清华大学物理实验A1示波器原理及声速测量实验报告

示波器原理和使用及声速测量物理实验报告1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班级姓名学号结稿日期：示波器原理和使用及声速测量物理实验报告2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MRTv。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001Ttvv，其中v0为标准状况下干燥空气声速，为331.5m/s。示波器原理和使用及声速测量物理实验报告3（3）但实际中空气并不是干燥的，所以修正的结果为prpTtvs31.0115.3310其中，r为相对湿度，ps为饱和蒸汽压，Pap510013.1。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：示波器原理和使用及声速测量物理实验报告4示波器原理和使用及声速测量物理实验报告5示波器原理和使用及声速测量物理实验报告6示波器原理和使用及声速测量物理实验报告72.声速测量：(1)逐差法：10101010111142.982,,8.596410105iiiiiiiiiiLLxxLLxxmmxxmm而1021550.8329305690.03,101iiiLLsmmmm仪的标准偏差,且示波器原理和使用及声速测量物理实验报告8222255192.26,2.26=20.83293056920.030.596784439710pppptvtnttvsmmn仪15122122310.59678443970.11935688790.18.600.125,10,100.1193568879348.0682364.833524884/40.49000000108.5964348.14.8/ffvmmmmvfHzvfmsvms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4.3182.198yx，相关系数20.999R，表明实验数据线性关系良好，因此是合理的。24.3188.636因此。而由最小二乘法的计y=4.318x-2.198R²=0.999601020304050607080900510152025位置读数xi序号ixi线性(xi)示波器原理和使用及声速测量物理实验报告9算过程知，23211111117.4572895021022180.999srnnr，38.6367.457289502100.06440115214182.1010.064401152140.13530682078.640.14pssmmtsmmmm1349.67164/vfms代入数据，计算得声速的测量值，100349.67164350.13524060.13240615231350.1352406vvv与声速理论值的相对误差％＜％故合理。1221223110100.1353068207349.671645.479253784/40.49000000108.636349.75.5/ffvHzvfmsvms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。示波器原理和使用及声速测量物理实验报告103.如果Y轴信号频率yf比X轴信号频率xf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2255=2ptvsn仪中的系数2的来源？示波器原理和使用及声速测量物理实验报告11答:1010225522225522iiiiiABpABLxxxxptvsntvsn仪仪。