大學物理實驗示波器教學探討

　　摘 要： 在物理實驗教學中正確使用示波器并及時解決遇到的問題是必不可少的。本文簡要介紹了示波器實驗教學的方法、技巧，以及實驗中出現的問題的解決方法。
　　關鍵詞： 大學物理實驗教學 示波器 信號
　　
　　示波器是測量信號波形的儀器，是應用最廣的測量儀器之一。它不僅廣泛應用于實驗室，而且成為現代工業不可缺少的輔助工具。利用示波器對電子產品的電路進行信號的檢測和分析，可以快速地發現并解決問題，因此正確分析示波器顯示波形的原理，以及熟悉使用示波器是非常有必要的，對學生以后學習和工作有很大的幫助。在大學物理實驗教學中，示波器原理與使用是一個必不可少的實驗。然而，該實驗儀器的原理復雜，大多數學生理解起來難度偏大，特別是面板旋鈕多使得學生熟悉起來很困難［１］。通過該實驗對提高學生在信號波形測量方面的實踐能力、創新能力，以及理論聯系實際的能力提高有著極其重要的作用。在實驗教學過程總是會出現各種各樣的問題［２］，因此我結合大學物理實驗示波器實驗中出現的問題，介紹一些經驗。
　　1.示波器原理的闡述
　　實驗教學首先講解的就是儀器原理，但是示波器的原理比較復雜，學生掌握起來比較困難。為解決這個難題，將示波器顯示波形的原理與單擺運動中沙漏形成波形的原理相類比，利用簡單易懂的知識對示波器的原理進行形象的講解，使其簡化，加深學生對示波器原理的理解和掌握。在大學生物理實驗教學中利用類比簡化思維幫助學生理解和學習新知識的方法效果明顯。
　　示波管結構非常簡單，主要由電子槍、偏轉系統和熒光屏三個部分組成，偏轉系統由水平偏轉板（x軸方向）和豎直偏轉板（y軸方向）組成。在偏轉板上加電壓，則電子束的運動是發生偏轉，加不同的電壓，電子運動也不一樣，從而在熒光屏上所觀察到的圖形也有所不同。如果我們在豎直偏轉板上接入待觀察的正弦交流電壓，同時在水平偏轉板上接入鋸齒波電壓，則電子的運動將是水平方向的勻速直線運動與豎直方向的簡諧振動兩個相互垂直方向上運動的合成，屏上將顯示正弦波。
　　把沙漏的單擺運動與示波器顯示波形的原理相結合進行類比，以幫助學生理解示波器的工作原理。實踐表明示波器顯示波形的原理雖然復雜，但是利用沙漏的單擺運動實驗對其進行類比簡化，可以很容易地讓學生理解掌握。示波器的工作原理可以如此掌握，在進行其他物理知識的學習和物理實驗的探討時，實驗老師也可以采用這種類比的方法，利用學生理解的知識點甚至是其他學科的知識去簡化復雜的物理內容。掌握了這種教學法，不僅可以使學生將新知識與已有的知識融會貫通，而且能使學生加深記憶和理解，為他們的學習提供極大的幫助。
　　2.功能鍵的使用技巧及注意事項
　　在教師準備實驗儀器階段，應注意示波器在使用一段時間或經較長時間存放或修理后，應重新進行校準，示波器精度校準分垂直校準和時基校準兩個方面。待示波器開機20分鐘后，內部穩定即可進行校準工作。掃描基線的校正，示波器應用在不同的場合，會受外磁場的影響引起掃描基線發生傾斜，此時需要對掃描基線進行校正。校正的方法：用螺絲刀調節“基線旋轉”，使掃描線和示波器的水平刻度線平行。
　　在示波器功能鍵的講解上要做到示波器面板上各開關、按鍵、旋鈕都要詳細地講解相關功能特性，同時進行示范性的屏幕顯示演示，使得學生有更直觀形象的了解。要求做實驗前學生對照儀器面板說明書，體會一些常用開關、按鍵、旋鈕的作用，如輝度、聚焦、位移、X—Y等，讓學生有一個自己獨立操作儀器的過程。
　　非常有必要在黑板上板示示波器使用注意事項及技巧：（1）測試前，在不明確被測信號幅度大小，可先將示波器的VOLTS/DIV選擇開關置于最大擋，避免電壓過高而造成示波器損壞，同時避免該檔位過小往往出現信號顯示遠遠大于屏幕，以至于學生誤認為沒有信號輸入。一般選擇合適檔位使得信號顯示高度約占熒光屏高度的二分之一到三分之二之間，這樣減小在信號測量時出現的誤差。（2）在用示波器測量頻率較低信號時，其波形不容易同步，表現為波形不穩定。一般情況規定學生輸入較高頻率信號，同時仔細調節示波器上的觸發電平控制（LEVEL）旋鈕，使被測信號穩定和同步。“觸發電平”鍵是示波器面板上眾多旋鈕中非常重要的旋鈕，其作用在眾多物理實驗教材中只是介紹而已，通過觸發掃描使待測信號與掃描信號同步以達到圖形的穩定，圖形不穩定的情況在學生實驗中出現得最多。（3）TIME/DIV（掃描速率選擇）旋鈕。此旋鈕的作用是改變加在水平偏轉板上鋸齒波掃描信號的頻率。在不明確被測信號頻率大小，可將TIME/DIV選擇掃描時間置于最小擋，避免低頻率信號一直閃動。合適的檔位是信號波形顯示2到3個周期，這樣在時間測量時可以減少誤差。（4）“觸發方式”、“觸發源”和“觸發電平”的選擇。這三者選擇的不正確，往往出現波形不穩定的情況，屏幕上的波形發生向左或向右的連續移動。要使波形能夠穩定下來，跟示波器使用的“觸發方式”、“觸發源”及“觸發電平”選擇有關，合理運用觸發方式、觸發源來觀察信號，要求學生在實驗中掌握。（5）在利薩如圖實驗部分，為了避免視覺上的混亂，要求學生在關閉通道1的前提下再調整好通道2的信號顯示。（6）示波器工作時，周圍不要放置大功率的變壓器，否則，對示波器會有很大影響和噪聲干擾。
　　3.示波器常見故障的分析
　　示波器用于實驗教學使用頻繁，且使用時間較長，很容易出故障。掌握示波器的常見故障的分析檢修方法，有利于縮短維修周期，避免因為儀器故障耽誤教學。在遇到各種問題時，學生一般無法解決，往往需要教師引導性地解決。這就要求教師要具備解決這些問題的能力。當然這些需要在教學中不斷地總結經驗，多途徑地提高解決問題的能力，進而能夠更好地指導學生排除故障。
　　在教學過程中，學生在出現問題時，經常性地亂按功能鍵，到了后面他自己都不知道按了什么鍵，有時的確是儀器出現問題。教師應該把出現的各種原因都考慮進去，先考慮儀器正常是儀器參數設置的問題，再考慮儀器元件出現問題。例如示波器屏幕上沒有任何信號或者信號在示波器上顯示閃動的比較厲害。首先，看信號輸入端的問題即信號發生器示波器的相關設置是否正常，例如波形按鈕是否有選擇、頻率的設置是否正確，等等，然后檢查與示波器的接線，以及探頭接觸是否良好、探頭線斷線等問題，再檢查示波器相關按鍵的設置是否和信號發生器輸出信號一直，可能是學生按了所用通道的接地旋鈕，這樣信號就會對地短路，沒有任何信號輸入到示波器測量端，以及示波器電源開關有沒有打開，可以調節亮度旋鈕看是否亮度設置太低。其次，調節上下位移旋鈕和左右位移旋鈕看波形是否偏離屏幕顯示區。所以首先要求老師要一定程度的對儀器硬件有所了解，那些元件出現問題可能會出現什么樣的現象，對儀器的操作那就要求非常熟悉，總之做到軟件硬件都過關。
　　4.結語
　　以上是我在示波器實驗教學實踐中總結的一些經驗。在有限學習時間內，學習、掌握基本的儀器操作方法，讓學生做到實驗目標明確，理論與實踐相結合，在掌握好基本技能的基礎上進行開放式自主訓練。教師應引導學生解決實驗中遇到的一些問題，提高學生的創新能力，使學生體會到大學物理實驗這門課的作用與重要性，從而逐漸地讓學生有意識地去提高自己的動手能力。
　　
　　參考文獻：
　　［1］劉淑聰，郭純生，王薇，彭宏偉.示波器操作與使用的實踐教學研究［J］.中國現代教育裝備，2010，17，（105）：20-23.
　　［2］張磊.淺談示波器的實驗教學［J］.大學物理實驗，2008，21，（3）：12-14.
　　［3］張銳波，彭永昱，俞誠.示波器電子運動規律與波形顯示關系研究［J］.大學物理實驗，2009，22，（4）：45-47.