Файл: ВсяМехЛАБраб2части.doc

Лабораторная работа № 1.5.

Измерение промежутков времени.

Цель работы: изучить методы измерения промежутков времени; экспериментально определить период вращения мотора стробоскопическим методом.

Приборы и принадлежности: метроном, секундомер, электромотор, шестисекторный диск с 2-хцветной окраской секторов, стробоскопическая лампа, ЛАТР.

Краткая характеристика методов.

Для измерения промежутка времени в зависимости от его величины применяются различные методы: механические, стробоскопические и электрические.

Механические методы применяются для измерения достаточно продолжительных промежутков времени. В них используются такие приборы, как часы, метроном и секундомер, обеспечивающие точность измерения времени до 0,5 – 0,1 с.

Метроном служит для отсчета равных промежутков времени небольшой величины. В его состав входит маятник А – подвижный груз Р на металлическом стержне, - который колеблется около горизонтальной оси (в вертикальной плоскости наблюдения) вокруг точки О (рис.). Причем продолжительность одного колебания можно менять, передвигая груз Р по стержню вверх или вниз. На скрытом в корпусе конце стержня закреплен противовес G. Встроенный пружинный механизм поддерживает колебания маятника и громко отбивает каждый его размах.

Секундомер применяется в лабораторной практике для измерения промежутков времени от нескольких секунд до нескольких минут. Он имеет 2 стрелки – минутную и секундную, – для каждой из которых есть свой циферблат. Один оборот секундной стрелки соответствует 1 минуте, а минутной – 10 мин.

Для завода секундомера и для его управления служит верхняя головка: при первом нажатии на нее стрелки приходят в движение, при втором - останавливаются. Таким образом, отсчет по циферблату дает промежуток времени между нажатиями головки, Точность обычно равна 0,2 с. Наконец, при третьем нажатии головки обе стрелки возвращаются к нулевому положению.

Стробоскопические методы применяются для измерения частоты периодических процессов. В основу этого метода положен стробоскопический эффект, возникающий в определенных условиях при освещении периодического движения отдельными короткими вспышками, следующими друг за другом через равные промежутки времени.

Разберем его на следующем примере. Пусть имеется капельница с подкрашенной водой. При падении капель с постоянной частотой на фоне экрана будет отмечаться глазом линейная траектория их падения. Будем освещать падение капель стробоскопом, частота вспышек которогоравна частоте падения капель:. Пусть первая вспышка осветила каплю в положении М. Через время, равное(период повторения), на место первой капли придет вторая, а лампа снова осветит ее положение в той же точке М. Учтем такую физиологическую особенность зрения как длительность зрительного ощущения (например, при просмотре кинофильма частота смены кадров равна 24 кадра/секунду, и мы «не видим» их мерцания). В данном случае получим указанный эффект – капля будетказаться неподвижной, висящей в воздухе в точке М.

Но если частота вспышек равна , т.е. промежуток времени между вспышками больше в 2 раза. Тогда положение второй капли в точке М не будет освещаться, но осветится такое положение третьей капли, и далее 5-й, 7-й и т.д., (т.е. каждой второй). Но воспринимаемая зрительно картина на экране не изменится. Аналогично при частоте вспышек, равной, где - коэффициент кратности частот, некоторое натуральное число, - в этом состоит условие кратности частот.

Итак, если световые вспышки следуют через промежутки времени, точно совпадающие с периодом движения тела или кратные ему, то оно будет видеться нам всегда в одном и том же положении, т.е. будет казаться остановившимся.

Внимание! Из всех возможных частот световых вспышек частота при-наибольшая.  Правило: если нельзя найти большее, чем уже установленное (при котором уже имеет место стробоскопический эффект), кратное значение частоты вспышек, при которой также будет иметь место кажущаяся остановка исследуемого движения, то, где- частота механического периодического движения.

Если же период световых вспышек несколько отличается от периода движения тела, то оно будет казаться медленно движущимся с некоторой частотой, определяемой уравнением: , где- частота движения тела (в данной работе тело = черный сектор),- частота световых вспышек. Прикажущееся движение происходи в сторону истинного движения тела; принаблюдается кажущееся движение в обратную сторону (например, при просмотре фильма можно иногда заметить, что колеса машины движутся на определенной ее скорости в обратную сторону).

В данной работе при определении скорости вращения мотора надо учесть, что период вращения мотора (время одного полного оборота) в три (т.к. три черных сектора) раза меньше, чем промежуток времени между сменой черных секторов. Т.е. .

Электрические методы измерения времени используются в случае малых временных промежутков и реализованы в приборах: баллистический гальванометр (до 10^-3 с) и электронный осциллограф (до 10^-9 с). Такие быстрые процессы в механике макротел не встречаются, и мы на них останавливаться не будем.

Описание экспериментальной установки.

В состав установки входит электродвигатель, диск стробоскопический, автотрансформатор ЛАТР и стробоскоп.

Электродвигатель работает от переменного тока, и скорость его вращения зависит от величины подаваемого напряжения. ЛАТР и предназначен для плавного изменения (регулировки) скорости, а следовательно и частоты вращения якоря двигателя (диска на его оси) от 100 до 4500 об/мин. С этой целью к электродвигателю присоединены 2 шнура: один из них заканчивается штепсельной вилкой, а другой снабжен наконечниками для присоединения к реостату.

Если электродвигатель работает от автотрансформатора, то оба наконечника второго шнура должны быть соединены и заизолированы, а вилка первого шнура вставляется в штепсельные гнезда ЛАТРа.

Диапазон частот следования вспышек стробоскопической лампы разделен на 2 поддиапазона: 1-й подиапазон — 1040 Гц;

2-й поддиапазон — 40150 Гц.

Подключение стробоскопа: 1) Включить вилку стробоскопа в сеть.

2) Нажать кнопку нужного поддиапазона (10-40 Гц или 40-150 Гц). При этом стробоскоп начнет излучать световые импульсы определенной частоты.

3) Вращением ручки плавной регулировки частоты произвести изменение частоты в пределах выбранного поддиапазона.

Погрешность частоты вспышек на частоте 40 Гц в первом поддиапазоне и на частоте 150 Гц во втором поддиапазоне не хуже 3%.

Вопросы к допуску.

1. Что называется стробоскопическим эффектом? В чем причина его появления и каковы необходимые условия?

2. Что понимается под условием кратности частот? Частоты каких периодических процессов при этом сравниваются? Как практически по ходу данной работы можно найти значение коэффициента кратности частот ?

3. Пояснить принцип работы электродвигателя. От чего зависит частота (скорость) его вращения? Что понимают под скоростью, частотой и периодом вращения мотора?

4. Каковы правила работы со стробоскопом?

5. Что представляет собой стробоскопический диск? Какому требованию должны отвечать размеры его секторов? Какому условию отвечает форма сектора и как это связано с назначением диска?

6. Каков порядок действий по определению частоты вращения диска? Какие измерения должны быть при этом проведены?

7. Каково основное назначение прибора (электродвигателя и стробоскопа), общие правила его эксплуатации и работы с ним? Выписать в тетрадь величину погрешности определения частоты вспышек стробоскопа.

8. Значение какой величины определяется по шкале стробоскопа?? Как она обозначается в работе?