示波器在物理教学中的一物多用①

于 淼

(江苏省高邮第一中学，江苏 扬州 225600)

1 引言

为了充分发挥现有实验器材的作用，很多教师都会一物多用，即利用同一个实验器材设计不同的物理实验，在减少实验费用的同时，还可以更好地服务于教学。利用示波器可以很方便地读出电压的大小，如果将示波器运用到电学实验中可以带来很好的教学效果。笔者结合教学实际，设计了3个利用示波器的小实验，供各位同行参考。

2 利用示波器的创新实验

2.1 研究正弦交流电的峰值与有效值

实验原理：利用电流的热效应研究交流电的峰值与有效值，让交流电和直流电分别通过同一电阻(小灯泡)，如果在相同的时间内两者产生的热量相等，则该直流电的电压值就是交流电电压的有效值。

实验器材：示波器、光强计、小灯泡、低压电源、数字电压表、滑动变阻器等。

仪器简介：如图1所示，将小灯泡、示波器、光强计、滑动变阻器、数字电压表、开关、导线固定在木板上，形成两条电路，当小灯泡接正弦交流电源时，用示波器可以显示波形，还可以读出交流电的峰值Um，当小灯泡接直流电源时用数字电压表读出小灯泡上的电压(有效值U)。当小灯泡发光时，用光强计读出小灯泡发光的光强值，若接两种电源时光强值相同，就可以认为小灯泡产生的热效应是相同的，就可以研究正弦交流电峰值与有效值的关系。

图1

实验过程：(1) 当小灯泡接正弦交流电源时，调节滑动变阻器，选择较小的电压使小灯泡发光，用示波器读出小灯泡两端的电压峰值Um，并读出光强计的数值，再调节滑动变阻器，改变交流电的电压，读出对应的电压和光强计的数值，记录在表1中；

(2) 当小灯泡接直流电源时，调节滑动变阻器，使光强计的数值等于接正弦交流电源时的数值，用数字电压表测出小灯泡两端的电压(有效值U)，记录在表1中；

表1

(3) 以有效值U为横坐标，峰值Um为纵坐标，利用Excel描点画图(如图2)。

图2

2.2 研究电磁感应现象

实验器材：示波器、多匝矩形线圈、U型磁铁、多匝圆形线圈、圆柱形强磁铁。

实验过程：(1) 如图3所示，将示波器与多匝矩形线圈相连，把U型磁铁放在桌面上，让线圈的一部分切割磁感线。图4是线圈由U型磁铁外部向内部运动时产生的波形图。如果线圈在U型磁铁内部由N极向下运动到S极(即沿着磁感应线运动)，发现不产生感应电动势。

图3

图4

(2) 如图5所示，将示波器与多匝圆形线圈相连，把多匝圆形线圈放在桌面上，让强磁铁的磁极快速地插入或拔出线圈，图6是磁铁插入线圈时产生的波形图。

图5

图6

实验结论：(1) 该实验探究的是闭合回路中部分导体在切割磁感应线时产生的感应电动势，表明导体切割的方向不同或磁场方向不同时，感应电动势的方向是不同的。线圈沿着磁感应线方向运动也就是不切割磁感应线时，此时不产生感应电动势。(2) 该实验探究的是闭合线圈中磁通量发生改变时能产生感应电动势。实验说明使磁铁的同一磁极插入和拔出时感应电动势的方向是不同的，不同磁极插入(或拔出)时感应电动势的方向也是不同的。只有当线圈中的磁通量发生改变时才能产生感应电动势，这就是产生感应电动势的条件，闭合回路中部分导体切割磁感线是产生感应电动势的特例，其实质也是闭合回路中的磁通量发生改变。

2.3 研究导体切割磁感线时的电动势

实验器材：旋转平台(所用电机是步进电机，可以定速旋转)、示波器、多匝线圈(接不同的接线柱可以改变匝数)、圆柱形强磁铁。

仪器简介：如图7所示，将强磁铁固定在旋转平台上，再将示波器与多匝圆形线圈相连，然后把线圈固定在靠近强磁铁处。平台旋转后通过示波器可得到感应电动势的波形，可以读出感应电动势的大小。改变转速n可以改变切割速度v(v=2πnr)，改变接入线圈的匝数可以改变导线的长度，从而得到不同的感应电动势。

图7

实验过程：(1) 探究感应电动势E与切割速度v的关系。保持磁铁和导线长度L(线圈匝数120匝)不变，让旋转平台分别以150r/min、200r/min、250r/min、300r/min旋转(切割速度之比为3∶4∶5∶6)，将示波器的读数记录在表2中。以转速n为横坐标，E为纵坐标通过Excel描点画图，可得到图8。

表2

图8

(2) 探究感应电动势E与导线长度L的关系。保持旋转平台的转速不变(240r/min)即切割速度不变，改变接入线圈的匝数以改变导线长度，将示波器的读数记录在表3中。以线圈匝数N为横坐标、E为纵坐标，通过Excel描点作图，得到图9。

表3

实验结论：(1) 由图8可得：保持磁铁和线圈匝数(长度L)不变时，感应电动势E与切割速度v成正比。(2) 由图9可得：保持磁铁和切割速度不变，感应电动势E与匝数(导线长度L)成正比。由此可得E∝Lv，写成等式E=BLv，B是系数，与磁场有关。

图9

3 结语

将示波器设计的三个创新实验应用于教学，实验效果明显，取得了较好的教学效果，可帮助学生更好地理解相关知识点。