- •Электричество и магнетизм
- •Введение
- •Правила техники безопасности при работе с электрическими приборами и схемами
- •Основные электроизмерительные приборы физической лаборатории
- •Определение диэлектрической проницаемости твердого диэлектрика
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •Перепишем соотношение (2.7) в виде
- •Так как объемная плотность энергии электрического поля
- •Экспериментальная часть
- •Методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Определение емкости конденсаторов при помощи мостиковой схемы
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •1. Что такое ёмкость уединённого проводника? От чего она зависит? в каких единицах измеряется?
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Определение удельного сопротивления проводника
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов измерений
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Электростатика
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Описание установки и методика эксперимента
- •Зарядка установки
- •Методика определения ёмкости установки
- •Методика определения ёмкости проводника (шара)
- •Порядок выполнения работы
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •1. Как можно зарядить диэлектрическое тело?
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Методика измерений
- •Экспериментальная установка
- •Порядок выполнения работы
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Изучение зависимости мощности и кпд источника тока от величины нагрузки
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Проверка закона Био-Савара-Лапласа и определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Экспериментальная установка и методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов измерений
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Изучение магнитного поля короткой катушки
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Методика измерений
- •Экспериментальная установка
- •Порядок выполнения работы
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная установка №1
- •Методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Экспериментальная установка №2
- •Методика измерений
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Порядок выполнения работы
- •Экспериментальная часть
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Экспериментальная установка и методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Изучение электрических процессов в простых линейных цепях при действии гармонической электродвижущей силы (фпэ-09)
- •Теоретическое введение
- •Методика измерений
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Изучение эффекта Холла в полупроводнике
- •Теоретическое введение
- •Измерительная установка и методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •1. Диамагнетики
- •2. Парамагнетики
- •3. Ферромагнетики
- •4. Ферримагнетизм
- •Приборы и оборудование: звуковой генератор гз-118 (pq), электронный осциллограф с1-150 (ро), модуль “явление гистерезиса” фпэ–07. Экспериментальная установка и методика измерений
- •Из выражений (16.22) и (16.23) получаем
- •Порядок выполнения работы
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
1. Какая сила действует на движущуюся в электромагнитном поле заряженную частицу? Запишите формулу Лоренца.
2. Как направлена магнитная составляющая силы Лоренца?
3. Какую траекторию описывает электрон, влетающий в магнитное поле параллельно линиям магнитной индукции? Под прямым углом к линиям поля? Под произвольным углом?
4. Как зависит радиус кривизны траектории электрона от индукции магнитного поля?
5. Опишите метод определения удельного заряда электрона, использованный в данной работе.
6. Как устроен магнетрон? Как направлены векторы электрического и магнитного полей, действующих на электрон в магнетроне?
7. Что такое «сбросовая характеристика»? Что и зачем из неё требуется определить?
8. Расскажите о других методах определения удельного заряда.
Контрольные вопросы.
Напишите формулу силы Лоренца в векторном и скалярном виде. Как направлена сила Лоренца?
Рассмотрите движение электрона в однородном магнитном поле в двух случаях: а) скорость электрона
;
б) скорость электрона
направлена под углом
к полю
(найти радиус траектории, период
вращения, шаг винтовой линии).В чем суть метода магнетрона для определения удельного заряда?
Выведите расчетную формулу (12.10).
Влияет ли на величину Вкр изменение направления тока в соленоиде на противоположное?
Нарисуйте траекторию электрона на участке "катод-анод". Укажите векторы сил, действующих на электрон.
Используемая литература
[1] § §21.2, 23.1, 23.3;
[2] §§ 14.2, 14.3;
[3] §§ 6.5;
[4] §§ 114, 115.
Лабораторная работа 2-13
Исследование затухающих колебаний в колебательном контуре (ФПЭ-10)
Цель работы: изучение затухающих электромагнитных колебаний; оценка влияния параметров реального колебательного контура на характеристики затухания; отображение колебательных процессов на фазовой плоскости.
Теоретическое введение
Колебаниями называются процессы, характеризуемые повторяемостью во времени. Колебания, вызванные сообщением начального запаса энергии, называются свободными или собственными. Собственная частота колебательной системы 0 определяется только параметрами системы.
З
атухающими
называются колебания, амплитуда которых
уменьшается во времени, что объясняется
потерями энергии в процессе свободных
колебаний.
Если зарядить
конденсатор от батареи
до напряженияU0
(рис. 13.1), а затем поставить переключатель
К
в положение 2, то конденсатор начнет
разряжаться через катушку и в контуре
возникнут электромагнитные колебания.
Рассмотрим, как происходят эти колебания
в контуре, сопротивление которого R=0.
При замыкании контура в нем появляется
ток I,
создающий магнитное поле. Изменение
магнитного поля тока приводит к
возникновению в цепи электродвижущей
силы самоиндукции
,
замедляющей быстроту разряда. При
уменьшении тока возникает электродвижущая
сила, направленная в ту же сторону, что
и вызвавший её появление ток. Это приводит
к тому, что после разряда конденсатора
ток не прекращается сразу, а в течение
некоторого времени продолжает течь в
том же направлении и перезаряжает
обкладки конденсатора. Затем процесс
разряда начинается снова, но протекает
теперь в обратном направлении. В
результате вторичной перезарядки
конденсатора система возвращается в
исходное состояние, после чего происходит
повторение тех же процессов. Время, в
течение которого конденсатор заряжается
и разряжается, называется периодом
собственных колебаний.
В начальный момент,
когда конденсатор полностью заряжен,
в нем накоплена электрическая энергия:
.
Во время разрядки конденсатора
электрическая энергия превращается в
энергию магнитного поля катушки, и когда
конденсатор полностью разряжен, вся
электрическая энергия переходит в
магнитную
.
ЗдесьI0
– наибольшая величина тока в контуре.
При перезарядке конденсатора энергия магнитного поля снова превращается в энергию электрического поля. В контуре возникают незатухающие электромагнитные колебания.
Проводники контура всегда обладают электрическим сопротивлением, поэтому часть энергии в процессе колебаний расходуется на нагрев проводников. Вследствие этого амплитуда электромагнитных колебаний в контуре постепенно уменьшается, и в нем происходят затухающие колебания (рис. 13.2). При достаточно большом сопротивлении контура или малой индуктивности колебания в нем вообще не возникают, а происходит так называемый апериодический разряд конденсатора (рис. 13.3).
По второму закону Кирхгофа можно записать:
;
(13.1)
,
(13.2)
где сила тока по определению
.
(13.3)

Так как
,
то из (13.1), (13.2) и (13.3) получаем:
.
Или после деления на L:
.
(13.4)
Полученное уравнение (13.4) является однородным дифференциальным уравнениемвторого порядка, оноописывает затухающие колебания. Приняты следующие обозначения:
,
,
(13.5)
тогда уравнение можно записать в стандартном виде:
,
(13.4а)
здесь β–коэффициент затухания, 0 – частота собственных незатухающих колебаний контура (то есть частота свободных колебаний контура при отсутствии сопротивленияR).
При не слишком большом затухании, то есть если β<0,решение уравнения(13.4) имеет вид:
,
(13.6)
где циклическая частота затухающих колебанийω равна:
,
(13.7)
а амплитуда с течением времени уменьшается по экспоненте (рис.13.2):
A(t)=q0e-βt . (13.8)
При этом период колебаний
.
(13.9)
Из (13.6) найдем напряжение на конденсаторе:
,
(13.10)
Если (13.1) записать в виде:
![]()
и продифференцировать по времени, то получим уравнение для тока того же типа, что и уравнение (13.4):
,
(13.4б)
из чего следует, что ток в контуре также совершает затухающие колебания, для которых значения β, ω и Т определяются по формулам (13.5), (13.7) и (13.8):
.
(13.11)
Тот же результат можно получить, продифференцировав по времени (13.6):
![]()
.
(13.12)
Из формул (13.7) и
(13.8) следует, что в
контуре возможны затухающие колебания
лишь в том случае, если
(частота и период – действительные
величины), или
.
Если
,
то частота и период – мнимые, колебаний
нет, и происходит апериодический разряд
конденсатора (см. рис. 13.3).
Сопротивление
(13.13)
называется критическим.
Для характеристики степени затухания колебаний, кроме коэффициента затухания β, используется еще логарифмический декремент затухания.
Логарифмический декремент затухания – это натуральный логарифм отношения амплитуд двух следующих друг за другом колебаний:
,
(13.14)
где колебания с номерами n и (n+1) отстоят друг от друга по времени на один период:
,
.
(13.15)
Очевидно, логарифмический декремент будет одинаков и для колебаний напряжения, и тока, и заряда на конденсаторе в нашем колебательном контуре, то есть:
,
(13.16)
.
(13.16 а)
Так
как
(13.5), то:
.
(13.17)
Еще одна важная физическая величина характеризует затухание колебаний – добротность:
.
(13.18)
Можно показать, что добротность обратно пропорциональна относительной убыли энергии колебаний за время, равное одному периоду:
.
(13.19)
В ряде случаев удобно изучать колебательный процесс в системе координат I и U, то есть откладывать по оси абсцисс величину тока в контуре в заданный момент времени, а по оси ординат – напряжение на конденсаторе в тот же момент времени. Плоскость U–I носит название плоскости состояний или фазовой плоскости, а кривая, изображающая зависимость напряжения от тока, называется фазовой кривой.
Найдем фазовую
кривую для контура, сопротивление
которого R=0.
В этом случае
и из (13.7), (13.10) и (13.12) имеем:
![]()
и
(13.20)
;
(13.21)
,
.
(13.21а)
Уравнения (13.21) и (13.21а) описывают незатухающие колебания. Исключив из них время t, получим уравнение фазовой кривой:
![]()
Это уравнение эллипса. Эллипс получается в результате сложения двух взаимно перпендикулярных гармонических колебаний (13.21) и (13.21а), сдвинутых по фазе на четверть периода.
В контуре, сопротивление которого R>0, происходят затухающие колебания напряжения (13.10) и тока (13.12). В этом случае амплитуды напряжения и тока в контуре непрерывно убывают, не повторяясь через период времени, и фазовая кривая получается незамкнутой (рис.13.4).
