大学物理实验 预习报告

1、大学物理实验 预习报告实验一 密度测量密度是物体的属性之一，实验测定固体密度需要进行长度和质量的测量。长度和质量是基本物理量，其测量原理和方法在其他测量仪器中也常常有体现，如游标和螺旋测微（俗称千分尺）的原理等。测量长度的量具，常用较简单的有米尺、游标卡尺和螺旋测微器。这三种量具测量的范围和准确度各不相同，须视测量的对象和条件加以选用。当长度在cm以下时，需用更精密的长度测量仪器（如比长仪等）或者采用其他的方法（如利用光的干涉和衍射等）来测量。测量物体质量时，需使用天平。天平是物理实验中常用的基本仪器。我们将通过对物体密度的测量来学习使用长度和质量的测量仪器，掌握它们的构造特点、规格性能、读数

2、的原理和规则、使用方法及维护知识等，并注意在以后的实验中恰当的选择使用。【实验目的】1、 掌握游标卡尺、螺旋测微器及天平的测量原理和使用方法。2、 掌握直接测量量和间接测量量的数据处理方法。【实验仪器】 游标卡尺、螺旋测微器、分析天平、待测圆柱体。【实验原理】圆柱体密度计算公式如式（1）所示。 （1）式中，m为圆柱体质量；V为体积；H为高；D为直径。只要直接测出D、H、m，即可间接确定。式（1）适用于质量均匀分布的圆柱体。但由于被测试件加工上的不均匀，必然会给测量带来系统误差。由于加工的不均匀是随机的，所以可以用处理随机误差的方法来减小这种具有随机性质的系统误差，即在试件的不同位置多次测量取平

3、均值的方法来处理。液体密度计算公式如式（2）所示。 （2）液体密度的测量采用比重瓶法，即使用两个同体积的比重瓶，一个比重瓶中装入水，另外一个比重瓶中装入待测液体。分别利用天平称出两者以及未装入液体之前空比重瓶的质量，代入式（2）中即可求出待测液体的密度，其中水的密度为已知条件。1.游标卡尺如图1所示，游标卡尺有两个主要部分，一条主尺和一个套在主尺上并可以沿它滑动的副尺（游标）。游标卡尺的主尺为毫米分度尺，当下量爪的两个测量刀口相贴时，游标上的零刻度应和主尺上的零位对齐。如果主尺的分度值为a ，游标的分度值为b ，设定游标上n个分度值的总长与主尺上（ n-1 ）分度值的总长相等，则有 （3）图1

4、 游标卡尺示意图主尺与副尺每个分度值的差值即游标尺的分度值，也就是游标尺的精度（最小读数值）： （4）常用的三种游标尺有,即精度各为0.1mm、0.05mm、0.02mm。游标尺的读数方法是：先读出游标零线以左的那条线上毫米级以上的读数L0，即为整数值；然后再仔细找到游标尺上与主尺刻线准确对齐的那一条刻线（该刻线的两边不对齐成对称状态），数出这条刻线是副尺上的第条，则待测物的长度（即为小数值）为 （5）图2是分度游标卡尺的刻度及读数举例。图上读数： 图2 游标卡尺读数示意图螺旋测微器如图3所示，螺旋测微器是在一根测微螺杆上配一螺母套筒，上有0.5mm分度的标尺。测微螺杆的后端连接一个有50个分

5、度的微分套筒，螺距为50mm。当微分套筒转过一个分度时，测微螺杆就会在螺母套筒内沿轴线方向改变0.01mm。也就是说，螺旋测微器的精密度（分度值）是0.01mm。由此可见，螺旋测微器是利用螺旋（测微螺杆的外螺纹和固定套筒的内螺纹精密配合）的旋转运动，将测微螺杆的角位移转变为直线位移的原理实现长度测量的量具。图3 螺旋测微器示意图在使用螺旋测微器时，应该检查零线的零位置，当螺杆的一端与测砧相接触时，往往会有系统误差（读数不是零毫米），所以必须先记下螺旋测微器的初读数z0，根据不同情况z0有正负之分。测量时将物体放在测砧和螺杆端面之间，转动测力装置，至听到“咯咯”的响声为止，两端面已与待测物紧密接

6、触。从毫米分度尺上读出大于0.5mm的部分，0.01mm以上的部分从微分筒边缘刻度盘上对准基准线处读出，同时要估读出0.001mm级。则待测物的实际长度为。螺旋测微器读数例如图4所示。L=5.6915.695图4 螺旋测微器的读数示意图螺旋测微器实际上是实验方法中机械放大法的一种应用。假设微分套筒刻度部分的周长为50mm，刻了50个刻度，则分度值为1mm的弧长。测量时当测微螺杆位移0.01mm时，在微分套筒上相应变化为1mm，于是微小位移被放大，放大倍数为。因此，这种装置使测量精度提高了100倍，这种方法称为螺旋放大法。凡采用螺旋测微装置的仪器，如读数显微镜、测量显微镜、迈克耳孙干涉仪等在测量

7、部分中都采用了这种螺旋放大法。分析天平图5是TG-628A型分析天平结构图。 横梁；，支点刀承；. 支力销；，平衡螺母；. 托翼；，吊耳； ，称盘；.托盘螺母；.制动旋钮；，垫脚；螺旋脚；骑码执手；指针； 标牌图5 TG-628A型分析天平结构图和天平配套使用的是一套级等砝码，其中最小质量的砝码为1mg，天平还设有骑码（游码）操纵装置，能搬动骑码正确安放在天平衡量刻度尺上。横梁上以中间为零，两侧各有10个槽口，在010mg以内的质量变化，都可以通过骑码执手进行调节，使用天平应注意以下几点：1）调水平的螺旋脚，使水准器的水泡移到中心以保证支柱铅直；2）空载支起横梁（调节制动钮），观察指针摆动情况

8、，若指针不在零点或左右摆动格数不相等，应马上将横梁制动，再调节平衡螺母。反复几次观察调节，直到调准零点。【实验步骤】1.用游标卡尺，在圆柱体的不同位置测出高H（不少于6次）。2.利用游标卡尺测出圆柱体的直径D（不少于6次）。3.按要求正确调节天平，称出圆柱体的质量m（不少于6次）。4.按要求正确调节天平，称出空瓶质量m瓶、（不少于6次）。5.所测数据和各仪器的精度都记入自己设计的记录表格中。6.利用所测数据求出固体密度与液体密度，并进行相应的数据处理。【数据记录与处理】1、根据表1、2进行数据记录表1 固体密度的测量次数测量项123456平均值质量（g）高度(mm)直径(mm)体积(mm3)表

9、2 液体密度的测量次数测量项123456平均值空比重瓶的质量（g）比重瓶和盐水的质量(g)盐水的质量(g)比重瓶和水的质量(g)水的质量（g）2、固体密度的计算a、计算各量的平均值、。b、测定不确定度的估算：， , , , c、结果表示为：， 3、液体密度的计算结果表示为：，【注意事项】1.利用天平称物体时，砝码和物体放在各放到盘的中心处，需增加或减少砝码必须使用镊子。2.取或放物体和砝码，移动游码或调节零点时，都应将横梁制动，以免损坏支点刀承上的刀口。3.称衡完毕要检查横梁是否放下，盒中砝码和镊子是否齐全。4.比重瓶为玻璃器皿，使用时注意轻拿轻放。【思考题】 1.如何用天平来测量不规则物体的

10、密度？2.铅板长约10cm，宽约5cm，厚约1mm，其中有5mm左右的圆孔两个，为使其体积的测量结果有四位数，应选用什么测量仪器？实验二 气垫导轨上的实验气垫导轨是为消除摩擦而设计的力学实验的装置，来自气源的气在开有密集小孔的导轨表面产生一层气垫。物体运动在气垫上，避免物体与导轨的直接接触，很大程度上减少了物体与导轨表面的摩擦。利用气垫导轨可以进行许多力学实验，如测定速度、加速度，验证牛顿第二定律，动量守恒定律，研究简谐振动等。【实验目的】1、利用碰撞特例验证动量守恒定律。2、学习使用气垫导轨和数字毫秒计。【实验仪器】实验装置如图1所示，主要由气源、气垫导轨、滑块（上面装有档光片）、光电计时系

11、统（光电门、数字毫秒计）组成。图1 气垫导轨实验示意图实验室用“吹尘器”作气源。气垫导轨简称气轨，是一条横截面为三角形的空芯轨道，轨道表面分布着许多小气孔。气轨一头封闭，另一头装有进气嘴，气流从进气嘴流入，通过小气孔喷出，当滑块置于气垫之上时，滑块与轨道之间形成气垫，将滑块浮起，滑块的运动可视为是无摩擦的（气垫的两端装有缓冲弹簧，以免滑块冲出）。整个导轨安置在矩形梁上，梁下有三个用来调节水平的底脚螺丝。（3）滑块、（）是实验中相互碰撞的两物体，、滑块的内表面可与气轨密切配合；上部装有“凹”字形的档光片，一端装有缓冲弹簧，另一端粘有尼龙搭扣，一端粘有尼龙搭扣，另一端为光滑端。（4）光电计时测速系

12、统由光电门、数字毫秒计（包括滑块上的档光片）组成。 光电门是计时系统的信号接收装置，主要由安装在支架上的小聚光灯和光敏管组成，也有使用红外发光二极管和红外光敏三极管组成的光电门。聚光灯和光敏管对置于轨道两侧，工作时聚光灯发光，光敏管接收光电信号。利用光敏管所接收的光照变化来控制毫秒计的“计”和“停”，实现计时。 光电计时器在本实验的工作特点是：光敏管第一次被遮光，开始计时，第二次被遮光，计时停止，故计时器记录的是两次遮光的时间间隔。x固连于滑块上的挡光片的有效部分为“凹”字形铝片，当挡光片随同滑块通过光电门时，就使光敏管受到两次遮光，从而使计时器记下一段时间与此段时间对应的挡光片的有效宽度，如

13、图2所示。运动方向图2 档光片运动示意图于是滑块通过光电门的平均速度为 （1）不大，可将近似地视为瞬时速度。本实验中，、上的挡光片的有效宽度分别为cm、cm. 毫秒计的用法此处不再详述。【实验原理】二、速度与加速度物体作直线运动时，如果在时间间隔内，通过的位移为，则物体在的时间间隔内的平均速度V为： （8）当趋近于零时，平均速度的极限值就是该时刻（或是该位置）的瞬时速度。当滑块在气垫导轨上运动时，通过测量滑块上的档光片经过光电门的档光时间与档光片的宽度（见图2），即可求出滑块在时间内的平均速度v。由于档光片宽度比较窄，可以把平均速度近似地看成滑块通过光电门的瞬时速度。档光片愈窄，相应的就愈小，

14、平均速度就更为准确地反映滑块在经过光电门位置时的瞬时速度。本实验中，滑块上的U型挡光片的宽度为cm，条形挡光片的宽度为cm在水平气轨上的滑块，如果受到水平方向的恒力作用（这个恒力由加上质量为m的重物来提供），则滑块在气轨上作匀加速度运动。分别测量滑块通过两个光电门时的初速度和末速度，并测出两个光电门的间距S，则滑块的加速度a 为： （9）又设重物的质量为M，滑块的质量为m，根据牛顿第二定律有： Mg=（m+ M）a （10）则 （11） 【实验步骤】 二、速度、加速度的测量1检查光电门，使存储式数字毫秒计处于正常工作状态（电脑计时器的使用参看说明书）。2观察匀速直线运动测量速度轻轻推

15、动滑块，观察滑块在气轨上的运动，包括和气轨两端的缓冲弹簧的碰撞情况。分别记下滑块经过两个光电门时的速度V1和V2，试比较V1和V2的数值，若V1和V2之间的差别小于V1（或V2）的1时，则导轨接近水平，此时可近似认为滑块作匀速直线运动；若V1和V2相差较大，可通过调节导轨底座螺钉使导轨水平。熟悉测量滑块的速度。3气垫导轨调水平后，根据表2测量滑块在导轨上作匀速直线运动时任一位置处的瞬时速度V。4加速度的测量（1）在滑块的一端利用挂钩的丝线加上质量为m的物体，让滑块在物体的重力作用下运动，记录滑块经过两光电门后计时器所显示的时间t1、t2或即时速度V1、V2(取决于电脑计时器的功能)，其中，（为

16、挡光片的计时宽度）。将数据记入表3中，则滑块运动的加速度a可按式（9）计算。（2）利用天平分别测出滑块与物体的质量，根据式（11）求重力加速度g。【数据记录与处理】3速度、加速度的测量数据记录表如下表2、表3。表2 速度的测量数据待测量次数 (m) (s，ms)V(m/s)123456平均值表3 加速度的测量数据待测量次数 (m)t1(s，ms)t2(s，ms)a(m/s2)123456【注意事项】1.使用气垫导轨时，切勿频繁用手触碰导轨，以免加大导轨摩擦力。2.进行测量时，应保证导轨先通气，再放滑块。3.气泵勿长时间工作，容易发热而导致充气。【思考题】1、设毫秒计光电门性能正常，但滑块通过光

17、电门时出现下列情况：毫秒计不计时；毫秒计计时不停，请问各是什么原因造成的。2、你还能想出验证机械能守恒的其它方法吗？ 实验九 三线摆测量刚体的转动惯量转动惯量是刚体转动时惯性大小的量度，它与刚体的质量分布和转轴的位置有关。对于质量分布均匀、外形不复杂的刚体，测出其外形尺寸及质量，就可以计算出其转动惯量；而对于外形复杂、质量分布不均匀的刚体，其转动惯量就难以计算，通常利用转动实验来测定。三线摆就是测量刚体转动惯量的基本方法之一。【实验目的】1. 学会正确测量长度、质量和时间。2. 学习用三线摆测量圆盘、圆环及圆柱绕对称轴的转动惯量。【实验仪器】DH4601转动惯量测试仪1台、实验机架1套、圆环1

18、块、圆柱体2个等。【实验原理】图1是三线摆实验装置示意图。图1 三线摆实验装置图三线摆是由上、下两个匀质圆盘，用三条等长的摆线（摆线为不易拉伸的细线）连接而成。上、下圆盘的系线点构成等边三角形，下盘处于悬挂状态，并可绕轴线作扭转摆动，称为摆盘。由于三线摆的摆动周期与摆盘的转动惯量有一定关系，所以把待测样品放在摆盘上后，三线摆系统的摆动周期就要相应的随之改变。这样，根据摆动周期、摆动质量以及有关的参量，就能求出摆盘系统的转动惯量。当下盘扭转振动，其转角很小时，其扭动是一个简谐振动，其运动方程为： （1）当摆离开平衡位置最远时，其重心升高，根据机械能守恒定律有： （2）而： （3） （4）将式（4

19、）代入式（2）得 （5）图2 三线摆原理图从图2三线摆原理图中的几何关系中可得： （6）简化得 ： （7）略去，且取，则有代入式（5）得： （8）通过式（8）就可求出物体绕中心轴的转动惯量。式中各物理量的意义如下：为下盘的质量；、分别为上下悬点离各自圆盘中心的距离；为平衡时上下盘间的垂直距离；为下盘作简谐运动的周期，为重力加速度（在武汉地区）。将质量为的待测物体放在下盘上，并使待测刚体的转轴与轴重合。测出此时摆运动周期和上下圆盘间的垂直距离。同理可求得待测刚体和下圆盘对中心转轴轴的总转动惯量为： （9）如不计因重量变化而引起悬线伸长， 则有。那么，待测物体绕中心轴的转动惯量为： （10） 因此

20、，通过长度、质量和时间的测量，便可求出刚体绕某轴的转动惯量。【实验步骤】（1）整个实验装置如图3所示。首先调整下盘水平：将水准仪置于下盘任意两悬线之间，调整小圆盘上的三个旋扭，改变三悬线的长度，直至下盘水平。图3 三线摆设备全图（2）测量空盘绕中心轴转动的运动周期：轻轻转动上盘，带动下盘转动，这样可以避免三线摆在作扭摆运动时发生晃动。注意扭摆的转角控制在以内。打开数字计时器的电源，程序预置周期为T=30（数显），即三线摆来回经过计时器配套光电门的次数为T=2n+1次。据具体要求，若要设置35次，先按“置数”开锁，再按上调（或下调）改变周期T，再按“置数”锁定，此时，即可按执行键开始计时，信号灯

21、不停闪烁，即为计时状态。当物体经过光电门的周期次数达到设定值，数显将显示具体时间，单位“秒”。须再执行“35”周期时，无须重设置，只要按“返回”即可回到上次刚执行的周期数“35”，再按“执行”键，便可以第二次计时。（当断电再开机时，程序从头预置30次周期，须重复上述步骤）。（3）测出待测圆环与下盘共同转动的周期：将待测圆环置于下盘上，注意使两者中心重合，按同样的方法测出它们一起运动的周期。（4）测出两个小圆柱体（对称放置）与下盘共同转动的周期T 2。（5）测出上下圆盘三悬点之间的距离和，然后算出悬点到中心的距离和。因下盘对称悬挂，使三悬点正好联成一个正三角形。若测得两悬点间的距离为L，则圆盘的

22、有效半径R（圆心到悬点的距离）等于。（6）其它物理量的测量：用米尺测出两圆盘之间的垂直距离和放置两小圆柱体小孔间距；用游标卡尺测出待测圆环的内、外直径、和小圆柱体的直径。（7）记录各刚体的质量。【数据记录与处理】1.实验数据记录 下盘质量 待测圆环质量 圆柱体质量表1 累积法测周期数据记录参考表格摆动50次所需时间单位（s）下盘下盘加圆环下盘加两圆柱111222333444555666平均平均平均周 期 表2 长度多次测量数据记录表项目 次数上盘悬孔间 距下盘悬孔间 距待测圆环小圆柱直 径放置小圆柱体两小孔间距外直径内直径123456 平均2通过公式计算出；3利用公式计算出待测圆环的转动惯量I

23、1。并与理论值计算值比较，求相对误差并进行讨论。已知理想圆环绕中心轴转动惯量的计算公式为。4利用公式计算出待测圆环的转动惯量I2。求出圆柱体绕自身轴的转动惯量，并与理论计算值比较，验证平行轴定理。【注意事项】1.圆盘应尽可能消除摆动之外的振动；2.防止游标卡尺的刀口割坏悬线。【思考题】1用三线摆测刚体转动惯量时，为什么必须保持下盘水平？2在测量过程中，如下盘出现晃动，对周期有测量有影响吗？如有影响，应如何避免之？3测量圆环的转动惯量时，若圆环的转轴与下盘转轴不重合，对实验结果有何影响？4如何利用三线摆测定任意形状的物体绕某轴的转动惯量？实验十一 用拉伸法测杨氏模量【实验目的】1.掌握拉伸法测定

24、金属杨氏模量的方法；2.学习用光杠杆放大测量微小长度变化量的方法；3.学习用作图法处理数据。【实验仪器】LY-1型 CCD杨氏模量测量仪【实验原理】一、杨氏模量任何固体在外力使用下都要发生形变，最简单的形变就是物体受外力拉伸（或压缩）时发生的伸长（或缩短）形变。本实验研究的是棒状物体弹性形变中的伸长形变。设金属丝的长度为L，截面积为S，一端固定，另一端在延长度方向上受力为F，并伸长，如图1所示，比值是物体的相对伸长，叫应变。是物体单位面积上的作用力，叫应力。 图1 金属丝弹性形变图根据胡克定律，在物体的弹性限度内，物体的应力与应变成正比，即 （1）则有： （2）（1）式中的比例系数E称为杨氏弹

25、性模量（简称杨氏模量）。 实验证明：杨氏模量E与外力F、物体长度L以及截面积S的大小均无关，而只取决定于物体的材料本身的性质。它是表征固体性质的一个物理量。根据（2）式，如果能够把等式右边各量均测出，杨氏模量便可求得。（1）式中的F、S、L三个量都可用一般方法测得。唯有是一个微小的变化量，用一般量具难以测准。本实验采用LY-1型 CCD杨氏模量测量仪进行测量。二、测量原理LY-1型 CCD杨氏模量测量仪如图2所示。整套实验设备包含：钼丝、立柱、读数显微镜、CCD摄像机、视频监视器。 图2 LY-1型 CCD杨氏模量测量仪 在两根立柱之间安装上下两个横梁。金属丝一端被上梁侧面的一付夹板夹牢，另一

26、端用小夹板夹在连接方框上，方框下旋进一个螺钉吊起砝码盘，框子的侧面固定一个十字叉丝板，下梁一侧有连接框的防摆动装置，只需将2个螺丝调到适当位置，就能够限制增减砝码引起的连接框的扭转和摆动。立柱旁设砝码架，附200g砝码9个，100g砝码1个，可按需要组成200 g、400 g、600g和300 g、600 g、900 g 等不同序列进行等间隔量。悬垂的金属丝下端连着十字叉丝板和砝码盘，如图3所示，当盘中加上质量为M的砝码时，金属丝受力增加了g（N）。十字叉丝随着金属丝的伸长同样下降。而叉丝板通过显微镜的1×物镜成像在最小分度为0.05 mm的分划板上，再被目镜放大，所以能够用眼睛通过

27、显微镜对做直接测量。CCD摄像机的镜头将显微镜的光学图像会聚到CCD（电荷耦合器件）上，再变成视频电信号，经视频电缆传送到图文监视器，即可供几个人同时观测。采用CCD系统代替眼睛更便于观测，并且能够减轻视疲劳。图3 系统框图【实验步骤】（1）调节底脚螺丝，使仪器底座水平（可用水准器），再用上梁的微调旋钮调节夹板的水平，直到穿过夹板的细丝不靠贴小孔内壁。然后调节下梁一侧的防摆动装置，将两个螺丝分别旋进铅直细丝下连接框两侧的“V”形槽，并与框体之间形成两个很小的间隙，以便能够上下自由移动，又能避免发生扭转和摆动现象。（2）将显微镜筒装到支架上，插入磁性座，紧靠定位板直边。按显微镜工作距离大致确定物

28、镜与被测十字叉丝屏的距离之后，用眼睛对准镜筒，转动目镜，对分划板调焦，然后沿定位板微移磁性座，在分划板上找到十字叉丝像，经磁性座升降微调，使微尺分划板的零线（或0-1mm之间的其他位置）对准十字叉丝的横线，并微调目镜，尽量消除视差。最后锁住磁性底座。（3）将一个专用支杆旋进摄像机下的螺纹孔，插入二维调节磁性座，使底座的刨光面紧靠定位板直边，镜头对准显微镜，与目镜相距约1cm。然后锁紧支杆。摄像机的后面板示于图4。图4 CCD摄像机面板示意图用75视频电缆线的一端接摄像机背面的视频输出口（VIDEO OUT），另一端接监视器背面的视频输入（IN）口。将专用12V直流电源的输出插头接到DC12电源

29、输出口（DC12V IN）内。（4）屏幕正下方有4个旋钮，自左至右依次调节水平扫描、垂直扫描、亮度和对比度。将监视器背后的电源插头插到220V插座内，并按一下屏幕右下方的开关之后，几秒钟内显示屏即出现图像。调节水平和垂直扫描使图像稳定。实验中对比度宜大些，而亮度以适中为好。为了使图像清晰还须适当调节摄像镜头（参见图3）：先调节聚焦，顺时针方向为远（FAR），逆时针方向为近（NEAR）。然后调光阑：顺时针方向为关小（CLOSE），逆时针方向为开大（OPEN）。（5）记下待测细丝下的砝码盘未加砝码时监视屏上显示的毫米尺在十字叉丝横丝上的读数l0，以后在砝码盘上每增加一个M = 200g 的砝码，先

30、用天平称得并记录准确值，从屏上读取一次数据li（i = 1，2，8）。然后逐一减掉砝码，又从屏上读取， ， 一组数据，两组数据逐一取平均，得。待测细丝的长度可作多次测量。考虑到细丝直径d在各处可能存在的不均匀性，可取用螺旋测微器或数显卡尺在6处测量的平均值。将前述原理公式分解整理即得： （3）其中g是当地的重力加速度，例如天津地区约为9.80。d是细丝的直径，L为细丝的长度。【数据记录与处理】1、 实验数据记录表格如表1所示。表1相关数据的测量次序砝码质量（g）Li(加mm)Lj(减mm)（mm）（mm）L(cm)D(mm)120024003600480051000-61200-71400-8

31、1600- （g）， （mm）。2、 利用公式计算出测量所得杨氏模量的结果及不确定度；【注意事项】1.杨氏模量仪一经调好，中途不得再任意变动，否则所测数据无效。2.加、减砝码要细心，须用手轻轻托住砝码托盘，不得碰动仪器；而且需待钢丝伸缩稳定后方可读数。3.在测量钢丝伸长量过程中，不可中途停顿而改测其他物理量（如d、L），否则若中途受到另外干扰，则钢丝的伸长（或缩短）值将发生变化，导致误差增大。实验八 示波器的使用【实验目的】1了解示波器的结构和示波器的示波原理；2掌握示波器的使用方法，学会用示波器观察各种信号的波形；3学会用示波器测量直流、正弦交流信号电压；4观察利萨如图，学会测量正弦信号频率

32、的方法。【实验仪器】YB4320/20A/40双踪示波器，函数信号发生器。图1实验仪器实物图【实验原理】示波器是一种能观察各种电信号波形并可测量其电压、频率等的电子测量仪器。示波器还能对一些能转化成电信号的非电量进行观测，因而它还是一种应用非常广泛的、通用的电子显示器。1示波器的基本结构示波器的型号很多，但其基本结构类似。示波器主要是由示波管、X轴与Y轴衰减器和放大器、锯齿波发生器、整步电路、和电源等几步分组成。其框图如图2所示图2 示波器原理框图 (1) 示波管示波管由电子枪、偏转板、显示屏组成。电子枪：由灯丝H、阴极K、控制栅极G、第一阳极A1、第二阳极A2组成。灯丝通电发热，使阴极受热后

33、发射大量电子并经栅极孔出射。这束发散的电子经圆筒状的第一阳极A1和第二阳极A2所产生的电场加速后会聚于荧光屏上一点，称为聚焦。A1与K 之间的电压通常为几百伏特，可用电位器W2调节，A1与K之间的电压除有加速电子的作用外，主要是达到聚焦电子的目的，所以A1称为聚焦阳极。W2即为示波器面板上的聚焦旋钮。A2与K之间的电压为1千多伏以上，可通过电位器W3调节，A2与K之间的电压除了有聚焦电子的作用外，主要是达到加速电子的作用，因其对电子的加速作用比A1大得多，故称A2为加速阳极。在有的示波器面板上设有W3，并称其为辅助聚焦旋钮。在栅极G与阳极K之间加了一负电压即UKUG ，调节电位器W1可改变它们

34、之间的电势差。如果G、K间的负电压的绝对值越小，通过G的电子就越多，电子束打到荧光屏上的光点就越亮，调节W1可调节光点的亮度。W1在示波器面板上为“辉度”旋钮。偏转板：水平(X轴)偏转板由D1、D2组成，垂直(Y轴)偏转板由D3、D4组成。偏转板加上电压后可改变电子束的运动方向，从而可改变电子束在荧光屏上产生的亮点的位置。电子束偏转的距离与偏转板两极板间的电势差成正比。显示屏：显示屏是在示波器底部玻璃内涂上一层荧光物质，高速电子打在上面就会发荧光，单位时间打在上面的电子越多，电子的速度越大光点的辉度就越大。荧光屏上的发光能持续一段时间称为余辉时间。按余辉的长短，示波器分为长、中、短余辉三种。（

35、2）X轴与Y轴衰减器和放大器示波管偏转板的灵敏度较低(约为0.11mm/V)当输入信号电压不大时，荧光屏上的光点偏移很小而无法观测。因而要对信号电压放大后再加到偏转板上，为此在示波器中设置了X轴与Y轴放大器。当输入信号电压很大时，放大器无法正常工作，使输入信号发生畸变，甚至使仪器损坏，因此在放大器前级设置有衰减器。X轴与Y轴衰减器和放大器配合使用，以满足对各种信号观测的要求。（3） 锯齿波发生器锯齿波发生器能在示波器本机内产生一种随时间变化类似于锯齿状、频率调节范围很宽的电压波形，称为锯齿波，作为X轴偏转板的扫描电压。锯齿波频率的调节可由示波器面板上的旋钮控制。锯齿波电压较低，必须经X轴放大器

36、放大后，再加到X轴偏转板上，使电子束产生水平扫描，即使显示屏上的水平坐标变成时间坐标，来展开Y轴输入的待测信号。2示波器的示波原理示波器能使一个随时间变化的电压波形显示在荧光屏上，是靠两对偏转板对电子束的控制作用来实现的。如图3a 所示，Y轴不加电压时，X轴加一由本机产生的锯齿波电压ux ，ux=0时电子在E的作用下偏至a点，随着ux 线性增大，电子向b偏转，经一周期时间TX ，ux达到最大值uxm， 电子偏至b点。下一周期，电子将重复上述扫描，就会在荧光屏上形成一水平扫描线ab。图3 偏转板加电压时电子的偏转情况如图3 b所示，Y轴加一正弦信号uy ，X轴不加锯齿波信号，则电子束产生的光点只

37、作上下方向上的振动，电压频率较高时则形成一条竖直的亮线cd。如图4所示，Y轴加一正弦电压uy ，X轴加上锯齿波电压ux ，且fx=fy ， 这时光点的运动轨迹是X轴和Y轴运动的合成。最终在荧光屏上显示出一完整周期的uy波形。3整步从上述分析中可知，要在荧光屏上呈现稳定的电压波形，待测信号的频率f y必须与扫描信号频率fx相等或是其整数倍，即fy=nfX(或TX= nTy)，只有满足这样的条件时，扫描轨迹才是重合的，故形成稳定的波形。通过改变示波器上的扫描频率旋钮，可以改变扫描频率fX ，使fy=nfX条件满足。但由于fX的频率受到电路噪声的干扰而不稳定，fy=nfX的关系常被破坏，这就要用整步

38、(或称同步)的办法来解决。即从外面引入一频率稳定的信号(外整步)或者把待测信号(内整步)加到锯齿波发生器上，使其受到自动控制来保持fy=nfX的关系，从而使荧光屏上获得稳定的待测信号波形。图4 示波器的示波原理图解【实验仪器介绍】现以YB4320/20A/40双踪示波器为例（面版见图5所示），介绍示波器的一般使用方法：图5 YB4320/20A/40/60前面板示意图一、YB4320/20A/40/60型双踪示波器旋钮和开关的功能A电源及示波管控制系统交流电源插座，该插座下端装有保险丝管。电源开关（POWER）：按键弹出即为“关位置”。按下为“开”位置。电源指示灯：电源按通时，指示灯亮。亮度旋

39、钮（INTENSITY）；顺时针方向旋转，亮度增强。聚焦旋钮（FOSUS、）：用来调节光迹及波形的清晰度。光迹旋转旋钮（TRACE ROTATION）：用于调节光迹与水平刻度线平行。刻度照明旋钮（SCALE ILLUM）：用于调节屏幕刻度亮度。B垂直系统（30）通道1输入端CH1 INPUT （X）：用于垂直方向输入。在XY方式时输入端的信号成为X信号。（22）（29）、交流接地直流 耦合选择开关（ACGNDDC）选择垂直放大器的耦合方式。交流(AC)：垂直输入端由电容器来耦合接地(GND)：放大器的输入端接地直流(DC)：垂直放大器输入端与信号直接耦合。（26）（33）：衰减开关（VOLT/

40、DIV）：用于选择垂直偏转灵敏度的调节。如果使用的是10：1探头。计算时将幅度×10。（25）（32）：垂直微调旋钮（VARIBLE）垂直微调用于连续改变电压偏转灵敏度。此旋钮在正常情况下，应位于顺时针方向旋到底的位置。将旋钮逆时针方向旋到底垂直方向的灵敏度下降到2.5倍以上。(20)（36）：CH1×5扩展，CH2×5扩展（CH1×5MAG，CH2×5MAG），按下×5扩展键，垂直方向的信号扩大5倍，最高灵敏度为1mv/div。（23）（35）：垂直移位（POSITION）调节光迹在屏幕中的垂直位置。垂直方式工作按钮（VERTICA

41、L MODE）垂直方向的工作方式选择。（34）：通道1选择（CH1）：屏幕上仅显示CH1的信号。（28）：通道2选择（CH2）：屏幕上仅显示CH2的信号。（34）（28）：双踪选择（DVAL）：同时按下CH1 和CH2按钮，屏幕上会出现双踪并自动以断续或交替方式同时显示CH1 和CH2的信号。（31）：叠加（ADD）：显示CH1 和CH2输入电压的代数和。（21）：CH2极性开关（INVERT）：按此开关时CH2显示反相电压值。C水平方向部分（15）：扫描时间因数选择开关（TIME/DIV）：共20档。在0.1s/div0.2s/div范围选择扫描速率。（11）：XY控制键。选择XY工作方式时

42、，垂直偏转信号接入CH2输入端，水平偏转信号接入CH1输入端。（23）：通道2垂直移位键（POSITION）：控制通道2信号在屏幕中的垂直位置，当工作在XY方式时，该键用于Y方向的移位。（12）：扫描微调控制键（VARIBLE）：此旋钮以顺时针旋转到底时处于校准位置，扫描由Time/Div开关指示。该旋钮逆时针方向旋转到底，扫描减慢2.5倍以上。正常工作时，该旋钮位于“校准”位置。（14）：水平移位（POSITION）：用于调节轨迹在水平方向移动。顺时针方向旋转，光迹右移，逆时针方向旋转，光迹左移。（9）：扩展控制键（MAG×5）、(MAG×10,仅YB4360)按下去时,

43、扫描因数×5扩展或×10扩展.。扫描时间是Time/Div开关指示数值的1/5或1/10。例如，用×5扩展时，100s/Div为20s/Div。部分波形的扩展：将波形的尖端移到水平尺寸的中心，按下×5或×10扩展按钮，波形将扩展5倍或10倍。（8）：ALT扩展按钮（ALTMAG）：按下此键，扫描因数×1；×5或×10同时显示。此时要把放大部分移到屏幕中心，按下ALTMAG键。扩展以后的光迹可由光迹分离控制键（13）移位距×1光迹1.5div或更远的地方。同时使用垂直双踪方式和水平ALTMAG可在屏幕上同时

44、显示四条光迹。 D触发（TRIG）（18）：触发源选择开关（SOVRCE）：选择触发信号源。内触发（INT）：CH1或CH2上的输入信号是触发信号。通道2触发（CH2）：CH2上的输入信号是触发信号。电源触发（LINE）：电源频率成为触发信号。外触发（EXT）：触发输入上的触发信号是外部信号，用于特殊信号的触发。（43）：交替触发（ALT TRIG）：在双踪交替显示时，触发信号交替来自于两个Y通道，此方式可用于同时观察两路不相关的信号。（19）：外触发输入插座（EXT INPVT）：用于外部触发信号的输入。（17）：触发电平旋钮（TRIG LEVEL）：用于调节被测信号在某一电平触发同步。（1

45、0）：触发极性按钮（SLOPE）：触发极性选择 。用于选择信号的上升沿和下降沿触发。（16）：触发方式选择（TRIG MODE）：自动（AUTO）：在自动扫描方式时，扫描电路自动进行扫描。在没有信号输入或输入信号没有被触发同步时，屏幕上仍然可以显示扫描基线。常态（NORM）：有触发信号才能扫描，否则屏幕上无扫描线显示。当输入信号频率低于20HZ时，用常态触发方式。（41）：Z轴输入连接器（后面板） （Z AXTS INPVT）：Z轴输入端。加入正信号时，辉度降低；加入负信号时，辉度增加。常态下的5VP-P的信号能产生明显的辉度调节。（39）：通道1输出（CH1 OVT）：通道1信号输出连接器，

46、可用于频率计数器输入信号。（7）：校准信号（CAL）：电压幅度为0.5VP-P频率为1KHZ的方波信号。（27）：接地柱：接地端。【实验步骤】1调整示波器，观察正弦波波形首先熟悉双踪示波器控制面板上各控制键位的作用。然后将函数信号发生器的输出端接示波器的“Y轴输入”端，观察正弦波信号的波形。调节示波器的有关旋钮，使荧光屏上出现稳定的波形。把有关数据记录在表1中。2电压测量（1）电压的定量测量。将“V/DIV”微调置于“CAL”位置，就可以进行电压的定量测量。测量值可由下列公式计算后得到：用探头“×1位置”进行测量时，其电压值为：V=V/DIV设定值×信号显示幅度（DIV）

47、用探头“×10位置”进行测量时，其电压值为：U=V/DIV设定值×信号显示幅度（DIV）×10。（2）直流电压测量。该仪器具有高输入阻抗，高灵敏度和快速响应的优势，下面介绍测量过程：将Y轴输入耦合选择开关置于“”，“电平”置于“自动”。屏幕上形成一水平扫描基线，将“v/div ”与“t/div ”置于适当的位置，且“v/div ”的微调旋钮置于校准位置，调节Y轴位移，使水平扫描基线处于荧光屏上标的某一特定基准(0伏)。 将“扫描方式”开关置“AUTO”（自动）位置，选择“扫描速度”使扫描光迹不发生闪烁的现象。 将“ACGNDDC”开关置“DC”位置，且将被测电压加

48、到输入端。扫描线的垂直位移即为信号的电压幅度。如果扫描线上移，则被测电压相对地电位为正；如果扫描线下移，则该电压相对地电位为负。电压 值可用上面公式求出。例如，将探头衰减比置于×10位置，垂直偏转因数（V/Div）置于“0.5v/div”，微调旋钮置于“CAL”位置，所测得的扫描光迹偏高5div。根据公式，被测电压为：0.5(V/DIV)×5(DIV)×10=25V图6 交流电压测量测三次直流电压值，取其平均值。图7脉冲宽度测量（3）交流电压测量。调节“V/DIV”切换开关到合适的位置，以获得一个易于读取的信号幅度。从下面图6所示的图形中读出该幅度并用公式计算之。

49、当测量叠加在直流电压上的交流电压时，将“AC-GND-DC”开关置于DC位置时就可测出所包含直流分量的值。如果仅需测量交流分量，则将该开关置于“AC”位置。按这种方法测得的值为峰峰值电压（VPP）。正弦波信号有效值为：。测三次，取平均值，计算出其有效值。记入表3中。例如，将探头衰减比置于×1的位置，垂直偏转因数（V/DIV）置“5v/div”位置，“微调”旋钮置于“校正（CAL）”位置，所测得波形峰一峰值为6格（见图6所示）。则UPP=5（V/div）×6(div)=30V有效值电压为：V=30/=10.6（V）。3相位测量图8 相位测量两个信号之间相位差的测量可以利用仪器

50、的双踪显示功能进行。如图10给出了两个具有相同频率的超前和滞后的正弦波信号，用双踪方波器显示的例子。此时，“触发源”开关必须置于超前信号相连接的通道，同时调节“Time/DIV”开关，使显示的正弦波波形大于1个周期，如图8所示。一个周期占6格，则1格刻度代表波形相位60º，故相位差=（div）数×2/div/周期=1.5×360º/6=90º。4观察利萨如图将按钮“XY”按下，此时由“ch1”端口输入的信号就为X轴信号，其偏转灵敏度仍按该通道的垂直偏转因数开关指示值读取，从“ch2”端口输入Y轴信号，这时示波器就工作在X-Y显示方式。在示波器X

51、轴和Y轴同时各输入正弦信号时，光点的运动是两个相互垂直谐振动的合成，若它们的频率的比值fx：fy =整数时，合成的轨迹是一个封闭的图形，称为李萨如图。李萨如图的图形与频率比和两信号的位相差都有关系，但李萨如图与两信号的频率比有如下简单的关系 ：nx，ny分另为李萨如图的外切水平线的切点数和外切垂直线的切点数，如图11所示 。图9 李萨如图因此，如fx 、fy 中有一个已知且观察它们形成的李萨如图，得到外切水平线和外切垂直线的切点数之比，即可测出另一个信号的频率。实验时，X轴输入某一频率的正弦信号作为标准信号，Y轴输入一待测信号，调节Y轴信号的频率，分别得到三种不同的nx ：ny的李萨如图，计算出fy ，读出Y轴输入信号发生器的频率fy/。本次实验要求同学们观察的李萨茹图形是同频率的两个信号在不同相位差下的图形。各个相位差对应的李萨如图形如下图10所示。图10 相位差与李萨如图形【数据记录及处理】表1正弦波形及“峰-峰