Электричество. Электричество лаб. Методические указания к лабораторным работам по физике для студентов иэм технических специальностей всех форм обучения
 Скачать 2.69 Mb.
|
|
ЭЛТ (рис.1) включает: 1) стеклянный баллон, в котором создан глубокий вакуум; 2) «электронную пушку» (подогреваемый катод); 3) две пары отклоняющих пластин, расположенных во взаимно-перпендикулярных направлениях; 4) экран, покрытый люминесцирующим составом (веществом, которое светится при попадании в него электронов). Принцип работы ЭЛТ состоит в следующем. Электроны, испускаемые подогреваемым катодом, под действием электрического поля между катодом и анодом проходят сквозь управляющую сетку и кольцевой анод. Для фокусировки электронного луча на сетку подается небольшой отрицательный потенциал (от –20 до –70 В). Разность потенциалов между катодом и анодом может достигать нескольких тысяч вольт. Изменяя эти потенциалы, можно регулировать фокусировку и яркость свечения экрана (светового «пятна») в точках попадания в него электронного луча. При своём движении электронный луч проходит две пары отклоняющих пластин. Горизонтально расположенные пластины служат для отклонения луча в вертикальном направлении и называются вертикально отклоняющими пластинами. Вторая пара пластин служит для отклонения луча в горизонтальном направлении и называется горизонтально отклоняющими пластинами. При подведении к двум параллельным пластинам электрического напряжения между пластинами возникает электрическое поле, под действием которого изменяется направление движения электронов. Это позволяет перемещать электронный луч по экрану под действием напряжения, приложенного к отклоняющим пластинам электронно-лучевой трубки. Величина отклонения электронного луча, зависящая от скорости движения электронов и от величины приложенного к пластинам напряжения, определяется чувствительностью g осциллографа. Чувствительность осциллографа есть отношение разности потенциалов на отклоняющих пластинах к величине отклонения светящегося пятна на экране.
Описание установки На передней панели осциллографа расположен экран ЭЛТ. На экране установлена координатная сетка, размер одной клетки которой составляет 1 деление. Имеются: тумблер включения сети, индикаторная лампа, клеммы входа исследуемого напряжения на вертикально отклоняющие пластины (ось Y) через усилитель, клеммы входа исследуемого напряжения на горизонтально отклоняющие пластины (ось X) через усилитель. С помощью ручек управления можно регулировать изменение яркости изображения, фокусировку луча, смещение луча по оси Y, смещение луча по оси X. Кнопки установки чувствительности осциллографа позволяют выбрать чувствительность , необходимую для заметного отклонения светового пятна от центра экрана, одновременно исключая выход пятна за пределы экрана. С помощью кнопок регулирования развертки можно включить/выключить генератор развертки и выбрать его частоту. Ручка плавной регулировки частоты развертки дает возможность добиться полной синхронизации частоты развертки и частоты исследуемого напряжения. Порядок выполнения работы Задание 1. Определение величины постоянного напряжения. 1. Электрическая схема работы представлена на рис. 5. После получения допуска у преподавателя можно проводить измерения. 2. Отключить генератор развертки осциллографа, нажав клавишу ВХх. Включить осциллограф в сеть. Рукоятками управления лучом вдоль осей Xи Y вывести световое пятно в центр координатной сетки. Рукоятками фокусировки и яркости добиться четкого изображения пятна.
3. Установить движок потенциометра в заданное преподавателем положение. 4. Замкнуть ключ К. Подобрать, нажимая соответствующие клавиши шкалы чувствительности осциллографа, цену деления γ координатной сетки так, чтобы отклонение светового пятна было наибольшим в пределах экрана. 5. Зарисовать полученную на экране осциллографа «картинку». 6 Определить число n делений координатной сетки, на которое отклонится световое пятно. 7. Используя формулу (1), определить значение измеряемого напряжения. 8. Разомкнуть ключ К и поменять местами проводники на входе осциллографа. Замкнуть ключ К. Зарисовать и объяснить изменения в отклонении светового пятна. Задание 2. Определение амплитудного значения переменного тока. 1. Используя ключ К, заменить источник постоянного тока источником переменного тока. 2. Проделать пп. 3 — 7 задания 1. Задание 3. Определение формы исследуемого сигнала. Используя схему задания 2, включить генератор развертки осциллографа, нажав клавишу «10 — 100 Гц». Вращением регулятора «плавно» добиться устойчивого изображения сигнала на экране. Зарисовать форму сигнала на экране осциллографа. Зная частоту переменного напряжения (f = 50 Гц), определить частоту генератора развертки. Контрольные вопросы Для чего может служить электронный осциллограф? Как регулируются яркость и фокусировка электронного луча? Почему при подключении постоянного напряжения происходит смещение светового пятна на экране осциллографа? Что такое чувствительность осциллографа? Почему при изменении полярности постоянного напряжения на входе осциллографа световое пятно на экране отклоняется в противоположную сторону? Почему при подключении переменного напряжения на экране осциллографа наблюдается светящаяся линия? Для чего служит генератор развертки? Лабораторная работа № 3 ИЗМЕРЕНИЕ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРОВ МЕТОДОМ БАЛЛИСТИЧЕСКОГО ГАЛЬВАНОМЕТРА
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ Конденсатор — система из двух или более проводников (обкладок), разделенных диэлектриком, обладающая способностью накапливать электрические заряды. Основной характеристикой конденсатора является его электрическая емкость С. Емкость определяется отношением заряда +q на обкладке конденсатора к напряжению между обкладками U:  . (1)В СИ единицей электроемкости является фарада: 1Ф = 1 Кл/В. Величина электроемкости зависит от формы и размеров конденсатора, диэлектрических свойств материала, заполняющего пространство между обкладками, и не зависит от заряда и напряжения на конденсаторе. Пример. Плоский конденсаторсостоит из двух плоскопараллельных металлических пластин, линейные размеры которых много больше расстояния между ними. Емкость такого конденсатора определяется по формуле:  , (2)где S — площадь пластины; d— расстояние между пластинами; ε — диэлектрическая проницаемость материала, заполняющего пространство между пластинами; ε0 — электрическая постоянная. Конденсаторы объединяют в батарею, соединяя их параллельно (рис. 1) или последовательно (рис. 2). В случае параллельного соединения все конденсаторы заряжаются до одной и той же разности потенциалов U, но заряды на них могут быть различными. Если емкости конденсаторов равны С1, С2,..., Сn, то из формулы (1) следует, что заряды на них будут равны: q1= C1U, q2= C2U, …., qn= CnU. Общий заряд на всех конденсаторах: q = q1+q2+…+qn = (C1+C2+…+Cn)U, и, следовательно, емкость всей батареи конденсаторов: Собщ = q/U =С1 + С2 +…+ Сn. (3)
В случае последовательно соединенных конденсаторов заряды на всех конденсаторах одинаковы. Действительно, если поместить заряд +q на левую обкладку первого конденсатора, то вследствие электростатической индукции на правой его обкладке возникнет заряд —q, а на левой обкладке второго конденсатора — заряд +q. Наличие этого заряда на левой обкладке второго конденсатора опять-таки вследствие индукции создает на правой его обкладке заряд —q, а на левой обкладке третьего конденсатора — заряд +q и т. д. Таким образом, заряд каждого из последовательно соединенных конденсаторов оказывается равен +q. Напряжение на каждом из конденсаторов определяется емкостью соответствующего конденсатора: U1= q/C1, U2= q/C2,…, Un=q/Cn. Суммарное напряжение между крайними (свободными) обкладками всей батареи конденсаторов: U = U1+U2+…+Un =  .Следовательно, емкость всей батареи конденсаторов при последовательном соединении определяется из соотношения:  (4)ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ В данной работе емкость конденсатора определяется с помощью баллистического гальванометра — электрического прибора для измерения кратковременных импульсов тока (количества электрических зарядов). Главной частью баллистического гальванометра (см. рис. 3) является подвешенная на вертикальной нити рамка 1, помещенная в поле постоянного магнита. Луч света от лампочки 3 отражается от зеркала 2 и попадает на шкалу 4. Укрепленное на нити зеркало 2 служит для измерения угла поворота рамки, определяемого по смещению n светового «зайчика» на шкале. К рамке прикреплен полый цилиндр 5, который значительно увеличивает момент инерции и, следовательно, период колебаний системы. При пропускании импульса тока через гальванометр на его рамку в магнитном поле будет действовать вращающий момент, поворачивающий рамку с зеркальцем. Так как период колебаний баллистического гальванометра много больше длительности импульса, то движением рамки во время пропускания тока можно пренебречь. В этом случае угол поворота рамки будет пропорционален электрическому заряду q: n = q/A, где A (Кл/дел) — баллистическая постоянная гальванометра; n — количество делений по шкале гальванометра, на которое отклоняется отраженный зеркалом световой луч (световой «зайчик»).  Рис. 3 Электрическая схема установки изображена на рис. 4. Ключ К1 подключает внешнее напряжение, которое регулируется с помощью потенциометра R. Значение напряжения измеряется вольтметром V. Конденсатор С заряжается от источника питания, если ключ находится в положении 1, и разряжается через гальванометр G при переводе ключа К2 в положение 2. При разрядке конденсатора луч баллистического гальванометра совершает резкое отклонение, которое фиксируется по шкале гальванометра.  Рис.4 Порядок выполнения работы Задание 1. Определение баллистической постоянной с помощью эталонного конденсатора. 1.Получить допуск у преподавателя и приступить к измерениям. 2.Замкнуть ключ К1, ключ К2 установить в положение 1. 3.Потенциометром установить заданное преподавателем напряжение U. 4.Перевести ключ К2 в положение 2 и определить по шкале гальванометра величину отклонения nсветового луча. Повторить измерения три раза. 5.Найти среднее значение отклонения луча: nср = (n1 + n2 +n3)/3. 6.Определить баллистическую постоянную: A = Cэ∙U/nср, где Cэ —емкость заданного преподавателем эталонного конденсатора. Задание 2. Определение неизвестной емкости конденсатора. 1. Включить ключ К1, ключ К2 установить в положение 1. 2. Потенциометром установить заданное преподавателем напряжение U. 3. Перевести ключ К2 в положение 2 и определить величину отклонения n светового луча. Повторить измерения три раза. 4. Найти среднее значение отклонения «зайчика»: nср = (n1 + n2 +n3)/3 5. Определить емкость конденсатора по формуле: Cэкспер = Anср/U, где U — напряжение, до которого заряжен конденсатор. 6. Вычислить относительную погрешность измерения емкости: С = U + n/nср , где U — относительная погрешность определения напряжения; n — половина цены деления шкалы гальванометра. 7. Вычислить абсолютную погрешность измерения емкости: С = CС . Записать результат в виде: C1 = Cэкспер ± С Повторить измерения пп.1─7 для другого конденсатора. Записать результат в виде: C 2= Cэкспер ± С | |||||||||||||||||||||||||||
