混沌现象研究

实验二十九混沌现象研究

长期以来，人们在认识和描述运动时，大多只局限于线性动力学描述方法，即确定的运动有一个完美确定的解析解。但是自然界在相当多情况下，非线性现象却起着很大的作用。1963年美国气象学家Lorenz在分析天气预报模型时，首先发现空气动力学中的混沌现象，该现象只能用非线性动力学来解释。于是，1975年混沌作为一个新的科学名词首次出现在科学文献中。从此，非线性动力学迅速发展，并成为有丰富内容的研究领域。该学科涉及非常广泛的科学范围，从电子学到物理学，从气象学到生态学，从数学到经济学等。混沌通常相应于不规则或非周期性，这是由非线性系统本质产生的。本实验将引导学生自己建立一个非线性电路，该电路包括有源非线性负阻、LC振荡器和RC移相器三部分；采用物理实验方法研究LC振荡器产生的正弦波与经过RC移相器移相的正弦波合成的相图（李萨如图），观测振动周期发生的分岔及混沌现象；测量非线性单元电路的电流—电压特性，从而对非线性电路及混沌现象有一深刻了解；学会自己制作和测量一个实用带铁磁材料介质的电感器以及测量非线性器件伏安特性的方法。【实验原理】

1、非线性电路与非线性动力学

实验电路如图30-1所示，图30-1中只有一个非线性元件R，它是一个有源非线性负阻器件。电感器L和电容器C2组成一个损耗可以忽略的谐振回路；可变电阻R0和电容器C1串联将振荡器产生的正弦信号移相输出。本实验所用的非线性元件R是一个五段分段线性元件。图30-2所示的是该电阻的伏安特性曲线，可以看出加在此非线性元件上电压与通过它的电流极性是相反的。由于加在此元件上的电压增加时，通过它的电流却减小，因而将此元件称为非线性负阻元件。

C2

R0

R C1

L

图29-2 非线性元件伏安特性

图29-1 非线性电路原理图

V（R）

图30-1电路的非线性动力学方程为：

C 1dt

dU C 1

=G(U C2-U C1)-gU C1 C 2

dt dU C 2

=G(U C1-U C2)+i L （30-1） L dt

di

L =-U C2 式中，U C1、U C2是C 1、、C 2上的电压，ｉL 是电感L 上的电流，G=1/R 0是电导，在图5中，ｇ为U 的函数，如果R 是线性的，g 是常数，电路就是一般的振荡电路，得到的解是正弦函数，电阻R 0的作用是调节C 1和、C 2的位相差，把C 1和C 2两端的电压分别输入到示波器的x ，y 轴，则显示的图形是椭圆。如果R 是非线性的，会看到什么现象呢？

电路中的R 是非线性元件，它的伏安特性如图4所示，是一个分端线性的电阻，整体呈现出非线性。gU C1是一个分段线性函数。由于g 总体是非线性函数，三元非线性方程组（1）没有解析解。若用计算机编程进行数据计算，当取适当电路参数时，可在显示屏上观察到模拟实验的混沌现象[见参考资料（6）]。

除了计算机数学模拟方法之外，更直接的方法是用示波器来观察混沌现象，实验电路如图5所示，图5中，非线性电阻是电路的关键，它是通过一个双运算放大器和六个电阻组合来实现的。电路中，LC 并联构成振荡电路，R 0的作用是分相，使J1和J2两处输入示波器的信号产生位相差，可得到x,y 两个信号的合成图形，双运放LF353的前级和后级正、负反馈同时存在，正反馈的强弱与比值R 3/R 0，R 6/R 0有关，负反馈的强弱与比值R 2/R 1，R 5/R 5有关。当正反馈大于负反馈时，振荡电路才能维持振荡。若调节R 0，正反馈就发生变化，LF353处于振荡状态，表现出非线性，从C ，D 两点看，LF353与六个电阻等效一个非线性电阻，它的伏安特性大致如图30-4所示。

2、有源非线性负阻元件的实现

图29-4 双运放非线性元件的伏安特性

图29-3 有源非线性器件

R5

R6

有源非线性负阻元件实现的方法有多种，这里使用的是一种较简单的电路采用两个运算放大器（一个双运放LF353）和六个配制电阻来实现，其电路如图3所示，它的伏安特性曲线如图4所示，实验所要研究的是该非线性元件对整个电路的影响，而非线性负阻元件的作用是使振动周期产生分岔和混沌等一系列非线性现象。实际非线性混沌实验电路如图30-5所示

3、名词解释

本名词解释引自参考资料2中的附录3 “简明词汇”。这些定义是描述性的，并非是标准数学定义，但有助于初学者对这些词汇的理解。这些词汇定义多数是按相空间作出的。

分岔：在一族系统中，当一个参数值达到某一临界值以上时，系统长期行为的一个突然变化。

混沌：①表征一个动力系统的特征，在该系统中大多数轨道显示敏感依赖性，即完全混沌。 ②有限混沌；表征一个动力系统的特征，在该系统中某些特殊轨道是非周期的，但大多数轨道是周期或准周期的。

【实验仪器】

实验用仪器如图6所示。非线性电路混沌实验仪由四位半电压表（量程0～19.999V ，分辩率1ｍV ）、-15V~0~+15V 稳压电源和非线性电路混沌实验线路板三部分组成。观察倍周期分岔和混沌现象用双踪示波器。

【实验内容】

一、必做内容

1、测量有源非线性电阻的伏安特性并画出伏安特性图

（1）由于非线性电阻是含源的，测量时不用电源，用电阻箱调节，伏安表

图29-5 非线性电路混沌实验电路

R6

R5

J 2(CH 2)

J 1(CH 1)

L

并联在非线性电阻两端，再和电阻箱串联在一起构成回路。

(2) 尽量多测数据点。

图29-6 实验装置

2、倍周期现象、周期性窗口、单吸引子和双吸引子的观察、记录和描述 将电容C 1和C 2上的电压输入到示波器的X ，Y 轴，先把R 0调到最小，示波器上可以观察到一条直线，调节R 0，直线变成椭圆，到某一位置，图形缩成一点。增大示波器的倍率，反向微调R 0，可见曲线作倍周期变化，曲线由一周期增为二周期，由二周期增为四周期……直至一系列难以计数的无首尾的环状曲线，这是一个单涡旋吸引子集，再细微调节R 0，单吸引子突然变成了双吸引子，只见环状曲线在两个向外涡旋的吸引子之间不断填充与跳跃，这就是混沌研究文献中所描述的 “蝴蝶”图象，也是一种奇怪吸引子，它的特点是整体上的稳定性和局域上的不稳定性同时存在。利用这个电路，还可以观察到周期性窗口，仔细调节R 0，有时原先的混沌吸引子不是倍周期变化,却突然出现了一个三周期图象，再微调R 0，又出现混沌吸引子，这一现象称为出现了周期性窗口。混沌现象的另一个特征是对于初值的敏感性。

观察并记录不同倍周期时UC 1--t 图和R 0的值。 二、选做内容

测量一个铁氧体电感器的电感量，观测倍周期分岔和混沌现象。 1、按图5所示电路接线。其中电感器L 由实验者用漆包铜线手工缠绕。可在线框上绕75—85圈，然后装上铁氧体磁芯，并把引出漆包线端点上的绝缘漆用刀片刮去，使两端点导电性能良好。也可以用仪器附带铁氧体电感器。

2、串联谐振法测电感器电感量。把自制电感器、电阻箱（取30.00Ω）串联，并与低频信号发生器相接。用示波器测量电阻两端的电压，调节低频信号发生器正弦波频率，使电阻两端电压达到最大值。同时，测量通过电阻的电流值I 。