Лабораторна робота №11
Демонстраційний експеримент з розділу:
“Електромагнітні коливання і хвилі”.
Дослід 1. Вільні електричні коливання.
Обладнання: гальванометр від демонстраційного амперметра; батарея конденсаторів на 60 мкФ; котушка з осердям; перемикач; провідники; ВУП-2.
Для досліду бажано отримати повільні коливання з малим затуханням. В умовах шкільного кабінету беруть для складання коливального контуру використовують батарею конденсаторів на 60 мкФ і котушку (3600 витків) на замкнутому осерді від універсального трансформатора (див. рис.1).
Рис.
1
За допомогою перемикача батарею конденсаторів можна зарядити від джерела постійної напруги (100-120 В) і розрядити через котушку. Індикатором коливань служить гальванометр. З контуром він зв’язаний індуктивно через невелику одношарову обмотку котушки (40 витків). Спочатку заряджають конденсатор і, перемкнувши його на котушку, показують, що розряд конденсатора має коливальний характер. Стрілки гальванометра здійснюють при цьому затухаючі коливання з частотою біля 2 Гц. Дані коливання порівнюють з вільними коливаннями пружинного маятника.
Щоб показати, що частота власних коливань залежить від параметрів контуру, зменшують спочатку ємність батареї, а потім кількість витків котушки і показують збільшення частоти коливань стрілки. Для отримання можливо більшого числа коливань необхідно збільшити початковий запас енергії, тобто збільшити напругу джерела. Але при напрузі вище за 130 В амплітуда коливань така, що осердя котушки наближається до насичення. Тоді індуктивність котушки зменшується, а частота різко збільшується, що не бажано; найкращі результати в даному досліді будуть при напрузі 120 В і використання гальванометра від амперметра, бо його опір (385 Ом) краще узгоджується з опором котушки індуктивного зв’язку. При наявності двох котушок період коливань в контурі може бути помітно збільшеним, чим підвищується ефект досліду.
Дослід 2. Активний, ємнісний та індуктивний опір в колі змінного струму.
Обладнання: звуковий генератор; батарея конденсаторів; трансформатор універсальний; реостат 6-10 Ом; лампа маловольтна на підставці; гучномовець; перемикач; батарея акумуляторів; провідники.
Установку для досліду (рис.2) складають так, щоб електричну лампу можна було живити одного разу від акумулятора, а іншого - від звукового генератора. Гучномовець служить індикатором зміни частоти. Він повинен мати регулятор гучності. В генераторі використовується низькоомний вихід на 5 Ом.
Перед демонструванням досліду звуковий генератор настроюють на частоту біля 300 Гц і встановлюють таку амплітуду, щоб при перемиканнях лампочки „акумулятор” і „генератор” яскравість горіння лампочки була однаковою. Показують, що від зміни частоти струму яскравість горіння лампочки не змінюється, а зміна опору реостата дає однаковий ефект при змінному і постійному струмах.
Рис.
2
Замінивши реостат на батарею конденсаторів ємністю 60 мкФ, показують, що конденсатор за будь-якої ємності не пропускає постійного струму. При змінному струмі лампа горить майже повним накалом.
Далі демонструють залежність опору конденсатора від його ємності і частоти змінного струму. Кожного разу про опір судять за яскравістю горіння лампочки. На підставі результатів дослідів формують поняття про ємнісний опір та залежність його величини від ємності і частоти.
Аналогічно демонструють наявність індуктивного опору та залежність його від індуктивності і частоти.
Для цього замість реостата і конденсатора вмикають котушку від універсального трансформатора на 120 В. Показують, що внесення в котушку осердя трансформатора збільшує її індуктивність, що впливає на яскравість свічення лампи. Така сама дія викликається при збільшенні частоти.
Дослід 3. Фазові співвідношення в колах змінного струму з активним, індуктивним і ємнісним опором.
Обладнання: осцилограф електронний; комутатор до осцилографа; батарея конденсаторів на 60 мкФ; котушка універсального трансформатора на 120 В з осердям; реостат на 500 Ом; лампочка 6,3 В на підставці; провідники; батарея акумуляторів на 6 В.
Спочатку складають електричне коло з послідовним з'єднанням лампи, конденсатора (8 мкФ) і повністю введеного реостата. Напругу із затискачів лампи подають на вхід І комутатора, а напругу з усього кола - на вхід ІІ.
За допомогою ручок керування добиваються чіткої лінії вздовж осі абсцис.
Рис.
3
Вмикають комутатор і після роздвоєння горизонтальної лінії на дві пунктирні суміщають їх спеціальною ручкою на комутаторі. Вмикають в мережу досліджуване коло і, користуючись ручками на комутаторі і осцилографі, добиваються стійкого зображення на екрані. Водночас вибирають масштаби зображення так, щоб по горизонталі вмістилося два періоди, амплітуда струму була приблизно вдвічі менша від амплітуди напруги. Всю цю підготовку проводять перед уроком.
Для проведення досліду тимчасово закорочують батарею конденсаторів. Вмикають струм і після появи осцилограм дещо повертають ручки підсилювачів І і ІІ входів комутатора і цим виявляють відповідність осцилограм струмові і напрузі. Звертають увагу учнів на те, що при наявності лише активного опору коливання сили струму і напруги збігаються за фазою. Далі від’єднують провідник, що закорочував батарею конденсаторів.
При цьому графік струму зміщується відносно графіка напруги вліво. Змінюючи ємність конденсатора, спостерігають зміну амплітуди струму і зміну зсуву фаз між струмом і напругою. Після того, як отримані на осцилографі криві, та учні замалюють їх у зошитах, батарею конденсаторів від’єднують і на її місце вмикають котушку на 120 В з осердям і наполовину зсунутим ярмом. Крива струму тепер зсунута вправо по відношенню до кривої напруги. Отже, коливання струму відстають від коливань напруги. Змінюючи індуктивність котушки переміщенням ярма, спостерігають зміну амплітуди струму, яскравість горіння лампи і переміщення графіку струму. Отримані криві креслять в зошитах і порівнюють з раніше отриманими для кола з ємністю.