《示波器使用(二)》教案

《示波器使用 (二)》教案

实验方式：讲解与演示相结合（45分钟），学生实验（150-180分钟）

实验要求：

1.使学生进一步熟悉SS-7802示波器的功能及操作方法，了解用示波器分析双通道信号的方法。

2.使学生了解用示波器测量RC 电路相位差、用李萨如图形测量信号频率的原理和方法。

实验仪器：SS-7802示波器、函数信号发生器、电容箱、电阻箱、导线。

讲解及演示主要内容：

1．测量两同频率正弦波信号相位差ϕ的原理与方法（20分钟） A ．相位差ϕ的产生与理论值计算

在图1所示的RC 电路中，信号源的电压U 、电容上的电压U C 与电阻上的电压U R 之间的相位关系如图2所示，U 落后于U R 的相位角ϕ由下式得到：

11

2arctg

arctg RC fRC

ϕωπ=-=- 在实验上，相位角ϕ可以采用双踪示波器技术或李萨如图形方法来测量。

C

R

CH 2(U R )

CH 1(U)

E

~U

C

R

图1、RC 电路图 图2、RC 电路的相位关系

B ．相位差ϕ的实验测量

本实验采用双踪示波器技术来测量RC 电路中两同频率正弦波信号的相位差ϕ。根据图1连接实验线路，U 和U R 分别连接到示波器的CH1和CH2通道，函数信号发生器选择正弦波输出，调节“偏转因数”、“厘米扫描时间”使波形幅度、宽度适中，旋转“触发电平”使触发同步，根据测时间间隔的实验方法测量两信号的时间差Δt ，如图3所示。

图3、具有相位差的两正弦波信号

C ．实验相位差ϕ的计算：

2()360(t t

T T

ϕπ

∆∆==实验弧度度) 将实验结果与理论计算值进行比较。

2．用李萨如图形测频率的原理与方法（15分钟） A ．李萨如图形的形成原理

当两个相互垂直、频率不同的简谐信号合成时，合振动的轨迹与分振动的频率、初相位有关。当两个分振动的频率成简单整数比时，将合成稳定的封闭轨道，称为李萨如图形，如图4所示。由于李萨如图形与分振动的频率比有关，因此通过李萨如图形和已知频率的信号，可以精确地测定未知信号的频率。

图4、不同频率、不同相位差的李萨如图形

B ．用李萨如图形测频率的方法

按照图5连接实验线路，将已知频率的正弦波信号f y (50Hz)送入CH2通道，被测正弦波信号 f x （函数信号发生器）送入CH1通道，当两信号的频率为整数倍时，屏幕上出现稳定的李萨如图形。

E y

(S1)

E

x

~~CH 2

CH 1

图5、观察李萨如图形电路图

C ．被测正弦波信号频率的计算：

y x y

x

N f f N =

其中N x 、N y 分别为图形与水平直线、垂直直线的切点。

如果两个信号的频率比不是整数比时，图形不稳定。当接近整数比时，可以观察到转动的图形。李萨如图形的形状还随两个信号的幅值以及位相不同而变化。

3．实验内容介绍与其他仪器使用讲解（10分钟） A ．测量两个同频率正弦信号的位相差

用函数信号发生器作为信号源，测量两信号的时间差Δt ，根据相位差ϕ的理论值和实验值的计算方法计算相位差。

其中：

11

2

arctg arctg

RC fRC ϕ

ωπ

=-=-

理论

2()360(

t t

T T

ϕπ∆∆

==

实验

弧度度)

注意：R、C读数的有效数字，R精度0.1%，C精度0.5%。

B．用李萨如图形测频率

用函数信号发生器作为f x信号源，输入CH1端，用信号源S1提供f y信号，输入CH2端，根据给定的信号f x调出李萨如图形，获得李萨如图形与水平、垂直切线的切点数目，计算f x频率，绘出李萨如图形。

C．介绍函数信号发生器、电容箱、电阻箱的调节使用方法。

4．实验中的注意事项

A．测量两个同频率正弦信号的位相差时，注意水平基线的调节与同相位点的确定。

B．观察李萨如图形时，注意屏幕水平显示的扫描模式与X-Y模式的切换。

思考题

1. 测量两个同频率正弦信号的位相差时，若屏幕上两个正弦信号无位相差，可能的原因有哪些？

2. 采用李萨如图形测量信号频率时，屏幕上图形不稳定，可能是何原因所致？

参考资料

1、方建兴，江美福，朱天淳，《物理实验》（第二版），苏州大学出版社（2007）

2、方建兴，江美福，魏品良，《物理实验》，苏州大学出版社（2002）

3、吕斯骅，段家忯，《基础物理实验》，北京大学出版社（2002）

4、熊永红，任忠明，张炯，皮厚礼，《大学物理实验》，华中科技大学出版社（2004）

5、过祥龙、董慎行、晏世雷，《基础物理学》（上册），苏州大学出版社（2003）