Экспериментальное задание, страница 18 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Экспериментальное задание

Объясните принцип действия автоколебательной системы, изображенной на рисунке 20. Соберите установку, исследуйте характеристики колебательного процесса, их зависимость от внешних факторов. Какое практическое применение возможно для данной модели колебательной системы?

Рис. 20. Электромеханическая автоколебательная система

Объясните принцип действия автоколебательной системы, изображенной на рисунке 20.

Представленная на рисунке система является электромеханическим автогенератором, который преобразует энергию постоянного источника тока в энергию незатухающих механических колебаний. Принцип ее действия основан на механизме положительной обратной связи.

Система состоит из следующих основных частей:
1. Колебательная система: постоянный магнит, подвешенный на пружинах, который может совершать вертикальные колебания.
2. Источник энергии: источник постоянного тока (батарея).
3. Управляющий элемент: электромагнит (верхняя катушка) и механический прерыватель (ключ $\text{K}$), который управляет током в этом электромагните. Положение ключа $\text{K}$ зависит от положения постоянного магнита.
4. Обратная связь: механическая связь между колеблющимся магнитом и ключом $\text{K}$, которая обеспечивает подачу энергии от источника в колебательную систему в нужные моменты времени для поддержания колебаний.

Рассмотрим цикл работы системы:
1. В начальный момент времени постоянный магнит находится в положении равновесия. Нижняя катушка, постоянно подключенная к источнику тока, создает статичное магнитное поле, которое может смещать положение равновесия магнита. Верхняя катушка обесточена.
2. Приведем магнит в движение, например, сместив его вверх. Двигаясь вверх, магнит в определенный момент замыкает ключ $\text{K}$.
3. При замыкании ключа $\text{K}$ в цепи верхней катушки начинает течь ток. Катушка становится электромагнитом и создает магнитное поле. Полярность этого электромагнита должна быть такой, чтобы он сообщал магниту дополнительный импульс в направлении движения (например, притягивал его, если он движется вверх). Эта сила совершает положительную работу, сообщая системе дополнительную энергию.
4. Под действием упругой силы пружин и силы со стороны электромагнита магнит достигает крайней верхней точки и начинает двигаться вниз.
5. Проходя через определенное положение, магнит размыкает ключ $\text{K}$. Ток в верхней катушке прекращается, и ее магнитное поле исчезает.
6. Магнит продолжает движение вниз по инерции до крайней нижней точки, после чего начинает двигаться вверх.
7. Цикл повторяется.

Таким образом, система сама управляет поступлением энергии от источника, компенсируя потери на трение и сопротивление воздуха. Это и обеспечивает режим незатухающих колебаний, называемых автоколебаниями.

Ответ: Принцип действия системы основан на преобразовании энергии источника постоянного тока в энергию незатухающих механических колебаний с помощью механизма обратной связи. Колеблющийся магнит через механический ключ управляет током в электромагните, который, в свою очередь, периодически подталкивает магнит, компенсируя потери энергии и поддерживая колебания.

Соберите установку, исследуйте характеристики колебательного процесса, их зависимость от внешних факторов.

Поскольку проведение реального эксперимента невозможно, опишем его предполагаемый ход и ожидаемые результаты.

Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, две или более пружин, постоянный магнит, две катушки-соленоида, источник постоянного тока, механический прерыватель (например, из двух упругих пластин), соединительные провода, секундомер, линейка.

Ход эксперимента:
1. Собрать установку согласно схеме. Подвесить магнит на пружинах. Расположить катушки так, чтобы магнит мог свободно двигаться внутри или рядом с ними. Собрать электрическую цепь, включая механический прерыватель, который будет замыкаться/размыкаться при движении магнита.
2. Запустить систему и добиться устойчивых автоколебаний. Измерить основные характеристики: период колебаний $\text{T}$ (с помощью секундомера, измерив время $\text{t}$ для $N=20-30$ колебаний и вычислив $T=t/N$) и амплитуду колебаний $\text{A}$ (с помощью линейки).
3. Исследовать зависимость периода и амплитуды от различных факторов, изменяя поочередно один из них и оставляя остальные неизменными.

Исследуемые зависимости и ожидаемые результаты:
а) Зависимость от массы колеблющегося тела ($\text{m}$). К магниту можно добавлять небольшие грузы. Период свободных колебаний пружинного маятника определяется формулой $T = 2\pi\sqrt{m/k}$, где $\text{k}$ – жесткость пружин. Период автоколебаний близок к этому значению.
Ожидаемый результат: С увеличением массы $\text{m}$ период колебаний $\text{T}$ будет увеличиваться.
б) Зависимость от жесткости пружин ($\text{k}$). Можно заменить пружины на более жесткие или менее жесткие.
Ожидаемый результат: С увеличением жесткости пружин $\text{k}$ период колебаний $\text{T}$ будет уменьшаться.
в) Зависимость от напряжения источника тока ($\text{U}$). Можно изменять напряжение, подаваемое от источника. Это изменит силу тока в катушках и, следовательно, величину магнитной силы, подталкивающей магнит.
Ожидаемый результат: С увеличением напряжения $\text{U}$ энергия, сообщаемая системе за один цикл, возрастет. Это приведет к увеличению амплитуды колебаний $\text{A}$. Период $\text{T}$ при этом должен измениться незначительно, так как он в основном определяется параметрами самой колебательной системы ($\text{m}$ и $\text{k}$).
г) Зависимость от сил трения (демпфирования). Можно увеличить демпфирование, прикрепив к магниту картонную пластину (увеличив сопротивление воздуха).
Ожидаемый результат: С увеличением сил трения для поддержания колебаний требуется больше энергии. При фиксированном напряжении источника установившаяся амплитуда колебаний $\text{A}$ будет уменьшаться. Если сила трения превысит максимальную энергию, которую может сообщить система обратной связи, колебания затухнут.

Ответ: Характеристиками колебательного процесса являются период и амплитуда. В ходе эксперимента было бы установлено, что период колебаний в основном зависит от массы груза и жесткости пружин (увеличивается с ростом массы и уменьшается с ростом жесткости), а амплитуда колебаний в основном зависит от напряжения источника питания (увеличивается с его ростом) и от сил трения (уменьшается с их ростом).

Какое практическое применение возможно для данной модели колебательной системы?

Данная модель демонстрирует принцип преобразования электрической энергии постоянного тока в непрерывную механическую колебательную энергию. Этот принцип находит широкое применение в различных устройствах:
1. Электрический звонок. Это классическое применение. Роль магнита на пружинах выполняет якорь с молоточком, который при колебаниях ударяет по чаше звонка.
2. Зуммер (Buzzer). Устройство, аналогичное звонку, но без ударной части. Источником звука является вибрация самого якоря.
3. Электромагнитное реле. Некоторые типы реле используют этот принцип для периодического замыкания и размыкания контактов во вторичной цепи.
4. Электробритвы и машинки для стрижки. В некоторых моделях вибрационного типа используется подобный осциллятор для приведения в движение лезвий.
5. Маятниковые часы. В некоторых конструкциях электрических часов автоколебательная система (например, маятник Хиппа) используется для подачи периодических импульсов маятнику, чтобы компенсировать потери энергии и поддерживать его колебания.
6. Небольшие насосы. Колеблющаяся мембрана или поршень, приводимые в движение таким механизмом, могут использоваться для перекачки жидкостей или газов (например, в аквариумных компрессорах).

Ответ: Практическое применение данной модели включает создание устройств, требующих непрерывных механических колебаний, таких как электрические звонки, зуммеры, реле, вибрационные насосы, а также в качестве приводного механизма в некоторых электробритвах и в системах подкачки энергии маятниковых часов.