“练习使用示波器”知识目标的实例演练

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  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的情况,对那些能够转化为电压变化的非电学量的波形如速度、压力等物理量可以在示波器的荧光屏上进行观察。2004年开始,教育部考试中心颁布的“普通高等学校招生全国统一考试大纲”理科综合(物理)把它列入了考试要求。高中阶段,“练习使用示波器”是一项技能训练性的实验,实验包括:①认识示波器的面板,了解面板各旋钮的功能并能进行操作;②观察荧光屏上的亮斑并进行调节,能调节亮斑的亮度,并上下、左右进行移动;③观察扫描并进行调节。观察 X方向上的扫描,亮斑从左向右移动并返回左端再向右移动,增大扫描频率使亮斑成为亮线;④观察亮斑在竖直方向的偏移并进行调节。在Y方向输入连续可调电压,观察亮斑在竖直方向上的变化;⑤观察按正弦规律变化的电压图线。从机内调出正弦波,并观察其随同步极性选择开关位置的变化。示波器由于其结构复杂和理论难理解(尤其是对扫描电压和扫描电压频率的作用的理解),使相当部分的学生望而生畏。在教学中若能突破以下两个重点问题,必定能帮助学生较快地掌握这部分知识。
  
  1 示波器的主要结构与原理
  
  竖直和水平偏转电压作用的理解是重点,对扫描电压作用的理解是难点。
  示波器的核心部件是示波管,掌握了示波管的结构和原理就能正确地理解与使用示波器。如图1为示波管构造图,示波管由电子枪、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,于是我们会看到一条亮线。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。
  
  (11)扫描范围旋钮——用来改变扫描电压的频率范围,有四个挡,左边第一挡是10Hz--100Hz,向右旋转每升高一挡,扫描频率增大10倍。最右边是“外X挡”,使用此挡时机内不提供扫描电压,水平方向的扫描电压可从外部输入;
  (12)扫描微调旋钮-对扫描电压的频率微调;
  (13)“Y输入”、“X输入”、“地”——分别是对应方向的信号输人电压的接线柱和公共接地的接线柱;
  (14)交直流选择开关-置于“DC”,位置时,所加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,可以让交流信号通过而隔断直流成分;
  (15)同步极性开关-调节图形是从正半周(置于“十”位置)开始还是从负半周开始(置于“一”位置)。
  
  3 实例演练(2007年全国高考理科综合实验题):
  
  (1)用示波器观察频率为900Hz的正弦电压信号。把该信号接入示波器Y输入。①当屏幕上出现如图1所示的波形时,应调节_____钮。如果正弦波的正负半周均超出了屏幕的范围,应调节_____钮或_____钮,或这两个钮配合使用,以使正弦波的整个波形出现在屏幕内。
  ②如需要屏幕上正好出现一个完整的正弦波形,应将_____钮置于_____位置,然后调节_____钮。
  解析①: 根据示波器面板上各个旋钮的名称与作用可知小题①的答案应该为:竖直位移或↑↓ 、衰减或衰减调节 、 Y增益
  
  解析②:理解了竖直偏转电压和水平偏转电压分别对电子束偏移的作用尤其是水平偏转电压的作用,就不难理解扫描频率对图线波形个数的影响:在用示波器观察按正弦规律变化的电压图线时,若水平方向扫描电压的频率fx为加在竖直方向的正弦交变电压的频率fy的1/n(n为整数),则在扫描电压使电子束沿水平方向自左向右完成一次扫描的过程中,竖直偏转电压使电子束在竖直方向完成n次全振动,故荧光屏上将显示出n个完整的正弦波形图线;若fx≠fy/n,则将观察不到完整的正弦波形图线。 因此,小题②的答案应该为:扫描范围、1k挡位、扫描微调。
  在“练习使用示波器”的实验教学中,若学生不理解示波器的原理,没有进行过实际操作,很难顺利完成试题所要求的调节;若真正理解了示波器的原理(尤其是水平和竖直偏转电压对电子束偏移的作用),掌握了面板上各个旋钮的作用(尤其是衰减旋钮中的“外X”挡、扫描范围(微调旋钮)以及各旋钮沿顺时针方向转动时对应功能加强的特点,弄懂了扫描频率对波形个数影响的原因,则涉及示波器的问题就都能迎刃而解。
  (栏目编辑王柏庐)
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