Методика вивчення електромагнітних коливань за допомогою віртуального комплексу «Генератор-осцилограф».

П.М. Клініч, Солобковецький ЗЗСО , Ярмолинецький р-н, Хмельницька обл.

Методика вивчення електромагнітних

коливань за допомогою віртуального комплексу «Генератор-осцилограф».

Вступ

Сьогодні практично кожна школа має комп’ютерний клас, який можна використовувати для проведення демонстрацій та дослідів з реальними приладами – діодами, котушками, конденсаторами, генераторами, осцилографами тощо. Однак, не кожна школа має реальні генератори звукових частот та осцилографи.  Дана стаття розповідає, як ці проблеми можна вирішити абсолютно без матеріальних затрат.

Віртуальний лабораторний комплекс складається з двох електронних пристроїв. Перший з них – це  двоканальний звуковий генератор «Marchand Function Generator», вихідна частота якого коливається в межах від 1Гц до 20кГц. За допомогою відповідних перемикачів форма вихідного сигналу напругою від 0В до 2В може бути у вигляді синусоїдальних, прямокутних, пилкоподібних або імпульсних коливань. Зміна частоти генератора по каналах відбувається незалежно канал від каналу, що дозволяє, наприклад, демонструвати на осцилографі зсув фаз між двома сигналами.

Наступний прилад – двоканальний осцилограф «Oscilloscope 2.30», методика роботи з яким описана  нижче, дозволяє спостерігати на екрані до двох незалежних сигналів, вимірювати частоту вхідного сигналу, період, амплітуду коливань і т.п. Недоліком осцилографа є його робота тільки у звуковому діапазоні, що визначається параметрами звукової карти.

1.Підготовка до роботи віртуального комплексу «Генератор-осцилограф»

В налаштуваннях звукової карти комп’ютера вибрати вхід «Stereo mix», через який на вхід «Y1» осцилографа буде поступати сигнал з генератора. В такому разі можна на екрані осцилографа спостерігати один сигнал: синусоїдальної, прямокутної, пилкоподібної чи імпульсної форми.

2.Спостереження коливань на екрані осцилографа.

Для запуску осцилографа потрібно (щоб запобігти перевантаженню) повзунок входу  «Y1» встановити в нижнє положення, а потім нажати кнопку «Line». Подати на лінійний вхід звукової карти комп’ютера з генератора «Marchand Function Generator»(або реального зовнішнього генератора) змінний сигнал (в межах 0-2В) і повзунком входу «Y1» встановити прийнятну для спостереження амплітуду коливань.

3.Вимірювання частоти коливань звукового генератора.

Для вимірювання частоти вхідного сигналу, який поступає на осцилограф, потрібно перейти в режим очікування(кнопка « Wait»). За допомогою повзунка «Т»(період коливань) встановити в межах екрана осцилографа одне коливання, а також за допомогою повзунка «tau» (зміщення вліво-вправо) і повзунка «А»(зсув по вертикалі) зробити так, щоб було чітко видно,  де початок одного періоду, а де кінець,як показано на рисунку. Тоді внизу екрана можна зчитати частоту і період коливань. Також можна на екрані осцилографа залишити два повних коливання, тоді частоту, яка показана внизу екрана, потрібно помножити на 2. 

4.Спостереження одночасно двох сигналів на екрані осцилографа

Потрібно налаштувати звукову карту комп’ютера на вхід «Stereo Mix» та повзунком налаштувати оптимальну чутливість входу так, щоб сигнал на екрані осцилографа не був спотвореним. Повзунками генератора налаштувати амплітуди коливань лівого і правого каналів. Один канал може генерувати синусоїдальні коливання, а інший – прямокутні.

Тоді на екрані осцилографа можна побачити два графіки коливань.

5.Дослідження роботи діода в колі змінного струму.

Для того, щоб дослідити форму коливань, які отримуються після проходження змінного струму через напівпровідниковий діод, потрібно між лінійним виходом звукової карти і лінійним входом звукової карти ввімкнути діод за допомогою провідників та  штекерів від несправних навушників. Тоді на екрані осцилографа можна буде бачити результат дії напівпровідникового діода.

6. Інші дослідження з використанням комплексу.

Для дослідження резонансу потрібно між лінійним виходом звукової карти і лінійним входом звукової карти ввімкнути послідовно первинну обмотку шкільного лабораторного трансформатора,  обмотка якого розрахована на напругу 42В, і конденсатор ємністю 2мкФ.  Поступово збільшуючи частоту генератора можна в якийсь певний момент на екрані осцилографа побачити зростання, а потім і спадання амплітуди коливань. Вимірявши частоту коливань з найбільшою амплітудою можна встановити власну частоту коливального контуру. За формулою Томпсона, знаючи ємність конденсатора і резонансну частоту контура, можна обчислити індуктивність котушки трансформатора.

Подавши на мікрофонний вхід звукової карти комп’ютера сигнал з мікрофона, можна побачити графік звукових коливань людського голосу, чи, наприклад, графік коливань від  камертона.

Змінюючи в широких межах частоту вхідного сигналу можна утворити частотну характеристику звукової карти, тобто нарисувати графік залежності напруги на виході звукової карти від частоти вхідного сигналу. Під час цих досліджень чітко видно, що при частотах від 8-9 кГц і вище амплітуда вихідного сигналу спадає.

Для демонстрації чутливості людського вуха до різних частот звукових коливань можна відтворити звуки у голосному режимі через зовнішній підсилювач з гучномовцем.

 При наявності у фізичному кабінеті школи реального генератора звукової частоти можна з виходу цього генератора подати сигнал безпосередньо на лінійний вхід звукової карти комп’ютера при ввімкненому віртуальному осцилографі.

І, навпаки, маючи реальний осцилограф, можна з лінійного виходу звукової карти комп’ютера (при ввімкненому віртуальному генераторі) подати сигнал на вхід цього  осцилографа.

Цей комплекс жодним чином не може витіснити «живі» вимірювальні прилади з навчального процесу.

Звичайно, тільки вищеописаними демонстраціями і дослідженнями можливості віртуального комплексу не обмежуються. Бажано, щоб  схожі віртуальні комплекси входили у зміст ліцензійного навчального програмного забезпечення «Фізика 7-11».

До статті додається диск з програмами «Marchand Function Generator» та «Oscilloscope 2.30».

http://pmklinich.blogspot.com/