Дослід 6. Механічна модель незатухаючих коливань (модель годинника).

Обладнання: маятник півсекундний на підставці; проекційний ліхтар.

П

Рис. 6.

оказують учням основні частини приладу: маятник, анкерну скобу з вилкою, ходове (анкерне) колесо з гирею (рис. 6). Далі демонструють прилад в дії при різній довжині маятника. Учні спостерігають, як при кожному коливанні маятника гиря дещо опускається, повертаючи ходове колесо. Якщо хід приладу буде нерівномірним, то відповідно змінюють орієнта­цію механізму в площині ходового колеса. Для детального вивчення дії анкерного механізму його демонструють в тіньовій проекції, освітлюючи проекційним ліхтарем. Якщо маятник, наприклад, рухається вліво, то правий зубець анкерної скоби впирається в один із зубців ходового колеса і втримує його до повернення маятника до положення рівноваги.

В цей момент правий зубець анкерної скоби піднімається, а ходове колесо, надавши імпульсу скобі і маятникові, повертається на один зубець і зупиняється тепер лівим зубцем анкерної скоби. В момент проходження положення рівноваги маятник знову отримує деяку кількість кінетичної енергії. Ця енергія компенсує затрату енергії на перемагання сил тертя, внаслідок цього коливання маятника будуть незатухаючими. Спостерігаючи за роботою анкерного механізму можна помітити, що енергія піднятої гирі передається маятникові рівними порціями двічі за період. Отже, принцип отримання незатухаючих коливань в годинниковому механізмі і коливальному контурі такий самий.

Дослід 7. Незатухаючі коливання низької частоти.

Обладнання: генератор на транзисторі; джерело живлення, демонстраційний вольтметр.

Схему найпростішого генератора незатухаючих електромагнітних коливань показано на рис 7. В установку входять деталі, які практично є в кожній школі: L - котушка на осерді шкільного універсального трансформатора (котушка коливального контура); L₁ - котушка на 220-120 вольт шкільного універсального трансформатора (котушка зворотного зв'язку); С - електролітичний конденсатор ємністю 500-5000 мікрофарад з робочою напругою 12В і більше (конденсатор коливального контура); транзистор на панелі з клемами з набору напівпровідникових приладів; Е - батарея або інші джерела постійного струму з напругою 4-6 В. Як індикатор коливань використовують демонстраційний вольтметр з додатковим опором на 5 або 15 В.

Рис. 7.

Досліди з генератором проводять на завершальному етапі формування знань про принципи утворення незатухаючих коливань за допомогою автоколивальних систем. Спочатку демонструємо затухаючі повільні коливання в контурі. Потім пробуємо поповнювати енергію в коливальному контурі, приєднуючи у відповідні моменти джерело живлення для підзарядки конденсатора. А вже після цього розпочинаємо демонстраційні досліди з самим генератором.

Щоб дістати незатухаючі коливання, замикаємо провідником емітер і колектор транзистора (на схемі показано пунктиром). При цьому зарядиться конденсатор коливального контура. Тепер забираємо провідник і спостерігаємо незатухаючі коливання напруги на обкладках конденсатора. Якщо коливання не виникають, то слід поміняти місцями провідники, що йдуть до котушки зворотного зв'язку.

Щоб краще зрозуміти роль транзистора (або лампи) в генераторі, можна продемонструвати ще такий дослід. У коло колектора (точка 2 на схемі) вмикаємо демонстраційний амперметр з реостатом-шунтом, увімкненим для вимірювання в колах постійного струму. Використовуємо шкалу гальванометра з нульовою поділкою посередині. Закоротивши колектор та емітер транзистора, як і в попередньому досліді, дістаємо незатухаючі коливання. Вольтметр при цьому вказує на зміну напруги на обкладках конденсатора за значенням і знаком, а амперметр показує, що транзистор пропускає до коливального контура від джерела живлення тільки імпульси струму в один з півперіодів коливань, які відбуваються в контурі. Отже, учні ще раз можуть пересвідчитися в тому, що роль транзистора (лампи) зводиться до ролі автоматичного ключа, роботою якого керує система зворотного зв'язку.

Доцільно звернути увагу на таку особливість у роботі розглянутого тут найпростішого генератора. Щоб збудити коливання, ми закорочували колектор і емітер транзистора. Це робиться для того, щоб вивести систему із стану рівноваги (зарядити конденсатор). Подібне явище можна спостерігати в багатьох автоколивальних си­стемах. Так, годинник «ходики» не працюватиме доти, поки його маятник не дістане зовнішній поштовх.