Исследования физических явлений в электрических цепях с применением интернет-технологий

Исследования 
физических явлений 
в электрических цепях 
с применением 
интернет-технологий

Москва, 2023

М. Л. Дектерев, В. А. Комаров, 
Г. О. Преснякова, А. В. Сарафанов, А. Г. Суковатый, 
Д. Ю. Худоногов, Д. Н. Володина, А. А. Трухин

Допущено УМО по образованию 
в области прикладной математики и управления качеством 
в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению 221400 
«Управление качеством»

2-е издание, электронное

УДК 004+537.8
ББК
32.973.26-018.1
Д28

Р е ц е н з е н т ы: 
Шайдуров В. В., директор Института вычислительного 
моделирования СО РАН, член-корреспондент РАН;

Юрков Н. К., зав. кафедрой «Конструирование и производство радиоаппаратуры» 
Пензинского государственного университета, доктор технических наук, профессор

Д28
Дектерев, Михаил Леонидович.
Исследования физических явлений в электрических цепях с применением интернет-
технологий : учебное пособие / М. Л. Дектерев, В. А. Комаров, Г. О. Преснякова, 
А. В. Сарафанов и др. — 2-е изд., эл. — 1 файл pdf : 433 с. — Москва : ДМК Пресс, 
2023. — Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; 
экран 10". — Текст : электронный.

ISBN 978-5-89818-362-2

В книге рассмотрены основные задачи и особенности организации лабораторных исследований 
с удаленным доступом в электрических цепях; приведено описание специализированного 
сетевого учебно-исследовательского аппаратно-программного комплекса «Физика. 
Электродинамика», разработанного с применением технологий National Instruments, на базе 
которого выполняются лабораторные исследования; разобраны методики математического 
моделирования физических процессов в электрических цепях с применением системы OrCAD; 
даны задания и методические указания к циклу лабораторных работ по экспериментальному 
исследованию и математическому моделированию физических явлений в электрических цепях 
(однородный участок цепи, RC- и RL-цепи; последовательный колебательный контур; цепи с 
германиевым и кремниевым полупроводниковыми диодами).
Издание предназначено для студентов технических и естественно-научных направлений 
вузов, учащихся профтехучилищ и колледжей.

УДК 004+537.8 
ББК 32.973.26-018.1

Электронное издание на основе печатного издания: Исследования физических явлений в электрических 
цепях с применением интернет-технологий : учебное пособие / М. Л. Дектерев, В. А. Комаров, Г. О. Преснякова, 
А. В. Сарафанов и др. — Москва : ДМК Пресс, 2015. — 432 с. — ISBN 978-5-97060-153-2. — Текст : 
непосредственный.

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими 
бы то ни было средствами без  письменного разрешения владельцев авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность технических ошибок все 
равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи 
с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских 
прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ISBN 978-5-89818-362-2
© Коллектив авторов, 2015
© Издание, оформление, ДМК Пресс, 2015

Содержание

Введение .................................................................................... 13

Список сокращений ................................................................ 19

 ГЛАВА 1

Интернет-технологии в производственной, научной 
и образовательной сферах деятельности .......................... 21
1.1. Распределенные измерительно-управляющие системы .................................21
1.2. Примеры применения распределенных измерительно-управляющих 
систем  .........................................................................................................................23
1.3. Многопользовательские распределенные измерительно-управляющие 
системы  ......................................................................................................................32

 ГЛАВА 2

Сетевой учебно-исследовательский 
аппаратно-программный комплекс «Физика. 
Электродинамика» ................................................................... 35
2.1. Схема организации лабораторных исследований ...........................................35
2.2. Автоматизированный лабораторный макет ......................................................37
2.3. Инструментальное обеспечение .......................................................................40
2.4. Клиентское программное обеспечение ...........................................................42
2.4.1. Виртуальные приборы .................................................................................43
2.4.2. Виртуальные лабораторные стенды ...........................................................44

Содержание
4

 ГЛАВА 3

Сетевая лаборатория «Физика. Электродинамика» ........ 47
3.1. Основные характеристики сетевой лаборатории «Физика. 
Электродинамика» ......................................................................................................47
3.2. Виртуальный рабочий стол администратора ....................................................51
3.3. Ресурсы рабочего стола преподавателя ...........................................................52
3.4. Ресурсы рабочего стола студента .....................................................................55
3.4.1. Рабочий стол студента. Структура ..............................................................55
3.4.2. Рабочий стол студента. Интерфейс «Мои лабораторные работы» .........56
3.4.3. Рабочий стол студента. Уровень выполнения лабораторных 
исследований ..........................................................................................................61
3.4.4. Рабочий стол студента. Компьютерная проверка знаний 
тестированием ........................................................................................................65
3.4.5. Рабочий стол студента. Интерфейс «Коммуникации» ...............................68
3.5. Выполнение лабораторных исследований на базе сетевой лаборатории 
«Физика. Электродинамика» ......................................................................................70

 ГЛАВА 4

Лабораторные работы, выполняемые на базе СУИАПК 
«Физика. Электродинамика» ................................................. 77
Лабораторная работа 1. Изучение принципов обработки данных 
физического эксперимента .......................................................................................77
4.1.1. Цель лабораторной работы ........................................................................77
4.1.2. Задачи лабораторной работы ....................................................................77
4.1.3. Краткие теоретические сведения ...............................................................77
4.1.3.1. Классификация погрешностей измерений ..........................................77
4.1.3.2. Некоторые элементарные представления из теории случайных 
величин ................................................................................................................79
4.1.3.3. Обработка результатов прямых измерений .......................................84
4.1.3.4. Обработка результатов косвенных измерений ..................................86
4.1.3.5. Метод наименьших квадратов ..............................................................87
4.1.4. Описание ВЛС «Изучение принципов обработки данных 
физического эксперимента» ................................................................................. 90
4.1.5. Задания на выполнение лабораторной работы .........................................92
4.1.5.1. Задания для проведения измерений в ручном режиме .....................92
4.1.6. Порядок выполнения работы ......................................................................93
4.1.6.1. Проведение измерений в ручном режиме ........................................93
4.1.6.2. Обработка результатов ручных измерений  .......................................96
4.1.7. Контрольные вопросы .................................................................................98
4.1.8. Требования к оформлению отчета ..............................................................98

Содержание

4.1.8.1. Содержание отчета по лабораторной работе при проведении 
измерений в ручном режиме ............................................................................98
4.1.9. Список литературы и интернет-ресурсов .................................................99
Лабораторная работа 2. Закон Ома. Однородный участок цепи ...................... 100
4.2.1. Цель лабораторной работы ..................................................................... 100
4.2.2. Задачи лабораторной работы ................................................................. 100
4.2.3. Краткие теоретические сведения.Закон Ома для однородного 
участка цепи ......................................................................................................... 100
4.2.4. Описание ВЛС «Закон Ома. Однородный участок цепи» ..................... 104
4.2.5. Задания на выполнение лабораторной работы ...................................... 109
4.2.5.1. Задания для проведения измерений в ручном режиме .................. 109
4.2.5.2. Задания для проведения измерений в автоматическом режиме ... 109
4.2.5.3. Математическое моделирование ...................................................... 110
4.2.6. Порядок выполнения работы ................................................................... 110
4.2.6.1. Проведение измерений в ручном режиме ..................................... 110
4.2.6.2. Порядок обработки результатов ручных измерений ......................112
4.2.6.3. Порядок проведения измерений в автоматическом режиме .........112
4.2.6.4. Порядок обработки результатов автоматических измерений ........118
4.2.7. Контрольные вопросы ...............................................................................118
4.2.8. Требования к оформлению отчета ............................................................118
4.2.8.1. Содержание отчета по лабораторной работе при проведении 
измерений в ручном режиме ..........................................................................118
4.2.8.2. Содержание отчета по лабораторной работе при проведении 
измерений в автоматическом режиме ........................................................... 119
4.2.8.3. Содержание отчета по лабораторной работе при проведении 
исследований средствами математического моделирования ..................... 120
4.2.9. Список литературы и интернет-ресурсов .............................................. 120
Лабораторная работа 3. Обобщенный закон Ома. Измерение мощности 
и КПД источника тока в зависимости от величины внешнего сопротивления 
(сопротивления нагрузки) .......................................................................................121
4.3.1. Цель лабораторной работы ......................................................................121
4.3.2. Задачи лабораторной работы ...................................................................121
4.3.3. Краткие теоретические сведения .............................................................121
4.3.4. Описание ВЛС «Исследование мощности и КПД источника тока» ...... 126
4.3.5. Задания на выполнение лабораторной работы ...................................... 130
4.3.5.1. Задания для проведения измерений в ручном режиме .................. 130
4.3.5.2. Задания для проведения измерений в автоматическом режиме ....132
4.3.5.3. Математическое моделирование .......................................................132
4.3.6. Порядок выполнения работы ....................................................................133
4.3.6.1. Проведение измерений в ручном режиме ......................................133
4.3.6.2. Обработка результатов ручных измерений ......................................135
4.3.6.3. Проведение измерений в автоматическом режиме ........................136
4.3.6.4. Обработка результатов автоматических измерений .......................141
4.3.7. Контрольные вопросы ...............................................................................142

Содержание
6

4.3.8. Требования к оформлению отчета ............................................................142
4.3.8.1. Содержание отчета по лабораторной работе при проведении 
измерений в ручном режиме ..........................................................................142
4.3.8.2. Содержание отчета по лабораторной работе при проведении 
измерений в автоматическом режиме ............................................................143
4.3.8.3. Содержание отчета по лабораторной работе при проведении 
исследований средствами математического моделирования ......................143
4.3.9. Список литературы и интернет-ресурсов ...............................................144
Лабораторная работа 4. Переходные процессы. Изучение процессов 
в цепи с конденсатором ..........................................................................................144
4.4.1. Цель лабораторной работы ......................................................................144
4.4.2. Задачи лабораторной работы...................................................................144
4.4.3. Краткие теоретические сведения .............................................................145
4.4.3.1. Переходные процессы. Квазистационарные токи ...........................145
4.4.3.2. Переходные процессы. Разрядка конденсатора .............................145
4.4.3.3. Переходные процессы. Заряд конденсатора ..................................147
4.4.4. Описание ВЛС «Переходные процессы в цепи с конденсатором» ..... 150
4.4.5. Задания на выполнение лабораторной работы .......................................153
4.4.5.1. Задания для проведения измерений в автоматическом режиме ....153
4.4.5.2. Математическое моделирование .......................................................154
4.4.6. Порядок выполнения работы ....................................................................154
4.4.6.1. Проведение измерений в автоматическом режиме ........................154
4.4.5.2. Обработка результатов автоматических измерений........................158
4.4.6. Контрольные вопросы ...............................................................................159
4.4.7. Требования к оформлению отчета ............................................................159
4.4.7.1. Содержание отчета по лабораторной работе при проведении 
измерений в автоматическом режиме ............................................................159
4.4.7.2. Содержание отчета по лабораторной работе при проведении 
исследований средствами математического моделирования ..................... 160
4.4.8. Список литературы и интернет-ресурсов .............................................. 160
Лабораторная работа 5. Переходные процессы. Изучение процессов 
в RL-цепи с индуктивностью .................................................................................... 161
4.5.1. Цель лабораторной работы ..................................................................... 161
4.5.2. Задачи лабораторной работы .................................................................. 161
4.5.3. Краткие теоретические сведения ............................................................ 161
4.5.3.1. Переходные процессы. Квазистационарные токи .......................... 161
4.5.3.2. Переходные процессы. Токи при замыкании цепи  ........................ 162
4.5.3.3. Переходные процессы. Размыкание цепи ....................................... 164
4.5.4. Описание ВЛС «Переходные процессы в цепи с индуктивностью» .... 166
4.5.5. Задания на выполнение лабораторной работы ...................................... 170
4.5.5.1. Задания для проведения измерений в автоматическом режиме ... 170
4.5.5.2. Математическое моделирование .......................................................171
4.5.6. Порядок выполнения работы ........................................................................171
4.5.6.1. Проведение измерений в автоматическом режиме ........................171

Содержание

4.5.6.2. Обработка результатов автоматических измерений .......................175
4.5.7. Контрольные вопросы .............................................................................. 176
4.5.8. Требования к оформлению отчета ........................................................... 176
4.5.8.1. Содержание отчета по лабораторной работе при проведении 
измерений в автоматическом режиме ........................................................... 176
4.5.8.2. Содержание отчета по лабораторной работе при проведении 
исследований средствами математического моделирования ......................177
4.5.9. Список литературы и интернет-ресурсов ...............................................177
Лабораторная работа 6. Полупроводниковые приборы. Изучение диода .......178
4.6.1. Цель лабораторной работы ......................................................................178
4.6.2. Задачи лабораторной работы ..................................................................178
4.6.3. Краткие теоретические сведения .............................................................178
4.6.3.1. Строение полупроводников. Зонная теория ....................................178
4.6.3.2. Собственная проводимость ...............................................................181
4.6.3.3. Примесная проводимость  .................................................................183
4.6.3.4. P-n-переход в полупроводниках ........................................................186
4.6.3.5. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода ................................187
4.6.3.6. Сопротивление диода........................................................................ 191
4.6.4. Описание ВЛС «Изучение полупроводникового диода» .......................193
4.6.5. Задания на выполнение лабораторной работы ...................................... 197
4.6.5.1. Задания для проведения ручных измерений ................................... 197
4.6.5.2. Математическое моделирование ......................................................198
4.6.5.3. Задания для проведения измерений в автоматическом режиме ....198
4.6.6. Порядок выполнения работы ....................................................................198
4.6.6.1. Проведение измерений в ручном режиме ......................................198
4.6.6.2. Обработка результатов ручных измерений .................................... 200
4.6.6.3. Проведение измерений в автоматическом режиме ....................... 201
4.6.6.4. Обработка результатов автоматических измерений .......................205
4.6.7. Контрольные вопросы ...............................................................................205
4.6.8. Требования к оформлению отчета ........................................................... 206
4.6.8.1. Содержание отчета по лабораторной работе при проведении 
измерений в ручном режиме ......................................................................... 206
4.6.8.2. Содержание отчета по лабораторной работе при проведении 
измерений в автоматическом режиме ........................................................... 206
4.6.8.3. Содержание отчета по лабораторной работе при проведении 
исследований средствами математического моделирования ..................... 207
4.6.9. Список литературы и интернет-ресурсов ...............................................208
Лабораторная работа 7. Электрические колебания. Свободные 
затухающие колебания в RLC-контуре .....................................................................208
4.7.1. Цель лабораторной работы ......................................................................208
4.7.2. Задачи лабораторной работы ..................................................................208
4.7.3. Краткие теоретические сведения ............................................................ 209
4.7.3.1. Колебательный контур. Квазистационарные токи ........................... 209
4.7.3.2. Свободные колебания в LC-контуре ................................................. 209

Содержание
8

4.7.3.2. Свободные затухающие колебания в RLC-контуре ...........................214
4.7.4. Описание ВЛС «Изучение затухающих электрических колебаний» ..... 219
4.7.5. Задание на выполнение лабораторной работы ......................................224
4.7.5.1. Задания для проведения измерений в ручном режиме ...................224
4.7.5.2. Задания для проведения измерений в автоматическом режиме ....224
4.7.5.3. Математическое моделирование .......................................................225
4.7.6. Порядок выполнения работы ....................................................................225
4.7.6.1. Проведение измерений в ручном режиме ......................................225
4.7.6.2. Обработка результатов ручных измерений ......................................229
4.7.6.3. Проведение измерений в автоматическом режиме ........................230
4.7.6.4. Обработка результатов автоматических измерений ...................... 240
4.7.7. Контрольные вопросы ...............................................................................242
4.7.8. Требования к оформлению отчета ............................................................242
4.7.8.1. Содержание отчета по лабораторной работе при проведении 
измерений в ручном режиме ..........................................................................242
4.7.8.2. Содержание отчета по лабораторной работе при проведении 
измерений в автоматическом режиме ............................................................244
4.7.8.3. Содержание отчета по лабораторной работе при проведении 
исследований средствами математического моделирования ......................246
4.7.9. Список литературы и интернет-ресурсов ...............................................246
Лабораторная работа 8. Электрические колебания. Последовательный 
RLC-контур .................................................................................................................247
4.8.1. Цель лабораторной работы ......................................................................247
4.8.2. Задачи лабораторной работы ...................................................................247
4.8.3. Краткие теоретические сведения .............................................................247
4.8.3.1. Метод векторных диаграмм ................................................................247
4.8.3.2. Вынужденные электрические колебания в колебательном 
контуре ..............................................................................................................249
4.8.3.3. Определение добротности RLC-контура ...........................................257
4.8.4. Описание ВЛС «Изучение последовательного RLC-контура» ................ 260
4.8.5. Задания на выполнение лабораторной работы .......................................265
4.8.5.1. Задания для проведения измерений в ручном режиме ...................265
4.8.5.2. Задания для проведения измерений в автоматическом режиме ... 267
4.8.5.3. Математическое моделирование ...................................................... 267
4.8.6. Порядок выполнения работы ....................................................................268
4.8.6.1. Проведение измерений в ручном режиме ......................................268
4.8.6.2. Обработка результатов ручных измерений ..................................... 269
4.8.6.3. Проведение измерений в автоматическом режиме ........................271
4.8.6.4. Обработка результатов автоматических измерений .......................279
4.8.7. Контрольные вопросы ...............................................................................282
4.8.8. Требования к оформлению отчета ............................................................282

Содержание

4.8.8.1. Содержание отчета по лабораторной работе при проведении 
измерений в ручном режиме ..........................................................................282
4.8.8.2. Содержание отчета по лабораторной работе при проведении 
измерений в автоматическом режиме ............................................................284
4.8.8.3. Содержание отчета по лабораторной работе при проведении 
исследований средствами математического моделирования ......................286
4.8.9. Список литературы и интернет-ресурсов ...............................................286
Лабораторная работа 9. Переменный ток. Определение реактивного 
и полного сопротивлений цепи переменного тока ..............................................287
4.9.1. Цель лабораторной работы ......................................................................287
4.9.2. Задачи лабораторной работы ..................................................................287
4.9.3. Краткие теоретические сведения .............................................................287
4.9.3.1. Переменный ток. Квазистационарные токи ......................................287
4.9.3.2. Активное сопротивление в цепи переменного тока .......................288
4.9.3.3. Конденсатор в цепи переменного тока ........................................... 291
4.9.3.4. Катушка индуктивности в цепи переменного тока ...........................294
4.9.3.5. Последовательное соединение резистора, конденсатора 
и катушки индуктивности в цепи переменного тока ......................................297
4.9.3.6. Применение метода векторных диаграмм  ......................................298
4.9.3.7. Резонанс напряжений ........................................................................ 301
4.9.4. Описание ВЛС «Определение сопротивлений цепи переменного 
тока» .......................................................................................................................304
4.9.5. Задания на выполнение лабораторной работы .......................................308
4.9.5.1. Задания для проведения измерений в ручном режиме ...................308
4.9.5.2. Задания для проведения измерений в автоматическом 
режиме ............................................................................................................. 310
4.9.5.3. Математическое моделирование .......................................................311
4.9.6. Порядок выполнения работы ....................................................................311
4.9.6.1. Проведение измерений в ручном режиме ......................................311
4.9.6.2. Обработка результатов ручных измерений .....................................314
4.9.6.3. Проведение измерений в автоматическом режиме ........................315
4.9.6.4. Обработка результатов автоматических измерений .......................322
4.9.7. Контрольные вопросы ...............................................................................324
4.9.8. Требования к оформлению отчета ............................................................325
4.9.8.1. Содержание отчета по лабораторной работе при проведении 
измерений в ручном режиме ..........................................................................325
4.9.8.2. Содержание отчета по лабораторной работе при проведении 
измерений в автоматическом режиме ............................................................326
4.9.8.3. Содержание отчета по лабораторной работе при проведении 
исследований средствами математического моделирования ......................328
4.9.9. Список литературы и интернет-ресурсов ...............................................328

Содержание
10

 ГЛАВА 5

Программное и методическое обеспечение 
для исследования физических явлений 
в электрических цепях с применением методов 
математического моделирования на ПЭВМ .....................330
5.1. Программное обеспечение для математического моделирования .............330
5.2. Виды анализа, применяемые при математическом моделировании 
физических явлений в электрических цепях  ..........................................................334
5.2.1. Анализ режима работы схемы по постоянному току ..............................334
5.2.2. Анализ режима по постоянному току при вариации источника 
постоянного напряжения или тока ......................................................................334
5.2.3. Анализ режима работы схемы во временной области ...........................337
5.2.4. Анализ режима работы схемы в частотной области ...............................339
5.2.5. Параметрический анализ ...........................................................................341
5.3. Методики исследования физических явлений в электрических цепях 
при помощи методов математического моделирования на ПЭВМ ......................345
5.3.1. Закон Ома. Обобщенная методика исследования на ПЭВМ 
зависимости тока от напряжения ........................................................................345
5.3.1.1. Измерение зависимости силы тока от разности потенциалов 
участка цепи ......................................................................................................346
5.3.1.2. Измерение зависимости силы тока от сопротивления участка 
цепи ....................................................................................................................346
5.3.2. Обобщенный Закон Ома. Методика моделирования на ПЭВМ 
измерения мощности и КПД источника тока .....................................................348
5.3.2.1. Измерение зависимости силы тока, полной мощности, 
мощности, выделенной во внешней цепи, КПД источника тока 
от сопротивления на внешнем участке цепи при постоянном 
значении внутреннего сопротивления ............................................................348
5.3.2.2. Измерение зависимости силы тока, полной мощности, 
мощности, выделенной во внешней цепи, КПД источника тока 
от сопротивления на внешнем участке цепи при постоянном 
значении ЭДС ....................................................................................................349
5.3.2.3. Измерение зависимости силы тока, полной мощности, 
полезной мощности от внешнего сопротивления для различных 
значений ЭДС  ...................................................................................................349
5.3.2.4. Измерение зависимости КПД от внешнего сопротивления  ...........349
5.3.3. Переходные процессы. Методика моделирования на ПЭВМ 
переходных процессов в цепи с конденсатором .............................................350
5.3.3.1. Измерение временной зависимости силы тока при постоянном 
значении сопротивления ..................................................................................351
5.3.3.2. Измерение временной зависимости силы тока при постоянной 
емкости ..............................................................................................................351

Содержание

5.3.4. Переходные процессы. Методика моделирования на ПЭВМ 
переходных процессов в цепи с индуктивностью ............................................352
5.3.4.1. Измерение временной зависимости силы тока при постоянном 
значении сопротивления ..................................................................................352
5.3.4.2. Измерение временной зависимости силы тока при постоянной 
индуктивности ...................................................................................................354
5.3.5. Полупроводниковые приборы. Методика исследования диода 
средствами математического моделирования на ПЭВМ...................................354
5.3.5.1. Измерение вольт-амперной характеристики 
полупроводникового диода ............................................................................354
5.3.6. Электрические колебания. Свободные затухающие колебания 
в RLC-контуре  ........................................................................................................356
5.3.6.1. Измерение зависимостей силы тока от времени 
при различных параметрах RLC-контура .........................................................357
5.3.7. Электрические колебания. Методика моделирования на ПЭВМ 
вынужденных электрических колебаний в RLC-контуре ....................................358
5.3.7.1. Измерение зависимостей амплитудных значений тока, 
напряжений на емкости, индуктивности и сопротивлении 
при различных параметрах RLC-контура .........................................................359
5.3.7.2. Измерение семейства резонансных кривых амплитудных 
значений силы тока при параметрах RLC-контура ......................................... 360
5.3.7.3. Измерение семейства резонансных кривых амплитудных 
значений напряжений на емкости, индуктивности и сопротивлении 
при различных параметрах RLC-контура .........................................................361
5.3.8. Переменный ток. Методика исследования активного индуктивного 
и емкостного сопротивления средствами моделирования на ПЭВМ ..............362
5.3.8.1. Измерение амплитудных значений силы тока, фазы
и полного сопротивления цепи переменного тока .......................................362
5.3.8.2. Измерение частотных зависимостей фазы и полного 
сопротивления цепи переменного тока .........................................................364

Заключение .............................................................................366

 ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Основные термины и определения ...................................368

 ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Компьютерные измерительные технологии ....................373
DataSocket .................................................................................................................373
Система LABVIEW .....................................................................................................373
Компьютерные измерительные технологии National Instruments .........................376

Содержание
12

 ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Примеры обработки экспериментальных данных .........383
П3.1. Пример обработки результатов прямых измерений ..................................383
П3.2. Пример нахождения частных производных .................................................385
П3.3. Пример обработки результатов косвенных измерений .............................386
П3.4. Пример использования метода наименьших квадратов .............................388
П3.5. Пример определения сопротивления участка цепи на основании 
экспериментальной вольт-амперной характеристики ......................................... 390
П3.6. Пример определения полной, полезной мощности и мощности, 
выделенной на внутреннем участке цепи ..................................................................... 393
П3.6.1. Полная мощность источника тока ..........................................................393
П3.6.2. Полезная мощность источника тока .......................................................395
П3.6.3. Мощность, выделенная на внутреннем участке цепи ...........................395
П3.7. Пример определения внутреннего сопротивления источника 
на основании экспериментальной зависимости полезной мощности 
от сопротивления нагрузки PR(R) .............................................................................397
П3.8. Пример определения внутреннего сопротивления источника 
на основании экспериментальной зависимости КПД от сопротивления 
нагрузки (R) ............................................................................................................ 400
П3.9. Пример определения времени релаксации для RC-цепи ...........................403
П3.10. Пример определения времени релаксации RL-цепи на основе 
экспериментальной зависимости I(t) .....................................................................405
П3.11. Пример определения внутреннего сопротивления диода ..................... 407
П3.12. Пример определения параметров затухающих колебаний .....................411
П3.13. Пример определения добротности последовательного RLC-контура 
по экспериментальной резонансной кривой UC0() ............................................413
П3.14. Пример определения резонансной частоты по экспериментальным 
АЧХ силы тока I() и частной зависимости полного сопротивления цепи 
переменного тока Z() ............................................................................................415

 ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Международная система единиц СИ 
(ОТ SI, фр. Systeme International D’unites – система 
интернациональная) ..............................................................419

Библио графический список ................................................426

Введение

Сегодня практически все области человеческой деятельности сталкиваются 
с быстро растущими проблемами, связанными с обработкой 
большого количества данных, получаемых средствами компьютерных 
технологий. Такие данные генерируются, например, аппаратно-программными 
комплексами различного назначения (промышленного, 
медицинского, научно-исследовательского, учебного и т. п.). В этой 
связи в повседневной деятельности появились специфические понятия, 
например такие, как e-tools, e-Science, e-Learning, которые соответственно 
обозначают «электронный инструментарий», «электронные 
научные исследования», «электронное обучение». Все эти понятия 
подразумевают широкое применение информационно-телекоммуникационных 
технологий, интернет-технологий, компьютерных измерительных 
технологий, которые приводят к организационным 
изменениям в соответствующих предметных областях. В частности, 
активное использование e-Science позволяет исследователю кардинально 
изменить методику проведения физических экспериментов, 
используя электронный инструментарий e-tools (приборную базу, интегрированную 
с информационными и компьютерными измерительными 
технологиями). Такая методика обеспечивает территориальное 
распределение научных коллективов, удаленный доступ к научному 
оборудованию, вычислительным и информационным ресурсам 
(в том числе к распределенным базам данных) и т. д. [1–4]. 
Таким образом, например, e-Science позволяет сегодня реализовывать 
процессы и системы различной сложности, визуализировать экспериментальные 
данные, прогнозировать и управлять данными, обеспечивая 
этим самым разнообразие научных подходов к решению исследовательских 
задач, способствовать развитию как отдельных научных подразделений, 
так и целых виртуальных научных организаций [5–8]. 
Применение e-tools в естественно-научных/физических исследованиях, 
по мнению авторов, открывает широкие возможности для ор-

Введение
14

ганизации работ с уникальным экспериментальным оборудованием 
в режиме удаленного доступа, обеспечивающего проведение интернет-
исследований физических объектов в режиме remotesensing (удаленного 
зондирования). В рамках развития данного направления все 
больше находит применение многопользовательский режим, позволяющий 
организовать как одновременное изучение образца различными 
пользователями на основе собственной траектории исследований, 
так и совместное исследование объекта группой ученых [9–11]. Многопользовательский 
режим находит также широкое применение при 
реализации различных методических подходов в рамках e-Learning.
Касаясь вопроса управления экспериментальным оборудованием 
по сетям Интранет/Интернет, следует отметить, что в настоящее 
время на базе компьютерных измерительных технологий (КИТ) 
разработан достаточно широкий спектр систем измерения и управления 
физическими параметрами различных объектов. В состав таких 
систем входят аппаратно-программные комплексы, созданные на 
основе унифицированных решений КИТ, включающие уникальные 
лабораторные установки, стенды и приборы, которые управляются 
непосредственно через ПЭВМ (см., например, [10–23, 30, 31, 35, 38]). 
Подобные системы находят применение при реализации различных 
методик в рамках e-Learning.
Таким образом, активное внедрение технологий e-tools, e-Science,
e-Learning кардинально меняет организационную и техническую составляющие 
современных специалистов, работающих в высокотехнологических 
отраслях, современных исследователей и студентов. 
В этой связи студентам очень важно освоить подобный инструментарий 
для уверенного вхождения в современные профессиональные 
сообщества.
В данной книге рассмотрены организационные, технические и методические 
вопросы выполнения лабораторных исследований на базе 
сетевого учебно-исследовательского аппаратно-программного комплекса «
Физика. Электродинамика» [22, 23], который представляет 
собой комплекс аппаратных, программных и методических средств, 
обеспечивающих регламентированное (авторизованный доступ, мониторинг 
выполнения лабораторных исследований и т. п.) проведение 
с удаленным доступом по сетям Интранет/Интернет в многопользовательском 
режиме (одновременная работа до 100 пользователей) 
лабораторных работ на физическом объекте (автоматизированном 
лабораторном макете). В качестве составных частей автоматизированный 
лабораторный макет (АЛМ) включает в себя:

Введение

 
однородный участок цепи; 
 
RC- и RL-цепи; 
 
последовательный колебательный контур; 
 
германиевый и кремниевый полупроводниковые диоды.
Книга состоит из пяти глав и комплекса приложений.
В 1-й главе приведены обобщенная схема построения распределенных 
информационно-измерительных систем (РИУС) и примеры 
их реализации для решения некоторых прикладных задач. 
Во 2-й главе рассмотрена структурная схема сетевого учебно-исследовательского 
аппаратно-программного комплекса (СУИАПК) 
«Физика. Электродинамика», приведено описание входящих в его 
состав аппаратных и программных компонентов.
В 3-й главе дается описание основных характеристик сетевой 
лаборатории «Физика. Электродинамика», сгруппированных в специализированные 
интерфейсы (для работы трех категорий пользователей): «
Рабочий стол студента», «Рабочий стол преподавателя» 
и «Рабочий стол администратора». Данные интерфейсы позволяют 
управлять:
 
траекторией выполнения экспериментальных исследований;
 
регламентированным доступом к методическим материалам;
 
выполнением отдельного исследования посредством АЛМ;
 
дополнительными сервисами: компьютерной проверкой знаний 
тестированием; доступом к дополнительным информационным 
материалам, с которыми связаны лабораторные исследования, 
и т. п. 
Глава 4 содержит методическое обеспечение девяти лабораторных 
работ, включающих в свой состав следующие экспериментальные исследования, 
выполняемые на основе СУИАПК «Физика. Электродинамика»: 
 
«
Изучение принципов обработки данных физического эксперимента» (
лабораторная работа 1); 
 
«Изучение закона Ома для однородного участка цепи» (лабораторная 
работа 2);
 
«Измерение мощности и КПД источника тока в зависимости 
от величины внешнего сопротивления (нагрузки)» (лабораторная 
работа 3); 
 
«Изучение переходных процессов в цепях с конденсатором и индуктивностью» (
лабораторные работы 4, 5);
 
«Изучение принципов работы полупроводникового диода» (лабораторная 
работа 6); 

Введение
16

 
«Изучение свободных затухающих и вынужденных колебаний 
в последовательном RLC-контуре» (лабораторные работы 7, 8);
 
«Определение реактивного и полного сопротивлений цепи переменного 
тока» (лабораторная работа 9). 
Методическое обеспечение каждой лабораторной работы включает 
в свой состав:
 
краткие теоретические сведения и задания на выполнение исследований;
 

задание на выполнение лабораторных экспериментальных исследований 
и исследований, выполняемых средствами математического 
моделирования; 
 
порядок проведения измерений средствами СУИАПК «Физика. 
Электродинамика»;
 
порядок обработки результатов измерений; 
 
требования к оформлению отчета для ручного и автоматического 
режимов, для варианта выполнения исследований средствами 
математического моделирования;
 
контрольные вопросы;
 
список литературы и интернет-ресурсов.
В главе 5 приведены методики моделирования основных режимов 
работы электрических цепей с применением системы OrCAD 16.6Lite, 
а также методики, ориентированные на исследования физических явлений 
посредством математического моделирования в электрических 
цепях, аналогичных рассматриваемым в ряде лабораторных работ.
В приложениях приведены: термины и определения; примеры, 
которые призваны помочь студентам в выполнении лабораторного 
практикума в части обработки и интерпретации результатов измерений 
физических величин; дополнительные материалы по технологиям 
National Instruments; справочные материалы (фундаментальные 
физические постоянные, Международная система единиц СИ и т. д.).
Ряд приложений и дополнительных материалов к книге опубликованы 
на интернет-ресурсах издательства «ДМК Пресс», в том 
числе:
 
электронный документ [23]: «Сетевой учебно-исследовательский 
аппаратно-программный комплекс “Физика. Электродинамика. 
Руководство  пользователя”»;
 
3D-модель конструкции автоматизированного лабораторного 
макета СУИАПК «Физика. Электродинамика», реализованная 
в программной среде Solid Works Drawings [http://www.
solidworks.ru/];

Введение

 
файлы-проекты (архив Physic.rar) для выполнения лабораторных 
исследований средствами математического моделирования (
см. п. 5.1) с применением демонстрационной версии системы 
OrCAD 16.6 Lite;
 
автобиографические данные ученых-физиков, имена которых 
упоминаются в тексте книги (источник: Универсальная научно-
популярная энциклопедия «Кругосвет
®», режим доступа: 
http://www.krugosvet.ru/).
Перечисленные выше материалы можно скопировать с интернет-
ресурсов издательства по ссылке http://dmkpress.com/files/
download/978-5-97060-153-2.rar. 
Для работы с демонстрационной версией системы OrCAD 16.6 Lite 
(сокращенно – OrCAD) необходимо пройти процедуру регистрации 
по адресу http://www.orcad.com/resources/orcad-lite-overview. После 
этого следует загрузить на ПЭВМ установочные файлы демонстрационной 
версии OrCAD.
По вопросам подключения к ресурсам сетевой лаборатории «Физика. 
Электродинамика» необходимо обращаться по адресу электронной 
почты: sarafanov@i-teco.ru. 
Техническое, программное, методическое и информационное 
обеспечение рассматриваемого в данной книге СУИАПК «Физика. 
Элект родинамика» и соответствующей сетевой лаборатории разработано 
коллективом авторов на основе десятилетнего опыта, связанного 
с разработкой и внедрением комплексных решений в области автоматизации 
экспериментальных исследований. В данном направлении 
им был разработан, апробирован и внедрен при организационной 
поддержке российского представительства National Instruments ряд 
аппаратно-программных комплексов с удаленным доступом [3, 9–10, 
26, 30–31, 49–50], унифицированных решений по выполнению научных 
и учебных исследований на базе специализированных сетевых 
лабораторий, которые могут комплексироваться в специализированный 
портал [3, 14, 17, 61–62]. В направлении проектирования многопользовательских 
распределенных измерительно-управляющих 
систем коллективом авторов разработан ряд моделей, методов и методик, 
обеспечивающих решение таких вопросов, как повышение показателей 
их функционирования, разработка систем в соответствии 
с заданными параметрами, унификация технических и программных 
решений и т. д. [3, 12, 15–16, 24–25, 27, 29, 32–33, 62].
В настоящее время в России остро стоит вопрос развития инновационного 
сектора экономики, в котором особое место занимают 

Введение
18

технические направления (машиностроение, радиоэлектроника, материаловедение 
и т. п.). При этом различные разделы физики являются 
фундаментом в данных направлениях. Изучение физических 
явлений, начиная со школы, с использованием в том числе описанного 
в данной книге СУИАПК, является наиболее гибким и системным 
подходом, охватывающим при этом и сами методы работы с современным 
оборудованием, базирующимся на интернет-технологиях. 
Описанные в данной книге лабораторные исследования могут 
быть рекомендованы не только студентам технических и естественно-
научных направлений вузов, но и студентам и учащимся профессиональных 
училищ, колледжей и общеобразовательных школ.
Студентам вузов и колледжей рекомендуется выполнение всего 
цикла лабораторных работ. При этом задания, связанные с математическим 
моделированием, могут носить необязательный характер.
Для учащихся профессиональных училищ рекомендуется выполнение 
лабораторных работ № 2–9. При этом можно исключить из заданий 
на выполнение лабораторных работ проведение исследований 
посредством математического моделирования.
Учащимся общеобразовательных школ рекомендуются лабораторные 
работы № 2–6. Методическое обеспечение данных работ (теоретические 
сведения, задание на выполнение лабораторной работы, 
требования к оформлению отчета) может быть упрощено, в том числе 
исключено задание в части проведения исследований посредством 
математического моделирования. Часть лабораторных исследований 
может быть выполнена факультативно.

АЛМ 
автоматизированный лабораторный макет
АЛП  
автоматизированный лабораторный практикум
АЛП УД 
АЛП с удаленным доступом
АПК 
аппаратно-программный комплекс
АПК УД 
АПК с удаленным доступом
АЦП 
аналого-цифровой преобразователь
ВАХ 
вольт-амперная характеристика
ВЛП 
виртуальный лабораторный практикум
ВЛС 
виртуальный лабораторный стенд 
ИУС 
измерительно-управляющая система 
ИЭТР 
интерактивное электронное техническое руководство
КИТ 
компьютерные измерительные технологии
КПД 
коэффициент полезного действия
ОИ  
объект исследования
ОМ  
объектный модуль
ПК  
персональный компьютер
ПО  
программное обеспечение
ПУ  
программируемый усилитель
ПЭВМ 
персональная электронно-вычислительная машина
РИУС 
распределенная измерит ельно-управляющая система
СУИАПК 
сетевой 
учебно-исследовательский 
аппаратно-программный 
комплекс 
ЦУ  
цифровое устройство
ЭДС 
электродвижущая сила

Список 
сокращений

Список сокращений
20

DAQmx 
последняя версия драйвера NI-DAQ с новыми функциями 
и инструментами для управления измерительными 
устройствами
DataSocket протокол обмена, поддерживаемый LabVIEW, для совместного 
использования динамически меняемых данных

IP  
Internet Protocol (интернет-протокол)
LabVIEW 
Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench 
(среда разработки и платформа для выполнения программ, 
созданных на графическом языке программирования «
G» фирмы National Instruments (США))
NI  
National Instruments