Изучение резонанса в электрическом колебательном контуре

Работа 13. Изучение резонанса в электрическом колебательном контуре (11 класс)
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
исследовать закономерности протекания переменного тока в цепи с конденсатором,
индуктивностью и емкостью при изменении частоты синусоидального напряжения на концах
цепи.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ
В цепи переменного тока, содержащей реактивные элементы, закон Ома справедлив для
амплитудных значений напряжения Um и силы тока Im:
Im 
Um
Z
(1)
где Z –полное сопротивление цепи переменному току. При последовательном соединении
резистора сопротивлением R, конденсатора ёмкостью C и катушки индуктивностью L полное
сопротивление цепи переменному току определяется формулой:
Z  R 2  X L  X C 
2
(2),
X L  L  2 L
(3)
XC 
1
1

C 2 С
(4)
При изменении частоты меняются реактивные сопротивления конденсатора XC и катушки
индуктивности XL. При частоте
 рез 
1
2 LC
(5)
полное сопротивление принимает наименьшее значение Z=R. Амплитуда колебаний тока в цепи
при постоянном значении амплитудного напряжения возрастает, достигая значения
I m рез 
Um
R
(6)
ОБОРУДОВАНИЕ:








генератор колебаний звуковой частоты, например ГЗ-118 (Uвых  5В),
постоянные резисторы с сопротивлениями R0 и R1 (не менее 5 Ом каждое),
два бумажных конденсаторы или батарея конденсаторов (емкостью 0,1  1 мкФ);
катушка индуктивности (индуктивность 0,05  0,5 Гн)
Регистратор данных
Настольный Персональный Компьютер ПК,
датчик тока 2,5 А,
датчик напряжения.
МОНТАЖ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
1. Соберите схему в соответствии с рис.1.
Р
е
г
и
с
т
р
а
т
о
р
ПК
2. Подключите датчики к Регистратору данных, а регистратор к ПК
УСТАНОВКА ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕРЕНИЯ
1. частота – 20000 замеров в секунду,
2. длительность – вручную
ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
1. Подготовьте ПК для проведения опыта.
Опыт1
2. Установите наименьшее значение ёмкости С1 и минимальное значение сопротивления
резистора R0.
3. Проведите пробный эксперимент и предварительную регистрацию данных. Изменяя
частоту колебаний напряжения в нескольких точках диапазона частот от 20 до 20000 Гц,
наблюдайте за изменением силы тока. Убедитесь в удачном выборе параметров измерений
(при запуске регистрации на 1-2 с регистрируется фрагмент синусоидального тока,
амплитудное значение силы тока проходит через максимум при изменении частоты). Если
вас не устраивают настройки, выберите другие. Зафиксируйте примерно диапазон частот, в
котором изменение амплитуды происходит особенно сильно.
4. Выберите амплитудное значение напряжения Um =3 В и начните регистрацию данных.
Медленно изменяйте частоту колебаний напряжения в диапазоне где обнаружено сильное
изменение амплитудного значения тока (см. п.3), разбив интервал частот на 10 частей.
Контролируйте постоянство значения напряжения и наблюдайте за изменением силы тока.
5. Сохраните результат эксперимента.
Опыт2
6. Повторите опыт при большом значении емкости конденсатора С2. Сохраните результаты
экспериментов.
7. Попробуйте, плавно вращая ручку настройки частоты выходного напряжения генератора в
течение 1 с, зафиксировать изменение амплитуды силы переменного тока в одном опыте.
Сохраните результат эксперимента.
Опыт3
8. Повторите опыт 1 при другом значении активного сопротивления цепи R1.
9. Сохраните результат эксперимента.
ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ
1. Откройте файл опыта №2 с постоянным изменением частоты колебаний напряжения.
Используя Мастера анализа, постройте верхнюю огибающую графиков колебаний силы
тока и получив резонансную кривую, измерьте значения периода и частоты колебаний в
момент резонанса.
2. Сравните полученную резонансную частоту с расчетной величиной. Отметьте, менялась ли
в ходе опыта амплитуда напряжения на выходе из генератора
3. Используя таблицы данных замеров из Опытов 1,2 и3, постройте графики зависимости I()
или I(). Для этого можно перенести и часть значений из таблиц -Imax в Excel и построить
резонансные кривые там.
4. Сравните значения рез и I(рез)c расчетными значениями величин.
ВОПРОСЫ ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ОПРОСА И ЗАЩИТЫ ЛР
По какому закону меняется напряжение звукового генератора?
Дайте определение величинам, определяющим значение переменного напряжения.
Сформулируйте закон Ома для цепи переменного тока.
Что такое резонанс? При каком условии он возникает?
Каковы соотношение между резонансной частотой и параметрами контура: R,L, и C?
Как изменяется резонансная кривая при изменении емкости?
Как изменяется резонансная кривая при изменении сопротивления?
Каково соотношение между фазами колебаний силы тока и напряжения в цепи
переменного тока с конденсатором и катушкой индуктивности при резонансной частоте?
9. Какие величины измеряются при выполнении лабораторной работы?
10. Какие величины нужно рассчитать при обработке результатов экспериментов?
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
ОТЧЕТ ПО РАБОТЕ
Отчет выполните в виде электронного документа в текстовом редакторе. Он должен содержать:
 формулировку цели,
 основные формульные формулировки физических законов , описывающих изучаемое
явление,
 фотографию схему установки для проведения опыта,
 значения измеряемых величин в виде таблицы,
 графики зависимости измеряемых величин от времени,
 примеры результаты расчетов
 выводы.