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
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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nx与竖边上的切点数ny之比恰好等于Y和X输入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：
（1）理想气体中声波的传播速度为
。
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
，其中v0为
标准
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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
其中，r为相对湿度，ps为饱和蒸汽压，
。
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：
相对误差在原始数据
记录表
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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
，相关系数
，表明实验数据线性关系良好，因此是合理的。
。而由最小二乘法的计算过程知，
，
，
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。
3.如果Y轴信号频率
比X轴信号频率
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。
4. 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：
（1）正弦波 （2）方波
（3）三角波 （4）尖脉冲波
5. 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。
6.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率，减小了随机误差的影响，另外也可减小了实验中仪器误差分量，提高了精确度。 相对于最小二乘法，逐差法处理数据更为方便，计算量小；其他合适的数据处理方法有最小二乘法。
7. 仪器不确定度公式
中的系数
的来源？
答:
。
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