清华大学物理实验A1示波器原理及声速测量实验报告

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

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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、水平放大器、扫描发生器、触发同步和直流电源等。 (2)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。

(3)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n x 与竖边上的切点数n y 之比恰好等于Y 和X 输入的两正弦信号的频率之比。即：f y :f x =n x :n y ，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：

（1）理想气体中声波的传播速度为

M

RT

v γ=

。

其中，γ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0

01T t v v +

=，其中v 0为标准状况下干燥空

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

⎪⎪⎭⎫

⎝

⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=p rp T

t

v s 31.0115.3310

其中，r 为相对湿度，p s 为饱和蒸汽压，

Pa p 5

10013.1⨯=。

三、数据记录和处理（原始数据已扫描）：

1.示波器的原理及使用：

2.声速测量：

(1)逐差法：

()()1010

1010111142.982,,8.596410105

i i i i i i i i i i L L x x L L x x mm x x mm

λλ++===-∴==-===∴==∑∑而

()550.8329305690.03,s mm mm λλ=

=∆

=仪的标准偏差,且

()()()

()

519 2.26,0.5967844397p p p t v t n t mm λ=-==∴∆==

()()()()15110.59678443970.11935688790.18.600.125

,10,

348.068236 4.833524884/348.1 4.8/f v mm mm v f Hz v m s v m s

λ

λλλ∆∴∆=

==≈∴=±=∆=∴∆===∴=±而声速的测量值

相对误差在原始数据记录表上已经计算过，约为0.6％，因此实验测量的声速在误差允许范围内合理。

(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：

图1 共振位置与波节点关系

进行最小二乘法拟合，得到直线 4.318 2.198y x =-，相关系数2

0.999R =，表明实

验数据线性关系良好，因此是合理的。2 4.3188.636λ=⨯=因此。而由最小二乘法的计

y = 4.318x -2.198R² = 0.9996

0102030405060

7080900

5

10

15

20

25

位置读数x i

序号i

xi 线性(xi)

算过程知，37.45728950210s λ

λ-====⨯， ()

()()()38.6367.457289502100.0644011521418 2.1010.064401152140.135********.640.14p s s mm t s mm mm

λ

λλλλ

λ

λ-∴==⨯⨯=∆==⨯=∴=± 1349.67164/v f m s λ==代入数据，计算得声速的测量值，

100349.67164350.1352406

0.13240615231350.1352406

v v v η--===与声速理论值的相对误差％＜％故合理。

()()1110349.67164 5.479253784/349.7 5.5/f v Hz

v m s v m s

∆=∴∆===∴=±又

四、思考题

1.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，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。

2.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，手动选择扫描电压扫描开始时间。