示波器在物理教學中的一物多用①

于 淼

(江蘇省高郵第一中學，江蘇 揚州 225600)

1 引言

為了充分發揮現有實驗器材的作用，很多教師都會一物多用，即利用同一個實驗器材設計不同的物理實驗，在減少實驗費用的同時，還可以更好地服務于教學。利用示波器可以很方便地讀出電壓的大小，如果將示波器運用到電學實驗中可以帶來很好的教學效果。筆者結合教學實際，設計了3個利用示波器的小實驗，供各位同行參考。

2 利用示波器的創新實驗

2.1 研究正弦交流電的峰值與有效值

實驗原理：利用電流的熱效應研究交流電的峰值與有效值，讓交流電和直流電分別通過同一電阻(小燈泡)，如果在相同的時間內兩者產生的熱量相等，則該直流電的電壓值就是交流電電壓的有效值。

實驗器材：示波器、光強計、小燈泡、低壓電源、數字電壓表、滑動變阻器等。

儀器簡介：如圖1所示，將小燈泡、示波器、光強計、滑動變阻器、數字電壓表、開關、導線固定在木板上，形成兩條電路，當小燈泡接正弦交流電源時，用示波器可以顯示波形，還可以讀出交流電的峰值Um，當小燈泡接直流電源時用數字電壓表讀出小燈泡上的電壓(有效值U)。當小燈泡發光時，用光強計讀出小燈泡發光的光強值，若接兩種電源時光強值相同，就可以認為小燈泡產生的熱效應是相同的，就可以研究正弦交流電峰值與有效值的關系。

圖1

實驗過程：(1) 當小燈泡接正弦交流電源時，調節滑動變阻器，選擇較小的電壓使小燈泡發光，用示波器讀出小燈泡兩端的電壓峰值Um，并讀出光強計的數值，再調節滑動變阻器，改變交流電的電壓，讀出對應的電壓和光強計的數值，記錄在表1中；

(2) 當小燈泡接直流電源時，調節滑動變阻器，使光強計的數值等于接正弦交流電源時的數值，用數字電壓表測出小燈泡兩端的電壓(有效值U)，記錄在表1中；

表1

(3) 以有效值U為橫坐標，峰值Um為縱坐標，利用Excel描點畫圖(如圖2)。

圖2

2.2 研究電磁感應現象

實驗器材：示波器、多匝矩形線圈、U型磁鐵、多匝圓形線圈、圓柱形強磁鐵。

實驗過程：(1) 如圖3所示，將示波器與多匝矩形線圈相連，把U型磁鐵放在桌面上，讓線圈的一部分切割磁感線。圖4是線圈由U型磁鐵外部向內部運動時產生的波形圖。如果線圈在U型磁鐵內部由N極向下運動到S極(即沿著磁感應線運動)，發現不產生感應電動勢。

圖3

圖4

(2) 如圖5所示，將示波器與多匝圓形線圈相連，把多匝圓形線圈放在桌面上，讓強磁鐵的磁極快速地插入或拔出線圈，圖6是磁鐵插入線圈時產生的波形圖。

圖5

圖6

實驗結論：(1) 該實驗探究的是閉合回路中部分導體在切割磁感應線時產生的感應電動勢，表明導體切割的方向不同或磁場方向不同時，感應電動勢的方向是不同的。線圈沿著磁感應線方向運動也就是不切割磁感應線時，此時不產生感應電動勢。(2) 該實驗探究的是閉合線圈中磁通量發生改變時能產生感應電動勢。實驗說明使磁鐵的同一磁極插入和拔出時感應電動勢的方向是不同的，不同磁極插入(或拔出)時感應電動勢的方向也是不同的。只有當線圈中的磁通量發生改變時才能產生感應電動勢，這就是產生感應電動勢的條件，閉合回路中部分導體切割磁感線是產生感應電動勢的特例，其實質也是閉合回路中的磁通量發生改變。

2.3 研究導體切割磁感線時的電動勢

實驗器材：旋轉平臺(所用電機是步進電機，可以定速旋轉)、示波器、多匝線圈(接不同的接線柱可以改變匝數)、圓柱形強磁鐵。

儀器簡介：如圖7所示，將強磁鐵固定在旋轉平臺上，再將示波器與多匝圓形線圈相連，然后把線圈固定在靠近強磁鐵處。平臺旋轉后通過示波器可得到感應電動勢的波形，可以讀出感應電動勢的大小。改變轉速n可以改變切割速度v(v=2πnr)，改變接入線圈的匝數可以改變導線的長度，從而得到不同的感應電動勢。

圖7

實驗過程：(1) 探究感應電動勢E與切割速度v的關系。保持磁鐵和導線長度L(線圈匝數120匝)不變，讓旋轉平臺分別以150r/min、200r/min、250r/min、300r/min旋轉(切割速度之比為3∶4∶5∶6)，將示波器的讀數記錄在表2中。以轉速n為橫坐標，E為縱坐標通過Excel描點畫圖，可得到圖8。

表2

圖8

(2) 探究感應電動勢E與導線長度L的關系。保持旋轉平臺的轉速不變(240r/min)即切割速度不變，改變接入線圈的匝數以改變導線長度，將示波器的讀數記錄在表3中。以線圈匝數N為橫坐標、E為縱坐標，通過Excel描點作圖，得到圖9。

表3

實驗結論：(1) 由圖8可得：保持磁鐵和線圈匝數(長度L)不變時，感應電動勢E與切割速度v成正比。(2) 由圖9可得：保持磁鐵和切割速度不變，感應電動勢E與匝數(導線長度L)成正比。由此可得E∝Lv，寫成等式E=BLv，B是系數，與磁場有關。

圖9

3 結語

將示波器設計的三個創新實驗應用于教學，實驗效果明顯，取得了較好的教學效果，可幫助學生更好地理解相關知識點。