实验15：练习使用示波器.doc

实验十五：练习使用示波器【实验播放】1、实验目的： (1)了解示波器面板上各个旋钮和开关的名称、作用，练习使用示波器； (2)了解示波器的工作原理，利用示波器观察波形； (3)加深对带电粒子在电场中运动的理解。2、实验原理： 示波器是一种常用的观察波形的电子仪器，利用它能直接观察电讯号随时间变化情况，对一些能够转化为电压变化的非电学量的波形如速度、压力等物理量也可以在示波器的荧光屏上进行观察 示波器的核心结构是示波管原理。图1 为示波管的构造图，它由电子枪、偏转电极和荧光屏组成当偏转电极XX和YY不加电压时，电子枪发射出的电子打在荧光屏上，会在那里产生一个亮点若在偏转电极YY上加电压，电子将在竖直方向上发生偏转，若在XX上加电压，电子将在水平方向上发生偏转，从而使亮斑的位置发生改变，当所加电压恒定时，亮斑的位置是固定的当所加电压变化时，亮斑的位置是移动的，如果所加电压变化很快，那么亮斑的位置变化就会很快，于是我们会看到条亮线如果所加电压是周期性变化的，则荧光屏上显示的亮线也将随周期发生变化. 图2为J2459型示波器的面板，荧光屏右边最上端的是辉度调节旋钮，标以“”符号，用来调节光点和图像的亮度顺时针旋转旋钮时，亮度增加 接下来两个是聚焦调节旋钮“”和辅助聚焦调节旋钮“”，这两个旋钮配合着使用，能使电子射线会聚，在荧光屏上产生一个小的亮斑，得到清晰的图像 往下是电源开关和指示灯，用后盖板上的电源插座接通电源后，把开关扳向“开”的位置，指示灯亮，经过一两分钟的预热，示波器就可以使用了 荧光屏下边第一行左、右两端的旋钮是竖直位移旋钮“”和水平位移旋钮“”，分别用来调整图像在竖直方向和水平方向的位置它们中间的两个旋钮是“Y增益”和“X增益”，分别用来调整图像在竖直方向和水平方向的幅度，顺时针旋转时，幅度继续增大 中间一行左边的大旋钮是衰减调节旋钮，它有1、10、100、1000四挡，最左边的“1”挡不衰减，其余各挡分别可使输人的电压衰减为原来的、因此图像在竖直方向的幅度都减小为前一挡的最右边的正弦符号“ ”挡不是衰减，而是由示波器内部提供竖直方向的交流试验信号电压，可用来观察正弦波形或检查示波器是否正常工作中间一行右边的大旋钮是扫描范围旋钮，可以改变加在水平方向的扫描电压的频率范围，左边第一挡是10Hz，向右旋转每升高一挡，扫描频率都增大10倍，最右边的是“外X”挡，使用这一挡时，机内没有加扫描电压，水平方向的电压可以从外部输入 中间的小旋钮是扫描微调旋钮，用来调整水平方向的扫描频率，顺时针转动时频率连续增加 底下一行中间的旋钮“Y输入”、“X输入”和“地”分别是竖直方向、水平方向和公共接地的输入接线柱左边的“DC、AC是竖直方向输入信号的直流、交流选择开关，置于“DC位置时，所加的信号电压是直接输入的；置于“AC位置时，所加信号电压是通过一个电容器输入的，它可以让交流信号通过而隔断直流成分右边的“同步”也是一个选择开关，置于“+”位置时，扫描由被测信号正半周起同步，置于“-”位置时，扫描由负半周起同步这个开关主要在测量较窄的脉冲信号时起作用，对于正弦波、方波等，无论扳到“+”或“-”，都能很好地同步，对测量没有影响3、实验器材 示波器、信号源、电源、滑动变阻器、电键、导线若干。4、实验步骤 (1)观察荧光屏上的亮斑并进行调节a先把辉度调节旋钮逆时针转到底，竖直位移旋钮和水平位移旋钮转到中间位置，衰减调节旋钮置于1000挡，扫描范围旋钮置于“外X”挡 b打开电源开关，等一两分钟(预热)后，顺时针旋转辉度调节旋钮，屏上即出现一个亮斑，调节该旋钮，使亮斑的亮度适中 c旋转聚焦调节旋钮和辅助聚集调节旋钮，观察亮斑的变化情况，并使亮斑最圆、最小 d旋转垂直位移旋钮，观察亮斑上下移动的情况；旋转水平位移旋钮，观察亮斑左右移动的情况调节这两个旋钮，使亮斑位于荧光屏中心 (2)观察扫描并进行调节 a把X增益旋钮顺时针转到处，扫描微调旋钮逆时针转到底，扫描范围旋钮置于10Hz挡，可看到扫描的情形 b顺时针旋转扫描微调旋钮，可看到亮斑移动速度加快，直至成为一条亮线 c调节X增益旋钮，可以看到亮线长度随之改变 (3)观察亮斑在竖直方向的偏移并进行调节 a将扫描范围旋钮置于“外X”挡，交直流选择开关拨到“DC”位置 b按图3连接电路 c将滑动变阻器的滑片P滑至适当位置后闭合开关，把衰减调节旋钮逆时针依次转到100、10和1挡，观察亮斑向上移的情况 d调节Y增益旋钮，使亮斑偏移一段适当的距离，再调节滑动变阻器，观察亮斑偏移的距离随输入电压变化的情况 e调换电池正负级，可以看到亮斑改为向下偏移 (4)观察按正弦规律变化的电压的变化图线 a将扫描范围旋钮置于10Hz挡，衰减调节旋钮置于 挡b调节扫描微调旋钮，使屏上出现完整且稳定的正弦曲线 c调节Y增益(或X增益)旋钮，观察曲线形状沿竖直(或水平)方向的变化情况 d调节竖直(或水平)位移旋钮，观察曲线整体在竖直(或水平)方向上的移动情况 (5)观察交变电压整流后的图线 a调节学生电源的电压选择开关，使其输出的交变电压为2V，再按图4连接电路 b衰减调节旋钮至10挡。接通学生电源开关，屏上便呈现出R两端的电压图(若不稳定，调节扫描微调旋钮即可)，调节有关旋钮，使图像幅度大小适当 c断开学生电源开关，在A、B间串入二极管，如图5所示 d接通学生电源开关，可看到经二极管整流后的电压的图线，把它与整流前的图线相比较 (6)关机 将辉度调节旋钮逆时针转到底，再断开电源开关5、数据处理 波形图上一定的幅度代表一定的电压值，衰减调节旋钮的1、10、100、1000四挡，最左边的“1”挡显示的是不衰减的情形，其余各挡分别可使输人的电压衰减为原来的、因此图像在竖直方向的幅度都减小为前一挡的 6、注意事项 (1)示波器的使用电压在22010V之间，超出这个范围将影响仪器工常工作当电源电压波动比较大时，最好采用交流稳压措施后再使用 (2)示波器机箱与机内电路接地点相连接，为了安全及减少外界环境对仪器的干扰，应将仪器机壳接地可用带接线焊钩的黑色导线，将示波器面板上的接地柱和实验桌上的接地接线柱相连接。如果实验室装有带地线的三孔安全电源插座，则可以将示波器电源线二脚插头换成三脚插头，另加一根黑色导线将三脚插头外壳和三脚插头地脚相连接机壳不接地也可以使用，这时外部感应将使示波器的噪音干扰略增大一些 (3)测试信号转人线最好采用带有“香蕉”插头的高频屏蔽线或单股线，输入线尽量短一些，将“香蕉”插头分别插人示波器Y输入与地接线柱及信号输出仪器接线柱如果要检查实验电路某点的波形；输入线测试端可接一对带套管的“鳄鱼”夹或测试棒比较方便如果测试点电压较高，最好应先切断被测电路电源，接好测试点再进行测试否则应特别注意安全，站在适当的绝缘物上，单手进行操作 (4)使用示波器时应注意辉度适中不宜过亮，且光点不应长期停留在一点上，以免损坏荧光屏还应避免在阳光直射荧光屏的情况下工作，关机前应先将辉度关灭 (5)示波器应避免在强磁场环境中工作，因为外磁场会引起显示的波形失真 (6)使用示波器时，接人输入端的电压不应超过说明书规定的最大输出耐压400(DC+ACPP)如果信号为直流，则应小于400；如果信号为直流加交流，则其直流和交流峰值之和应小于400V特别要注意：当Y衰减开关放到l挡时，应防止过大的被测信号加入输入端，以免损坏仪器 (7)使用仪器时，扳动面板控制器时要轻，当到达极限位置时不要硬扳，以免损坏仪器搬动时要轻拿轻放，防止碰撞 (8)仪器用毕后应罩上防尘罩，放在阴凉、干燥、通风的地方存放满3个月没有使用的仪器应开机通电lh，以防止电解电容失效，同时起到加热去潮的作用7、误差分析 本实验的误差主要是由仪器的灵敏度的操作不当所引起。【试题解析】 例1 如图6甲所示为示波器面板，图乙为一信号源(1)若要观测此信号源发出的正弦交流信号的波形，应 将信号源的a端与示波器面板上的 接线柱相连，b端与 接线柱相连(2)若示波器所显示的输入波形如图丙所示，要将波形上移，应调节面板上的 旋钮；要使此波形横向展宽，应调节 旋钮；要使屏上能够显示3个完整波形，应调节 旋钮解析 应熟练掌握示波器控制面板上各旋钮的功能并能进行操作 (1)要观测的信号源应接在“Y输入”和“地”之间 (2)调节波形的位置上移，应调节竖直位移旋钮，要增加波形横向幅度，应调节“X增益”旋钮；要改变波形的个数，应调节“扫描范围”和“扫描微调旋钮”综上所述，本题的的答案为：(1)Y输入 地 (2)竖直位移(或“”或“6”) X增益 扫描范围和扫描微调 例2 如图7是一个说明示波管工作的部分原理图，电子每经过加速后以速度v0垂直进入偏转电场，离开偏转电场时偏移量为h，两平行板间距为d，电压为U，板长为L，每单位电压引起的偏移量叫做示波管的灵敏度为了提高灵敏度，可采用的办法是 A增加两板间电势差U B尽可能缩短板长L C尽可能减小板间距d D使电子的入射速度v0大些解析 电子进入偏转电场，在垂直场强方向做匀速直线运动，有t=，电子在沿场强方向做匀加速运动，有a=，则偏转距离为：h=at2=，解得：=。选项C正确【实验拓展】1示波器与带电粒子在电场中的运动相结合 例2 如图8所示，图是示波管的原理图，它是由电子枪，竖直偏转电极YY、水平偏转电极XX和荧光屏组成、电子枪发射的电子打在荧屏上将出现亮点若亮点很快移动，由于视觉暂留关系，能在荧光屏看到一条亮线(1)如果只在偏转电极YY上加上如图所示Uy=Umsint的电压，试由图证明荧光屏上亮点的偏移也将按正弦规律变化，即y=ymsint，并在荧光屏图画出所观察到的亮线的形状(设偏转电压频率较高)(2)如果只在偏转电极XX上加上如图所示的电压，试在图上画出所观察到的亮线的形状 (3)如果在偏转电极YY上加上Umsint的电压，同时在偏转电极XX上加上图所示的电压，试在图上画出观察到的亮线的形状解析 设电子经电子枪加速后进入偏转电极YY的速度为v0，偏转电极的电压为Uy，板间距为d，板长L，可得：a=，L=v0t，y=at2即电子在电场中的偏转距离为：y=电子离开电场时偏转角度设为，则：tan=电子离开电场后做匀速直线运动，打在荧光屏上，出现亮斑，设荧光屏到偏转电极YY右侧的距离为L，那么亮点在荧光屏上偏转的距离为：y=y+Ltan=(+)Umsint即y=ymsint，式中ym=(+)Um(1)观察到的图形如图(2)如图中(3)如图中2用示波器测量电压 例2 用示波器可以测量直流电压当输入电压为50mV时，亮斑恰好偏移一格，以此作为标准，就可以根据亮斑偏移的格数来计算出电压值现要测量一节干电池的电压，(1)试写出操作步骤，(2)将“衰减”旋钮分别处于“10”“100”挡时，亮斑偏移的格数n分别为多少(设一节干电池的电压为1.5V)?解析 (1)测量的步骤如下：做好预热准备、调好聚焦按图9所示，将干电池正极与“Y输入”相连，将干电池的负极与示波器的“地”相连 把扫描范围旋钮置于“外X”处，“DC”“AC开关置于“DC”位置。 调节水平位移“”、竖直位移“”，使光点位于荧光屏中心。 将“衰减”旋钮置于“10”，观察亮斑偏移屏中心的格数 将“衰减”旋钮置于“100，观察亮斑偏移屏中心的格数 重复、步骤再将观察结果记录在自己设计的表格中 (2)当“衰减”旋钮置于“10挡时，按照公式U=n5010(衰减倍数)(mV)，n=3，即光斑在屏上向上调移中心3格 当“衰减”旋钮置于“100挡时，依上公式可知n=0.3(格)，即光斑在屏上向上调移中心0.3格【考点训练】1如果仅在示波器的偏转电极XX上加扫描电压，使亮斑在水平方向上这样运动，亮斑从一侧匀速地运动到另一侧，然后迅速返回原处，再匀速地移向另一侧，如此反复继续，则扫描电压随时间的变化规律是图 中的 ( )2本实验中，某同学欲按要求先在荧光屏上调出亮斑，为此，他进行了如下操作：首先将辉度调节旋钮逆时针旋转到底，竖直位移和水平位移旋钮转到某位置，将衰减调节旋钮置于1000挡，扫描范围旋钮置于“外X”挡，然后打开电源开关(指示灯亮)，过了2min后，顺时针旋转辉度调节旋钮，结果屏上始终无亮斑出现(示波器完好)那么，他应调节下列哪个旋钮才能在屏上出现亮斑 ( ) A竖直位移旋钮 B水平位移旋钮 C聚集调节旋钮 D辅助聚集旋钮3用示波器观察某电压信号时，发现屏上的图像不稳定那么怎样调节才能使图像稳定?4欲使屏上出现一条竖直亮线，应怎样调节示波器?5利用示波器观察按正弦规律变化的电压图线，如需在荧光屏上出现从正半周开始的正弦曲线，则需 ( ) A调节Y增益旋钮 B调节X增益旋钮 C把同步极性选择开关置于“+”位置 D把同步极性选择开关置于“-”位置6观察电子束的水平扫描过程中，下列叙述中正确的是( ) A应在荧光屏上已出现调好的亮斑，“Y输入、X输入、地”不接信号的情况下进行观察 BX增益应顺时针转过一定角度，扫描频率范围旋钮置于最低挡，且扫描微调旋钮应逆时针转到底 C在扫描频率最低时，看到的现象是亮斑从左向右匀速移动，到右端又很快回到左端，周而复始 D若将扫描范围旋钮置于第二挡，看到的将是一条水平亮线而不是移动的光斑7如图 甲所示，利用示波器观察亮斑在竖直方向的偏移时，下列说法正确的是( ) A示波器的扫描范围应置于“外X”挡 B“DC”“AC”开关应置于“DC”位置 C当亮斑如图中 乙所示时，将 甲图中滑动变阻器滑片向左移动，则A点向下移 D改变图 甲中电池的极性，图 乙中的亮斑将向下偏移 8在没有输入电压的情况下 (1)若将图 中所示荧光屏的图像由甲图变为乙图，应调节什么旋钮?(2)要使乙图中的亮斑变成亮线如何调节?(3)要使乙图中的亮线变长应如何调节?9为了用示波器观察如图 所示的信号电压，必须( ) A将“DC、AC”开关置于“DC”位置 B将扫描范围旋转钮转到第三挡 C将此信号电压接到“X输入、地”之间 D将此信号电压接到“Y输入、地”之间10调节好亮斑后，保持扫描范围旋钮在“外X”挡(1)在“X输入、地”、之间加如图 丙所示的电压，在“Y输入、地”之间加如图乙所示的电压，屏上将出现什么曲线? (2)在“X输入、地”、“Y输入、地”之间分别加上如图 甲、乙所示的电压，屏上将出现什么曲线? (3)在“X输入、地”、“Y输入、地”之间加上如图 甲所示的电压，屏上将出现什么曲线？【答案与提示】1根据不同时刻进入XX偏转电极间电子所受电场力不同，其偏转情况不同，到达荧光屏上的位置也不同；因为光斑具有周期性，故C不可能，D中光斑在两侧之间往复匀速运动，而B中电压均为正值，光斑只能在X轴一侧移动，故应选A。2AB3先将扫描范围的旋钮置于合适的档位，再调节扫描微调旋钮。4在屏上已出现亮线(或亮斑)的前提下，将扫描范围旋钮置于“外X档”，衰减旋钮置于“ ”档。5C6ABCD7ABD8(1)先将“竖直位移”旋钮逆时针旋转，把光斑调到坐标原点(2)使光斑变成亮线应将“扫描范围”旋钮由“外X”挡调到较高频率挡(3)要使乙中亮线变长应将“X增益”旋钮顺时针旋转9BD10(1)余弦曲线 (2)圆或椭圆 (3)倾斜直线- 9 -