23359

Изучение влияние емкости конденсатора на период колебаний в электрическом контуре

Лабораторная работа

Физика

Основы теории Рассмотрим процесс возникновения колебаний в идеальном электрическом контуре осцилляторе рис. Таким образом можно сделать вывод что частота гармонических колебаний в идеальном электрическом контуре равна корню квадратному из коэффициента при заряде q формула 2: При этом период колебаний равен формула Томсона: 6 Связь периода колебаний с величинами С и L качественно объясняется следующим образом. С увеличением...

Русский

2013-08-04

179.5 KB

1 чел.

Лабораторная работа № 2/3

Изучение влияние емкости конденсатора на период

колебаний в электрическом контуре

Цель работы: Получить и проанализировать экспериментальную зависимость периода колебаний в электрическом контуре от величины емкости конденсатора.

Основы теории

Рассмотрим процесс возникновения колебаний в идеальном электрическом контуре (осцилляторе) (рис. 1), содержащем индуктивность L и конденсатор С (сопротивление контура R будем считать пренебрежимо малым). Пусть в начальный момент времени ключ К находится в положении 1 и конденсатор заряжен с помощью батареи Е до некоторой разности потенциалов U0.

   При переводе ключа из положения 1 в положение 2 конденсатор начнет разряжаться через индуктивность L. В цепи потечет переменный ток и на индуктивности возникнет электродвижущая сила индукции (ЭДС) Еi :

 

  Рис. 1                     которая будет препятствовать всякому изменению силы тока. В частности, в тот момент, когда конденсатор разрядится полностью, ЭДС индукции будет стремиться поддерживать ток в цепи, что приведет к перезарядке обладок  конденсатора в противоположной полярности.

С энергетической точки зрения этот процесс представляет собой переход энергии электрического поля, запасенной первоначально в конденсаторе, в энергию магнитного поля (создаваемого протекающим током) в индуктивности и обратно.

Математически этот процесс описывается следующим образом. В любой момент времени по закону Кирхгофа падение напряжение на конденсаторе Uc равно действующей в цепи ЭДС Еi :     Uc = Ei,  или

                                                                                          (1)

Помня, что сила тока i есть производная по времени от заряда q, уравнение (1) можно переписать в следующем виде:

 

или разделив на L и перенеся все в левую часть:

 

Введя обозначение  получаем:

                                                                             (2)

Уравнение (2) является однородным дифференциальным уравнением второго порядка с постоянными коэффициентами, решение которого ищется в виде:

                                                                                 (3)

где А и р - константы, значения которых находят из уравнения. Для этого вычислим первую и вторую производную  выражения (3) и подставим в уравнение (2):

            

Разделив последнее выражение на неравные нулю А и еpt получаем уравнение для нахождения параметра р:

             

Таким образом, решение уравнения (2) имеет вид:

                                              (4) Используя уравнения Эйлера:

                    

уравнение (4) можно привести к виду:

                    ,                                                                   (5)

где величины амплитуды А и начальной фазы  определяются начальными условиями - значением заряда на конденсаторе q0 и силы тока i0 в начальный момент времени^

.

Из уравнения (5) следует, что заряд на конденсаторе будет изменяться по гармоническому закону с частотой равной 0. Таким образом, можно сделать вывод, что частота гармонических колебаний в идеальном электрическом контуре равна корню квадратному из коэффициента при заряде q (формула (2)):

                    

При этом период колебаний равен (формула Томсона):

                                                                                        (6)

Связь периода колебаний с величинами С и L качественно объясняется следующим образом. При возрастании величины емкости конденсатора при постоянном напряжении увеличивается заряд на его обкладках и для разрядки и зарядки конденсатора требуется большее время. С увеличением индуктивности контура L возрастает ЭДС индукции, препятствующая разряду и заряду конденсатора, что также приводит к увеличению периода колебаний.

Следует отметить, что реальные электрические контуры всегда обладают некоторым сопротивлением R, которое приводит к затуханию колебаний (см., например, Лабораторная работа  2/4). Однако влияние сопротивления R на величину периода колебаний в большинстве случаев пренебрежимо мало и формула (6) оказывается практически применимой как для идеальных, так и реальных электрических осцилляторов.

Описание эксПериментальной установки и метода измерений

Экспериментальная  установка состоит из (рис.2): катушки индуктивности L, магазина емкостей С и осциллографа С1-55.

                                               Рис. 2

Колебательный контур состоит из соединенных параллельно катушки индуктивности и магазина емкостей. Ввиду того, что катушка обладает некоторым сопротивлением, в контуре возникают затухающие колебания, которые запускаются с помощью внутреннего генератора осциллографа, заряжающего конденсатор прямоугольными импульсами с частотой 2 кГц . Колебания напряжения на катушке подаются на вход осциллографа и наблюдаются на экране.

Магазин емкостей имеет два ряда клавиш для установки требуемой величины емкости. Верхний ряд позволяет устанавливать декады (от 10-3 до 1 мкФ), а нижний - единицы. Так, например, чтобы получить емкость 0,07 мкФ необходимо в верхнем ряду утопить клавишу 10-2, а в нижнем - 7.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ измерений

Изучить электрическую схему установки. Включить приборы и дать им прогреться 5 минут.

Установить на магазине емкостей величину 110-3 мкФ.

Получить на экране осциллографа устойчивую картину колебаний. В ходе измерений необходимо устанавливать такую величину длительности развертки (Время/дел), чтобы величина периода составляла не менее 2 - 3 больших делений на экране. Стабилизацию изображения можно осуществлять ручками "Стабильность" и "Уровень".

Измерить величину одного периода колебаний в больших делениях шкалы экрана. Результат занести в строку 2 Таблицы 1.

Примечание. Для повышения точности измерений рекомендуется определять  время, в течение которого происходят 2 - 3 колебания, а затем определять  период, разделив полученное время на число колебаний.

 

 

  Таблица 1.

1

С, мкФ

110-3

210-3

510-3

110-2

210-2

510-2

0,1

2

Т, дел

3

Развертка,

с/дел

4

Т, с

5

lg (C)

6

lg (T)

 

В строку 3 Таблицы 1 занести величину развертки, при которой производились измерения.

Произвести измерения и расчеты в соответствии с пп. 3 - 5 величины периодов колебаний  при всех значениях емкостей, указанных в Таблице 1.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Для проверки справедливости формулы (6) необходимо построить график     зависимости логарифма периода колебаний от логарифма емкости контура:

 lg (T) = f (lg (C)).          (7)

В случае справедливости формулы (6) построенный график должен    представлять из себя прямую:

 y = ax + b,                                                                 (8)

где: y = lg (T), x = lg (C), a = 1/2, b = lg (2L ).

Для построения графика рекомендуется в строки 5 и 6 Таблицы 1 занести     значения логарифмов периода Т и емкости С.

Выбрать масштаб и построить на миллиметровой бумаге график функции (7). Для размеров графика рекомендуются следующие величины: по горизонтали - 10 ...12 см, по вертикали - 8 ...10 см.

С помощью метода наименьших квадратов (МНК), основы которого   приведены в приложении, найти значения коэффициентов а и b в формуле   (8).

По найденной величине b рассчитать величину индуктивности контура.

Проанализировать полученные результаты (соответствие экспериментальных данных теоретической формуле (6)) и написать заключение по работе, приведя в нем полученное значение индуктивности L.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Вывести дифференциальное уравнение колебаний в идеальном электрическом контуре.

Как на основании уравнения (5) получить выражение для закона изменения     напряжения на конденсаторе ?

Как из начальных условий получить величины амплитуды колебаний и     начальной фазы ?

Сравнивая колебательные процессы пружинного маятника и LC-контура, описать роль емкости и индуктивности (привести электромеханические аналогии).

Описать характер изменения энергии электрического и магнитного полей в     ходе колебательного процесса в LC-контуре.

Литература

Савельев И.В. Курс общей физики, т.2. Электричество. М: Наука, 1970 г.  99.

Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. - 2 изд.- М.:Выс. шк., 1990.  143.

ПРИЛОЖЕНИЕ

ОСНОВЫ МЕТОДА НАИМЕНЬШИХ КВАДРАТОВ

Метод наименьших квадратов (МНК) служит для нахождения оптимальных значений коэффициентов при аппроксимации экспериментальных данных степенными функциями.

Допустим, что из теории известно, что некоторая величина Y линейно зависит от величины Х:

                    Y = a  X + b,                                                                       (1п)

но нам неизвестны значения коэффициентов a и b.

Пусть в результате опыта нами получен набор значений Yi, соответствующих значениям Хi, где i - изменяется от 1 до n (n - число проведенных опытов).

Построив график Y = f (X) (рис. 1п) мы замечаем, что экспериментальные точки не лежат на одной прямой, что связано, в первую очередь, с неизбежными    Рис. 1п      погрешностями измерений.

Наша задача состоит в том, чтобы найти такие значения коэффициентов a и b в уравнении (1п), чтобы теоретическая кривая была как можно ближе к экспериментальным точкам, то есть сумма квадратов отклонений экспериментальных точек от теоретической кривой была минимальна:

.          (2п)

В данном случае (линейной зависимости) величина Q зависит от двух параметров a и b, и в точке минимума производная по ним от Q должна быть равна 0:

                                                                                     (3п)

Взяв соответствующие частные производные получаем:

                      

После несложных алгебраических преобразований получаем систему двух уравнений с двумя неизвестными для нахождения коэффициентов a и b:

                .

Отсюда имеем:

                      Рассмотрим пример.

Известно, что при равноускоренном движении скорость зависит от времени по закону:

                       V = Vo + a  t .

Пусть в результате измерения скорости получены следующие результаты (Таблица 1п).

 

                           

           Таблица 1п

1

2

3

4

5

t (с)

0,5

1,0

2,0

2,5

3,0

V (м/с)

2,1

2,9

5,0

6,2

7,5

По полученным данным необходимо найти начальную скорость Vo и ускорение a. Для этого воспользуемся МНК. Составим таблицу данных (Таблица 2п).

                                        Таблица 2п

Xi

Yi

Xi2

Xi  Yi

ti

Vi

t i2

t i  Vi

1

0,5

2,1

0,25

1,05

2

1,0

2,9

1,0

2,9

3

2,0

5,0

4,0

10,0

4

2,5

6,2

6,25

15,5

5

3,0

7,5

9,0

22,5

9,0

23,7

20,5

51,95

Подставляя значения из Таблицы 2п в формулы (4п), (5п), (6п), получаем:

                

Таким образом, в результате опыта после оценки по методу наименьших квадратов получены следующие значения параметров:

                 ускорение                     a  = 2,39 м/с2,

                 начальная скорость    Vo = 0,935 м/с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

53189. ГРА НА УРОЦІ АНГЛІЙСЬКОЇ МОВИ ЯК ЗАСІБ ПІДВИЩЕННЯ ПІЗНАВАЛЬНОЇ АКТИВНОСТІ ШКОЛЯРІВ 83 KB
  У школярів молодшого віку переважають ігрові інтереси, довільна поведінка, наочнообразне мислення, практичне ставлення до розвязування завдань. Зважаючи на все це, доцільно у роботі з ними на уроках іноземної мови систематично застосовувати елементи гри у поєднані з бесідою, елементами самостійної роботи.
53190. Інтерактивна ділова гра ток-шоу «Я так думаю» 37.5 KB
  Правила гри: Усі учасники мають рівні права; Кожен учасник має право висловити свою думку; Думка кожного має бути почута врахована та прийнята. Учасники ділової гри: всі педагогічні працівники. Загальний сценарій: учасники обєднуються в чотири групи Батьки Діти Педагоги та Експерти; ведучий розяснює мету гри загальний сценарій та правила гри; групова гра: розігрування ситуації відповідно до обраних ролей; міжгрупова дискусія керована ведучим; підсумок гри за допомогою експертів.
53191. Гра як засіб всебічного розвитку учнів 139.5 KB
  За її допомогою діти пізнають світ. В грі діти перевіряють свою силу і спритність у них виникають бажання фантазувати відкривати таємниці і прагнути чогось прекрасного. Захопившись грою діти не помічають що навчаються до активної діяльності залучаються навіть найпасивніші учні. Захопившись грою діти не помічають що навчаються.
53192. Гра не тільки розважає, а й здоров’я додає! 94.5 KB
  Від ставлення людини до особистого здоровя залежить його збереження та зміцнення. Одне з найважливіших завдань сучасної школи навчити дітей та їх батьків берегти і зміцнювати своє здоровя. Вчитель повинен сформувати в учнів свідоме ставлення до свого здоровя надати життєві навички здорового способу життя та безпечної для здоровя поведінки.
53193. Літературна гра на тему: Шевченко - художник 32.5 KB
  Шевченка створена на тему його однойменної поеми Катерина Картина проектується на екран. На екран проектується репродукція картини Т.На екран проектується обкладинка першого видання Кобзаря. ВовчкуАвтопортрет зі свічкою Репродукція проектується на екран.
53194. Гра «Поле чудес» План-конспект узагальнюючого уроку на тему «Світлотінь» для 6 класу 308 KB
  Завдання можуть бути суто теоретичними а можуть чергуватися практичні та теоретичні питання. Нас чекають цікаві завдання відкриття призи. Познайомимося з умовами гри: Розподіл барабана на сектори: Кожен сектор має своє позначення: Намальований пензлик це означає що гравуць отримує практичне завдання виконати в кольорі аквареллю на папері пейзаж натюрморт розмивання набризк і т. Намальований олівець практичне завдання виконати простим олівцем малюнок геометричне тіло з світлотінню глечик вазу і т.
53195. Фізико-математична гра «Щасливий випадок» 241.5 KB
  Правила: В цьому раунді кожній команді буде задано деяку кількість простих запитань з математики, інформатики, фізики та астрономії за обмежений час (1 хв.) Кожна правильна відповідь оцінюється 1 балом. Приймаються лише перші відповіді команди. Якщо ніхто з учасників команди не знає відповіді на запитання, можна говорити «Пас» або «Далі». Очки при цьому не нараховуються.
53196. Гра – тренінг «Обираємо професію разом» 41.5 KB
  Учитель: одна мудра людина сказала: Щастяце коли хочеться іти на працю а у вечорі йти додому Просто правда Але тільки на перший погляд. проводила тест на визначення профорієнтації за результатами цього тесту ви обєднались в групи: 1 людина людина; 2 людина техніка; 3 людина природа; 4 людиназнакова система; 5 людина мистецтво. Завдання 1: на столі знаходяться речі дивлячись на них ви повинні відповісти на такі запитання: людина людина: 1. Яка ємкість одноразового стаканчика людина техніка: 1.
53197. Мандрівка в народну гру 66 KB
  Їх із задоволенням грають діти і навіть дорослі не проти пограти. Проте у всіх іграх є одна спільна рисанародна мудрість. Гра найважливіша форма дитячої діяльності. Спостережливість уміння володіти собою як гра.