Rezonanční jevy na LC oscilátoru a závaží na pružině

Podobné dokumenty
Laboratorní úloha č. 4 - Kmity II

FYZIKA II. Petr Praus 9. Přednáška Elektromagnetická indukce (pokračování) Elektromagnetické kmity a střídavé proudy

Mechanické kmitání a vlnění

DUM označení: VY_32_INOVACE_... Jméno autora výukového materiálu: Ing. Jitka Machková Škola: Základní škola a mateřská škola Josefa Kubálka Všenory

MECHANICKÉ KMITÁNÍ. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - 3.A

Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/

Elektromechanický oscilátor

I. část - úvod. Iva Petríková

9.7. Vybrané aplikace

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Pavel Ševeček stud. skup.: F/F1X/11 dne:

Necht na hmotný bod působí pouze pružinová síla F 1 = ky, k > 0. Podle druhého Newtonova zákona je pohyb bodu popsán diferenciální rovnicí

Příklady kmitavých pohybů. Mechanické kmitání (oscilace)

Mechanické kmitání (oscilace)

Obsah. Kmitavý pohyb. 2 Kinematika kmitavého pohybu 2. 4 Dynamika kmitavého pohybu 7. 5 Přeměny energie v mechanickém oscilátoru 9

Fyzikální praktikum 1

Měření pilového a sinusového průběhu pomocí digitálního osciloskopu

13 Měření na sériovém rezonančním obvodu

MECHANICKÉ KMITÁNÍ POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

(test version, not revised) 9. prosince 2009

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 10: Lineární harmonický oscilátor. Pohlovo torzní kyvadlo. Abstrakt

Elektromagnetický oscilátor

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze. Úloha č. 10 : Harmonické oscilace, Pohlovo torzní kyvadlo

pracovní list studenta Kmitání Studium kmitavého pohybu a určení setrvačné hmotnosti tělesa

GE - Vyšší kvalita výuky CZ.1.07/1.5.00/

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

BIOMECHANIKA KINEMATIKA

ELEKTROMAGNETICKÉ KMITÁNÍ A VLNĚNÍ POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

Digitální učební materiál

GE - Vyšší kvalita výuky CZ.1.07/1.5.00/

KMITÁNÍ PRUŽINY. Pomůcky: Postup: Jaroslav Reichl, LabQuest, sonda siloměr, těleso kmitající na pružině

Graf závislosti dráhy s na počtu kyvů n 2 pro h = 0,2 m. Graf závislosti dráhy s na počtu kyvů n 2 pro h = 0,3 m

GE - Vyšší kvalita výuky CZ.1.07/1.5.00/

Srovnání charakteristik tónového generátoru a zvukové karty PC

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

SERIOVÉ A PARALELNÍ ZAPOJENÍ PRUŽIN

Harmonické oscilátory

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ PRŮVODCE GB01-P04 MECHANICKÉ KMITÁNÍ

Mechanické kmitání - určení tíhového zrychlení kyvadlem

Mechanické kmitání Kinematika mechanického kmitání Vojtěch Beneš

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

Fyzika 6. ročník. přesahy, vazby, mezipředmětové vztahy průřezová témata. témata / učivo. očekávané výstupy RVP. očekávané výstupy ŠVP

Mechanické kmitání a vlnění, Pohlovo kyvadlo

B. MECHANICKÉ KMITÁNÍ A VLNĚNÍ

Měření tíhového zrychlení matematickým a reverzním kyvadlem

Fyzikální praktikum I

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

1. Změřte závislost indukčnosti cívky na procházejícím proudu pro tyto případy:

Systém vykonávající tlumené kmity lze popsat obyčejnou lineární diferenciální rovnice 2. řadu s nulovou pravou stranou:

Laboratorní úloha č. 3 - Kmity I

PŘECHODOVÝ JEV V RC OBVODU

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

rezonančního obvodu 6. března 2010 Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/ Vlnění

pracovní list studenta

Skládání kmitů

Laboratorní úloha č. 2 Vzájemná induktivní vazba dvou kruhových vzduchových cívek - Faradayův indukční zákon. Max Šauer

Měření kapacity kondenzátoru a indukčnosti cívky. Ověření frekvenční závislosti kapacitance a induktance pomocí TG nebo SC

Téma: Dynamiky - Základní vztahy kmitání

ω=2π/t, ω=2πf (rad/s) y=y m sin ωt okamžitá výchylka vliv má počáteční fáze ϕ 0

Testovací příklady MEC2

Funkce komplexní proměnné a integrální transformace

Přechodné děje 2. řádu v časové oblasti

Pracovní list vzdáleně ovládaný experiment. Obr. 1: Matematické kyvadlo.

Teoretický úvod: [%] (1)

Derivace goniometrických funkcí

MĚŘENÍ Laboratorní cvičení z měření. Měření magnetických veličin, část 3-9-3

9 V1 SINE( ) Rser=1.tran 1

STŘÍDAVÝ PROUD POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

Název: Studium kmitů hudebních nástrojů, barva zvuku

3.5 Ověření frekvenční závislosti kapacitance a induktance

Derivace goniometrických. Jakub Michálek,

Laboratorní úloha č. 5 Faradayovy zákony, tíhové zrychlení

Digitální učební materiál

Rezonanční obvod jako zdroj volné energie

1.8. Mechanické vlnění

Digitální učební materiál

Téma: Dynamika - Úvod do stavební dynamiky

Nízkofrekvenční (do 1 MHz) Vysokofrekvenční (stovky MHz až jednotky GHz) Generátory cm vln (až desítky GHz)

2. Stanovte hodnoty aperiodizačních odporů pro dané kapacity (0,5; 1,0; 2,0; 5,0 µf). I v tomto případě stanovte velikost indukčnosti L.

NESTACIONÁRNÍ MAGNETICKÉ POLE. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Elektřina a magnetismus - 3. ročník

Zvyšování kvality výuky technických oborů

LC oscilátory s transformátorovou vazbou

Jméno a příjmení. Ročník. Měřeno dne. Marek Teuchner Příprava Opravy Učitel Hodnocení. 1 c p. = (ε r

Operační zesilovač, jeho vlastnosti a využití:

Datum měření: , skupina: 9. v pondělí 13:30, klasifikace: Abstrakt

pracovní list studenta RC obvody Měření kapacity kondenzátoru Vojtěch Beneš

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium Studijní program Fyzika obor Učitelství fyziky matematiky pro střední školy

Mikrovlny. K. Kopecká*, J. Vondráček**, T. Pokorný***, O. Skowronek****, O. Jelínek*****

VY_52_INOVACE_2NOV42. Autor: Mgr. Jakub Novák. Datum: Ročník: 8.

8.6 Dynamika kmitavého pohybu, pružinový oscilátor

PRAKTIKUM II. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. úloha č. 6. Název: Měření účiníku. dne: 16.

Mnohé problémy analýzy dynamických systémů vedou k řešení diferenciální rovnice (4.1)

1 Rozdělení mechaniky a její náplň

Obvod střídavého proudu s indukčností

Odpružená sedačka. Petr Školník, Michal Menkina. TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií

Název: Studium kmitů na pružině

c) vysvětlení jednotlivých veličin ve vztahu pro okamžitou výchylku, jejich jednotky

3. Změřte závislost proudu a výkonu na velikosti kapacity zařazené do sériového RLC obvodu.

5. Stanovení tíhového zrychlení reverzním kyvadlem a studium gravitačního pole

Impedanční děliče - příklady

Transkript:

Rezonanční jevy na LC oscilátoru a závaží na pružině M. Stejskal, K. Záhorová*, J. Řehák** Gymnázium Emila Holuba, Gymnázium J.K.Tyla*, SPŠ Hronov** Abstrakt Zkoumali jsme rezonanční frekvenci závaží na pružině a LC oscilátoru. Pomocí tuhosti pružiny a hmotnosti závaží jsme zjistili vlastní frekvenci mechanického oscilátoru a zjistili, že je shodná s rezonanční frekvencí. V další části projektu jsme pozorovali závislost frekvence na napětí v paralelním LC obvodu. Nakonec jsme do grafů zakreslili rezonanční křivky. Úvod Při kmitání oscilátoru platí druhý Newtonův pohybový zákon a zároveň, že F = k x, kde F je síla kterou potřebujeme na protažení pružiny o x metrů, k je tuhost pružiny a x délka protažení. Z toho plyne m a = k x a je první derivace rychlosti v závislosti na čase a zároveň druhá derivace polohy v závislosti na čase. Pojem derivace je náročná matematická operace, nicméně pokusíme se ji přiblížit. Známe-li dráhu a polohu tělesa jako funkci času x( t ) x( t) x x(t) můžeme snadno vypočítat průměrnou rychlost mezi dvěmi body jako v =. t t Průměrná rychlost nám ale neřekne nic konkrétního o tom, jakou okamžitou rychlostí se těleso pohybovalo v konkrétním okamžiku t t ;t. Abychom zjistili tuto okamžitou rychlost, je třeba aby interval t ;t byl nekonečně malý musíme tedy donekonečna přibližovat t k t. Potom se průměrná rychlost v, definovaná dle výše uvedeného vztahu bude přibližovat k rychlosti okamžité. Tomuto postupu se říká derivování. Provedeme-li operaci pro libovolný čas t, získáme novou funkci v v(t) tedy závislost rychlosti na čase. Obdobným způsobem získáme zrychlení jako funkci času a a(t). Operaci derivování značíme čarou za symbolem funkce a tedy v(t) = x (t) a dvě po sobě provedené derivace dvěmi čarami, tedy a(t) = v (t) = x (t). Vraťme se nyní k pohybové rovnici závaží na pružině. Dosadíme-li za zrychlení druhou k k derivaci polohy a provedeme elementární úpravy, dostaneme rovnici x + x =. Člen m m označujeme jako ω. Řešením této rovnice je taková funkce, která splňuje vztah pro libovolné t. Nejjednodušší tvar řešení je x ( t) = A sin( ω t + ϕ), kde konstantu A nazýváme amplituda, konstantu φ fáze a ω úhlová frekvence. Vzhledem k tomu, že funkce sin je periodická vrátí se závaží po nějakém čase do výchozí polohy (tento čas se nazývá perioda a lze jej vyjádřit jako π T = ) a děj se znovu opakuje. Rovnice ve tvaru x + ω x = se ve fyzice vyskytuje velice ω často, všechny děje jí popsané jsou periodické a příslušné fyzikální systémy se nazývají harmonické oscilátory.

Mechanický a LC oscilátor Nejprve jsme změřili průtah pružiny, na kterou jsme zavěšovali závaží o různé hmotnosti. Ze čtyř naměřených hodnot jsme vypočítali tuhost pružiny. V grafu je vidět závislost průtahu pružiny na síle (hmotnosti závaží) která působí na pružinu. y = 8,64x +,65 síla [N],8,6,4,,,4,6,8, průtah [m] Graf : Vztah mezi průtahem pružiny a sílou, které na ni působí je přímá úměrnost. Konstanta úměrnosti se nazývá tuhost a z proložení naměřených hodnot přímkou vyšlo k = 8,6 N. m -. Poté jsme pružinu vychýlili z rovnovážné polohy a nechali oscilátor kmitat, abychom zjistili vlastní frekvenci oscilátoru, kterou jsme ověřili výpočtem. Frekvence, které jsme změřili a které jsme vypočítali, se lišili o 3%. Naměřená tuhost pružiny: 8,6 N. m - Rezonanční frekvence vypočítaná:,87hz Rezonanční frekvence naměřená:,95hz Tabulka : naměřené i vypočítané hodnoty Když do oscilátoru přidáme tlumení, tak se strmost klesání amplitudy zvýší. Pokud použijeme tlumení musíme do rovnice F = k x přidat tlumící sílu F t poté vznikne rovnice F t + F = k x po úpravě dostaneme x + σ x + ω x =. σ označuje dekrement tlumení a z rovnice vyplývá, že σ je exponenciální. Obrázek : nízké tlumení Obrázek : vysoké tlumení Čím blíže magnety byly (čím větší bylo tlumení, způsobené vířivými proudy), tím rychleji se oscilátor přestal kmitat. Ověřili jsme, že amplituda se snižuje exponenciálně. Dekrement útlumu strmě roste při nižší vzdálenosti magnetů, jak je vidět z grafu.

Dekrement útlumu je EXCELem vypočítaná veličina. Zjistili jsme ji po zadání hodnot vrcholů αx amplitud do grafu a proložení exponenciální křivkou. Z funkce: y = e excel vypočítá dekrement který je označen α. Graf : při buzení Hz Dekrement útlumu.,8,6,4,,5,5 3 3,5 vzdálenost magnetů [cm] výchylka 36 35 34 33 3 3 3 9 8 y = 367,e -,337x 4 6 8 čas [s] Graf 3: závislost dekrementu útlumu na Graf 4: závislost výchylky na čase proložená vzdálenosti magnetů. exponenciálou dekrement zde je,337. Rezonance je jev, při kterém, dochází ke sčítání amplitud ze zdroje a vlastní amplitudy oscilátoru.při prvním kmitu dodá buzení určitou energii, ta oscilátoru zůstane a při dalších kmitech se přičítá další energie, proto při rezonanci dosahuje výchylka největší hodnoty. Oscilátor rezonuje, když jeho vlastní frekvence se rovná frekvenci buzení. Rezonanční křivka je graf, ve kterém je znázorněno při jaké frekvenci má výchylka nejvyšší amplitudu. Pro nucené kmitání musíme rovnici upravit takto x + ω x = A cos( ω t + ϕ). Pro zjištění rezonanční křivky jsme použili budič u kterého jsme mohli měnit frekvenci kmitů a tedy určovat závislost maximální velikosti výchylky na frekvenci buzení. Námi naměřená rezonanční křivka je na grafu.

35 3 5 výchylka 5 5,5,5,5 3 frekvence buzení [Hz] Graf 5: Závislost výchylky na frekvenci buzení, rezonanční frekvence je přibližně,95hz. Elektrické oscilátory jsou tvořeny převážně z LC členů, protože při změně indukčnosti cívky nebo kapacity kondenzátoru o desetinásobek se frekvence změní o 3,6 protože v Thomsonově vztahu f o = je L a C pod odmocninou a tudíž LC oscilátory jsou π LC docela stabilní a právě kvůli stabilitě se používají v přijímačích. LC oscilátor funguje na principu přelévání energie z cívky do kondenzátoru a opačně. V druhé části našeho měření jsme se zabývali paralelním LC článkem. Schéma zapojení: obvodu, který jsme měřili. Proměnný kondenzátor jsme nastavili na kapacitu nf a na osciloskopu jsme sledovali kdy je amplituda kmitů nejvyšší. Zkoušeli jsme rezonanci pro cívku se vzduchovým jádrem, poté jsme do ní vložily feromagnetický materiál a opět zjišťovali rezonanci. Víme, že platí vztah: f o = po úpravě dostaneme L = π LC f 4 π C Rezonanční frekvence Indukčnost cívky jádro 5,KHz,mH feromagnetické 78,6KHz 4,mH vzduchové Tabulka : zapojení podle schématu nahoře, C = nf

střídavé napětí [V] 8 6 4 5 5 frekvence [KHz] Graf 6: rezonanční křivka LC obvodu, C = nf, L =,mh feromagnetické jádro, rezonanční frekvence je 5KHz střídavé napětí [V] 8 6 4 5 5 fekvence [KHz] Graf 7: rezonanční křivka LC obvodu, C =nf, L = 4,mH vzduchové jádro, rezonanční frekvence 78,6KHz 3 Shrnutí Takže zjistili jsme, že v rezonanci mají stroje a přístroje největší amplitudu. Teoreticky je nekonečná ale vzhledem k tření a mechanickým rozměrům je omezená. Stroje v rezonanci jsou nejvíce namáhány a jejich životnost se značně snižuje. Poděkování Zvláštní poděkování patří našemu supervizorovi Ing. Vladimíru Pospíšilovi za ochotnou pomoc s úvodem. Reference: [] HALLIDAY D. RESNICK R. WALKER J.: FYZIKA ELEKTŘINA A MAGNETISMUS Nakladatelství VUTIUM a PROMETHEUS Praha, 997, 33. Kvalitativní rozbor kmitů, str. 86-86 [] FEYNMAN R. LEIGHTON R. SANDS M.: FEYNMANOVY PŘEDNÁŠKY Z FYZIKY s řešenými příklady FRAGMENT,, str. 86-3 [3] NEZNÁMÝ AUTOR.: Kmitání, http://cs.wikipedia.org/wiki/oscil%c3%ator#lc_oscil.c3.atory, [3. 5. 7]