高中物理示波器光屏上圖案的形成與形狀分析專題輔導

示波器光屏上圖案的形成與外形分析重慶張大洪示波器是用來直接觀看電信號隨時間變化狀況的一種電子儀器爭論；關于示波器面板的生疏同學們可以參閱高中物理其次冊“練習使用示波器”，本文不再贅述。一、圖案的形成原理在示波器的豎直偏轉電極上加上〔即“Y輸入”、“地”之間輸入外部需要爭論的電壓信號，或將“衰減”旋鈕置于“∞”而使用機內本身供給的加在豎直方向頻率 的正弦溝通電壓Y〔10～100、100～ 、 ～ 、 ～ 中的一個檔位而使用機內本身供給的圖一所示的水平方向的掃描電壓，或將“掃描范圍”旋鈕置于“外X”檔而從“X輸入”、“地”之間輸入的外部供給的電壓〕X方向的掃描電壓；那么由電子槍發(fā)出的電子將同時參與X、Y方向的受控運動，適中選擇“掃描范圍”旋鈕的檔位并調整“掃描微調”旋鈕及“衰減”旋鈕，即可在示波器的光屏上形成清楚的圖案。二、圖案的外形分析示波器的內部構造如圖一所示，假設在偏轉電極XX′、YY′上均不加電壓時，電子束必水平位移旋鈕可以調整光斑的位置。假設只在豎直偏轉電極YY′〔常加信號電壓而在XX′電極上不加電壓則：⑴熒光屏上的光斑只在豎直方向即Y光屏上的任意位置處的豎直線上運動。⑵光斑偏轉距離及運動狀況分析：如圖二所示由于極板YY′很短，故電子在二板間運動YY′板間運動中二板電壓UL電子質量、電量 、速度為，則電子在二板間運動時間為 ，電子加速度為

在離開極板YY′后將勻速直線運動到達光屏，設極板YY′到光屏的水平距離為L′，則電子運動時間 ，故在Y方向的偏轉距離 ；那么光屏上光斑的偏轉距離為。由于L、L′、由裝置打算而不變， 是電子的屬性所以當加在極板YY′上的電壓信號隨時間變化即 時光屏上光斑偏離中心的距離必隨時間作相應的變化，即⑶當加在YY′上的信號電壓

。時，必有屏上光斑離開屏中心的距離光斑必在豎直方向作圓頻率為

的簡諧振動。

，故說明光屏上的⑷假設加在YY′上的信號電壓 變化很快，即圓頻率為很大時，則光斑在豎直亮線。⑸無論在YY′上的信號電壓 如何變化，電子必只在豎直方向運動，故熒光屏上的亮斑必只在豎直方向上移動或成一豎直亮線如圖三所示。假設只在水平偏轉電極XX′上加偏轉電壓〔稱掃描電壓〕，而在豎直方向YY′上不加電壓時則：⑴熒光屏上的光斑只在水平方向〔X〕發(fā)生偏移。⑵由于XX′極板很短，故電子在二板間運動時可以將二板間的電壓U當作不變，因而光屏上光斑偏離中心的距離〔同YY′方向的偏轉距離的分析方法〕XX′極板上所加的電壓的變化規(guī)律一樣。⑶當加在XX′上的信號電壓簡諧振動。⑷假設加在XX′上的信號電壓

時，屏上光斑離開屏中心的距離必有ω的變化很快，即圓頻率為很大時，則光斑在水平亮線。四個檔表示由機內供給的掃描電壓的波形〔 圖〕如圖四，同前分析可得光屏上的光斑離開光屏中心的水平距離

XX′極板上所加的電壓

的變化規(guī)律一樣〔即〕，故光斑的 圖與電壓的 圖相像；說明光斑離開中心的距離與時間成線性關系；故說明光斑在水平方向作速度為的勻速直線運動，我們稱為“掃描”；且由T

知在一⑹無論在XX′上的掃描電壓 如何變化，電子必只在水平方向運動，故熒光屏上的亮斑必只在水平方向上移動或成一水平亮線如圖五示。熒光屏上呈現(xiàn)出完整圖案的條件及圖案外形分析：由前分析知光斑在光屏上所形成的圖案外形將由X、Y方向的二運動合成，設加在XX′上的掃描電壓的周期為、頻率 ，而加在YY′上的信號電壓的周期與頻率為 則有：⑴當 即X方向的掃描電壓的周期等于Y方向信號電壓周期的整數(shù)倍〔n〕時，光屏上才能形成具有n〔由于當水平方向的掃描電壓完成一個周期的變化時豎直方向的信號電壓已經(jīng)完成了n個周期的變化光屏上的圖案為從正半周開頭的波形，假設將“同步”開關置于“—”則光屏上的圖案為從負半周開頭的波形。⑵當〔見后面例題〕。

時間屏上必不能形成完整的波形，但在肯定條件下仍可形成穩(wěn)定的圖案三、實例分析例1⑴將示波器面板上“掃描范圍”旋鈕置于第一檔〔10Hz～100Hz〕，將“衰減”旋鈕置于“∞”檔，再將“掃描微調”旋鈕分別調整為 時，光屏上將各消滅什么外形的圖案？⑵當只將“掃描范圍”旋鈕置于“外X”檔而其它不變時圖案又如何？⑶假設將“衰減”旋鈕置于最高檔并從“Y輸入”、“地”之間輸入一恒定直流電壓，“掃描范圍”旋鈕置于第一檔〔10Hz～100Hz〕時間屏上的圖案又如何？分析：⑴因示波器面板上“掃描范圍”旋鈕置于第一檔〔10Hz～100Hz〕表示水平方向10H～100Hz內調整檔表示用機內供給的豎直方向的頻率為50Hz描頻率調整為50Hz時即 光屏上將只消滅一個完整的正弦或余弦曲線圖案如圖六甲示；當用“掃描微調”旋鈕將掃描頻率調整為25Hz時即 ，光屏上將只消滅兩個完100Hz時即，光屏上將不形成完整的波形但可以形成穩(wěn)定的圖案如圖六丙示，因掃描電壓在水平方向完成一個周期的變化時信號電壓在豎直方向只完成半個周期而在光屏上形成如圖2個周期的掃描而使光斑又從光屏的最左方按豎直方向的后半個周期的規(guī)律變化而形成圖中的虛線示的圖形成圖示圖案；當用“掃描微調”旋鈕將掃描頻率調整為200Hz時即 ，光屏上不能形成完整的波形但仍可形成穩(wěn)定的圖案；當“同步”置于“+”位置時，水平方向完成一個周期的掃描時豎直方向只完成個周期的變化故光屏上形成圖中的 段，水平方向進展其次個周期的掃描時間屏上形成圖中的 段，類推即得到圖六丁示圖案。⑵當只將“掃描范圍”旋鈕置于“外X”檔而其它不變時說明水平方向沒有掃描電壓，故光屏上只有一條豎直亮線如圖七甲；⑶假設將“衰減”旋鈕置于最高檔并從“Y電子在豎直方向的偏轉距離必為定值〔在光屏中心的上方或下方〕；又“掃描范圍”旋鈕置于第一檔〔10Hz～100Hz〕即說明水平方向使用的機內供給的掃描電壓，故在光屏上形成圖七乙示的實線或虛線示圖形，且只要掃描電壓的頻率不小于一樣。

，屏上觀看到的狀況均2將示波器的“衰減”置于“∞”檔，“同步”開關置于“+”位置，并將“掃描范圍”置于“外X”檔然后從“X輸入”、“地”給水平方向加上以下掃描電壓時間屏上將消滅什么圖案？① ；② ；③ ；④。的正弦溝通電壓；“掃描范圍”置于“外X”檔并從“X輸入”、“地”給水平方向加上。① 的掃描電壓時，由前面分析知偏轉距離 、即光屏上的圖案如圖八甲示。

二式相除得到②當水平方向掃描電壓為 時，由 得，光屏上的圖案如圖八乙示。③當水平方向掃描電壓為 時，由 得光屏上必形成一個橢圓圖案如圖八丙示。④當水平方向掃描電壓為 時，由于X、Y方向的頻率不一樣則由得 即 ，故光屏上將形成 的函數(shù)圖案。3要在示波器熒光屏上觀看到圖中的溝通電信號，應當如何連接及調整示波器？分析：由上圖中的數(shù)據(jù)知我們要觀看的信號電壓的周期

，要使光屏上顯描電壓的頻率為 。那么調整步驟如下：間位置，“衰減”調整旋鈕置于最高檔，“掃描范