Теория метода и описание экспериментальной установки

⇐ ПредыдущаяСтр 15 из 16Следующая ⇒

Экспериментальная установка (рис. 7) состоит из генератора сантиметровых электромагнитных волн 1 и приемника излучения 2, укрепленных на оптической скамье 3. Для создания направленности излучения генератор и приемник снабжены рупорами 4 и 5. Питание генератора осуществляется блоком питания 6. Сигнал приемника измеряется микроамперметром 7. Приемник имеет возможность перемешаться вдоль оптической скамьи путем вращения ручки 8. Положение приемника регистрируется линейкой 9. Между генератором и приемником установлена решетка 10, представляющая собой рамку, на которой натянуты параллельно медные проводники на расстоянии меньшем l/2.

Измерение длины волны электромагнитного излучения в нашем опыте основано на образовании стоячей волны. Типичным примером в механике является образование стоячей волны в струне музыкального инструмента.

Если возбудить колебания в струне, то бегущая волна достигает точки закрепления струны, отражается от нее и, двигаясь в обратном направлении, складывается с бегущей волной. В результате в струне возникают точки, где амплитуда колебаний максимальна (такие точки называются пучностями), и точки, где амплитуда равна нулю (такие точки называются узлами). В нашем случае электромагнитная волна, возбуждаемая генератором, отражается от приемника, накладываясь на бегущую, образует стоячую электромагнитную волну (рис. 8).

Поскольку расстояние между пучностями (или узлами) равно l/2, то l = 2 .

Измерения и обработка результатов

Электромагнитная волна называется поляризованной, если вектор колеблется только в строю определенной плоскости. Именно такую волну излучает генератор в нашей установке. Для того, чтобы убедиться в этом, поверните решетку 10 так, чтобы натянутые проволочки были в вертикальном положении. Вращая ручку 8, найдите пучность (максимальное отклонение стрелки микроамперметра 6). Затем медленно переворачивайте решетку до горизонтального положения проволочек (ток при этом будет равен нулю). Таким образом, при вертикальном положении проволочек, когда вектор параллелен им, волна проходит через решетку, а при горизонтальном положении не проходит.

Измерение длины волны

Задание 1. Нажав кнопку фиксатора 11, поверните решетку от себя так, чтобы она не находилась между генератором и приемником. Вращая ручку 8, установите приемник на пучность (желательно, чтобы указатель положения приемника находился ближе к началу шкалы линейки 9. Затем, вращая ручку 8 и наблюдая за стрелкой микроамперметра, перемещайте приемник и отсчитайте (по заданию преподавателя) n пучностей.

Вычислите длину волны по формуле

Повторите измерение три раза и найдите среднее значение длины волны < l>.

Задание 2. Вращая решетку ручкой 8, установите максимальное отклонение стрелки микроамперметра. Затем, вращая решетку через 10°, запишите показания микроамперметра. По полученным результатам постройте график зависимости силы тока от cos²a.

Задачи

1. Конденсатор емкостью 10 мкФ заряженный до напряжения 100 В, разряжается через катушку с очень малым сопротивлением и индуктивностью10 ^–3 Гн. Максимальное значение силы тока в катушке равно:

Ответы: 1) 0, 5 А; 2) 6, 3 А; 3) 4, 5 А; 4) 10А; 5) нет ответа.

2. Колебательный контур состоит из конденсатора емкостью 8, 9·10^-12Ф и катушки индуктивностью 2^.10^-3Гн. На какую длину волны настроен контур?

3. Какую индуктивность надо включить в колебательный контур, чтобы при емкости в 2 мкФ получить частоту равную 1000 Гц.

4. Конденсатор емкостью 5 мкФ заряженный до напряжения 120 В разряжается на катушку. Максимальная сила разрядного тока равна 0, 4 А. Определить индуктивность катушки.

5. Определить длину волны на которой работает передатчик искусственного спутника, если частота колебаний равна 20 МГц.

Контрольные вопросы

1. Как возникают электромагнитные колебания в колебательном контуре?

2. Напишите формулу Томсона для периода электромагнитных колебаний.

3. Напишите уравнения Максвелла для электромагнитного поля.

4. Излучение электромагнитных волн.

5. Поляризация электромагнитных вол

Литература

1. Савельев И. В. Курс общей физики. М.: Наука. Т.2, 1982. § 71, 89.

2. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высшая школа. 2002, § 143, 161.

3. Бондарев Б. В., Калашников Н. П., Спирин Г. Г. Курс общей физики. М.: Высшая школа. 2003, кн. 2. § 9.1, 10.1.

Лабораторная работа 2.20

ЭЛЕКТРОННЫЙ ОСЦИЛЛОГРАФ

Цель работы:

1. Исследовать чувствительность пластин вертикального и горизонтального отклонений осциллографической трубки,

2. Наблюдать с помощью осциллографа синусоидальное напряжение, полученное с выхода генератора.

3. Получить фигуры Лиссажу и определить частоту исследуемого напряжения по фигурам Лиссажу.

Введение

Осциллограф является одним из важнейших исследовательских приборов. Чаще всего он применяется для наблюдения, и исследования переменных во времени электрических сигналов.

Электронно-лучевая трубка

Основным рабочим элементом осциллографа является электронно-лучевая трубка (рис. 1).

Для получения термоэлектронной эмиссии катод трубки нагревают, подавая на нагреватель катода переменное напряжение. Вылетевшие из катода электроны ускоряются электрическим полем и движутся по направлению к аноду. По пути они пролетают через фокусирующий электрод, который собирает вылетевшие электроны в пучок, образуя электронный луч. Нить накала, катод, фокусирующий электрод и анод вместе называются электронной пушкой.

Электронный луч выходит через отверстие в аноде и проходит между отклоняющими пластинами двух взаимно перпендикулярных плоских конденсаторов. Если в конденсаторах создать электрическое поле, то первый конденсатор С₁ может отклонять луч в одном направлении, (например, в горизонтальном), а второй конденсатор С₂ — в перпендикулярном вертикальном направлении. Пройдя отклоняющие пластины конденсаторов, электронный луч попадает в широкую часть трубки. Экран электронно-лучевой трубки покрывается веществом, которое светится под действием электронного пучка. В результате на экране видно светящееся пятно F. При правильно подобранных напряжениях на катоде, аноде и фокусирующем электроде это пятно имеет размеры порядка 1 мм в диаметре.

Регулировка размеров пятна и его яркости осуществляется регуляторами “Яркость” и “Фокусировка”, с помощью которых изменяется напряжение между отдельными электродами электронной пушки.

Положение пятна на экране можно изменять с помощью регуляторов “Смещение X” и “Смещение Y”, иногда обозначаемых “ × ®” и “ ”.

Все вышеупомянутые регуляторы выведены на лицевую панель осциллографа.

Если на пластины конденсаторов С₁ и С₂ (см. рис. 1) подать напряжение, то пятно F на экране перемещается как в горизонтальном (вдоль оси х), так и вертикальном (вдоль оси у) направлениях. При изменении напряжения на обоих конденсаторах пятно F перемещается по некоторой траектории в плоскости экрана.

Применение в осциллографе электронно-лучевой трубки дает возможность использовать осциллограф для наблюдения электрических сигналов, переменных во времени. Рассмотрим подробнее, как это делается. Пусть на пластины вертикального отклонения подается обычное синусоидальное напряжение и одновременно на пластины горизонтального отклонения подается пилообразное напряжение так, как это показано на рис. 2.

При постоянном (линейном по времени) увеличении напряжения их пятно движется по экрану слева направо с некоторой постоянной скоростью, зависящей от частоты развертки f_x. Затем, когда напряжение их быстро уменьшается (за t = 10^-6 ¸ 10^-9 с), пятно F практически мгновенно возвращается справа налево. Через интервал времени, равный периоду пилообразного напряжения Т_х = 1/ f_x, движение пятна повторяется.

Одновременно пятно перемещается в вертикальном направлении под действием синусоидального напряжения. В итоге траектория пятна оказывается очень сложной, и-на экране наблюдается быстро меняющаяся картина. Но в случае, когда период напряжения развертки (“Пилы”) Т_х есть целое кратное периода исследуемого напряжения (в данной работе синусоиды), т. е.

Т_х = nТ_у, n = 1, 2, 3, …, (4)

картинка на экране окажется неподвижной. Например, при одновременном прохождении через нуль напряжений и_х и и_у получится картина, показанная на рис. 3, б.

Обычно для получения неподвижной картинки на экране используется специальный сигнал синхронизации, вырабатываемый специальным устройством внутри осциллографа или подаваемый извне.

Блок-схема осциллографа

Кроме электронно-лучевой трубки — в осциллографе имеется целый ряд устройств, которые позволяют применять осциллограф для наблюдения и исследования различных электрических сигналов. Упрощенная блок-схема осциллографа показана на рис. 3.

Пилообразное напряжение на пластины горизонтального отклонения подается с выхода специального генератора “Развертка”, находящегося внутри осциллографа. Для того чтобы получить на экране неподвижную картинку, необходимо подобрать частоту f_x = l/T_x в соответствии с формулой (4). Это осуществляется с помощью ступенчатого переключателя частот “Развертка” и ручки плавной регулировки частоты. Обычно частота f_x настолько велика, что при u_у = 0 экспериментатор наблюдает на экране светлую непрерывную горизонтальную полосу (на рис. 3, б она изображена пунктиром).

Исследуемое напряжение (сигнал ) подается на вход осциллографического усилителя через вход Y осциллографа. С выхода усилителя усиленное напряжение u_у подается на пластины вертикального отклонения (см. рис. 3). Во многих осциллографах предусмотрена возможность подачи сигнала непосредственно на пластины трубки. Для этого необходимо вынуть перемычки, соединяющие выход усилителя с пластинами, и подключить источник сигнала (генератор) прямо к пластинам. Перемычки обычно находятся на задней или боковой панели осциллографа.

Синхронизация развертки и исследуемого сигнала осуществляется вращением специального регулятора “Синхронизация”.

⇐ Предыдущая 7 8 9 10 11 12 13 141516 Следующая ⇒