静电场测绘和示波器(精品).ppt

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1、请请大大家家提提交交扭扭摆摆 波波尔尔共共振振实实验验报报告告请请大大家家完完成成静静电电场场 示示波波器器预预习习报报告告实实验验报报告告务务必必写写明明班班号号和和组组号号请请大大家家提提交交扭扭摆摆 波波尔尔共共振振实实验验报报告告请请大大家家完完成成静静电电场场 示示波波器器预预习习报报告告实实验验报报告告务务必必写写明明班班号号和和组组号号华东理工大学物理实验教学中心华东理工大学物理实验教学中心East China University of Science and TechnologyEast China University of Science and Technology华东

2、理工大学物理实验教学中心华东理工大学物理实验教学中心East China University of Science and TechnologyEast China University of Science and Technology 1.1.1.1.研究什么？研究什么？研究什么？研究什么？用何种方法？用何种方法？用何种方法？用何种方法？2.2.2.2.实验中用什么场模拟静电场？实验中用什么场模拟静电场？实验中用什么场模拟静电场？实验中用什么场模拟静电场？本实验研究何种静电场？本实验研究何种静电场？本实验研究何种静电场？本实验研究何种静电场？3.3.3.3.直接测量量？用何种方法？直接测

3、量量？用何种方法？直接测量量？用何种方法？直接测量量？用何种方法？等等等等势势面与电场线的关系？面与电场线的关系？面与电场线的关系？面与电场线的关系？华东理工大学物理实验教学中心华东理工大学物理实验教学中心East China University of Science and TechnologyEast China University of Science and Technology实验目的1.学习用稳恒电流场模拟静电场稳恒电流场模拟静电场的原理和方法2.加深电场强度、电场线和等势面电场强度、电场线和等势面等概念的理解3.描绘同轴电缆、平行输电线同轴电缆、平行输电线的电场分布情况点电荷

4、点电荷等量异号电荷等量异号电荷同轴电缆同轴电缆 -点电荷点电荷模拟模拟平行输电线平行输电线-等量异号电荷等量异号电荷模拟模拟华东理工大学物理实验教学中心华东理工大学物理实验教学中心East China University of Science and TechnologyEast China University of Science and Technology任意形状的带电体在空间的任意形状的带电体在空间的电场分布电场分布计算复杂计算复杂静电，静电，无电荷移动，用磁无电荷移动，用磁电式仪器电式仪器不能不能直接测量直接测量模拟法模拟法理论计算理论计算直接测量直接测量以理论为基础，不直接研究

5、自然以理论为基础，不直接研究自然现象本身，用相似的模型来研究现象本身，用相似的模型来研究实验原理华东理工大学物理实验教学中心华东理工大学物理实验教学中心East China University of Science and TechnologyEast China University of Science and Technology什么是模拟法？什么是模拟法？模拟法在科学实验中有着极其广泛的应用模拟法在科学实验中有着极其广泛的应用本质本质:用一种用一种易于实现、便于测量的物理状态或过程易于实现、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模拟不易实现的、不易测量的状态和

6、过程为什么要采用模拟法？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，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。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，使伸入静电场时，探针上会产生感应电荷，使原电场产生显著原电场产生显著的畸变的畸变，故实验时常用模拟方法来测量！，故实验时常用模拟方法来测量！模拟法华东理工大学物理实验教学中心华东理工大学物理实验教学中心East China University of Scie

7、nce and TechnologyEast China University of Science and Technology数学模拟：数学模拟：两个不同本质的物理过程，两个不同本质的物理过程，用同一个数学方程来描述用同一个数学方程来描述模拟法分类模拟法分类物理模拟：物理模拟：相同的物理现象相同的物理现象/过程过程缩小或放大模拟再现缩小或放大模拟再现风风洞洞实实验验中中国国航航天天事事业业奠奠基基人人-钱钱学学森森航空声学风洞模型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华东理工大学物理实验教学中心East China University of Scie

8、nce and TechnologyEast China University of Science and Technology数学模拟：数学模拟：两个不同本质的物理过程，两个不同本质的物理过程，用同一个数学方程来描述用同一个数学方程来描述模拟法分类模拟法分类物理模拟：物理模拟：相同的物理现象相同的物理现象/过程过程缩小或放大模拟再现缩小或放大模拟再现风风洞洞实实验验静静电电场场模模拟拟华东理工大学物理实验教学中心华东理工大学物理实验教学中心East China University of Science and TechnologyEast China University of Scie

9、nce and Technology模拟的条件模拟的条件 用稳恒电流场模拟静电场的条件用稳恒电流场模拟静电场的条件:AB(图a)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体几何形状相同b)稳恒电流场中的导电介质是不良导体且电导率分布均匀，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并满足电极电导率远远大于介质的电导率c)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模拟方法的使用有一定的范围华东理工大学物理实验

10、教学中心华东理工大学物理实验教学中心East China University of Science and TechnologyEast China University of Science and Technology直接测量量直接测量量间接测量物理量间接测量物理量:场强场强E,E,为矢量为矢量,不易不易测量测量直接测量物理量直接测量物理量:电势电势U,U,标量标量,容易容易测量测量场强方向和电势面垂直相交场强方向和电势面垂直相交,从从 “+”到到 “-”华东理工大学物理实验教学中心华东理工大学物理实验教学中心East China University of Science and Te

11、chnologyEast China University of Science and Technology实验仪器实验仪器 两边等臂两边等臂移动移动华东理工大学物理实验教学中心华东理工大学物理实验教学中心East China University of Science and TechnologyEast China University of Science and Technology操作步骤操作步骤1.坐标纸固定好；坐标纸固定好；2.2.调节两个电极间电压调节两个电极间电压 为为10.0V10.0V；10.00v实验过程中实验过程中不能移动不能移动华东理工大学物理实验教学中心华东理工

12、大学物理实验教学中心East China University of Science and TechnologyEast China University of Science and Technology好？好？电压表法电压表法C+-V检流计法检流计法G+-C等势面的测量方法等势面的测量方法1.1.直接法（电压表法）直接法（电压表法）工作电压设置工作电压设置：将：将“直接、检零直接、检零”开关置于开关置于“直接直接”档；档；将将“测量、校正测量、校正”开关置于开关置于“校正校正”档；档；调节调节“电压调节电压调节”旋钮，使电表显示旋钮，使电表显示10V。等势面测量等势面测量：将：将“测量、

13、校正测量、校正”开关置于开关置于“测量测量”档；档；移动探笔，寻找等势点，并开始测量。移动探笔，寻找等势点，并开始测量。2.检零法（检流计法）检零法（检流计法）工作电压设置工作电压设置：同上：同上待测等势面电势设定待测等势面电势设定：“直接、检零直接、检零”开关置于开关置于“检零检零”档档 将将“设定、检零设定、检零”开关置于开关置于“设定设定”档；档；调节调节“设定调节设定调节”旋钮调到所需的电势值。旋钮调到所需的电势值。等势面测量等势面测量：将：将“设定、检零设定、检零”开关置于开关置于“检零检零”档；档；移动探笔，寻找移动探笔，寻找指示器指示为零指示器指示为零的点，并开始测量的点，并开始

14、测量华东理工大学物理实验教学中心华东理工大学物理实验教学中心East China University of Science and TechnologyEast China University of Science and Technology实验内容实验内容1.1.用用电压表法电压表法测绘平行输电线（模拟等量异号电荷）的等势测绘平行输电线（模拟等量异号电荷）的等势 线簇（线簇（1 1、3 3、5 5、7 7、9V9V）；）；2.2.用检零法（用检零法（检流计检流计法）测绘同轴电缆（模拟法）测绘同轴电缆（模拟点电荷点电荷电场）电场）的等势线簇（的等势线簇（1 1，3 3，5V5V）；）；3

15、.3.记录记录点电荷点电荷各等势点的坐标，上机处理数据，观察等势圆各等势点的坐标，上机处理数据，观察等势圆 的拟合情况，记下各圆实测半径的拟合情况，记下各圆实测半径R RP P和圆心坐标，并与理论和圆心坐标，并与理论 半径半径R RT T 比较，计算百分误差比较，计算百分误差E E（）；（）；4.4.根据电场线与等势面的关系，画出电场线。（测绘等势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）点时应注意点的分布情况，并描下电极位置）华东理工大学物理实验教学中心华东理工大学物理实验教学中心East China University of Science

16、 and TechnologyEast China University of Science and Technology 1.003.005.007.009.00+-数据处理数据处理:等量异号电荷等量异号电荷描绘出等势描绘出等势面及电场线面及电场线华东理工大学物理实验教学中心华东理工大学物理实验教学中心East China University of Science and TechnologyEast China University of Science and Technology数据处理：点电荷数据处理：点电荷画一条曲线需要取画一条曲线需要取8 8点点描绘出电势面、电场线描绘出电势

17、面、电场线E EE Ea ab b读出实验点坐标，输入计算机，读出实验点坐标，输入计算机，得到各等势面半径实验值得到各等势面半径实验值RpRp，圆心，圆心坐标（坐标（x x0 0,y y0 0).).如何评价实验如何评价实验的准确性？的准确性？理论值理论值相对误差相对误差华东理工大学物理实验教学中心华东理工大学物理实验教学中心East China University of Science and TechnologyEast China University of Science and Technology注意事项注意事项1.1.掌握掌握“先定性观察，后定量测量先定性观察，后定量测量”的原

18、则；的原则；根据物理图像以及实验现象（检流计的偏转情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。况）来判断电势的高低情况。2.2.一定要注意探针与导电板的接触良好，但移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动探笔时应将它提起，否则容易破坏导电层否则容易破坏导电层。3.3.对同一个等势面尽量对同一个等势面尽量从不同的方位找等势点从不同的方位找等势点。4.4.电压值有一定的误差，对平行输电线等势线的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。定性测绘不需要很精确。华东理工大学物理实验教学中心华东理工大学物理实验教学中心East Chi

19、na University of Science and TechnologyEast China University of Science and TechnologyG+-CC+-V测绘的两种方法测绘的两种方法一、检流计法一、检流计法测量同轴电缆测量同轴电缆G+-C二、电压法二、电压法平行输电线平行输电线C+-V通过实验来判断两种方法哪种方法好通过实验来判断两种方法哪种方法好检流计一端设定检流计一端设定为某一电压值为某一电压值另一端寻找另一端寻找电流零点电流零点电压表一端电压表一端设为设为0伏伏另一端寻找另一端寻找所需电压点所需电压点此时检流计此时检流计应显示为何值？应显示为何值？此时电

20、压表此时电压表应显示为何值？应显示为何值？华东理工大学物理实验教学中心华东理工大学物理实验教学中心East China University of Science and TechnologyEast China University of Science and TechnologyEab模拟模拟点电荷点电荷同轴电缆同轴电缆 -点电荷点电荷模拟模拟华东理工大学物理实验教学中心华东理工大学物理实验教学中心East China University of Science and TechnologyEast China University of Science and Technology59

21、731模拟模拟等量异号电荷等量异号电荷平行输电线平行输电线-等量异号电荷等量异号电荷模拟模拟阴极射线示波器阴极射线示波器示波器示波器是一种常用的实验仪器是一种常用的实验仪器,它常用它常用来显示电信号随时间变化的情况。来显示电信号随时间变化的情况。n电子射线示波器是常用的电子仪器之一电子射线示波器是常用的电子仪器之一n它可以将它可以将电压随时间的变化电压随时间的变化规律显示在荧光屏上，以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可以用来显示两个相关的电学量之间的函数关系n示波器已成为

22、测量电学量以及研究可转化为电压变化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的其它非电学物理量非电学物理量的重要工具之一的重要工具之一 实验目的实验目的1.了解示波器的结构和工作原理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掌握示波器、信号发生器和函数发生 器的作用和使用方法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掌握测量后的数据处理示波器的核心部件是示波管。示波器的核心部件是示波管。实验原理实验原理构造及功能构造及功能:1 1、电子枪：发射并加速电子、电子枪：发射并加速电子2 2、竖直偏转电极：

23、使电子束竖直偏转（加信号电压）、竖直偏转电极：使电子束竖直偏转（加信号电压）3 3、水平偏转电极：使电子束水平偏转（加扫描电压）、水平偏转电极：使电子束水平偏转（加扫描电压）示波管示意图示波管示意图 Y X灯灯丝丝阳极阳极阴极阴极栅极栅极荧光屏荧光屏示波管结构示意图示波管结构示意图电子电子Y相偏转相偏转X相扫描相扫描图形图形加速加速直线直线光点光点电子束电子束1 1、电子枪：发射并加速电子、电子枪：发射并加速电子2 2、竖直偏转电极：使电子束竖直偏转（加信号电压）、竖直偏转电极：使电子束竖直偏转（加信号电压）3 3、水平偏转电极：使电子束水平偏转（加扫描电压）、水平偏转电极：使电子束水平偏转（

24、加扫描电压）声、光、温度等物理量的变化通过传感声、光、温度等物理量的变化通过传感器转化成电信号器转化成电信号（加在加在X和和Y偏转板间偏转板间）的的变化，再用示波器研究变化，再用示波器研究示波器的基本原理是带电粒子在电场力示波器的基本原理是带电粒子在电场力（X和和Y偏转板间偏转板间）的作用下加速和偏转）的作用下加速和偏转原理原理带电粒子的偏转：带电粒子的偏转：+-+v0yL试分析带电粒子的受力和运动情况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：带电粒子作类平抛运动：(1)(1)在平行于极板的方在平行于极板的方向做匀速直线运动：向做匀速直线运动：(2)(2)在垂直于极板的方向做初在垂直

25、于极板的方向做初速为零的匀加速直线运动：速为零的匀加速直线运动：示波器显示波形的原理示意图示波器显示波形的原理示意图 如果只在竖直偏转板上如果只在竖直偏转板上（Y轴轴）加一交变的正弦电压，则电子束的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，将是回运动，如果电压频率较高，将是一条竖直亮线。如左图所示。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要显示出波形，必须同时在水平偏转板上(X轴轴)加一个扫描电压。扫描电压随时间变加一个扫描电压。扫描电压随时间变化的关系曲线形同化的关系曲线形同“锯齿锯齿”故称故称“

26、锯齿波电锯齿波电压压”，如右图所示。产生锯齿波电压的电路，如右图所示。产生锯齿波电压的电路在图中用在图中用“扫描电路扫描电路”方框表示。当只有锯方框表示。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。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示波器显示波形的原理示意图如果如果Y轴加正弦电压，同时在轴加正弦电压，同时在X轴加锯齿波电压，电子同时受轴加锯齿波电压，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

27、压变化的合成。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上将能显示出一个完整的正弦电压的波形图同步作用同步作用 显示稳定波形的条件：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，扫描电压周期应为被测信号周期的整数倍，即即 Tx=nTy （n=1，2，3）Tx=2Ty时合成的图形时合成的图形 Tx=3Ty时合成的图形时合成的图形 示波器的主要应用：示波器的主要应用：观察各种波形观察各种波形测量频率测量频率测量电压测量电压比较相位等比较相位等李萨如图形李萨如图形沿沿Y轴方向的简谐运动与沿轴方向的简谐运动与沿X轴方向的简谐振动

28、合成的轴方向的简谐振动合成的一种合运动一种合运动将出现稳定的封闭曲线将出现稳定的封闭曲线 如果如果X、Y偏转板上加的电信号都是正弦波，当偏转板上加的电信号都是正弦波，当fx和和fy之比为之比为整数比时，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图形李萨如图形。左图描绘的是李萨如图形。左图描绘的是 的两个正弦波的两个正弦波电讯号合成的李萨如图形。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相同频率不同相位时的李萨如图形 应用应用1：利用李萨如图比较两个信号之间的相位差：利用李萨如图比较两个信号之间的相位差：李萨如图形：李萨如图

29、形：沿沿Y轴方向的简谐运动与沿轴方向的简谐运动与沿X轴方向的简谐振动合成的轴方向的简谐振动合成的一种合运动。一种合运动。应用应用2：利用李萨如图形测定未知信号的频率利用李萨如图形测定未知信号的频率公式：公式：式中的式中的、分别为李萨如图形与分别为李萨如图形与X、Y轴的切点数。轴的切点数。设将未知频率设将未知频率fy的电压的电压Uy和已知频率和已知频率fx的电压的电压Ux（均为正弦（均为正弦电压）分别送到示波器的电压）分别送到示波器的Y轴和轴和X轴，则由于两个电压的频率、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

30、到稳定的图形，但当两电压的频率成简单整数比时，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f1:f2面板上旋钮或开关的功能面板上旋钮或开关的功能 按下电源开关（按下电源开关（POWER）键，电源接通后无信号输）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，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（则需先将亮度调节（INTEN

31、SITY）旋大，然后适当）旋大，然后适当调节调节Y轴和轴和X轴位移（轴位移（POSITION），使屏幕中央出现），使屏幕中央出现亮点或一条横线。亮点或一条横线。触发电平控制触发电平控制如果是将信号输入示波器的如果是将信号输入示波器的CH1通道，则相应要将示通道，则相应要将示波器的波器的Y轴显示模式开关（轴显示模式开关（MODE）置于）置于CH1位置。位置。聚焦调节聚焦调节 扫速选择开关扫速选择开关（微调）（微调）选择开关选择开关（微调）（微调）工作方式选择开关工作方式选择开关CH1、CH2显示屏读数方法显示屏读数方法 在显示屏上，水平方向在显示屏上，水平方向X轴有轴有10格刻度，垂直方向格刻度

32、，垂直方向Y轴有轴有8格刻格刻度这里的一格刻度读做一标度，用度这里的一格刻度读做一标度，用div表示根据被测波形垂表示根据被测波形垂直方向直方向(或水平方向或水平方向)所占有的标度数，乘以垂直输入灵敏度开所占有的标度数，乘以垂直输入灵敏度开关所在档位的关所在档位的Vdiv数数(或水平方向或水平方向tdiv)，得出的积便是测量，得出的积便是测量结果。结果。Y轴使用轴使用10：1衰减探头的话还需再乘衰减探头的话还需再乘10。例如测电压峰例如测电压峰峰值时，峰值时，Vdiv档用档用01Vdiv，输入端用，输入端用了了10：l衰减探头，则衰减探头，则Vpp01VdivN div10NV，tdiv档为档

33、为2msdiv，则波形的周期：，则波形的周期：T2msdivN divN ms。旋钮分布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轴表示时轴表示时间间，Y轴表示幅度轴表示幅度因而在上图中，面板左半部以中线为界，因而在上图中，面板左半部以中线为界，左面的旋钮全用于左面的旋钮全用于Y轴，右面的旋钮全用于轴，右面的旋钮全用于X轴。轴。信号发生器信号发生器频率选择频率选择 波形选择波形选择 频率调节频率调节 实验内容实验内容1.1.基本练习基本练习，调整示波器工作状态：，调整示波器工作状态：聚焦聚焦+辉度辉度+光斑等光斑等2.2.观察波形观察波形观察

34、市电的正弦波形观察市电的正弦波形（1）调出两个完整周期的波形）调出两个完整周期的波形（2）调出三个完整周期的波形）调出三个完整周期的波形观察三角波和方波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波形仪器连接示意图 观察李萨如图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在示波器上观察以下频率比的李萨如图形 fY：fX=50：50，fY：fX=50：25 fY：fX=50：150

35、测量简易信号发生器正弦信号输出的频率测量简易信号发生器正弦信号输出的频率4.观察半波、观察半波、滤波、全波整流图形。滤波、全波整流图形。实验报告数据处理要求实验报告数据处理要求选择不小于选择不小于15 15cm的的 直角坐标纸，按作图直角坐标纸，按作图 要求，仔细描绘实验要求，仔细描绘实验 所得的波形图所得的波形图写出测量写出测量f待测待测的方法和结果的方法和结果简述示波器面板上各个旋纽的作用简述示波器面板上各个旋纽的作用注意事项注意事项掌握所使用的示波器、信号发生器面板上各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，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，可将如果短时间不使用示波器，可将“辉度辉度”旋旋钮调到最小，不要经常通断示波器的电源钮调到最小，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，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。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，插卸电缆必须拿着接头小心操作，绝不能硬绝不能硬拉缆线拉缆线注意公共端的使用，接线时严禁短路注意公共端的使用，接线时严禁短路阴极射线示波器阴极射线示波器