1. Ознакомиться с электрической схемой согласно рис. 9.
2. Ознакомиться с работой звукового генератора и электронного осциллографа.
3. Подготовить звуковой генератор к работе. Установить следующие параметры выходного напряжения звукового генератора: частота 2 кГц, напряжение 2 – 3 В.
4. Установить импульсы наибольшей скважности. Для этого нажать левую кнопку «скважность-грубо» преобразователя импульсов ПИ (модуль ФПЭ-08). Ручку «скважность-точно» установить в крайнее правое положение.
5. Подготовить осциллограф к работе:
а) усиление по оси Y электронного осциллографа установить так, чтобы можно было измерить переменное напряжение до 10 В;
б) установить время горизонтальной развертки луча так, чтобы на экране помещалось 1 – 2 периода синусоидального напряжения с частотой 2 кГц.
6. Включить лабораторный стенд и приборы.
7. Добиться на экране осциллографа устойчивой картины.
8. Установить на магазине сопротивлений R1 значение R1 = 104 Ом.
9. Установить на магазине сопротивлений R2 значение R2 = 103 Ом.
10. Установить на магазине емкостей значение С = 3·10-2 мкФ.
Задание 1. Изучение кривых заряда и разряда конденсатора.
1. Установить усиление канала Y осциллографа так, чтобы высота импульса на экране была максимальной. Совместить начало кривой заряда с началом шкалы осциллографа. Установить частоту развертки осциллографа так, чтобы на экране уместилась полная кривая заряда и разряда конденсатора. Снять зависимость Y = f(X), измеряя Х в секундах, а Y – в вольтах. Записать 8 – 10 значений X и Y. Результаты занести в таблицу 1.
Таблица 1.
| X, c | |
| Y, B |
Построить кривую заряда конденсатора.
2. Аналогичные измерения провести для кривой разряда, совместив начало кривой разряда с началом координат на шкале осциллографа. Результаты занести в табл. 2.
Таблица 2.
| X, c | |
| Y, B |
Построить кривую разряда конденсатора.
3. По кривым заряда и разряда конденсатора определить время, за которое величина напряжения падает до половины первоначального значения («половинное время») и по формуле (10) вычислить время релаксации τ.
4. Не изменяя усиление канала Y осциллографа, получить на экране кривые заряда и разряда конденсатора при других значениях R2 и С, оставляя неизменной величину сопротивления R1 = 102 Ом.
Рекомендуемые значения R2 и С следующие:
R2 = 2·103 ÷ 9·103 Ом, С = 2·10-2 ÷ 5·10-2 мкФ.
Измерить по наблюдаемым на экране осциллографа кривым релаксации заряда «половинное время» в делениях шкалы. Затем t1/2 перевести в секунды.
Для получения достаточно поной картины процесса заряда и разряда конденсатора можно изменять частоту следования импульсов, меняя частоту сигнала звукового генератора.
5. Вычислить постоянную времени RC, используя значения параметров RC – цепи. Учесть, что при заряде конденсатора R = R2, а при разряде R = R1 + R2. Рассчитать отношение t1/2 к RC для всех случаев по формуле:
. (11)
6. Сравнить величину А с теоретическим значением
Атеор = ln2 = 0,693.
7. Оценить погрешность измерений по формуле:
,
где 
- среднее значение выполненных измерений.
Задание 2. Построение кривой разряда конденсатора
в логарифмическом масштабе.
Из формулы (8) находим:
. (12)
Логарифмируя левую и правую части формулы (12), получим:
. (13)
Воспользовавшись данными таблицы 2, построить логарифмическую зависимость, характеризующую изменение напряжение на конденсаторе от времени t при разряде конденсатора, учитывая, что U0 = Y(0), U(t) = Y(X), X = t. Котангенс угла наклона полученной прямой есть характеристическое время релаксации заряда, или постоянная времени RC:
ctgα = τ = RC. (14)
Сравнить полученные результаты со значениями постоянного времени, найденными в задании 1.
Контрольные вопросы
1. Что такое кривая релаксации заряда?
2. Как определяется характеристическое время релаксации заряда τ?
3. Опишите блок-схему установки.
4. Как зависит время заряда и разряда конденсатора от элементов цепи R1, R2, C?
5. Какова зависимость напряжения U на конденсаторе и тока в цепи J от времени, то есть U(t) и J(t), в процессе заряда и разряда конденсатора?
Литература
1. И.В.Савельев. Курс общей физики: В 5 кн.: Кн. 2: Электричество и магнетизм: Учебное пособие для вузов. Изд. АСТ, Астрель, 2008. - 336 с.
2. А.Н. Матвеев.- Электричество и магнетизм: учеб. пособие для студентов вузов.- М: ОНИКС 21 век: Мир и образование, 2005. – 464 стр.
3. Калашников С.Г. Электричество.- M.: Физматлит, 2003.- 624 с.
