- •Колебания и волны лабораторный практикум
- •Работа № 20а
- •Свободные колебания физического маятника
- •Дифференциальное уравнение колебаний физического маятника
- •Определение момента инерции маятника по измерениям периодов колебаний
- •Описание экспериментальной установки
- •Задание к работе
- •Контрольные вопросы
- •Нормальные колебания второго (противофазного) типа
- •Нормальные координаты
- •Явление биений
- •Нормальные колебания первого (синфазного) типа
- •Измерение частот колебаний
- •Задание к лабораторной работе
- •Контрольные вопросы
- •2. Сложение двух взаимно перпендикулярных гармонических колебаний
- •Описание экспериментальной установки
- •Задание к работе
- •Описание лабораторной установки и методики измерений
- •Задание к работе
- •Контрольные вопросы
- •Описание установки
- •Задание к работе
- •Контрольные вопросы
- •Описание лабораторной установки
- •Задание к работе
- •Контрольные вопросы
- •Литература
2. Сложение двух взаимно перпендикулярных гармонических колебаний
Если
материальная точка может совершать
колебания как вдоль оси
,
так и вдоль перпендикулярной к ней оси
с одинаковой частотой
,
то при одновременном колебании вдоль
этих осей колебания описываются
уравнениями
,
,
(3)
где
и
–
амплитуды колебаний;
–
разность фаз (фазовый сдвиг) колебаний.
Если из этих уравнений исключить время,
то после некоторых преобразований можно
получить уравнение траектории движения
точки, которое имеет вид
.
(4)
Это
уравнение эллипса. Материальная точка
описывает этот эллипс за время, равное
периоду складываемых колебаний.
Ориентация эллипса и его размеры зависят
от амплитуд
и b
складываемых колебаний и разности фаз
.
Уравнение
(3) справедливо не только для колебаний
материальной точки. Например, подавая
переменное электрическое напряжение
на вход
и напряжение
той же частоты на вход
осциллографа, можно заставить световое
пятно на экране осциллографа совершать
колебания как вдоль оси
,
так и вдоль оси
.
На экране осциллографа будет высвечиваться
траектория движения этого пятна –
эллипс. На рис. 2 показан вид эллипса
для некоторого частного случая.
(Стационарные картины на экране
осциллографа, являющиеся результатами
сложения взаимно перпендикулярных
колебаний с кратными частотами, называются
фигурами
Лиссажу.)
Из
уравнения (4) следует, что при
или
.
Следовательно,
по виду эллипса можно определить
и фазовый сдвиг
.
Следует отметить, что определить знак
,
а следовательно, и
знак фазового сдвига, по виду эллипса
обычно бывает невозможно,

Рис. 2
поскольку
при большой частоте колебаний невозможно
проследить, движется ли световое пятно
вдоль эллипса по часовой стрелке или
против. Поэтому в работе будем определять
и фазовый сдвиг только по модулю. В
соответствии с обозначениями, принятыми
на рис. 2,
,
.
(5)
Поскольку
складываемые колебания подаются на
разные входы осциллографа, коэффициенты
усиления в каналах которых могут быть
разными, отношение амплитуд
колебаний светового пятна может не
совпадать с отношением амплитуд
напряжений, подаваемых на входы
осциллографа. Однако при измерении
фазового сдвига по формуле (5) надо знать
амплитуду колебаний светового пятна
только вдоль оси
.
Амплитуда колебаний вдоль оси
может быть любой.
Анализ
ошибки измерения фазового сдвига этим
методом показывает, что наиболее
предпочтительным является случай, когда
.
Этого можно достичь, регулируя коэффициенты
усиления соответствующих усилителей.
Описание экспериментальной установки
Схема
установки, предназначенной для изучения
сложения колебаний напряжения в цепи,
состоящей из двух последовательно
соединенных элементов с импедансами
(в общем случае – это элементы с
комплексными сопротивлениями)
и
,
показана на рис. 3.

Рис. 3
Генератор
электрических колебаний Г,
элементы исследуемой цепи
и
,
а также вольтметр В
и входы x
и y
осциллографа
О
соединены через коммутатор К.
Коммутатор позволяет осуществить четыре
варианта измерений:
-
измерение напряжения
на элементе
; -
измерение напряжения
на элементе
; -
измерение напряжения
на цепочке последовательно соединенных
элементов
и
; -
измерение разности фаз колебаний напряжения на элементах
и
.
В
Рис.
4

используется резистор
.
В качестве элемента цепи
используются соединенные параллельно
резистор
и конденсатор
.
Соответствующая схема показана на рис.
4.
Напряжение
на резисторе
равно напряжению на конденсаторе. Ток
через конденсатор
опережает по фазе ток через резистор
на
.
Соответствующая векторная диаграмма
для токов показана на рис. 5.
Из приведенной диаграммы следует, что
.
(6)
Так как элементы
и
соединены последовательно, через них
протекает один и тот же ток
.
Напряжение
на резисторе
совпадает по фазе с этим током. Напряжение
на резисторе
совпадает по фазе с током
.
Следовательно, разность фаз между
напряжениями
и
такая же, как и между токами
и
,
т.е. равна углу
,
определяемому выражением (6).

Рис. 5
Напряжения
,
и
можно измерить как с помощью осциллографа,
так и с помощью вольтметра. Измерения
с помощью вольтметра предпочтительнее,
так как точность таких измерений выше.
При проведении этих измерений рекомендуется
с помощью осциллографа следить за формой
сигнала, подаваемого с генератора. Она
должна быть синусоидальной. В случае
искажения формы сигнала следует уменьшить
напряжение на выходе генератора до
уровня, обеспечивающего синусоидальную
форму.
