清华大学物理实验A1示波器原理及声速测量实验报告

1、示波器原理和使用及声速测量物理实验报告示波器原理和使用及声速测量物理实验报告 清华大学 示波器原理和使用及声速测量试验物理实验简要报告班级姓名学号结稿日期：示波器原理和使用及声速测量试验（简要报告）一、实验目的：（ 1 ）了解示波器的基本结构及其工作原理，掌握示波器的基本使用方法；（ 2）学习电信号有关参数的基本概念，使用示波器观察波形并且进行测量；（ 3）了解声波在空气中传播速度和气体状态参量的关系；（ 4）了解超声波产生和接受的原理，学习用相位法测量空气中的声速二、实验原理：（1）示波器原理框图：示波器按显示方式可分为阴极射线示波管和液晶显示两种。阴极射线示波器一般包括示波管、竖直放大器、

2、水平放大器、扫描发生器、触发同步和直流电源等。示波器基本结构：示波管为示波器的主要部分，包括电子枪、偏转系统和荧光屏三部分，全部密封在真空玻璃外壳内。电子枪由灯丝、阴极、控制栅极、第一阳极及第二阳极组成。灯丝加热表面涂有氧化物的阴极，使其发射电子。因控制栅极电位比阴极低，初速度较大的电子才能通过控制栅极，示波器上的亮度就是通过调整栅极电位来控制的。阳极电位比阴极电位高很多，电子被阴阳极间的电场加速而形成阴极射线。当控制栅极、第一阳极及第二阳极的电位调节合适时，射线收到聚焦。所以第一阳极也称聚焦阳极，而第二阳极电位更高，称为加速阳极。荧光屏上涂有荧光粉，电子打上去能发出荧光，形成光斑。性能较好的

3、示波管中，荧光屏玻璃内表面直接刻有坐标刻度，荧光粉紧贴坐标刻度以消除视差。示波器显示波形的原理：竖直偏转板上加交变正弦电压使电子竖直运动，水平偏转板上加锯齿波扫描电压，使电子水平运动。而电子的运动是竖直方向和水平方向的合成，所以当竖直偏转板电压与水平偏转板电压的周期相等时，在荧光屏上能显示出完整周期的波形图。（4）李萨如图形的基本原理：如果示波器的X和Y输入是频率相同或成简单整数比的两个正弦电压，则屏上的光点将呈现特殊形状的轨迹，这种轨迹图称为李萨如图形。如果做一个限制光点x、 y 方向变化范围的假想方框，则图形与此框相切时，横边上的切点数nx与竖边上的切点数ny之比恰好等于 Y 和 X 输入

4、的两正弦信号的频率之比。即：fy:fx=nx:ny，若有端点与假想边框相接时，应把一个端点记为1/2 个切点。利用李萨如图形能方便得比较出两个正弦信号的频率。（6） 声速测量：v RT（ 1）理想气体中声波的传播速度为M 。其中， 为比热容比，M 是气体的摩尔质量，T是绝对温度，R 8.31441J/（mol K）。2）在室温t 下，干燥空气中的声速为v v0 1Tt0 ，其中2）在室温t 下，干燥空气中的声速为气声速，为331.5m/s 。3）但实际中空气并不是干燥的，所以修正的结果为v 3）但实际中空气并不是干燥的，所以修正的结果为v 331.5 1 t 1 0.31T0rp sp5其中，

5、 r为相对湿度，ps为饱和蒸汽压，p 1.013 10 Pa。1. 示波器的原理及使用：2.声速测量：(1)逐差法：Lixi11010 xi Li1 10LiLixi 10 xi42.982 mm , 而 x i , x 8.5964mm10i1 055 的标准偏差10i10.832930569 mm , 且 仪0.03mm,tp v tp n 1tp 92.26,2仪22.26102仪22.26100.832930569222 0.030.5967844397 mm50.5967844397 0.1193568879 0.1 mm 8.60 0.12 mm5348.068236而声速的测量值

6、v1 f , f 10Hz,348.0682364.833524884 m/s1020.1193568879 4.833524884 m/s40.49000000 1038.5964v1348.1 4.8 m/ s0.6，因此实验测量的声速在误差允许范(2)最小二乘法：将共振位置读数与序号的数据在excel 中画出曲线如下：90ix数读 置位xi线性 (xi)y = 4.318x - 2.198R2 90ix数读 置位xi线性 (xi)y = 4.318x - 2.198R2 = 0.999008700065430000211020序号1 共振位置与波节点关系2进行最小二乘法拟合，得到直线y

7、4.318x 2.198，相关系数R2 0.999 ，表明实进行最小二乘法拟合，得到直线验数据线性关系良好，因此是合理的。因此2 4.318 8.636 。而由最小二乘法的计算过程知，s r 1112 11117.457289502 103，n 2 n 2 r2180.999s s 8.636 7.457289502 103 0.06440115214 mmtp 18 s 2.101 0.06440115214 0.1353068207 mm8.64 0.14 mm代入数据，计算得声速的测量值v1 f 349.67164m/ s，v1 v0349.67164 350.1352406与声速理论值

8、的相对误差1000350.1352406故合理。又 f 又 f 10Hz5.479253784 m/s349.67164103 25.479253784 m/s40.49000000 1038.636v1349.7 5.5 m/ s四、思考题. 如果打开示波器的电源开关后，在屏幕上既看不到扫描线又看不到光点，可能有哪些原因？应该分别怎样调节？答： （ 1 ）示波器损坏，应换一台示波器；（ 2）在之前调试的过程中，将波形的水平位置和竖直位置调整到了屏幕以外，无法在显示屏上显示，应调节水平和垂直位置旋钮；（ 3）亮度太暗了，可能是示波器内部损坏或者调节问题，试着增大亮度，

9、如果无效，则更换示波器；（ 4）所加电压幅值过大，频率过低，且scale电压分辨率和scale时间分辨率未调整好，使得在屏幕显示区域没有图像，应改转动scale电压分辨率和scale时间分辨率旋钮，直到屏幕上有图像，再进行进一步调节；（ 5）触发方式normal 触发电平又不合适，应当使用“Autoset ”按钮或者打开菜单进行调节。.如果图形不稳定，总是向左或向右移动，如何调节？答： （ 1 ） 图形不稳定的原因是X方向的锯齿波电压和加在Y方向上的电压周期稍有不同，应该进行同步触发调节。（ 2）同步触发调节的方法有：直接按示波器上的Autoset 按钮，让示波器自行调节或者调节触发功能区，手

10、动选择扫描电压扫描开始时间。.如果Y轴信号频率fy 比 X轴信号频率fx大很多，示波器上将看到什么情形？相反呢？答：根据李萨如图形的规律：（ 1）一条水平亮线；（ 2）一条竖直亮线。. 若不损坏仪器的情况下，被测信号幅度太大，在屏上会看到什么图形？答： 则在屏幕上将看到不完整图形。正弦波： 正弦曲线去掉波峰波谷中间部分的图像；方波：一组平行竖直亮线；三角波或尖脉冲波：除了波峰波谷的中间部分。如下图所示：4）尖脉冲波4）尖脉冲波. 观察李萨如图形时，如果图形不稳定，而且是一个形状不断变化的椭圆，那么两个图形 变化的快慢与两个信号频率之差有什么关系？ 答：关系是两个信号频率相差越大，图形变化越快。.逐差法处理数据的优点是什么？还有其他做法吗？答：相比较每两个相邻数据作差，逐差法提高实验数据的利用