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RC电路的瞬态和稳态过程

以指数衰减方式进行运动变化,不仅在交流电路中有,在静电学及放射性衰变、原子核裂变中同样出现。在核物理与放射性研究中,半衰期是放射元素的一个特性常数,它与外界条件、元素状态、元素质量无关。在考古学、医学、环境保护学中,放射性元素半衰期这个特性参数常被用到。而在RC电路与直流电源相接,当接通电源或断开电源的瞬间也将形成电路充电或放电的瞬态变化过程,瞬态变化快慢是由电路内各元件量值和特性决定的。因此,瞬态过程研究牵涉到物理学的许多领域。

RC电路可以用于改变输入正弦信号和输出正弦信号之间的相位差。例如,将若干个振幅成一定比例的正弦波合成一个方波或三角波,就需要这些正弦波的初相位相同,而这一点可以通过RC移相器达到。用相移电路移相和测量两正弦波电压之间的相位差,是电子线路设计中经常会用到的。

  1. 学会用示波器测量放电的半衰期。
  2. 研究RC电路的稳态特性和瞬态放电特性。
  3. 学会用不同的方法测量正弦波输出电压对输入电压的相移。

RC电路的瞬态过程

  • 详见参考教材(链接见下方)中的实验5-6。
  • (补充) 本实验有三种方法获得电路的时间常数。
  1. 用公式拟合。利用数字示波器的存储功能,导出电容充放电的数据,拟合得到时间常数。这种方法对于充放电充分和不充分的情况都适用。
  2. 半衰期法。从示波器上测量半衰期,除以ln2得到时间常数。该方法要求电容放电是充分的。书上P183的图5-30有误,若充放电的时间相同,电容器上的电压变化应该为下图所示。
  3. 测量信号发生器内阻r,用(R+r)C直接计算电路的时间常数。

RC电路的稳态过程

  • 用三种方法测量正弦波输出电压对输入电压的相移。详见参考教材(链接见下方)中的实验5-7
  1. 电路图如下(注意共地):
  2. 实验装置包括示波器、函数信号发生器、电容箱、电阻箱、同轴电缆线等。
  3. 请同学们自带u盘用以存储数据。:-):-):-)
    • 要求:8GB以下,FAT32格式。
  4. 同轴电缆的构造:
    • 铜芯对应红线,有信号
    • 金属屏蔽层对应黑线,为接地线
  5. 本实验所用固纬示波器的读数精度 (注:不同示波器精度不同)
    • 根据待测量的大小,选择合适的电压(或时间)挡位。例如,选择500μs档,则最小精度20μs,若此时的待测量仅为100μs,则所选时间挡位过大,使得测量误差可能较大。
    • 根据所选的测量挡位,记录待测量正确的有效数字。例如,选择500μs档,则最小精度20μs,如果示波器上显示待测量为100.0μs,则后两位均不是有效数字。

注意:实验内容与书上略有不同,请以本处为准。使用到示波器进行测量的,要求记录所用的时间挡位和电压挡位。

注意:标有[数据处理]的部分为课后完成,请仔细阅读页面下方“数据处理的要求”。

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研究RC电路的稳态过程

参考示波器操作第2条 光标测量和第3条 倍率问题。

  1. 信号源频率为正弦,观察RC串联电路中Uc随输入正弦信号频率f的变化情况。
    • [要求] 定性描述Uc的大小变化。在频率较小时,Uc的相位如何改变?
  2. 选择一组RC值,进行测量(测量过程中RC值保持不变)。
    1. 测量U_{C}=1/2 U_{i}时的信号频率f
      • [注意] f应该保留几个有效数字?
    2. 用双踪法显示U_{i}U_{c}的波形,测量相位差φ
      • [注意] 此时调节频率f使相位差小于45°。选择合适的时间挡位测量\Delta l的值,不需要和测量l使用相同挡位。如何判断你的测量精度和有效数字?

研究RC电路的瞬态过程

  1. 观察方波信号下RC电路的充放电过程(要求:每组选择3个特征波形,简要绘出波形。)
    1. 固定RC不变,改变f,观察电容C上的波形改变。
    2. 固定Rf不变,改变C,观察电容C上的波形改变。
    3. 固定Cf不变,改变R,观察电容C上的波形改变。
  2. 选择一组RC值,进行以下测量(测量过程中RC值保持不变)。
    1. 对充放电充分和充放电不充分的波形:存储数据,回家后用指数拟合得到时间常数。参考示波器操作第1条 数据存储。
    2. 对充分充放电的情况,用示波器测量RC电路的半衰期T_{1/2}
      • [注意] 测量时要求示波器上的待测区间至少大于:1大格(为什么?)。
    3. 用半偏法测量信号发生器的内阻r
      • [注意] 半偏法电路需要重新连接,画出电路图。
      • [注意] 测量完内阻r后,应继续调节电阻箱,直到示波器上的电压发生变化。由此估算内阻调节不确定度的大小。

研究RC电路的稳态过程

  1. 现象分析:U_c为什么改变?
  2. U_{C}=1/2 U_{i}时,用你测量的频率计算此时的相位差,并与理论值比较。
  3. 双踪法测量的相位差是多少,理论值是多少?此时理论值应该用RC还是(R+r)C?为什么?

研究RC电路的瞬态过程

  1. 现象分析:为什么会出现三种波形的差别?
  2. 标称值:计算时间常数(R+r)C和不确定度。
    1. 电阻箱不确定度限值(引自《基础物理实验补充讲义》):
    2. 电容箱不确定度限值:
      简略计算,可按a=电容值的0.5%+零值电容。更多的,请参考“关于电容箱的技术特性,摘自 杨述武 等,《普通物理实验》,高等教育出版社”
  3. 计算拟合法和半衰期法测得得时间常数及不确定度。以标称值为标准,计算相对误差。其中指数拟合法,要求作2张图:充分和不充分情况各拟合一组,放电部分或充电部分任选。
    1. 注:如果在存储数据中选择“详细”则不必做数据变化;选择了“快速”模式,则需要参考示波器操作第5条进行数据转换。
  1. 用李萨如图测量相位差(本学期暂不要求
    1. 用李萨如图线测量电路中UcUi的相位差φ,计算电路的时间常数RC
      • 要求测五组数据,并进行线性拟合。
      • 为什么要求B/A在0.4~0.6的范围内?如何调节?
      • 时间常数的理论值为多少?
  1. 沈元华,陆申龙. 基础物理实验. 北京:高等教育出版社. 2003,182~189
  2. 关于电容箱的技术特性,摘自 杨述武 等,《普通物理实验》,高等教育出版社

讨论区

实验过程中要求“用τ=(R+r)C计算时间常数的标称值”与数据处理中要求回答“稳态时为什么用τ=RC而不是τ=(R+r)C来计算时间常数”相矛盾。

瞬态与稳态不同。瞬态为(R+r)C,稳态为RC

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  • 最后更改: 2021/11/29 10:17
  • 由 shiyun