Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Демонстрации по колебательным процессам в линейных, параметрических и нелинейных осцилляторах
1.1. Линейный колебательный контур как спектраль -ный прибор и селективный приемник квазимоно -хроматических сигналов 25
1.2. Асимметрия и гистерезис резонансной кривой нелинейного колебательного контура 33
1.3. Многоцелевая установка для демонстрации нелинейных и параметрических эффектов в колеба -тельном контуре 40
1.3.1. Нелинейные искажения формы входного сигнала 42
1.3.2. Преобразование спектра входного сигнала 43
1.3.3. Резонансы на обертонах 46
1.3.4. Появление комбинационных гармоник 46
1.3.5. Резонансная кривая нелинейного контура 47
1.4. Явление параметрического резонанса и параметрического усиления колебаний 47
1.4.1. Наблюдение параметрического резонанса 49
1.4.2. Параметрическое усиление малых колебаний 53
1.5. Иллюстрирование фазовой плоскости и некоторых особенностей автоколебательных систем 54
Глава 2. Некоторые опыты по регулярным волновым процессам
2.1. Моделирование "гравитационной линзы" в лекционной демонстрации 70
2.2. Установка по демонстрации свойств электромагнитных волн 81
2.2.1. Распространение электромагнитных волн 85
2.2.2. Волновая структура излучения. Измерение длины СВЧ волны 88
2.2.3. Зависимость амплитуды излучаемой волны от расстояния 89
2.2.4. Поперечный характер электромагнитной волны 90
2.2.5. Линейный характер поляризации волны 90
2.2.6. Модельное иллюстрирование электронного "механизма" явления отражения 91
2.2.7. Изменение характера поляризации волны при отражении 92
2.2.8. Поляризационная структура прошедшей волны 93
2.2.9. Диаграмма направленности излучателя 94
2.2.10. Опыты по рассеиванию волн объемными рассеивателями 95
2.3. Интерферометр Майкельсона в 10 см диапазоне волн 96
2.3.1. Наблюдение интерференционной картины 99
2.3.2. Зависимость ширины интерференционной полосы от юстировки зеркал 99
2.3.3. Измерение длины волны 100
2.4. Демонстрация распределения освещенности в различных зонах дифракции 101
2.4.1. Наблюдение распределения интенсивности в различных зонах дифракции ,... 109
2.4.2. Волновой принцип неопределенности 115
2.4.3. Симметрия пространственных спектров в дальней зоне дифракции 11
Глава 3. Демонстрации по статистическим свойствам волновых полей
3.1. Опыты с хаотически модулированными колебаниями 121
3.2. Влияние инерционности регистрирующих устройств на видн#сть интерференционной картины 139
3.3. Опыты по интерференции частично когерентных волновых полей 151
3.3.1. Модуляционный способ синтеза частично когерентных световых полей 158
3.3.2. Двухисточечный способ получения частично коррелированных световых колебаний 164
3.4. Влияние степени пространственной когерентности колебаний на видность интерференционной картины 167
3.4.1. Опыт Юнга в сантиметровом диапазоне волн 169
3.4.2. Моделирование работы звездного интерферометра Майкельсона 176
Заключение 181
Литература
- Асимметрия и гистерезис резонансной кривой нелинейного колебательного контура
- Явление параметрического резонанса и параметрического усиления колебаний
- Установка по демонстрации свойств электромагнитных волн
- Влияние инерционности регистрирующих устройств на видн#сть интерференционной картины
Введение к работе
Последние десятилетия, как хорошо известно, характеризуются весьма быстрым развитием науки и техники, в том числе (и в первую очередь) одной из основных фундаментальных наук - физики и её приложений. Появляются новые разделы и направления, стремительно растет поток информации, который нельзя обойти и в вузовских программах. В то же время, несмотря на имеющиеся постановления директивных органов о необходимости улучшения фундаментального' образования выпускаемых специалистов, реально количество отводимого на физические дисциплины времени в учебных планах не только не увеличивается, но в последние годы и существенно сокращается (особенно в технических вузах). Всё это ставит перед высшей школой острые и срочные вопросы по улучшению всей системы, содержа -ния и методики образования, интенсификации процесса обучения, повышения его эффективности, в том числе путём широкого использования разнообразного арсенала технических средств. Одним из наибо -лее эффективных и перспективных средств, прежде всего при препо -давании предметов физического цикла, по нашему убеждению, являются лекционные демонстрационные опыты, которым и посвящена данная диссертационная работа.
Отметим, что нередко предлагается другой путь (а иногда, в том числе в отечественных вузах, насколько нам известно, и апро -бировался) в определенном смысле альтернативный: с целью экономии времени даже в курсе общей физики максимально использовать абст -рактно-аксиоматическое построение - сразу формулировать основные законы, уравнения в максимально общем виде и затем переходить к частным случаям, не останавливаясь ни на экспериментальном обос -
новании, ни на "промежуточных" физических моделях и представлениях, сыгравших большую роль в истории физики, ни, тем более, на лекционных демонстрациях. Вполне допустимый и даже желательный при чтении отдельных разделов теоретической физики, такой подход представляется совершенно неприемлемым, когда речь идет о курсе общей физики, не говоря уже о том, что на младших курсах этот путь встретил бы большие трудности при стыковке с математическими дисциплинами. Чрезмерная "теоретизация" противоречит самому духу курса общей физики, являющейся в своей основе наукой экспериментальной. Интересные и убедительные соображения о необходимости предварять обучение опытами, в том числе лекционными, высказывали ещё М.В.Ломоносов [I] , автор известного учебника физики Э.Х.Ленц [2J , основоположник классической электродинамики Дж. Максвелл [ЗІ , выдающийся ученый и педагог А.Н. Крылов [4], академик П.Л.Капица [5] и др. Здесь мы приведем лишь одно высказывание, принадлежащее великому физику-теоретику - А.Эйнштейну, показавшему, между прочим, блестящие примеры "дедуктивного" построения специальной и общей теории относительности, исходя из нескольких общих принципов. Отмечая ведущую роль эксперимента в обучении физике, он писал [6] : "На первой ступени обучения физике из неё надо вообще исключить всё, кроме экспериментальной стороны ... Красивый эксперимент сам по себе часто гораздо ценнее, чем двадцать формул, добытых в реторте отвлеченной мысли". Важно отметить, что "индуктивное" построение курса общей физики, с обсуждением принципиальных экспериментальных фактов, позволяет показать студентам диалектику развития физических идей.
Хотя в настоящей диссертационной работе не ставится целью обсуждение вопросов чисто педагогического и методического характера, заметим, что ценность лекционных демонстраций с точки зрения вузовской дидактики состоит в том, что они позволяют органи-
чески сочетать абстрактное мышление с обеспечением необходимой степени наглядности и конкретности. Напомним, что всеми классиками педагогики, начиная с Я.Каменского, постоянно подчеркивалось, что чем больше органов чувственного восприятия принимает участие в выработке восприятия, тем глубже, прочнее и легче материал усваивается . Многие же вещи гораздо проще, быстрее и эффективнее показать, чем долго рассказывать. Наконец, для возбуждения интереса аудитории к обсуждаемому вопросу некоторые опыты могут быть удачно использованы лекторами для так называемого "проблемного" обучения, создания "проблемных" ситуаций, о чем в последнее время достаточно много дискутируют. Некоторые примеры таких опытов будут приведены в настоящей работе ниже.
Конечно, лекционные опыты не рассчитаны на выработку у студентов экспериментальных навыков и в этом смысле не подменяют лабораторные занятия, предусмотренные учебными планами физических и многих нефизических специальностей. Однако отклады -вать вообще все физические опыты до лабораторных занятий совершенно недопустимо по ряду причин, в частности, потому, что лабораторные работы выполняются студентами, как правило, в разное время (не фронтально) - как после, так и до соответствующих лекций, или же выполняются не всеми студентами, в зависимости от "маршрутов" прохождения лаборатории.
Достижения науки и техники, открытие новых явлений, появление принципиально новых приборов приводят к возрастанию роли лекционного эксперимента и, вместе с тем, открывают новые возможности. Современная литература по лекционным демонстрациям, в
х' Например, по данным ЮНЕСКО, человек, слушая, запоминает 15 % речевой информации: когда смотрит, то у него остается 25% видимой информации, а когда слушает и смотрит одновременно, он запоминает 65% преподносимой информации [7] .
той или иной мере отражающая эти тенденции, не так уж мала.
К основным отечественным пособиям по лекционным демонетра-
»
циям можно отнести девять выпусков "Лекционных демонстраций по физике", написанных под редакцией проф. А.Б. Млодзеевского. В этом труде достаточно подробно изложен большой арсенал лекционных демонстраций по всему курсу общей физики, в том числе по разделам "Колебания и волны" и "Оптика" L9J . Детальное описание большого количества оригинальных опытов, выполненных на легко воспроизводимой демонстрационной аппаратуре, делает пособие полезным для физиков-демонстраторов.
Второе, дополненное издание этого руководства [ю] , вышедшее под редакцией проф. В.А.Ивероновой и ставшее в настоящее время настольной книгой по лекционному эксперименту, содержит новую главу, посвященную демонстрациям с использованием коге -рентных источников света, постановка которых ранее была либо практически невозможной, либо затруднительной из-за плохой временной когерентности используемых источников излучения. Достаточно ценным и значимым дополнением к этому руководству можно считать большое количество оригинальных демонстраций, содержа -щееся в сборнике [и] по методике и технике лекционного экспе -римента.
Целый ряд интересных интерференционных опытов с использо -ванием амплитудных и фазовых зонных пластинок акустического и СВЧ диапазонов содержится в работе Б.Ш.Перкальскиса [l2j . Весьма интересны описанные здесь СВЧ опыты, иллюстрирующие основные положения кристаллооптики с использованием анизотропных "кристаллооптических" пластин, соответствующим образом вырезанных из древесины кедра (пихты). Полезные опыты в СВЧ диапазоне описаны также в пособиях Л.П.Стрелковой и Н.М.Шахмаева [14] где, кроме большого количества опытов, приведено подробное опи-
сание самодельного демонстрационного оборудования и даны методические указания по использованию этих опытов. Наиболее полным из существующих пособий по лекционным демонстрациям в трехсантиметровом диапазоне волн, охватывающим практически все принципиально важные разделы геометрической и волновой оптики, можно считать работу Н.Я. Молоткова [15J . В описание к каждой демонстрации здесь, кроме рассмотрения физического явления, включены методические рекомендации и подробные указания по изготовлению используемого оборудования.
Ценным вкладом в дело дальнейшего совершенствования и расширения арсенала лекционных демонстраций является изданное под редакцией Н.И.Калитеевского [іб] пособие по оптическим демонст -рациям, в котором описан целый ряд оригинальных экспериментов как в оптическом диапазоне, так и с использованием УКВ излучения. Это, если не единственная, то одна из немногих такого рода работ, где имеются рекомендации по постановке опытов для иллюстрирова -ния статистической структуры световых полей.
Из первых публикаций, касающихся использования звукового диапазона в учебном эксперименте, следует упомянуть лекции Р.Ву-да [l7j , в которых, наряду с интерференционными опытами, описывается оригинальная методика по визуализации звуковых волн с помощью чувствительного газового пламени, а также их теневому фотографированию. Заслуживает также внимания работа У.Кока [l8J , где, наряду с опытами по интерференции и дифракции звуковых волн, также описывается методика визуализации картины акустического поля с использованием разнообразных "фонографов", предварительно равномерно засвеченной фотопластинки. Здесь же описывается метод световой индикации звука, используя который появляется возмож -ность прямого, в реальном масштабе времени, иллюстрирования структуры невидимого звукового поля.
Из книг, содержащих описание большого числа разнообразных опытов в ультразвуковом диапазоне волн, необходимо отметить монографии Б.Б.Кудрявцева [l9J и В.В.Майера [20J , в которых даются рекомендации по изготовлению самодельных кварцевых и магни-тострикционных излучателей и постановке ряда содержательных лекционных опытов, например, по дифракции света на ультразвуковой дифракционной решетке.
Из зарубежных пособий, посвященных лекционному эксперименту, в первую очередь необходимо отметить насчитывающее более тысячи опытов двухтомное руководство [2l] , вышедшее в США под редакцией Ф.Мейнерса, а также работу С.Пэлмера [22] , посвященную оптическим демонстрациям. Достаточное внимание в них уделено обсуждению вопроса о мере и роли лекционного эксперимента в курсе физики высшей школы. В книге L2IJ также приводятся рекомендации, касающиеся как технической стороны вопроса, так и методики показа, в том числе по общей теории волновых процессов (первый том) и оптике (второй том). Достаточно обширный материал по постановке современных оптических опытов (касающихся, например, вопросов фазового контраста, пространственной фильтрации и т.д.) содер -жится в руководстве L23J , написанном в соавторстве с известным французским специалистом по когерентной оптике М.Франсоном. Подробное описание большого числа лекционных опытов содержится также и в изданной в Польше книге Т.Дринского [24] .
Кроме перечисленных книг, посвященных лекционному экспери -менту в высшей школе, интересные моменты' как в идейном отноше -нии, так и в смысле технического решения можно найти в изданных в последние десятилетия книгах по школьному учебному эксперименту. Так, наряду с уже отмеченной книгой Н.М.Шахмаева [l4J , большое внимание современным демонстрациям в школьном курсе уделено в работах І25-26] и четырехтомнике "Методика преподавания
- II -
физики в школе" [27] . Детальное описание целого ряда интересных опытов для средних школ содержит также вышедшая в ФРГ книга "Демонстрационные опыты по оптике" L28J .
Особое место по технике школьного эксперимента по праву занимает такое фундаментальное пособие, как двухтомник "Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе" [29] под редакцией А.А.Покровского. Высокий технический уровень многих описанных здесь опытов делает их вполне приемлемыми и для высшей школы.
Кроме специальной литературы, другим важным источником, содержащим много полезного и интересного материала для физиков-демонстраторов, являются как некоторые учебники по общему курсу физики, так и книги по отдельным разделам курса. Среди отечественных учебников, в которых большое внимание уделяется лекцион -ному эксперименту, видное место по праву занимает глубокая по замыслу и оригинальная по содержанию монография Г.С.Горелика "Колебания и волны" Сзо] . Обсуждаемые в ней опыты с использованием УКВ диапазона,по иллюстрации флуктуационных явлений, статистических свойств световых полей и т.д. по сути являются пионерскими.
В большинстве других отечественных учебников, включая и недавно вышедший "Общий курс физики" Д.В.Сивухина [зі] , описанию демонстрационного эксперимента отводится весьма скромное место. Приятным исключением можно считать "Волновую оптику" Н.И.Калитее-вского L32J , наличие сравнительно большого демонстрационного материала в которой, бесспорно, оживило изложение теоретических вопросов, сделало их более интересными и полезными для преподавателей.
Среди учебных пособий по физике зарубежных авторов, содержащих достаточно обширный набор демонстраций, заслуживают внимания "Физическая оптика" Р.Вуда [зз} , а также "Введение в опти-
ку" [34] , "Механика, акустика и учение о теплоте" [Зб] Р.В.Поля. Много полезного при постановке экспериментальных иллюстраций с использованием как капиллярных (волн на "мелкой" воде), так и гравитационных волн на поверхности "глубокой" воды содержится в учебном пособии L36J .
Богатый набор современных демонстраций по колебательным и волновым процессам содержится в целом ряде журнальных статей. Ниже, в начале каждой главы диссертации,будет приведен краткий обзор наиболее интересных из них, характеризующих состояние лекционного эксперимента по тому или иному разделу как в отечест -венных, так и в зарубежных вузах.
Отметим, наконец, что обстоятельные списки демонстрационного оборудования соответствующего периода приведены в каталогах L37-39J , не потерявших своего значения и на сегодняшний день. Учтем также, что Минвузом СССР в 1974 году был утвержден "Минимальный перечень демонстраций, необходимых для оснащения физи -ческих кабинетов университетов", а в 1978 году - "Перечень лекционных демонстраций по курсу "Физика" втузов", в общем дающие достаточно типичную картину арсенала основных лекционных демонстраций.
Тем не менее, в целом положение с лекционным экспериментом в вузах страны трудно назвать удовлетворительным. Разработкой демонстрационной аппаратуры или даже методических руководств в централизованном порядке в стране никто практически не занимается. В такой ситуации кафедрам вузов, демонстрационным кабинетам нужно проявлять максимум инициативы по постановке лекционных опытов, разработке различного демонстрационного оборудования. Значительный опыт в этом на протяжении ряда лет накоплен демонстрационным кабинетом при кафедре общей физики Горьковского университета. Поэтому, прежде чем перейти к конкретному материалу, предста-
- ІЗ -
вляется целесообразным высказать несколько общих соображений, обобщающих этот опыт по постановке и использованию лекционных демонстраций, направлению развития демонстрационного дела, тем более, что в литературе подобным вопросам уделяется весьма мало внимания (за исключением [8] , см. также [40] ).
Прежде всего, касаясь технической и материальной стороны вопроса, заметим, что из литературы, в том числе из упомянутых выше учебников и имеющихся пособий по лекционным демонстрациям, мы знаем немало эффективных, классических опытов, зачастую реализуемых несложным оборудованием и не потерявших своего значе -ния до сих пор. Однако мы не можем ими ограничиться и должны ставить новые опыты с применением иногда довольно сложной, от -носительно дорогой (и, к сожалению, дефицитной) современной аппаратуры, открывающей новые возможности. При этом, конечно, далеко не все, что хорошо в лабораторных условиях, подходит для демонстрационных целей в условиях лекционной аудитории. Нужна, безусловно, специальная демонстрационная аппаратура - нагляд -ная, хорошо обозреваемая и с "понятным" устройством (а не в виде выносимого в аудиторию загадочного "черного ящика"), и в то же время компактная, надежная и транспортабельная, не требующая долгой настройки во время демонстрации на лекции.
Как известно, большинство физических кабинетов вузов страны испытывают трудности как с квалифицированными кадрами, так и с производственными площадями. Поэтому предпочтительнее иметь не только узкоцелевые, демонстрирующие отдельные явления или процессы, а многоцелевые установки, позволяющие варьировать опыты в зависимости от целей и возможностей конкретного лекционного курса.
Следует отметить также четко выраженную современную тенденцию - теперь желательно ставить не только чисто качественные, но
количественно-информативные опыты, позволяющие получить хотя бы грубые количественные характеристики изучаемого процесса. При возможности производить измерения оперативно и наглядно, их не обязательно проводить только в лабораториях, как утверждается, например, в [41] . Именно такие демонстрации показывают, что физика в своей основе - наука не только экспериментальная, но и на эмпирическом уровне познания является наукой точной.
Известно, что любой опыт, тем более демонстрационный, осуществляется непосредственно с интересующим объектом. Но в процессе расширения области физического познания происходит удаление от явлений, которые хотя бы приближенно напоминали то, с чем мы встречаемся в обыденной практике, в области явлений, интерпретация которых требует новых образов и понятий, не похожих, а часто и просто несовместимых с нашими обычными представлениями. Это ведет к необходимости построения моделей. Использование моделирования позволяет применить экспериментальный метод к иллюстрированию таких объектов, непосредственное оперирование с которыми затруднено вследствие их пространственной или времен -ной недоступности. Будучи методически осмысленными и удачно реализованными, модельные демонстрационные опыты способствуют пониманию сущности физического явления. Например, недоступную для непосредственного показа статистическую структуру светового поля можно удачно промоделировать в радиодиапазоне ( [30] , см. также ниже).
Далее, в настоящее время лекционные демонстрации должны составлять не случайный набор разнотемных и разноплановых опытов, а тщательно продуманный, систематический и максимально полный цикл, обладающий определенной внутренней завершенностью и охватывающий максимум вопросов по всем разделам читаемого курса. Как справедливо подчеркивал проф. А.В.Млодзеевский [8] , физи -
ческие демонстрации не являются дополнением к словесному изложению курса, но представляют собой его неотъемлемую, органическую часть, ибо удачная демонстрация глубоко проясняет существо физического явления и способствует его запоминанию.
Разработке одного из таких циклов - колебательно-волнового - и посвящена настоящая диссертационная работа. Целью работы ставились как систематизация и модернизация имеющегося арсенала демонстраций, так и, главным образом, разработка, изготовление, методическая отработка и "обкатка" ряда новых опытов, необходимость в которых появилась в связи с развитием соответствующих разделов физической науки и техники.
Выбор именно этого цикла определялся, прежде всего, тем, что колебательно-волновые процессы играют важную роль практи -чески во всех разделах физики, а общие идеи, закономерности и методы физики колебаний находят приложение и при исследовании ряда других, например, биологических, социально-экономических и т.д. систем.
Важным фактором, стимулирующим дальнейшее развитие иллюстративных опытов по колебательно-волновому разделу, явилось и то, что в Горьковском университете давно сложилась традиция -изучение колебательных и волновых процессов различной физической природы в курсе общей физики концентрировать в одном (четвертом) семестре. Во-первых, это дает существенную экономию времени, исключая неоднократное рассмотрение аналогичных явлений в разных диапазонах, во-вторых, позволяет контрастнее подчеркнуть единую колебательно-волновую картину, что способствует повышению мировозренческого уровня преподавания. И, наконец, такое построение курса открывает широкие возможности маневрирования при постановке и использовании лекционных опытов - теперь их можно реализовать с разными по природе видами волн, в различ-
ных диапазонах, наиболее удобных для лекционных условий. В частности, малость пространственного периода и неизбежная инерцион -ность наблюдений затрудняют показ в "натуре" целого ряда опти -ческих эффектов, например, "цуговой" структуры светового поля. Однако переход в радиодиапазон, т.е. увеличение длины волны из-лучения в 10 раз, позволяет продемонстрировать их с максимальной наблюдаемостью и эффективностью. В таких демонстрациях показывается глубокое единство физической сущности оптических и электромагнитных явлений, утверждается взгляд на волновую оптику как на частный случай электромагнитных колебаний.
В первую очередь, естественно, мы ставили целью разработку демонстрационных опытов по сравнительно новым разделам и направлениям. В частности, в современных программах колебательно-волновых курсов, в том числе и соответствующих разделах курса общей физики, предусматривается довольно обстоятельное изложение раз -личных нелинейных и параметрических эффектов [ЗО-ЗІ] . Поскольку, в то же время, количество лекционного времени, отводимого на эти разделы, весьма ограничено, а математический аппарат сравнительно сложен, особенно желательны наглядные лекционные опыты. Однако в литературе к настоящему времени список таких демонстраций весьма скуден, поэтому мы разработали ряд опытов, описание которых дается в первой главе.
Что касается волновых процессов, в особенности интерференции и дифракции волн, то есть определенная потребность в опытах, позволяющих непосредственно в ходе лекции иллюстрировать и количественные закономерности; подобные опыты описываются во второй главе.
Кроме того, создание квантовых когерентных источников света привело к существенному расширению возможностей волновой оптики, что придало особую актуальность вопросам статистических
свойств волновых полей, понятиям временной и пространственной когерентности, влиянию степени когерентности на видность интерфе -ренционной картины и т.д. В курсе общей физики эти вопросы сейчас являются, пожалуй, одними из наиболее сложных и наименее отрабо -тайных в методическом отношении. В частности, формированию у студентов наглядных представлений о "цуговой" структуре хаотически модулированных волн, о принципиальной роли инерционных свойств регистрирующих устройств при наблюдении, например, интерференционной картины в достаточной степени мешало практически полное отсутствие соответствующих лекционных опытов. В связи с этим в третьей главе описывается ряд установок, позволяющих проводить такие опыты.
Хотя рассматриваемый в диссертации цикл лекционных опытов разрабатывался в основном применительно к курсу общей физики, тем не менее многие из них вполне могут быть полезными и при чтении других общеволновых курсов. По нашему убеждению, давно пора лекционные демонстрации внедрять не только в общий курс физики, но и в ряде других лекционных курсов.
Переходя к краткому изложению содержания диссертации, отметим, что,решая задачу экспериментального иллюстрирования ряда теоретических вопросов, мы, естественно, не смогли в тексте подробно остановиться на обсуждении физической сущности демонстри -руемых явлений. В работе дано довольно подробное описание рас -сматриваемых опытов и приведены соответствующие несложные вычисления в расчете на то, что эта обстоятельность будет полезна при постановке аналогичных опытов в демонстрационных кабинетах других вузов.
Диссертационная работа, включающая введение, три главы и заключение, содержит 135 страниц машинописного текста, 25 рисунков и 65 фотографий. Список использованной литературы на-
-Засчитывает 181 название.
В первой главе приводится описание разработанных нами демонстрационных установок, показывающих в "натуре" ряд важных особенностей, присущих как линейным, так, в особенности, нелинейным и параметрическим колебательным системам.
В I.I рассматриваются несколько легко реализуемых опытов, способствующих успешному восприятию студентами "спектральной идеологии", физического смысла спектрального метода анализа колеба -тельных процессов. Так, в одном из них показывается, что линейный колебательный контур, в зависимости от соотношения между шириной спектра сигнала и полосой пропускания контура, ведет себя либо как спектральный прибор, либо как селективный приемник амп-литудно-модулированного сигнала. Иными словами, экспериментально подтверждается соответствие спектрального метода Фурье реальному физическому процессу разложения негармонического сигнала на гармонические составляющие (разрешается "парадокс Флеминга"); здесь же можно пояснить понятие разрешающей способности по Рэлею.
В последующих трех параграфах описываются демонстрационные установки, демонстрирующие наличие нелинейных искажений, явление преобразования спектра сигнала, резонанс на обертонах и субгар -мониках, появление комбинационных гармоник, асимметрию резонансной кривой и гистерезисные явления в нелинейном колебательном контуре, а также явление параметрического резонанса и параметрического усиления слабых сигналов.
При обсуждении физики автоколебательных систем некоторые их специфические особенности, в частности, независимость стационарной амплитуды автоколебаний от начальных условий, наличие области стационарных режимов генерации, явление регенерации, зависи -мость времени установления колебаний и их стационарной амплитуды от эффективной добротности осциллятора, гармоничность этих коле-
баний при ангармонической внешней силе ит.д. практически не находили своего отражения в лекционном эксперименте. В связи с этим в 1.5 описывается установка, позволяющая проиллюстрировать эти особенности как на фазовой плоскости, так и в виде соответствующих осциллограмм.
Во второй главе приводятся некоторые разработки по демонстрированию свойств регулярных волновых полей.
В 2.1 описывается опыт по геометрической оптике - преломлению лучей на "псевдосферической" линзе (имеющей отрицательную гауссову кривизну). Такие устройства интересны тем, что они позволяют моделировать "гравитационные линзы" - угол отклонения лучей при этом убывает по мере удаления от оптической оси.
Во втором параграфе рассматривается специально сконструированный десятисантиметровый демонстрационный комплекс, предназначенный для иллюстрирования основных проблем радиофизики - гене -рирования, распространения и приема электромагнитного излучения. В частности, установка позволяет экспериментально продемонстрировать ряд характерных свойств волн: волновую структуру излучения, поперечность электромагнитной волны и характер её поляризации, явление вращения плоскости поляризации; смоделировать электронный "механизм" отражения электромагнитных волн, его дисперсный характер; изменение поляризации волны при отражении, явление дихроизма и двойного лучепреломления; понятие диаграммы направ -ленности источника и т.д.
В 2.3 описывается СВЧ - аналог широко используемого в оптике интерферометра Майкельсона, с помощью которого поясняется принцип действия двухлучевых интерференционных устройств. Соз -данный на базе вышеописанного СВЧ комплекса хорошо обозреваемый и наглядный десятисантиметровый интерферометр, в котором вместо оптических зеркал и полупрозрачной пластинки использованы метал-с
лические зеркала и резонансная решетка из алюминиевых полосок, позволяет измерить рабочую длину волны, ширину интерференционной полосы и её зависимость от юстировки зеркал и т.д.
В 2.4 рассматривается установка, переводящая одномерную дифракционную картину в "поперечное" отклонение луча на экране осциллографа. Обладая достаточно высокой чувствительностью и разрешением, установка позволяет получить количественную информацию о распределении освещенности в дифракционном поле в различных зонах дифракции.
Третья глава посвящена лекционным опытам по статистическим свойствам волновых полей, рассмотрению которых, в частности, большое внимание уделено ещё в книге Г.С.Горелика L30J .
В 3.1 описаны демонстрационные установки, моделирующие в радиодиапазоне характерные особенности белого и квазимонохроматического излучения тепловых источников. Хаотически-модулированные сигналы при этом получаются в результате прохождения шума через селективный фильтр с регулируемой полосой пропускания; установка позволяет как демонстрировать структуру таких колебаний, так и наблюдать результат их скалярного или векторного сложения.
Для показа влияния инерционности регистрирующих устройств на результат наблюдения хаотически-модулированных колебаний была создана (также в радиодиапазоне) многоцелевая установка, описываемая в 3.2. Здесь в процессе эксперимента варьируется соотношение между длительностью цуга и постоянной времени регистрирующего устройства (детектора), причем в опытах можно реализовать как сильноинерционный, так и малоинерционный (или вообще безынерционный) случаи наблюдений.
В 3.3 описываются опыты по сложению частично когерентных световых волн. В установках (использовался несколько видоизмененный интерферометр Маха-Цендера) степень временной когерентности
интерферирующих лучей плавно варьируется от 0 до I. Это дает возможность проанализировать изменение видности интерференционной картины во всем интервале значений коэффициента временной корреляции слагаемых. Кроме того, установки позволяют продемонстрировать влияние поляризации и взаимной пространственной ориентации световых полей на видность интерференционной картины.
Опытам по пространственной когерентности посвящен 3.4. Непосредственно классический опыт Юнга по дифракции света на двух отверстиях в условиях лекционной демонстрации реализовать трудно, прежде всего - из-за слабой светосилы такой установки. Поэтому нами был поставлен подобный опыт в СВЧ диапазоне - с двумя независимыми клистронными генераторами, в котором показывается зависимость степени когерентности от углового размера источника, измеряется поперечный масштаб когерентности и т.д. Далее, здесь же описывается непосредственно оптический опыт с двумя лазерами, моделирующий работу звездного интерферометра Майкельсона.
Результаты диссертационной работы по созданию новых лекционных опытов были доложены на конференциях, совещаниях и семинарах различного уровня:
Первая межвузовская конференция по методике и технике лекционных демонстраций по физике (Москва, 1961 г.);
Межзональное научно-методическое совещание-семинар зав. кафедрами и ведущих лекторов по общей физике вузов Поволжской, Волго-Вятской и Центрально-черноземной зон (Горький, 1980 г.);
Межвузовская конференция по повышению эффективности учебной и методической работы (Горький, 1980 г.);
Городской семинар зав. кафедрами физики (Горький,1980г.);
Вторая республиканская научно-практическая конференция по методике преподавания физики в вузе (Ереван, 1982 г.);і
Межзональное научно-методическое совещание-семинар зав.
кафедрами и ведущих лекторов по физике вузов Поволжской, Волго-Вятской и Центрально-черноземной зон (Саратов, 1983 г.);
Городской методический семинар преподавателей вузов города (Горький, ежегодно);
Семинар слушателей ФПК при МГУ (Москва, 1977 г.);
Семинары слушателей ФПК при ГГУ (Горький, ежегодно);
10. Семинар кафедры общей физики ГГУ (ежегодно).
Содержание диссертации также отражено в статьях [42-5lJ.
« Кроме того, описание вышеупомянутых опытов (а также ряда других, не отраженных в диссертации) содержится в методических разработках [52-55J . Основной целью этих разработок явилась помощь лекторам, особенно начинающим, в проведении и комментировании опытов, пояснение возможных вариантов эксперимента с тем, чтобы лекторы могли маневрировать, исходя из потребностей и возмож -ностей конкретного лекционного курса. Этой же целью мы руководствовались при написании методических указаний и аннотаций [56-57J к учебным кинофильмам.
Работа выполнена на кафедре общей физики радиофизического факультета ГГУ в рамках госбюджетной темы "Оптические методы обра -ботки информации"(гос. регистр. № 7803919).
Автор выражает глубокую признательность проф. Н.С.Степанову за научное руководство и постоянное внимание, ст. препод. С.Н.Мен-сову и асе. Т.Г.Власовой - соавторам ряда работ, П.В.Казарину и А.Н.Сатинову - за помощь в проведении экспериментов.
Асимметрия и гистерезис резонансной кривой нелинейного колебательного контура
За последние десятилетия достигнуты большие успехи как в изучении, так и в практическом использовании (прежде всего - в радиотехнике) особенностей нелинейных колебательных и волновых систем. Так, все основные виды преобразований спектров колеба -ний осуществляются с помощью систем, использующих активные или реактивные нелинейные элементы. В связи с этим без изложения хотя бы минимальных сведений о нелинейных колебательных систе -мах в настоящее время нельзя обойтись не только в специальных радиофизических и радиотехнических дисциплинах, но и в курсе общей физики (см., например, [30-31] ). Знакомство с такими системами и демонстрирование их отличительных особенностей целесообразно начинать с простейшего колебательного контура,содержащего нелинейный элемент, например, нелинейную индуктивность.
Таким образом, с учетом сравнительной сложности разделов, посвященных изучению явлений в нелинейных цепях, и недостаточ -ности лекционного времени, которое удаётся реально посвятить этим вопросам, особую значимость приобретают соответствующие лекционные опыты. Некоторые из них описаны в [?1э73] » которых, однако, явно недостаточно. В частности, представляется весьма желательным продемонстрировать качественные особенности отклика нелинейного осциллятора на синусоидальную внешнюю силу, прежде всего: асимметрию резонансной кривой, наличие гистерезиса и скачков амплитуды вынужденных колебаний в нелинейном колеба -тельном контуре при плавном изменении частоты вынуждающей силы. Эти явления можно показать, используя разработанную нами уста -новку [43] , структурная схема которой изображена на рис. 6.
Основным элементом здесь является параллельный колебательный контур с LK = 5 мГн и Ск= 10 мкФ, так что собственная частота линейного (невозмущенного) осциллятора { = 180 Гц. Контурная катушка, как и катушка связи, выполнена на броневом ферритовом сердечнике. Наличие магнитоактивного сердечника позволяет обеспечить работу контура как в линейном, так и нелинейном режимах. Для смещения рабочей точки на нелинейный участок веберамперной характеристики сердечника от источника постоянного напряжения (типа Б5-7) через дроссель фильтра (например, от лю -бого радиоприемника) подводится ток смещения I см, реїулируе -мый в пределах от 0 до 200 мА.
Контур индуктивно связан с источником гармонической вынуж -дающей силы І, в котором предусмотрен автоматический режим перестройки частоты (мы использовали генератор ГЗ-І04). При отсутствии такового можно использовать любой звуковой генератор, но тогда потребуется определенный навык равномерного и плавного изменения частоты выходного напряжения вручную» С контура напряжение подается на осциллограф З (СІ-І) и через детектор Д (Д 226) на "У" вход двухкоординатного самописца 2 (мы использовали ПДС-021). На его "X" вход с линейного потенциометра R. — 30 кОм подается пилообразное напряжение развертки Ur(t) , пропорций -нальное приращению частоты I генератора I. Для обеспечения линейной зависимости 1(.,.= об-С достаточно ось ручки регулирования частоты генератора I кинематически связать через безлюфтовую муфту с осью потенциометра R1 , к которому подводится постоянное напряжение Up max » регулируемое в пределах от 2 до 10 В. Это позволяет задать начало развертки в любой точке частотного диапазона генератора, что в свою очередь, дает возможность прописать частотную характеристику, во-первых, в нужном диапазоне
Д-С Д С , где Д-С - полоса пропускания контура; во-вторых, что немаловажно для увеличения наглядности, в желательном масштабе по оси X , который достигается подбором скорости развертки (величины Lpmax.). Все это обеспечивает возможность записи резонансных кривых во весь "кадр" самописца.
Для демонстрирования вида зависимости 11«(j) контура в нелинейном режиме достаточно, подобрав ток смещения и амплитуду подаваемого на контур сигнала (в нашем случае L см - 200 мА, а І/їпбх-15 В), включить одновременно предварительно прогретый самописец и устройство автоматического изменения частоты генератора. Для плавной регулировки llgx (Ь) желательно дополнительно поставить линейный потенциометр п.2 0,5 кОм. При увеличении частоты на планшете самописца прописывается асимметричная кривая с хорошо выраженной особенностью - срывом колебаний в контуре (это одновременно наблюдается и на осциллографе 3). Последующее уменьшение частоты генератора доказывает гистерезисный характер (неоднородность) кривой - показывается явление "затягивания частоты" (см. рис. 7). Целесообразно одновременно на экране осцил -лографа 3 отметить характерные нелинейные искажения - негармо -ничность вынужденных колебаний при увеличении амплитуды подводимого сигнала, в гармоничности которого легко убедиться, переключив осциллограф 3 на выход генератора I.
При больших амплитудах входного тока, когда необходимо учитывать сугубо нелинейные участки веберамперной характеристики ферритового сердечника, режим работы катушки удовлетворительно описывается, если эту характеристику апроксимировать укороченным полиномом Ф(1) = сц1+а31 [74-75J . В этом случае зависимость средней индуктивности от тока имеет вид 1_ср=1-к0 (1- k I im) и \Л Т2, Ґ/і а резонансная частота контура выражается как Фр со і-к l im/ где со0 = (LKo Ск) - частота в режиме малых колебаний, 1ш амплитуда первой гармоники тока в контуре, а коэффициент к зависит от коэффициентов разложения & и а . Следовательно, в нелинейном режиме С0р со0 . Это легко показывается, если на кадре с уже записанной U.K(J) нелинейного контура прописать кривую, соответствующую линейному режиму. Предварительно размыкается ключ К , а амплитуда Vm8 , с помощью Rg уменьшается до значения, при котором пропадают нелинейные искажения (фиксируются по осциллографу 3 ).
Явление параметрического резонанса и параметрического усиления колебаний
Введение в схему установки дополнительного элемента индикации амплитуды вынужденных колебаний - двухкоординатного самописца б, в совокупности с генератором 3, обеспечивающим ли -нейно нарастающее пропорционально частоте _ напряжение развертки, позволяет прописать хорошо обозреваемую резонансную кривую нелинейного контура. Иллюстрированию явления "обычного" резонанса, когда ре -зультат внешнего воздействия на осциллятор существенно зависит от темпа его воздействия, посвящено довольно большое число де - 48 монстраций (см., например, [I0-I2, 53 J ).
Однако, как известно, возможен резонанс несколько иного рода, когда внешняя сила непосредственно действует не на колеблющуюся величину, а лишь периодически изменяет энергоемкие параметры системы. В описанных в литературе опытах явление параметрического резонанса показывается в различных механических системах. В частности, на примере раскачки математического маятника при периодическом изменении его длины; перехода при определенных условиях собственных вертикальных колебаний грузика, подвешенного на пружине, в горизонтальные [53] , а также возбуждения поперечных колебаний натянутой струны при нагревании её током низкой частоты и известных опытов Мандельштама и Рэлея [IO] . Демонстрация параметрического возбуждения колебаний в электрической системе рассматривается в работе [76 J . Кроме модели параметрического генератора Мандельштама-Папалекси, в ней описы -. вается мостовая схема генератора на стабилитронах, емкость р- П перехода которых изменяется с необходимой частотой накачки.
Однако этот немногочисленный набор существующих демонстраций не позволяет раскрыть ряд интересных закономерностей, при -сущих параметрическим системам. В частности, представляется весьма полезным и нужным демонстрирование наличия нескольких параметрических зон генерации, зависимости резонансной амплитуды этих колебаний от темпа энергетической накачки (номера зо -ны), принципа параметрического усиления слабых сигналов.
Возможность периодического изменения индуктивности контура в схеме (см. рис. 8), описанной в 1.3, позволяет расширить демонстрационные возможности этой установки и показать другую, параметрическую, серию опытов.
Для этого, переключив тумблер TV, в положение А, коммутатор К ставим в положение П, когда, как отмечалось, колебания от ге -нератора накачки 3 в контур не проходят. Протекающий по пер -вичным обмоткам ток накачки LH (t) создает переменное магнитное поле периодически, с частотой f , изменяющее магнитную проницаемость сердечников j (tj , и, следовательно, индуктивность как первичных, так и вторичных обмоток. Изменение ицпук-тивности первичных обмоток приводит лишь к искажению формы тока в них. Из-за изменения же индуктивности вторичных обмоток _ =LuO+mC& 2ft-fHt), где начальное значение индуктивности LH определяется величиной Ь см, а коэффициент модг/ля-ции 171 величиной амплитуды 1н( при определенных условиях, когда частота накачки и частота контура связаны равенством происходит параметрическое возбуждение колебаний.
Предварительно определив (с помощью осциллографа 4 и генератора 3) собственную частоту возмущенного контура { (у нас при I см 2 30 мА было ZL 17 кГц), можно получить параметрический резонанс в основной зоне, если плавно менять частоту накачки (например, при амплитуде накачки итн 15 В) около значения — 2 Г . Возбуждение колебаний легко заметить на экране осциллографа 4 по скачкообразному увеличению амплитуды и уменьшению частоты на выходе (а также потому, что при выключении источника тока смещения эти колебания полностью пропадают). Обнаружив резонанс, можно показать, что частота генерируемых колебаний в основной зоне действительно в два раза меньше частоты накачки. Для этого достаточно напряжение накачки одновременно подать на горизонтальный вход осциллографа 4, на экране кото - 50 рого увидим немного искаженную фигуру Лиссажу в виде "восьмерки" (рис. II а), тогда как при j H а: , соответствующих первой зоне генерации ( П =2), наблюдается искаженный эллипс (рис. II б).
Хотя зависимость амплитуды генерируемых колебаний от периода накачки можно наблюдать на осциллографе 4 , однако, для большей наглядности в этом опыте целесообразно использовать ещё и самописец 6 , на "X" вход которого подается с генератора 3 линейно нарастающее напряжение развертки, а на "У" вход через детектор Д - напряжение с контура. Если включить устройство автоматического изменения частоты накачки (при этом генератор перекрывает диапазон частот от 0 до 40 кГц), самописец зафиксирует амплитудные значения параметрических колебаний, соответствующих основной, первой и т.д. зонам генерации (рис. 12).
При обсуждении вопроса о параметрическом резонансе на со -ответствующих лекциях, чтобы лучше подчеркнуть то обстоятельство, что одинаковые качественные закономерности присущи колеба -тельным системам различной природы, параллельно можно показать и опыты с механическими осцилляторами, например, с упоминавшимся выше маятником переменной длины. Модернизируя эту демонстрацию (см. 53 ), можно показать колебания не только в основной, но и первой зоне неустойчивости. Кроме того, хороший эффект производит демонстрация параметрического резонанса в другой механической системе - с грузиком на пружине ("маятник Горелика"). Жесткость пружины и масса груза подбираются так, чтобы период угловых качаний был в два раза больше периода продольных (вертикальных) колебаний груза на пружине. Тогда, например, если в начальный момент возбуждены чисто вертикальные колебания, за счет параметрического резонанса система быстро перейдет в режим угловых качаний.
Установка по демонстрации свойств электромагнитных волн
Традиционно в курсах общей физики волновые явления чаще всего иллюстрируются демонстрационными опытами в оптическом диапазоне. Хотя многие классические опыты (в частности, интерференционные) в оптике действительно очень полезны, эффектны И ПО -просту незаменимы, специфика оптического диапазона и неизбежная инерционность способов регистрации светового поля не позволяют наглядно продемонстрировать некоторые важные свойства волновых полей, в том числе электромагнитных. Такие вещи, как поляриза - 82 ционная структура электромагнитных волн, особенности их излучения и приема, закономерности отражения и рассеяния (переизлучения) различными средами гораздо более наглядно можно проиллюстрировать на более длинных волнах - в радиодиапазоне. В связи с этим ниже описывается разработанная в демонстрационном кабинете ГГУ многолучевая установка, работающая на длине волны Л = 10см. Идея блок-схемы установки описана ещё в книге Г.С.Горелика [32].
Нами был разработан её усовершенствованный вариант (см. рис.21), х) собранный из общедоступных СВЧ элементов . В качестве источника электромагнитного излучения в ней использован простейший генератор амплитудно-модулированных колебаний, принципиальная схема которого приведена на рис. 22. Основным элементом здесь является отражательный клистрон (например, типа K-II), генерирующий незатухающие гармонические колебания с частотой f — 3-Ю Гц. Возбуждаемые в резонаторе клистрона AM J о колебания с помощью петли связи и отрезка коаксиального кабеля подаются на излучатель - полуволновый вибратор, расположенный в фокусе зеркала. Зеркало изготовлено из листового алюминия и имеет форму параболического цилиндра. Расчет профиля зеркала, вследствие его элементарности, здесь не приводится. Отметим, что для формирования фазового фронта излучаемой волны, близкого к плоскому, достаточно взять высоту зеркала Н - 20 см, а ширину рас-крыва D — 40 см. Выходная мощность клистрона Р — 70 мВт обеспечивает вполне уверенный прием при удалении приемника на 15 20 м.
Модулятор - собранный на двойном триоде симметричный мультивибратор , вырабатывает прямоугольные видеоимпульсы длительностью Ти = Rl0 С8 SK Ю 3с. и часто -той следования { — 450 Гц, которые подаются на отражатель клистрона. Глубина амплитудной модуляции несущей регулируется потенциометром ft 5 .
Прием колебаний (принципиальная схема приемника приведена на рис. 23) осуществляется также на полуволновый вибратор, По -мещенный в фокусе аналогичного зеркала. Принятое напряжение детектируется кристаллическим детектором "V (постоянная времени детектора Ти %у -г )» усиливается резисторным усилителем и подается на осциллограф и громкоговоритель, обеспечивающие двойную индикацию излучения.
Кроме регулировок, позволяющих осуществлять юстировку вибраторов по отношению к зеркалам, конструкция крепления приемной антенны (она указана на рис. 24) предусматривает как возможность изменения ориентации приемного диполя вместе с зеркалом в вертикальной плоскости, так и его азимутальный поворот.
Используя данную установку, можно осуществить следующие опыты. После включения генератора и приемника (когда их вибраторы коллинеарны) на осциллографе наблюдается осциллограмма принятого сигнала. Одновременно он воспроизводится громкоговорителем. Прекращение приема при выключении передатчика подтверждает, что они связаны излучением. Здесь же можно обратить внимание на то, что гармонический сигнал ("несущая") не несет информации.
Показывая влияние различных сред на распространение излучения, для чего в пучок вносятся листы алюминия, пенопласта, стекла и т.д., можно отметить, что не все оптически непрозрачные среды являются таковыми для радиоволн,и наоборот.
Влияние инерционности регистрирующих устройств на видн#сть интерференционной картины
В связи с этим и в данном случае представляются целесообразными демонстрационные опыты, моделирующие соответствующий круг явлений в радиодиапазоне, где постоянная времени измери -тельного прибора может быть много меньше периода колебаний (f0 T).
Чтобы показать принципиальное влияние степени монохроматичности излучения (величины t ) на результат наблюдения интерференции с помощью регистрирующего устройства с варьируемым временем релаксации Ъ0 , нами была разработана установка, описанная в [48] х . Её структурная схема с одним из возможных вариантов под -ключения и коммутации регистрирующих приборов приведена на рис. 42, где I - шумовой генератор, 2 - синхронный фильтр с пере -страиваемой полосой пропускания, 3 - линейный детектор с регулируемым ZQ , 4 - фазосдвигающее устройство, 5 - сумматор, 6 - линейный детектор с большим CQ . Таким образом, по сравнению с установкой, приведенной на рис. 39, данное устройство содержит несколько новых узлов, значительно расширяющих его демонстрационные возможности. Как уже отмечалось в 3.1, резонансную частоту фильтра-f желательно взять достаточно малой. В нашей установке f = I кГц. На таких частотах простыми резонансными контурами и R.C - филь трами обеспечить хорошую добротность (и тем самым необходимую монохроматичность отфильтрованного сигнала) затруднительно, поэ тому мы использовали синхронный фильтр (СФ). Не останавливаясь подробно на описании такого фильтра, принцип работы которого из ложен в [Г7б] , отметим, что вид его частотной характеристики, характерный для "гребенчатых" фильтров, позволяет вырезать из широкополосного сигнала дискретные частоты f=tlj ( а = 1,2.) с помощью специального коммутатора. Частота следования тактовых коммутирующих импульсов, определяющая основную частоту фильтра, равнялась j =4 кГц. Коммутатор (см.. рис. 43) собран на микросхемах Дт - Дз (серии KI55), в качестве ключей использовались транзисторы V5 Ve (серии КТЗІ6Д). Фильтр содержит четыре звена. Переменный резистор Re и коммутируемые емкости Cg - Cg звеньев подбирались с таким расчетом, чтобы добротность на основной частоте Q. = 2ftrtft-6Cgj ( п = 4 - число звеньев фильтра) менялась от 5 до I03. Для отсечки высших гармоник ставятся до -полнительные LC - фильтры 2аи2в с & 3 5 и настро -енные на ту же частоту I = I кГц.
Из выражения (3.1) следует достаточно важный вывод. Если в оптике, где, как правило, ZQ » Z , в случае независимых источников инерционность приводит к тому, что за время ZQ среднее значение Сод =0 и видность интерференционной карта - 146 ны Т = 0, то реализовав малоинерционное наблюдение (теперь Т0 Z и COSA y Q ), интерференцию, оказывается, можно наблюдать и с независимыми источниками. Для этого в установку введен усредняющий элемент - детектор 3 (см. рис. 42), моделирующий регистрирующее устройство, время релаксации 60 которого может (с помощью переключателя Si , см. рис. 43) изменяться от 0,1 с до 20 с.
Таким образом, возможность варьирования параметров излучения и степени инерционности его наблюдения позволяет реализовать в процессе эксперимента различные соотношения между периодом колебаний TQ = - , длиной цуга Т и постоянной времени регистре» рирующего устройства 0 . Так, непосредственное получение осциллограммы напряжения lit (і) , подаваемого с СФ на первый вход двухлучевого осциллографа 0о (переключатель її в положении I), соответствует невозможному в оптическом диапазоне безынерционному наблюдению. Наблюдение "тонкой" структуры (отдельных осцилляции) излучения становится возможным здесь благодаря тому, что время отклонения электронного пучка мало по сравнению с TQ (Z »Т0» 0), Подадим теперь это напряжение на инерционный регистрирующий элемент (детектор 3), постоянная времени которого ZQ « 0,1 с. При добротности СФ Q. 30 (что соответствует ZQ 4- I с) значение Ъ0 — 0,1 с равносильно выполнению условия малоинерционного наблюдения ( Z » k0 » т0 ). По осцил -лографу 0g можно заметить, что показание регистрирующего устройства не успевает следить за мгновенным значением суммарного сигнала, но реагирует на амплитудные изменения поля. На рис. 45 а приведены фотографии осциллограмм выходного напряжения СФ \±л(ї) и его огибающей 1Ц (t) , снятых с экрана осциллографа 0о на второй вход которого подавалось напряжение с детектора.
