示波器實驗指導書

1、上海電力學院物理實驗指導書所屬課程：大學物理實驗實驗名稱：示波器的使用及一音叉固有頻率的測定面向專業(yè)：全院理工科實驗室名稱：物理實驗室2006年2月一、實驗目的：.學會示波器的使用方法及各種用途。.學會使用示波器觀測電壓波形。.學會用示波器觀察李薩如圖形4通過觀察李薩如圖形，學會一種測量機械振動頻率的方 法，并加深對于相互垂直兩振動的合成理論的理解。二、實驗儀器、設備：名稱型號、規(guī)格備注通用示波器XJ4210A頻率儀XJ1631耳機線圈音叉和小錘三、原理摘要:（一）示波器的構造原理：示波器包括兩大部分：示波管與控制示波管工作的電路。示波器是呈喇叭型的玻璃泡，抽成真空，內部裝有電子槍，（由燈絲，

2、陰極，柵極以 及一組陽極所組成）和兩對相互垂直的偏轉板（Y偏轉板和X偏轉板），喇叭口的球面臂上涂 有熒光物質,構成熒光屏。電干推 一軒IS 電干推 一軒IS 判冒三缶-聚焦和輝度調節(jié):燈絲通電后熾熱，使陰極發(fā)熱而發(fā)射電子。由于陽極電位高于陰極， 所以電子被陽極加速。當電子撞擊到熒光屏上便會使熒光物質發(fā)光，在屏上就能看到一亮點。 改變陽極電位，可以使不同發(fā)射方向的電子恰好會聚在熒光屏某一點上，這種調節(jié)稱為聚焦。 柵板電位較陰極為低，改變柵板電位的高低，可以控制到達熒光屏電子的多少，甚至完全不 使電子通過，這稱為輝度調節(jié)，實際上就是調節(jié)熒光屏上亮點的亮暗。Y偏轉板是水平放置的兩塊電極。當Y偏轉板上

3、的電壓為零時，電子應正好射到熒光 屏的中點P。如果Y偏轉板加上電壓，則電子未受到電場作用，運動方向發(fā)生偏移。如果所 加的電壓不斷變化，則P點的位置也跟著在鉛垂線上移動，在屏上看到的是一條鉛直的亮線。 熒光屏上亮點在鉛直方向位移Y和加在Y偏轉板上的電壓V成正比。X偏轉板是垂直放置的兩塊電極。在X偏轉板加上一個變化的電壓，那么，熒光屏上 亮點在水平方向的位移X也與加在X偏轉板上電壓vx成正比，于是在屏上看到的是一條水 平的亮線。 X（二）示波器顯示波形的原理：在Y偏轉板上加上一個隨時間作正弦變化的電壓，V= V sint,同時在X偏轉板上 加上一個與時間成正比的鋸齒型電壓V，則在熒光屏上顯示的訊號

4、電壓V和時間t的正弦 關系曲線實際上是這兩個相互垂直的運1動（V=V sint和V）合成的軌跡。如果正弦波電壓與鋸齒型電壓的周期相同，正弦波到I點時，鋸齒波也正好到I點， 從而亮點描完整個正弦曲線。由于鋸齒波馬上復原，所以亮點又回到A點，開始周期的在同 一位置描出同一根曲線。這時看到這根曲線穩(wěn)定的停在熒光屏上；如果正弦電壓與鋸齒電壓 的周期稍有不同，則第二次描出的曲線將和第一次的曲線位置稍不重合，在熒光屏上看到的 圖形是不穩(wěn)定的或者圖形較復雜。如果掃描電壓的周期T是正弦電壓周期T的兩倍，在熒 光屏上便顯示出兩完整的正弦波。同理當T=3T時，屏上顯示出3個完整的波形，則示波器 顯示出n個完整而穩(wěn)

5、定的波形的條件是T=nT （n=1,2,3）式中n為熒光屏上所顯示出完整波形的數(shù)目；如果fY為加在Y偏轉板上的電壓的頻率（fY=1/TY）, fx為掃描電壓的頻率 （fx=1/Tx）,則 fY=nfX（n=1,2,3）。（三）李薩如圖形如果在X，Y偏轉板上同時加上正弦電壓，則亮點同時參與兩個相互垂直方向的諧振 動，亮點的運動軌跡是兩相互垂直的諧振動的合成結果。當兩相互垂直的諧振動的頻率之比 為整數(shù)比時，合成運動的軌跡是一個封閉的圖形稱之為李薩如圖形。N為平行于X軸的直線與圖形的切點數(shù)，N為平行于Y軸的直線與圖形的切點數(shù)，則 切點數(shù)與振動頻率有以下關系N/N=f/f ；如果已知f （或f）又從李

6、薩如圖形上測得切點X Y Y XXY數(shù)Nx和Ny，則可以利用此式求出fY（或fX）。四、實驗內容與步驟：示波器使用前的檢查與校準參見實驗室提供的XJ4210A示波器使用說明，弄清楚各個調節(jié)旋鈕的作用。 利用儀器內部提供的1V、1KHz校準信號用雙頭導線的紅線輸入到Y軸（對 示波器進行校準（v/div=0.2v , t/div=0.1ms，調節(jié)v/div中心紅鈕使屏幕上的 方波垂直幅度值為5格、調節(jié)t/div中心紅鈕使方波周期在水平軸上的寬度 為10格）并畫出圖形。觀察并測量穩(wěn)定的正弦曲線圖形將示波器上提供的50Hz交流小信號電壓用同軸電纜線輸入到Y軸（不用衰 減探極），選擇適當?shù)膿跫墸╲/di

7、v=0.5v , t/div=2ms），適當調節(jié)X、Y位 移使之出現(xiàn)一個完整的正弦波圖形測量交流電壓信號的峰一峰電壓值： TOC o 1-5 h z V =0.5v/div X Y 格=（v）正弦波的頻率fz：T=2ms/div X X 格=（ms）fz=1/T=（Hz）3.觀察并畫出Nx/Ny=1/1、2/1、3/1、3/2的李薩如圖形需分別給X軸和Y軸加正弦波電壓，Y軸正弦波電壓由示波器上提供 的2V、50Hz交流電壓輸入，X軸正弦波電壓由XJ1631數(shù)字函數(shù)信號發(fā)生 器提供（參見實驗室提供的使用說明）頻率分別調為：50、100、150、75Hz， 觀察并繪畫出N/N=1/1、2/1、3/

8、1、3/2的李薩如圖形。4.音叉固有頻率的測定測試裝置如講義上圖26所示。耳機線圈作為轉換器，將機械振動轉換成 電訊號輸入示波器Y軸，X軸輸入仍接頻率儀。、用小錘小心地敲擊音叉使音叉振動，將振動著的音叉靠近耳機線圈。改變頻率儀的輸出功率，使熒光屏上得到穩(wěn)定的李薩如圖形，由圖形可得切 點數(shù)Nx和Ny,由頻率儀顯示的頻率可得fx,利用22式，求得音叉的固有頻Y精精A指偵指丈埔五、實驗數(shù)據(jù)記錄及處理:1標準方波校準示波器方波VPPY軸檔位Y軸應顯示格數(shù)方波頻率X軸檔位X軸應顯示格數(shù)1V0.2V/div5格1K Hz0.1ms/div10格1/0.2=5 格 T=1/f=1ms1ms/0.1ms/di

9、v=10 格10格2測量正弦波Vp-p fY軸檔位Y軸顯示格數(shù)正弦波VPPX軸檔位X軸顯示格數(shù)正弦波頻率0.5V/div4格2V2ms/div10格50Hz0.5*4=2VT=10*2ms/div=20msf=1/T=50Hz3觀察李薩如圖形并總結規(guī)律fy=50Hzfx=50Hz25 Hz100 Hz總結：fy=50 Hz，fx=50 Hz 時 Nx： Ny=1： 1fy=50 Hz，fx=25 Hz 時 Nx： Ny=2： 1fy=50 Hz，fx=100 Hz 時 Nx： Ny=1： 2可見：當兩個相互垂直的諧振動其頻率之比為整數(shù)比時，得到穩(wěn)定的李 薩如圖形，且圖形的切點數(shù)之比與頻率之比成

10、反比即：Nx： Ny= fy： fx64854利用李薩如圖形測量音叉固有頻率6485fx(Hz)127由李薩如圖形的特點Nx： Ny= fy： fx可得fy1=127 Hz，fy2=128 Hz， fy3=127.5 Hz，所以百 =(fy1+ fy2+ fy3)/3=127.5Hz標準差為0.5 Hz所以可=(127.5 0.5)HzEr =0.4%六、預習思考題:敘述示波器的主要結構。答：示波器主要由兩大部分組成：示波管，內有電子槍和偏轉板（Y偏轉板：兩 塊水平放置的電極；X偏轉板：兩快豎直放置的電極）；控制示波管工作的電路。指出示波管各部分的電壓調節(jié)與示波器面板上的各旋鈕的一一對應關系。

11、 答：“聚焦”一一旋轉該旋鈕即調節(jié)電子槍中陽極的電位?！拜x度”一一旋轉該旋 鈕即調節(jié)電子槍中柵極電位。只在Y軸輸入一正弦訊號，在熒光屏上看見的是什么圖形？為什么？答：只在Y軸上輸入一正弦訊號，在熒光屏上看到的圖形是一條豎直的直線。 正弦訊號加在兩塊Y偏轉板上，所以在兩板之間有一變化的電場，經過此兩板 的電子束在電場作用下發(fā)生或上或下的偏轉，電子束打在熒光屏上就出現(xiàn)一條豎 直的亮線。如何才能在熒光屏上出現(xiàn)正弦圖形？請作掃描原理圖。答：要使熒光屏上出現(xiàn)正弦圖形，必須在X軸上輸入一隨時間作線性變化的周 期電壓（稱為掃描電壓）。掃描原理圖見講義。如熒光屏上出現(xiàn)的正弦圖形不穩(wěn)定，是什么原因？答：當Y軸訊號頻率與X軸掃描電壓頻率成整數(shù)比時，熒光屏上出現(xiàn)穩(wěn)定的正 弦曲線圖形。但兩個獨立的電振蕩頻率在技術上難以調節(jié)成準確的整數(shù)比，因而 在熒光屏上的圖形發(fā)生橫向移動，不穩(wěn)定。要觀察到兩個或三個完整的正弦圖形，掃描頻率應如何變化？答：要在熒光屏上出現(xiàn)n個穩(wěn)定的正弦圖形的條件是Y軸輸入的訊號頻率與X 軸輸入掃描電壓頻率之比為n，即fY/fX=n?，F(xiàn)fY=50Hz，所以出現(xiàn)兩個完整的正 弦圖形，fX=25Hz,要出現(xiàn)3個完整的正弦圖形，fX=16.7Hz。什么叫李薩如圖形？答：若在X、Y軸同時輸入正弦電壓，則熒光屏上的亮點參與兩個相互垂直的諧 振動，亮點的運