Цель работы: изучить устройство, работу электронного осциллографа и генератора звуковой частоты и их применение к исследованию электрических колебаний звуковой частоты.
Оборудование: электронный осциллограф, звуковые генераторы известной и неизвестной частот, соединительные провода.
Введение
Электронный осциллограф – электроизмерительный прибор, предназначен для наблюдения и исследования электрических процессов. С помощью осциллографа можно исследовать форму кривых, описывающих процесс, сравнивать амплитуду и частоту различных сигналов и т.д. Применяя специальные преобразователи, с помощью осциллографа можно также исследовать быстрые неэлектрические процессы, например механические колебания.
В настоящей работе с помощью осциллографа исследуются процессы сложения колебаний одного направления и сложения взаимно перпендикулярных колебаний. В качестве источников колебаний применяют стандартный генератор звуковой частоты (ГЗ), с помощью которого можно получить колебания в широком диапазоне частот, и генератор Гх, частота которого постоянна.Электронно-лучевая трубка – основной элемент электронного осциллографа (рис. 1). Основные части: 1 – оксидный катод; 2 – электрод, управляющий яркостью изображения, наложением больших или меньших отрицательных напряжений по отношению к катоду; 3 – фокусирующий катод (первый анод), выделяющий узкий электронный пучок; 4 –ускоряющий анод (второй анод), от потенциала которого зависит чувствительность трубки; 5 – две пары вертикально и горизонтально отклоняющих, пластин; 6 – ускоритель (третий анод) усиливает яркость изображения и представляет собой проводящий слой на боковой поверхности экрана; 7 – экран с флюоресцирующим слоем. Попадая на этот слой, электроны вызывают свечение в точке удара.
Генератор развертки. Для получения на экране трубки картины электрического процесса в координатах «напряжение – время» к одной паре пластин подводится линейно меняющееся со временем (пилообразное) напряжение (рис. 2). Электронный луч под действием пилообразного напряжения прочерчивает горизонтальную линию, пробегая за равные отрезки времени равные расстояния. В течение некоторого времени луч возвращается в исходное положение (обратный ход).
Наклон пилообразного напряжения и, следовательно, скорость движения луча можно изменять. При этом будет меняться временной масштаб развертки.
Определение частоты сигналов методом фигур Лиссажу. Если подключить к горизонтальному входу осциллографа источник переменного (синусоидального) тока, то светящаяся точка будет совершать гармоническое колебание вдоль оси Х: . При подключении к вертикальному входу осциллографа источника синусоидального колебания светящаяся точка совершает колебание вдоль оси Y: , где a и b – амплитуды соответствующих смещений, и – циклические частоты колебаний вдоль осей X и Y, a – разность фаз колебаний. Траектория движения точки – результат сложения двух взаимно перпендикулярных колебаний. Если частоты взаимно перпендикулярных колебаний неодинаковы, то траектории результирующего движения имеют вид довольно сложных кривых.
Если отношение частот выражается рациональной дробью, то результирующее движение имеет форму кривой, называемой фигурой Лиссажу. Их вид зависит от соотношения амплитуд, частот и фазы a складываемых взаимно перпендикулярных колебаний. Фигуры Лиссажу вписываются в прямоугольник, центр которого совпадает с нулевым положением луча, а стороны параллельны осям X и Y. В качестве примера для нескольких значений и разности фаз a фигуры Лиссажу приведены на рис. 3. Чем ближе к единице рациональная дробь, выражающая отношение частот колебаний, тем сложнее фигура Лиссажу.
Порядок выполнения работы
- Специальным кабелем или соединительными проводами подключить осциллограф к генератору.
- Включив осциллограф и звуковой генератор, получить устойчивую картину сигнала.
- Изменяя частоту сигнала звукового генератора получить и зарисовать фигуры Лиссажу для соотношения частот 3:2; 2:1; 1:2; 2:3; 3:1.
- Определить для каждого случая частоту колебаний неизвестного генератора, используя формулу , где и – число точек касания фигуры соответственно с горизонтальной и вертикальной линиями.
Контрольные вопросы
- Каково назначение осциллографа?
- Из каких основных блоков состоит осциллограф? Каково их назначение?
- Как устроена электронно-лучевая трубка? Каким образом формируется в ней электронный луч?
- Что получается в результате сложения двух колебаний одинакового направления и при сложении двух взаимно перпендикулярных колебаний?
- Как с помощью осциллографа определяется истинное значение амплитуды измеряемого сигнала?
Рекомендательный библиографический список
- Бутковский О.Я, Бухарова О.Д., Кузнецов А.А. Лабораторный практикум по физике. Электростатика и постоянный ток / Владим. политехн. ин-т. – Владимир, 1993. – 44 с.
- Лабораторный практикум. Колебания и волны: Учеб. пособие /Под ред.. Шилова. – М: МИФИ, 1989. – 56 с.