Номер 2, страница 297 - гдз по физике 9 класс учебник Хижнякова, Синявина

Примерные темы учебных проектов. II. Эксперимент и моделирование — основные физические методы исследования природы - номер 2, страница 297.

Условие.

Исследование электрических колебаний с помощью электронного осциллографа.

Решение.

Исследование электрических колебаний с помощью электронного осциллографа — это процесс визуализации, измерения и анализа параметров периодически изменяющихся электрических сигналов (напряжения или тока) во времени.

Назначение и принцип действия осциллографа

Электронный осциллограф — это измерительный прибор, предназначенный для наблюдения формы электрического сигнала и измерения его характеристик. Он отображает на экране график зависимости напряжения исследуемого сигнала (по вертикальной оси Y) от времени (по горизонтальной оси X).

Основными узлами осциллографа являются:

• Входной усилитель (канал вертикального отклонения): Усиливает или ослабляет входной сигнал до уровня, необходимого для его отображения. Чувствительность этого канала регулируется ручкой «ВОЛЬТ/ДЕЛ» (V/div).
• Генератор развертки (канал горизонтального отклонения): Создает пилообразное напряжение, которое подается на горизонтально отклоняющую систему. Это напряжение заставляет электронный луч (в аналоговых осциллографах) или точку на экране (в цифровых) равномерно перемещаться слева направо. Скорость этого перемещения регулируется ручкой «ВРЕМЯ/ДЕЛ» (s/div).
• Система синхронизации (триггер): Обеспечивает запуск горизонтальной развертки в один и тот же момент времени относительно исследуемого сигнала. Это позволяет получить на экране неподвижное, стабильное изображение сигнала.
• Экран: Устройство для визуализации графика сигнала, обычно с нанесенной на него измерительной сеткой (делениями).

В результате одновременного действия вертикального отклонения (пропорционального мгновенному значению напряжения сигнала) и горизонтального отклонения (пропорционального времени) на экране формируется осциллограмма — график зависимости напряжения от времени $U(t)$.

Ответ: Осциллограф позволяет визуализировать электрические колебания, отображая на экране график зависимости напряжения от времени, что дает возможность анализировать форму сигнала и измерять его параметры.

Подготовка к измерениям и настройка осциллографа

Для исследования сигнала с помощью осциллографа необходимо выполнить следующие шаги:

1. Подключить осциллограф к сети и включить его.
2. С помощью специального щупа-пробника подключить источник исследуемого сигнала ко входу одного из каналов осциллографа (например, CH1).
3. Получить на экране линию развертки, отрегулировав яркость и фокус.
4. С помощью ручки «ВОЛЬТ/ДЕЛ» установить такую чувствительность по вертикали, чтобы изображение сигнала занимало значительную часть экрана по высоте, но не выходило за его пределы.
5. С помощью ручки «ВРЕМЯ/ДЕЛ» установить такую скорость развертки, чтобы на экране отображалось несколько (2-3) полных периодов исследуемого сигнала.
6. С помощью регуляторов системы синхронизации («УРОВЕНЬ», «РЕЖИМ») добиться стабильного, неподвижного изображения осциллограммы на экране.

Ответ: Подготовка к работе заключается в подключении источника сигнала и настройке органов управления осциллографа (вертикальной чувствительности, скорости развертки и синхронизации) для получения четкого и стабильного изображения осциллограммы на экране.

Измерение параметров электрических колебаний

После получения устойчивой осциллограммы можно измерить основные параметры колебаний, используя измерительную сетку на экране.

1. Измерение амплитуды напряжения. Амплитудное значение напряжения ($U_{max}$) — это максимальное отклонение напряжения от нулевого уровня. Удобнее измерять напряжение "от пика до пика" ($U_{pp}$). Для этого нужно подсчитать число делений сетки по вертикали ($N_V$) между самой нижней и самой верхней точками осциллограммы. Затем это число умножается на установленное значение чувствительности по вертикали ($K_V$, в Вольтах на деление).

   Размах напряжения: $U_{pp} = N_V \cdot K_V$

   Амплитудное значение для симметричного сигнала (например, синусоиды) равно половине размаха:

   $U_{max} = \frac{U_{pp}}{2} = \frac{N_V \cdot K_V}{2}$

2. Измерение периода колебаний. Период ($\text{T}$) — это время одного полного колебания. Для его измерения нужно подсчитать число делений сетки по горизонтали ($N_H$), которое занимает один полный цикл сигнала (например, расстояние между двумя соседними максимумами). Затем это число умножается на установленное значение скорости развертки ($K_H$, в секундах на деление).

   $T = N_H \cdot K_H$

3. Определение частоты колебаний. Частота ($\text{f}$) — это величина, обратная периоду. Она показывает, сколько полных колебаний совершается за одну секунду. Рассчитывается по измеренному значению периода.

   $f = \frac{1}{T} = \frac{1}{N_H \cdot K_H}$

Ответ: Основные параметры колебаний определяются по осциллограмме: амплитуда напряжения $U_{max}$ и период $\text{T}$ измеряются путем подсчета числа делений, занимаемых сигналом на сетке экрана, и умножения на соответствующие коэффициенты отклонения ($K_V$) и развертки ($K_H$). Частота $\text{f}$ вычисляется как величина, обратная периоду ($f = 1/T$).