератора развертки от времени должна иметь вид, показанный на рис. 4. Такое напряжение называется пилообразным.

Для того чтобы картина на экране осциллографа получалась устойчивой, необходимо, чтобы частота пилообразного напряжения совпадала с частотой повторения изучаемого физического процесса или была меньше ее в целое число раз. Поэтому частота напряжения, даваемого генератором развертки, может меняться в широком диапазоне, и помощью специальной схемы генератор развертки синхронизируется с исследуемым напряжением, подаваемым на вертикально отклоняющие пластины.

Чувствительность электронно-лучевой трубки, как правило, невелика, поэтому на отклоняющие пластины обычно подают напряжение через усилители. Характеристики усилителей отклоняющих пластин (линейность и диапазон пропускаемых частот) во многом определяют качество осциллографа. Величина, равная напряжению, вызывающему отклонение электронного пучка на экране на одно деление в вертикальном или горизонтальном направлении, называется коэффициентом отклонения соответствующего канала осциллографа.

Приборы и оборудование

1. РО – электронный осциллограф.

2. PQ – звуковой генератор.

3. ПИ – преобразователь импульсов (модуль ФПЭ-08).

4. ИП – источник питания.

5. Выпрямитель, собранный на мостовой схеме на плоскостных диодах.

Описание установки

Рис. 5

Для изучения электронного осциллографа используется звуковой генератор PQ, а также преобразователь импульсов ПИ. Напряжение питания на преобразователь импульсов поступает от источника питания ИП (рис. 5). Преобразователь импульсов преобразует синусоидальное напряжение звукового генератора в прямоугольные импульсы той же частоты. Для получения прямоугольных импульсов на выходе ПИ следует нажать кнопку « П ». Скважность импульсов регулируется кнопкой «скважность – грубо» и ручкой «скважность – точно». Следует помнить, что для надежной работы ПИ напряжение, поступающее на ПИ с звукового генератора, должно составлять 2 – 3 В.

Порядок выполнения работы

Задание 1. Исследование синусоидального сигнала звукового генератора.

1. Ознакомиться с описанием используемых приборов.

2. Включить осциллограф в сеть и настроить его.

3. Подать напряжение от звукового генератора на вход У осциллографа и получить на экране устойчивое изображение нескольких периодов сигнала.

4. Измерить период сигнала и рассчитать его частоту.

5. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1.

6. Повторить измерение частоты сигнала звукового генератора на 3 – 4 различных частотах.

7. При любой частоте сигнала звукового генератора PQ установить его больший вертикальный размер в пределах рабочей части экрана.

8. Измерить амплитуду сигнала.

9. Сравнить полученный результат с показанием вольтметра звукового генератора (учтите, что показания вольтметра генератора соответствуют эффективному значению напряжения).

Таблица 1

№	Период сигнала в делениях		Период сигнала в секундах	Частота сигнала	Показания PQ