| Предыдущая версия справа и слева
Предыдущая версия
Следующая версия
|
Предыдущая версия
|
lab6:эксперимент63 [2021/07/16 13:40]
root [Как обрабатывать данные] |
lab6:эксперимент63 [2024/08/13 16:50] (текущий)
root |
| ===== Экспериментальная установка ===== | |
| |
| Экспериментальная установка состоит из набора вертикальных трубок длиной 70 см, сделанных из различных материалов. Цилиндрический магнит массой $M,$ равной нескольким граммам (при получении работы выясните у дежурного инженера, чему равна масса используемого вами магнита), намагничен вдоль оси. Для исследования явления магнитного торможения, магнит опускается по очереди в трубки из непроводящего материала (стекло) и проводящих материалов (металлы и сплавы). На внешнюю поверхность каждой из трубок намотаны $7$ катушек с периодом $10$ см. Каждая катушка состоит из $20$ витков и имеет длину $8$ мм. Все катушки включены последовательно. Напряжение, наведенное в катушках при падении магнита сквозь них, регистрируется с помощью [[tex:usb-акип|USB осциллографа АКИП-72205А]]. /* Характерный вид сигналов, получающихся на данной установке, приведен экране компьютера на рис. 6. */ {{ :lab6:636.png?direct&300 |}} | |
| |
| Медная трубка изготовлена из достаточно чистого материала, и при обработке результатов эксперимента можно использовать табличные данные о её проводимости. Проводимость меди равна $\sigma _{Cu}=5.3\cdot 10^{17} \ с^{-1}.$ Используя эти данные, можно определить неизвестный магнитный момент падающего «диполя» и далее, анализируя соответствующие осциллограммы, использовать полученное значение для определения проводимости сплошных трубок, изготовленных из сплавов (дюралюминиевая трубка и латунь), проводимости которых нам не известны. Характерные значения удельного сопротивления материалов приведены в Табл. 1. | |
| |
| **Таблица 1. Удельное сопротивление трубок** | |
| |
| ^ материал ^ Al ^ Ti ^ Cu ^ латунь ^ стекло ^ | |
| ^ $\rho , 10{}^{-6}$ Ом$\cdot$см | 2,68 | 55 | 1,67 | 4,3--21,2 | | |
| |
| Осциллограммы, полученные при падении магнита через трубки с разрезами, используются для проверки правильности выражения (63). Почти наверняка вы получите величину $Q,$ отличающуюся от теоретического значения. Это явится удобным поводом, чтобы подумать о том, какая не учтенная нами дополнительная составляющая действующей на магнит силы появляется в случае разрезанной трубки. Догадаться об этом можно «на слух». Бросьте магнит и послушайте звуки, сопровождающие его перемещение. | |
| |
| ===== Порядок выполнения работы ===== | ===== Порядок выполнения работы ===== |
| - Измерьте внутренний и внешний диаметры трубок и запишите их в таблицу, указав материал трубки. Если материал не указан или вам не известен, запишите номер трубки. | - Измерьте внутренний и внешний диаметры трубок и запишите их в таблицу, указав материал трубки. Если материал не указан или вам не известен, запишите номер трубки. |
| - Опустите магнит в трубку и оцените приблизительное время падения магнита для каждой трубки, что позволит вам правильно выбрать время регистрации сигнала. | - Опустите магнит в трубку и оцените приблизительное время падения магнита для каждой трубки, что позволит вам правильно выбрать время регистрации сигнала. |
| - Запустите [[tex:usb-акип|USB осциллограф АКИП-72205А]], подключенный к компьютеру через USB кабель, и его программное обеспечение PicoScope 6, нажав на иконку {{:lab6:ikonkapng.png?20|Иконка запуска PicoScope 6}} на верхней панели экрана. Вы увидите следующий интерфейс: {{ :lab6:p01.png?600 |Интерфейс PicoScope 6}}/*{{ :lab6:63_.png?direct&300 |}} Имейте в виду, что интерфейс программы русифицирован не лучшим образом, и, порой, смысл надписей не воспринимается без умственных усилий. В данном приложении мы расшифруем значения наиболее важных кнопок. */ | - Запустите [[tex:usb-акип|USB осциллограф АКИП-72205А]], подключенный к компьютеру через USB кабель, и его программное обеспечение PicoScope 6, нажав на иконку {{:lab6:63ikonkapng.png?20|Иконка запуска PicoScope 7}} на верхней панели экрана. Вы увидите следующий интерфейс: {{ :lab6:63-01.png?600 |Интерфейс PicoSco 7}} |
| - На вход канала 1 осциллографа подаётся сигнал с измерительных катушек, усиленный с помощью трансформатора. Для корректной регистрации сигнала вам нужно выбрать режимы запуска, установить длительность и амплитуду записи рабочего канала и провести измерения. | - На вход канала 1 осциллографа подаётся сигнал с измерительных катушек, усиленный с помощью трансформатора. Для корректной регистрации сигнала вам нужно выбрать режимы запуска, установить длительность и амплитуду записи рабочего канала и провести измерения. |
| /* - Сначала нужно выбрать режим работы с открытым (DC) или закрытым (AC) входом. В случае быстрых сигналов можно использовать оба режима, тогда ка для медленных сигналов можно использовать только режим DC, поскольку в противном случае входная емкость и сопротивление осциллографа образуют дифференцирующую цепочку, искажающую сигнал. Не следует забывать, что в той или иной мере эта цепочка искажает и "быстрые" сигналы. | /* - Сначала нужно выбрать режим работы с открытым (DC) или закрытым (AC) входом. В случае быстрых сигналов можно использовать оба режима, тогда ка для медленных сигналов можно использовать только режим DC, поскольку в противном случае входная емкость и сопротивление осциллографа образуют дифференцирующую цепочку, искажающую сигнал. Не следует забывать, что в той или иной мере эта цепочка искажает и "быстрые" сигналы. |
| - */ Поскольку у нас одиночные сигналы, следует включить триггер запуска {{ :lab6:p02.png?400 |Триггер запуска}} выбрать режим запуска "однократный". {{ :lab6:p03.png?400 |Триггер запуска - однократный}} При этом чтобы осциллограф не срабатывал от случайных наводок, нужно выбрать порог срабатывания. Его можно выбирать при помощи мыши передвигая выделенную жёлтую точку {{ :lab6:p04.png?400 |Выбор уровня срабатывания}} | - */ Поскольку у нас одиночные сигналы, следует включить **триггер** запуска /* {{ :lab6:p02.png?400 |Триггер запуска}} */ выбрать режим запуска **один**. /* {{ :lab6:p03.png?400 |Триггер запуска - однократный}} */ При этом чтобы осциллограф не срабатывал от случайных наводок, нужно выбрать порог срабатывания. Его можно выбирать при помощи мыши передвигая выделенную жёлтую точку {{ :lab6:p04.png?400 |Выбор уровня срабатывания}} |
| - Далее осталось выбрать **Диапазон входного сигнала** {{ :lab6:p05.png?400 |Диапазон входного сигнала}} и **Время сбора данных** {{ :lab6:p06.png?400 |Время сбора данных}} конкретные значения подбирайте для каждой трубки самостоятельно, исходя из времени пролёта магнита. | - Далее осталось выбрать диапазон входного сигнала в **параметрах канала А** {{ :lab6:63-05.png?400 |Диапазон входного сигнала}} и время сбора данных {{ :lab6:63-06.png?400 |Время сбора данных}} конкретные значения подбирайте для каждой трубки самостоятельно, исходя из времени пролёта магнита. |
| - Каждый сигнал следует записать в файлы. Для удобства лучше каждый сигнал сохранять в двух видах --- в виде картинки, и в виде *.csv или *.txt файла. Последние позволяют строить графики и обрабатывать результаты в программе [[books:scidavis|SciDAVis]], Microsoft Excel или других программах обработки данных. | - Каждый сигнал следует записать в файлы. Для удобства лучше каждый сигнал сохранять в двух видах --- в виде картинки, и в виде *.csv или *.txt файла. Последние позволяют строить графики и обрабатывать результаты в программе [[books:scidavis|SciDAVis]], Microsoft Excel ([[иструкция_csv|инструкция]] открытия файла *.csv в Microsoft Excel) или других программах обработки данных. |
| | - Используя осциллограмму с установившеюся скоростью падения магнита в медной трубке вычислите для неё коэффициент трения $\beta =\frac{g}{v_{\infty }}.$ |
| ===== Как открыть файл CSV ===== | - При помощи уравнения $$ |
| | \beta =\frac{45\pi ^{2} }{64} \frac{\sigma m^{2} h}{Ma^{4} c^{2} } |
| Файл CSV представляет собой файл, содержащий текст, разделенный запятыми, но также может содержать текст, разделенным любым другим символом. CSV-файл может быть открыт несколькими программами, однако большинству пользователей CSV-файл удобнее всего просматривать через электронную таблицу, такую как Microsoft Excel, Open Office Calc или Google Docs. | $$ и используя табличное значение проводимости для меди, вычислите дипольный момент постоянного магнита. |
| | - Используя значение магнитного момента $m$ (или как--то иначе), определите из осциллограмм, полученных для остальных трубок, проводимость соответствующих материалов. При вычислениях используйте выражение $\beta =\frac{g}{v_{\infty }}$ или, если скорость движения не установилась (например, для стеклянной трубки), выражение $$ z_{m} \left(t\right)=\frac{gt}{\beta } -\frac{g-\beta v_{1} }{\beta ^{2} } \left[1-\exp \left(-\beta t\right)\right].$$ /* Сравните полученные значения с табличными данными, если сплав вам известен. |
| Если на компьютере установлен **Microsoft Excel**, файлы CSV по умолчанию автоматически открываются в **Excel**, если дважды щелкнуть по значку файла. Если при открытии файла CSV вы получаете приглашение «Открыть с помощью», выберите **Microsoft Excel** из доступных программ, чтобы открыть файл. Кроме того, вы можете открыть **Microsoft Excel** и в строке меню выбрать **Файл**, **Открыть** и выбрать файл ** *.CSV**. Если после открытия CSV--файла текст находится в одном столбце (вместо того, чтобы разделяться каждой запятой на отдельные столбцы), то сначала запустите **Microsoft Excel** и импортируйте файл, используя **мастер импорта текста**. Во вкладке **данные** нажмите **получение внешних данных** и в выпадающем окошке выберите **из текста**. В открывшемся окне проводника импортируйте нужный **файл с расширением CSV**. В открывшемся после этого окне выберите **с разделителями**: | - В качестве дополнительного упражнения (по особому заданию преподавателя или в качестве курсовой работы), можно обработать осциллограммы и вычислить магнитный момент диполя, используя выражение (58). Подбирая значения величин $v_{1} $ и $\beta $ в выражениях (14) и (16), описывающих функцию $U(t)$, добейтесь наилучшего соответствия ее периода с периодом экспериментальной зависимости $U(t)$. Затем, меняя значение $m$, добейтесь наилучшего соответствия функций по амплитуде. Сравните полученное значение $m$ со значением, полученным в предыдущем задании. */ |
| {{ :lab6:63_3.png?direct&400 |}} | - Сравните полученные проводимости с табличными значениями. |
| На следующем экране выберите параметр **запятая** вместо **табуляция**, а на третьем --- выберете //Формат данных столбца// **общий**: | - Постройте осциллограммы при падении магнита через трубку с разрезом. Используя вычислите значение $Q$ (посмотрите в [[lab6:теория_63#труба_с_продольным_разрезом|теории]] что это за параметр). Сравните со значением рассчитанным по выражению (20): |
| {{ :lab6:63_4.png?direct&400 |}} | $$ |
| и поместите данные в выбранный вами лист. В случае если в установках компьютера в качестве разделителя целой и дробной части использована запятая, а не точка, данные не будут читаться корректно. В этом случае нужно нажать в этом окне на кнопку **подробнее** и поставить точку в качестве разделителя. В результате вы получите таблицу, содержащую информацию об установках осциллографа и записанные данные (время и амплитуду сигнала), которая может выглядеть, например, так: | Q\left(\pi -\frac{\Delta \alpha }{2}\right)\approx 0,77-0,16\Delta \alpha |
| {{ :lab6:63_5.png?direct&400 |}} | . |
| \noindent Далее, используя **Excel**, вы можете построить графики и обработать данные. | $$ |
| | Почти наверняка вы получите величину $Q,$ отличающуюся от теоретического значения. Это явится удобным поводом, чтобы подумать о том, какая не учтенная нами дополнительная составляющая действующей на магнит силы появляется в случае разрезанной трубки. Догадаться об этом можно «на слух». Бросьте магнит и послушайте звуки, сопровождающие его перемещение |
| ===== Как обрабатывать данные ===== | |
| | |
| - Используя осциллограммы с установившейся скоростью падения магнита (сплошная медная трубка), вычислите коэффициент трения Cu $\beta =\frac{g}{v_{\infty }}.$ Подставляя в уравнение (53) вычисленное значение коэффициента трения Cu $\beta $ и табличное значение проводимости для меди, вычислите дипольный момент постоянного магнита. | |
| - Используя значение магнитного момента m , определите из осциллограмм, полученных для трубок из сплавов, проводимость материала трубок. При вычислениях используйте выражение (56) или, если скорость движения не установилась (стеклянная трубка), выражение (55). Сравните полученные значения с табличными данными, если сплав вам известен. | |
| - В качестве дополнительного упражнения (по особому заданию преподавателя или в качестве курсовой работы), можно обработать осциллограммы и вычислить магнитный момент диполя, используя выражение (58). Подбирая значения величин $v_{1} $ и $\beta $ в выражениях (14) и (16), описывающих функцию $U(t)$, добейтесь наилучшего соответствия ее периода с периодом экспериментальной зависимости $U(t)$. Затем, меняя значение $m$, добейтесь наилучшего соответствия функций по амплитуде. Сравните полученное значение $m$ со значением, полученным в предыдущем задании. | |
| - Вычислите проводимость для остальных трубок и сравните её с табличными значениями. | |
| |
| |
| |
| |
| Назад к [[:lab6:контрольные_вопросы63|контрольным вопросам]] или далее к [[lab6:lab6|описанию]] лабораторных работ "Проникновение электромагнитного поля в вещество" | Назад к [[:lab6:контрольные_вопросы63|допуску к эксперименту]] или далее к [[lab6:lab6|описанию]] лабораторных работ "Проникновение электромагнитного поля в вещество" |
| |
| |