Порядок выполнения работы. Для получения звукового сигнала надо:

Для получения звукового сигнала надо:

1. С разрешения преподавателя (лаборанта) включить тумблерами «сеть» питание звукового генератора (ЗГ), усилителя низкой частоты (УНЧ), осциллографа (ЭО), и после прогрева ламп приборов (2 – 3 мин) установить поворотом ручки регулировки громкости УНЧ по часовой стрелке до упора максимальную громкость усилителя. Затем, регулируя выходную мощность звукового генератора (ЗГ) ручкой на верхней половине передней панели (при этом отклоняется стрелка прибора, смонтированного под ручкой), установить слабую, но хорошо слышную в наушниках громкость звучания.

2. Установить частоту генератора Гц.

3. Установить положение ручек осциллографа как указано на рисунке, расположенном над установкой. Ручками “Яркость” и ”Фокус” добиться нормальной яркости и фокусировки. Ручками ”Синхрон.” и ”Частота плавно” добиться устойчивой картинки (синусоиды). Ручкой ”Усиление” отрегулировать амплитуду синусоиды. Ее следует взять, равной половине диаметра экрана.

4. Медленно и равномерно отодвигая поршень (П) от телефона (Т), отмечают мелом на шкале точки резкого усиления звука (пучности стоячей волны) по всей длине трубки.

5. Измеряют расстояния между этими пучностями и записывают в таблицу. Находят среднее значение .

6. Зная, что расстояние между двумя пучностями равно половине длины волны , находят длину волны: .

7. По формуле, связывающей длину волны со скоростью распространения и частотой, находят скорость : .

8. Повторить опыты (пункты 4, 5, 6, 7,) при других частотах ( Гц и Гц).

9. Вычислить среднее значение скорости звука.

10. По формуле (2) рассчитать показатель адиабаты (коэффициент Пуассона). Температура Т воздуха определяется по комнатному термометру.

11. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу и рассчитать погрешности

№ опыта
Ср. знач.

Контрольные вопросы

1. Что называется интерференцией волн?

2. Какие волны называются когерентными?

3. Запишите и поясните условие максимума и минимума.

4. Что называется стоячей волной, и как она возникает?

5. Записать и объяснить уравнения бегущей и стоячей волн.

6. Что называется узлом и пучностью стоячей волны?

7. Что называется длиной стоячей волны , и как она связана с длиной бегущей волны?

8. Происходит ли перенос энергии в стоячей волне?

9. Запишите и поясните формулу для определения скорости звука в газах.

10. Запишите формулу, выражающую связь длины волны со скоростью и частотой .

11. Какой процесс протекает в трубе с газом? Запишите уравнение, описывающее этот процесс.

Литература

1. Яворский Б.М., Детлаф А.А. и др. Курс физики, т.1.

2. Шубин А.С. Курс общей физики.

3. Савельев И.В. Курс общей физики, т.1.

4. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики, т.1.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ИЗУЧЕНИЕ СЛОЖЕНИЯ ВЗАИМНО ПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫХ КОЛЕБАНИЙ. ФИГУРЫ ЛИССАЖУ

Цель работы: Изучение физических процессов методом осциллографирования.

Задачи работы:

1. Изучить устройство и работу электронного осциллографа;

2. Определить чувствительность трубки;

3. Получить фигуры Лиссажу;

4. Проверка градуировки звукового генератора по фигурам Лиссажу.

Приборы и принадлежности: электронный осциллограф ЭО-7, звуковой генератор ЗГ, трансформатор, вольтметр переменного тока, делитель напряжения.

Устройство и работа электронного осциллографа

Электронный осциллограф в основном предназначен для исследования быстропеременных периодических процессов. Например, с помощью осциллографа можно измерять силу тока и напряжение и их изменение во времени, сдвиг фаз между ними, сравнивать частоты и амплитуды различных переменных напряжений. Кроме того, осциллограф при применении соответствующих преобразователей позволяет исследовать неэлектрические процессы, например, измерять малые промежутки времени, кратковременные давления и т.д. Электронный осциллограф позволяет наблюдать и фотографировать кратковременные процессы длительностью 10^-6 - 10^-7 сек. Регистрировать столь кратковременные процессы можно потому, что в приборе фиксирующей системой служит практически безинерционный электронный луч.

Осциллограф можно приспособить и для наблюдения низкочастотных периодических процессов, например, колебаний биопотенциалов сердца. Такой прибор, называемый электрокардиоскопом, применяется при операциях, т.к. дает возможность непрерывно следить за работой сердца больного по электрокардиограмме, получаемой на экране электронно-лучевой трубки.

Электронно-лучевой осциллограф состоит из электронно-лучевой трубки, генератора развертки, двух усилителей и блока питания.

Для ознакомления с работой осциллографа разберем назначение каждой его части.

Электронно-лучевая трубка

Важнейшим элементом катодного осциллографа является электронно-лучевая трубка, которая внешне представляет собой стеклянную колбу специальной формы с высоким вакуумом.

Электронно-лучевая трубка дает возможность получить узкий, сфокусированный пучок электронов.

Рис. 1

Электронно-лучевые трубки могут быть двух типов: электростатические и магнитные. В трубках первого типа фокусировка и отклонение луча осуществляются электрическим полем, в трубках второго типа – магнитным.

В данной работе применяется осциллограф с электростатической электронно-лучевой трубкой.

Электронно-лучевая трубка (рис.1) состоит из электронной пушки (на рисунке выделена пунктиром), дающей пучок электронов, двух пар отклоняющих пластин П_х и П_у, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях, и флуоресцирующего экрана ФЭ.

Электронная пушка позволяет получить узкий сфокусированный поток электронов. Она состоит из накаливаемого катода К, управляющего электрода УЭ и двух анодов а₁ и а₂ (а₁ – фокусирующий анод, а₂ – ускоряющий анод).

В электронно-лучевых трубках применяется накаливаемый катод с оксидным покрытием для увеличения термоэлектронной эмиссии. Для излучения электронов только в одном направлении катод делается в виде маленького металлического цилиндра с оксидным покрытием с торца.

Рис. 2

Металлический цилиндр одет на тонкую фарфоровую трубочку, внутри которой помещается нить подогрева. Катод электронно-лучевой трубки окружен металлическим цилиндром (сеткой) с отверстием (диафрагмой) в торце, через которое могут проходить электроны. Этот цилиндр называется управляющим электродом. Управляющий электрод служит для регулировки количества электронов в электронном пучке, т.е. позволяет регулировать яркость пятна на экране. Управляющий электрод имеет отрицательный потенциал относительного катода.

Действие управляющего электрода на электроны состоит в следующем. Электрон, вылетая из катода в направлении к точке А (рис 2), попадает в электростатическое поле. На рисунке показано направление сил F, действующих на электрон со стороны электрического поля управляющего электрода. Вследствие отрицательного заряда электрона эти силы направлены противоположно вектору напряженности электрического поля управляющего электрода, т.е. от минуса к плюсу.

Под действием сил электростатического поля электрон отклонится от первоначального направления своего движения к центру торца управляющего электрода (точка Б).

Аналогичное явление произойдет с электроном, вылетающим в направлении к точке В. В точке Б пути всех электронов пересекутся, и, следовательно, все электроны будут собраны в узкий пучок.

Если увеличить отрицательный потенциал управляющего электрода, то электростатическое поле будет сильнее отклонять электроны, и часть их уже не сможет пройти через отверстие О управляющего электрода. Таким образом, меняя число электронов в электронном луче, можно регулировать яркость пятна на экране.

При удалении от точки Б электронный луч снова расходится, так как напряженность поля внутри первого анода близка к нулю.

Для получения узкого луча после точки Б требуется дополнительная фокусировка. Эта фокусировка осуществляется с помощью двух цилиндрических анодов а₁ и а₂. Оба анода имеют положительный потенциал относительно катода. Второй анод имеет более высокий потенциал по сравнению с первым, поэтому между анодами создается некоторое ускоряющее электростатическое поле, которое ускоряет электроны и концентрирует их в узкий луч, иными словами, ускоряющее поле препятствует рассеянию электронов.

По выходе из второго анода сфокусированный электронный луч проходит две пары отклоняющих пластин (конденсаторов) П_у и П_х, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Горизонтально расположенные пластины П_у служат для отклонения луча в вертикальном направлении и называются вертикально отклоняющими пластинами. Вторая пара пластин П_х служит для отклонения луча в горизонтальном направлении и называется горизонтально отклоняющими пластинами.

При подведении к двум параллельным пластинам (конденсаторам) постоянного напряжения между пластинами возникает однородное электростатическое поле.

Электронный луч, проходя через электростатическое поле между двумя конденсаторами, отклоняется от своего первоначального пути. Он как бы «притягивается» к пластине с большим потенциалом. Это свойство электростатического поля позволяет перемещать электронный луч по экрану под действием напряжения, приложенного к отклоняющим пластинам электронно-лучевой трубки. Величина отклонения электронного луча зависит от скорости движения электронов и от величины напряжения, приложенного к пластинам.

В каждой данной трубке скорость потока электронов и расстояние между пластинами и экраном постоянны, поэтому величина отклонения пятна на экране будет зависеть только от напряжения, приложенного к отклоняющим пластинам. Если к одной паре отклоняющих пластин подвести постоянное напряжение, то пятно переместится на величину, пропорциональную этому напряжению. Если постоянное напряжение подвести ко второй паре пластин, то пятно переместится на экране в направлении, перпендикулярном направлению первого смещения. Если одновременно подводятся постоянные напряжения к соответствующим отклоняющим пластинам, то пятно окажется в вершине прямоугольника, построенного на перемещениях пятна в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Если же одновременно к обоим конденсаторам П_у и П_х подвести переменное синусоидальное напряжение разных частот, то на экране будут получаться так называемые фигуры Лиссажу. Таким образом, одновременное действие обеих пар отклоняющих пластин на электронный луч позволяет наблюдать на экране изменение исследуемого напряжения во времени. Пройдя отклоняющие пластины, электронный луч попадает на экран. Экран электронно-лучевой трубки представляет собой слой флуоресцирующего вещества, нанесенного на внутреннюю сторону трубки. При ударе об экран энергия электрона частично расходуется на выбивание электронов из поверхности, на которую он падает, частично на разогрев этой поверхности, а частично превращается в световую энергию. Электрон, попадая на поверхность, покрытую флуоресцирующим слоем, приводит в возбужденное состояние атомы и молекулы этого слоя. Возвращаясь в нормальное состояние, атомы и молекулы испускают свет. Это явление носит название ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ.

Процессы люминесценции (свечение поверхности при ударе об нее электронов) по длительности свечения разделяются на флуоресценцию и фосфоресценцию. ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ характеризуется малым временем свечения. ФОСФОРЕСЦЕНЦИЯ – это способность вещества продолжать длительное свечение после прекращения действия электронов.

В некоторых электронно-лучевых трубках для наблюдения периодических процессов низкой частоты используются материалы, обладающие способностью длительного свечения. Различные вещества, покрывающие экран, дают свечение того или иного цвета. У трубок для визуального наблюдения свечение зеленое или желтое, а у трубок для фотографирования осциллограмм свечение синее.

Если предположить, что отклоняющие пластины каждого конденсатора параллельны друг другу и разность потенциалов между ними равна нулю, то электроны луча, обладающие по выходе из второго анода скоростью ν, будут двигаться вдоль оси трубки и попадут на экран в точке О (рис. 3). При подведении к отклоняющим пластинам некоторой постоянной разности потенциалов электронный луч уже не попадет в точку О экрана, а будет смещен и попадет в некоторую точку А экрана, отстоящую от начального положения светящегося пятна на расстоянии у.

Теоретические расчеты показывают, что отклонение пятна на экране может быть определено по формуле

(1)

где U_y – напряжение, подведенное к отклоняющим пластинам;

l – длина пластины в направлении оси трубки;

L – расстояние от центра отклоняющих пластин до экрана;

U_a – напряжение на втором аноде относительно катода;

d – расстояние между пластинами.

Рис. 3

В готовой трубке размеры l, L, d являются постоянными, поэтому, если она работает при фиксированном напряжении на втором аноде, равном U_a, формуле (1) можно придать вид:

(2)

где - постоянная величина.

Коэффициент пропорциональности h_y называют статической чувствительностью трубки по напряжению. Чувствительность трубки по напряжению при заданном напряжении второго анода представляет собой величину отклонения электронного луча на экране (обычно в миллиметрах), получающегося при изменении напряжения, приложенного к отклоняющим пластинам, на 1 В.

Генератор развертки

Вторым важным элементом электронно-лучевого осциллографа является генератор развертки. Генератор развертки представляет собой радиотехническое устройство, позволяющее получить напряжение развертки. Генератор развертки позволяет перемещать электронный луч вдоль горизонтальной оси с постоянной скоростью.

Если исследуемое напряжение имеет периодический характер, то для наблюдения на экране формы кривой этого напряжения его подводят к пластинам П_у, а на пластины П_х подают периодическое напряжение, изменяющееся по какому-либо временному (желательно простому) закону. Это последнее напряжение называется напряжением развертки. Обычно напряжение развертки, используемое в осциллографах, изменяется во времени либо по линейному, либо по синусоидальному закону. Наиболее часто используется напряжение развертки, изменяющееся по линейному временному закону.

На рис. 4 в качестве примера линейного развертывающего напряжения изображено так называемое пилообразное напряжение. Пилообразным оно

Рис. 4

называется потому, что форма его кривой напоминает зубцы пилы. Оно характеризуется тем, что увеличение напряжения пропорционально времени и происходит в течение периода времени Т₁, спадание же напряжения от наибольшего его значения U_m до исходной величины происходит в течение времени T₂. Так как время Т₂ много меньше Т₁, то спадание напряжения происходит практически мгновенно. Под действием такого напряжения электронный луч отклоняется в одном направлении пропорционально времени (так называемый прямой или рабочий ход), а затем практически мгновенно возвращается в исходное положение (обратный ход). Обычно на время обратного хода луч гасится. Таким образом, на экране виден только прямой ход.

Если продолжительность такого перемещения электронного луча по экрану равна одному периоду исследуемого напряжения, приложенного к вертикально отклоняющим пластинам электронно-лучевой трубки, то на экране при одновременном действии обоих напряжений появится кривая, воспроизводящая один период исследуемого напряжения. Если частота исследуемого напряжения равна f, а частота напряжения развертки f : n, то на экране мы получим n периодов исследуемого напряжения. Если деление f на n производится без остатка, т.е. частоты исследуемого напряжения и напряжения развертки кратны друг другу, то на экране мы получим неподвижное изображение. В противном случае изображение на экране осциллографа будет медленно передвигаться.

Перемещение изображения по экрану нежелательно, так как при этом затрудняется наблюдение за изображением. Для устранения этого недостатка применяется синхронизация частоты генератора с частотой какого-либо постороннего стабильного источника напряжения. Благодаря синхронизации генератор развертки вынужден будет работать точно с такой же частотой, как и исследуемый сигнал, что вызовет устойчивость изображения на экране. Синхронизировать генератор развертки можно либо частотой исследуемого напряжения, либо частотой переменного напряжения, взятого от сети, либо частотой какого-нибудь внешнего напряжения. Для этой цели осциллограф снабжен переключателем рода синхронизации (переключатель «Синхронизация») и зажимами для подключения внешнего источника напряжения синхронизирующей частоты («Внешняя синхронизация»).

Блок питания

Блок питания включает в себя ряд устройств, которые обеспечивают питание энергией электронно-лучевую трубку, генератор развертки, вертикальный и горизонтальный усилители и другие части прибора.

Панель управления электронного осциллографа ЭО-7

Электронный осциллограф ЭО-7 представляет собой прибор серийного производства. Он смонтирован в отдельном металлическом футляре, в котором размещены все части прибора. На рис. 5 изображена передняя панель осциллографа ЭО-7.

Рис. 5

1. Яркость свечения пятна на экране определяется количеством электронов, ударяющихся об экран в единицу времени. Меняя отрицательный потенциал управляющего электрода, можно регулировать яркость пятна на экране. Это достигается при помощи потенциометра R₁ (см. рис. 1), ручка которого снабжена надписью «Яркость» на передней панели осциллографа (см. рис. 5).

2. Фокусировка электронов в одну точку на экране осуществляется изменением разности потенциалов между первым и вторым анодами. Фокусировка луча производится при помощи потенциометра R₃, ручка которого имеет надпись «Фокус» на передней панели осциллографа.

3. Смещение изображения в вертикальном направлении производится при помощи потенциометра R₆, имеющего надпись «Ось Y».

4. Смещение изображения по горизонтали производится при помощи R₅, имеющего надпись «Ось X».

Ручки «Ось X» и «Ось Y» устанавливают изображение в нужном месте на экране трубки.

5. Переключатель «Ослабление» дает возможность ослабить исследуемый сигнал в отношениях 1:10 и 1:100.

6. Ручкой с указателем «Вертикальное усиление» можно плавно регулировать усиление вертикального смещения от нуля до максимальной величины.

При малых амплитудах исследуемого напряжения величина отклонения электронного луча мала, что неудобно для отсчета. В этих случаях исследуемое напряжение подается на «вход» вертикального усилителя, а затем после усиления на вертикально-отклоняющие пластины П_у. Цифры, стоящие у тумблера «Вертикальное усиление», показывают, во сколько раз можно усилить исследуемое напряжение.

7. Ручка с указателем «Горизонтальное усиление» служит для усиления напряжения, подаваемого на горизонтально-отклоняющие пластины П_х.

8. К органам управления генератором развертки относятся переключатели: «Горизонтальное отклонение», «Диапазоны развертки» и ручка с указателем «Частота плавно».

Переключатель «Горизонтальное отклонение» дает возможность выбрать род развертки. В данной работе выбирается непрерывная развертка.

Переключатель «Диапазоны развертки» дает возможность выбрать нужный диапазон частот (в данном случае для непрерывной развертки).

Ручка с указателем «Частота плавно» дает возможность в пределах выбранного диапазона менять собственную частоту непрерывных пилообразных колебаний генератора развертки.

9. К органам управления синхронизацией относится переключатель, снабженный на передней панели надписью «Синхронизация», и ручка, снабженная надписью «Синхронизация горизонтального усиления».

При помощи переключателя «Синхронизация» выбирается род синхронизации: внутренняя (исследуемым сигналом), внешняя (внешним сигналом, синхронным с исследуемым) или от сети (частотой питающей сети).

Порядок выполнения работы и обработка результатов измерений

1. Подготовка осциллографа к включению в сеть. Перед включением осциллографа в сеть переменного тока необходимо:

1. Проверить соответствие переключателя напряжения осциллографа с имеющимся напряжением в сети.

2. Поставить выключатель сети в положение «Выкл»; ручки с указателями «Фокус», «Ось X» и «Ось Y» перевести в среднее положение; ручку с указателем «Яркость» - в крайнее правое положение.

3. Установить переключатель «Синхронизация» в положение «Внутр».

2. Подготовка осциллографа к работе. Выполнив указанные операции, осциллограф можно включить в сеть; для этого переключатель сети следует перевести в положение «Вкл», при этом загорится сигнальная лампочка. Через 1-2 мин, когда прогреются лампы прибора, на экране появится зеленая точка.

1. Вращая ручки «Ось X» и «Ось Y», установить светящуюся точку точно в центре экрана.

2. Поворачивая регулятор «Яркость», уменьшить яркость светящейся точки.

3. Поворачивая регулятор «Фокус», добиться четкого изображения светящейся точки.

Примечание. Яркую неподвижную точку не рекомендуется держать на экране долго, так как попадание электронов в одно и то же место экрана вызывает выгорание его.

3. Определение максимальной чувствительности осциллографа. Отклонение луча в миллиметрах от оси трубки, получающееся при изменении напряжения на отклоняющих пластинах на 1 В, называется чувствительностью трубки. Эта величина является одним из параметров трубки. Для определения чувствительности осциллографа необходимо собрать схему, указанную на рис. 6.

Включают потенциометр R в сеть переменного тока 110-127 в и с движка потенциометра подают напряжение на отклоняющие пластины П_у через вход вертикального усилителя.

Рис. 6

Подаваемое переменное напряжение должно контролироваться вольтметром переменного тока. При выключенном генераторе развертки на экране появится вертикальная линия. По шкале, укрепленной на экране осциллографа, измеряют длину светящейся линии. Так как обычно вольтметры переменного тока измеряют эффективные значения напряжения, а осциллограф измеряет амплитудные значения тех же величин, причем длина линии пропорциональна удвоенному значению амплитуды, то чувствительность осциллографа

, (3)

где – длина линии на экране (мм);

_эф – напряжение на вольтметре.

Измерения повторить 5-7 раз при различных напряжениях на пластинах Y. По формуле (3) рассчитать чувствительность электронно-лучевой трубки. Результаты измерений занести в таблицу.

N опыта	Напряжение, поданное на пластины	Длина линии на экране	Чувствительность трубки	Средняя чувствительность трубки
U, В	, мм	h,	hср,

По данным измерения строят градуировочную таблицу или график. На графике по горизонтали откладывается длины линии на экране осциллографа в миллиметрах, а по вертикали – амплитудные значения напряжений, приложенных к отклоняющим пластинам Y.

Если на вертикально отклоняющие пластины подать неизвестное переменное напряжение, то по длине вертикальной линии на экране, согласно графику, можно определить величину этого напряжения. Таким образом, осциллограф можно использовать как вольтметр, измеряющий амплитудные (максимальные) значения напряжений.

4. Проверка градуировки генератора звуковых частот.

Для проверки градуировки генератора звуковых частот используется метод фигур Лиссажу, который заключается в следующем. На вертикально отклоняющие пластины осциллографа подается исследуемое напряжение от звукового генератора, а на горизонтально отклоняющие пластины – напряжение от сети переменного тока с частотой _x=50 Гц. В результате сложения этих взаимно перпендикулярных колебаний получаются кривые сложной формы, называемые фигурами Лиссажу.

Для нахождения частоты исследуемого напряжения существует следующее правило. Через данную фигуру проводят две произвольные взаимно перпендикулярные прямые АВ и СД, параллельные осям х и у, как показано на рис. 7. Подсчитывают число точек пересечения кривой с прямой АВ(n_x) и с прямой СД (n_y).

Рис. 7

В данном случае n_x=3 и n_y=1. Далее находят _y по формуле :

_y= _x (1)

Вывод формулы ввиду сложности не приводится.

В случае, когда прямая проходит через точку пересечения ветвей кривой, при подсчете ее считают дважды.

Порядок выполнения задания

1. Собирают цепь по схеме:

Рис. 8

2. Выключают генератор развертки осциллографа (рукоятка «Диапазон частот» в положении «Выкл») и устанавливают рукоятки усиления по осям X и Y на нуль. Рукоятка звукового генератора «Амплитуда» так же устанавливается на «0».

3. Включают в сеть звуковой генератор, осциллограф и трансформатор. Фокусируют и выводят световое пятно в центр координатной сетки.

4. Вращая рукоятку «Усиление по оси Х», добиваются горизонтальной полоски на экране в длины шкалы.

5. Вращением рукоятки звукового генератора «Амплитуда» добиваются появления на экране фигур Лиссажу.

6. Вращая регулятор частоты звукового генератора, добиваются появления устойчивой фигуры.

7. Определяют число точек пересечения кривой с осями Х(n_x) и Y(n_y).

8. По формуле (1) вычисляют частоту при данном делении шкалы N₁ регулятора частоты.

9. Проверяют, совпадает ли полученное значение с частотой, указанной на регуляторе частоты.

10. Изменяя частоту звукового генератора, получают новые устойчивые фигуры. Повторяют пункты 7,8,9.

Контрольные вопросы

1. Из каких основных элементов состоит электронный осциллограф?

2. Назначение и устройство электронно-лучевой трубки.

3. Что называется чувствительностью трубки по напряжению, как она определяется?

4. Что такое фигуры Лиссажу? Как их можно получить? От чего зависит вид фигур Лиссажу?

5. Приведите примеры использования осциллографа.

Литература

1. Яворский Б.М., Детлаф А.А. и др. Курс физики, т.2.

2. Шубин А.С. Курс общей физики.

3. Савельев И.В. Курс общей физики, т.2.

4. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики, т.2.