Файл: Руководство к лабораторным занятиям по физике учеб. пособие.pdf

84 I. ОЗНАКОМЛЕНИЕ С МЕТОДАМИ ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИИ

наиболее значительные отклонения от этого закона наблюдаются при малых расстояниях между телефоном и микрофоном. Постарай­ тесь объяснить это явление. Особое внимание следует обратить на те частоты, которым соответствует резкое возрастание амплитуды синусоиды на экране осциллографа (резонанс!). Если при этом про­ исходит заметное искажение синусоиды на экране осциллографа или если мембрана телефона возбуждается на второй или более высокой грамонике, то необходимо понизить выходную мощность до тех пор, пока эти явления не исчезнут. Указанные частоты следует записать.

Следует заметить, что на микрофон, кроме прямой звуковой волны, попадают волны, отраженные от стола и расположенных поблизости предметов. Роль этих отражений можно уяснить, если какой-либо предмет с ровной поверхностью, например книгу, пере­ мещать вблизи «звукового луча» (сбоку, за микрофоном и телефоном, на пути «звукового луча» и т. д.) и наблюдать за изменениями картины на экране осциллографа. Проделайте такой опыт и поста­ райтесь объяснить наблюдаемую картину.

5.Поставьте ручку осциллографа «Диапазон частот» в положе­ ние «Выключено». Подключите микрофон к вертикальному входу осциллографа, а звуковой генератор — к его горизонтальному входу. Получите на экране осциллографа эллипс. Как зависят его форма и размеры от частоты и амплитуды колебаний, создаваемых звуковым генератором, от расстояния между телефоном и микрофо­ ном, от наличия посторонних предметов (руки, книги) вблизи зву­ кового луча? Как влияет на параметры эллипса положение ручек «Усиление» и «Ослабление» на панели осциллографа? Какое влия­ ние на картину оказывает положение экспериментатора? Поду­ майте, как оценить погрешность, которую внесет в измерения неиз­ бежное перемещение экспериментатора в процессе работы.

6.Медленно отодвигая микрофон от телефона, заметьте и запи­ шите положения, при которых эллипс на экране осциллографа стягивается в линию. Проделайте те же наблюдения в обратном порядке. Всю серию опытов повторите не менее трех раз. Чем объяс­ нить получающийся разброс результатов? Постройте график зави­ симости координаты микрофона от номера положения, в котором эллипс превращается в прямую линию (первое положение, второе

153, 157. ■

Р а б о т а 9. ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Принадлежности: учебный макет электронного осциллографа ФГТ-33, зву-.

ковой генератор ГЗ-34, электронный осциллограф С1-1.

Главным элементом осциллографа является электронно-лучевая трубка. Промышленность выпускает два рода трубок — трубки с электростатическим управлением и трубки с электромагнитным управлением. В первом случае для отклонения электронного луча

6 7

Рис. 36. Схема устройства электронно-лучевой трубки.

используется электрическое поле, во втором — магнитное. Фокуси­ ровка луча также бывает электростатической или электромагнит­ ной. В осциллографах используются в основном трубки с электро­ статическим управлением и фокусировкой, описанием которых мы и ограничимся.

Трубка (рис. 36) состоит из откачанной до высокого вакуума стеклянной колбы, внутри которой помещаются подогреватель /,

катод 2, управляющий электрод 3, первый (фокусирующий) анод 4, второй анод 5, горизонтально отклоняющие пластины 6 и верти­ кально отклоняющие пластины 7. Передняя часть колбы — экран 8 — покрыта флюоресцирующим веществом.

Подогреватель, катод, управляющий электрод и оба анода обра­ зуют так называемую электронную пушку (рис. 37).

86 I. ОЗНАКОМЛЕНИЕ С МЕТОДАМИ ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Источником электронов служит нагретый катод трубки. Интен­ сивность электронного пучка (и яркость светящегося пятна на экране) регулируется путем изменения отрицательного смещения на управляющем электроде (играющем ту же роль, что сетка элек­ тронной лампы).

Управляющий электрод и система анодов образуют фокусирую­ щую систему. На рис. 37 пунктиром показаны траектории элек­ тронов, а сплошными линиями — эквипотенциальные поверхности электрического поля, образующегося при подаче положительного напряжения на аноды трубки. Потенциал первого анода выби­ рается обычно в несколько раз меньше потенциала второго анода.

на приблизится к силовой линии. Рассчитаем изменение угла а. Из постоянства поперечной слагающей скорости имеем

ѵхsm ax — v2sin a 2

ИЛИ

Пусть скорость электрона при нулевом потенциале близка к нулю. Тогда кинетическая энергия электрона mvf/2 на первой эквипотен­ циальной линии пропорциональна ее потенциалу Ѵх, а его энергия на второй эквипотенциальной линии пропорциональна Ѵ2. Переходя от скоростей к потенциалам, найдем

Формула (2) определяет «преломление» трактории электрона в элек­ трическом поле и аналогична закону преломления света.

Вернемся теперь к оптическим свойствам рассматриваемой элек­ тронной пушки. Нетрудно видеть, что в ускоряющем электрическом поле действие эквипотенциальных поверхностей, направленных выпуклостью к катоду, равносильно действию собирающей линзы. В самом деле, в этом случае, как и в положительной линзе, траек­ тории электронов изгибаются в направлении к оси системы. Действие

<

Рис. 39. Оптический аналог фокусирующ ей системы.

эквипотенциальных поверхностей, выпуклость которых направлена от катода, равносильно действию рассеивающей линзы. Таким образом, вся система эквивалентна двум выпукло-вогнутым линзам, как это изображено на рис. 39. Размеры электродов и напряжения на них выбраны таким образом, что собирающий эффект преобла­ дает, и электроны фокусируются. Меняя напряжения на электродах, можно изменять конфигурацию эквипотенциальных поверхностей, а значит, и фокусное расстояние системы. При правильно выбран­ ных напряжениях пучок фокусируется на флюоресцирующий эк­ ран.

У к

«йіЗФ -

г

h

Рис. 40. Действие отклоняющих пластин.

Рассмотрим теперь действие отклоняющих пластин (рис. 40). Пусть электрон со скоростью ѵ0 влетает в однородное электрическое поле пары отклоняющих пластин и движется вдоль оси г, т. е. перпендикулярно линиям напряженности электрического поля. Электрическое поле второй пары пластин будем пока считать рав­ ным нулю. В нашем случае движение электрона вдоль оси г является равномерным:

83 I. ОЗНАКОМЛЕНИЕ С МЕТОДАМИ ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Ускорение электрона можно найти с помощью второго закона Ньютона:

Как следует из (6), траектория электрона между отклоняющими пластинами представляет параболу. На выходе из пластин траек­ тория отклоняется от первоначального направления на угол аа и смещается на

еЕи

hi 2тѵ.гП,

tg ai = то' - л

где Іх — длина пластин конденсатора (второе из равенств (7) най­ дено путем дифференцирования (6) по г).

Найдем отклонение h электронного пятна на экране осцилло­ графической трубки. Обозначая расстояние от экрана до отклоняю­ щих пластин через /2, получим

Обозначим расстояние от середины пластин до экрана через L. Тогда

eE.jliL

h = — (9) mv„

Скорость электронов ѵ0 определяется напряжением на втором

Итак, смещение луча на экране пропорционально отклоняющему

напряжению. Из выражения (12) немедленно вычисляется чувстви­ тельность трубки к напряжению

Аналогично вычисляется чувствительность трубки для второй пары пластин.

В реальных трубках края отклоняющих пластин часто несколько изгибаются. Неучтенное при выводе формул рассеянное поле пла­ стин и влияние изогнутых концов приводят к усложнению выра­ жения (12). Основной результат вычислений — прямая пропорцио­ нальность между отклонением луча и напряжением на пластинах — при этом, однако, не меняется.

Для исследования напряжений, изменяющихся во времени, используют обе пары отклоняющих пластин. На вертикально

отклоняющие пластины подают периодическое напряжение, изме­ няющееся так, что луч смещается слева направо пропорционально времени, а дойдя до правого края экрана, быстро возвращается назад, после чего процесс повторяется. Такое напряжение назы­ вается п и л о о б р а з н ы м (рис. 41).- Для улучшения линей­ ности пилообразное напряжение делают симметричным относи­ тельно нуля, так что при выключенной развертке луч находится в центре экрана.

Для выработки пилообразного напряжения необходим специаль­ ный генератор развертки.

При наблюдении периодических и, особенно, быстро протекаю­ щих процессов важно получить на экране неподвижное изображе­ ние. Как нетрудно сообразить, для этого нужно, чтобы период раз­ вертки был кратен периоду изучаемого процесса. Достаточно точное соотношение периодов соблюсти оказывается непросто из-за неста­ бильности генератора развертки или самого изучаемого процесса. Для принудительного согласования периодов используют поэтому «синхронизацию», т. е. выбирают схему, при которой изучаемое напряжение «навязывает» свой период генератору развертки.

Если при этом период собственных колебаний Генератора раз­ вертки почти равен (или почти кратен) периоду колебаний исследуе­ мого напряжения, то колебания генератора синхронизуются и