физика, лабы

Органы управления горизонтальнымперемещением лучапоказаны на рис. 13.

Рис.13. Управление осциллографом(2)

В правом верхнем углу осциллографа (см. рис. 11) имеется движок управления степенью сглаживания фильтра (появляется только при его включении), а также менюизменения характеристик графика: непрерывный, ступенчатый, гистограмма, точечный, размер и форма точек, толщина линий и т.п. Меню открывается при щелчке на любомизизображенных тампяти лучей.

Кнопка «Записать в файл» позволяет записать в файл таблицу мгновенных значений всех подключенных сигналов за один период измерения. Затем их можно прочитать и обработать в программах MathCAD, Excel, Origin и др. После щелчка на этой кнопке появляется окно диалога (рис. 14), в котором нужно выбрать диск, папку и имя файла, в который Вы хотите записать данные. Выбрав файл, нажмите клавишу «Сохранить».

Рис. 14. Менюзаписи файла

21

2.10. Виртуальный псевдоаналоговый прибор

Для наблюдения тенденции изменения измеряемой величины более удобным является стрелочный прибор. Поэтому в комплексе «ВП_Физика» имеется псевдоаналоговый стрелочный прибор, который может дублировать показания любого из рассмотренных выше цифровых приборов(рис. 15).

Рис. 15. Виртуальный псевдоаналоговый прибор

Он открывается щелчком мыши на строке «Аналоговый прибор» в меню блока «Приборы I» и подключается к любому из восьми приборов xl ...х8. На нем имеется окно выбора типа шкалы и клавиша «Инерционный - Безинерционный», с помощью которой можно замедлить или ускорить движение стрелки. Шкала прибора перенастраивается автоматически при выходе стрелки за ее пределы. Показание стрелки дублируется вцифровомвидевспециальном окнеприбора.

2.11. Виртуальный прибор«Ключ»

Виртуальный прибор «Ключ» предназначен для управления электронными ключами, транзисторами, тиристорами и другими приборами, работающими в ключевом режиме.

Он открывается щелчком на строке «Ключ» в меню блока «Приборы I». Его вид показан нарис. 16.

22

Рис.16. «Ключ»

После включения прибора необходимо установить исходное состояние ключей в окнах «Ключ 1» и «Ключ 2». Значение 1 в окне первого ключа соответствует наличию сигнала управления +5В на контакте 4 относительно общего контакта 7 разъема «Управление ключом» на коннекторе, значение 0 - отсутствию сигнала. Значение 1 в окне второго ключа соответствует наличию сигнала +5В на контакте 8 разъема, 0 - отсутствиюсигнала.

После того, как исходные состояния установлены, они переключаются каждый разпри нажатии клавиши «Переключить».

2.12. Виртуальный прибор«Термометр/термостат»

Этот виртуальный прибор предназначен для измерения температуры с помощью термопар типа К (алюмель хромель), которые установлены внутри миниблоков «Температурная зависимость», «Сегнетоэлектрик» и «Точка Кюри». Термопара подключается к контактам 1 и 3 разъема коннектора специальным кабелем. В коннекторе имеется усилитель сигнала термопары с компенсацией температуры окружающей среды. Усиленный сигнал подается в компьютер на плату ввода - выводаданных по плоскому кабелю.

Прибор открывается на дисплее щелчком на строке «Термометр/термо-стат» в менюблока«Приборы I» (см. рис. 9). Его вид показан нарис.17.

Он имеет два режима работы. В первом режиме (показан на рис. 17 слева) прибор показывает температуру в градусах Цельсия. Ее изменение также иллюстрируется бегущей линией на экране внизу прибора и столбиком со шкалой в правой части прибора. Второй режим предназначен для поддержания заданной температуры в миниблоке путем включения и отключения нагревательного элемента по сигналу

23

от компьютера. Для включения и выключения нагревательного элемента используется миниблок «Электронный ключ», который должен быть подключен к коннектору специальным кабелем. Чтобы перейти к этому режиму, необходимо нажать клавишу «Включить термостат», после чего на приборе появляется окно «Заданное значение температуры». Заданное значение нужно напечатать в окошке или установить с помощью имеющихся там стрелок «вверх — вниз». Заданное значение дублируется стрелкой на столбике и горизонтальной линией на экране. Когда температура в миниблоке достигает заданного значения, подается сигнал на разъем коннектора «Управлениеключом», ключ размыкается и нагрев прекращается. При

Рис. 17. Термометр

снижении температуры ниже заданной происходит включение нагревательного элемента. В работе «термостата» задействован виртуальный прибор «Ключ». Поэтому использование «ключа» при включенном «термостате» невозможно.

24

3. Комментарии к отдельным лабораторным работам

Ниже помещены дополнения (комментарии) к лабораторным работам по курсу «Электромагнетизм», выполняемым на лабораторном комплексе «Электричество и магнетизм» ООО«Учебная техника».

3.1. Моделирование плоскопараллельного электростатического поля

Цельработы

Построить картину эквипотенциальных и силовых линий моделируемого электростатического поляи определить его напряженность вотдельных точках.

Приборыиметодика эксперимента

Для проведения лабораторной работы используется блок моделирования полей (БМП) с проводящими планшетами ( раздел 2.2). Поверхность планшета (рис.2 и 3) покрыта тонким слоем со значительно меньшей проводимостью, чем металлизированные участки, представляющие электроды. Поэтому при подведенииG к ним на-

пряжения ток течет по всему планшету. Вектор плотности тока j параллелен век-

тору напряженности E электрического полятак, как

j = E/ρ,

где ρ - удельное сопротивление проводящего слоя. Тогда симметрия эквипотенциальных линий поля постоянного тока аналогична симметрии эквипотенциальных линий электростатического поля неподвижных зарядов, расположенных в месте нахождения электродов. Следовательно, плоскопараллельное электростатическое поле может моделироваться полем тока в тонком проводящем слое. Кратко теоретический материал изложен в методических указаниях к лабораторной работе. Более подробное изложение дано в первой и второй главах пособия «Электродинамика».

Порядоквыполнения эксперимента

Студентам вместе с блоком моделирования полей выдается проводящий планшет с нанесенной координатной сеткой и соответствующим расположением электродов и бумажная копия его поверхности ( рис.2 и 3). С помощью мультиметра измеряется потенциал (рис.18) точек проводящего слоя планшета относительно электрода с нулевым потенциалом. Местоположение точек, сгруппированных по принадлежности к одной и той же эквипотенциальной

25

Рис.18. Блок моделирования полей

поверхности (линии), переносится на бумагу. Плавно соединяя соответствующие точки, строятся эквипотенциальные линии и проводятся (силовые) линии напряженности электрического поля (рис.19). По значениям разности ∆U потенциала в двух точках, лежащих на ближайших эквипотенциальных линиях, и расстоянию между ними ∆l производится приблизительный расчет напряженности поля в пространстве между данными точками

Е Ul .

Пример построения экспериментальной зависимости

Вэксперименте получено: Umax = 15В; ∆U = 1,5В.

26

X

X

Y

Y

Рис. 19. Силовые иэквипотенциальные линии плоскопараллельного электростатического поля

Напряженность поля впространстве между точками точках 1 и 2

	Е1	U	=	1,5		= 150 В/м; Е2		1,5	= 75 В/м.
		l		0,01				0,02

27

3.2. Процессы разрядки и зарядки конденсатора

Цельработы

Определить заряд, протекающий вцепиконденсатора двумяспособами:

•численным интегрированием экспериментальной зависимости силы тока от времени по конечному временному интервалу;

•использованием значения разности напряжений на конденсаторе в начале и конце временного интервала.

Приборыиметодика эксперимента

Для проведения лабораторной работы необходимо собрать электрическую цепь (рис.20) состоящую из конденсатора, сопротивления и «подключенного» к этой цепи через коннектор виртуального осциллографа ( раздел 2.8). При подключении цепи к генератору прямоугольных колебаний на виртуальный осциллограф выводятся временные зависимости тока в цепи конденсатора и напряжения на нем в процессе зарядки и разрядки конденсатора.

Рис. 20. Электрическая схема измерений напряжения наконденсаторе и тока через него

Порядоквыполнения эксперимента

Студентам выдаются одноэлементные миниблоки ( конденсатор и резистор), из которых они собирают электрическую цепь в соответствии с монтажной схемой, ( соответствующей электрической схеме на рис.20) приведенной в методических указаниях к лабораторным работам. На схему с источника напряжения специальной формы подаются прямоугольные импульсы положительной полярности. Напряжение на конденсаторе и ток через него выводятся через коннектор на виртуальный осциллограф, на котором фиксируются их временные зависимости, имеющие место при разрядке и зарядке конденсатора ( или только при одном процессе). Копия экрана виртуального осциллографа (рис.21) передается в Excel для дальнейшей обработки результатов эксперимента.

28

Рис. 21. Временные зависимости напряжения наконденсаторе и тока через него наэкране виртуальногоосциллографа

Методика обработки экспериментальных данных

Заряд Q, протекший по цепи за время разрядки или зарядки конденсатора, можно вычислить исходя изопределения емкости конденсатора

C = q , UC

где UC ,q – напряжение изаряд наего обкладках. Следовательно,

Q =q(tнач ) −q(tкон ) =C(UC (tнач ) − UC (tкон ) .

Изопределения силытока I

I = dqdt

следует, что длялюбого интервалавремени от tнач до tкон ( tнач < tкон ),

tКОН

Q =q(tнач ) −q(tкон ) = ∫Idt .

tНАЧ

29

Интегрирование зависимости силы тока необходимо провести численно, рассчитавплощадьпод кривой I (t).

I

					I2 + I3
I2			2
				I3
						t
tнач = t1 t2			t3 t4 t5 t6 = tкон (N =6)

Рис. 22. Численное интегрированиеплощади подкривой

Причисленноминтегрировании весьвременной интервал разбивается N точками ( дляпримераN = 6) наN-1 одинаковыхвременных интервалов (рис.22)

t =(tкон −tнач)/(N −1) = t2 −t1 .

Тогда

tКОН				N
∫Idt ≈ t(I1	+ I2 )/2 + t(I2	+ I3 )/2 +... +	t(IN−1 + IN )/2 =	t(∑Ii −(I1	+ IN )/2) ,
tНАЧ				i=1

гдеIi – значениесилы тока вмомент ti.

3.3. Магнитное поле на оси цилиндрической катушки

Цельработы

Измерить магнитную индукцию в различных точках на оси цилиндрической катушки и построить график ее изменения. Проверить результаты измерения теоретическим расчетом.

Приборыиметодика эксперимента

Для проведения лабораторной работы используются миниблоки «Цилиндрическая катушка» и «Тесламер» (раздел 2.3) с зондом, на конце которого находится

датчик Холла. В металлическом проводнике с током плотностью j , помещенном в
G	G
магнитное поле B , возникает электрическое поля напряженностью E в направле-
G	G
нии, перпендикулярном j	и B , такое, что ϕ ~ IB, где ϕ – поперечная (току I)

разность потенциалов (эффект Холла). Так как датчик расположен перпендикулярно оси зонда, то он измеряет разность потенциалов, связанную с аксиальной со-

30