- •Общие указания Охрана труда и техника безопасности при проведении лабораторных работ
- •Требования к оформлению отчетов
- •Библиографический список
- •Обработка результатов измерений
- •Правила обработки результатов прямых Измерений
- •I. Учет случайных составляющих неопределенности (погрешности)
- •II. Учет неопределенностей, обусловленных систематическими ошибками
- •III. Промахи
- •IV. Доверительный интервал в общем случае
- •Обработка результатов косвенных измерений
- •Работа 60: резонанс в электрическом колебательном контуре
- •1. Цель работы
- •2. Основные теоретические положения
- •Принцип метода измерений и рабочая формула
- •Измеряемый объект
- •Описание лабораторной установки
- •Порядок выполнения работы
- •Вычисления и обработка измерений
- •8. Контрольные вопросы
- •Работа 61. Измерение диэлектрической восприимчивости вещества методом резонанса в колебательном контуре
- •1. Цель работы
- •2. Основные теоретические положения
- •3. Измеряемый объект
- •4. Метода измерений, схема установки и рабочая формула
- •5. Порядок выполнения работы
- •6. Контрольные вопросы
- •1. Цель работы
- •2. Краткая теория исследуемого явления
- •3. Принцип метода измерений и рабочая формула
- •4. Измеряемый объект
- •5. Экспериментальная установка в статике и динамике
- •6. Порядок выполнения работы
- •6. Контрольные вопросы
- •Работа 63. Определение показателя преломления стекла интерференционным методом
- •1. Цель работы
- •2. Краткая теория исследуемого явления
- •3. Принцип метода измерения и рабочая формула
- •4. Измеряемый объект
- •5. Экспериментальная установка
- •6. Порядок выполнения работы
- •7. Наставление по обработке результатов и выводу формул
- •8. Контрольные вопросы
- •Работа 64. Определение длины волны излучения лазера при помощи бипризмы френеля
- •1. Цель работы
- •2. Краткая теория исследуемого явления
- •3. Измеряемый объект
- •4. Принцип метода измерения
- •5. Экспериментальная установка в статике и динамике
- •6. Порядок выполнения работы
- •7. Обработка результатов измерений
- •8. Контрольные вопросы
- •Работа 65. Определение радиуса кривизны линзы при помощи наблюдения интерференционной картины «кольца ньютона»
- •1. Цель работы
- •2. Краткая теория исследуемого явления
- •3. Принцип метода и рабочая формула
- •4. Измеряемый объект
- •5. Описание лабораторной установки
- •6. Порядок выполнения работы
- •7. Обработка результатов измерений
- •8. Контрольные вопросы
- •Работа 66. Исследование дисперсии света на стеклянной призме
- •1. Цель работы
- •2. Основные теоретические положения
- •3. Принцип метода измерения и рабочая формула
- •4. Измеряемый объект
- •5. Установка в статике
- •6. Настройка спектроскопа (установка в динамике)
- •7. Порядок выполнения работы
- •8. Контрольные вопросы
- •Работа 67. Исследование спектра ртутной лампы при помощи дифракционной решетки
- •1. Цель работы
- •2. Основные теоретические положения
- •3. Измеряемый объект
- •4. Описание лабораторной установки
- •5. Порядок выполнения работы
- •6. Контрольные вопросы
- •Работа 68. Изучение дифракционной решетки и определение длин волн линий ртути
- •1. Цель работы
- •2. Краткая теория исследуемого явления
- •3. Измеряемый объект
- •4. Принцип метода и рабочая формула
- •5. Экспериментальная установка
- •6. Порядок выполнения работы
- •7. Обработка результатов измерений
- •8. Контрольные вопросы
- •Работа 69. Определение длины световой волны лазера с помощью дифракционной решетки
- •1. Цель работы
- •2. Краткая теория исследуемого вопроса
- •3. Измеряемый объект
- •4. Принцип метода измерения и рабочая формула
- •5. Экспериментальная установка в статике и динамике
- •6. Порядок выполнения работы
- •7. Обработка результатов измерений
- •8. Контрольные вопросы
- •Работа 70. Изучение дифракции фраунгофера на одной и двух щелях
- •1. Цель работы
- •2. Краткая теория исследуемого явления
- •3. Принцип метода измерения и рабочая формула
- •4. Измеряемый объект
- •5. Экспериментальная установка
- •6. Порядок выполнения работы
- •8. Наставление по обработке результатов и выводу формул
- •9. Контрольные вопросы
- •Работа 71. Измерение степени поляризации частично поляризованного света
- •1. Цель работы
- •2. Краткая теория исследуемого явления
- •3. Экспериментальная установка для измерения степени поляризации частично поляризованного света в статике
- •4. Принцип метода измерения (действия установки) и рабочая формула
- •5. Порядок выполнения работы
- •6. Контрольные вопросы
- •Работа 72. Изучение поляризации света
- •1. Цель работы
- •2. Краткая теория исследуемого явления
- •3. Принцип метода измерения и рабочая формула
- •4. Измеряемый объект
- •5. Экспериментальная установка
- •6. Порядок выполнения работы
- •8. Наставление по обработке результатов и выводу формул
- •9. Контрольные вопросы
- •Работа 73. Ознакомление с работой газового лазера
- •1. Цель работы
- •2. Краткая теория исследуемого явления
- •3. Принцип метода измерения и рабочие формулы
- •4. Измеряемый объект
- •5. Экспериментальная установка в статике и динамике
- •6. Порядок выполнения работы
- •7. Обработка результатов измерения
- •8. Вопросы для проверки
- •Работа 74. Измерение глубины царапин и высоты выступов на поверхностипри помощи микроинтерферометра линника
- •1. Цель работы
- •2. Краткая теория исследуемого явления
- •3. Принцип метода измерения и рабочая формула
- •4. Измеряемый объект
- •5. Экспериментальная установка
- •6. Порядок выполнения работы Настройка микроинтерферометра
- •Измерения на интерферометре
- •Приближенное измерение глубины канавок
- •Измерение с помощью винтового окулярного микрометра мов-1-16х
- •Измерение величины интервала между полосами
- •Измерение величины изгиба полос
- •Вычисление высоты неровности
- •7. Наставление по обработке результатов и выводу формул
- •8. Контрольные вопросы
- •Содержание
Обработка результатов косвенных измерений
1. Косвенными являются измерения, при которых искомую физическую величину Z определяют путем вычислений по результатам прямых измерений других величин. Поэтому после проведения прямых измерений и оценки их неопределенностей (погрешностей) необходимо вычислить среднее значение искомой величины (Zср) по рабочей формуле, в которую подставляют средние значения величин, полученных из прямых измерений.
2. Для оценки неопределенностей (погрешностей) косвенных измерений величины Z необходимо вывести формулу для ее относительной погрешности . Пусть искомая величина Z является функцией нескольких переменных: .
Тогда
(7)
где – частные производные, которые вычисляются при средних значениях результатов прямых измерений Ym; Ym – граница доверительного интервала для прямого измерения Ym.
Формула для расчета относительной неопределенности косвенных измерений в некоторых простейших случаях представлена в таблице 2, где символы Y обозначают границы доверительного интервала для измеряемых величин Y.
Таблица 2
Вид функциональной зависимости |
Относительная стандартная неопределенность |
Z = Y1 Y2 |
|
Z = Y1 Y2 |
|
Z = Y1 / Y2 |
|
|
3. После вывода формулы относительной погрешности необходимо по ней вычислить значение , а затем определить доверительный интервал Z искомой величины:
Z = Zср .
Окончательный результат следует представить в стандартной форме:
(Zср – Z) … (Zср + Z).
Работа 60: резонанс в электрическом колебательном контуре
1. Цель работы
Ознакомление с электрическим колебательным контуром (на примере последовательного контура) и явлением резонанса в контуре. Экспериментальное определение индуктивности контура.
2. Основные теоретические положения
Наряду с механическими колебаниями и колебательными системами существуют электрические, точнее электромагнитные, колебания и колебательные системы. Такие колебательные системы являются непременной частью многих радиоприемных и передающих устройств.
Рис. 1
Простейшей электрической колебательной системой является так называемый последовательный колебательный контур, состоящий из последовательно подключенного резистора R, катушки индуктивности L и конденсатора С (рис.1).
Если такой контур присоединить к источнику переменной ЭДС (), то в таком контуре устанавливаются вынужденные гармонические колебания, совершающиеся с частотой ω источника.
Согласно второму правилу Кирхгофа, действующая в контуре ЭДС равна сумме падений напряжений на его элементах:
(1)
где – соответственно падения напряжения на резисторе, катушке индуктивности и конденсаторе.
Падения напряжения соответственно равны
(2)
где q – заряд на обкладках конденсатора, – ток в контуре.
Подставив в (1) выражения для , и из (2), получим
(3)
Продифференцируем это выражение по времени
.
Подставив в это выражение, найдем дифференциальное уравнение вынужденных колебаний, которому должна удовлетворять сила тока в контуре: (1)
(4)
Частное решение этого уравнения будем искать в виде периодической функции от времени:
(5)
где I0 – амплитуда тока, а φ – разность фаз между током и ЭДС. Составляя первую и вторую производные от тока I по времени, получим:
Из полученных соотношений видно, что напряжения на конденсаторе и катушке индуктивности сдвинуты по фазе на 1800, т.е. противофазны.
Подставляя значения и I в уравнение (4) и разделив правую и левую части на ω, найдем:
Представляя и через синусы и косинусы от ωt и φ, получим:
Так как это равенство должно выполняться для любого момента времени, то множители при и должны равняться нулю, откуда получаем два уравнения:
(6)
Из первого уравнения (6) имеем:
(7)
Возводя равенства (6) в квадрат и складывая их, найдем:
Таким образом, амплитуда тока в контуре равна
(8)
Равенства (5), (7) и (8) дают искомое решение: в цепи течет ток I того же периода, что и приложенная ЭДС; амплитуда этого тока I0 определяется равенством (8). Ток сдвинут по фазе относительно ЭДС на угол φ, определяемый равенством (7).
Величина называется полным сопротивлением цепи, которое зависит как от значений R, L, C, так и от частоты тока ω, и состоит из активного (омического) R и полного реактивного сопротивлений . Таким образом, , где , – индуктивное, – емкостное реактивные сопротивления. При некоторой частоте ω = ωрез, называемой резонансной частотой, полное реактивное сопротивление обращается в нуль:
(9)
а полное сопротивление достигает минимума и равно омическому сопротивлению Z = R; на этой частоте амплитуды падений напряжений на катушке индуктивности и на конденсаторе равны, а амплитуда силы тока достигает максимального значения:
Это явление носит название резонанса: амплитуда силы тока достигает максимума при некотором определенном значении частоты , которое совпадает с собственной частотой ω0 контура для незатухающих колебаний и значение которой в соответствии с формулой (9), равно:
. (10)
Зависимость от частоты амплитуды тока I0 , а также напряжений U0L и U0C называют резонансными кривыми и имеют тем более острый максимум, чем меньше омическое сопротивлений R (рис.2 а,б):
а)
б)
Рис. 2
Так как ток в цепи максимален, то на резонансной частоте падения напряжений на конденсаторе и катушке индуктивности достигают больших и одинаковых по амплитуде значений:
(11)
Величина называется волновым сопротивлением контура.
По формуле (7) при резонансе разность фаз φ = 0. При разность фаз , т.е. ток опережает значение ЭДС; при разность фаз ; в этом случае ток отстает от ЭДС. На рис. 2а кривая 1 дает изменение силы тока с частотой при заданной ЭДС и постоянных L и C; кривая 2б дает зависимость сдвига фазы φ от частоты.
Соотношения между переменным током I и напряжениями делаются особенно наглядными, если изображать их (как и гармонические колебания) с помощью векторов. Выберем произвольное, предпочтительнее горизонтальное, направление, которое назовем осью токов (рис.3).
Рис. 3
Отложим вдоль этого направления вектор тока длиной I0. Посмотрим, как соотносятся вектора по отношению друг к другу и вектору тока I0:
а) вектор UR = R I = совпадает по направлению с вектором тока I. Отложим U0R вдоль вектора тока.
b) вектор ; т.е. напряжение UL опережает ток I на π/2. Отложим U0L вертикально вверх.
c) вектор ; т.е. напряжение UC отстает от тока I на π/2. Отложим U0C вертикально вниз.
Из рис.3 видно, что, как ранее было отмечено, вектора UL и UC направлены противоположно по отношению друг к другу. На резонансной частоте падение напряжения на катушке индуктивности и конденсаторе, согласно (9), равны. На резонансной частоте напряжения на катушке индуктивности и на конденсаторе компенсируют друг друга и ЭДС становится равной UR. Поэтому явление резонанса в последовательном контуре называется резонансом напряжений.
Вне резонанса реактивное сопротивление контура уже не равно нулю, полное сопротивление Z возрастает, а амплитуда тока уменьшается по сравнению со значениями на резонансе.
Качество колебательного контура характеризуется добротностью, которая обычно значительно больше единицы и равна отношению запасенной в контуре энергии за один период к теряемой контуром энергии (выделение тепла на омическом сопротивлении) за тот же период, и может быть определена как
(12)
Из выражений (11) видно, что на резонансе , следовательно,
добротность показывает, во сколько раз на резонансе амплитуда напряжения на конденсаторе (или на катушке индуктивности) больше амплитуды ЭДС.
Добротность характеризует остроту резонансных кривых и может быть непосредственно определена экспериментально. В случае малых значений затуханий (потерь) добротность определяется соотношением:
(13)
где , где и – частоты, на которых амплитуда тока в раз меньше резонансного значения. Добротность Q и логарифмический декремент колебаний λ контура связаны соотношением: