数字示波器在高中物理教学中的创新应用①

丁洪良

(江苏省丹阳市教师发展中心，江苏 镇江 212300)

随着数字技术的发展，原来笨重庞大的CRT示波器近年来正逐渐被轻巧便携、价格便宜的平板式数字示波器所替代(图1)。操作便捷的数字示波器在中学物理实验教学中有广阔的用武之地和推广普及的可能，笔者结合教学实例，与同仁分享其使用体会。

图1

1 数字示波器简介

1.1 功能与原理

数字示波器的基本功能与传统的示波器相似，仍是显示输入电压信号随时间变化的波形，在常规使用条件下，水平方向上加机内扫描信号，竖直方向上加机外信号。

1.2 特点

(1) 录图方便

传统示波器是利用电子打到涂有荧光物质的屏面上产生的余辉效应来呈现电压信号的图像，在信号电压频率较低时，传统示波器屏幕只能显示一个移动的亮点；而数字示波器则不论其频率高低，都可以将亮点移动的轨迹完整记录下来，并能一键截屏保存图像，导出到电脑或U盘上。

(2) 连接简单

由于数字示波器功耗较低，大多由内置锂电池供电，无需电源线，且只有两条信号输入线，电路连接简单。

(3) 操作方便

数字示波器内置了智能调节功能，操作十分人性化，跟使用平板电脑一样，可实现全触屏式操作。

1.3 使用说明

图2为平板式数字示波器的顶端菜单栏，其使用说明如下：

(1) CH1和CH2为两个外置信号输入通道，功能相同，表明该示波器可以同时显示两组外加信号波形；

(2) 2.5 V/div表示背景方格的一个小格在竖直方向上的边长所对应的电压为2.5 V，可以根据所测输入信号电压的强弱，点击切换到适当数值；

(3) 1 ms/div表示背景方格的一个小格在水平方向上的边长所对应的时间为1 ms，可以根据所测输入信号电压的周期长短，点击切换到适当数值；

(4) T为信号采集模式选择键，如果要观察连续的周期性信号的波形(如正弦式交流电)就可以选择自动模式；如果输入信号为脉冲信号，则可以选择单次模式或常规模式，在此模式下，当输入信号没有变化时，机器处于静默等待状态，当突然有一个单次变化的信号出现时，机器就会瞬间进入记录状态，把该信号波形呈现在屏幕上。

图2

2 应用示例

2.1 演示通电自感线圈中电流的变化

由于数字示波器只能输入电压信号，如何显示电感线圈中电流的变化呢？这就需要我们把电流的测量转换为电压的测量，电路设计如图3所示，数字示波器的探针接在电阻R两端，闭合开关后，二极管处于反向截止状态，电阻R和电感L串联，流过R和L的电流变化情况相同，再根据欧姆定律U=IR，示波器所呈现的R两端的U-t图线和L中的I-t图线的波形一致。实物连接如图4所示(示波器未画出，以下同)，采集信号时，使用“单次”采集模式，由于数字示波器非常灵敏，故开关S闭合时动作一定要果断，以免开关触点接触不良使波形产生毛刺现象。实验结果如图5所示，可见通电后电感中电流是逐渐增大并趋于稳定。另外发光二极管可以起到断电时的释能作用，开关断开时，可见发光二极管亮一下。

图3

图4

图5

2.2 演示断电自感线圈中电流的变化

电路设计如图6所示，定值电阻R与电感L并联，数字示波器探针接在电阻R两端，闭合开关S时，R、L为并联关系；断开开关S后，R、L为串联关系，则R两端的U-t图线和L中的I-t图线的波形一致。实物连接如图7所示，使用数字示波器的“常规”采集模式，实验结果如图8所示，可清晰地看到断电前流过电阻的电流为恒定电流，断电后电阻中电流瞬间反向并逐渐减小为零，也就说明了断电后L中的电流沿原方向逐渐减小为零。

图6

图7

图8

2.3 演示LC振荡电路的阻尼振荡现象

电路设计如图9所示，实物连接如图10所示，电容C与电感L并联，数字示波器探针接在电容C两端。先给电容充电，由于LC振荡电路只能用无极性电容，所以充电时不用分正负极。使用数字示波器的“单次”采集模式，闭合开关S，即可见实验结果如图11所示，可清晰地看到LC电路中发生了周期性振荡现象，由于存在能量损耗，其振幅不断减小，直至为零。

图9

图10

图11

2.4 演示电容器充、放电现象

电路设计如图12所示，实物连接如图13所示，数字示波器探针接在电容C两端。直接用与电源相连的鳄鱼夹连接图13中的a(接电源正极)、b(接电源负极)两点，注意到这里用到的是电解电容，所以充电时正负极不能接反。使用数字示波器的“单次”采集模式，闭合开关S，电源通过限流电阻R1对电容C充电，实验结果如图14所示，可清晰地看到电容器刚开始充电时，电容两端电压上升较快，越往后，电压上升得越慢，直到电容充满，电压保持不变，波形变成一条直线；然后断开开关S，电容通过电阻R2放电，实验结果如图15所示，可清晰地看到电容刚开始放电时，电容两端电压下降较快，越往后，电压下降得越慢，直到电容完全放电完毕，两端电压降为零。如果将电路中的开关S周期性地进行接通与断开操作，电容则反复进行充放电，就可得到图16所示的振荡波形。

图12

图13

图14

图15

图16