物理實驗中如何讓學生更好理解示波器原理

戴 璐 黃曉江 苗曉莉 沙金巧 臧濤成

（1.蘇州科技學院數理學院，江蘇 蘇州 215009；2.東華大學理學院，上海 201620）

示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器，主要用于觀察和測量各種電信號.它能把電信號變換成圖像，便于人們研究各種電現象的變化過程.利用示波器能觀察各種不同信號幅度隨時間變化的波形曲線，適用于觀測瞬時變化的過程.還可以用它測試各種不同的電量，比如電壓、電流、頻率、相位差、調幅度等等.［1］因此示波器的使用是大學物理實驗中非常重要的實驗之一.［1－5］通常實驗過程為先觀察正弦波信號，以了解示波器原理和面板上各個旋鈕和按鈕的作用，然后再觀察李薩如圖形.［1－3］但是，筆者發現在這樣的實驗內容安排下，大多數學生對示波器原理沒有很好的理解.

示波管的工作原理［1－6］是當一個直流電壓加到一對偏轉板上時，光點在熒光屏上將產生一個固定位移，該位移的大小與所加直流電壓成正比.分別將兩個直流電壓同時加到垂直和水平兩對偏轉板上，那么熒光屏上的光點位置就由兩個方向的位移所共同決定.而將一個要觀測的正弦交流電壓加到一對垂直的偏轉板上，光點在熒光屏上將隨電壓的變化而移動.在交流電壓頻率很低時，熒光屏上便會看見一個上下移動著的光點.這光點距離坐標原點的瞬時偏轉值將與加在垂直偏轉板上的電壓瞬時值成正比.如果加在垂直偏轉板上的交流電壓頻率在10Hz～20Hz以上，則由于熒光屏的余輝現象和人眼的視覺暫留現象，在熒光屏上看到的就不是一個上下移動的點，而是一根垂直的亮線.該亮線的長短在示波器垂直放大增益一定的情況下決定于正弦交流電壓峰峰值的大小.為了要觀察到波形，需要一個隨時間線性變化的電壓（一般為鋸齒波電壓）加到一對水平偏轉板上.當水平偏轉板上有鋸齒波電壓時，光點在垂直方向運動的同時水平也開始運動.光點水平距離起始位置零點的瞬時值，與加在水平偏轉板上的電壓瞬時值成正比.在示波器水平放大增益一定的情況下決定于鋸齒波電壓值，因為鋸齒波電壓值為線性，所以與時間變化成正比，而熒光屏上光點的水平位移又是與電壓值成正比，因此熒光屏上的水平方向可以代表時間軸，上述過程稱為“掃描”.如果在水平軸上加有周期性鋸齒波電壓時，掃描將周而復始的進行下去.如果將被測信號電壓加到垂直偏轉板上，鋸齒波掃描電壓加到水平偏轉板上，并且被測信號電壓頻率等于鋸齒波掃描電壓頻率，則熒光屏上將顯示出一個周期的被測信號電壓隨時間變化的波形曲線.在被測周期信號以后的周期都重復第一個周期的情形，光點在熒光屏上掃描出的軌跡也都重疊在第一次描出的軌跡上.為了得到穩定的波形，每一次掃描開始時刻都對應于Y信號一個周期的同一點，使得每一次掃描對應的Y信號都相同，也就是讓示波器的掃描信號與被測信號 “同步”.當這樣的信號同時分別加到示波器的X和Y偏轉系統時，由于每一個掃描周期X和Y的信號都相同，電子束受到同樣的偏轉控制，因而每一次掃描的電子束都打在屏幕上的同樣的軌跡.為了使掃描信號與被測信號同步，我們可以設定一些條件，將被測信號不斷地與這些條件相比較，只有當被測信號滿足這些條件時才啟動掃描，從而使得掃描的頻率與被測信號相同或存在整數倍的關系，這種技術就是“觸發”.觸發一般分內觸發和外觸發，內觸發就是示波器根據被測信號的周期自動調節內部鋸齒波的頻率使得其與被測信號同步才啟動掃描.所以，熒光屏上顯示出來的被測信號電壓是隨時間變化的穩定波形曲線.但學生對示波器采用內觸發時自帶的用于掃描的鋸齒波都沒有感性的認識，從而對示波器原理的理解就不夠深入.

在實驗過程中，先讓學生從信號發生器輸出一個頻率為100Hz的正弦波，輸入到示波器Y端，這時示波器采用內觸發，也就是用示波器內部帶的鋸齒波進行掃面，觀測到正弦波圖形（如圖1）.

圖1

筆者在這個實驗中加入了一部分新的內容，用外部產生的鋸齒波來掃描.即將示波器設置為外觸發，信號發生器還是輸出一個100Hz的正弦波接到示波器Y端，再輸出一個頻率也為100Hz的鋸齒波輸入到示波器［如圖2（a）］，并將它設置為X端，這樣即可觀察到如圖2（b）的一個周期的正弦波圖形.

圖2

經過這樣一個實驗過程，學生就明白其實示波器內部自帶的用于掃描的鋸齒波，同輸入的鋸齒波一樣的.讓學生對看不見摸不著的示波器內部掃描用的鋸齒波有了感性認識.另外，還可以通過信號發生器改變輸入到X端鋸齒波的頻率，在屏幕上觀察到正弦波個數變化.比如將輸入的鋸齒波頻率設置為50Hz，那么屏幕上出現兩個周期的正弦波圖形，如圖3（a）.這是因為鋸齒波一個周期剛好等于正弦波2個周期.又比如將輸入的鋸齒波頻率設置為25Hz，那么屏幕上會出現4個周期的正弦波圖形，如圖3（b）.這同示波器設置為內觸發時，用改變時間軸的旋鈕調節作用是一樣，從而使學生明白調節這個旋鈕也就是在改變示波器內部鋸齒波的頻率，并能直觀的理解屏上出現正弦波的個數與鋸齒波和正弦波頻率（或周期）的比值之間呈何種關系.

圖3

通過增加了這一部分的實驗內容，使學生對示波器內部自帶的用于掃描的鋸齒波有了感性的認識，從而對示波器原理有了更深刻的理解.另外也為下一步實驗觀察李薩如圖形做了很好的準備，能更好的認識到李薩如圖為兩個沿著互相垂直方向的正弦振動的合成.

1 浦天舒，郭英，李博等.大學物理實驗［M］.北京：清華大學出版社，2011.

2 鄭元，戴賽萍，葉新年，劉文隆.“示波器的使用”實驗教學中的兩個常見問題［J］.大學物理實驗，2006（6）：36－40.

3 劉偉民，李媛.“示波器的使用”實驗教學方法探究［J］.商丘師范學院學報，2010（9）：134－136.

4 王素紅，張曉旭.基于示波器使用的系列拓展實驗研究［J］.大學物理實驗，2012（1）：30－34.

5 袁玉全，李超英.大學實驗物理示波器的使用中幾種現象分析［J］.四川理工學院學報（社會科學版），2007（10）：223－225.

6 尹敏.示波器的使用與維護［J］.物理與工程，2009（3）：16－21.