книги из ГПНТБ / Руководство к лабораторным занятиям по физике учеб. пособие

90 1. ОЗНАКОМЛЕНИЕ С МЕТОДАМИ ФИЗИЧЕрКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

происходят в такт с исследуемым напряжением (рис. 42). Естест­ венно, что синхронизация оказывается эффективной лишь в том случае, если подается достаточно большой управляющий сигнал, а собственный период генератора близок к требуемому.

Заметим, наконец, что чувствительность электронно-лучевых трубок обычно невелика: для отклонения луча нужны десятки,

Напряжение

на сетке f W W

тиратрона

Релаксационные

колеоания

тиратрона

Рис. 42. Синхронизация генератора развертки внешним сигналом.

если не сотни вольт. При исследовании слабых напряжений сигнал приходится предварительно усиливать. Характеристиками усили­ теля — его линейностью и диапазоном пропускаемых частот — во многом определяется качество осциллографа.

Лабораторная модель электронного осциллографа, используемая в данной работе, выполнена в виде единой установки, отдельные

-У"

Рис. 43. Блок-схема учебного макета электронно­ го осциллографа ФП-33.

элементы которой расположены на прозрачной панели. Все монтаж­ ные соединения между деталями схемы можно легко проследить. Блок-схема осциллографа приведена на рис. 43. Принципиальная схема осциллографа, описание конструкции и способа действия отдельных узлов приведены в техническом описании электронного осциллографа ФП-33.

Измерения. 1. Ознакомьтесь со схемой осциллографа, определите назначение всех его ручек управления. Включите питание осцилло­ графа и проверьте действие ручек, управляющих электронным лучом (яркость, фокус, установка по горизонтали и вертикали). Осциллограф следует помещать как можно дальше от устройств, содержащих трансформаторы, так как их рассеянные поля могут заметно смещать и размывать электронный луч.

2. Определите чувствительность трубки к напряжению на пла­ стинах вертикального отклонения. Для этого выключите развертку осциллографа (тумблер В-5 в положении «Пласт, х»), выключите усилитель вертикального отклонения (тумблер В-6 в положении «Пласт, у») и подайте на пластины трубки (клеммы 11 и «Корпус») напряжение с выхода звукового генератора ГЗ-34. Выходное напря­ жение измеряется вольтметром генератора. Это напряжение не должно превышать 50 В.

Размах колебаний луча измерьте линейкой. По измеренным данным постройте зависимость отклонения луча от напряжения на пластинах «</». Определите чувствительность трубки к напряжению. При расчете чувствительности следует помнить, что длина видимой на экране световой полоски пропорциональна удвоенному значению амплитуды переменного напряжения, в то время как вольтметр показывает эффективную величину этого напряжения.

Оцените чувствительность трубки по формуле (13) и сопоставьте с измеренной.

3. Исследуйте характеристики усилителя.

а) Снимите амплитудную характеристику. Установите на выходе генератора ГЗ-34 напряжение 50 мВ. На вход осциллографа (клемма 7, «Корпус») подайте напряжение с ГЗ-34. Включите уси­ литель (переключите тумблер В-6 в положение «Усил.» и устано­ вите максимальное усиление: ручку потенциометра R13 поверните вправо до упора). Изменяя величину входного сигнала от нуля до 150 -5- 200 мВ, измерьте отклонение луча на экране. По получен­ ным данным постройте амплитудную характеристику осцилло­ графа — зависимость отклонения луча от амплитуды входного напряжения. Определите диапазон напряжений, в котором характе­ ристика осциллографа является линейной. Измерения проведите для частот 200 Гц, 2 кГц, 20 кГц. Для визуального наблюдения нелинейных искажений переключите тумблер В-5 в положение «Разв.». Меняя входной сигнал от нуля до 0,5 В и подбирая соот­ ветствующую частоту развертки, визуально определите область отклонений луча, в которой характеристику усилителя можно считать линейной.

б) Снимите частотную характеристику осциллографа. Для этого установите на входе усилителя напряжение, лежащее в пределах линейной области. Поддерживая входное напряжение постоянным, определите выходное напряжение усилителя при частотах 50, 100,

92 I. ОЗНАКОМЛЕНИЕ С МЕТОДАМИ ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

200, 400, 800, 1200, 1600, 2000, 3000, 6000, 10 000, 15 000, 20 000 Гц. При расчете следует пользоваться измеренной ранее величиной чувствительности трубки к напряжению.

По полученным данным постройте частотную характеристику осциллографа в логарифмическом масштабе по шкале частот и определите его полосу пропускания. Полоса пропускания может измеряться на разных уровнях ослабления сигнала. Если это не оговорено специально, полоса обычно измеряётся на уровне 0,7 от максимального значения.

в) Исследуйте характеристики генератора развертки. Для этого выход генератора развертки (клемма 6) подключите ко входу «у» осциллографа 0 -1 . Используя развертку осциллографа 0 -1 , исследуйте форму напряжения, вырабатываемого генератором раз­ вертки и зарисуйте ее. Посмотрите, как меняется форма пилы при плавной подстройке частоты развертки (ручка «Частота»). Частоту генератора развертки можно измерить с помощью фигур Лиссажу. Для этого на вход «х» осциллографа 0 -1 подайте напря­ жение от звукового генератора, а собственную развертку 0 -1 вы­ ключите (тумблер «Диапазон частот» поставьте в положение «Выкл.»). На экране осциллографа 0 -1 появляется при этом слож­ ная фигура, получающаяся в результате сложения двух взаимно перпендикулярных смещений луча. В нашем случае складывается пилообразное напряжение исследуемого генератора развертки и си­ нусоидальное напряжение звукового генератора, подключенное к усилителю горизонтального отклонения. Частоту звукового гене­ ратора нужно менять до тех пор, пока на экране не установится наиболее простая фигура без самопересечений. Такая фигура полу­ чается при совпадении периодов звукового генератора и исследуе­

Определите нелинейность пилообразного напряжения. С этой целью выход генератора развертки переключите на вход горизон­ тального усилителя осциллографа С1-1, а на его вертикальный вход подайте напряжение звукового генератора. Напряжение звукового генератора подайте также на клеммы синхронизации генератора развертки. Собственная развертка осциллографа С1-1 должна быть выключена.

Установите наименьшую частоту генератора развертки и так подберите частоту звукового генератора, чтобы на экране С1-1 укла­ дывалось несколько периодов колебаний. Измерьте на экране осцил­ лографа длину, занимаемую одним периодом звуковых колебаний на левом и на правом краю экрана. Определить нелинейность разверт­ ки. (Под нелинейностью понимают относительное изменение периода при переходе с левой стороны экрана осциллографа на правую.)

Повторите измерения для разных скоростей развертки вплоть до максимальной.

Исследуйте диапазон синхронизации генератора развертки. Для этого нужно измерить минимальную и максимальную частоту

Р А З Д Е Л ВТОРОЙ

МЕХАНИКА

Ра б о т а 10. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ ТЕЛ

ВПОЛЕ ТЯЖЕСТИ НА МАШИНЕ АТВУДА

Принадлежности: машина Атвуда, электрический или обыкновенный секун­

домер, набор грузов и перегрузков.

Машина Атвуда предназначена для исследования закона дви­ жения тел в поле земного тяготения. Естественнее всего, конечно, изучить этот закон, исследуя свободное падение тел. Этому мешает, однако, большая величина ускорения свободного падения. Такой опыт возможен поэтому либо при очень большой высоте прибора (намного большей, чем высота комнаты), либо при помощи спе­ циальных методов, позволяющих точно измерять небольшие про­ межутки времени (доли секунды). Машина Атвуда позволяет избе­ жать этих трудностей и замедлить движение до удобных скоростей.

Устройство машины Атвуда изображено на рис. 44. Легкий алюминиевый блок свободно вращается вокруг оси, укрепленной в верхней части стойки. Через блок перекинута тонкая нить, на концах которой висят грузы А и Б, имеющие равные массы A4. На груз А могут надеваться один или несколько перегрузков. Система грузов в этом случае выходит из равновесия и начинает двигаться ускоренно.

В начале опыта груз Б удерживается неподвижно с помощью электромагнита. Выключение тока, текущего через электромагнит, освобождает груз Б и приводит нить с грузами в движение.

Найдем закон движения груза А. При расчетах будем пользо­ ваться неподвижной системой координат, центр которой совмещен с осью блока. Ось ОХ направим вниз. Пусть масса перегрузка, лежащего на грузе А, равна т.

где а — ускорение груза А.

Применим второй закон Ньютона к движению груза Б. В силу нерастяжимости нити ускорение груза Б равно ускорению груза А по абсолютной величине и направлено в противоположную сторону.

98 II. м ех а ни ка

системы. Этот способ не может, однако, быть применен для и з м е ­ р е н и я силы трения, поскольку мешающее опыту трение сколь­ жения отнюдь не равно трению покоя.

Ясно, что получить хорошие результаты опыта можно только при том условии, если вес перегрузка (силы, вызывающей движение) во много раз больше силы трения. Сила трения определяется в основ­ ном весом груза М, а не весом перегрузка. Увеличивая вес пере­ грузка, мы улучшаем поэтому условия опыта (следует также иметь в виду вес нити, вообще говоря, ненамного меньший веса перегрузка. Вес нити влияет на движение сложным образом, так как длина ее с каждой стороны блока зависит от времени. Это влияние, однако, так же как и влияние силы трения, уменьшается с ростом т).

Величину перегрузка следует поэтому всячески увеличивать; т не может, однако, быть выбрано очень большим, так как движение при этом становится слишком быстрым, и точность измерения вре­ мени оказывается недостаточной. Лучше всего поэтому произво­

чении т до больших значений, которые на опыте непосредственно применяться не могут. Проще всего находить предел графически. Для этого следует построить график, в котором по оси абсцисс откладывается величина Мт, а по оси ординат — найденное при данном т значение g. Проведенную через экспериментальные точки кривую нужно экстраполировать (продолжить) к большим значе­ ниям т, т. е. к малым значениям Мт, практически к Мт — О (откладывать по оси абсцисс не обратную величину массы, а саму массу перегрузка т нельзя, так как в этом случае пришлось бы экстраполировать кривую к большим — в пределе к бесконечно большим — значениям т, чего нельзя сделать графически).

Найденное экстраполированное значение g и следует сравнивать с табличным. При этом студенту предлагается самому подумать над тем, как оценить точность полученного результата.

Измерения. 1. Измерив трение покоя, оцените наименьшую ве­ личину перегрузка, при которой имеет смысл ставить опыт.

2.Оцените наибольшую разумную величину перегрузка, изме­ рив время движения системы грузов при разных перегрузках.

3.Для нескольких (4-г-7) перегрузков произведите измерения промежутков времени t, в течение которых груз пройдет различные пути 5 (для каждого перегрузка 5ч-8 значений, приблизительно равномерно распределенных). Полученные результаты изобразите

графически в координатах } S, t. Проверьте равноускоренный характер движения, найдите ускорение а длц каждой величины перегрузка. Оцените точность измерения а.

4. Используйте найденные значения а для определения экстра­ полированного значения g. Оцените точность найденного значения. Сравните полученное значение с табличным.

Р а б о т а 11. ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ

НА КРЕСТООБРАЗНОМ МАЯТНИКЕ ОБЕРБЕКА

Принадлежности: маятник Обербека, набор грузов, секундомер, масштаб­ ная линейка, штангенциркуль.

Вращение твердого тела постоянной массы вокруг неподвижной оси описывается уравнением моментов

редвигая грузы т вдоль спиц.

Момент сил создается грузом р, привязанным к нити Н, которая навита на один из шкивов. Если момент сил трения Л4ТГ, приложен­ ный к оси маятника, мал по сравнению с моментом -М силы натя­ жения нити, то проверка уравнения (1) не представляет труда. Действительно, измеряя время t, в течение которого груз р из состояния покоя опустится на расстояние h, можно легко найти

которое связано с угловым ускорением da/dt очевидным соотно­ шением