42161

ИЗУЧЕНИЕ СВОБОДНЫХ И ВЫНУЖДЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ В КОНТУРЕ

Лабораторная работа

Физика

Простейшими колебаниями являются гармоничные колебания происходящие по закону синуса или косинуса:    Сos t или  =  Sin t  где  мгновенное значение колеблющейся величины отклонение наблюдаемой величины от положения равновесия в момент времени t  амплитуда колебания наибольшее отклонение колеблющейся величины от её равновесного значения;  циклическая или круговая частота колебаний  начальная при t = 0 фаза колебаний. Гармонические колебания являются...

Русский

2013-10-27

115.5 KB

4 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ  РАБОТА  № 4 – 9

ИЗУЧЕНИЕ СВОБОДНЫХ И ВЫНУЖДЕННЫХ                              КОЛЕБАНИЙ В КОНТУРЕ

Цель работы - изучение затихающих и вынужденных колебаний в контуре, явления резонанса.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Периодически повторяющийся процесс называется колебанием. Простейшими колебаниями являются   гармоничные    колебания,  происходящие по закону синуса или косинуса:    Сos (t+) или                    = Sin (t+ ), где - мгновенное значение колеблющейся величины, (отклонение наблюдаемой величины от положения равновесия в момент времени t), - амплитуда колебания – наибольшее отклонение колеблющейся величины от её равновесного значения; - циклическая или круговая  частота колебаний, - начальная (при t = 0) фаза колебаний. Гармонические колебания являются периодическими – значения всех физических величин, изменяющихся в процессе колебаний, повторяются в точности через равные промежутки времени. Тот наименьший промежуток времени, по истечении которого повторяются значения всех физических величин, характеризующих колебательное движение, называется периодом колебаний (T = 2/). За это время совершается одно полное колебание.

         1. Затухающие колебания

 Причиной возникновения колебаний является чаще всего вывод (отклонение) системы, обладающей инертностью, из положения равновесия. Представленная затем самой себе, она начнёт совершать колебания около положения равновесия.  Такие колебания называются собственными (свободными) колебаниями системы. Вследствие неизбежных потерь энергии колебательного движения (трения в механических системах, нагревание проводника, диэлектрика в конденсаторе, излучение  электромагнитных волн и т. д. в электрических колебательных системах) колебания в системе постепенно затухают, и она возвращается в исходное состояние. Поэтому собственные колебания всегда являются затухающими. Затухающие колебания не являются строго периодическими. Условным периодом  (чаще говорят просто  - периодом) затухающих колебаний называется промежуток времени между двумя последовательными состояниями системы, при которых колеблющаяся проходит через равновесное состояние, изменяясь в одном и том же направлении (например, возрастая).

По своей природе колебания могут быть механическими, электромагнитными, электромеханическими и т. п. Электрические колебания могут возникать в цепи, содержащей индуктивность и емкость (колебательный контур). На рис. 1 изображен колебательный контур с параллельным соединением индуктивности L, емкости С и сопротивления R. Во всяком реальном контуре есть потери энергии и простоты ради будем полагать, что они происходят только в сопротивлении. Возбуждение колебаний в контуре производится путём подачи на него коротких  импульсов напряжения.

               Генератор         L               C       

               импульсов        R                               

                   (ГИ)                                           Осциллограф  

Рис. 1. Схема для наблюдения затухающих колебаний в контуре.

За время длительности импульса конденсатор заряжается до напряжения UС = .  При разрядке конденсатора через R и L в катушке возникает ЭДС самоиндукции i = L .  В паузах между импульсами внешнее напряжение к контуру не приложено и по второму правилу Кирхгофа сумма падений напряжений на R, L, C должна быть равна нулю:

                                L + IR +  = 0.                                                 (1)

Или, учитывая, что I =   = , получаем дифференциальное уравнение затухающих колебаний в виде

                               +  + q = 0.                                              (2)

Решение (2) при   <  имеет вид

                               q = e -t cos (t + ) ,                                      (3)

где: - заряд  на конденсаторе в момент времени t = 0,  =  - коэффициент затухания, циклическая частота

                                                                                    (4)

При малых затуханиях, т. е. при  

                                                                                            (5)

В соответствии с (3) напряжение на конденсаторе будет изменяться по закону

= UmCos(t + )  (6)

где  . Энергия, запасенная в контуре за время длительности импульса, постепенно убывает по экспоненциальному закону.

Затухание колебаний при этом принято характеризовать логарифмическим декрементом затухания, равным логарифму отношения амплитуд двух последовательных колебаний (см. рис. 2).

                                                (7)    

                UC

                             Um = Um0 e -t

                                             Um(t1)  

          Um(t1)                                            Um(t1+T)                

       Um(t1+T)

                                            t1                t2                                                        t           

                                                                               T

Рис. 2. Затухающие колебания

При малых затуханиях

                                .                              (8)

Часто вместо логарифмического декремента затухания для характеристики контура используют добротность Q:

                                           .                                           (9)

При больших затуханиях, когда   вместо колебаний происходит апериодический разряд конденсатора (рис. 3). Значение сопротивления, при котором колебательный процесс переходит в апериодический  (критическое сопротивление контура), определяется из (4):

                           или  при                            (10)

               UC        

                                                                        R RК (кривая 1)

                                                             R = RК  (кривая 2)

                                                                                               t

                                                 R RК   (кривая 3)

Рис.3. Апериодический разряд

Время апериодического разряда конденсатора растет с увеличением сопротивления R. Время разряда минимальное при R = Rк. При этом вид разрядной кривой зависит от условий возбуждения колебаний (от начальных условий): если конденсатор зарядить и затем подключить к остальным элементам контура, то разряд пойдет по кривой 2 на рис. 3. Если её контур возбуждается импульсно, вид разрядной кривой подобен кривой 1 на рис. 3.

ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ

Если параллельно колебательному контуру подключить гармонически изменяющуюся ЭДС (рис. 4) m sint, то спустя некоторое время после подключения вынуждающей ЭДС в контуре установятся вынужденные колебания с постоянной амплитудой.

Рассмотрим фазовые и амплитудные соотношения между токами и напряжениями в схеме рис. 4. Процессы и соотношения в цепях переменного тока удобно представлять с помощью векторных диаграмм (метод вращающихся векторов амплитуд). Отложим по горизонтальной оси напряжения на контуре.

В катушке индуктивности ЭДС самоиндукции пропорциональна скорости изменения тока и достигает максимального значения тогда, когда значение тока проходит через нуль. Следовательно напряжение на катушке сдвинуто по фазе относительно тока и опережает его на .

              Генератор                    

            непрерывных                             

              колебаний                                         

                   (ГНК)                                         Осциллограф  

Рис. 4. Схема для наблюдения вынужденных колебаний в контуре

Напряжение на конденсаторе определяется зарядом, который находится на нем, а величина этого заряда определяется током, который протекал раньше. Поэтому напряжение на конденсаторе отстает по фазе от тока на величину  (рис. 5).

                    IC                                     

                                                              IC

                              /2                                            I  

                                                 UC                                          UC  

                              /2

                                                               IL              Ii  

                         IL            

Рис. 5.  Векторные диаграммы

Следовательно, в контуре, образованном  параллельно соединенными индуктивностью и емкостью, токи IC и IL противоположны по фазе. Ток в подводящих проводах равен сумме токов IC и IL. 

Если , то ток в подводящих проводах будет отсутствовать (хотя токи Ic и Ii  могут быть очень велики). Это явление называется резонансом токов.

Так как индуктивность (катушка) обладает некоторым активным сопротивлением  R, то отставание тока Ii  от напряжения Uc будет меньше  (рис. 5,б) и определяется формулой

.

Минимум тока I достигается при условии

                                         .                                        (11)           

Минимуму тока соответствует максимум сопротивления контура и максимум напряжения на нем. Поэтому частота, определяемая формулой (11), называется резонансной.

При      , т. е. совпадает с собственной частотой контура.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Упражнение 1. Изучение затухающих колебаний в контуре.

1. Соберите цепь по схеме рис. 1. Сопротивление R полностью вывести (R RL). По заданным L и С рассчитайте частоту собственных колебаний контура и период. Период напряжения развертки на осциллографе выберите таким, чтобы он примерно в 10 раз  превышал период собственных колебаний контура.

2. Включите осциллограф и генератор импульсов. Манипулируя ручками «частота плавно» и «стабильность» (синхронизация), добейтесь получения на экране осциллографа устойчивой картины затухающих колебаний. Усиление по вертикали и горизонтали следует подобрать так, чтобы на экране наблюдалась полная картина затухающих колебаний, подобно изображенной на рис. 2.

3. Определите период собственных колебаний контура. Сравните полученное значение Т с его теоретическим значением, рассчитанным по формуле (5).

4. Экспериментально проверьте предсказываемое теоретически влияние параметров С и R на период собственных колебаний. Запишите выводы. Зарисуйте осциллограммы затухающих колебаний при 2 – х различных R.

5. Определите логарифмический декремент затухания путем измерения амплитуд колебаний (7) при 2-х значениях R. Сравните полученные из опыта значения с рассчитанными по формуле (8).

6. Постепенно увеличивая включенное в контур сопротивление R, добейтесь перехода от колебательной формы разряда конденсатора к апериодическому. Сравните полученное из опыта значение R со значением, рассчитанном по формуле (10).

Упражнение 2. Изучение зависимости амплитуды вынужденных колебаний от частоты.

1. Соберите схему согласно рис. 4, установите значения R и С по указанию преподавателя.

2. Определите по заданным величинам L и С резонансную частоту контура по формуле (11).

3. Включите соответствующий найденному значению рез. диапазон частот генератора, добейтесь устойчивой картины синусоидальных колебаний на экране осциллографа.  

4. Измерьте с помощью шкалы на экране осциллографа амплитуду колебаний тока в контуре при постоянном значении выходного напряжения генератора на 10 различных значениях частоты  (больше и меньше резонансной). Вблизи резонансной частоты изменения выберите меньшими, чем вдали от резонанса. Данные занесите в таблицу. По результатам измерений постройте резонансную кривую U = f().

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1.  Что такое колебание?
  2.  Дайте определение гармонических свободных колебаний, амплитуды, частоты, периода и фазы.
  3.  Что называется логарифмическим декрементом затухания, добротностью контура?
  4.  Что называется колебательным контуром? Опишите физические процессы, происходящие в контуре.
  5.  Выведите дифференциальное уравнение затухающих колебаний и приведите его решение.
  6.  Какие колебания называются вынужденными? Какие явления называются резонансом? Как изменяется амплитуда и резонансная частота колебаний в контуре с увеличением сопротивления потерь контура?
  7.  В чем заключается резонанс тока? Как по фазе изменяется напряжение на емкости и индуктивности?

 

 

 

50


IL

IC

L

R

C


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

57538. Languages without boarders 163 KB
  We reviewed the quiz about so-called natural languages and got knowledge about languages. To sum-up we can tell that English is a member of the Indo-European family of languages.
57539. Ротова порожнина та її гігієна. Будова зубів 88 KB
  Обладнання й матеріали: таблиця Органи травлення набір Зуби модель будови зуба. Базові поняття й терміни: ротова порожнина зуби різці ікла й корінні зуби коронка шийка й корінь зуба емаль дентин цемент пульпа молочні й постійні зуби зуби мудрості карієс зубні пасти та їх використання.
57540. Порушення діяльності серцево-судинної системи та запобігання їм 112 KB
  Які ж хвороби переслідують нашу сс систему Сс захворювання поділяються на Хвороби серця Хвороби артерій Хвороби вен Для ознайомлення з найпоширенішими хворобами серцевосудинної системи...
57541. Емоції 96.5 KB
  Мета уроку: Освітня: сформувати загальне уявлення про емоції як форму відображення обєктивної дійсності в якій переважає субєктивний характер психічних процесів...
57542. Побег и его строение. Почка – зародышевый побег 128 KB
  Учитель: Что такое орган Предполагаемый ответ: Орган часть организма занимающая определенное место в организме и выполняющая функции. Учитель: Какому органу природа Особую крепость дала И листья в огромную крону...
57543. ДОРОВІ ДІТИ - ЗДОРОВА НАЦІЯ 68.5 KB
  Із кожним роком усе більше свідомої прогресивної молоді яка бере відповідальність за себе та своє життя орієнтується на здоровий спосіб життя спрямовує свої зусилля на збереження та зміцнення власного здоровя.
57544. Греція у V – I V ст. до н.е. Урок-узагальнення 36.5 KB
  Мета: згадати повторити та систематизувати основний фактичний матеріал з історії Давньої Греції від найдавніших часів до періоду еллінізму; запропонувати учням цікаві питання й завдання що вимагають самостійної роботи нестандартного мислення...
57545. Передня Азія 39.5 KB
  Мета уроку: систематизувати загальні та особливі риси притаманні країнам Передньої Азії: підкреслити внесок найдавніших народів Передньої Азії в розвиток світової цивілізації...
57546. Друга світова війна: аналіз подій 43.5 KB
  Вчитель записує на дошці питання які пропонує обговорити з учнями в ході уроку: Причини війни. Ситуація в країнах під час війни Польща Франція СРСР. Чи знаєте ви дати Що було раніше Курська битва...