23358

СЛОЖЕНИЕ ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ И ВЗАИМНОПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Лабораторная работа

Физика

СЛОЖЕНИЕ ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ И ВЗАИМНОПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫХ КОЛЕБАНИЙ. Цель работы: изучение эффектов возникающих при сложения однонаправленных и взаимно перпендикулярных гармонических колебаний. Представим каждое из колебаний как проекцию на ось X вектора длиной равной амплитуде вращающегося по часовой стрелке с угловой скоростью  рис. Тогда результат сложения колебаний можно представить как проекцию суммарного вектора .

Русский

2013-08-04

383.5 KB

41 чел.

Лабораторная работа № 2/2.

СЛОЖЕНИЕ ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ И

ВЗАИМНОПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫХ КОЛЕБАНИЙ.

Цель работы: изучение эффектов, возникающих при сложения однонаправленных и взаимно перпендикулярных гармонических колебаний.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ

Идеальные гармонические колебания и сигналы являются, строго говоря, некоторой математической абстракцией. Реальные сигналы, в принципе, не могут быть гармоническими, все они в той или иной мере являются композицией нескольких или большого числа гармонических сигналов. Рассмотрим несколько случаев, возникающих при сложении сигналов.

1. Сложение однонаправленных сигналов.

1.1. Сложение двух гармонических сигналов одинаковой частоты.

Пусть даны два однонаправленных колебания с одинаковой частотой

                  

которые могут различаться амплитудой и начальной фазой. Задачу о результате их сложения удобнее решать в векторной форме.

Представим каждое из колебаний как проекцию на ось X вектора длиной, равной амплитуде, вращающегося по часовой стрелке с угловой скоростью   (рис.1). Угол между вектором и осью X равен начальной фазе.

Тогда результат сложения колебаний можно представить как проекцию суммарного вектора . Найдем амплитуду  A и начальную фазу   результирующего колебания. Из рис. 1 имеем:

           (1)

а из теоремы косинусов:

   ,

где ,

 Рис.1     или                       (2)           

Таким образом, при сложении двух однонаправленных гармонических колебаний с одинаковой частотой  получается гармоническое колебание с той же частотой  и амплитудой и фазой, определяемыми формулами (1) и (2).

В частности, при сложении двух колебаний с одинаковой амплитудой и совпадающих по фазе (или отличающихся на 2), амплитуда результирующего колебания удваивается, а при разности фаз (или кратной нечетному числу ) амплитуда результирующего колебания равна нулю.

1.2. Сложение гармонических колебаний с близкими частотами (биения).

Пусть даны два однонаправленных колебания с незначительно отличающимися частотами:

                                                

где . (Для простоты выкладок нами взяты одинаковые амплитуды и начальные фазы колебаний.) Результат сложения таких колебаний можно представить в следующем виде:  

      (3)

где   Мы использовали при этом формулу преобразования суммы косинусов в произведение.

Из формулы (3) следует, что результирующий процесс можно рассматривать как колебания, происходящие с частотой и амплитудой , медленно меняющейся со временем по закону косинуса:

                                         

На рис.2 приведен пример сложения двух колебаний с близкими частотами.

   

   

                                         Рис.2

Таким образом, при сложении однонаправленных колебаний с близкими частотами получается колебание с амплитудой меняющейся во времени по закону косинуса (биения).

Как следует из (3) период биений (изменения амплитуды) (рис.2) равен: . При этом за один период изменения амплитуды происходит  полных колебаний (за половину периода - в два раза меньше).

Необходимо отметить, что энергия суммарного колебания пропорциональна  и, следовательно, меняется с частотой, вдвое большей, чем амплитуда . Это особенно важно при регистрации биений приборами, большинство которых реагирует не на изменение амплитуды, а на изменение энергии (в частности, вольтметры, амперметры, человеческое ухо и др.).

1.3 Разложение периодических сигналов на гармонические составляющие (Фурье-анализ).

Можно показать, что любой реальный периодический сигнал, вне зависимости от его формы, можно представить как суперпозицию гармонических сигналов с кратными частотами.

Процесс представления сигналов в виде суммы гармонических колебаний называется Фурье-анализом.

Пусть дан некоторый сигнал U(t) длительностью , который можно рассматривать как повторяющийся с периодом  Т > (рис.3).

Тогда функцию U(t) в любой момент времени можно представить в виде:

  (4),

где :

   

Равенство (4) можно также представить в виде:

   (5)

где:    

Таким образом, периодический сигнал был представлен в виде суммы некоторой постоянной составляющей U0 и набора гармонических сигналов с частотами кратными основной частоте . Значения коэффициентов  Un в выражении (5) определяют так называемый спектр сигнала.

 Спектром сигнала называют соотношение амплитуд (или энергий) составляющих его гармоник.

 Найдем спектр сигнала прямоугольной формы, приведенного на рис.4 и имеющего следующие параметры: A = 1В, T = 0,01с,   = 0,005 с.

Основная частота  

 

 Рис. 4

Вычислим коэффициенты спектрального разложения:

                                     

  где n =1, 2, 3, ...

Очевидно, что величина Вn отлична от нуля только при нечетных значениях n.

Окончательно имеем:

 

Таким образом, рассматриваемый сигнал можно представить как сумму синусоид, содержащих только частоты, кратные нечетному числу. На рис.5 приведен частотный спектр исследуемого сигнала, причем в качестве интенсивности соответствующей составляющей (гармоники) взяты квадраты амплитуд. На рис.6 приведены три первые составляющие Фурье-анализа и результат их сложения.

      

           Рис.5

     

  Представление сигналов различной формы в виде суперпозиции гармонических составляющих (нахождение спектра) играет огромную роль в расчете процессов их прохождения через радиотехнические устройства.

2. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний.

2.1 Сложение колебаний одинаковой частоты.

При сложении двух взаимно перпендикулярных колебаний одинаковой частоты:

 

результирующий процесс описывается уравнением (вывод см. /1/):

 ,                                                                  (6)

которое в общем случае описывает эллипс. При определенных соотношениях амплитуд и разности фаз эллипс может вырождаться в окружность и прямую.

В частности, при =0 () уравнение (6) принимает вид:

 

и колебания происходят вдоль прямой.

При  и  Ax = Ay = A колебания происходят по окружности

 .

Таким образом, при сложении взаимно перпендикулярных колебаний с одинаковыми частотами получается эллипс, который, при определенном соотношении амплитуд и фаз складываемых колебаний, вырождается в прямую или окружность.

2.2 Сложение колебаний с кратными частотами (фигуры Лиссажу).

Пусть даны два взаимно перпендикулярных колебания с кратными частотами:

 ,

причем частоты относятся как целые числа:

 .

В результате сложения получаются колебания, проходящие вдоль сложных траекторий, называемых фигурами Лиссажу.

В частности, если частоты относятся как 2:1, получаем:

а) при 

 

откуда, используя выражение для косинуса, получаем:

 ,                 (7)

то есть траектория представляет собой часть параболы,

б) при ;

 

На рис.7 а) и б) приведены графики функций, описываемых уравнениями (7) и (8).

 а)        б)

    Рис.7

Общей особенностью фигур Лиссажу является то, что отношение числа пересечений траектории с осями N обратно пропорционально отношению частот колебаний вдоль соответствующих направлений:

 ,                                  (9)

что позволяет определить частоты неизвестных колебаний.

 

Описание экспериментальной установки И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ

Установка состоит (рис.8) из осциллографа С1-71 и двух генераторов колебаний Г3-118.

                 

              Рис.8

При сложении однонаправленных колебаний сигналы с обоих генераторов подаются с помощью кабелей через тройник на вход "Y”. При этом тумблер "Запуск" осциллографа устанавливается в положение "Автоматическая", а тумблер "Синхронизация" в положение "Внутренняя".

При сложении взаимно перпендикулярных колебаний сигналы с генераторов подаются на входы "Y" и "X" осциллографа, тумблер "Запуск" устанавливается в положение "X", а  синхронизация в положение "Внешняя 1:1".

При установке частоты сигнала на генераторах следует обратить особое внимание на положение десятичной запятой на числовом табло.

Инструкции по эксплуатации осциллографа и генераторов находятся на рабочих столах.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

Задание 1. Сложение однонаправленных колебаний.

Включить осциллограф и два генератора Г3-118 и дать им прогреться 3-5 минут.

Выходы генераторов с помощью кабелей и тройника подключить к входу "Y" осциллографа.

Установить на одном генераторе частоту , а на другом  и одинаковые выходные напряжения.

Установить ручку "Время/дел." осциллографа в положение 0,2 мс. С помощью ручки "Вольт/дел." добиться, чтобы высота колебаний на экране составляла 4-5 больших клеток.

Ручкой "Уровень синхронизации" осциллографа добиться получения практически устойчивой картины биений. Зарисовать наблюдаемую картину в лабораторный журнал. Подсчитать число полных колебаний за один период изменения амплитуды. Проверить соотношение .

Повторить п.5 для частот    и .

Задание 2. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний.

Подключить выход одного генератора к входу "Y", а другого - к входу "X" осциллографа. Установить на генераторах одинаковую частоту .

Ручками "Расстройка" и регулятором выхода одного из генераторов добиться получения на экране осциллографа окружности и прямой. Зарисовать полученные картины в лабораторный журнал.

Получить на экране и зарисовать в лабораторный журнал фигуры Лиссажу для следующих комбинаций частот: а)  и  , б)  и .

Проверить экспериментально справедливость формулы (9).

Провести анализ полученных в работе результатов и сделать выводы, отразив их в заключении по работе. Особо отметить результаты экспериментальной проверки формул.

Контрольные вопросы

Получить формулу для амплитуды при сложении однонаправленных колебаний одинаковой частоты.

При каком соотношении частот складываемых колебаний период изменения амплитуды в 20 раз больше периода колебаний?

Что такое частотный спектр сигнала и как его получить?

При каком условии при сложении взаимно перпендикулярных колебаний получается прямая y=-2x ?

Нарисовать траекторию движения точки при сложении двух взаимно перпендикулярных колебаний  .

Нарисовать спектр сигнала, представленного уравнением:

                                                          Литература

Савельев И.В. Курс общей физики, т.2. Механика, колебания и волны, молекулярная физика. М: Наука, 1970 г.  68 - 72.

Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. - 2 изд.- М.:Выс. шк., 1990.  144, 145.

 

  

    


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

42521. Снятие кривой намагничения и петли гистерезиса с помощью осциллографа 142.5 KB
  Краткие теоретические сведения Ферромагнетикам свойственно явление гистерезиса. Замкнутая кривая bcdef называется петлёй гистерезиса рис. Можно получить семейство петель гистерезиса по способу описанному ранее не доводя намагничение образца до насыщения.
42522. Определение ёмкости конденсаторов 104 KB
  Оборудование: регулятор напряжения ЛАТР миллиамперметр переменного тока на 250 мА вольтметр на 150 В конденсаторы. Если конденсатор включить в цепь постоянного тока то спустя некоторое время он зарядится т. Если конденсатор включить в цепь переменного тока то он будет перезаряжаться с частотой переменного ток и в подводящих проводах всё время будут перемещаться электрические заряды т.
42523. Изучение процессов зарядки и разрядки конденсаторов 240.5 KB
  Цель работы: изучить процессы, происходящие в цепи при зарядке (разрядке) конденсаторов, освоить метод расчёта ёмкости конденсаторов по данным о временной зависимости тока зарядки (разрядки). Оборудование: конденсатор, набор резисторов, микроамперметр на 100 мкА, источник питания постоянного тока, выключатель, секундомер, соединительные провода.
42524. Определение горизонтальной составляющей индукции земного магнетизма с помощью тангенс-гальванометра 102 KB
  Южный полюс магнитного поля Земли находится вблизи северных берегов Америки около 750 северной широты и 1010 западной долготы а северный полюс − в Антарктиде около 670 южной широты и 1400 восточной долготы. Существование магнитного поля Земли непосредственно подтверждается отклонением лёгкой магнитной стрелки при её свободном подвесе. При этом последняя устанавливается в направлении касательной к линии индукции магнитного поля Земли.
42525. Изучение однофазного трансформатора 118 KB
  Принцип действия трансформатора основан на использовании явления электромагнитной индукции. Знак − указывает на то что ЭДС в первичной и вторичной обмотках трансформатора противоположены по фазе. Создаваемый этим током магнитный поток Ф0 концентрируется в магнитопроводе и пронизывает все обмотки трансформатора индуцируя в первичной обмотке ЭДС самоиндукции 27.
42526. Определение длины электромагнитной волны в двухпроводной линии 96 KB
  Исследование электромагнитных волн в пространстве связано с некоторыми экспериментальными трудностями поэтому Лехером была предложена система состоящая из двухпроводной линии источника и приёмника электромагнитных волн. В двухпроводной линии реализуются два различных процесса передачи электромагнитного поля: с помощью токов проводимости и с помощью токов смещения. В этом случае электрические явления существенно зависят от сопротивления линии и следовательно от материала проводников.
42527. Определение ЭДС источника тока с помощью двух вольтметров 76.5 KB
  Оборудование: источник ЭДС постоянного тока два вольтметра. Физическая величина равная работе Астор сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль всей замкнутой электрической цепи называется электродвижущей силой ЭДС 29.6 рассчитать ЭДС источника.
42528. ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА 353.5 KB
  Эти процессы графически изображаются на экране электронно-лучевой трубки ЭЛТ которая является основным органом электронного осциллографа. Наблюдение изображения на экране осциллографа называется осциллографированием. Изображение на экране или его фотография называется осциллограммой. Подводя отрицательный потенциал к цилиндру можно уменьшить количество электронов проходящих через его отверстие а следовательно уменьшить и яркость пятна на экране трубки.
42529. Ток в вакууме. Методическое указание к выполнению лабораторной работы 712 KB
  Условие вылета электрона из металла: 4 Термоэлектронная эмиссия лежит в основе получения электрического тока в вакууме и устройства вакуумных электронных ламп. Если же катод К соединённый с отрицательным полюсом анодной батареи Ба раскалить при помощи добавочной батареи накала Бнак до высокой температуры то миллиамперметр...