靜電場測繪和示波器

靜電場測繪和示波器第一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六請(qǐng)大家提交扭擺波爾共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告請(qǐng)大家完成靜電場示波器預(yù)習(xí)報(bào)告實(shí)驗(yàn)報(bào)告務(wù)必寫明班號(hào)和組號(hào)第二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六華東理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology靜電場測繪第三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六華東理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology靜電場測繪

1.研究什么？用何種方法？

2.實(shí)驗(yàn)中用什么場模擬靜電場？本實(shí)驗(yàn)研究何種靜電場？3.直接測量量？用何種方法？等勢(shì)面與電場線的關(guān)系？第四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六華東理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)習(xí)用穩(wěn)恒電流場模擬靜電場的原理和方法加深電場強(qiáng)度、電場線和等勢(shì)面等概念的理解描繪同軸電纜、平行輸電線的電場分布情況第五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六點(diǎn)電荷等量異號(hào)電荷第六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六同軸電纜----點(diǎn)電荷模擬第七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六平行輸電線----等量異號(hào)電荷模擬第八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六華東理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology任意形狀的帶電體在空間的電場分布計(jì)算復(fù)雜靜電，無電荷移動(dòng)，用磁電式儀器不能直接測量模擬法理論計(jì)算直接測量以理論為基礎(chǔ)，不直接研究自然現(xiàn)象本身，用相似的模型來研究實(shí)驗(yàn)原理第九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六華東理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology☆什么是模擬法？模擬法在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中有著極其廣泛的應(yīng)用本質(zhì):用一種易于實(shí)現(xiàn)、便于測量的物理狀態(tài)或過程,模擬不易實(shí)現(xiàn)的、不易測量的狀態(tài)和過程☆為什么要采用模擬法？在一些電子器件和設(shè)備中有時(shí)需要知道其中的電場分布，一般都通過實(shí)驗(yàn)的方法來確定。但在直接測量靜電場時(shí)遇到很大困難，主要困難在于把探針伸入靜電場時(shí)，探針上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷，使原電場產(chǎn)生顯著的畸變，故實(shí)驗(yàn)時(shí)常用模擬方法來測量！模擬法第十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六華東理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology數(shù)學(xué)模擬：兩個(gè)不同本質(zhì)的物理過程，

用同一個(gè)數(shù)學(xué)方程來描述模擬法分類物理模擬：相同的物理現(xiàn)象/過程縮小或放大模擬再現(xiàn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)第十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六中國航天事業(yè)奠基人---錢學(xué)森第十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六航空聲學(xué)風(fēng)洞模型上海交通大學(xué)徐匯校區(qū)錢學(xué)森圖書館第十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六華東理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology數(shù)學(xué)模擬：兩個(gè)不同本質(zhì)的物理過程，

用同一個(gè)數(shù)學(xué)方程來描述模擬法分類物理模擬：相同的物理現(xiàn)象/過程縮小或放大模擬再現(xiàn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)靜電場模擬第十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六華東理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology模擬的條件用穩(wěn)恒電流場模擬靜電場的條件:AB(圖a)穩(wěn)恒電流場中的電極形狀應(yīng)與被模擬的靜電場中的帶電體幾何形狀相同穩(wěn)恒電流場中的導(dǎo)電介質(zhì)是不良導(dǎo)體且電導(dǎo)率分布均勻，并滿足電極電導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于介質(zhì)的電導(dǎo)率模擬所用電極系統(tǒng)與被模擬電極系統(tǒng)的邊界條件相同模擬方法的使用有一定的范圍第十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六華東理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology直接測量量間接測量物理量:場強(qiáng)E,為矢量,不易測量直接測量物理量:電勢(shì)U,標(biāo)量,容易測量場強(qiáng)方向和電勢(shì)面垂直相交,從“+”

到“-”第十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六華東理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology實(shí)驗(yàn)儀器兩邊等臂移動(dòng)第十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六華東理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology操作步驟坐標(biāo)紙固定好；2.調(diào)節(jié)兩個(gè)電極間電壓為10.0V；10.00v實(shí)驗(yàn)過程中不能移動(dòng)第十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六華東理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology好？電壓表法C+-V檢流計(jì)法G+-C等勢(shì)面的測量方法1.直接法（電壓表法）工作電壓設(shè)置：將“直接、檢零”開關(guān)置于“直接”檔；將“測量、校正”開關(guān)置于“校正”檔；調(diào)節(jié)“電壓調(diào)節(jié)”旋鈕，使電表顯示10V。等勢(shì)面測量：將“測量、校正”開關(guān)置于“測量”檔；移動(dòng)探筆，尋找等勢(shì)點(diǎn)，并開始測量。2.檢零法（檢流計(jì)法）工作電壓設(shè)置：同上待測等勢(shì)面電勢(shì)設(shè)定：“直接、檢零”開關(guān)置于“檢零”檔將“設(shè)定、檢零”開關(guān)置于“設(shè)定”檔；調(diào)節(jié)“設(shè)定調(diào)節(jié)”旋鈕調(diào)到所需的電勢(shì)值。等勢(shì)面測量：將“設(shè)定、檢零”開關(guān)置于“檢零”檔；移動(dòng)探筆，尋找指示器指示為零的點(diǎn)，并開始測量第十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六華東理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.用電壓表法測繪平行輸電線（模擬等量異號(hào)電荷）的等勢(shì)線簇（1、3、5、7、9V）；2.用檢零法（檢流計(jì)法）測繪同軸電纜（模擬點(diǎn)電荷電場）的等勢(shì)線簇（1，3，5V）；3.記錄點(diǎn)電荷各等勢(shì)點(diǎn)的坐標(biāo)，上機(jī)處理數(shù)據(jù)，觀察等勢(shì)圓的擬合情況，記下各圓實(shí)測半徑RP和圓心坐標(biāo)，并與理論半徑RT

比較，計(jì)算百分誤差E（％）；4.根據(jù)電場線與等勢(shì)面的關(guān)系，畫出電場線。（測繪等勢(shì)點(diǎn)時(shí)應(yīng)注意點(diǎn)的分布情況，并描下電極位置）第二十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六華東理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology

1.003.005.007.009.00+-數(shù)據(jù)處理:等量異號(hào)電荷描繪出等勢(shì)面及電場線第二十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六華東理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology數(shù)據(jù)處理：點(diǎn)電荷畫一條曲線需要取8點(diǎn)描繪出電勢(shì)面、電場線EEab讀出實(shí)驗(yàn)點(diǎn)坐標(biāo)，輸入計(jì)算機(jī)，得到各等勢(shì)面半徑實(shí)驗(yàn)值Rp，圓心坐標(biāo)（x0,y0).如何評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性？理論值相對(duì)誤差第二十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六華東理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology注意事項(xiàng)1.掌握“先定性觀察，后定量測量”的原則；根據(jù)物理圖像以及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（檢流計(jì)的偏轉(zhuǎn)情況）來判斷電勢(shì)的高低情況。2.一定要注意探針與導(dǎo)電板的接觸良好，但移動(dòng)探筆時(shí)應(yīng)將它提起，否則容易破壞導(dǎo)電層。3.對(duì)同一個(gè)等勢(shì)面盡量從不同的方位找等勢(shì)點(diǎn)。4.電壓值有一定的誤差，對(duì)平行輸電線等勢(shì)線的定性測繪不需要很精確。第二十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六華東理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology靜電場測繪G+-CC+-V第二十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六測繪的兩種方法一、檢流計(jì)法測量同軸電纜G+-C二、電壓法平行輸電線C+-V通過實(shí)驗(yàn)來判斷兩種方法哪種方法好檢流計(jì)一端設(shè)定為某一電壓值另一端尋找電流零點(diǎn)電壓表一端設(shè)為0伏另一端尋找所需電壓點(diǎn)此時(shí)檢流計(jì)應(yīng)顯示為何值？此時(shí)電壓表應(yīng)顯示為何值？第二十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六華東理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心EastChinaUniversityofScienceandTechnologyEab模擬點(diǎn)電荷同軸電纜----點(diǎn)電荷模擬第二十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六華東理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology59731模擬等量異號(hào)電荷平行輸電線----等量異號(hào)電荷模擬第二十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六第二十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六陰極射線示波器第二十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六示波器是一種常用的實(shí)驗(yàn)儀器,它常用來顯示電信號(hào)隨時(shí)間變化的情況。第三十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六電子射線示波器是常用的電子儀器之一它可以將電壓隨時(shí)間的變化規(guī)律顯示在熒光屏上，以便研究它的大小、頻率、位相和其它的變化規(guī)律，還可以用來顯示兩個(gè)相關(guān)的電學(xué)量之間的函數(shù)關(guān)系示波器已成為測量電學(xué)量以及研究可轉(zhuǎn)化為電壓變化的其它非電學(xué)物理量的重要工具之一第三十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解示波器的結(jié)構(gòu)和工作原理2.掌握示波器、信號(hào)發(fā)生器和函數(shù)發(fā)生器的作用和使用方法3.利用示波器進(jìn)行不同信號(hào)的測量，并掌握測量后的數(shù)據(jù)處理第三十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六示波器的核心部件是示波管。實(shí)驗(yàn)原理第三十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六構(gòu)造及功能:1、電子槍：發(fā)射并加速電子2、豎直偏轉(zhuǎn)電極：使電子束豎直偏轉(zhuǎn)（加信號(hào)電壓）3、水平偏轉(zhuǎn)電極：使電子束水平偏轉(zhuǎn)（加掃描電壓）示波管示意圖第三十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六

Y

X燈絲陽極陰極柵極熒光屏示波管結(jié)構(gòu)示意圖電子Y相偏轉(zhuǎn)X相掃描圖形加速直線光點(diǎn)電子束1、電子槍：發(fā)射并加速電子2、豎直偏轉(zhuǎn)電極：使電子束豎直偏轉(zhuǎn)（加信號(hào)電壓）3、水平偏轉(zhuǎn)電極：使電子束水平偏轉(zhuǎn)（加掃描電壓）第三十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六●聲、光、溫度等物理量的變化通過傳感器轉(zhuǎn)化成電信號(hào)（加在X和Y偏轉(zhuǎn)板間）的變化，再用示波器研究●示波器的基本原理是帶電粒子在電場力（X和Y偏轉(zhuǎn)板間）的作用下加速和偏轉(zhuǎn)原理第三十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六帶電粒子的偏轉(zhuǎn)：+++++-----+v0yL試分析帶電粒子的受力和運(yùn)動(dòng)情況帶電粒子作類平拋運(yùn)動(dòng)：(1)

在平行于極板的方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)：

(2)

在垂直于極板的方向做初速為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)：第三十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六示波器顯示波形的原理示意圖●如果只在豎直偏轉(zhuǎn)板上（Y軸）加一交變的正弦電壓，則電子束的亮點(diǎn)將隨電壓的變化在豎直方向來回運(yùn)動(dòng)，如果電壓頻率較高，將是一條豎直亮線。如左圖所示?！褚@示出波形，必須同時(shí)在水平偏轉(zhuǎn)板上(X軸)加一個(gè)掃描電壓。掃描電壓隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線形同“鋸齒”故稱“鋸齒波電壓”，如右圖所示。產(chǎn)生鋸齒波電壓的電路在圖中用“掃描電路”方框表示。當(dāng)只有鋸齒波電壓加在水平偏轉(zhuǎn)板上，如果頻率足夠高，則會(huì)在熒光屏上顯示一條水平亮線。第三十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六示波器顯示波形的原理示意圖●如果Y軸加正弦電壓，同時(shí)在X軸加鋸齒波電壓，電子同時(shí)受Y、X兩個(gè)方向的力的作用，則電子的運(yùn)動(dòng)為兩相互垂直的運(yùn)動(dòng)的合成。當(dāng)鋸齒波電壓與正弦電壓變化周期相等時(shí)，在熒光屏上將能顯示出一個(gè)完整的正弦電壓的波形圖第三十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六同步作用

顯示穩(wěn)定波形的條件：掃描電壓周期應(yīng)為被測信號(hào)周期的整數(shù)倍，即Tx=nTy

（n=1，2，3…）Tx=2Ty時(shí)合成的圖形Tx=3Ty時(shí)合成的圖形第四十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六示波器的主要應(yīng)用：觀察各種波形測量頻率測量電壓比較相位等李薩如圖形沿Y軸方向的簡諧運(yùn)動(dòng)與沿X軸方向的簡諧振動(dòng)合成的一種合運(yùn)動(dòng)——將出現(xiàn)穩(wěn)定的封閉曲線

第四十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六如果X、Y偏轉(zhuǎn)板上加的電信號(hào)都是正弦波，當(dāng)fx和fy之比為整數(shù)比時(shí)，電子束受到它們的合作用，光點(diǎn)將會(huì)描繪出特定的圖形——李薩如圖形。左圖描繪的是的兩個(gè)正弦波電訊號(hào)合成的李薩如圖形。第四十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六相同頻率不同相位時(shí)的李薩如圖形應(yīng)用1：利用李薩如圖比較兩個(gè)信號(hào)之間的相位差：

李薩如圖形：沿Y軸方向的簡諧運(yùn)動(dòng)與沿X軸方向的簡諧振動(dòng)合成的一種合運(yùn)動(dòng)。第四十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六應(yīng)用2：利用李薩如圖形測定未知信號(hào)的頻率公式：式中的、分別為李薩如圖形與X、Y軸的切點(diǎn)數(shù)。●設(shè)將未知頻率fy的電壓Uy和已知頻率fx的電壓Ux（均為正弦電壓）分別送到示波器的Y軸和X軸，則由于兩個(gè)電壓的頻率、振幅和相位的不同，在熒光屏上將顯示各種不同波形●一般得不到穩(wěn)定的圖形，但當(dāng)兩電壓的頻率成簡單整數(shù)比時(shí)，將出現(xiàn)穩(wěn)定的封閉曲線，稱為李薩如圖形。根據(jù)這個(gè)圖形可以確定兩電壓的頻率比，從而確定待測頻率的大小第四十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六不同相位差時(shí)的李薩如圖形f1:f2第四十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六面板上旋鈕或開關(guān)的功能按下電源開關(guān)（POWER）鍵，電源接通后無信號(hào)輸入時(shí)，屏幕上應(yīng)出現(xiàn)一個(gè)亮點(diǎn)或一條掃描橫線。若無，則需先將亮度調(diào)節(jié)（INTENSITY）旋大，然后適當(dāng)調(diào)節(jié)Y軸和X軸位移（POSITION），使屏幕中央出現(xiàn)亮點(diǎn)或一條橫線。觸發(fā)電平控制第四十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六如果是將信號(hào)輸入示波器的CH1通道，則相應(yīng)要將示波器的Y軸顯示模式開關(guān)（MODE）置于CH1位置。聚焦調(diào)節(jié)

掃速選擇開關(guān)（微調(diào)）

選擇開關(guān)（微調(diào)）工作方式選擇開關(guān)CH1、CH2第四十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六●顯示屏讀數(shù)方法在顯示屏上，水平方向X軸有10格刻度，垂直方向Y軸有8格刻度．這里的一格刻度讀做一標(biāo)度，用div表示．根據(jù)被測波形垂直方向(或水平方向)所占有的標(biāo)度數(shù)，乘以垂直輸入靈敏度開關(guān)所在檔位的V／div數(shù)(或水平方向t／div)，得出的積便是測量結(jié)果。Y軸使用10：1衰減探頭的話還需再乘10。

例如測電壓峰—峰值時(shí)，V／div檔用0．1V／div，輸入端用了10：l衰減探頭，則Vp－p＝0．1V／div×Ndiv×10＝NV，t／div檔為2ms／div，則波形的周期：T＝2ms／div×Ndiv＝Nms。●旋鈕分布示波器是以數(shù)字座標(biāo)為基礎(chǔ)來顯示波形的．通常以X軸表示時(shí)間，Y軸表示幅度．因而在上圖中，面板左半部以中線為界，左面的旋鈕全用于Y軸，右面的旋鈕全用于X軸。第四十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六信號(hào)發(fā)生器頻率選擇

波形選擇

頻率調(diào)節(jié)

第四十九頁，共五十