突破示波器几个重难点的方法

突破示波器几个重难点的方法突破示波器几个重难点的方法 湖北省丹江口市一中 汪新亮 湖北省江口市六里坪中学 周智勇 示波器的原理是高中物理比较难掌握的内容之一，学生不能理解的原因是学生没 有理解示波器为什么能够直接观察电信号随时间变化，扫描原理及扫描频率与完整波 形的关系，针对以上几个问题笔者设计以下教学过程，实践证明教学效果很好，现笔 者总结如下，希望对同学有所启发。 1 1为了让学生弄懂原理笔者采取类比的方法，先根据以下装置设计一些问题，并 现场演示所设计的问题。 装置，如图 1，把漏斗吊在支架上，下方放一块硬纸板，纸板上画一条直线， 漏斗静止不动时正好在纸板的正上方，在漏斗里装满细沙。 问：纸板不动，只有沙斗摆动看到什么现象？ 答：看到垂直的直线。 问：纸板沿匀速运动，沙摆不动看到什么现象？ 答：看到沿的直线。 问：沙摆摆动同时纸板沿匀速运动，看到什么现象？ 答：看到正弦或余弦图，即单摆的振动图像。因为沿移动的位移除以速度即为 时间。 问：以纸板为参照物沙摆怎样运动？ 答：沙摆同时参与两个方向的运动，即垂直方向的简谐运动和沿方向的匀 速直线运动。 问：如果纸板不动怎样得到相同的图形？ 答：沙摆摆动同时，使沙摆沿方向做匀速直线运动。 问：纸板长度一定，怎样使纸条上正好得到一副完整的正弦（余弦）图？二副完 整的正弦或余弦图？三副完整的正弦或余弦图？ 答：设纸板的长度一定，纸板从始点运动到终点时间为纸条运动周期，若纸板运 动周期是沙摆振动周期一倍正好得到一副完整的正弦或余弦图，若纸板运动周期是沙 摆振动周期二倍正好得到二副完整的正弦或余弦图，若纸板运动周期是沙摆振动周期 三倍正好得到三副完整的正弦或余弦图。 补充：纸板运动的周期是沙摆周期的 n 倍就在纸板条上得到 n 个完整的正弦（余 弦）波形。或沙摆频率是纸板频率 n 倍就在纸板上得到 n 个完整的正弦（余弦）波形。 2 2示波器工作原理与沙摆类似，它的工作原理可等效成下列情况：如图 2，真空 室中电极 K 发出电子经过加速电场后，由小孔沿水平金属板间的中心线射入板中。在 两板间加上如图 3 所示的正弦交流电压，竖直偏转位移与偏转电压的关系 ，在两极板右侧且与右侧相距一定距离与两板中心线（图中虚 线）垂直的荧光屏，中心线正好与屏上坐标原点相交。 如果前半个周期内 B 板的电势高于 A 板的电势，电场全部集中在两板之间，且分 布均匀。在每个电子通过极板的时间内，电场视作恒定的，电子在竖直方向按正弦规 律上下移动。 问：荧光屏不动，只在竖直方向加正弦电压看到什么现象？ 答：看到沿 y 轴的一条直线。由于视觉暂留和荧光物质的残光特性，电子打的径 迹可显示出来。 当第一个电子到达坐标原点时，使屏以速度 v 沿负 x 方向运动，每经过一定时间 后，在一个极短的时间内它跳回到初始位置，然后重新做同样的匀速运动。 问：在 y 轴上不加电压，使屏以速度 v 沿负 x 方向运动看到什么现象？ 答：水平直线 问：在竖直方向加正弦电压，同时使屏以速度 v 沿负 x 方向运动，看到什么现象？ 答：看到正弦图，这样荧光屏上亮斑的位置变化就反映了所加电信号的变化规律。 因为沿 x 轴移动的位移除以速度即为时间。 问：以荧光屏为参照物电子怎样运动？ 答：电子同时参与两个方向的运动，即沿 y 轴方向的简谐运动和 x 沿方向的匀速 直线运动。 问：如果荧光屏不动怎样得到相同的图形？ 答：电子同时参与竖直方向简谐运动和水平方向的匀速直线运动。 问：要使荧光屏上始终显示一个完整的波形，荧光屏必须每隔多长时间回到初始 位置？答：荧光屏运动的周期等于信号电压的周期。 问：两个或三个完整波形呢？ 答：荧光屏运动的周期等于信号电压的周期两倍或三倍。 问：n 个呢？ 答：荧光屏运动的周期等于信号电压的周期 n 倍，则在荧光屏上显示 n 个完整波 形。 由于电子在竖直方向所加电压成正弦规律变化，故电子在竖直方向做简谐运动 （偏转位移与偏转电压成正比，书本上已证明），以荧光屏为参照物，电子同时在做 沿 x 轴正方向的匀速直线运动，学生很容易理解。故荧光屏上的图能反映信号随时间 变化的规律。 3 3事实上示波器中电子同时参与两种运动，即水平方向的匀速运动和竖直方向的 运动（由所加信号决定），怎样使电子在水平方向做匀速直线运动呢？ 偏转系统控制电子射线方向，使荧光屏上的光点随外加信号的变化描绘出被测信 号的波形。图 4 中，Y、和 X、两对互相垂直的偏转板组成偏转系统。两对偏转 板分别加上电压，使两对偏转板间各自形成电场，分别控制电子束在垂直方向和水平 方向偏转。水平偏转位移与偏转电压关系：。 偏转位移与偏 转电压成正比，要使电子在水平方向做匀速直线运动，水平偏转电压必须随时间均匀 增加，故水平偏转电压为图 5 所示： 只在 X、间加如图 5 所示电压，在 Y、不加电压时，光屏上的亮斑就从一边 匀速地水平移到另一边，然后迅速返回原处，再匀速地水平移到另一边，这个过程叫 扫描，当扫描电压的频率加快时，由于视觉暂留和荧光物质的残光特性，在荧光屏上 移动的亮斑看起来成了一条亮线。再在 Y、间加正弦（余弦）信号电压，电子就参 与了两种运动，即水平方向匀速直线运动，竖直方向简谐运动。由于视觉暂留和荧光 物质的残光特性，就在荧光屏上显示正弦（余弦）图，横坐标表示时间。 4 4练习巩固练习巩固 题题 1 1 在观察按正弦规律变化的电压图象时，只看到一个完整的正弦波形，现欲在 荧光屏上看到三个正弦波形，应调节（ ） A扫描频率旋钮 B扫描微调旋钮 C衰减旋钮 DX 增益旋钮 答案：答案：B 题题 2 2 如果只在示波器的 Y 接口上按照如图所示加一直流电压，荧光屏上显示什么 图像？如按图 6a 电路在 Y 接口上分别加上如图 b 所示的交流电压或锯齿电压，荧光屏 上呈现什么图像？ 答案：答案：加一直流电压，荧光屏上显示一个亮点，加上如图 6b 所示的交流电压或锯 齿电压，荧光屏上呈现竖直亮线。 题题 3 3 用示波器观察频率为 900Hz 的正弦电压信号。把该信号接入示波器 Y 输入。 当屏幕上出现如图 7 所示的波形时，应调节 钮。如果正弦波的