靜電場測繪和示波器

靜電場測繪和示波器第1頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四請大家提交扭擺波爾共振實驗報告請大家完成靜電場示波器預習報告實驗報告務必寫明班號和組號第2頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四華東理工大學物理實驗教學中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology靜電場測繪第3頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四華東理工大學物理實驗教學中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology靜電場測繪

1.研究什么？用何種方法？

2.實驗中用什么場模擬靜電場？本實驗研究何種靜電場？3.直接測量量？用何種方法？等勢面與電場線的關系？第4頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四華東理工大學物理實驗教學中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology實驗目的學習用穩恒電流場模擬靜電場的原理和方法加深電場強度、電場線和等勢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5頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四點電荷等量異號電荷第6頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四同軸電纜----點電荷模擬第7頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四平行輸電線----等量異號電荷模擬第8頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四華東理工大學物理實驗教學中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology任意形狀的帶電體在空間的電場分布計算復雜靜電，無電荷移動，用磁電式儀器不能直接測量模擬法理論計算直接測量以理論為基礎，不直接研究自然現象本身，用相似的模型來研究實驗原理第9頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四華東理工大學物理實驗教學中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology☆什么是模擬法？模擬法在科學實驗中有著極其廣泛的應用本質:用一種易于實現、便于測量的物理狀態或過程,模擬不易實現的、不易測量的狀態和過程☆為什么要采用模擬法？在一些電子器件和設備中有時需要知道其中的電場分布，一般都通過實驗的方法來確定。但在直接測量靜電場時遇到很大困難，主要困難在于把探針伸入靜電場時，探針上會產生感應電荷，使原電場產生顯著的畸變，故實驗時常用模擬方法來測量！模擬法第10頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四華東理工大學物理實驗教學中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology數學模擬：兩個不同本質的物理過程，

用同一個數學方程來描述模擬法分類物理模擬：相同的物理現象/過程縮小或放大模擬再現風洞實驗第11頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四中國航天事業奠基人---錢學森第12頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四航空聲學風洞模型上海交通大學徐匯校區錢學森圖書館第13頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四華東理工大學物理實驗教學中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology數學模擬：兩個不同本質的物理過程，

用同一個數學方程來描述模擬法分類物理模擬：相同的物理現象/過程縮小或放大模擬再現風洞實驗靜電場模擬第14頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四華東理工大學物理實驗教學中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology模擬的條件用穩恒電流場模擬靜電場的條件:AB(圖a)穩恒電流場中的電極形狀應與被模擬的靜電場中的帶電體幾何形狀相同穩恒電流場中的導電介質是不良導體且電導率分布均勻，并滿足電極電導率遠遠大于介質的電導率模擬所用電極系統與被模擬電極系統的邊界條件相同模擬方法的使用有一定的范圍第15頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四華東理工大學物理實驗教學中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology直接測量量間接測量物理量:場強E,為矢量,不易測量直接測量物理量:電勢U,標量,容易測量場強方向和電勢面垂直相交,從“+”

到“-”第16頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四華東理工大學物理實驗教學中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology實驗儀器兩邊等臂移動第17頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四華東理工大學物理實驗教學中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology操作步驟坐標紙固定好；2.調節兩個電極間電壓為10.0V；10.00v實驗過程中不能移動第18頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四華東理工大學物理實驗教學中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology好？電壓表法C+-V檢流計法G+-C等勢面的測量方法1.直接法（電壓表法）工作電壓設置：將“直接、檢零”開關置于“直接”檔；將“測量、校正”開關置于“校正”檔；調節“電壓調節”旋鈕，使電表顯示10V。等勢面測量：將“測量、校正”開關置于“測量”檔；移動探筆，尋找等勢點，并開始測量。2.檢零法（檢流計法）工作電壓設置：同上待測等勢面電勢設定：“直接、檢零”開關置于“檢零”檔將“設定、檢零”開關置于“設定”檔；調節“設定調節”旋鈕調到所需的電勢值。等勢面測量：將“設定、檢零”開關置于“檢零”檔；移動探筆，尋找指示器指示為零的點，并開始測量第19頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四華東理工大學物理實驗教學中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology實驗內容1.用電壓表法測繪平行輸電線（模擬等量異號電荷）的等勢線簇（1、3、5、7、9V）；2.用檢零法（檢流計法）測繪同軸電纜（模擬點電荷電場）的等勢線簇（1，3，5V）；3.記錄點電荷各等勢點的坐標，上機處理數據，觀察等勢圓的擬合情況，記下各圓實測半徑RP和圓心坐標，并與理論半徑RT

比較，計算百分誤差E（％）；4.根據電場線與等勢面的關系，畫出電場線。（測繪等勢點時應注意點的分布情況，并描下電極位置）第20頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四華東理工大學物理實驗教學中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology

1.003.005.007.009.00+-數據處理:等量異號電荷描繪出等勢面及電場線第21頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四華東理工大學物理實驗教學中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology數據處理：點電荷畫一條曲線需要取8點描繪出電勢面、電場線EEab讀出實驗點坐標，輸入計算機，得到各等勢面半徑實驗值Rp，圓心坐標（x0,y0).如何評價實驗的準確性？理論值相對誤差第22頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四華東理工大學物理實驗教學中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology注意事項1.掌握“先定性觀察，后定量測量”的原則；根據物理圖像以及實驗現象（檢流計的偏轉情況）來判斷電勢的高低情況。2.一定要注意探針與導電板的接觸良好，但移動探筆時應將它提起，否則容易破壞導電層。3.對同一個等勢面盡量從不同的方位找等勢點。4.電壓值有一定的誤差，對平行輸電線等勢線的定性測繪不需要很精確。第23頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四華東理工大學物理實驗教學中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology靜電場測繪G+-CC+-V第24頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四測繪的兩種方法一、檢流計法測量同軸電纜G+-C二、電壓法平行輸電線C+-V通過實驗來判斷兩種方法哪種方法好檢流計一端設定為某一電壓值另一端尋找電流零點電壓表一端設為0伏另一端尋找所需電壓點此時檢流計應顯示為何值？此時電壓表應顯示為何值？第25頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四華東理工大學物理實驗教學中心EastChinaUniversityofScienceandTechnologyEab模擬點電荷同軸電纜----點電荷模擬第26頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四華東理工大學物理實驗教學中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology59731模擬等量異號電荷平行輸電線----等量異號電荷模擬第27頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四第28頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四陰極射線示波器第29頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四示波器是一種常用的實驗儀器,它常用來顯示電信號隨時間變化的情況。第30頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四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間的變化規律顯示在熒光屏上，以便研究它的大小、頻率、位相和其它的變化規律，還可以用來顯示兩個相關的電學量之間的函數關系示波器已成為測量電學量以及研究可轉化為電壓變化的其它非電學物理量的重要工具之一第31頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四實驗目的1.了解示波器的結構和工作原理2.掌握示波器、信號發生器和函數發生器的作用和使用方法3.利用示波器進行不同信號的測量，并掌握測量后的數據處理第32頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四示波器的核心部件是示波管。實驗原理第33頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四構造及功能:1、電子槍：發射并加速電子2、豎直偏轉電極：使電子束豎直偏轉（加信號電壓）3、水平偏轉電極：使電子束水平偏轉（加掃描電壓）示波管示意圖第34頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四

Y

X燈絲陽極陰極柵極熒光屏示波管結構示意圖電子Y相偏轉X相掃描圖形加速直線光點電子束1、電子槍：發射并加速電子2、豎直偏轉電極：使電子束豎直偏轉（加信號電壓）3、水平偏轉電極：使電子束水平偏轉（加掃描電壓）第35頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四●聲、光、溫度等物理量的變化通過傳感器轉化成電信號（加在X和Y偏轉板間）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偏轉板間）的作用下加速和偏轉原理第36頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四帶電粒子的偏轉：+++++-----+v0yL試分析帶電粒子的受力和運動情況帶電粒子作類平拋運動：(1)

在平行于極板的方向做勻速直線運動：

(2)

在垂直于極板的方向做初速為零的勻加速直線運動：第37頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四示波器顯示波形的原理示意圖●如果只在豎直偏轉板上（Y軸）加一交變的正弦電壓，則電子束的亮點將隨電壓的變化在豎直方向來回運動，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，必須同時在水平偏轉板上(X軸)加一個掃描電壓。掃描電壓隨時間變化的關系曲線形同“鋸齒”故稱“鋸齒波電壓”，如右圖所示。產生鋸齒波電壓的電路在圖中用“掃描電路”方框表示。當只有鋸齒波電壓加在水平偏轉板上，如果頻率足夠高，則會在熒光屏上顯示一條水平亮線。第38頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四示波器顯示波形的原理示意圖●如果Y軸加正弦電壓，同時在X軸加鋸齒波電壓，電子同時受Y、X兩個方向的力的作用，則電子的運動為兩相互垂直的運動的合成。當鋸齒波電壓與正弦電壓變化周期相等時，在熒光屏上將能顯示出一個完整的正弦電壓的波形圖第39頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四同步作用

顯示穩定波形的條件：掃描電壓周期應為被測信號周期的整數倍，即Tx=nTy

（n=1，2，3…）Tx=2Ty時合成的圖形Tx=3Ty時合成的圖形第40頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四示波器的主要應用：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軸方向的簡諧運動與沿X軸方向的簡諧振動合成的一種合運動——將出現穩定的封閉曲線

第41頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四如果X、Y偏轉板上加的電信號都是正弦波，當fx和fy之比為整數比時，電子束受到它們的合作用，光點將會描繪出特定的圖形——李薩如圖形。左圖描繪的是的兩個正弦波電訊號合成的李薩如圖形。第42頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四相同頻率不同相位時的李薩如圖形應用1：利用李薩如圖比較兩個信號之間的相位差：

李薩如圖形：沿Y軸方向的簡諧運動與沿X軸方向的簡諧振動合成的一種合運動。第43頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四應用2：利用李薩如圖形測定未知信號的頻率公式：式中的、分別為李薩如圖形與X、Y軸的切點數?！裨O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●一般得不到穩定的圖形，但當兩電壓的頻率成簡單整數比時，將出現穩定的封閉曲線，稱為李薩如圖形。根據這個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44頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四不同相位差時的李薩如圖形f1:f2第45頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四面板上旋鈕或開關的功能按下電源開關（POWER）鍵，電源接通后無信號輸入時，屏幕上應出現一個亮點或一條掃描橫線。若無，則需先將亮度調節（INTENSITY）旋大，然后適當調節Y軸和X軸位移（POSITION），使屏幕中央出現亮點或一條橫線。觸發電平控制第46頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四如果是將信號輸入示波器的CH1通道，則相應要將示波器的Y軸顯示模式開關（MODE）置于CH1位置。聚焦調節

掃速選擇開關（微調）

選擇開關（微調）工作方式選擇開關CH1、CH2第47頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四●顯示屏讀數方法在顯示屏上，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度，用div表示．根據被測波形垂直方向(或水平方向)所占有的標度數，乘以垂直輸入靈敏度開關所在檔位的V／div數(或水平方向t／div)，得出的積便是測量結果。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，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?！裥o分布示波器是以數字座標為基礎來顯示波形的．通常以X軸表示時間，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48頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四信號發生器頻率選擇

波形選擇

頻率調節

第49頁，共56頁，