清华大学物理实验A1示波器原理及声速测量实验报告材料.docx
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清华大学物理实验A1示波器原理及声速测量实验报告材料
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
。
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:
。