Наблюдение явления, страница 60, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 8. Электромагнитные колебания и волны. Параграф 78. Исследовательские работы. Практические работы-исследование - страница 60.

Условие.

Практическая работа

Наблюдение явления электрического резонанса

Колебательные процессы можно встретить в различных разделах физики. Ранее при помощи осциллографа и камертона вы изучили звуковые колебания. В этом опыте исследуем электромагнитные колебания и попробуем наблюдать явление электрического резонанса.

В реальном колебательном контуре свободные электромагнитные колебания являются быстро затухающими, поскольку элементы контура обладают сопротивлением $\text{R}$. Поэтому изучение резонансных характеристик контура можно осуществить только при наличии вынужденных колебаний, которые являются незатухающими. Источником вынуждающей силы, поддерживающей указанные колебания, является генератор, к которому подключается колебательный контур.

Цель работы

С помощью осциллографа наблюдать явление электрического резонанса в реальном колебательном контуре.

Помощник

• В качестве оборудования вам потребуются генератор звуковых колебаний (из набора оборудования кабинета физики), осциллограф, катушка, содержащая большое число витков (например, одна из обмоток разборного трансформатора), конденсатор для цепей переменного тока, коммутационная плата.

• С помощью коммутационной платы соберите цепь, состоящую из генератора, катушки и конденсатора. Подключите выход с нагрузки $\text{R}$ к осциллографу. В качестве нагрузки может быть использована обмотка самой катушки.

  К осциллографу

• Включив генератор, наблюдайте переменный сигнал на экране осциллографа.

• Установив определённый уровень амплитуды сигнала с генератора и уровень усиления сигнала на экране осциллографа, плавно изменяйте частоту генератора, постоянно контролируя амплитуду сигнала на экране. Добейтесь такого положения ручки регулятора частоты, при котором амплитуда сигнала на экране осциллографа будет максимальной. Данная частота является резонансной частотой.

• Измените резонансные параметры контура. Для этого введите в объём катушки стальной сердечник и наблюдайте за изменением амплитуды сигнала на экране осциллографа.

• Повторите опыт по определению резонансной частоты при изменённых параметрах колебательного контура.

• Сделайте вывод.

Решение.

Цель работы

Наблюдение явления электрического резонанса в реальном колебательном контуре с помощью осциллографа.

Ответ: Целью работы является экспериментальное наблюдение и исследование явления электрического резонанса.

Оборудование и сборка цепи

Для проведения эксперимента используется следующее оборудование: генератор звуковых частот (ГЗЧ), осциллограф, катушка индуктивности, конденсатор, стальной сердечник и соединительные провода. Из этих элементов собирается цепь, представляющая собой последовательный колебательный контур (RLC-контур), который подключается к генератору. Генератор является источником вынуждающей ЭДС. Осциллограф подключается параллельно катушке индуктивности для измерения амплитуды напряжения на ней.

Ответ: Собрана цепь последовательного RLC-контура, подключенная к генератору переменного напряжения. Осциллограф используется для измерения напряжения на катушке.

Определение резонансной частоты

При включении генератора на экране осциллографа наблюдается синусоидальный сигнал. Плавно изменяя частоту $\text{f}$ генератора, наблюдаем за изменением амплитуды $U_L$ этого сигнала. При некоторой частоте $f_0$ амплитуда колебаний на экране осциллографа достигает максимального значения. Это явление называется электрическим резонансом, а частота $f_0$ — резонансной частотой. Резонанс наступает, когда частота вынуждающей силы совпадает с собственной частотой колебаний контура. Для RLC-контура эта частота определяется его параметрами — индуктивностью $\text{L}$ и ёмкостью $\text{C}$ — и вычисляется по формуле Томсона:

$f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$

Ответ: Экспериментально определена резонансная частота $f_0$ контура как частота, при которой амплитуда напряжения на катушке индуктивности максимальна.

Исследование зависимости резонансной частоты от индуктивности

Чтобы изменить параметры контура, в катушку индуктивности вводится стальной сердечник. Сталь является ферромагнетиком с большой магнитной проницаемостью $\mu$. Это приводит к значительному увеличению индуктивности катушки $\text{L}$. Сразу после введения сердечника амплитуда сигнала на осциллографе падает, поскольку частота генератора больше не является резонансной для контура с новыми параметрами. Для нахождения новой резонансной частоты $f'_0$ необходимо снова изменять частоту генератора. Опыт показывает, что для достижения максимальной амплитуды частоту генератора необходимо уменьшить. Таким образом, новая резонансная частота $f'_0$ оказывается меньше первоначальной $f_0$.

Ответ: Увеличение индуктивности $\text{L}$ контура путем введения в катушку стального сердечника приводит к уменьшению его резонансной частоты ($f'_0 < f_0$).

Вывод

В ходе выполнения практической работы было успешно продемонстрировано явление электрического резонанса в последовательном колебательном контуре. Резонанс проявляется как резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний напряжения при совпадении частоты внешнего генератора с собственной частотой контура. Была экспериментально исследована и подтверждена зависимость резонансной частоты от параметров контура. Установлено, что увеличение индуктивности катушки приводит к уменьшению резонансной частоты, что находится в полном согласии с теоретической формулой $f_0 = 1/(2\pi\sqrt{LC})$.

Ответ: Экспериментально подтверждено, что резонансная частота колебательного контура зависит от его индуктивности: с увеличением индуктивности резонансная частота уменьшается.