Описание экспериментальной установки

 

В состав установки входит электродвигатель, диск стробоскопический, автотрансформатор ЛАТР и стробоскоп.

Электродвигатель работает от переменного тока, и скорость его вращения зависит от величины подаваемого напряжения. ЛАТР и предназначен для плавного изменения (регулировки) скорости, а следовательно и частоты вращения якоря двигателя (диска на его оси) от 100 до 4500 об/мин. С этой целью к электродвигателю присоединены 2 шнура: один из них заканчивается штепсельной вилкой, а другой снабжен наконечниками для присоединения к реостату.

Если электродвигатель работает от автотрансформатора, то оба наконечника второго шнура должны быть соединены и заизолированы, а вилка первого шнура вставляется в штепсельные гнезда ЛАТРа.

 

Диапазон частот следования вспышек стробоскопической лампы разделен на 2 поддиапазона: 1-й подиапазон — 10¸ 40 Гц;

2-й поддиапазон — 40¸ 150 Гц.

Подключение стробоскопа: 1) Включить вилку стробоскопа в сеть.

2) Нажать кнопку нужного поддиапазона (10-40 Гц или 40-150 Гц). При этом стробоскоп начнет излучать световые импульсы определенной частоты.

3) Вращением ручки плавной регулировки частоты произвести изменение частоты в пределах выбранного поддиапазона.

Погрешность частоты вспышек на частоте 40 Гц в первом поддиапазоне и на частоте 150 Гц во втором поддиапазоне не хуже 3%.

 

 

Вопросы к допуску.

 

1. Что называется стробоскопическим эффектом? В чем причина его появления и каковы необходимые условия?

2. Что понимается под условием кратности частот? Частоты каких периодических процессов при этом сравниваются? Как практически по ходу данной работы можно найти значение коэффициента кратности частот ?

3. Пояснить принцип работы электродвигателя. От чего зависит частота (скорость) его вращения? Что понимают под скоростью, частотой и периодом вращения мотора?

4. Каковы правила работы со стробоскопом?

5. Что представляет собой стробоскопический диск? Какому требованию должны отвечать размеры его секторов? Какому условию отвечает форма сектора и как это связано с назначением диска?

6. Каков порядок действий по определению частоты вращения диска? Какие измерения должны быть при этом проведены?

7. Каково основное назначение прибора (электродвигателя и стробоскопа), общие правила его эксплуатации и работы с ним? Выписать в тетрадь величинупогрешности определения частоты вспышек стробоскопа.

8. Значение какой величины определяется по шкале стробоскопа?? Как она обозначается в работе?

Содержание экспериментальных заданий.

Задание 1. Наблюдение стробоскопического эффекта и проверка условия его наступления.

1) По техническим данным установить пределы изменения частоты вращения мотора (полный диапазон).

2) Выбрать границы рабочего диапазона, взяв в качестве ограничений наименьшую и наибольшую частоту вспышек стробоскопа.

3) Подготовить к работе экспериментальную установку согласно рис.1.

4) Установить частоту вращения мотора из последней трети рабочего диапазона. Примерно, по напряжению на ЛАТРе.

5) На стробоскопе, начиная с наибольшего значения частоты, плавно изменяйте частоту вспышек и отмечайте в тетради ее значения, при которых наблюдался стробоскопический эффект. Сравните качество наблюдаемой зрительно картины в разных случаях.

6) Установите, если возможно, наибольшее значение , а для других записанных значений указать величину коэффициента кратности.

7) В случае, когда установить значение не удается (создается впечатление возможности очередного наблюдения эффекта остановки при дальнейшем увеличении частоты вспышек, что невозможно) проделайте, начиная с п. 3), задание 1 заново, но для меньшего, чем в первый раз, значения напряжения на ЛАТРе.

8) Вычислить . Сравнить полученные данные с расчетами из пункта 1) этого задания. Сделать соответствующий вывод.

Задание 2. Определение периода вращения электромотора (диска).

1) Подготовить к работе экспериментальную установку согласно рис.1.

2) Установить работу двигателя с помощью ЛАТРа (по показаниям величины напряжения ) на некоторую скорость вращения в пределах первой половины от всего диапазона возможных скоростей его вращения. Отметить и записать выбранное значение напряжения на ЛАТРе.

3) Включить стробоскоп и выбрать первый поддипазон частот его вспышек (изменять поддиапазон можно в соответствии с целью пункта 5) этого задания!).

4) Плавным вращение ручки регулятора частоты вспышек на стробоскопе добиться кажущейся остановки вращения диска. После чего снять соответствующее показание частоты вспышек .

5) Определить частоту смены секторов, а соответственно и частоту вращения мотора (не изменяя его скорости, т.е. напряжение на ЛАТРе все время должно быть неизменным!): . Т.е. установить и экспериментально доказать значение коэффициента кратности частот .

6) Вычислить период (в с) и угловую скорость вращения мотора (в рад/с) соответственно по формулам: и .

7) Записать полученные значения в первую строку данных таблицы 1.

№ п/п	u, В	, Гц	, Гц	, об/с	, об/с	, с	, рад/с
1.
...
5-7

8) Вычислить абсолютную и относительную погрешность полученного значения угловой скорости вращения диска.

Задание 3. Построение графика зависимости скорости вращения мотора от напряжения на ЛАТРе.

1) После выполнения задания 2 изменить напряжение на ЛАТРе на величину , где - наибольшее значение напряжения на ЛАТРе, при котором диск не слетает с оси мотора (т.е. в пределах возможности наблюдения), - полное количество опытов, которые вы хотите провести в рамках этого задания (число строк данных в первом столбце таблицы 1, т.е. по выбору одно из значений 5, 6 или 7). Иначе можно поступить проще: провести измерения при следующих значениях напряжения на ЛАТРе: 40, 60, 80, 100 и 120 В. Шаг изменения напряжения также можно менять в случае необходимости.

2) Проделать все действия из пунктов 2)-6) задания 2.

3) Заполнить последующие строки в таблице 1.

4) По данным 2-го и последнего столбцов таблицы 1 построить на миллиметровой бумаге график зависимости . Для этого отложить точки, соответствующие данным таблицы. Соединить эти точки гладкой кривой. Дополнительно построить прямую, наиболее близко расположенную ко всем экспериментальным точкам.

5) Пояснить характер полученной зависимости (обратная пропорциональность, линейная, квадратичная или иная). Сделать вывод о правильности полученных в последнем столбце табл.1 данных и о наличии среди них промахов. Установить возможные причины выявленных промахов.

6) Имеет ли смысл нахождение среднего значения величины по данным в последнем столбце таблицы 1???

Задание 4. Измерение промежутка времени с помощью капельницы.

1) Ознакомиться с устройством и назначением водной капельницы. Сделать ее рисунок в тетради.

2) Настроить капельницу на определенную частоту падения капель воды.

3) С помощью секундомера засечь время падения 20-30 капель. Провести отсчет 2-3 раза.

4) Найти промежуток времени между падением двух соседних капель записать формулу для его расчета. Пояснить.

5) Настроить метроном в такт с падающими каплями, передвигая подвижный груз Р.

6) С помощью секундомера определить время между двумя последовательными громкими звуковыми «отбиваниями» размахов метронома.

7) Записать, чему равен период колебания маятника метронома в данном случае.

8) Сравнить полученные значения и . Сделать вывод и причинах неточности.

Замечание. Говоря о точности измерений, отличайте ее от точности арифметических вычислений! Погрешность округления результатов вычисления не должна быть значительно меньше общей погрешности соответствующего измерения.

Вопросы к отчету:

 

1. Какой промежуток времени в системе единиц СИ принят за 1 с?

2. Каков общий принцип механических методов измерения времени?

3. Рассказать о правилах измерения промежутков времени по секундомеру. Какова погрешность таких измерений? Что является источником указанной погрешности?

4. Что позволяют измерять стробоскопические методы? Что положено в их основу? Какова их точность?

5. Дать определение частоты и периода вращения. Какое движение при этом рассматривается (движение по окружности, вращательное, то и другое, иное)? Обосновать ответ.

6. Каким образом можно использовать метроном для измерения промежутка времени?

 

 

Лабораторная работа № 1.6.

Измерение скорости звука в воздухе.

 

Цель работы: познакомиться с основными характеристиками волновых процессов; изучить методы измерения скорости звука в газах; экспериментально определить скорость звука в воздухе методом стоячей волны.

Приборы и принадлежности: металлическая труба с поршнем, звуковой генератор ЗГМ, микрофон, масштабная линейка, кусок мела.