1、示波器原理和使用及聲速測量物理實驗報告示波器原理和使用及聲速測量物理實驗報告 清華大學(xué) 示波器原理和使用及聲速測量試驗物理實驗簡要報告班級姓名學(xué)號結(jié)稿日期：示波器原理和使用及聲速測量試驗（簡要報告）一、實驗?zāi)康模海?1 ）了解示波器的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理，掌握示波器的基本使用方法；（ 2）學(xué)習(xí)電信號有關(guān)參數(shù)的基本概念，使用示波器觀察波形并且進行測量；（ 3）了解聲波在空氣中傳播速度和氣體狀態(tài)參量的關(guān)系；（ 4）了解超聲波產(chǎn)生和接受的原理，學(xué)習(xí)用相位法測量空氣中的聲速二、實驗原理：（1）示波器原理框圖：示波器按顯示方式可分為陰極射線示波管和液晶顯示兩種。陰極射線示波器一般包括示波管、豎直放大器、

2、水平放大器、掃描發(fā)生器、觸發(fā)同步和直流電源等。示波器基本結(jié)構(gòu)：示波管為示波器的主要部分，包括電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三部分，全部密封在真空玻璃外殼內(nèi)。電子槍由燈絲、陰極、控制柵極、第一陽極及第二陽極組成。燈絲加熱表面涂有氧化物的陰極，使其發(fā)射電子。因控制柵極電位比陰極低，初速度較大的電子才能通過控制柵極，示波器上的亮度就是通過調(diào)整柵極電位來控制的。陽極電位比陰極電位高很多，電子被陰陽極間的電場加速而形成陰極射線。當(dāng)控制柵極、第一陽極及第二陽極的電位調(diào)節(jié)合適時，射線收到聚焦。所以第一陽極也稱聚焦陽極，而第二陽極電位更高，稱為加速陽極。熒光屏上涂有熒光粉，電子打上去能發(fā)出熒光，形成光斑。性能較好的

3、示波管中，熒光屏玻璃內(nèi)表面直接刻有坐標刻度，熒光粉緊貼坐標刻度以消除視差。示波器顯示波形的原理：豎直偏轉(zhuǎn)板上加交變正弦電壓使電子豎直運動，水平偏轉(zhuǎn)板上加鋸齒波掃描電壓，使電子水平運動。而電子的運動是豎直方向和水平方向的合成，所以當(dāng)豎直偏轉(zhuǎn)板電壓與水平偏轉(zhuǎn)板電壓的周期相等時，在熒光屏上能顯示出完整周期的波形圖。（4）李薩如圖形的基本原理：如果示波器的X和Y輸入是頻率相同或成簡單整數(shù)比的兩個正弦電壓，則屏上的光點將呈現(xiàn)特殊形狀的軌跡，這種軌跡圖稱為李薩如圖形。如果做一個限制光點x、 y 方向變化范圍的假想方框，則圖形與此框相切時，橫邊上的切點數(shù)nx與豎邊上的切點數(shù)ny之比恰好等于 Y 和 X 輸入

4、的兩正弦信號的頻率之比。即：fy:fx=nx:ny，若有端點與假想邊框相接時，應(yīng)把一個端點記為1/2 個切點。利用李薩如圖形能方便得比較出兩個正弦信號的頻率。（6） 聲速測量：v RT（ 1）理想氣體中聲波的傳播速度為M 。其中， 為比熱容比，M 是氣體的摩爾質(zhì)量，T是絕對溫度，R 8.31441J/（mol K）。2）在室溫t 下，干燥空氣中的聲速為v v0 1Tt0 ，其中2）在室溫t 下，干燥空氣中的聲速為氣聲速，為331.5m/s 。3）但實際中空氣并不是干燥的，所以修正的結(jié)果為v 3）但實際中空氣并不是干燥的，所以修正的結(jié)果為v 331.5 1 t 1 0.31T0rp sp5其中，

5、 r為相對濕度，ps為飽和蒸汽壓，p 1.013 10 Pa。1. 示波器的原理及使用：2.聲速測量：(1)逐差法：Lixi11010 xi Li1 10LiLixi 10 xi42.982 mm , 而 x i , x 8.5964mm10i1 055 的標準偏差10i10.832930569 mm , 且 儀0.03mm,tp v tp n 1tp 92.26,2儀22.26102儀22.26100.832930569222 0.030.5967844397 mm50.5967844397 0.1193568879 0.1 mm 8.60 0.12 mm5348.068236而聲速的測量值

6、v1 f , f 10Hz,348.0682364.833524884 m/s1020.1193568879 4.833524884 m/s40.49000000 1038.5964v1348.1 4.8 m/ s0.6，因此實驗測量的聲速在誤差允許范(2)最小二乘法：將共振位置讀數(shù)與序號的數(shù)據(jù)在excel 中畫出曲線如下：90ix數(shù)讀 置位xi線性 (xi)y = 4.318x - 2.198R2 90ix數(shù)讀 置位xi線性 (xi)y = 4.318x - 2.198R2 = 0.999008700065430000211020序號1 共振位置與波節(jié)點關(guān)系2進行最小二乘法擬合，得到直線y

7、4.318x 2.198，相關(guān)系數(shù)R2 0.999 ，表明實進行最小二乘法擬合，得到直線驗數(shù)據(jù)線性關(guān)系良好，因此是合理的。因此2 4.318 8.636 。而由最小二乘法的計算過程知，s r 1112 11117.457289502 103，n 2 n 2 r2180.999s s 8.636 7.457289502 103 0.06440115214 mmtp 18 s 2.101 0.06440115214 0.1353068207 mm8.64 0.14 mm代入數(shù)據(jù)，計算得聲速的測量值v1 f 349.67164m/ s，v1 v0349.67164 350.1352406與聲速理論值

8、的相對誤差1000350.1352406故合理。又 f 又 f 10Hz5.479253784 m/s349.67164103 25.479253784 m/s40.49000000 1038.636v1349.7 5.5 m/ s四、思考題. 如果打開示波器的電源開關(guān)后，在屏幕上既看不到掃描線又看不到光點，可能有哪些原因？應(yīng)該分別怎樣調(diào)節(jié)？答： （ 1 ）示波器損壞，應(yīng)換一臺示波器；（ 2）在之前調(diào)試的過程中，將波形的水平位置和豎直位置調(diào)整到了屏幕以外，無法在顯示屏上顯示，應(yīng)調(diào)節(jié)水平和垂直位置旋鈕；（ 3）亮度太暗了，可能是示波器內(nèi)部損壞或者調(diào)節(jié)問題，試著增大亮度，

9、如果無效，則更換示波器；（ 4）所加電壓幅值過大，頻率過低，且scale電壓分辨率和scale時間分辨率未調(diào)整好，使得在屏幕顯示區(qū)域沒有圖像，應(yīng)改轉(zhuǎn)動scale電壓分辨率和scale時間分辨率旋鈕，直到屏幕上有圖像，再進行進一步調(diào)節(jié)；（ 5）觸發(fā)方式normal 觸發(fā)電平又不合適，應(yīng)當(dāng)使用“Autoset ”按鈕或者打開菜單進行調(diào)節(jié)。.如果圖形不穩(wěn)定，總是向左或向右移動，如何調(diào)節(jié)？答： （ 1 ） 圖形不穩(wěn)定的原因是X方向的鋸齒波電壓和加在Y方向上的電壓周期稍有不同，應(yīng)該進行同步觸發(fā)調(diào)節(jié)。（ 2）同步觸發(fā)調(diào)節(jié)的方法有：直接按示波器上的Autoset 按鈕，讓示波器自行調(diào)節(jié)或者調(diào)節(jié)觸發(fā)功能區(qū)，手

10、動選擇掃描電壓掃描開始時間。.如果Y軸信號頻率fy 比 X軸信號頻率fx大很多，示波器上將看到什么情形？相反呢？答：根據(jù)李薩如圖形的規(guī)律：（ 1）一條水平亮線；（ 2）一條豎直亮線。. 若不損壞儀器的情況下，被測信號幅度太大，在屏上會看到什么圖形？答： 則在屏幕上將看到不完整圖形。正弦波： 正弦曲線去掉波峰波谷中間部分的圖像；方波：一組平行豎直亮線；三角波或尖脈沖波：除了波峰波谷的中間部分。如下圖所示：4）尖脈沖波4）尖脈沖波. 觀察李薩如圖形時，如果圖形不穩(wěn)定，而且是一個形狀不斷變化的橢圓，那么兩個圖形 變化的快慢與兩個信號頻率之差有什么關(guān)系？ 答：關(guān)系是兩個信號頻率相差越大，圖形變化越快。.逐差法處理數(shù)據(jù)的優(yōu)點是什么？還有其他做法嗎？答：相比較每兩個相鄰數(shù)據(jù)作差，逐差法提高實驗數(shù)據(jù)的利用