KSE_лабораторный практикум

времени магнитными полями (генераторы) и т.д. Всякое устройство, в котором возникают сторонние силы, называется источником тока.

Характеристикой источника тока является электродвижущая сила, которая определяется как работа сторонних сил источника тока по перемещению единичного положительного заряда с отрицательного полюса источника на положительный.

На участке электрической цепи, содержащей источник тока, кроме сторонних сил, на заряд действуют силы электростатического поля, результирующая сила, действующая в каждой точке цепи на заряд, равна разности этих сил.

Закон Ома для замкнутой цепи:

I	=	Ε =	Ε	,
			RH +r
где Ε−э.д.с., действующая в		R
		цепи; R −суммарное			сопротивление всей
цепи: R = RH +r ,( r −внутреннее сопротивление источника;					RH − сопротивление
внешнего участка цепи).

Мощность источника может расходоваться на совершение работы в нагрузке и зависит от внутреннего сопротивления и сопротивления нагрузки. Мощность, развиваемая источником, выделяется на внутреннем сопротивлении источника r и сопротивлении нагрузки RH . Полезной мощностью является

мощность, выделяемая на нагрузочном сопротивлении RH .

Отношение полезной мощности, развиваемой источником, называется коэффициентом полезного действия:

η =	PH	=	RH	=	I U	=	U		.
	P		RH + r		I Ε			Ε

Из формул видно, что при заданных Εи r , PH и η зависят от внешнего сопротивления в цепи (сопротивления нагрузки). Чтобы выяснить условия, при которых полезная мощность достигает максимума, первую производную dPdR

приравниваем нулю:

Ε[(RH +r)2 −2RH

(RH

+r)]

dP

=

=

r2 − RH

2

.

dR

(RH +r)4

(RH +r)4

где r2 − RH

2 = 0 ,

r = RH .

При этом условии коэффициент полезного действия равен:

RH

r

1

η =

=

=

.

Pn ,η,I иU

RH +r

2r

2

Зависимости

от сопротивления

R нагрузки легко

проанализировать теоретически, используя формулы графики этих зависимостей приведены на рис.3.

22

Pn	η	I	U
	1	Iкз	E

R R R R

Рис.3. Зависимости мощности, коэффициента полезного действия, тока и напряжения источника тока от сопротивления нагрузки.

Интерпретация проделанной работы применительно к социальноэкономической сфере достаточно проста с использованием метода аналогий. Например, динамика (зависимость передаваемой мощности) (продаваемой продукции) от сопротивления нагрузки (эластичности спроса-предложения) похожи (аналогичны), поскольку в условиях равновесия работают потенциальные модели, основанные на принципе наименьшего действия и принципе непрерывности (закон полного тока). При равенстве сопротивления нагрузки внутреннему сопротивлению генератора (издержек производителя) имеет место максимальная передача мощности (максимальная прибыль) при этом эластичность единичная.

Рассмотрим второй случай: сопротивление нагрузки равно бесконечности, т.е. разрыв цепи постоянный ток не течет и в нагрузке не выделяется мощность

– это соответствует абсолютно неэластичному спросу. Напряжение на выходе равно приблизительно электродвижущей силе генератора (источника тока). Произведенная продукция не находит спроса. Мы рассматриваем только тот случай, когда производитель только продает, а покупатель покупает.

Рассмотрим третий случай: сопротивление нагрузки равно нулю, в цепи течет ток короткого замыкания. Это соответствует тому состоянию, когда продукция предлагается по цене ниже рыночной или вообще бесплатно, в результате спрос (ток) значительно возрастает и достигает в предельном случае (сопротивление нагрузки равно нулю) величины тока короткого замыкания. Продавец не получает прибыли и работает себе в убыток.

Контрольные вопросы

1.Что такое электрический ток?

2.Назовите условия возникновения электрического тока.

3.Что такое сторонние силы? Дайте определение электродвижущей силы.

4.Сформулируйте закон Ома для замкнутой цепи.

5.Каково определение работы и мощности электрического тока?

6.Что понимается под мощностью, развиваемой источником тока? Что такое полезная мощность источника?

7.Каково определение коэффициента полезного действия источника?

8.При каком сопротивлении нагрузки полезная мощность максимальна?

9.Как зависят от силы тока в цепи полезная мощность Pn , коэффициент

полезного действия η ? Изобразите эти зависимости графически.

23

10.Каково значение к.п.д. источника тока при максимальной полезной мощности Pn ?

11.Каково значение к.п.д. источника тока при коротком замыкании?

Порядок выполнения эксперимента

Исследование зависимости силы тока, напряжения, полезной мощности и коэффициента полезной мощности в замкнутой цепи от величины внешнего сопротивления (нагрузки) по схеме лабораторного макета.

1.Измерить напряжение на клеммах источника без нагрузки, показания вольтметра будут близки к величине э.д.с. источника. Записать показания вольтметра.

2.Подключить нагрузку к источнику. Изменяя сопротивление нагрузки измерить силу тока и напряжения на нагрузке, результаты измерения произвести не меньше, чем для десяти значений силы тока в цепи, перекрывающих весь диапазон.

3.Вычислить значения R , Pn и η и занести в таблицу.

4.Построить графики зависимости Pn = f (R), η = f (R), U = f (R), I = f (R).

5.По графику определить ток короткого замыкания и внутреннее сопротивление источника.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 ИЗУЧЕНИЕ СВЕТОВЫХ КВАНТОВЫХ И ВОЛНОВЫХ ЯВЛЕНИЙ.

ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА ГОЛОГРАФИИ

Цель работы: Ознакомление с принципами голографической записи и восстановления изображений. Наблюдение голограмм. Исследование пространственной и временной когерентности. Исследование метода голографической интерферометрии, для считывания штрих кодов, проверка соотношения неопределенностей для фотонов.

Необходимые предварительные знания: Принцип голографии. Активные среды. Соотношение неопределенности. Микро и макроописание природы.

Приборы и оборудование: Лазер, голограмма, дифракционная решетка, компакт-диск, щель, рулетка, экран, набор штрих кодов и голографических стикеров и др..

Программное обеспечение: Gnuplot.

Формируемые компетенции: Знать:

синергетику кооперативных явлений в природе, работы в коллективе, творчества, методы инновационного проектирования, принципы и методы творческой деятельности;

Уметь:

находить организационно-управленческие решения в нестандартных ситуациях снижать априорную неопределенность случайного выбора, самостоятельно принимать решения и быть готовым нести за них персональную ответственность;

24

Владеть:

способностью и навыками организационно-управленческих решений в нестандартных ситуациях случайного выбора в открытом неравновесном, нелинейном, кризисном мире, самостоятельного принятия ответственных решений в условиях ограниченных времени и средств, готовностью нести за них персональную ответственность.

Литература: [1-5,8,9].

Теоретическая подготовка эксперимента

Лазер − наиболее востребованный элемент современной техники. Оптоэлектроника начала развиваться до появления лазеров (на основе

обычных источников света); ее основная задача состояла в осуществлении взаимных преобразований электрических и световых сигналов. Простейший оптоэлектронный прибор оптрон показан в трех различных вариантах на рисунке 4 а,б,в, где 1 − фотоизлучатель, 2 − фотоприемник, 3 и 4 − световой и электрический сигналы, 5 − оптическая связь.

На основе оптронов возможна реализация ячеек памяти и логических элементов.

Рис.4 Схемы оптических преобразователей

Всостав оптоэлектронных устройств входят несколько видов приборов, которые по-разному связаны между собой и обеспечивают задачу хранения и выдачи информации в зависимости от потребностей. Наиболее простая комбинация приборов − фоторезистор (сопротивление) и источник питания. Их можно объединить в последовательную электрическую схему с оптической обратной связью, которая и обеспечит бистабильность. Как только световой сигнал (луч) попадает на фоторезистор, сопротивление его уменьшается и тем самым обеспечивается заданный режим свечения. Кроме того, свечение источника излучения указывает на состояние элемента памяти. Состояние «1» устанавливается кратковременным приложением к схеме повышенного напряжения или освещением фотосопротивления внешним источником света; элемент памяти переключается в состояние «0» при кратковременном выключении источника питания.

Воптоэлектронных и вычислительных устройствах лазеры выполняют две функции: являются источниками когерентных световых волн − носителей

25

когерентных оптических сигналов, и элементов, используемых для преобразования по частоте электрических сигналов, выполнения определенных логических операций.

В оптическом устройстве, схема которого приведена на рис.5, в качестве источника излучения используется лазер.

Основными компонентами этой системы являются сам лазер, модулятор (устройство для управления интенсивностью луча), дефлектор (устройство для отклонения луча), формирующая и фокусирующая оптика, и запоминающая среда. Это среда должна реагировать на световой луч таким образом, чтобы можно было осуществлять процесс записи или стирания информации, а также обеспечить получение на фотоприемнике сигнала считывания. При этом возможны два режима системы: на отражение и пропускание света.

Рис.5. Лазер и принцип получения голограммы

Уникальные свойства лазера, в частности, высокая направленность, большая яркость и узкий спектр излучения, а также когерентность делают его незаменимым для устройств оптической записи. Лазер допускает фокусировку луча в пятно, диаметр которого близок по величине к длине волны излучения.

Лазеры − это новый шаг в развитии вычислительной техники, который может принести и новые решения проблем создания больших информационных объемов при достаточно высоком быстродействии. Используя оптические методы, можно будет создавать уникальные устройства памяти с колоссальными информационными объектами и скоростью выдачи информации.

На рис. 5 б показан принцип голографической записи сигнала с помощью лазера. Применение лазера (полупроводникового) в различных системах управления, контроля, навигации, торговле и др. определяет важность исследования его работы.

В настоящей работе исследуется с помощью лазера зависимость пространственной и временной когерентности, проверка принципа неопределенности Гейзенберга, принципа сканирования штрих кодов на товарах, стикеров, CD дисков и др.

26

Принцип неопределенности Гейзенберга отражает особенности свойств микрочастиц. Он утверждает, что произведение неопределенностей пар переменных не может быть больше постоянной Планка [ h] = [Дж с].

Наиболее часто используется соотношение неопределенности для координат и проекций импульса, или для энергии и времени излучения, поглощения или измерения энергии.

При ограничении области распространения фотонов с помощью щели в случае не очень высокой когерентности лазера (например, всюду реализуемых в торговле лазерных указок корейского или китайского производства)

возникает	неопределенность	координаты	х.	При этом угловой разброс
импульса	неопределенность	импульса	Рх,	может быть определен из
геометрических построений.

Следовательно, угловой разброс импульса можно оценить:

sin ϕ≈tgϕ= x2l0 ,

где х0 − ширина центрального максимума; l − расстояние от щели до экрана. Тогда неопределенность импульса:

Px =P sinϕ≈P x2l0 .

Согласно гипотезе Луи-де-Бройля о корпускулярно-волновом дуализме импульс любой частицы равен: P = λh .

Таким образом, соотношение неопределенности для фотонов будет иметь вид:

	x P ≈ x x	0		h	≥ h.
				2lλ
	x

Учитывая, что h = h2π, окончательно получим:

	x x	0	≥	λl	= A ,	x x	0	≥A .
				π

В данной работе необходимо экспериментально определить А.

Контрольные вопросы

1.Что означает соотношение неопределенности Гейзенберга?

2.Как связаны принципы неопределенности и дополнительности?

3.Что такое длина когерентности?

4.Что такое время когерентности?

5.Каковы достоинства лазеров?

6.Какие функции выполняют лазеры в современной технике?

7.Что такое оптрон?

8.Каков принцип записи и считывания информации на CD, DVD?

9.Какова картина писет CDR в лазерных лучах на экране?

10.Какова надежность штрих кодов?

11.От чего зависит достоверность считывания штрих кода лазером?

27

Порядок выполнения эксперимента

Задание 1. Проверка соотношение неопределенностей для фотонов.

1.Собрать установку по схеме, приведенной на рисунке макета.

2.Определить длину волны лазера из наблюдения дифракционной картины от отражающей голографической дифракционной решетки.

3.Установить необходимую ширину щели.

4.Включить лазер и измерить ширину центрального максимума на экране и расстояние от щели до экрана.

5.Повторить измерения для щелей разной ширины 0,05, 0,1, 0,15, 0,2 [мм].

6.Вычислить постоянную А и занести все данные в таблицу 1.

Таблица 1.

№	Ширина	Ширина	Расстояние до
пп	щели,	центрального	экрана, l	A =	λ l
	х	максимума, х			π

Задание 2. Исследование пространственной и временной когерентности излучения лазера на примере дифракционной решетки, штрих кодов, защитных голографических стикеров.

1.Наблюдая дифракционную картину на экране от голографической дифракционной решетки определить распределение дифракционных максимумов при нормальном питании лазера и без системы рассеивающей линзы.

2.Рассчитать длину когерентности лазера при выше заданных условиях.

3.Рассчитать время когерентности лазера при выше заданных условиях.

4.Облучить голограмму лазером и наблюдать картину на экране. Зарисовать ее в масштабе.

5.Изменить условия работы лазера; питания, фокусировка луча и др. проделать то же, что и в пп. 2-4.

6.Сравнить картины с полученными в пп. 2-4 и п. 5.

7.Сделать выводы.

28

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5 НАБЛЮДЕНИЕ ИЛЛЮЗИЙ ВОСПРИЯТИЯ И ИСКАЖЕНИЯ

ДЕЙСТВИТЕЛЬНОСТИ

Цель работы: Ознакомиться с естественно-научными основами свойств пространства и времени, искажения действительности органами чувств, изучить возможные иллюзии её восприятия и научиться применять их на практике.

Необходимые предварительные знания: строение зрительных органов,

основы физиологии восприятия света и цвета, иллюзии восприятия и их виды, оптические и цветовые иллюзии, «полезные иллюзии».

Приборы и оборудование: изображения иллюзий (рисунки), линейка, ручка и карандаш, лист бумаги, краски (для задания 5.3.). Набор макетов «Свет и цвет» для 100 красочных экспериментов. Набор цветовых зрительных иллюзий.

Программное обеспечение: Gnuplot, Fotosop.

Формируемые компетенции: Знать:

1.гуманитарный потенциал современного естествознания, связанный с формированием мировоззрения, развитием мышления, воспитанием чувств; мультидисциплинарность культуры, естественно-научные картины мира; научные методы анализа, обобщения, восприятия информации, взаимоотношения человека с природой; место человека в ней;

2.достижения современного естествознания в исследовании человека, соотношения личности и индивидуальности, творческой самореализации, закономерности развития интеллекта, основы саморазвития и самосовершенствования в синергетической среде мультикультурного профессионального образования, формирующего профессионализм выпускников;

3.естественно-научные основы здоровья, работоспособности и творческой природы человека, физиологии, свои достоинства и недостатки, средства самосовершенствования, основы самоорганизации в системах любой природы; закономерности саморазвития личности; роста квалификации и мастерства, бесконфликтной профессиональной деятельности;

Уметь:

1.применять знания принципов и законов современного естествознания; использовать их в мультидисциплинарном качестве; ставить цели, анализировать и оценивать информацию; планировать и достигать цели в профессиональной деятельности;

2.использовать достижения современного естествознания в исследовании биосоциальной сущности человека, его естественного стремления к личностному и профессиональному саморазвитию через творчество в повышении своей квалификации

имастерства;

3.развивать способность на естественно-научной основе критически оценивать свои достоинства и недостатки, намечать пути и выбрать средства устранения недостатков и развития достоинств;

Владеть:

4. культурой естественно-научного, инновационного мышления, способностью обобщать, анализировать, воспринимать информацию, ставить цели,

29

выбирать пути их достижения, синергетически мыслить глобально, а поступать локально в соответствии с целями развития культуры, общества и человека ;

5.навыками применения естественно-научных знаний закономерностей интеллектуального, культурного, нравственного, физического и профессионального саморазвития и самосовершенствования, способностью постоянного повышения своей квалификации и мастерства;

6.способностью на естественно-научной основе критической оценивать свои достоинства и недостатки в условиях безграничных возможностей открытого кризисного, неравновесного мира, выбора оптимальных путей и средств устранения своих недостатков, самосовершенствования и самореализации.

Литература: [1,3,6].

Теоретическая подготовка

Иллюзии оптические (от лат. illusio – обман), типичные случаи резкого несоответствия зрительных восприятий действительности реальным свойствам наблюдаемых объектов. Иллюзии свойственны здоровому зрительному аппарату (чем они отличаются от галлюцинаций), универсальны для всех и не устраняются при многократных наблюдениях.

По механизму возникновения иллюзии можно
разделить на такие, которые возникают из-за
несовершенства глаза как оптического прибора (I) , а
также на иллюзии, за возникновение которых
ответствен весь зрительный аппарат (II), включая его
мозговые отделы (III). Соответственно, отвлекаясь от
структурно-функционального единства зрительного					Рис. 5. Схема строения
анализатора,	можно	выделить	три	звена:	зрительного
«физическое»	(I),	«физиологическое»		(II) и	анализатора

«психологическое» (III), рис. 5.

Подавляющая часть иллюзий относится ко второму звену, то есть их возникновение связано с особенностями обработки зрительной информации на различных этапах зрительного восприятия:

Первым этапом этой обработки считается выделение сигнала из фона, и ошибки восприятия, связанные с ним, можно отнести к иллюзии оптическим (оптический обман). На существовании таких иллюзий основано применение защитной окраски при маскировке (мимикрия). Примеры:

−Иллюзии неоднозначного восприятия: кажущиеся фигуры

−Невозможные фигуры

−Двойственные изображения

−Перевёрнутые картинки

−Эффект последействия

Со вторым этапом – классификацией зрительных сигналов, связаны иллюзии, в которых структурный или сплошной фон приводит к ошибкам

Например, явление иррадиации, которое состоит в том, что светлые предметы на темном фоне кажутся больше своих настоящих размеров, как бы захватывая часть темного фона. Когда мы рассматриваем светлую поверхность на темном фоне, вследствие несовершенства хрусталика глаза, границы этой поверхности якобы раздвигаются и она кажется нам больше своих истинных геометрических размеров.

30

выявления фигур или к ошибкам оценки их параметров (яркости, формы, взаимного расположения и пр.). Примеры:

−Иллюзии цвета и контраста

−Иллюзии движения

−Зрительные искажения

−Иллюзии неоднозначного восприятия: соотношение фигуры и фона. Наконец, распространены иллюзии, связанные с ошибками на третьем,

последнем этапе обработки зрительной информации – в оценке характеристик рассматриваемых объектов (площади, длины, углов), а также перспективными искажениями.

−Иллюзии восприятия размера

−Иллюзии восприятия глубины

Рассмотрим отдельно иллюзии, связанные с цветом.

Иллюзии цветовые. Первые объективные исследования солнечного света, разложение его на спектр, предпринял Ньютон. Деление цветового спектра на противоположные тона предложил Гете. Цвета, наиболее отстоящие друг от друга, Гете назвал дополнительными. Позже была доказана их оптическая связь: два дополнительных световых потока дают в ощущении белый свет. Использование сочетаний дополнительных цветов вызывает их взаимное усиление. На дополнительных синем и желтом цветах строил колорит своих картин Ван Гог. Излюбленной дополнительной парой у Матисса были красный и зеленый.

Сейчас эти интуитивные открытия художников используются в более практических целях. Опытные дизайнеры привлекают покупателя дополнительным цветом, чтобы вызвать потребность в основном. Например, помидоры раскладывают на веточках зелени, а персики – на синих лотках. Поскольку восприятие цвета происходит на подсознательном уровне. В результате товар выглядит более свежим и привлекательным. Иногда помещения кондитерских цехов окрашивают в сине-зеленую гамму. Это, как установлено, помогает работникам избавиться от навязчивого ощущения приторности. Тяжелые ящики для ручной погрузки психологи рекомендуют окрашивать в светлые, то есть «легкие» тона, которые создают иллюзию уменьшения веса.

Во Франции в ходе специальных опытов было установлено, что все теплые цвета (оранжевый, терракотовый, коричнево-красный) вызывают аппетит, а жажда быстрее утоляется в стенах окрашенных в холодные, сине-голубые тона. Бары и рестораны по этой причине выгоднее оформлять в теплой гамме.

Особые свойства цвета используются и в парфюмерии. Розовые, кремовые и бежевые тона чаще применяются в дизайне кремов и духов, потому что теплые цвета считаются «пахучими». В противоположность им голубая гамма снижает воздействие запаха.

В 50-х годах прошлого века С.В. Кравков экспериментально установил зависимость восприятия звука от цвета. Позже его выводы получили развитие и стали основополагающими для цветового решения концертных залов. Синие и коричневые стены ухудшают акустику, красные (или близкие к нему),

31