2. Эксперимент

2.1. Лабораторная установка

Лабораторная установка для изучения сложения колебаний включает в себя:

● осциллограф С1-65;

● промышленный генератор синусоидального напряжения Г3-109 с пределами изменения частоты от 20 Гц, до 200 кГц;

● стенд, содержащий ещё два встроенных генератора с фиксированными частотами: высокочастотный (Г1) с частотой около 20 кГц и низкочастотный (Г3) с сетевой частотой 50 Гц; выходные напряжения генераторов не превышают 1-2 В. В стенде смонтированы также две фазосдвигающие цепочки.

В се необходимые схемы, регулировки и коммутационные гнёзда выведены на лицевую панель стенда (рис. 10). Регулятор «КОРР. Х» позволяет немного менять выходное напряжение генератора Г3 с целью точного вписания эллипсов и других фигур Лиссажу в горизонтальные габариты сетки экрана, поскольку осциллограф С1-65 не имеет плавной регулировки усиления по каналу Х. Регулятор «R» − это переменный резистор, установленный в мостовой схеме фазосдвигающей цепочки. Для удобства выполнения работы выход генератора Г3-109 (клеммы « » и «С.Т») выносятся на базовые гнёзда на стенде (гнёзда «Вых. Г2»).

Встроенный генератор Г1 (f≈20 кГц) в работе используется только для исследования биений.

Установка для измерения скорости звука в воздухе включает в себя те же звуковой генератор Г3-109 и осциллограф С1-65, а также источник звука (громкоговоритель) и приёмник (микрофон), установленные на лабораторном рельсе с линейкой.

2.2. Измерения

2.2.1. Сложение однонаправленных колебаний

с одинаковыми частотами

1. Включить осциллограф и установить его в режим непрерывной развёртки. На экране должна появиться горизонтальная линия. Выставить её точно посередине экрана. Отрегулировать фокус и умеренную яркость. Частота развёртки – 5 или 10 мс/дел.

2. Включить стенд. Найти на стенде простую RC-цепочку и подключить её к клеммам «Вых. Г3» низкочастотного встроенного генератора Г3, как показано на рис. 10. Регулятор «Корр. Х» установить на максимум.

3. Поочерёдно подавая на вход Y осциллографа напряжения с резистора, с конденсатора и со всей цепочки, измерить амплитуды U_R, U_C и U.

4. По формуле (3) определить фазовый сдвиг φ между напряжениями u_R(t) и u_C(t), а по формуле (4) – фазовый сдвиг ψ.

5. Изобразить векторную диаграмму напряжений U_R, U_C и U, взяв в качестве базового вектор U_R.

6. Зная частоту (f=50 Гц) и ёмкость конденсатора (С=1 мкФ), по векторной диаграмме определить сопротивление резистора R.

7. Отсоединить RC-цепочку от генератора и осциллографа.

2.2.2. Наблюдение биений

В этом опыте используются два генератора: встроенный в стенд Г1 (f₁≈20 кГц), выходные гнёзда которого «Вых. Г1» находятся на лицевой панели стенда, и промышленный Г3-109 (условно Г2).

Исходные положения регулировок генератора Г3-109:

● «РЕГУЛИРОВКА ВЫХОДА» − на нуле;

● шкала частот – 170 Гц;

● «МНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ» − в положении «10²»;

● ступенчатый переключатель выходного напряжения – любое;

● переключатель «НАГРУЗКА, Ω» − в положении «5».

Осциллограф остаётся в режиме непрерывной развёртки. Частота развёртки – 0,5 или 0,2 мс/дел; усилитель канала Y – в положении «1 В/дел».

1. Соединить выходные клеммы « » и «С.Т» генератора Г3-109 с базовыми гнёздами «Вых. Г2» на стенде. Во всей дальнейшей работе эти гнёзда на стенде будут представлять генератор Г2 (Г3-109).

2. Подключить генератор Г2 от гнёзд на стенде к осциллографу.

3. Включить генератор Г3-109. Ручкой «РЕГУЛИРОВКА ВЫХ.» установить его выходное напряжение около 2 В по амплитуде (амплитуда контролируется по экрану осциллографа).

4. Соединить генераторы Г1 и Г2 последовательно и подключить их ко входу Y осциллографа, как показано на соответствующей схеме стенда. На экране должна появиться картинка биений. Ручкой синхронизации «УРОВЕНЬ» на осциллографе сделать картинку неподвижной. Отрегулировать её яркость и фокус.

5. Слегка меняя выходное напряжение Г3-109, добиться максимальной глубины биений, т.е. выровнять амплитуды U₂ и U₁. Вариацией частоты f₂ генератора Г3-109 в пределах 16…19 кГц добиться хорошего ВЧ-заполнения низкочастотных модуляций: 10-15 высокочастотных колебаний на один период биения. Длительность развёртки отрегулировать такой, чтобы на экране помещались 2-3 полных периода модуляций.

6. Пригласив преподавателя «полюбоваться» на картинку (т.е. фактически проверить её), перенести её в тетрадь в масштабе 1:1 с разметкой осей х (по времени) и у (по напряжению).

7. Списать со шкалы Г3-109 частоту f₂.

8. Манипулируя развёрткой, измерить по экрану период высокочастотных колебаний Т и период биений Т_б (рис. 3). Вычислить соответствующие частоты f и f_б.

9. По известной частоте f₂ (на Г3-109) и измеренной f_б определить поточнее частоту f₁ встроенного генератора Г1.

10. Отсоединить генераторы Г1 и Г2 от осциллографа.