Стробоскопический эффект

В этой задаче не требуется оценка погрешностей!

Не отключайте светодиод от присоединенных к нему проводов!

Начальные сведения

В данной задаче Вы будете изучать периодические (повторяющиеся во времени) процессы. Основной характеристикой таких процессов является период –минимальное время, через которое повторяется процесс. Также вводят обратную величину – частоту, которая равна количеству повторений процесса в единицу времени. Измеряют частоту в герцах (\(1~ Гц =\) 1 раз в секунду).

Одним из способов изучения механических периодических процессов является использование так называемого стробоскопического эффекта, который возникает при освещении процесса световыми вспышками определённой частоты.

В качестве периодического механического процесса в данной задаче будет выступать вращение вентилятора. Освещать его необходимо с помощью светодиода, подключенного к генератору электрического сигнала. Ваш генератор по умолчанию настроен на выдачу прямоугольных импульсов напряжения. Подключение светодиода к генератору приводит к свечению светодиода согласно Рис. 1.

Рис. 1. Включение и выключение светодиода при подключении его к генератору

Для регулировки частоты сигнала генератора (см. Рис. 2) необходимо пользоваться ручками «Frequency» (грубая регулировка) и «Fine» (точная регулировка). Также с помощью кнопок в меню «Range» можно изменять порядок частоты сигнала генератора (Гц, кГц...). Обращайте внимание на индикаторы «5» (см. Рис. 2)! Они отображают размерность показаний на дисплее.

Рис. 2. Генератор электрических сигналов

1. Ручки регулировки частоты

2. Кнопки выбора порядка частот

3. Ручка изменения амплитуды сигнала

4. Ручка изменения симметричности сигнала

5. Индикатор порядка

ВНИМАНИЕ! Ручки 3 и 4 нельзя трогать до 3-й части задачи. Ручка 4 должна быть в вытянутом положении!

Для проверки работоспособности генератора выберите порядок частот «1». Настройте частоту \(0.5~Гц\). Пронаблюдайте за свечением светодиода. Он должен загораться 1 раз в 2 секунды. Вентилятор в работе должен быть подключен к источнику питания. Установите ручки регулировки тока на источнике питания в крайнее положение по часовой стрелке (см. Рис 3). В дальнейшем изменение их положения в работе не требуется. Для регулировки частоты вращения вентилятора используйте ручки регулировки напряжения.

Часть A

A1. Выкрутите ручки регулировки напряжения на источнике до упора по часовой стрелке. Таким образом вы установите максимальное значение напряжения. Запишите его в работе.

A2. Установите частоту импульсов на генераторе \(f_{0}=67~Гц\). Пользуясь при необходимости ручкой тонкой настройки частоты (см. выше) добейтесь того, чтобы, смотря на вентилятор, Вы видели стационарную (не зависящую от времени, то есть неподвижную) картину. Зарисуйте её и укажите точное значение частоты генератора, на которой она наблюдается.

A3. Увеличьте частоту в 2 раза. Зарисуйте наблюдаемую стационарную картину.

A4. Повторите пункт A3 для частоты \(3 f_{0}\).

A5. Установите частоту на генераторе \(\dfrac{f_{0}}{2}\). Зарисуйте полученную картину. Чем она отличается от картины в пункте A1?

A6. Установите частоту равной \(\dfrac{3 f_{0}}{2}\). Зарисуйте наблюдаемую картину.

Рис. 3. Источник питания

1. Ручки регулировки напряжения

2. Ручки регулировки тока

• Coarse – грубая настройка

• Fine – точная настройка

Часть B

В этой части необходимо использовать ручки изменения напряжения питания вентилятора, не изменяя при этом положение ручек регулировки тока.

B1. Кратко опишите метод, позволяющий определить частоту вращения вентилятора при помощи стробоскопического эффекта, не ошибившись в целое или дробное число раз.

B2. Используя предложенный вами метод, снимите зависимость частоты вращения вентилятора от величины напряжения его питания.

B3. Постройте график этой зависимости.

Часть C

C1. Ручка «SYM» в вытянутом положении регулирует «скважность» импульсов, то есть долю периода, которую горит светодиод. Понятно, что скважность – число от 0 до 1 . Установите частоту \(0.5~Гц\) и посмотрите, как изменяется характер мигания светодиода при вращении этой ручки (не оценивается). Обратите внимание на то, что при изменении скважности изменяется и частота.

Вытягивание ручки «AMPL» позволяет «инвертировать» характер свечения, то есть ту часть периода, которую светодиод горел до вытягивания ручки он теперь не будет светить и наоборот (см. Рис. 4а,б).

Рис. 4а. Свечения светодиода до инвертирования

Рис. 4б. Свечения светодиода после инвертирования

C2. Пусть до инвертирования скважность сигнала была равна \(k\). Какой станет скважность \(k^{\prime}\) после инвертирования при неизменном положении ручки «SYM» (определение скважности см. в пункте C1)?

Установите частоту генератора равной \(f_{0}\) (см. часть A).

C3. Используя ручки «INV» и «SYM» добейтесь максимальной возможной и минимально возможной скважности. Оцените по получаемым изображениям вращающегося вентилятора численные значения этих скважностей.

C4. Оцените скважность при отсутствии инверсии и выкрученной до упора против часовой стрелки ручке «SYM».

Оборудование

1. Генератор электрических сигналов

2. Светодиод

3. Источник питания

4. Вентилятор с белой точкой на вращающейся поверхности

5. Линейка