ОБЩАЯ ФИЗИКА МАГНИТИЗМ И ЭЛЕКТРИЧЕСТВО (С.П. Степина, Н.Б. Бутко - Лабораторный практикум по курсу Общая физика. Электричество и магнетизм (исправленное издание 2018)), страница 3

Замкнуть ключ Кз и установить движком реостата определенное напряжение между клеммами 1 и 2. Это напряжение покажет вольтметр К Зная величины С и У, вычислить величину заряда на конденсаторе а = СУ. С,помощью переключателя К зарядить эталонный конденсатор (для этого достаточно несколько секунд) и затем разрядить его через гальванометр. Световой указатель гальванометра отклонится; нужно отметить крайнее деление шкалы, до которого он дойдет за время первого отброса.

3. Проверить линейность шкалы гальванометра, работающего в баллистическом режиме, Для этого необходимо построить график зависимости емкости конденсатора от числа делений п, на которое отклоняется световой указатель С = Дл) по табл. 1. Заряд а = СУ можно варьировать, изменяя величину С (переключая магазин емкостей) или изменяя напряжение У с помощью поте идиом стра Я, Сделать не менее 8 — 10 измерений и по полученным данным построить график зависимости д = Дп) по табл.

2. Убедившись в линейности шкалы гальванометра, определить балли- 19 стическую постоянную В (цену деления шкалы гальванометра) по формуле В = ~. Таблила 2 Ъ'нрижнение 3. Измерение емкости конденсаторов, 1. Вместо эталонного конденсатора включить конденсатор с неизвестной емкостью. Отметить напряжение, которое показывает вольтметр К Зарядить конденсатор и разрядить его на гальванометр. Отметить число делений и при первом максимальном отклонении. Тогда о=Вн 2. Повторить измерения 5 — 7 раз. Результаты записать в таблицу.

Таблила.З п 3. Вычислить неизвестную емкость по формуле а С 1 = —. х 20 Вычислить погрешность измерений ЬСх. Результаты представить в виде (Сха + ЬС Д Ф, Е = %. 4. Затем провести те же изменения с другим конденсатором и вычислить его емкость. (Схг + саСхз) Ф, Š— ' %. 5. После этого нужно измерить емкость двух конденсаторов, соединенных сначала параллельно, потом последовательно. Результаты измерений необходимо сравнить с расчетом суммарной емкости по формулам (2) и (3). Все результаты необходимо заносить в таблицы (составить самостоятельно), 6, Вычислить средние значения и ошибки.

Ответ представить в виде теоретически: Спараллельпое экспериментально: (С +ЬС р ) ФсЕ % теоретически: Споследоаательпое экспериментально; (Спослед ~ ~1Спослед) Ф, Е = % Упражнение 3. Исследование баллистического метода (для студентов-физиков). 1. Собрать схему по рис. 6, содержащую магазин сопротивлений (Лт). 2. Построить градуировочные графики по методу, изложенному в упражнении 1, при значениях В1 — — 10 Ом; 100 Ом; 1000 Ом; 10000 Ом. Рис. 6.

Схема устаиовки для исследоваиия баллистического метода Упражнение 4. Изучение процессов зарядки и разрядки конденсатора. 1. Собрать схему по рис. 7. При зарядке конденсатора ключ (Кз) установить в положение 1, при разрядке — в положение 2. Этим достигается такое переключение микроамперметра (рА), что направление тока через него при обоих процессах одинаково. 2.

Замкнуть' ключи (Кт и Кз) в положении 1. Включить секундомер и сначала через каждые 10- 15 сек измерять значения тока зарядки, Затем ток измерять через 30 сек. 3. Измерения тока в процессе разрядки произвести немедленно. Для этого ключи (Кт и Кз) переключают в положение 2. 4, Изменяя Я и С так, чтобы их произведение (ЯС) оставалось постоянным, повторить измерения для разных значений Л и С.

22 Рис. 7. Схема установки для изучение процессов зарядки и разрядки конденсатора 5. Построить график зависимости тока (~) от времени (Г). Из графика найти т — время релаксации (т — время, через которое ток при зарядке/разрядке конденсатора уменьшится в е = 2,7 раз) (см. приложение,' к лабораторной работе) (рис. 8). Сравнить с теоретическим значением т = АС. 0,3б8 Рис. 8. Зависимость тока Я) от времени (т) 23 Для нахождения т из эксперимента удобно построить график зависимости 1п —, от г; если он близок к прямой, опре- 1о делить т по углу наклона прямой.

б. Повторить измерения для других измерений Я и С. 7. Для использованных в эксперименте значений Я и С' построить график зависимости ~(й) = ~рехр( — — 1 и срав- яс~ нить его с экспериментально полученным графиком ц,т). Упражнение 5. Генератор релаксационных колебаний ~пилообразного напряжения) ~для студентов- физиков). Процессы зарядки и разрядки конденсатора используются для получения релаксационных колебаний (пилообразного напряжения), которые применяются, например, в электронных осциллографах.

Простейшая схема релаксационного генератора изображена на рис. 9. Пенх Рнс. 9, Схема релаксацнонного генератора НЛ вЂ” неоновая лампа, разряд через которую начинается при некотором определенном напряжении зажигания (У,) и прекращается при несколько меньшем напряжении гаше(и,). 24 При малых напряжениях на конденсаторе и, следовательно, на НЛ лампа «заперта» н происходит процесс зарядки конденсатора, скорость которой определяется временем релаксации первого контура. Как только напряжение на конденсаторе достигнет значения У„лампа загорается, ее сопротивление скачком уменьшается, конденсатор разряжается через контур 2.

Скорость разрядки определяется временем релаксации 2-го контура: тг — — Яз С. Когда напряжение на конденсаторе и на НЛ уменьшится до У„, лампа «запирается», конденсатор снова начинает заряжаться и процесс повторяется (рис. 10). Амплитудой пилообразного напряжения условно назовем величину А = Уз Уг: Следует учесть, что при увеличении йз увеличивается напряжение на нем и уменьшается амплитуда «пилообразного» напряжения. Это объясняется тем, что при зарядке конденсатора ток через НЛ не идет (ее Н = со), в результате чего напряжение на Лз не падает (1 = О, Уя, = Из). Таким образом, напряжение на выходе равно напряжению на конденсаторе и полностью приложено к НЛ, поэтому она зажигается при Ус — — У, = У,„,.

Рие. 10. Амплитуда пилообразного иаприжеиии 25 При разряде конденсатора через НЛ и йг идет ток. Напряжение на НЛ меньше, чем напряжение на конденсаторе, на величину падения напряжения на Вг. Поэтому НЛ гаснет при Ус = Ус Иг < Ус = Уема. Следовательно, с увеличением Яг максимальное напряжение на выходе не меняется и равно У„,„= У„а минимальное — увеличивается (У „„= Ус > У„), то есть величина А уменьшается. Так как должно выполняться неравенство Ф вЂ” У.) ~ (У.

— У. = У) пилообразного напряжения, то, изменяя Вг, надо будет изменить Я, чтобы это неравенство выполнялось. Иначе лампа будет «открыта» и генерации не будет. Для получения напряжения, которое линейно зависит от времени при зарядке конденсатора, достаточно заряжать го его постоянным током 1с, тогда Ус(г) = — 'г (см. лабораторную работу 6). Порядок выполнения упражнения 1.

Собрать схему по рис. 11, Рис. 11. Схема устаневии 2. Включить в сеть источник питания (ВУЩ и осциллограф и дать им прогреться 2 — 3 мин. Затем плавно увеличивать Е, подаваемое на вход генератора, от О до 65 В (У, данной НЛ = 63- 64 В), а амплитуда пилообразного напряжения на выходе генератора = 1,5-2 В. 26 ~а- н- на е- Г та 3. При появлении на экране осциллографа пилообразного напряжения и загорании НЛ увеличение Я прекратить. 4. Получить устойчивую картину кривой пилообразного напряжения на экране н зарисовать ее.

5. Изменить Л1 и снова зарисовать картину на экране осциллографа. Объяснить изменение кривой. 6. Изменить Яз. Зарисовать картину н объяснить ее. 7. Увеличить напряжение Я, добиться исчезновения кривой на экране. Объяснить причину этого явления. 8. Вывести формулу для периода релаксационных колебаний. ют гь Р Приложение к .лабораторной работе 2 ПРОЦЕССЫ РАЗРЯДКИ И ЗАРЯДКИ КОНДЕНСАТОРА 1.

Если обкладки заряженного конденсатора с емкостью С соединить проводом с сопротивлением Н, то по проводу потечет ток. Пусть бди У вЂ” мгновенные значения тока, заряда конденсатора и напряжения иа нем. Можно записать Ус+ Уя = О, — +И=О. с Так как — = 1, то — 1+ 11 — = О.

ая . 1. и ас ' с ас времени 28 Продифференцируем это уравнение по и 1 ~а| а~ — — +Н вЂ” =О. с а~ ае Проинтегрировав и полагая в момент Г = О 1 = 1е, найдем законы изменения тока 1 = 1вехр( — — 1 ясг У = Иоехр ( — — ) = У~ехр( — — ). (2) (3) Рис. 12. Зависимость тока от времени разрадки конденсатора Постоянная т = ЯС называется временем релаксации. Через время т ток, напряжение и заряд на конденсаторе уменьшаются в е раз. Время релаксации т = ЯС определяется по этой формуле во всех системах единиц.

Так, если И измерить в омах, С в фарадах, то т получится в секундах. 2. Аналогично решается задача о зарядке конденсатора. Пусть в цепь конденсатора включен источник тока с постоянной ЭДС Ео. Уравнение (1) приобретает вид ос+ оя = со Дифференцируя по Г, получим 1. сн 1+1~ = со с си то есть 1= 1оехР 1,- — 1, лс~' Ец где 1о = — ' — ток при зарядке конденсатора максимален в я начальный момент и убывает по экспоненциальному закону, Напряжение при зарядке конденсатора ос =со с = со ~оп 'е%~( „,с) = со '11 вар(, л )1 то есть в начальный момент времени напряжение на конденсаторе равно нулю, а затем возрастает, стремясь к предельному значению Ус — — со.