Комплектация оборудования на столе

Перед началом работы

1. Подключить осциллографы и генераторы к сети. Могут понадобиться удлинители.

Не обнаружено.

Самостоятельная уборка школьников

1. Отключить все приборы, отключить от них все провода.
2. Убрать на место коробочки с соединительными проводами (если этого не делает преподаватель).

Ничего не требуется.

После окончания работы

1. Осциллографы отключить от сети и убрать в ящик для них.
2. На каналы генераторов надеть колпачки.
3. Генераторы отключить от сети и убрать в ящик для них.
4. Провода питания стянуть стяжками и убрать в ящик для них.
5. Провода BNC-BNC свернуть кругом по одному, стянуть стяжками и убрать в коробку для них.
6. Макетную плату, RLC-контур, гнёзда BNC убрать в соответствующие коробки.
7. Резистор 100 Ом убрать на место.

Перед началом работы

1. Указать, что вся «земля» должна быть в одной точке, иначе будут некорректные измерения.
   На этом нужно особенно акцентировать внимание школьников!
2. Показать, как обозначена «земля» на гнезде BNC (см. рисунок ниже).
3. Провести краткое (около 5 минут) введение к работе с генератором (см. ниже).

Работа с генератором

Так как школьники впервые сталкиваются с генератором в этом эксперименте, нужно объяснить основные принципы работы с ним.

Включение — кнопка снизу слева.

Блоки (см. картинку ниже):

1. Блок 1: выбор режима работы. Нужный режим работы — немодулированный сигнал (кнопка «Немодул сигнал»). 
2. Блок 2:
   - «Кан A/Кан B» — выбор настраиваемого канала;
   - «Форма» — выбор формы сигнала (синус/прямоугольный/треугольный…);
   - «Утилиты» — системные настройки;
   - «Выход» — подача сигнала на выбранный канал. При нажатии на кнопку над выбранным выходом загорается световой индикатор.
   Если не нажать на кнопку «Выход», генератор не будет подавать никакой сигнал!
3. Клавиатура.
4. Ручка и стрелки для настроек.
5. Выбор параметра настройки. Если над кнопкой написано X/Y (X, Y — настраиваемые элементы), то повторное нажатие на кнопку приведёт к переключению между настройками X и Y.

Настройка канала:

• Выбрать нужный канал кнопкой «Кан A/Кан B»;
• Выбрать режим немодулированного сигнала;
• Настройка частоты:
  - кнопкой блока 5 выбрать «Частота»;
  - ввести нужное значение на клавиатуре 3, затем кнопками блока 5 выбрать нужные единицы измерения.
  либо
  - с помощью стрелок блока 4 выбрать регулируемый разряд, ручкой блока 4 изменить значение разряда.
• Настройка амплитуды переменного сигнала:
  - кнопкой блока 5 выбрать «Уровень»
  - ввести удвоенную амплитуду с помощью клавиатуры 3, затем кнопкой блока 5 выбрать «_пик» (на месте пропуска нужная единица измерения). Нажатие «_скз» обозначает выбор действующего напряжения, то есть удвоенная амплитуда реального будет в $\sqrt{2}$ раз больше.
  либо
  - аналогично частоте настроить амплитуду напряжения стрелками и ручкой.
• Настройка смещения (постоянной составляющей сигнала):
  - кнопкой блока 5 выбрать «Смещение»;
  - аналогично частоте и амплитуде задать величину смещения
• Альтернативная настройка напряжения (необязательно рассказывать, однако могут возникнуть вопросы, связанные с этим). Можно также задать амплитуду переменного сигнала и смещение, задав верхний ($U_{up}$) и нижний ($U_{down}$) уровни (соответствующие настройки выбираются кнопками блока 5). Тогда удвоенная амплитуда сигнала $U_{2}$ и смещение $U_{DC}$ будут следующими:
  $$U_{2} = U_{up}-U_{down}; \qquad U_{DC} = (U_{up} + U_{down})/2.$$
   

Во время работы

1. Школьникам может потребоваться помощь при работе с генератором и осциллографом. Например, часто школьники выставляют на генераторе неправильный режим работы (напомним, нужен немодулированный сигнал), не могут правильно настроить частоту и амплитуду. На осциллографе иногда не могут правильно настроить картинку. Так как данный эксперимент является одним из первых экспериментов по переменного току, нужно по максимуму помочь школьникам разобраться с оборудованием.
2. Частая проблема: школьники собирают верную схему с конденсатором, подают сигнал и видят, что входной сигнал и выходной совпадают. Это возникает из-за того, что они как правило изначально подают на схему напряжение малой частоты, в этом случае модуль импеданса конденсатора значительно больше чем сопротивление резистора, поэтому всё напряжение «падает» на нём. Так как школьники только начинают изучать переменный ток, для них это неочевидно. Предлагается дать в этом случае подсказку: например, спросить, какой импеданс у конденсатора, и что будет, если увеличить частоту подаваемого напряжения. Аналогичную подсказку можно дать и в случае с катушкой.
3. При необходимости можно указать, что в силу дискретности сигнала на экране цифрового осциллографа увеличение масштаба по вертикальной оси увеличивает точность измерения амплитуды.

После окончания работы

1. Показать, как лаконично и правильно рисовать схемы. Опыт данной работы показывает, что школьники рисуют схемы очень запутанно и непонятно. Основные правила:
   • Схема должна быть понятной с первого взгляда. Если человек тратит время на то, чтобы разобраться в схеме, значит схема плохая.
   • В схемах переменного тока обязательно должно присутствовать указание общей земли генератора и осциллографа.
   • Схема $\neq$ рисунок. На схеме необязательно сохранять ориентацию элементов в пространстве, масштаб и т. п. Должна быть изображена только рабочая электрическая цепь.
2. Сказать о разнице круговой частоты $\omega$ и частоты $f$ (показать связь $\omega = 2\pi f$). Указать на то, что частота генератора это $f$.
3. К пункту С1. Если нет возможности подавать постоянное напряжение, то как понять, что частота переменного достаточно мала, чтобы можно было пренебречь индуктивностью катушки? Возможные способы:
   • По отсутствию разности фаз между входным и выходным сигналом.
   • Поменять частоту, сохранив её порядок (например, $1 \ Гц \rightarrow 5 \ Гц$), и убедиться, что отношение напряжений сохраняется.
4. У школьников получается линеаризация вида:
   $$\left(\frac{U_0}{U_C}\right)^2 = 1 + 4 \pi^2 R_1^2 C_1^2 f^2$$
   Некоторые строят график зависимости $\left(\frac{U_0}{U_C}\right)^2 \left( 4 \pi^2 R_1^2 f^2\right)$, чтобы угловой коэффициент в точности равнялся $C_1^2$. Нужно указать, что на пересчитывание $f^2$ в $4 \pi^2 R_1^2 f^2$ тратится дополнительное время и место в таблице, и так делать не стоит.
5. Почему необходимо измерять напряжение на всём исследуемом участке цепи несмотря на показания генератора?
   • Показания генератора могут быть неточными.
   • Генератор неидеален, поэтому часть напряжение на исследуемом участке оказывается не равным выходному генератора.
6. В целом наблюдается, что многие люди не попадают в ворота из-за неточных измерений. Можно обратить внимание на то, что нужно уделять больше времени на более точные измерения с помощью осциллографа. Здесь же указать, что уменьшение масштаба осциллографа увеличивает точность измерений с помощью него.