物理选修高考真题

实验原理

当信号电压输入示波器时，这个电压随时间变化的波形就反映在示波器的屏幕上。示波器主要由电子枪、垂直偏转电极和水平偏转电极组成。当两个电极都不加偏转电压时，电子枪产生的高速电子直线运动，撞击屏幕中心形成亮点。此时，如果将随时间均匀变化的电压加到水平偏转电极上，由于偏转电场，电子将以均匀的速度沿水平方向移动。如果一个随时间变化的信号电压加到垂直偏转电极上，亮点也将在垂直方向上移动，移动的幅度与所加信号电压的幅度成正比。这样，亮点一方面随着时间的推移在水平方向上均匀移动，另一方面在垂直方向上与信号电压成正比地移动。然后在荧光屏上形成波形曲线，反映信号电压随时间变化的规律。

实验装置

J2459示波器1；1低压电源；1变阻器；1键；有几根电线。

实验步骤

1.熟悉J2459示波器板上旋钮的功能。如图7-1，J2459示波器的面板，屏幕右上方标有“”的亮度调节旋钮用于调节光点和图像的亮度。当你顺时针转动旋钮时，亮度增加。

二是对焦调节“⊙”和辅助对焦“○”。这两个旋钮一起使用，使电子射线会聚，在荧光屏上产生一个小亮点，得到清晰的图像。

下面是电源开关和指示灯。电源与后盖上的电源插座连接后，将开关拨到“on”位置，指示灯亮。经过一两分钟的预热，示波器就可以使用了。

屏幕下方第一排左右两端的旋钮分别是垂直位移和水平位移，分别用来调整图像在垂直和水平方向的位置。中间的两个旋钮是“Y增益”和“X增益”，分别用来调节图像在垂直方向和水平方向的幅度。顺时针旋转时，振幅不断增大。

中间一排左边的大旋钮是“衰减”，有1、10、100、1000四个档位。最左边的“1”档位不衰减，其他档位分别衰减输入电压。

最右边的正弦符号块不是衰减，而是示波器本身提供的垂直交流测试信号电压，可以用来观察正弦波形或检查示波器工作是否正常。

中间一排右侧的大旋钮是“扫描范围”，也有四个档位，可以改变水平方向施加的扫描电压的频率范围。左边第一档是10 ~ 100 Hz。向右旋转时，扫描频率增加10倍，最右边的档位是“外X”档。当使用这个齿轮时，机器中的频率增加。

中间的小旋钮是“扫描微调”，用来调节水平方向的扫描频率，顺时针旋转频率不断增加。

底排中间的旋钮“Y输入”、“X输入”、“接地”分别是垂直方向、水平方向和公* * *接地的输入端子。左边的“DC，交流”是垂直输入信号的DC和交流选择开关。当置于“DC”位置时，直接输入施加的信号电压；当置于“AC”位置时，所施加的信号电压通过电容器输入，该电容器可以让AC信号通过并阻挡DC分量。右边的“同步”也是一个选择开关。当置于“+”位置时，扫描从测量信号的正半周同步，当置于“-”位置时，扫描从负半周同步。该开关主要用于测量窄脉冲信号。对于正弦波、方波等。，不管是调到“+”还是“-”，都能很好的同步，对测量没有影响。

2.练习使用示波器

①逆时针旋转亮度旋钮到底，旋转垂直位移旋钮和水平位移旋钮到中间位置，设置衰减旋钮到最高档，设置扫描旋钮到“外X”档。

②打开电源，打开电源开关。预热后，屏幕上出现亮点。调节亮度旋钮，使亮度适中。

③调节聚焦和辅助聚焦旋钮，观察亮点大小的变化，直到亮点最圆最小。

④旋转垂直和水平位移旋钮，观察亮点的上下移动和左右移动。

⑤将扫描范围旋钮旋至最低档，逆时针旋转扫描微调旋钮到底，顺时针旋转X增益旋钮至1/3，观察亮点的水平移动。

⑥顺时针转动扫描微调旋钮，观察亮点的来回移动(会随着扫描频率的增加而加速，直到变成水平亮线)。转动X增益旋钮，观察亮线长度的变化。

⑦将扫描范围旋钮设置到“外X”位置，将AC/DC选择开关转到“DC”，并使亮点位于屏幕的中央。如图7-2所示连接电路，输入DC电压。

⑧移动变阻器的滑块，改变输入电压，观察亮点的移动。

⑨切换电池的正负极，重复步骤⑧。

⑩将Y增益旋钮顺时针旋转到底，将衰减旋钮设置为“1”。使变阻器的滑块从最右端向左滑动到一定位置，读取亮点偏差的网格数。此时，亮点每偏移1格，意味着输入电压变化50mV。计算此时的输入电压。如果衰减旋钮放在其他档位，所得数值要乘以相应倍数。

(11)实验结束后，将亮度旋钮逆时针旋转到底，然后关机，切断电源。

二、操作指导和思维启迪

1.使用J2459学生示波器的注意事项:

①示波器的工作电压为220V 10%%。超过这个范围会影响仪器的正常工作。当电源电压波动较大时，使用前最好采取交流稳压措施。

②示波器外壳与内部电路的接地点相连。为了安全和减少外界环境对仪器的干扰，仪器外壳应接地。可以用带焊接钩的黑线将示波器面板上的接地柱与实验台上的接地柱连接起来。如果实验室配有带地线的三孔安全电源插座，可以将示波器电源线的二脚插头换成三脚插头，并加一根黑线将三脚插头的外壳与三脚插头的锚连接起来。外壳可以不接地使用，外部感应会稍微增加示波器的噪声干扰。

③测试信号输入线最好使用高频屏蔽线或带香蕉插头的单股线，输入线尽量短。将香蕉插头分别插入示波器的Y输入和接地端子以及信号输出仪器端子。如果要检查实验电路中某一点的波形，在输入线的测试端接一对鳄鱼夹或带套筒的测试棒就很方便。如果测试点电压较高，最好切断被测电路的电源，连接测试点后再进行测试。否则要特别注意安全，站在合适的绝缘物上，单手操作。

(4)使用示波器时，要注意亮度适中，不要太亮，光斑不要长时间停留在一个点上，以免损坏荧光屏。你也应该避免在直射日光下在荧光屏上工作。先关亮度再关。

⑤示波器应避免在强磁场环境中工作。因为外部磁场会导致显示波形失真。

⑥使用示波器时，连接到输入端的电压不应超过手册中规定的最大输出耐受电压400V(DC+ACPP)。如果信号是DC，应小于400V V。如果信号是DC加交流，其DC和交流峰值之和应小于400V V。特别注意，当Y衰减开关设置为1时，应防止过大的测量信号加到输入端，以免损坏仪器。

⑦使用仪器时，轻拉面板控制器，到达极限位置时不要用力拉，以免损坏仪器。移动时小心轻放，以防碰撞。

⑧仪器使用后应盖上防尘罩，并置于阴凉、干燥、通风处。3个月未使用的仪器要开机通电1h，防止电解电容失效，起到加热除湿的作用。

2.观察波形

示波器的主要作用是把非常抽象的电信号变成可视的图像，所以观察波形是示波器的主要用途。J2456型学生示波器适用于观察频率在10Hz以上，1.5MHz以内，幅度在100mV以上，400V V以内的各种电信号波形..

观察到的波形从Y输入端输入。观察高频交流信号时，将输入耦合开关置于“交流”位置；当观察到100Hz范围内的方波信号和各种缓慢变化的交变信号时，将输入耦合开关置于“DC”位置。衰减开关和Y增益位置根据下表确定，具体取决于输入信号的振幅。

如果不知道输入信号的幅度，可以先把衰减开关拨到“1000”，观察示波器屏幕上Y方向的显示。如果不显示或显示太小，将Y衰减开关依次置于“100”、“10”、“1”，然后适当调整Y增益。扫描范围开关的位置根据输入信号的频率和要在荧光屏上显示的完整周期波形的数量来选择。例如，如果输入信号频率为50Hz，并且要在荧光屏上显示两个周期波形，则扫描频率应为50Hz/2=25Hz。将扫描范围开关设置为“10 ~ 100”，调节扫描微调旋钮，在荧光屏上显示两个周期波形。再比如信号频率为10kHz，计划显示五个周期的波形。然后扫描频率应为10kHz/5=2kHz，将扫描范围开关设置为“1 ~ 10K”并调节扫描微调旋钮，屏幕上显示一个具有五个周期的波形。如果观测到的信号频率未知，可将扫描范围开关由低到高逐步改变，同时调节扫描微调旋钮，直到荧光屏上显示出4 ~ 6个周期的稳定波形。当观察到的信号在1MHz以上时，要注意将X增益旋钮顺时针旋转到底，以便清晰显示波形。

3.电压测量

示波器屏幕上光点的垂直偏转距离与输入电压成正比，因此在示波器的输入灵敏度得到批准后，就可以测量电压。用示波器测量电压和电流不如其他测量仪器精确，但可以测量任何一种交流电压的幅值或瞬时值，这是其他仪器做不到的。J2459学生示波器的垂直系统灵敏度在出厂时已经过校准，所以可以根据屏幕上Y轴显示的幅度直接计算出来。

①DC电压的测量。将示波器的Y增益旋钮顺时针旋转到底。此时示波器的垂直系统灵敏度为每格50AmV，A为衰减切换放大倍数，分别为1、10、100、1000，可根据所测DC电压的大致范围选择。将输入耦合开关置于“DC”，Y输入用导线与接地端短接。将示波器转出扫描线，将扫描线移动到坐标表Y轴的中心，并将该位置设置为零电位。然后排除短路，连接被测信号。如果扫描线移动2.2格，如图7-3所示，测得的DC电压为正，值为U=2.2×50×A(mV)。如果扫描线下移，则意味着测得的DC电压为负。

测试时，也可以用光点显示。此时，只要将X增益电位器逆时针旋转到底，扫描线就会收缩到一点。但需要注意的是，此时示波管的亮度不能太亮，以免损坏荧光屏。

当被测电压的大致范围未知时，可先将衰减开关设置为“1000”，如果光迹不动或移动过小，再将Y衰减开关设置为“100”、“10”、“1”。确定衰减步长后，应再次校准零电位，以确保测量精度。零电势也不能选择在Y轴的中心。如果测得的电压为正，可以在下面选择。如果被测电压为负，可以选择扩大测量范围。

②交流电压的测量。示波器可以测量交流电压的峰峰值或波形任意两点之间的电位差。测试时，将Y轴输入耦合开关置于“AC”位置，将Y增益旋钮顺时针旋转到底，将被测信号接到Y输入端和接地端，正确选择衰减开关和扫描范围，调节扫描微调旋钮，屏幕上显示3-6个稳定的波形，如图7-4所示。当读取波形的峰峰值为4.2格时，测量电压的峰峰值为:

Upp=4.2×50×A(mV)

如果测得的电压是正弦波，则可以转换为电压峰值，如下所示:

Um=0.5Upp=0.5×4.2×50×A(mV)

有效电压值为:

U=0.3535Upp=0.3535×4.2×50×A(毫伏)

J2459学生示波器的衰减开关为十进制。测试某些幅值电压时，波形显示过小，无法稳定同步，但衰减减小一步，波形显示过大，超出坐标刻度。例如，对于一个峰峰值在500mV左右的信号，当衰减设置为“1”时，显示的是坐标以外的一个时刻，当衰减设置为“10”时，显示过小，给定量测量带来一些困难。为了解决这个问题，可以将示波器的Y增益旋钮逆时针旋转到底，预先测量垂直系统灵敏度Smin。Y增益的微调比例约为6倍，灵敏度约为每格300mV，所以一个峰峰值约为500mV的信号可以得到1.7格的显示。如果测量信号显示为B网格，衰减挡板为A，则峰间电压值为:

Upp=BSminA(mV)

方波、锯齿波、三角波等周期性变化的电压幅值测量方法完全相同。但应注意，如果频率较低，应将输入耦合开关置于“DC”。

三、典型事例分析

[例1]图7-5是示波器屏幕上显示的晶体管集电极电压的稳定曲线图。图中锯齿波显示为3个正方形。问:

①锯齿波的振幅是多少？

②什么是DC分量电压？

(3)锯齿波C点对地电压是多少？D点对地电压是多少？

分析和解决方案

这个问题是J2459对合成电压的测量。当示波器的Y增益旋钮顺时针旋转到底时，示波器的垂直系统灵敏度为每格50A(mV)。(A为衰减切换比)，所以:

①振幅:Upp=3×50×A(mV)

②电压:U=3.5×50×A(mV)

(3) C和D对地电压为:

Uc=2×50×A(mV) UD=5×50×A(mV)

关于这个题目的思考:在实际测量中，除了简单的测量交流电压或DC电压外，往往还需要测量同时含有交流和DC分量的合成电压。比如晶体管放大信号时，本题所示的集电极电压既是交流电压又是DC电压；在脉冲电路测试中，经常需要知道信号波形各点相对于地的电位。这个合成电压可以很容易地用示波器测量。测试时，输入耦合开关应设置为“DC”。首先，Y输入应与接地端短路，以确定扫描线的零电位。然后连接被测信号，调整扫描范围和扫描微调旋钮，屏幕上会显示一个波形。

[示例2]要测量通过图7-6中R(R = 2ω)的电流，请回答以下问题:

①扫描频率、DC、AC、Y增益、水平和垂直位移、衰减的旋钮怎么调？

②如何连接示波器进行测量？

③如果衰减设为10，光点在原点下4格，那么通过R的电流是多少？

④如果光斑在原点斜上方，则测量误差过大。原因是什么？

⑤如果把电池换成等效的交流电源，应该如何测量？

分析和解决方案

①扫描频率旋钮放在外X档；DC和交流开关置于DC，Y增益顺时针旋转到底；调节水平和垂直位移旋钮，使光点在中心；衰减被置于较高的档位。

②将电阻R的两端分别连接到示波器上的Y输入和地。请自己制作电路图。)

(3)R两端的电压为U=4×50×10(mV)=2V。通过R的电流I=U/R=2/2=1A。

④测量前，光斑没有转移到屏幕中央，Y增益旋钮没有顺时针旋转到底。

⑤接线与测量方法相同。只要把“DC，交流”开关放在“交流”位置。

本题思维指导:根据现行教材(第三册P291，人民教育出版社)的要求，实验中不做电流测量，但无论从“培养能力，开发智力”的教育理念，还是从“培养实践能力，强化活动课”的教改要求，我们建议有条件的学校也要从培养跨世纪人才的高度，开设用示波器测量电流的活动课。这里的重点是在被测电路中串联一个已知电阻的小电阻(或者用原电路中已知的电阻)，用示波器测量电阻两端的电压，利用欧姆定律计算电路中的电流。

第四，能力培养

1.使用示波器时，发现荧光屏上的亮点不清晰。如果亮点面积太大，边缘模糊，应该顺时针方向调节_ _ _ _ _旋钮。如果亮点在垂直方向上显示一条短亮线，您应该顺时针方向调节_ _ _ _ _旋钮。如果亮点是沿水平方向的一条短亮线，则应向_ _ _ _方向调节_ _ _ _旋钮；如果顺时针旋转水平位移旋钮，亮点(或图像)可以移动到_ _ _ _ _；如果逆时针旋转垂直位移旋钮，亮点(或图像)可以移动到_ _ _ _ _；要使亮点自动水平移动，将X增益旋钮旋转1/3，将_ _ _ _旋钮置于_ _ _ _位置，将扫描微调旋钮_ _ _ _顺时针旋转到底，使亮点从左向右快速回到左端。增加扫描频率，亮点的移动速度变成_ _ _ _ _。

2.在上述问题调整的基础上，将衰减旋钮置于_ _ _ _位置后，顺时针旋转Y增益旋钮至适中位置，可以看到荧光屏上出现_ _ _ _图形。

3.当图形在屏幕左上角而不在中间时，要顺时针方向旋转_ _ _ _旋钮使图形向右移动，再顺时针方向旋转_ _ _ _旋钮使图形移动到_ _ _ _处，使图形位于中间。如果数字仍然不清楚，调整_ _ _ _和_ _ _ _旋钮。如果图形幅度过小，应顺时针方向旋转旋钮_ _ _ _ _使垂直方向的图形幅度变大；顺时针方向旋转_ _ _ _ _旋钮可以增加图表的水平幅度。如果同步开关从“+”变为“-”，波形将改变_ _ _ _ _个周期。

4.在图7-1中，示波器面板上的旋钮和开关分为三个区域:电子束发射调节、垂直调节和水平调节。开机练习时，先将亮度调节旋钮_ _ _ _旋到底，垂直位移旋钮和水平位移旋钮旋到_ _ _ _位置，衰减旋钮旋到最_ _ _ _ _位置，扫描范围旋到“_ _”位置。打开_ _ _ _指示灯并预热。

5.假设电源开关已经打开预热，光斑亮度适中，光斑最圆最小。按照操作的顺序，在下面的空白处填入旋钮的名称和在寻找扫描线和调整水平振幅的练习中观察到的现象:

①顺时针旋转_ _ _ _ _旋钮至1/3；

②逆时针旋转_ _ _ _旋钮到底；

③将_ _ _ _旋钮置于最低档位。完成以上三步后，我们可以看到扫描的情况，就是光点从左向右_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _到右端，很快又到左端。

④顺时针旋转_ _ _ _旋钮，增加扫描频率，可以看到光点迅速移动，变成_ _ _ _ _。

⑤调节_ _ _ _旋钮，可以看到亮线长度的变化。

6.在测量干电池电压的实践中，使用了这样的关系:被测电压=光点偏移输入电压的伏特数1格×光点偏移的格数×衰减旋钮指示的倍数。在这个测量练习中，如果使用示波器，输入电压为50mV当光点偏离1网格时；干电池接通后，当Y增益旋钮顺时针旋转到底时，光斑移动3格，衰减旋钮指向的倍数为10，那么你测得的干电池电压值等于_ _ _ _ V。

7.在打开或关闭J2459学生示波器的电源开关之前，请先打开_ _ _ _ _。

A.将亮度旋钮顺时针旋转到底。

B.逆时针旋转亮度旋钮到底部。

C.x和y增益旋钮被设置到最小位置。

D.将衰减旋钮调到最低档。

8.示波器屏幕上观察到的波形如图7-7(a)所示。如果需要将波形变为图(b)所示的波形，可以调整面板上的_ _ _ _。

A.“y增益”旋钮

B.“x增益”旋钮

C.“Y位移”旋钮

D.“Y衰减”旋钮

9.Y输入与外部DC电压连接后，衰减系数逐渐降低。为什么光点会上移？(简答)

10.示波器可以像电流表一样串联在电路上直接测量电流吗？为什么？(简答)