Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни icon

Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни




Скачати 167.31 Kb.
НазваМіністерство освіти І науки, молоді та спорту україни
Дата01.06.2012
Розмір167.31 Kb.
ТипДокументи


МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

КРЕМЕНЧУЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ МИХАЙЛА ОСТРОГРАДСЬКОГО





МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ЩОДО ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ

З НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ “ФІЗИКА

“ВИВЧЕННЯ ВИМУШЕНИХ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ КОЛИВАНЬ І ЯВИЩА РЕЗОНАНСУ В КОЛИВАЛЬНОМУ КОНТУРІ”

(РОЗЛІЛ “ЕЛЕКТРИКА І МАГНЕТИЗМ”)

ДЛЯ СТУДЕНТІВ ТЕХНІЧНИХ СПЕЦІАЛЬНОСТЕЙ

^ ДЕННОЇ ТА ЗАОЧНОЇ ФОРМ НАВЧАННЯЯ




КРЕМЕНЧУК 2011

Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Вивчення вимушених електромагнітних коливань і явища резонансу в коливальному контурі” ( розділ “Електрика і магнетизм”) для студентів технічних спеціальностей денної та заочної форм навчання


Укладачі: старш. викл. В.І. Скобель, старш. викл. Н. І.Мотрій,

доц. О.В. Сукачов

Рецензент доц. Ю.Г. Мичковський


Кафедра фізики


Затверджено методичною радою КНУ імені Михайла Остроградського

Протокол № ______ від _____________

Заступник голови методичної ради ________________ доц. С.А. Сергієнко


ВСТУП


Дані методичні вказівки розроблені з метою допомогти студентам у комплексному засвоєні певної теми курсу фізики. З цією метою перш за все наведено досить розгорнуті теоретичні відомості з даної теми курсу. Ефективне засвоєння теоретичних відомостей неможливе без набуття практичних навичок засвоєних при розв’язанні задач. Для цього розглянуто достатню кількість прикладів розв’язання задач, а також задачі для самостійної роботи, що дозволяє студентам контролювати якість засвоєння учбового матеріалу.

Фізика є експериментальна наука. Тому невід’ємним елементом курсу фізики є лабораторний практикум. В методичних вказівках детально описано принципові основи того експериментального методу, який застосовується в даній роботі, на основі чого студент зможе зрозуміти зміст своїх дій при виконанні лабораторної роботи. Значна увага приділяється також правильній обробці результатів вимірювань.

Обробка даних сучасного фізичного експерименту базується на широкому використанні комп’ютерів. Тому в методичних вказівках наведено інструкцію щодо оформлення звіту про виконання лабораторної роботи із застосуванням табличного редактора Excel для Windows.


^ ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2-10

ВИВЧЕННЯ ВИМУШЕНИХ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ КОЛИВАНЬ І ЯВИЩА РЕЗОНАНСУ В КОЛИВАЛЬНОМУ КОНТУРІ

ТЕМА: ”ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ КОЛИВАННЯ”

МЕТА: вивчення вимушених електромагнітних коливань у коливальному

контурі.

Експериментальне дослідження явища резонансу в коливальному

контурі.

Визначення добротності контуру.

^ ТЕХНІЧНЕ ОБЛАДНАННЯ

Генератор коливань ГЗ - 18, ламповий вольтметр ВУ-15, магазин опорів Р-33, набір конденсаторів на панелі, котушка індуктивності, з'єднувальні провідники.

^ КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

З багатьох дослідів та теорії Максвелла випливає, що електричні та магнітні поля взаємно пов’язані та взаємно зумовлені. Зміна з часом електричного поля викликає вихрове магнітне поле, причому циркуляція вектора напруженості магнітного поля довільно вибраним замкненим контуром дорівнює повному струму, що проходить через поверхню, обмежену контуром:

, (1)

де I - струм провідності; dФ0/dt - струм зміщення.

Зміна з часом магнітного поля викликає вихрове електричне поле, причому циркуляція вектора напруженості електричного поля довільно вибраним замкненим контуром дорівнює взятій з протилежним знаком швидкості зміни магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром:

. (2)

Електромагнітні коливання - це тимчасові зміни взаємно пов'язаних електричних і магнітних полів. Вони можуть відбуватися в макроскопічних тілах або системах, а також у мікроскопічних системах - молекулах, атомах, ядрах атомів.

Коливальний контур складається з ємності С, індуктивності L і омічного опору R (рис. 1).

ЕРС подається з ГЗМ (5 Ом).


Циклічна частота власних коливань

та при R=0.

Якщо до контуру прикласти зовнішню періодичну ЕРС з амплітудною величиною 0 і циклічною частотою 

,

то в контурі будуть відбуватися вимушені коливання струму, напруги і заряду конденсатора. Диференціальне рівняння вимушених коливань

,

. (2)

Розв’язок рівняння (2)

I=Iosin(t-), (3)

де Io - амплітудне значення струму;

 - зсув фаз між струмом і ЕРС, причому

, (4)

. (5)

Для аналізу фізичних явищ, що відбуваються в контурі, розглянемо декілька окремих випадків.

1. Контур містить тільки омічний опір R. Тоді

, tg=0, =0, I=Iosint,

тобто струм за фазою збігається із зовнішньою ЕРС. На омічному опорі енергія струму витрачається на нагрівання провідника, процес перетворення енергії необоротний.

2. Контур містить тільки індуктивність L. Тоді

, tg=, , ,

тобто струм за фазою відстає від ЕРС на /2. На індуктивному опорі XL=L відбувається перетворення енергії струму на енергію магнітного поля. Індуктивний опір зумовлений самоіндукцією, процес перетворення енергії на індуктивному опорі оборотний.

3. Якщо контур містить тільки місткість С, то

Io=oC, tg, , ,

тобто струм за фазою випереджає ЕРС на /2. На ємнісному опорі енергія струму перетворюється на енергію електричного поля, процес перетворення енергії зворотний.

Електричний резонанс у контурі полягає у зростанні амплітуди вимушених коливань струму, напруги на конденсаторі та його заряду, якщо частота зовнішньої ЕРС наближається до частоти власних коливань контуру.

У контурі з послідовним з'єднанням амплітуда струму досягає максимального значення при рівності індуктивного та ємнісного опорів (5)

.

Максимальна напруга на конденсаторі

.

Добротність контуру

, (6)

, оскільки .


Метод вимірювання

У лабораторній роботі досліджується крива залежності напруги на конденсаторі U0 від частоти вимушених коливань  генератора і визначається добротність контуру. Робоча схема установки зображена на рис. 1. На мрисунку V - ламповий вольтметр для вимірювання напруги на конденсаторі; V1 - вольтметр генератора для контролю і вимірювання поданої на контур ЕРС. Загальний вигляд резонансної кривої наведено на рис. 2.

Добротність контуру в даній роботі можна визначити двома шляхами:

1) за побудованою на основі досліду кривою

, (7)

де о - резонансна частота,

,

де 2 і 1 - частоти, в інтервалі яких напруга на конденсаторі не менша за .

2) за формулою (6), вимірявши приладами ефективні значення ЕРС та максимальної напруги на конденсаторі й замінивши відношення амплітудних значень величин прямо пропорційними до них ефективними значеннями величин. Як генератор вимушених коливань застосовується генератор ГЗ-18. Батарея конденсаторів і котушка індуктивностей дозволяють дослідити резонансні криві при різних значеннях С, L і R. Набір завдань для лабораторної роботи наведено в табл. 1.

Т а б л и ц я 1

Номер завдання

С,

мкФ

Витки

котушки, N

ЕРС

о, В

Інтервал досліджуваної частоти, , Гц

Крок частоти, Гц

Додатковий опір

R, Ом

? рез

(Гц)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

1

1

0,5

0,5

0,5

2

2

2

1200

2400

3600

3600

2400

1200

1200

2400

3600

1

1

1

1

1

1

1

1

1

40-680

20-360

20-220

80-280

80-420

180-640

20-380

20-220

20-140

40/20

20/10

10/5

10

20/10

40/20

20

10/5

10/5

100

100

200

200

200

100

100

100

100

400

220

140

220

310

600

270

155

100


У графі "Крок частоти" чисельник - крок частоти за шкалою генератора на віддалі від максимуму кривої, знаменник - поблизу максимуму (5-6 точок).

Кожне завдання передбачає побудову двох резонансних кривих: першу - без додаткового опору, другу - з додатковим опором, який набирають за допомогою магазина опорів Р-33.


^ Порядок виконання роботи

Вивчення апаратури, використаної в лабораторній роботі.

Генератор ГЗ-18 - високоточний прилад для отримання синусоїдних струмів з частотою від 20 до 20000 Гц. Зміна частоти коливань виконується рукояткою "установка частоты". Для виконання даної роботи треба користуватися тумблером "Сеть", "установка частоты" і "регулятор выхода". Величина поданого до контуру сигналу вимірюється вольтметром генератора. Ніякого іншого перемикання на генераторі здійснювати не треба. Рукоятки "шкала прибора" і "пределы шкалы ослабления " повинні бути в положенні "30 V ", рукоятка "сопротивление нагрузки" - в положенні "50", тумблер "внутренняя нагрузка" - в положенні "выкл.". Рукоятки "установка нуля" і "расстройка" чіпати забороняється. Перед початком досліду шкалу частот встановлюють у положення 50-70 Гц.

Ламповий вольтметр являє собою високочутливий і дорогий прилад, що вимагає обережного поводження. Покажчик меж вимірювання встановлюється в положення "10" (вся шкала приладу 10 вольт). Вмикання вольтметра в мережу відбувається натисненням клавіші "U".

Дослідження резонансних кривих

Номер лабораторного завдання видає викладач.

1. Складають коло за схемою, наведеною на рис. 1, без додаткового опору.

2. У присутності викладача перевіряють роботу схеми. Вмикають ламповий вольтметр і генератор, прогрівають їх протягом 15-20 секунд. "Регулятором выхода" встановлюють величину вихідного сигналу 1В за вольтметром генератора. Для всіх подальших вимірювань величина вихідного сигналу повинна залишатися постійною.

3. Відповідно до номера завдання встановлюють мінімальну частоту генератора і записують до таблиці напругу на конденсаторі. Повторюють ті самі вимірювання для всіх значень частоти відповідно до наведеного в таблиці кроку частоти. Вмикають генератор і вольтметр.

4. На міліметрівці будують графік залежності напруги на конденсаторі від частоти . Відрізок осі частот повинен бути не менше 210 мм, осі напруг - не менше 130-140 мм. Масштаб вибирають таким чином, щоб графік заповнив не менше 3/4 площі аркуша.

5. За максимумом кривої знаходять резонансну частоту o та інтервал частот  , у межах яких напруга буде не меншою за Uom / (див. рис. 2).

6. Застосувавши формулу (7), знаходять розрахункове значення добротності контуру Qp. За формулою (6) обчислюють величину добротності контуру за даними приладів Qnp. Порівнюють обидва результати.

7. Результати роботи заносять до табл. 2.

Т а б л и ц я 2

, Гц











































Uo, В











































8. Вмикають до контуру послідовно додатковий опір R і виконують всі ті самі вимірювання, побудову графіка і розрахунки ще раз. Другий графік будують на тійсамій координатній сітці, що і перший графік. Заповнюють таблицю 3.

Т а б л и ц я 3

Режим

Витків, N

С,

мкФ

Uom,

У

о,

Гц

,

Гц

Qp

Qnp

R =0






















R =0























^ Зміст звіту

Назва і номер лабораторної роботи, робоча схема і розрахункові формули, два графіки на одній і тій самій координатній сітці, таблиці результатів роботи (табл. 3).


^ Контрольні питання

1. Запишіть в інтегральній формі перше рівняння Максвелла і поясніть явища, що воно описує.

2. Запишіть в інтегральній формі друге рівняння Максвелла і поясніть явища, що воно описує.

3. Дайте визначення електромагнітних коливань і назвіть приклади коливальних систем.

4. Складіть диференціальне розв’язання вимушених коливань у контурі.

5. Запишіть і поясніть розв’язок рівняння вимушених коливань у контурі.

6. Запишіть та поясніть формули амплітудного значення струму в контурі та зсуву фаз між струмом і зовнішньою ЕРС.

7. Проаналізуйте явища в контурі, що містить тільки омічний опір, індуктивність і ємність.

8. Що називається електричним резонансом у контурі?

9. За якого співвідношенні індуктивного і ємнісного опорів амплітуда струму в контурі максимальна?

10. Від яких параметрів контуру залежить частота його власних коливань?

11. Що називається добротністю контуру і як можна визначити її експериментально?


^ ПРИКЛАДИ РОЗВ’ЯЗАННЯ ЗАДАЧ


Приклад №10.1

У мережу змінного струму частотою =50  Гц і напругою 220 В увімкнені І послідовно конденсатор ємністю ^ 80 мкФ і котушка індуктивністю 200 мГн і активним опором 4 Ом. Визначити: а) силу струму в колі; б) частоту змінного струму, коли наступить резонанс напруг; в) силу струму і напругу на ємності й індуктивності за умови резонансу напруг.

=50 Гц Розв’язання:

U=220 B а) діючу або ефективну силу струму в колі змінного

C=80 мкФ= струму визначимо із закону Ома:

L=200 мГн=

^ R=4 Ом ,

Визначити: І-?, рез-?, U-? де Uеф - ефективна напруга змінного струму,

ХL =L - індуктивний опір,

ХC=1/C - ємнісний опір,

=2 - циклічна частота.

Підставивши числові значення, одержимо:

9,35(А);

б) резонансну частоту визначимо з формули Томсона: рез=соб=.

Звідси: 39,8(Гц);

в) враховуючи, що в резонансі ХL=XC , тобто індуктивний і ємнісний опори компенсують один одного, повний імпеданс кола дорівнює:

,

звідси ефективна сила струму: ,

а ефективна напруга в резонансі:

^ UефC=UефLефХLефL= ІефL=4420,2=2763,2(В).

Приклад № 10.2

До коливального контуру підключена ємність 2 мкФ. Якою повина бути індуктивність, щоб отримати коливання частотою 1000 Гц?

С=2мкФ= Розв’язання:

=1000Гц За формулою Томсона резонансна частота коливального

контуру:

Визначити: L-? .

Звідси: 12,710-3(Гн)


Приклад №10.3

Визначити енергію магнітного поля котушки індуктивності коливального контуру через 1/8 періоду з початку коливань, якщо максимальна напруга на ємності контуру 500 В, а ємність конденсатора 1 мкФ. Активним опором контуру знехтувати.




Розв’язання.

U Рівняння коливань напруги на ємності коливального

контуру: U=UmaxCost= UmaxCos(2t/T),

R=0 а струму в індуктивності: I=-ImaxSint=-ImaxSin(2t/T).

_________________________

Визначити: WL-? (тут вважаємо, що 0=0)


Згідно із законом збереження енергії:

Wповн=WL+WC=WCmax=WLmax.

Враховуючи, що ,маємо:

WL= WCmax -WC= =

0,063(Дж).


ЗАДАЧІ

10.1 Сила струму в колі змінюється за законом І[A]=5Sin(2000t+). Визначити амплітуду струму, частоту і період. Знайти значення сили струму для моменту часу 1/12 мс.

10.2 Коливальний контур радіоприймача складається з котушки з індуктивністю 0,2 мГн і змінного конденсатора, ємність якого може змінюватися від С1=100  пФ до С2=450 пФ. У якому діапазоні частот працює цей радіоприймач?

10.3 У коливальному контурі виникли вільні незгасаючі електромагнітні коливання. Максимальний заряд конденсатора qm=1 мкКл, а максимальна сила струму Іm=1 А. Визначити, на яку довжину хвилі настроєний контур.

10.4 До мережі змінного струму з ефективним значенням напруги Uеф=220 В і частотою =50 Гц послідовно з конденсатором ємністю С=300 мкФ увімкнутий опір R=32 Ом і котушка індуктивності. Амплітуда сили струму в колі Im=2,75 А. Визначити індуктивність котушки і зсув фаз між напругою і струмом у даному контурі.


10.5 До мережі змінного струму з частотою =50 Гц увімкнули електроплитку з робочим опором R=63 Ом, а потім послідовно з нею підключили котушку індуктивності, унаслідок чого потужність плитки зменшилась у 3 рази. Визначити індуктивність котушки.


^ СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Трофимова Т. И. Курс физики.-М.:Высшая школа, 1999 – 542 с.

2. Савельєв И.В. Курс общей физики в 3 томах: - М.: Наука, 1978. - Т.2- 345с

3. Детлаф А.А. Курс фізики у 2 томах. - М.: Вищ.школа, 1977. - Т.2- 431с.

4. Кухлінг Х. Довідник з фізики. - М.: Наука, 1982- 348с.

Додаток


Інструкція щодо оформлення звіту

про виконання лабораторної роботи з фізики

із застосуванням табличного редактора Excel для Windows


  1. Після виконання лабораторної роботи і вивчення інструкції щодо оформлення звіту в присутності викладача або лаборанта ввімкнути персональний комп’ютер.

  2. На диску "D", у папці "Студенти" знайти папку своєї групи, (наприклад, шляхом D:\Студент\СУ-07-1), в цій папці знайти файл табличного редактора Excel із зразками звітів* (наприклад, "Зразок лаб") і відкрити його за допомогою команди „Открыть” в меню „Файл” або за допомогою комбінації клавіш „Ctrl+O(лат.)”.

  3. У книзі (файлі) "Зразок лаб" у вікні редактора Excel знайти ярлик відповідного листка (наприклад, "Лаб 2-10") і перейти на цей листок.

  4. Внести в комірки таблиць, які виділені кольоровою заливкою, результати вимірів.

  5. У результаті відбудеться обчислення даних за відповідними формулами і побудова відповідних графіків.

  6. Внизу сторінки листа заповнити комірки: "номер групи", "П.І.П", "дата", які виділені кольоровою заливкою. Для цього потрібно виділити відповідну комірку і після завершення уведення даних натиснути клавішу „Tab” або „Enter”.

  7. Після цього в меню „Файл” виконати команду „Сoхранить как..”, увести ім'я файла (наприклад, "Іванов-лаб") і зберегти файл у відповідній папці групи (наприклад, у папці "СУ-07-1" шляхом D:\Студент\СУ-07-1\Іванов-лаб).

  8. За необхідності увімкнути принтер, вставити в нього аркуш паперу і роздрукувати сторінку з результатами вимірювань і графіком за допомогою команди 'Печать..' в меню 'Файл'.

  9. Завершити роботу в редакторі Excel через меню „Файл”, виконавши команду „Выход”, або за допомогою комбінації клавіш „Alt+F4”.

  10. Вимкнути комп'ютер через меню „ПУСК”, „Завершение работы”, „Выключить компьютер”, „Да”.

*Примітка: в подальшій роботі відкривати файл під своїм прізвищем.


Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Вивчення вимушених електромагнітних коливань і явища резонансу в коливальному контурі” (розділ “Електрика і магнетизм“) для студентів технічних спеціальностей денної та заочної форм навчання


Укладачі: старш. викл. В.І. Скобель, старш. викл. Н.І. Мотрій,

доц. О.В. Сукачов


Відповідальний за випуск зав. кафедри фізики проф. О.І. Єлізаров


Підп. до др. _________ . Формат 60x84 1/16. Папір тип. Друк ризографія.

Ум. друк. арк.__1__. Наклад _ 50 _ прим. Зам. № . Безкоштовно.


Видавничий відділ КНУ

39614, м. Кременчук, вул. Першотравнева, 20



Схожі:

Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту України Національний університет фізичного виховання І спорту України лахно олена геннадіївна
Роботу виконано у Дніпропетровському державному інституті фізичної культури і спорту, Міністерство освіти і науки, молоді та спорту...
Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни icon­­­­Про формування варіативної складової
Міністерства освіти І науки, молоді І спорту України, схвалення відповідною комісією Науково–методичної ради з питань освіти Міністерства...
Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту України Національний університет фізичного виховання І спорту України арєшина юлія борисівна
Роботу виконано в Інституті фізичної культури Сумського державного педагогічного університету імені А. С. Макаренка, Міністерство...
Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту україни 01135, м. Київ, проспект Перемоги
Міністерство освіти і науки, молоді та спорту Автономної Республіки Крим, управління освіти і науки обласних, Київської та Севастопольської...
Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту україни національний університет фізичного виховання І спорту україни анікєєв дмитро михайлович
Роботу виконано в Національному університеті фізичного виховання І спорту України, Міністерство освіти І науки, молоді та спорту...
Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту України Національний університет фізичного виховання І спорту України бібік руслан вікторович
Робота виконана в Національному університеті фізичного виховання і спорту України, Міністерство освіти і науки, молоді та спорту...
Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту України Національний університет фізичного виховання І спорту України скомороха ольга станіславівна
Роботу виконано в Національному університеті фізичного виховання і спорту України, Міністерство освіти і науки, молоді та спорту...
Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту України Національний університет фізичного виховання І спорту України воробйова анастасія володимирівна
Роботу виконано у Національному університеті фізичного виховання і спорту України, Міністерство освіти і науки, молоді та спорту...
Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconФорма № н 04 міністерство освіти І науки, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ міністерство освіти І науки, молоді та спорту автономної республіки крим рвнз «кримський гуманітраний університет» (м. Ялта) інститут економіки та управління кафедра затверджую

Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту україни національний університет фізичного виховання І спорту україни
Роботу виконано у Національному університеті фізичного виховання І спорту України, Міністерство освіти І науки, молоді та спорту...
Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconМіністерство освіти і науки, молоді та спорту України Національний університет фізичного виховання і спорту України
Роботу виконано в Національному університеті фізичного виховання і спорту України, Міністерство освіти і науки, молоді та спорту...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи