Контрольные вопросы

1. Назовите основные кинематические характеристики движения, дайте их определения и запишите определяющие их формулы.

2. Какое движение называется равноускоренным? Запишите уравнения равноускоренного движения.

3. Сформулируйте законы динамики поступательного движения материальной точки и вращательного движения твердого тела с неподвижной осью вращения.

4. Как доказать, что ускорения правого и левого грузов одинаковы?

5. Будет ли зависимость a от m₁g носить линейный характер, если не выполняется условие ?

6. Как можно графически определить ускорение движения груза на машине Атвуда?

7. Как можно определить момент трения, действующий на блок в машине Атвуда?

Лабораторная работа №2

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА.

Цель работы: изучить устройство и принцип действия электронного осциллографа и приобрести навыки работы с ним.

Оборудование: 1. Электронный осциллограф.

2. Источник питания.

3. Магазин сопротивлений.

4. Вольтметр.

Теоретическая подготовка: по учебникам [2,4,5] или конспекту необходимо изучить тему «Электрическое поле в вакууме». Особое внимание обратить на устройство электронного осциллографа и назначение его основных блоков, а так же на уяснение сущности процесса формирования изображения исследуемого сигнала на экране осциллографа.

Сущность лабораторной работы и методика эксперимента.

Электронный осциллограф предназначен для исследования быстропеременных, периодических процессов. С его помощью можно измерять силу тока, напряжение, сдвиг фаз между ними, сравнивать частоты и амплитуды различных переменных напряжений. Применение различных преобразователей позволяет определять с помощью осциллографа неэлектрические величины, например, давление, механическое напряжение, промежутки времени, индукцию магнитного поля.

Электронный осциллограф обладает высокой чувствительностью и безинерционностью действия, что позволяет исследовать процессы длительностью до 10^-10с.

Устройство электронного осциллографа: основная часть электронного осциллографа - электронно-лучевая трубка (см. Рис.2.1), которая состоит из стеклянного баллона, откачанного до давления порядка 10^-4 Па. Внутрь трубки впаяны электроды.

Источником электронов служит катод 2, подогреваемый спиралью 1. Между катодом и первым анодом 4 приложено ускоряющее напряжение порядка 1000В. Электроны, ускоренные электрическим полем, бомбардируют флуоресцирующий экран 8, вызывая его свечение. Катод находится внутри цилиндра 3, служащего для регулировки яркости электронного луча. В основании этого цилиндра сделано отверстие для пропускания узкого пучка электронов. Подавая отрицательный, по отношению к катоду потенциал на электрод 3, можно уменьшить количество электронов, проходящее через отверстие и, следовательно, яркость пятна на экране.

Второй анод 5, потенциал которого выше потенциала первого анода, служит для фокусирования электронного луча. Регулируя потенциал второго анода, можно получить на экране ярко светящуюся точку. Выйдя из второго анода, электронный луч проходит между двумя парами отклоняющих пластин 6 и 7. Если на любую пару пластин подать напряжение, то электронный луч отклонится под действием электрического поля пластин.

Принцип действия электронного осциллографа: пусть под действием напряжения U_x приложенного к горизонтально отклоняющим пластинам 6, след электронного луча на экране смещается на величину Х в горизонтальном направлении, а под действием U_y, приложенного к вертикально отклоняющим пластинам 7, -на величину Y по вертикали. Тогда величины

S_x = X/ U_x и S_y =Y/ U_y

являются чувствительностью осциллографа к напряжению по осям X и Y соответственно. Чувствительность к напряжению равна величине отклонения электронного луча на экране при разности потенциалов на пластинах, равной 1В. Следует знать, что при изучении каких-либо процессов с помощью осциллографа исследуемый сигнал обычно подается на вертикально отклоняющие пластины (вход Y).Если исследуемый сигнал представляет собой переменное напряжение U_y= U₀sint, то световое пятно на экране будет совершать гармонические колебания. Вследствие световой инерции экрана и способности глаза сохранять некоторое время изображение на экране будет видна неподвижная вертикальная линия. Если одновременно на горизонтально отклоняющие пластины подать напряжение, возрастающее со временем по линейному закону U_x = kt, то световое пятно на экране будет равномерно перемещаться слева направо. Результирующая траектория луча в этом случае будет представлять зависимость исследуемого напряжения от времени.

1

6

2

3 4 7 8

Рисунок 2.1.

Если по истечении времени, равного периоду исследуемого колебания, напряжение U_x скачком падает до 0 , то световое пятно скачком возвращается в исходное положение. Если U_x вновь возрастает по тому же закону, то на экране осциллографа вновь воспроизводится исследуемое напряжение. Таким образом, для получения развертки исследуемого напряжения во времени необходимо подать «пилообразное» напряжение (рис.2.2) на горизонтально отклоняющие пластины. Периоды пилообразного и исследуемого напряжения должны быть одинаковыми, иначе кривая на экране будет двигаться.

Источник «пилообразного» напряжения - релаксационный генератор (генератор развертки). Осциллограф снабжен автоматическим устройством для синхронизации «пилообразного» напряжения с исследуемым.

Органы управления электронным осциллографом: все органы управления осциллографом вынесены на лицевую и боковую панели корпуса, а их функции указаны в надписях. Эти органы можно классифицировать таким образом:

1. органы управления электронным лучом: яркость, фокус, смещение луча по осям X и Y;

2. орган управления вертикальным отклонением луча: ступенчатый аттенюатор, предназначенный для уменьшения входного сигнала в 10, 100, 1000 раз, и потенциометр входа усилителя вертикального отклонения луча;

3. орган управления горизонтальным отклонением луча - потенциометр входа усилителя горизонтального отклонения луча;

4. органы управления генератором развертки: переключатель диапазона частоты развертки (цифрами указаны пределы частот каждого диапазона, в положении “0” горизонтальный вход X подключается к горизонтальному усилителю, а генератор развертки выключается), плавный регулятор амплитуды синхронизирующего напряжения и переключатель источника синхронизации.

0

Рисунок 2.2.

Для удобства пользования осциллографом все органы управления размещены по группам следующим образом: регуляторы электронного луча помещены в верхней части панели; регуляторы развертки - в ее средней части; регуляторы усилителей - внизу панели. При этом регуляторы, относящиеся к вертикальному отклонению луча, помещены слева, а регуляторы горизонтального отклонения луча - справа.

R₁

R₂

y x

Рисунок 2.3.

Подготовка осциллографа к работе:

1. установить ручки управления в следующие положения: регулятор яркости – в крайнее правое положение, регулятор фокуса – в среднее положение, регулятор вертикального входа (ручка “Усиление”) – в крайнее левое положение, регулятор горизонтального входа (ручка “Усиление X”) – на 2-3 деления, переключатель диапазонов развертки – в положение “30”;

2. выключатель сети переключить в верхнее положение. При этом должна загореться сигнальная лампочка, расположенная на лицевой панели;

3. через 1-2 минуты на экране должен появиться широкий яркий штрих. Если штрих не появится, то это обычно является следствием слишком большого отклонения луча за пределы экрана. Перевод луча в пределы экрана производится регуляторами смещения луча по X и Y. Для чего, устанавливая регулятор смещения луча по вертикали в разные положения через 2-3 деления, начиная с крайнего правого, в каждом из этих положений следует медленно поворачивать регулятор смещения луча по X в обе стороны до тех пор, пока луч не появится на экране осциллографа;

4. уменьшить яркость луча, поворачивая регулятор яркости вправо и регулировкой фокуса добиться четкого изображения на экране;

5. подать на вход Y временное напряжение от ЛАТРа не более 50В. Аттенюатор вертикального входа установить в положение “1:10”. Регуляторами усиления по X и Y установить соответствующую величину изображения по вертикали к горизонтали;

6. переключатель источника синхронизации установить в положение “Внутрь” или от “Сети”, а регулятор амплитуды синхронизации – в крайнее левое положение;

7. медленно вращая ручку “Частота плавно”, получить изображение одного периода синусоиды;

8. синхронизировать работу генератора развертки с выходным сигналом, медленно поворачивая регулятор амплитуды синхронизации, при этом изображение на экране осциллографа должно стать неподвижным;

9. изменяя положение синусоиды на экране медленным вращением ручек “Частота плавно” и смещения по X и Y, добиться симметричного положения изображения одного периода синусоиды входного сигнала относительно центра экрана;

10. просмотреть на экране различные изображения входного сигнала, изменяя частоту генератора развертки переключателей диапазонов частоты, и ручкой “Частота плавно”.

ПРЕДОСТЕРЕЖЕНИЕ. При просмотре изображения не допускать чрезмерной яркости луча и не оставлять луч в виде яркой точки длительное время неподвижным на экране. Это приводит к выгоранию люминофора на экране.

Определение чувствительности осциллографа: для определения чувствительности осциллографа необходимо собрать схему, изображенную на рис.2.3.

Переменное напряжение от ЛАТРа, измеряемое вольтметром, подается на два последовательно соединенных магазина сопротивлений R₁ и R₂, падение напряжения на сопротивлении R₂ – на вход Y осциллографа. Измерив длину штриха Y на экране осциллографа и зная, что она равна двум смещениям, можно определить чувствительность осциллографа по формуле:

S _y = ,

где – напряжение на входе у осциллографа. По закону Ома для участка цепи:

= IR₂ , (2.1)

Сила тока через R₁ и R₂:

I=, (2.2) где U - мгновенное напряжение на выходе источника питания (ЛАТРа). Вольтметр измеряет эффективное напряжение = ,

следовательно,

, (2.3)

тогда чувствительность осциллографа:

S_у= . (2.4)