工科專業大學物理實驗示波器教學探討*

唐妍梅

(廣西師范大學物理科學與技術學院 廣西 桂林 541004)

李 翔

(桂林電子科技大學電子工程與自動化學院 廣西 桂林 541004)

1 引言

示波器是用于觀察信號波形的一種重要工具，具有直觀清晰、測量準確的優點，廣泛用于電子信息、醫療設備及科學實驗等領域.示波器的正確使用是理工科各專業學生都必須掌握的內容，也是綜合性普通高等學校必開的公共物理實驗項目.

示波器既是大學物理實驗中的重點，也是“教師難教、學生難學”的一大難點.師生普遍反映，傳統的示波器教學存在著原理講解繁冗抽象、學生實操時間過短、難以獲得理想實驗現象和結果等問題[1].加之實驗學時有限，實驗教學的直觀性和實踐性體現得不夠充分，很多學生不能很好地完成該實驗，甚至有部分學生在實驗即將結束時，對示波器上眾多旋鈕、按鈕仍茫然無措.

2 當前教學中的問題

當前示波器教學存在的問題可總結為以下兩方面.

一是實驗原理耗時較長，而留給學生操作的時間較少.眾所周知，模擬示波器是以示波管為核心，而示波管的結構原理又與大學物理中電磁學的知識有密切關系.因此，目前講解示波器時，大多先從示波管原理講起，介紹偏轉電極、偏轉電場、電子束掃描等名詞概念[2～5].這樣，學生們需要花較多的注意力在理論原理上，而對示波器本身的“工具”屬性缺乏足夠認識.

二是對示波器的講解缺乏清晰的思路和重點.示波器面板上旋鈕、按鈕和開關繁多，操作自由度大，極易讓初學者眼花繚亂[6]，學生在有限的時間里難以識記和掌握，往往為了完成實驗要求而機械操作，并不能達到自主、自如使用的水平，甚至部分學生自始至終調不出要觀察的波形.教師面對眾多學生在操作中遇到的問題也往往疲于“救火”.

針對以上問題，需要主動轉變思路和觀念，以新的角度審視示波器教學.

3 新教學思路初探

如上所述，傳統教學方式以示波器結構原理為出發點的講法，比較適合物理學各專業學生，而較缺乏工科專業實驗教學的針對性，不能很好地激發工科學生對物理實驗的興趣，也難以適應新時代工科學生實驗素養的要求[7].針對工科學生，我們在講解示波器時，嘗試首先從“工具”的角度出發，從直觀的實驗現象和測量要求出發，設計了直觀性、整體性教學流程，如圖1所示.

圖1 教學設計示意圖

3.1 現象觀察

調節出正弦波、鋸齒波、方波等波形，給學生一個在示波器上直觀觀察出波形的印象.示波器是用于觀察波形的工具，那么在了解示波器時就應該首先明確“波形”的概念.一般而言，實驗中所觀察的多為電壓波形，也就是電壓隨時間變化的圖像，其橫軸代表時間，縱軸代表電壓大小.因此，在使用示波器時，其屏幕上顯示的圖樣也應當符合這一特點.這樣就首先解決了一個根本問題，即“實驗中要觀察的是什么現象”，做到心中有數，接下來的操作才能有的放矢，而不是漫無目的亂調一氣.

接著，教師介紹怎樣用示波器測量交流信號的電壓和頻率.Y軸坐標表示電壓，則其刻度與電壓大小之間必定存在定量關系，這個對應關系就是“VOLTS/DIV”旋鈕所選擇的擋位.同理，X軸的刻度和時間之間也存在定量關系，這個對應關系就是“TIME/DIV”旋鈕所選擇的擋位.有了這兩個對應關系，電壓的峰峰值就可以通過測量正負峰值間的垂直距離得到，周期的大小可通過測量波形一周期的水平長度得到.

上述步驟直觀、直接地解決了“示波器顯示的是什么信號”以及“如何用示波器測量電信號”這兩個根本問題，使學生較容易地入門.

大興安嶺地區是林火高發區，森林火災造成巨大碳排放和經濟損失的同時，生物質的燃燒形成和積累了大量的黑碳。在不斷要求減緩大氣CO2濃度的形勢下，具有化學惰性的黑碳對碳儲存相對來說具有重要的意義。然而對大興安嶺地區的相關研究比較來說資源較少，對形式的研究和掌握比較不充分，相關類的研究還有待持續。

3.2 實驗原理

學生在對波形顯示有了直觀的印象后，接著引出2個更深入的問題：“示波器顯示被測波形的原理”和“示波器測量交流信號電壓和頻率的原理”.由此展開示波器結構原理的講解.示波器的結構可簡要分為5個部分.

(1)示波管：能實現電子束的發射、聚焦、偏轉等，且當電子束打在熒光屏上時會形成亮點.亮點移動時，由于人眼視覺暫留作用就會形成連續的軌跡，由此產生了可見的波形.

(2)Y軸系統：被測電壓信號經放大和處理后作用于示波管的垂直偏轉電極上，使屏幕上的亮點發生垂直方向的移動，且移動距離正比于輸入電壓幅度.

(3)X軸系統：其核心是鋸齒波電壓發生器，產生的周期性鋸齒波電壓(掃描信號)作用于示波管的水平偏轉電極上，使屏幕上的亮點以一定速度從左向右作水平運動，直到屏幕最右端時再極快地回到最左側.這一周期性的水平運動與輸入信號造成的垂直運動疊加后，就能形成沿水平軸均勻展開的被測電壓波形.

(4)觸發及同步系統：使掃描信號的周期(或頻率)與被測電壓信號相等或成整數倍，從而穩定地顯示波形.

(5)電源：為以上各部分供電.

3.3 功能介紹

經過實驗現象和原理的講解后，下一環節即“功能介紹”是對示波器面板上各個旋鈕、按鈕和開關的功能進行介紹.我校物理實驗使用的是GOS-620型雙蹤示波器，其面板如圖2所示，除屏幕外可分為5大部分：

圖2 GOS-620型雙蹤示波器

第一部分位于顯示屏下方，包括輝度(INTEN)旋鈕和聚焦(FOCUS)旋鈕；

第二部分為垂直偏轉調節區，又分左右兩半，分別對應兩個輸入通道CH1 和CH2；

第三部分是水平偏轉調節區；

第四部分是觸發和同步調節區；

第五部分是總電源開關.

這5個區域分別對應前述“實驗原理”所講的示波器內部結構的5個部分，因此學生可以迅速理清眾多按鈕、旋鈕的歸屬和作用.

3.4 常見問題

有了以上3個階段的講解，接下來可以引導學生自行處理一些簡單的操作問題：

(1)如果波形顯示的位置不合適、不便于觀察時，應該怎樣調節？學生很容易在圖2所示面板上找到標有“POSITION”以及箭頭符號的旋鈕，由此即可調節波形在屏幕上的水平和垂直位置.

(2)如果波形大小不合適，又該如何調節？既然波形的水平方向和垂直方向分別對應著時間和電壓，而示波器屏幕上又已標有均勻的刻度，那么波形圖像在水平/垂直兩個方向上進行縮放調節時，自然應當以每格刻度對應多少時間/電壓來定量描述.由此學生不難明白，圖2中標有“TIME/DIV”和“VOLTS/DIV”的旋鈕的功能就是分別用于調節波形的水平/垂直縮放.

(3)如果波形過暗或過亮，則可調節“INTEN”即輝度旋鈕；如波形過粗，則可調節“FOCUS”即聚焦旋鈕.

按照上述幾個步驟逐一講解，即可在較短時間內使學生掌握示波器最基本的操作并成功觀察到波形，樹立起學生的信心和興趣.同時，學生能較好地記住每項功能的意義，從而能初步對示波器進行自主操作.

4 更多問題

以上對示波器的講解只是初步實現了示波器使用的入門.盡管上文所述的講解過程已經讓學生了解了示波器的基本操作，但還有許多旋鈕、開關未曾涉及.一旦學生誤觸、誤調了這些旋鈕和開關，就有可能導致無法正常觀察波形.為此，實驗教師必須熟悉各種異常現象的應對措施，如：

(1)示波器無任何顯示.此時應注意輝度(INTEN)和聚焦(FOCUS)旋鈕的位置是否居中，掃描方式(SWEEP MODE)選擇開關是否在自動(AUTO)擋，X軸和Y軸的位移(POSITION)旋鈕是否居中.

(2)波形顯示與預期不符.此時應檢查示波器的輸入通道(CH1或CH2)是否已正確選擇，與信號源的接線是否完好，耦合方式(AC/DC/GND)選擇是否正確.特別注意，耦合方式若在接地(GND)位置，將看不到任何波形.

(3)波形不穩定.此時應檢查觸發信號源(TRIGGER SOURCE)的選擇，通常應當與要觀察的輸入通道一致；接著再檢查觸發方式(TRIGGER MODE)以及觸發電平(TRIGGER LEVEL).

5 結束語

本文從工科學生物理實驗教學的實際出發，對“示波器的使用”教學思路及內容組織進行了探討，希望能充分利用有限的實驗學時，讓學生真正掌握獨立使用示波器的能力，將實驗素養和動手能力的培養落到實處，為學生今后從事專業研究、生產工作奠定堅實的基礎.