ازمایشگاه فیزیک2(کارشناسی کامپیوتر)

[comet]

موضوع ازمایش: اشنایی با اسیلوسکوپ و کاربرد ان
هدف ازمایش: مشاهده و رسم شکل موج یک منبع تولید موج یک منبع تولید موج , اشکال لیساژو و تعیین فرکانس مجهول منبع.
وسایل مورد نیاز:اسیلوسکوپ, منبع تولید موج, کابل BNC ,سیم های رابط, ادابتور.
تئوری ازمایش: اسیلوسکوپ اشعه کاتدی که ان را گاه اسکوپ نیز می نامند را شاید بتوان مفید ترین و جامع ترین وسیله برای انالیز مدارهای الکتریکی و اندازه گیری کمیت های متغیر به حساب اورد.
بطور کلی اسیلوسکوپ ها قادر ند توابعی به صورت Y=F(X) را به معرض نمایش گذارند که از این طریق می توان فرکانس ولتاژ و اختلاف فاز در یک مدار را اندازه گرفت.
اسیلوسکوپ از یک لامپ اشعه کاتدی تشکیل شده است و در این لامپ یک تفنگ الکترونی یک شعاع باریک و کانونی شده از الکترون ها با نور مرئی تابش کرده و می فرستد و این باریکه الکترون در مسیر خود از بین صفحات انحراف عمودی و یک جفت صفحات انحراف افقی عبور می کند.
وقتی ولتاژ اعمال شده به صفحات صفر باشد شعاع الکترونی یک نقطه نورانی روشن در وسط صفحه فلوئورسان ایجاد می نماید موقعیت این نقطه در اثر اعمال ولتاژتغییر می کند.
فرض کنید یک موج سینوسی به صفحات انحراف قائم وصل شود.نقطه نورانی متناوبا روی یک خط قائم بالا و پایین می رود حال اگر یک موج دندانه اره ای هم زمان با این موج به صفحات انحراف افقی وصل شود نقطه نورانی دقیقا شکل سینوسی را می دهد.

توضیحات: منظور از ~ همان عدد پی است.
حال فرض کنید دو موج سینوسی (x=asin(w1t و y=bsin(w2t+~/2) را به ترتیب به صفحات افقی و قائم یک اسکوپ وصل کرده و اسکوپ را در حالت x_y قرار داده ایم حال موج برایند را روی تصویر خواهیم داشت.اگر فرکانس یکی از موج ها مضرب صحیحی از فرکانس دیگری باشد شکل بسته ای ایجاد می شود .اگر فرکانس ها با هم برابر باشند یعنی w1=w2 شکل حاصل بیضی خواهد شد.این اشکال را لیساژو می نامند و از روی ان می توان فرکانس مجهول را محاسبه کرد.

بدست اوردن ولتاژ یک منبع متناوب با استفاده از اسیلوسکوپ
اسیلوسکوپ اشعه کاندی ابزاری است که نمایشی ترسیمی از ولتاژلحظه ای بر حسب زمان تولید می کند به طوری که ولتاژ e با جا به جایی قایم و زمانی که طی شده با جابجایی افقی ودامنه قله به قله با ولتاژ را می توان مستقیما از درجات اسیلوسکوپ تعیین کرد.حاصل ضرب تعداد درجات اصلی قائم در وضعیت کنترل ولت بر قسمت دامنه موج را بر ولت به دست می دهد.

(جا بجایی قائم بر حسب درجه)* (وضعیت کنترل درجه / ولت)=e
F=1/t(فرکانس)

بدست اوردن فرکانس یک موج با استفاده از اسیلوسکوپ
برای بدست اوردن فرکانس یک موج کافی است زمان تناوب موج را بدست اورده و ان را معکوس کنیم.طریقه بدست اوردن زمان تناوب همانند بدست اوردن ولتاژاست یعنی تعداد درجات یک تناوب روی محور افقی ضربدر رنج کلید زمان بر قسمت زمان تناوب موج را بدست می دهد.
روش ازمایش:اسیلوسکوپ را روشن می کنیم ان را در حالت x_y قرار می دهیم و به کمک پیچ های تغییر مکان عمودی و افقی نقطه نورانی را به وسط صفحه می اوریم به وسیله پیچ های کانونی و شدت نور ابعاد ان را به حداقل و روشنایی ان را تنظیم می کنیم.حال اسیلئسکوپ را از حالت x_y خارج می کنیم تا خطی در صفحه ظاهر شود.حال اسیلوسکوپ اماده است.

1) خروجی یک مولد موج سینوسی را به ورودی اسکوپ (کانالx) وصل کرده و شکل موج رابا مشخصات کامل روی کاغذ میلیمتری رسم می کنیم و از روی شکل موج ولتاژ, دوره تناوب و فرکانس منبع موج را به دست می اوریم.فرکانس به دست امده را با فرکانس منبع مقایسه می کنیم.
2) موج های مربعی و دندانه اره ای را به اسکوپ داده و شکل موج ها را با مشخصات کامل روی کاغذ میلی متری رسم می کنیم.
3) حال یک منبع موج سینوسی معلوم را به کانال x و یک منبع موج سینوسی مجهول را به کانال y وصل می کنیم.اسکوپ را به حالت x_y در می اوریم و با تغییر فرکانس منبع معلوم یک شکل لیساژو بدست می اوریم و با استفاده از رابطه Fy/Fx=Nx/Ny فرکانس منبع مجهول را محاسبه می کنیم.

[comet]

موضوع:مدار پل وتستون
هدف:تحقیق I(3)=I(4) در مدار پل وتستون و تحقیق قانون (R(2)L(2)=R(x)L(1 در مدار پل تار
تئوری ازمایش:
برای مرحله اول این ازمایش , ابتدا باید مدار پل وتستونی مطابق شکل زیر تشکیل شده از 4 مقاومت که به شکل یک لوزی به هم متصل اند و به دو سر یک قطر این لوزی باطری و به دو سر قطر دیگر ان گالوانومتر برای تشخیص وجود یا عدم وجود جریان متصل است, می بندید. مقاومت ها باید طوری بسته شوند تا از شاخه گالوانومتر جریان نگذرد.در این حالت اصطلاحا مدار پل را در حالت تعادل گویند. I(G)=0
بعد از بستن مدار پل ابتدا باید تحقیق کنید که مقائمت رئوستا چقدر است و طبق روابط زیر داریم:
(توضیحات:اعداد و حروف داخل پرانتز اندیس می باشند.
منظور از (G) گالوانومتر است.)
I(G)=0  V(C)=V(D)  V(AC)=V(AD) R(1)I(1)=R(2)I(2) رابطه( 1)
V(BC)=V(BD)  R(3)I(3)=R(4)I(4) رابطه(2)
از تقسیم رابطه (1) بر (2) داریم:

R(1)/R(3)=R(2)/R(4)  R(1)R(4)=R(2)R(3) شرط تعادل مدار پل

سپس باید تحقیق کرد که ایا سه مقاومت انتخاب شده ما , در رابطه زیر صدق می کند یا خیر.
اگر صدق کند که با همان مقاومت ها مدار را می بندیم وگرنه باید چندین مرتبه مقاومت ها را جا به جا کرد تا سرانجام درست شود.
R(1)R(4)/R(2)<R(3)  330.2*991/3262=100.31<143.1
رابطه درست است.
حال, مدار را می بندیم و مقاومت متغیر را انقدر تغییر می دهیم تا جریان عبوری از گالوانومتر(G) صفر شود. در این وضعیت مدار در حالت تعادل است و باید درستی رابطه زیررا تحقیق کنیم;
R(1)R(4)=R(3)R(2)

R(1)=330.2
R(2)=3262
R(3)=100.31 رئوستا
R(4)=991

R(1)R(4)=(?)R(3)R(2)
330.2*991=100.31*330.2
که این رابطه با تقریب 17 درست است.
[flash width=300 height=200:ed7a3b56d5]http://www.daneshju.ir/forum/files/untitled_1_946.swf[/flash:ed7a3b56d5]

[comet]

موضوع: به هم بستن مقاومتها به روش سری و موازی
هدف:به دست اوردن مقاومت معادل
وسایل مورد نیاز:چند مقاومت, سیم رابط, مولتی متر
در به هم بستم مقاومت ها به صورت متوالی به گونه ای است که جریان یکسان I از تمام ان ها می گذرد بنا به قانون اهم افت پتانسیل در هر یک از مقاومت ها برابر است با
I=I(1)=I(2)=I(3)=……=I(n)
V(1)=R(1)I
V(2)=R(2)I
.
.
.
V(n)=R(n)I
در نتیجه اختلاف پتانسیل کل برابر می شود با
V=V(1)+V(2)+V(3)+…….+V(n)=(R(1)+R(2)+R(3)+…� ��+R(n))I

در عمل می توان به جای مجموعه مقاومت ها مقاومت R را مطابق رابطهV=RI قرار داد بنابر این داریم:
R=R(1)+R(2)+R(3)+……+R(n)

معادله فوق مقاومت معادل چند مقاومت را که به صورت متوالی بسته شده اند نشان می دهد.
و اتصال مقاومتها بصورت موازی
به گونه ای است که اختلاف پتانسیل (v) بین دو سر تمام مقاومتها یکی باشد. بنا به قانون اهم جریانی که از هر یک از مقاومت ها می گذرد برابر است با
I(1)=V/R(1)
I(2)=V/R(2)
.
.
.
I(n)=V/R(n)

جریان کل I که از مجموعه تمام مقاومت ها می گذرد برابر است با

I=I(1)+I(2)+I(3)+……+I(n)=(1/R(1)+1/R(2)+1/R(3)+………+1/R(n))V

در عمل مجموعه مقاومت ها را می توان معادل یک مقاومت R در نظر گرفت که در رابطه I=V/R صدق می کند.
در نتیجه:
1/R(1)+1/R(2)+1/R(3)+….+1/R(n)=1/R

که از رابطه فوق رابطه مقاومت معادل چند مقاومت که به طور موازی بسته شده اند به دست می اید.

شرح ازمایش:
ابتدا مقدار مقاومت ها را توسط مولتی متر بدست می اوریم.
به این صورت که یکی از سیم ها را به پورت(COM) و دیگری را به پورت (V) و سرهای دیگر این دو سیم را به دو طرف مقاومت ها متصل کرده و تنظیمات مولتی متر را بر روی ان قرار می دهیم و مقدار تک تک مقاومت ها به دست می اید.
(مثال)
R(1)=4.3
R(2)=3.7
R(3)=3.6
R(4)=4.1
R(5)=17

بستن مقاومت ها به صورت سریبدین طریق است که توسط یک سیم رابط در مقاومت را به هم متصل کرده سپس توسط مولتی مترکه یک سیم ان در قسمت (COM) و دیگری در قسمت(V) و تنظیمات ان بر روی اهم قرار دارد دو سر دیگر این دو سیم را به دو سر مقاومت ها متصل کرده و مقاومت ثابت شده روی مولتی متر را یادداشت می کنیم.
تئوری
R=R(1)+R(2)=8
R=R(2)+R(3)=7.3
R=R(3)+R(4)=7.7
R=R(4)+4(5)=21.1

عملی
R=R(1)+R(2)=7.7
R=R(2)+R(3)=7.4
R=R(3)+R(4)=8.3
R=R(4)+R(5)=22

بستن مقاومت ها به صورت موازی به این صورت است که توسط چهار سیم و سه مقاومت را به صورت موازی به هم متصل می کنیم .
یک سر یکی از سیم ها را به مقاومت اول و یر یکی دیگر از سیم ها را به مقاومت دومو سر دیگرش را به مقاومت سوم و سر دیگر سیم اول را به سیم دوم که به مقاومت دوم متصل است وصل می کنیم برای طرف دیگر مقاومت ها هم به همین صورت عمل می کنیم, حال سیم های مولتی متر را یکی را به اولین مقاومت و دیگری را به اخرین مقاومت وصل کرده و تنظیمات ان را روی اهم قرار و مقدار ان را اندازه می گیریم.

1/R=1/R(1)+1/R(2)+1/R(3)=1.2=R تئوری
1/R=1/R(2)+1/R(3)+1/R(4)=1.28=R تئوری
1/R=1/R(3)+1/R(4)+1/R(5)=1.72=R تئوری
R=2.1 عملی
R=2.2عملی
R=2.8عملی

[comet]

موضوع ازمایش: شارژ و خازن ها
خازن یکی از المان های الکتریکی پر مصرف در مدار های الکتریکی و الکترونیکی است.و کاربرد های ان بصورت زیر می باشد:
1-توسط خازن می توان انواع میدان های الکتریکی (ثابت, شعاعی, ....) را بوجود اورد.

2-خازن انرژی الکتریکی را به مقدار زیاد و در حجم کم ذخیره می کند که در این صورت انرژی بصورت انرژی الکتریکی در میدان المکتریکی بین صفحات ان ذخیره می شود.

3-در دستگاه هایی مانند اسیلوسکوپ ها و سیکلوترونها که تعداد زیادی خازن در مدت زمان تقریبا زیادی شارژ می شوند.هنگام تخلیه انرژی انرژی ذخیره شده در خازن ها باعث شتاب دادن به الکترو نها می شود.

4-در تجهیزات فیزیک پلاسما نیز از انرژی ذخیره شده در خازن ها استفاده می شود.

5-با قرار دادن خازن ها در مدار می توان جریان های مستقیم DC و جریان های متناوب AC را از یکدیگر جدا نمود.

6- می توان اختلاف پتانسیل های ضربه ای و پالسسی را نیز توسط خازن ها انتقال داد.

7-در مولد های موج برای ایجاد فرکانس های مختلف می توان از خازن استفاده کرد.

8-از خازن می توان برای کند کردن سرعت انتشار اختلاف پتانسیلل و شدت جریان نیز استفاده کرد.

شارژ خازن ها
اگر دو صفحه خازن را به یک مولد ولتاژ مستقیم DC وصل کنیم افزایش الکترون ها در صفحه ای که به قطب منفی مولد متصل است بوجود می اید.این الکترونها توسط نیروی دافعه الکترون های صفحه دوم خازن را مورد تاثیر قرار داده و با دفع ان ها جریان در سیم بر قرار می شود بدین ترتیب صفحه دوم خازن بار مثبت پیدا می کند. و پس از فاصله زمانی کوتاه و بر قراری تعادل بین بار های منفی صفحه اول و بار های مثبت صفحه دوم عبور جریان متوقف می شود و خازن بصورت یک کلید باز در مدار عمل می کند.در این حالت اختلاف پتانسیل دو سر خازن برابر ختلاف پتانسیل دو سر مولد یا منبع تغذیه است و با قطع منبع تغذیه بارها روی صفحات خازن باقی مانده و انرژی مولد در میدان الکتریکی خازن ذخیره می شود در این حالت گفته می شود که خازن پر یا شارژ شود.
در مدار شکل زیر اگر اختلاف پتانسیل دو سر خازن را V , اختلاف پتانسیل دو سر منبع تغذیه V0 , ولتاژ دو سر مقاومت را V(R) و مقدار مقاومت را R بنامیم و روابط زیر را خواهیم داشت.
شکل (1)

که باید کلید K در مدار جریان برقرار شده و این جریان تا وقتی که V برابر V0 گردد بر قرار است-V0+V(R) +V=0 (1)
V(R) =V0-V (2)
I=V0-V/R (3)
I=dq/dt=d(cv)/dt=Cdv/dt (4) )
Cdv/dt=V0-V/R => -dv/V0-V = -dt/R.C <= (4)و (2)

که v0 مقدار ثابتی است و جواب این معادله دیفرانسیلی بصورت زیر خواهد بود.که در ان Ln a ثابت انتگرال گیری است
Ln(V0-V)=-T/RC+Ln a (Ln a=const) (6)
چون در لحظه t=0 باید اختلاف پتانسیل دو سر خازن برابر صفر باشد یعنی V=0 بنابراین مقدار A در رابطه( 6) برابر V0 بدست می اید و رابطه بصورت زیر بازنویسی می شود.
V=V0(1-e ^-t/rc)
این رابطه تغییرات اختلاف پتانسیل دو سر خازن را در موقع شارژ خازن بیان می کند که در ان T=RC ثابت زمانی مدار نامیده می شود که به زای T=t در منحنی شارژ خازن مقدار ولتاژV دو سر خازن به 0.63V0 می رسد که در این حالت اصطلاحا گفته می شود خازن شارژ شده است.
با به دست اوردن مقدار T از روی نمودارv-t و اندازه گیری مقاومت R توسط اهم متر و با استفاده از رابطه T=RC می توان مقدار ظرفیت خازن را بدست اورد.
در رابطه شارژ خازن ها یعنی V=V0(1-e ^ -t/rc) داریم: (بار روی خازن q=0)
t=0 => v=0
t=>1/0  v=v0

شکل 2

در حالی که کلید k1 باز است منبع تغذیه را روی 6 ولت تنظیم کنید توجه داشته باشید که ولتاژ منبع تغذیه باید از حداکثر ولتاژ مجاز خازن که روی ان نوشته شده است کمتر باشد.در این حالت کلید k2 نیز باز باشد.
کرنومتر و ولت متر را اماده کنید.
کلید k1 را ببندید و بلافاصله کرنومتر را روشن کنید هر ده ثانیه یکبار دو سر خازن v)) را بخوانید و تغییرات v را در جدولی ثبت کنید.
اندازه گیری ولتاژ را تا زمانی ادامه دهید که ولتاژ دو سر خازن v برابر ولتاژ دو سر منبع تغذیه V0 گردد.
به کمک جدول منحنی تغییرات ولتاژ V بر حسب زمان t را رسم کنید.V=V0(1-e^-t/rc) سپس روی منحنی مدت زمانی را که ولتاژ دو سر خازن به 0.63v0 (0.63 را در ولتاژ دو سر منبع تغذیه ضرب کنید.)رسیده است روی منحنی محور افقیt T)) را مشخص کنید , این مقدار برابر ثابت زمانی مدار T)) است با استفاده از رابطه T=RC و با استفاده از اندازه گیری مقاومت R توسط اهم متر ظرفیت خازن C)) را محاسبه نمایید.