Щеглова И.Ю., Печенов В.В. Виртуальный физический практикум

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КОЛОМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Щеглова И. Ю., Печенов В.В.

Сборник лабораторных работ.

Коломна, 2005

ББК 22.33я73+31.92

УДК 537+538(075.8)

Щ33

Рекомендовано к изданию

редакционно-издательским советом

Коломенского государственного педаго-

гического института.

Щ33

Щеглова И.Ю., Печенов В.В.

Виртуальный физический практикум: Сборник лабораторных работ

по компьютерному моделированию для изучения законов постоян-

ного и переменного тока. /Методическое пособие для студентов фи-

зико-математического факультета. – Коломна: КГПИ, 2005. -

стр. 115.

Сборник содержит описания лабораторных работ по курсу "Электриче-

ство и магнетизм" в виртуальной физической лаборатории и методические ука-

зания к ним.

Пособие посвящено использованию ИКТ в процессе подготовки учителя

физики и предназначено для студентов физико-математического факультета по

специальности "физика".

Рецензенты:

Степанов В.А. профессор, зав. кафедрой общей, теоретической физики и

МПФ Рязанского государственного педагогического универ-

ситета им. С.А. Есенина.

Богуславский Ан.А. доцент кафедры теоретической физики Коломенского

педагогического института.

СОДЕРЖАНИЕ.

ЗНАКОМСТВО С ИНТЕРФЕЙСОМ ПРОГРАММЫ СХЕМОТЕХНИКИ "СБОРКА" И

ПРОВЕРКА НЕКОТОРЫХ ЗАКОНОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА. .....................................5

1. Основные сведения об интерфейсе программы схемотехнического

моделирования СБОРКА.................................................................................................5

1.1. Панель приборов. ...............................................................................................5

2. Порядок создания и проверки работы электрической схемы в программе

"СБОРКА". ........................................................................................................................6

3. Постоянный электрический ток. Основные теоретические сведения......................8

3.1. Закон Ома для участка и замкнутой цепи. .....................................................8

3.2. Виды соединения потребителей. ..................................................................10

Порядок выполнения работы. ...............................................................................13

ЗНАКОМСТВО С ИНТЕРФЕЙСОМ ПРОГРАММЫ ELECTRONICS WORKBENCH И

РАЗРАБОТКА НЕКОТОРЫХ ПРОСТЕЙШИХ СХЕМ....................................................26

1. Основные сведения об интерфейсе программного комплекса Electronics

Workbench. .....................................................................................................................26

2. Порядок создания и проверки работы электрической схемы в программе

Electronics Workbench. ...................................................................................................31

Порядок выполнения работы. ...............................................................................34

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА.........................................................41

1. Общие сведения об осциллографе. .........................................................................41

2. Электронно-лучевая трубка. .....................................................................................41

3. Принцип действия осциллографа и фиксирование временных процессов на

экране осциллографа. ...................................................................................................43

Порядок выполнения работы. ...............................................................................50

ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩИЕ И ИНТЕГРИРУЮЩИЕ RC- И RL-ЦЕПИ..............................55

1. Изучение процесса протекания тока в RC-цепи. ....................................................55

1.1. Разрядка конденсатора. .................................................................................55

1.2. Зарядка конденсатора. ...................................................................................56

1.3. Дифференцирующая и интегрирующая RC-цепь. .......................................57

2. Изучение процесса протекания тока в RL-цепи.......................................................61

2.1. Процессы установления тока в цепи с индуктивностью...........................61

2.2. Дифференцирующая и интегрирующая RL-цепь.........................................62

Порядок выполнения работы. ...............................................................................62

ИЗУЧЕНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ ДИОДОВ И ПРОСТЕЙШИХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ НА

ИХ ОСНОВЕ. ....................................................................................................................65

1. Основные сведения об устройстве и работе полупроводникового диода. ...........65

1.1. Обратное смещение. ......................................................................................65

1.2. Прямое смещение. ...........................................................................................67

2. Общие сведения о выпрямителях. ...........................................................................69

2.1. Однополупериодный выпрямитель................................................................70

2.2. Двухполупериодный выпрямитель. ...............................................................71

Порядок выполнения работы. ...............................................................................73

ИЗУЧЕНИЕ СТАБИЛИЗАТОРА ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ..............................78

Общие сведения. ...........................................................................................................78

Порядок выполнения работы. ...............................................................................80

ИЗУЧЕНИЕ СВОБОДНЫХ КОЛЕБАНИЙ В КОЛЕБАТЕЛЬНОМ КОНТУРЕ. ..............82

Порядок выполнения работы. ...............................................................................87

ИЗУЧЕНИЕ ВЫНУЖДЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ В

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОМ КОЛЕБАТЕЛЬНОМ КОНТУРЕ. РЕЗОНАНС НАПРЯЖЕНИЙ.

...........................................................................................................................................94

1. Основные сведения о вынужденных колебаниях....................................................94

2. Резонанс напряжений в последовательном колебательном контуре....................96

Порядок выполнения работы. ...............................................................................99

ИЗУЧЕНИЕ ВЫНУЖДЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ В ПАРАЛЛЕЛЬНОМ

КОЛЕБАТЕЛЬНОМ КОНТУРЕ. РЕЗОНАНС ТОКОВ. .................................................106

Резонанс токов.............................................................................................................106

Порядок выполнения работы. .............................................................................108

ПРИЛОЖЕНИЕ...............................................................................................................111

1. Запись результатов моделирования в Electronics Workbench..............................111

1.1. Сохранение данных, полученных при помощи осциллографа и измерителя

АЧХ. ........................................................................................................................111

1.2. Сохранение результатов моделирования с помощью 8-разрядного

устройства записи результатов симуляции....................................................111

1.3. Сохранение результатов в виде графиков. ...............................................112

2. Преобразование результатов имитации в формат электронных таблиц MS Excel.

.......................................................................................................................................113

ЛИТЕРАТУРА.................................................................................................................116

Знакомство с интерфейсом программы схемотехники СБОРКА.

Лабораторная работа № 1.1.

ЗНАКОМСТВО С ИНТЕРФЕЙСОМ ПРОГРАММЫ СХЕМОТЕХНИКИ "СБОРКА"

И ПРОВЕРКА НЕКОТОРЫХ ЗАКОНОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

1. Основные сведения об интерфейсе программы схемотехнического

моделирования СБОРКА.

Инструментальная программная система "СБОРКА" предназначена для

изучения законов постоянного токов в средней школе. Программа проста в об-

ращении и, тем не менее, предоставляет широкие возможности для моделиро-

вания. В частности, она позволяет проводить сборку цепей по их схематиче-

скому изображению и имитировать работу цепи, замыкая или размыкая цепь

при помощи ключа. При протекании тока в цепи мы видим отклонение стрелок

измерительных приборов, внешний вид которых полностью соответствует

школьным демонстрационным приборам. Кроме того, источники постоянного

тока, представленные в программе, могут обладать внутренним сопротивлени-

ем, что весьма важно при использовании программы для решения задач. Ошиб-

ка в расчетах может привести к поломке прибора: лампочка или прибор перего-

рают, как их реальные аналоги. Программа имеет справочную систему по раз-

личным элементам схемы (информация о приборе вызывается из контекстного

меню).

Рис. 1. Элементы окна программы "СБОРКА" (ученическая версия).

1.1. Панель приборов.

Панель приборов содержит все необходимые компоненты и контрольно-

измерительные приборы для создания цепи, расположенные на отдельных

вкладках. Ряд вкладок помимо реально изображенных приборов содержит так

Знакомство с интерфейсом программы схемотехники СБОРКА.

называемые схем-приборы, которые могут использоваться в цепи наряду с

обычными, но в отличие от которых никогда не перегорают.

2. Порядок создания и проверки работы электрической схемы

в программе "СБОРКА".

1. Создать папку для хранения данных новой лабораторной работы. Название

папки удобно выбирать по названию работы (см. примечание в конце каждой

работы).

2. Запустить программу "СБОРКА" (исполняемый файл программы Сер.exe на-

ходится в папке программы).

3. Подготовить новый файл для работы. Для этого необходимо выполнить ко-

манду

Схема/Сохранить схему. Называть схему можно по фамилии исполнителя

или по названию задания (особенно, если в одной работе создается несколько

схем). Каждая схема сохраняется в отдельном файле.

4. Открывая соответствующие вкладки панели приборов (рис. 1), перенести на

рабочий стол необходимые компоненты по предложенной в работе схеме (для

этого необходимо с помощью мыши выбрать прибор или элемент с нужными

параметрами и щелчком левой кнопки расположить его в рабочем поле окна

программы. Если подобный элемент используется в схеме только один раз,

щелчком правой кнопки отказываются от его дальнейшего копирования. Неко-

торые приборы сразу потребуют установки их параметров). Расположить эле-

менты на столе наиболее удобным образом обычным перетаскиванием.

В каждой схеме необходимо использовать ключ или переключатель, в

противном случае симуляция схемы начнется сразу после ее создания (точнее,

сразу после замыкания цепи источника), что может привести к поломке прибо-

ров.

5. Соединить выводы элементов проводниками, протягивая их от клеммы к

клемме. Для выполнения этой операции указатель мыши подводят к клемме

одного из приборов (указатель при этом принимает вид руки) и щелкают левой

кнопкой. После этого протягивают провод до другой клеммы и щелчком мыши

присоединяют его. Протягивая провод, можно щелкать мышью в рабочем поле,

расставляя узловые точки, а можно просто щелкнуть на второй клемме, соеди-

нив приборы без особых изысков (рис. 2). Отказаться от протягивания провода

можно с помощью щелчка правой кнопкой мыши или нажатия клавиши ESC.

Разветвления в схеме создаются аналогичным образом, т.е. к каждой клемме

может быть подключено несколько проводов. Щелчок мышью на любом месте

провода отсоединяет его от ближайшего прибора. Цвет провода можно выбрать

заранее на соответствующей вкладке панели приборов или использовать пред-

лагаемый по умолчанию.

6. Для тех приборов, где это возможно и необходимо, указать или изменить их

параметры через контекстное меню по данному элементу. Аналогично можно

изменить цвет отдельных соединительных проводников.

Знакомство с интерфейсом программы схемотехники СБОРКА.

Рис. 2. Примеры соединения элементов схемы проводниками в программе "СБОР-

КА".

7. Модификация схемы заключается в изменении взаимного расположения

приборов (осуществляется перетаскиванием) или их соединения, удалении не-

которых из них (осуществляется через контекстное меню (рис. 3) или с помо-

щью специальной кнопки

, см. рис. 1), изменении прокладки проводников

(осуществляется перетаскиванием узловых точек, а также спрямлением прово-

дов и созданием дополнительных узлов через контекстное меню по проводнику

(рис. 3)).

Рис. 3. Контекстное меню по различным элементам схемы.

8. Включить питание схемы, замыкая ключ или перебрасывая рубильник. За-

фиксировать показания контрольно-измерительных приборов. Если прибор

слишком мал, или требуется получить более точный вариант значений, анали-

зируемых с его помощью, нужно щелкнуть на нем левой кнопкой мыши (рис.

4).

9. Сохранить изменения в схеме.

10. Для создания новой схемы нажать кнопку

(Создать схему) и начать вы-

полнение с п. 3.

Знакомство с интерфейсом программы схемотехники СБОРКА.

а) б)

Рис. 4. а) Изображение прибора в схеме (до щелчка мышью); б) информационная

панель того же прибора.

3. Постоянный электрический ток. Основные теоретические сведения.

3.1. Закон Ома для участка и замкнутой цепи.

Закон Ома для участка цепи связывает три величины: силу тока, сопро-

тивление и напряжение (или разность потенциалов). Связь между разностью

потенциалов и падением напряжения на участке 1-2 цепи в общем случае может

быть выражена формулой:

()

2112

ϕ−ϕ=U ,

где

ϕ−ϕ - падение потенциала на участке 1-2 цепи, Е

– суммарная э.д.с.,

действующая на этом участке. Различают два типа участков: однородный и не-

однородный.

Однородным называется участок цепи, в котором не действуют сторон-

ние силы. Для такого участка закон Ома записывается в виде:

ϕ−ϕ

сила тока в однородном участке цепи прямо пропорциональна разности по-

тенциалов на его концах. В этой формуле R

– сопротивление участка 1-2 цепи.

Очевидно, что для однородного участка разность потенциалов и напряжение

совпадают.

Неоднородным, соответственно, считается участок, в котором действуют

сторонние силы. В случае цепи постоянного тока это означает, что данный уча-

сток содержит один или несколько источников тока. Закон Ома для неоднород-

ного участка:

+ϕ−ϕ

= ,

где

E - алгебраическая сумма э.д.с., действующих на участке 1-2 цепи.

Для неразветвленной замкнутой цепи:

Знакомство с интерфейсом программы схемотехники СБОРКА.

полн

цепи

∑

где

∑

E - алгебраическая сумма всех э.д.с., действующих в этой цепи; а R

полн

–

полное сопротивление всей цепи.

В формулах закона Ома сила тока и э.д.с. – алгебраические величины, т.е.

они могут быть и положительными, и отрицательными. Поэтому, пользуясь за-

коном Ома, необходимо соблюдать два

правила:

правило знаков для э.д.с.: Э.д.с. источника считается положитель-

ной, если выбранное направление обхода участка или замкнутой цепи сов-

падает с переходом внутри источника от отрицательного полюса

(като-

да

) к положительному (аноду);

правило знаков для тока: Ток считается положительным, если его

направление совпадает с выбранным направлением обхода участка или

замкнутой цепи

Рассмотрим для примера цепь (рис. 5), состоящую из источника тока с

э.д.с. Е и внутренним сопротивлением

r и внешней цепи (нагрузки, или потре-

бителя), имеющей сопротивление

E, r

Рис. 5.

Выберем произвольно направление обхода

цепи и укажем его на схеме. Направление тока в

этой цепи легко установить:

во внешней цепи по-

ложительные заряды будут двигаться от поло-

жительного полюса источника к отрицательному

(в направлении падения потенциала). Однако в не-

которых случаях направление тока установить дос-

таточно трудно и его можно указывать произволь-

но. При выбранном направлении обхода ток и э.д.с.

будут положительными. Сила тока в такой цепи

найдется по закону Ома:

С другой стороны, любую замкнутую цепь можно произвольно разбить

на ряд участков (однородных, неоднородных). Разобьем нашу цепь точками 1 и

2 на два участка:

1. однородный участок 1-R-2;

2. неоднородный 1-

Е-2.

Направления обхода участков могут не совпадать с направлением обхода замк-

нутой цепи.

Для участка 1-R-2 (в общем виде):

−

= . С учетом правила зна-

ков:

Знакомство с интерфейсом программы схемотехники СБОРКА.

ϕ−ϕ

Для неоднородного участка 1-Е-2 (в общем виде):

+ϕ−ϕ

= . С

учетом правил:

−ϕ−ϕ

=−

Отсюда:

()

−ϕ−=Ir

или

−

Ir , т.к.

- потенциал поло-

жительного полюса источника тока

(

)

ϕ , а

- отрицательного

(

)

−

ϕ и, следо-

вательно, всегда

ϕ>ϕ . Кроме того, мы получили, что для нашей цепи

<ϕ−ϕ - разность потенциалов на зажимах источника меньше его э.д.с. на

величину падения потенциала на внутреннем сопротивлении источника (Ir). В

этом случае говорят, что источник

разряжается.

В более сложных случаях цепь может содержать несколько источников,

соединенных между собой последовательно или параллельно. В этом случае

часть источников обязательно будет разряжаться, а некоторые, наоборот, могут

заряжаться (для них E

>ϕ−ϕ=ϕ−ϕ

−+

3.2. Виды соединения потребителей.

Электрические цепи, с которыми приходится иметь дело на практике,

обычно состоят не из одного приёмника электрического тока, а из нескольких

различных, которые могут быть соединены между собой по-разному. Зная со-

противление каждого и способ их соединения, можно рассчитать общее сопро-

тивление цепи, пользуясь законом Ома.

Последовательное соединение: при таком соединении сила тока в любом

сечении цепи одна и та же. Пусть участок цепи содержит несколько потреби-

телей, соединенных между собой последовательно (рис. 6):

III == . (1)

R1 R2

Рис. 6. Последовательное соеди-

нение проводников.

Полное сопротивление участка цепи при последовательном соединении равно

сумме сопротивлений отдельных проводников (или отдельных участков цепи).

RRR += .

И, наконец, падение потенциала на концах такого участка равно сумме падений

потенциала на отдельных потребителях: