静电场测绘和示波器

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,East China University of Science and Technology,华东理工大学物理实验中心,East China University of Science and Technology,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,请大家提交,扭摆 波尔共振,实验报告,请大家完成,静电场 示波器,预习报告,实验报告务必写明班号和组号,请大家提交,扭摆 波尔共振,实验报告,请大家完成,静电场 示波器,预习报告,实验报告务必写明班号和组号,East China University of Science and Technology,静电场测绘,East China University of Science and Technology,静电场测绘,1.,研究什么？,用何种方法？,2.,实验中用什么场模拟静电场？,本实验研究何种静电场？,3.,直接测量量？用何种方法？,等,势,面与电场线的关系？,华东理工大学物理实验教学中心,East China University of Science and Technology,实验目的,学习用,稳恒电流场模拟静电场,的原理和方法,加深,电场强度、电场线和等势面,等概念的理解,描绘,同轴电缆、平行输电线,的电场分布情况,点电荷,等量异号电荷,同轴电缆,-,点电荷,模拟,平行输电线,-,等量异号电荷,模拟,East China University of Science and Technology,任意形状的带电体在空间的电场分布,计算复杂,静电，,无电荷移动，用磁电式仪器,不能,直接测量,模拟法,理论计算,直接测量,以理论为基础，不直接研究自然现象本身，用相似的模型来研究,实验原理,East China University of Science and Technology,什么是模拟法？,模拟法在科学实验中有着极其广泛的应用,本质,:,用一种,易于实现、便于测量的物理状态或过程,模拟不易实现的、不易测量的状态和过程,为什么要采用模拟法？,在一些电子器件和设备中有时需要知道其中的电场分布，一般都通过实验的方法来确定。,但在直接测量静电场时遇到很大困难，主要困难在于把探针伸入静电场时，探针上会产生感应电荷，使,原电场产生显著的畸变,，故实验时常用模拟方法来测量！,模拟法,East China University of Science and Technology,数学模拟：,两个不同本质的物理过程，,用同一个数学方程来描述,模拟法分类,物理模拟：,相同的物理现象,/,过程,缩小或放大模拟再现,风洞实验,中国航天事业奠基人,-,钱学森,航空声学风洞模型,上海交通大学徐汇校区钱学森图书馆,华东理工大学物理实验教学中心,East China University of Science and Technology,数学模拟：,两个不同本质的物理过程，,用同一个数学方程来描述,模拟法分类,物理模拟：,相同的物理现象,/,过程,缩小或放大模拟再现,风洞实验,静电场模拟,East China University of Science and Technology,模拟的条件,用稳恒电流场模拟静电场的条件,:,A,B,(,图,a),稳恒电流场中的电极形状应与被模拟的静电场中的带电体几何形状相同,稳恒电流场中的导电介质是不良导体且电导率分布均匀，并满足电极电导率远远大于介质的电导率,模拟所用电极系统与被模拟电极系统的边界条件相同,模拟方法的使用有一定的范围,East China University of Science and Technology,直接测量量,间接测量物理量,:,场强,E,为矢量,不易,测量,直接测量物理量,:,电势,U,标量,容易,测量,场强方向和电势面垂直相交,从,“,+,”,到,“,-,”,East China University of Science and Technology,实验仪器,两边等臂移动,East China University of Science and Technology,操作步骤,坐标纸固定好；,2.,调节两个电极间电压,为,10.0V,；,10.00v,实验过程中不能移动,East China University of Science and Technology,好？,电压表法,C,+,-,V,检流计法,G,+,-,C,等势面的测量方法,1.,直接法（电压表法）,工作电压设置,：将“直接、检零”开关置于“直接”档；,将“测量、校正”开关置于“校正”档；,调节“电压调节”旋钮，使电表显示,10V,。,等势面测量,：将“测量、校正”开关置于“测量”档；,移动探笔，寻找等势点，并开始测量。,2.,检零法（检流计法）,工作电压设置,：同上,待测等势面电势设定,：“直接、检零” 开关置于“检零”档,将“设定、检零” 开关置于“设定”档；,调节“设定调节”旋钮调到所需的电势值。,等势面测量,：将“设定、检零” 开关置于“检零”档；,移动探笔，寻找,指示器指示为零,的点，并开始测量,East China University of Science and Technology,实验内容,1.,用,电压表法,测绘平行输电线（模拟等量异号电荷）的等势,线簇（,1,、,3,、,5,、,7,、,9V,）；,2.,用检零法（,检流计,法）测绘同轴电缆（模拟,点电荷,电场）,的等势线簇（,1,，,3,，,5V,）；,3.,记录,点电荷,各等势点的坐标，上机处理数据，观察等势圆,的拟合情况，记下各圆实测半径,R,P,和圆心坐标，并与理论,半径,R,T,比较，计算百分误差,E,（）；,4.,根据电场线与等势面的关系，画出电场线。（测绘等势,点时应注意点的分布情况，并描下电极位置）,East China University of Science and Technology,1.00,3.00,5.00,7.00,9.00,+,-,数据处理,:,等量异号电荷,描绘出等势面及电场线,East China University of Science and Technology,数据处理：点电荷,画一条曲线需要取,8,点,描绘出电势面、电场线,E,E,a,b,读出实验点坐标，输入计算机，,得到各等势面半径实验值,Rp,，圆心坐标（,x,0,y,0,).,如何评价实验的准确性？,理论值,相对误差,East China University of Science and Technology,注意事项,1.,掌握,“,先定性观察，后定量测量,”,的原则；,根据物理图像以及实验现象（检流计的偏转情,况）来判断电势的高低情况。,2.,一定要注意探针与导电板的接触良好，但移,动探笔时应将它提起,，,否则容易破坏导电层,。,3.,对同一个等势面尽量,从不同的方位找等势点,。,4.,电压值有一定的误差，对平行输电线等势线的,定性测绘不需要很精确。,华东理工大学物理实验教学中心,East China University of Science and Technology,静电场测绘,G,+,-,C,C,+,-,V,测绘的两种方法,一、检流计法,测量同轴电缆,G,+,-,C,二、电压法,平行输电线,C,+,-,V,通过实验来判断两种方法哪种方法好,检流计一端设定为某一电压值,另一端寻找,电流零点,电压表一端,设为,0,伏,另一端寻找,所需电压点,此时检流计,应显示为何值？,此时电压表,应显示为何值？,华东理工大学物理实验教学中心,East China University of Science and Technology,E,a,b,模拟,点电荷,同轴电缆,-,点电荷,模拟,华东理工大学物理实验教学中心,East China University of Science and Technology,5,9,7,3,1,模拟,等量异号电荷,平行输电线,-,等量异号电荷,模拟,阴极射线示波器,示波器,是一种常用的实验仪器,它常用来显示电信号随时间变化的情况。,电子射线示波器是常用的电子仪器之一,它可以将,电压随时间的变化,规律显示在荧光屏上，以便研究它的大小、频率、位相和其它的变化规律，还可以用来显示两个相关的电学量之间的函数关系,示波器已成为测量电学量以及研究可转化为电压变化的其它,非电学物理量,的重要工具之一,实验目的,1.,了解示波器的结构和工作原理,2.,掌握示波器、信号发生器和函数发生,器的作用和使用方法,3.,利用示波器进行不同信号的测量，并,掌握测量后的数据处理,示波器的核心部件是示波管。,实验原理,构造及功能,:,1,、电子枪：发射并加速电子,2,、竖直偏转电极：使电子束竖直偏转（加信号电压）,3,、水平偏转电极：使电子束水平偏转（加扫描电压）,示波管示意图,Y,X,灯丝,阳极,阴极,栅极,荧光屏,示波管结构示意图,电子,Y,相偏转,X,相扫描,图形,加速,直线,光点,电子束,1,、电子枪：发射并加速电子,2,、竖直偏转电极：使电子束竖直偏转（加信号电压）,3,、水平偏转电极：使电子束水平偏转（加扫描电压）,声、光、温度等物理量的变化通过传感器转化成电信号,（,加在,X,和,Y,偏转板间,）,的变化，再用示波器研究,示波器的基本原理是带电粒子在电场力（,X,和,Y,偏转板间,）的作用下加速和偏转,原理,带电粒子的偏转：,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,+,v,0,y,L,试分析带电粒子的受力和运动情况,带电粒子作类平抛运动：,(1),在平行于极板的方向做匀速直线运动：,(2),在垂直于极板的方向做初速为零的匀加速直线运动：,示波器显示波形的原理示意图,如果只在竖直偏转板上,（,Y,轴,）,加一交变的正弦电压，则电子束的亮点将随电压的变化在竖直方向来回运动，如果电压频率较高，将是一条竖直亮线。如左图所示。,要显示出波形，必须同时在水平偏转板上,(X,轴,),加一个扫描电压。扫描电压随时间变化的关系曲线形同,“,锯齿,”,故称,“,锯齿波电压,”,，如右图所示。产生锯齿波电压的电路在图中用,“,扫描电路,”,方框表示。当只有锯齿波电压加在水平偏转板上，如果频率足够高，则会在荧光屏上显示一条水平亮线。,示波器显示波形的原理示意图,如果,Y,轴加正弦电压，同时在,X,轴加锯齿波电压，电子同时受,Y,、,X,两个方向的力的作用，则电子的运动为两相互垂直的运动的合成。当锯齿波电压与正弦电压变化,周期相等时，在荧光屏上将能显示出一个完整的正弦电压的波形图,同步作用,显示稳定波形的条件：,扫描电压周期应为被测信号周期的整数倍，,即,T,x,=nT,y,（,n=1,，,2,，,3,）,Tx=2Ty,时合成的图形,Tx=3Ty,时合成的图形,示波器的主要应用：,观察各种波形,测量频率,测量电压,比较相位等,李萨如图形,沿,Y,轴方向的简谐运动与沿,X,轴方向的简谐振动合成的一种合运动,将出现稳定的封闭曲线,如果,X,、,Y,偏转板上加的电信号都是正弦波，当,fx,和,fy,之比为整数比时，电子束受到它们的合作用，光点将会描绘出特定的图形,李萨如图形。左图描绘的是 的两个正弦波电讯号合成的李萨如图形。,相同频率不同相位时的李萨如图形,应用,1,：利用李萨如图比较两个信号之间的相位差：,李萨如图形：,沿,Y,轴方向的简谐运动与沿,X,轴方向的简谐振动合成的一种合运动。,应用,2,：,利用李萨如图形测定未知信号的频率,公式：,式中的,、,分别为李萨如图形与,X,、,Y,轴的切点数。,设将未知频率,fy,的电压,Uy,和已知频率,fx,的电压,Ux,（均为正弦电压）分别送到示波器的,Y,轴和,X,轴，则由于两个电压的频率、振幅和相位的不同，在荧光屏上将显示各种不同波形,一般得不到稳定的图形，但当两电压的频率成简单整数比时，将出现稳定的封闭曲线，称为李萨如图形。根据这个图形可以确定两电压的频率比，从而确定待测频率的大小,不同相位差时的李萨如图形,f,1,:f,2,面板上旋钮或开关的功能,按下电源开关（,POWER,）键，电源接通后无信号输入时，屏幕上应出现一个亮点或一条扫描横线。若无，则需先将亮度调节（,INTENSITY,）旋大，然后适当调节,Y,轴和,X,轴位移（,POSITION,），使屏幕中央出现亮点或一条横线。,触发电平控制,如果是将信号输入示波器的,CH1,通道，则相应要将示波器的,Y,轴显示模式开关（,MODE,）置于,CH1,位置。,聚焦调节,扫速选择开关（微调）,选择开关（微调）,工作方式选择开关,CH1,、,CH2,显示屏读数方法,在显示屏上，水平方向,X,轴有,10,格刻度，垂直方向,Y,轴有,8,格刻度这里的一格刻度读做一标度，用,div,表示根据被测波形垂直方向,(,或水平方向,),所占有的标度数，乘以垂直输入灵敏度开关所在档位的,V,div,数,(,或水平方向,t,div),，得出的积便是测量结果。,Y,轴使用,10,：,1,衰减探头的话还需再乘,10,。 例如测电压峰,峰值时，,V,div,档用,0,1V,div,，输入端用了,10,：,l,衰减探头，则,Vp,p,0,1V,divN div10,NV,，,t,div,档为,2ms,div,，则波形的周期：,T,2ms,divN div,N ms,。,旋钮分布,示波器是以数字座标为基础来显示波形的通常以,X,轴表示时间,，,Y,轴表示幅度,因而在上图中，面板左半部以中线为界，左面的旋钮全用于,Y,轴，右面的旋钮全用于,X,轴。,信号发生器,频率选择,波形选择,频率调节,实验内容,1.,基本练习,，调整示波器工作状态：,聚焦,+,辉度,+,光斑等,2.,观察波形,观察市电的正弦波形,（,1,）调出两个完整周期的波形,（,2,）调出三个完整周期的波形,观察三角波和方波的波形,分别调出各三个完整的波形,观察波形仪器连接示意图,观察李萨如图形仪器连接示意图,3.,用李萨如图形测频率,用函数发生器输出的正弦波频率作为标准频率,在示波器上观察以下频率比的李萨如图形,f,Y,：,f,X,=50,：,50,，,f,Y,：,f,X,=50,：,25,f,Y,：,f,X,=50,：,150,测量简易信号发生器正弦信号输出的频率,4.,观察半波、,滤波、全波整流图形。,实验报告数据处理要求,选择不小于,15,15cm,的,直角坐标纸，按作图,要求，仔细描绘实验,所得的波形图,写出测量,f,待测,的方法和结果,简述示波器面板上各个旋纽的作用,注意事项,掌握所使用的示波器、信号发生器面板上各旋钮的作用后再操作,示波器光点亮度不能太强。在实验过程中，如果短时间不使用示波器，可将,“,辉度,”,旋钮调到最小，不要经常通断示波器的电源,示波器上所有开关与旋钮应轻柔缓缓旋转，不能用力过猛或随意乱旋转。,插卸电缆必须拿着接头小心操作，,绝不能硬拉缆线,注意公共端的使用，接线时严禁短路,阴极射线示波器,