МУ - М-17 (Механический резонанс), страница 3

Например, момент инерции и жесткость увеличили в десять раз при неизменном коэффициенте сопротивления;тогда при неизменной частоте добротность возрастет в десять раз.5. Колебания в электроизмерительном прибореПриборы магнитоэлектрической системы (вольтметр, амперметр, гальванометр) представляют собой осциллятор. Такие приборы используются в данной работе для изучения колебаний и резонанса.Прибор магнитоэлектрической системы, используемый для измерения силыпостоянного тока или напряжения, схематически изображен на рис. 7. Он состоитиз постоянного магнита (не показанного на рисунке), в поле которого 1 расположена на оси прямоугольная рамка 2, содержащая много витков медного провода.При пропускании через рамку постоянного тока на нее действует момент сил Ампера (напомним, что сила Ампера равна F = IBl sin α ), в результате чего рамка поворачивается. Две спиральные пружины 3 закручиваются, создавая противодейст-15вующий момент упругих сил.

При наступлении равновесия угол поворота рамки,вместе с прикрепленной к ней стрелкой, пропорционален силе тока.3123Рис. 7. Схема вольтметра (амперметра) магнитоэлектрической системы:1 – магнитное поле; 2 – рамка с проводом; 3 – пружиныРамка вместе с пружинами представляет собой крутильный осциллятор.Наблюдать колебания можно в тех приборах, в которых при отсутствии токастрелка находится в середине шкалы. Если рамку вывести из положения равновесия, она будет совершать свободные затухающие колебания. Если через рамкупропустить переменный ток частоты Ω, то на рамку будет действовать моментвнешних сил16M (t ) = M 0 cos Ωt .В результате осциллятор будет совершать вынужденные колебания, теория которых рассмотрена выше.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬЗадание 1.

Ознакомиться с установкойЛабораторная установка изготовлена в двух вариантах, A и B, имеющих непринципиальные различия. Вариант установки указан на ее пульте.Лабораторная установка (рис. 8) включает в себя: крутильный осцилляторОСЦ, в качестве которого используется прибор магнитоэлектрической системы;генератор переменного тока Г; пульт управления; секундомер.ОСЦ2ПR1ВГИСТРис. 8. Упрощенная схема установки: ОСЦ – осциллятор (прибор магнитоэлектрической системы); П – переключатель колебаний «РЕЖИМ» – свободные (1), вынужденные (2); В – кнопка «ТОК» для начального отклонения; R – регулировка «НАЧАЛЬНОЕ ОТКЛОНЕНИЕ»; ИСТ – источникпостоянного тока; Г – генератор переменного токаМожно изучать свободные или вынужденные колебания в зависимости отположения переключателя П («РЕЖИМ»): свободные (1), вынужденные (2).

Длясоздания свободных колебаний осциллятор выводят из равновесия, пропуская через прибор постоянный ток от источника ИСТ напряжением 1,5 В (вариант A)или 4,5 В (вариант B). Для этого цепь замыкают кнопочным выключателем В (17«ТОК»). Начальное отклонение стрелки прибора регулируют переменным резистором R («НАЧАЛЬНОЕ ОТКЛОНЕНИЕ»). После выключения тока начинаютсясвободные быстро затухающие колебания с нулевой начальной фазой, изменяющиеся по закону (см.

(10):ϕ = A0 e −βt cos ωt ,где φ – отклонение стрелки в дел. шкалы.Для создания вынужденных колебаний пропускают через гальванометр переменный ток низкой частоты от генератора Г.В установке варианта A используется вольтметр, а в варианте B – чувствительный прибор, называемый гальванометром.Внимание! Установки содержат дополнительные резисторы для ограничения тока через осциллятор и настроены для работы с «Генератором функциональным AHP-1002 Актаком». Применение других приборов запрещено, так как может привести к чрезмерным, разрушительным колебаниям осциллятора.Вариант B. Этот абзац можно пропустить при работе на другой установке.С подвижной рамкой гальванометра связана не стрелка, а маленькое зеркало, откоторого отраженный луч света падает на шкалу прибора.

Лампочка световогоиндикатора питается от сети через понижающий трансформатор, находящийся вотдельном блоке с выключателем. При повороте зеркала световой «зайчик» с четкой визирной линией перемещается по шкале, на которой нанесено по 100 делений влево и вправо от нуля в центре. На верхней крышке гальванометра имеются:два входных гнезда (к гнезду «+» подключают красный провод); гнездо заземления; переключатель чувствительности гальванометра.

Рабочим является положение переключателя «1», при котором чувствительность наивысшая. Внимание!Подвижная система гальванометра очень чувствительна к толчкам и наклону.Гальванометр должен быть установлен на устойчивом столе. Если его расположение неудобно для измерений, прибор можно передвинуть.

В дальнейшем гальванометр не перемещать. В нерабочем состоянии переключатель гальванометрадолжен находиться в положении «0», в котором входные клеммы прибора соединены накоротко для уменьшения колебаний рамки гальванометра и сохранности18прибора (дайте этому объяснение, используя закон электромагнитной индукции иправило Ленца). Положению равновесия осциллятора соответствует нуль в центрешкалы. «Нуль» может уходить, за этим необходимо постоянно следить и подстраивать нуль ручкой G в гальванометре. Настройка нуля удобна, когда переключатель гальванометра находится в положении «0» или переключатель напульте в положении «БЫСТРОЕ УСПОКОЕНИЕ».Порядок выполнения задания приведен ниже.1.

Ознакомиться с установкой.2. Ознакомиться с другим прибором магнитоэлектрической системы. Онрасположен на установке, устройство его видно лучше, чем рабочего прибора. Вустановке варианта B показан также крутильный осциллятор будильника, егоможно толкнуть.Задание 2. Измерить период и частоту свободных колебанийПериод свободных колебаний находят следующим способом. Измеряютвремя t, за которое происходит N колебаний. Выполнив это измерение десять раз,подсчитывают суммарное время и суммарное число колебаний и вычисляют период по формулеT=∑t .∑NЧисло колебаний составляет N = 2 в варианте A и N = 3…4 – в варианте B.Порядок выполнения задания приведен ниже.1.

Подготовить табл. 1 для записи результатов измерений.Таблица 1Результаты измерения периода и частоты свободных колебанийt, сNT = … с. νсоб = 1/ T = ...ГцПримечание. Таблица содержит 10 строк.2. Переключатель «РЕЖИМ» на пульте установить в положение «СВОБОДНЫЕ КОЛЕБАНИЯ».193. Ручку «НАЧАЛЬНОЕ ОТКЛОНЕНИЕ» повернуть против часовой стрелки для уменьшения тока.4. Нажать и удерживать кнопку «ТОК».

Ручкой «НАЧАЛЬНОЕ ОТКЛОНЕНИЕ» установить максимальное отклонение стрелки прибора.5. Отпустить кнопку и наблюдать свободные быстро затухающие колебания.6. Выполнить описанные выше измерения и записать результаты в табл. 1.Примечание: сначала выполнить несколько измерений без записи результатов.7. Вычислить период и собственную частоту νсоб свободных колебаний. Результаты записать в табл. 1.Задание 3. Измерить декремент затуханияДля нахождения декремента затухания (см. (14)) измерить два отклоненияосциллятора: A0 – начальное и A(nT) – через n периодов колебаний.

Декрементвычисляют по формуле (16). Оптимальная величина n = 1 для варианта A и n = 3или n = 4 – для варианта B.Порядок выполнения задания приведен ниже.1. Подготовить табл. 2 для записи результатов измерений.Таблица 2Определение декремента затуханияA0, дел.nA(nT), дел.χПримечание. Таблица содержит 3 строки2. В установке варианта B настроить нуль с помощью ручки G на гальванометре.3. Выполнить три раза измерения величин A0 и A(nT). Результаты измеренийзаписать в табл.

2.4. Для каждого измерения вычислить декремент затухания χ и записать результат в табл. 2.205. Вычислить среднее значение величины χ и записать результат в табл. 3.6. Для среднего значения χ вычислить логарифмический декремент затухания λ (см. (17)) и число колебаний за время релаксации Ne (см. (18)). Результатывычислений записать в табл. 3.Таблица 3Параметры, характеризующие затухание колебанийχλ = ln χNeЗадание 4.

Настроить установку для изучения вынужденных колебанийПорядок выполнения задания приведен ниже.1. Переключатель «РЕЖИМ» установить в положение «СВОБОДНЫЕ КОЛЕБАНИЯ», в котором производится настройка генератора.2. Установка должна быть соединена кабелем с разъемом «AUTPUT» генератора.3. Внимание! Отжать все клавиши генератора. Положение клавиши легкоустановить, производя ее нажатия.4. Вставить вилку генератора в сетевую розетку.5. Утопить клавишу «POWER» генератора для включения питания. Приэтом должен включиться индикатор.6. Для получения гармонического напряжения утопить клавишу «~» (леваяв группе из трех клавиш)7. Частота ν, Гц (не круговая) отображается на индикаторе.

Генератор имеетчетыре диапазона частот: миллигерцы (mHz), герцы (Hz), килогерцы (kHz) и мегагерцы (MHz).Диапазон изменяют клавишами «RANGE»: нажатие клавиши « ⇑ » повышаетчастоту, а клавиши « ⇓ » – понижает. Плавно частоту изменяют ручкой «FRE-QUENCY». Поупражняться с переключением диапазона и плавным изменениемчастоты.8. В диапазоне «mHz» ручкой «FREQUENCY» установить частоту в интервале 150…200 мГц.219. Ручку «AMPLITUDE» генератора, которой изменяют выходное напряжение, повернуть против часовой стрелки до упора для получения минимальногонапряжения.10. Переключатель «РЕЖИМ» установить в положение «ВЫНУЖДЕННЫЕКОЛЕБАНИЯ».11.

Медленно увеличивая выходное напряжение, установить необходимуюамплитуду колебаний стрелки прибора на частоте 150…200 мГц. Амплитуда приведена на верхней планке крепления прибора (вариант A) или на пульте (вариантB)..Внимание! Указанную амплитуду превышать запрещено, в противномслучае прибор можно испортить при резонансе. Установленное выходное напряжение генератора далее не изменять.Задание 5. Сравнить частоту вынужденных колебаний с частотойвынуждающей силыПроверить теоретический вывод: частота вынужденных колебаний νвын совпадает с частотой вынуждающей силы, т.е.

с частотой генератора ν.Частоту вынужденных колебаний νвын находят из следующих измерений:считают число колебаний N (не менее 7) за время t, с, и находят частоту νвын, Гц,по формуле νвын = N /t.Порядок выполнения задания приведен ниже.1. Подготовить табл. 4 для записи результатов измерений.2. Выполнить измерения νвын и ν на трех различных частотах в интервале150…500 мГц. Результаты измерений записать в табл. 4.3. По результатам измерений вычислить отношение частот νвын / ν и сделатьвыводы.Таблица 4Сравнение частоты вынужденных колебания νвын с частотой вынуждающейсилы νν , ГцNt, сνвын = N / t, Гцνвын / ν22Примечание. Таблица должна содержать 3 строкиЗадание 6.