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实验十五：练习使用示波器
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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220±10％V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①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③所示Uy=Umsinωt的电压，试由图②证明荧光屏上亮点的偏移也将按正弦规律变化，即y′=ymsinωt，并在荧光屏图④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⑤所示的电压，试在图⑥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Umsinωt的电压，同时在偏转电极XX′上加上图⑤所示的电压，试在图⑦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φ，则：tanφ==
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+L′tanφ=(+)Umsinωt
即y′=ymsinωt，式中ym=(+)Um
(1)观察到的图形如图④
(2)如图中⑥
(3)如图中⑦

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．
①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．
②把扫描范围旋钮置于“外X”处，“DC”“AC"开关置于“DC”位置。
③调节水平位移“”、竖直位移“↑↓”，使光点位于荧光屏中心。
④将“衰减”旋钮置于“10”，观察亮斑偏移屏中心的格数．
⑤将“衰减”旋钮置于“100'’，观察亮斑偏移屏中心的格数．
重复④、⑤步骤再将观察结果记录在自己设计的表格中
(2)①当“衰减”旋钮置于“10"挡时，按照公式U=n×50×10(衰减倍数)(mV)，n=3，即光斑在屏上向上调移中心3格．
②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
B．X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。
2．AB
3．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。
5．C
6．ABCD
7．ABD
8．(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．
9．BD
10．(1)余弦曲线 (2)圆或椭圆 (3)倾斜直线
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