數(shù)字示波器在高中物理教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用①

丁洪良

(江蘇省丹陽(yáng)市教師發(fā)展中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212300)

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，原來(lái)笨重龐大的CRT示波器近年來(lái)正逐漸被輕巧便攜、價(jià)格便宜的平板式數(shù)字示波器所替代(圖1)。操作便捷的數(shù)字示波器在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有廣闊的用武之地和推廣普及的可能，筆者結(jié)合教學(xué)實(shí)例，與同仁分享其使用體會(huì)。

圖1

1 數(shù)字示波器簡(jiǎn)介

1.1 功能與原理

數(shù)字示波器的基本功能與傳統(tǒng)的示波器相似，仍是顯示輸入電壓信號(hào)隨時(shí)間變化的波形，在常規(guī)使用條件下，水平方向上加機(jī)內(nèi)掃描信號(hào)，豎直方向上加機(jī)外信號(hào)。

1.2 特點(diǎn)

(1) 錄圖方便

傳統(tǒng)示波器是利用電子打到涂有熒光物質(zhì)的屏面上產(chǎn)生的余輝效應(yīng)來(lái)呈現(xiàn)電壓信號(hào)的圖像，在信號(hào)電壓頻率較低時(shí)，傳統(tǒng)示波器屏幕只能顯示一個(gè)移動(dòng)的亮點(diǎn)；而數(shù)字示波器則不論其頻率高低，都可以將亮點(diǎn)移動(dòng)的軌跡完整記錄下來(lái)，并能一鍵截屏保存圖像，導(dǎo)出到電腦或U盤上。

(2) 連接簡(jiǎn)單

由于數(shù)字示波器功耗較低，大多由內(nèi)置鋰電池供電，無(wú)需電源線，且只有兩條信號(hào)輸入線，電路連接簡(jiǎn)單。

(3) 操作方便

數(shù)字示波器內(nèi)置了智能調(diào)節(jié)功能，操作十分人性化，跟使用平板電腦一樣，可實(shí)現(xiàn)全觸屏式操作。

1.3 使用說(shuō)明

圖2為平板式數(shù)字示波器的頂端菜單欄，其使用說(shuō)明如下：

(1) CH1和CH2為兩個(gè)外置信號(hào)輸入通道，功能相同，表明該示波器可以同時(shí)顯示兩組外加信號(hào)波形；

(2) 2.5 V/div表示背景方格的一個(gè)小格在豎直方向上的邊長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的電壓為2.5 V，可以根據(jù)所測(cè)輸入信號(hào)電壓的強(qiáng)弱，點(diǎn)擊切換到適當(dāng)數(shù)值；

(3) 1 ms/div表示背景方格的一個(gè)小格在水平方向上的邊長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為1 ms，可以根據(jù)所測(cè)輸入信號(hào)電壓的周期長(zhǎng)短，點(diǎn)擊切換到適當(dāng)數(shù)值；

(4) T為信號(hào)采集模式選擇鍵，如果要觀察連續(xù)的周期性信號(hào)的波形(如正弦式交流電)就可以選擇自動(dòng)模式；如果輸入信號(hào)為脈沖信號(hào)，則可以選擇單次模式或常規(guī)模式，在此模式下，當(dāng)輸入信號(hào)沒(méi)有變化時(shí)，機(jī)器處于靜默等待狀態(tài)，當(dāng)突然有一個(gè)單次變化的信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，機(jī)器就會(huì)瞬間進(jìn)入記錄狀態(tài)，把該信號(hào)波形呈現(xiàn)在屏幕上。

圖2

2 應(yīng)用示例

2.1 演示通電自感線圈中電流的變化

由于數(shù)字示波器只能輸入電壓信號(hào)，如何顯示電感線圈中電流的變化呢？這就需要我們把電流的測(cè)量轉(zhuǎn)換為電壓的測(cè)量，電路設(shè)計(jì)如圖3所示，數(shù)字示波器的探針接在電阻R兩端，閉合開關(guān)后，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，電阻R和電感L串聯(lián)，流過(guò)R和L的電流變化情況相同，再根據(jù)歐姆定律U=IR，示波器所呈現(xiàn)的R兩端的U-t圖線和L中的I-t圖線的波形一致。實(shí)物連接如圖4所示(示波器未畫出，以下同)，采集信號(hào)時(shí)，使用“單次”采集模式，由于數(shù)字示波器非常靈敏，故開關(guān)S閉合時(shí)動(dòng)作一定要果斷，以免開關(guān)觸點(diǎn)接觸不良使波形產(chǎn)生毛刺現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，可見(jiàn)通電后電感中電流是逐漸增大并趨于穩(wěn)定。另外發(fā)光二極管可以起到斷電時(shí)的釋能作用，開關(guān)斷開時(shí)，可見(jiàn)發(fā)光二極管亮一下。

圖3

圖4

圖5

2.2 演示斷電自感線圈中電流的變化

電路設(shè)計(jì)如圖6所示，定值電阻R與電感L并聯(lián)，數(shù)字示波器探針接在電阻R兩端，閉合開關(guān)S時(shí)，R、L為并聯(lián)關(guān)系；斷開開關(guān)S后，R、L為串聯(lián)關(guān)系，則R兩端的U-t圖線和L中的I-t圖線的波形一致。實(shí)物連接如圖7所示，使用數(shù)字示波器的“常規(guī)”采集模式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，可清晰地看到斷電前流過(guò)電阻的電流為恒定電流，斷電后電阻中電流瞬間反向并逐漸減小為零，也就說(shuō)明了斷電后L中的電流沿原方向逐漸減小為零。

圖6

圖7

圖8

2.3 演示LC振蕩電路的阻尼振蕩現(xiàn)象

電路設(shè)計(jì)如圖9所示，實(shí)物連接如圖10所示，電容C與電感L并聯(lián)，數(shù)字示波器探針接在電容C兩端。先給電容充電，由于LC振蕩電路只能用無(wú)極性電容，所以充電時(shí)不用分正負(fù)極。使用數(shù)字示波器的“單次”采集模式，閉合開關(guān)S，即可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，可清晰地看到LC電路中發(fā)生了周期性振蕩現(xiàn)象，由于存在能量損耗，其振幅不斷減小，直至為零。

圖9

圖10

圖11

2.4 演示電容器充、放電現(xiàn)象

電路設(shè)計(jì)如圖12所示，實(shí)物連接如圖13所示，數(shù)字示波器探針接在電容C兩端。直接用與電源相連的鱷魚夾連接圖13中的a(接電源正極)、b(接電源負(fù)極)兩點(diǎn)，注意到這里用到的是電解電容，所以充電時(shí)正負(fù)極不能接反。使用數(shù)字示波器的“單次”采集模式，閉合開關(guān)S，電源通過(guò)限流電阻R1對(duì)電容C充電，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14所示，可清晰地看到電容器剛開始充電時(shí)，電容兩端電壓上升較快，越往后，電壓上升得越慢，直到電容充滿，電壓保持不變，波形變成一條直線；然后斷開開關(guān)S，電容通過(guò)電阻R2放電，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖15所示，可清晰地看到電容剛開始放電時(shí)，電容兩端電壓下降較快，越往后，電壓下降得越慢，直到電容完全放電完畢，兩端電壓降為零。如果將電路中的開關(guān)S周期性地進(jìn)行接通與斷開操作，電容則反復(fù)進(jìn)行充放電，就可得到圖16所示的振蕩波形。

圖12

圖13

圖14

圖15

圖16