Физическая лаборатория - Портис А.
Скачать (прямая ссылка):
О Г 2Т i
Рнс. 10. Функциональная блок-схема осциллогра- Рис. 11.
фа: / — усилитель, 2 — источник питания, 3 — генератор пилообразного напряжения, 4 — катодно-лучевая трубка.
3. Генератор развертки. Осциллограф должен вырабатывать пилообразное напряжение развертки переменной частоты. Кроме того, нужно иметь возможность синхронизировать развертку с повторяющимся сигналом.
4. Усилитель сигнала. Напряжение, требуемое для полного отклонения электронного пучка вертикально вдоль экрана, близко к 200 в. Чтобы получить заметное отклонение для сигнала величиной 0,1 б, необходимо иметь дополнительное усиление порядка нескольких тысяч.
Функциональная блок-схема катодно-лучевого осциллографа показана на рис. 10.
54
Более подробное описание схемы и работы катодного осциллографа вы найдете в его фирменном описании.
Чтобы наблюдать периодическую релаксацию заряда, удобно иметь потенциал, форма которого показана на рис. 11. Получение таких прямоугольных импульсов предусмотрено во многих фирменных генераторах синусоидальных волн, которые дают возможность регулировать амплитуду и частоту следования импульсов.
Начните с рассмотрения прямоугольных импульсов напряжения, подав их на вертикально отклоняющие пластины осциллографа.
Рис. 12. Рис. 13.
Регулируя частоту развертки или частоту следования импульсов, вы получите картины, показанные на рис. 12.
На рис. 13 показана возможная схема возбуждения /?С-цепи прямоугольными импульсами (ГР — горизонтальная развертка осциллографа). Емкость С заряжается и разряжается через одно и то же сопротивление /?. Какую картину ожидаете вы увидеть на экране осциллографа? Возьмите /?=10 ком и С=0,1 мкф и получите на экране полный период заряда и разряда емкости. Прокалибруйте временную ось (л:-ось) по частоте синусоидальных импульсов и определите время релаксации заряда хжНС. Повторите опыт при других значениях Я и С.
Следует иметь в виду, что генератор прямоугольных импульсов имеет свое внутреннее сопротивление. Оно должно быть значительно меньше /?, чтобы не повлиять на измерения т. Постарайтесь выяснить, выполняется ли это условие в ваших измерениях.
Работа 1.6. ЗАТУХАЮЩИЕ КОЛЕБАНИЯ
В Р. 1.5 мы рассмотрели чистый экспоненциальный разряд заряженной емкости через сопротивление. Мы видели, что экспоненциальная зависимость величины заряда от времени возникает потому, что скорость спада пропорциональна значению заряда, остающегося на емкости. Мы все хорошо знакомы с системами другого типа, которые приходят к состоянию покоя при помощи колебаний. Например, отклоненный маятник движется вниз к положению равновесия. Однако он не приходит сразу в это положение,
55
а проходит через него к положению максимального отклонения в другую сторону, после чего он опять начинает двигаться вниз. Такие движения называются колебаниями. Из-за сопротивления воздуха амплитуда колебаний маятника будет постепенно уменьшаться до тех пор, пока маятник в конце концов не придет в положение равновесия. Движение груза, прикрепленного к пружине, аналогично движению маятника.
Можем ли мы сделать электрическую систему, в которой возникли бы затухающие колебания? Чтобы прийти к ответу на этот вопрос, рассмотрим аналогию между 7?С-цепочкой и демпфирующим
__ П
| * | | я
о о х0
Рнс. 1.
ТУШ
устройством, эскиз которого показан на рис. I. Демпфер состоит из цилиндра, наполненного маслом, и поршня (диска), в котором сделаны отверстия. При движении диска масло будет проходить через эти отверстия. Если мы сместим диск вправо, пружина будет растягиваться, вызывая силу, тянущую диск влево,
Р=—кх. (1)
Уравнение (I) является выражением закона Гука: возвращающая сила пропорциональна смещению. Что случится, если мы отпустим диск? Диск не может сразу же вернуться в положение равновесия. Он будет двигаться со скоростью, ограничиваемой вязкостью масла. Скорость (при условии ее малости) будет пропорциональна силе, действующей на диск:
^-Ш-у (2)
Как будет двигаться диск, если мы отпустим его из смещенного положения. Чтобы ответить на этот вопрос, исключим силу из уравнений (1) и (2), тогда получим
а—т*- <3>
Это уравнение имеет точно такую же форму, что и уравнение (5) в Р. 1.5. По аналогии с ранее полученным решением мы можем написать решение (3):
х = х„е-<*/«'. (4)
Это уравнение описывает экспоненциальный закон движения диска с постоянной времени т=у/?. Заметим, что чем жестче пружина
56
(т. е. чем больше тем меньше время успокоения, а чем меньше отверстия и гуще масло, тем больше это время. Теперь мы можем провести близкую аналогию между демпфирующим устройством и /?С-цепочкой, как это сделано на рис. 2. В этих рассуждениях мы пренебрегли массой диска. Каких изменений в движении следует ожидать, если диск имел бы большую массу? Принципиальное различие между тяжелым и легким диском заключается в том, что
Рис. 2. Воздушный буфер (я) подобен ЯС-цепочке (б), смещение л: и скорость и—йхНИ (в) соответствуют заряду 0_ и току /=йЧЗ/(Н (г), сила Р=^+кх (д) соответствует напряжению
тяжелый диск вследствие инерции должен проходить через положение равновесия, т. е., пройдя положение равновесия, он отклонится влево.
