工科專業(yè)大學(xué)物理實驗示波器教學(xué)探討*

唐妍梅

(廣西師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 廣西 桂林 541004)

李 翔

(桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動化學(xué)院 廣西 桂林 541004)

1 引言

示波器是用于觀察信號波形的一種重要工具，具有直觀清晰、測量準(zhǔn)確的優(yōu)點，廣泛用于電子信息、醫(yī)療設(shè)備及科學(xué)實驗等領(lǐng)域.示波器的正確使用是理工科各專業(yè)學(xué)生都必須掌握的內(nèi)容，也是綜合性普通高等學(xué)校必開的公共物理實驗項目.

示波器既是大學(xué)物理實驗中的重點，也是“教師難教、學(xué)生難學(xué)”的一大難點.師生普遍反映，傳統(tǒng)的示波器教學(xué)存在著原理講解繁冗抽象、學(xué)生實操時間過短、難以獲得理想實驗現(xiàn)象和結(jié)果等問題[1].加之實驗學(xué)時有限，實驗教學(xué)的直觀性和實踐性體現(xiàn)得不夠充分，很多學(xué)生不能很好地完成該實驗，甚至有部分學(xué)生在實驗即將結(jié)束時，對示波器上眾多旋鈕、按鈕仍茫然無措.

2 當(dāng)前教學(xué)中的問題

當(dāng)前示波器教學(xué)存在的問題可總結(jié)為以下兩方面.

一是實驗原理耗時較長，而留給學(xué)生操作的時間較少.眾所周知，模擬示波器是以示波管為核心，而示波管的結(jié)構(gòu)原理又與大學(xué)物理中電磁學(xué)的知識有密切關(guān)系.因此，目前講解示波器時，大多先從示波管原理講起，介紹偏轉(zhuǎn)電極、偏轉(zhuǎn)電場、電子束掃描等名詞概念[2～5].這樣，學(xué)生們需要花較多的注意力在理論原理上，而對示波器本身的“工具”屬性缺乏足夠認(rèn)識.

二是對示波器的講解缺乏清晰的思路和重點.示波器面板上旋鈕、按鈕和開關(guān)繁多，操作自由度大，極易讓初學(xué)者眼花繚亂[6]，學(xué)生在有限的時間里難以識記和掌握，往往為了完成實驗要求而機械操作，并不能達到自主、自如使用的水平，甚至部分學(xué)生自始至終調(diào)不出要觀察的波形.教師面對眾多學(xué)生在操作中遇到的問題也往往疲于“救火”.

針對以上問題，需要主動轉(zhuǎn)變思路和觀念，以新的角度審視示波器教學(xué).

3 新教學(xué)思路初探

如上所述，傳統(tǒng)教學(xué)方式以示波器結(jié)構(gòu)原理為出發(fā)點的講法，比較適合物理學(xué)各專業(yè)學(xué)生，而較缺乏工科專業(yè)實驗教學(xué)的針對性，不能很好地激發(fā)工科學(xué)生對物理實驗的興趣，也難以適應(yīng)新時代工科學(xué)生實驗素養(yǎng)的要求[7].針對工科學(xué)生，我們在講解示波器時，嘗試首先從“工具”的角度出發(fā)，從直觀的實驗現(xiàn)象和測量要求出發(fā)，設(shè)計了直觀性、整體性教學(xué)流程，如圖1所示.

圖1 教學(xué)設(shè)計示意圖

3.1 現(xiàn)象觀察

調(diào)節(jié)出正弦波、鋸齒波、方波等波形，給學(xué)生一個在示波器上直觀觀察出波形的印象.示波器是用于觀察波形的工具，那么在了解示波器時就應(yīng)該首先明確“波形”的概念.一般而言，實驗中所觀察的多為電壓波形，也就是電壓隨時間變化的圖像，其橫軸代表時間，縱軸代表電壓大小.因此，在使用示波器時，其屏幕上顯示的圖樣也應(yīng)當(dāng)符合這一特點.這樣就首先解決了一個根本問題，即“實驗中要觀察的是什么現(xiàn)象”，做到心中有數(shù)，接下來的操作才能有的放矢，而不是漫無目的亂調(diào)一氣.

接著，教師介紹怎樣用示波器測量交流信號的電壓和頻率.Y軸坐標(biāo)表示電壓，則其刻度與電壓大小之間必定存在定量關(guān)系，這個對應(yīng)關(guān)系就是“VOLTS/DIV”旋鈕所選擇的擋位.同理，X軸的刻度和時間之間也存在定量關(guān)系，這個對應(yīng)關(guān)系就是“TIME/DIV”旋鈕所選擇的擋位.有了這兩個對應(yīng)關(guān)系，電壓的峰峰值就可以通過測量正負(fù)峰值間的垂直距離得到，周期的大小可通過測量波形一周期的水平長度得到.

上述步驟直觀、直接地解決了“示波器顯示的是什么信號”以及“如何用示波器測量電信號”這兩個根本問題，使學(xué)生較容易地入門.

大興安嶺地區(qū)是林火高發(fā)區(qū)，森林火災(zāi)造成巨大碳排放和經(jīng)濟損失的同時，生物質(zhì)的燃燒形成和積累了大量的黑碳。在不斷要求減緩大氣CO2濃度的形勢下，具有化學(xué)惰性的黑碳對碳儲存相對來說具有重要的意義。然而對大興安嶺地區(qū)的相關(guān)研究比較來說資源較少，對形式的研究和掌握比較不充分，相關(guān)類的研究還有待持續(xù)。

3.2 實驗原理

學(xué)生在對波形顯示有了直觀的印象后，接著引出2個更深入的問題：“示波器顯示被測波形的原理”和“示波器測量交流信號電壓和頻率的原理”.由此展開示波器結(jié)構(gòu)原理的講解.示波器的結(jié)構(gòu)可簡要分為5個部分.

(1)示波管：能實現(xiàn)電子束的發(fā)射、聚焦、偏轉(zhuǎn)等，且當(dāng)電子束打在熒光屏上時會形成亮點.亮點移動時，由于人眼視覺暫留作用就會形成連續(xù)的軌跡，由此產(chǎn)生了可見的波形.

(2)Y軸系統(tǒng)：被測電壓信號經(jīng)放大和處理后作用于示波管的垂直偏轉(zhuǎn)電極上，使屏幕上的亮點發(fā)生垂直方向的移動，且移動距離正比于輸入電壓幅度.

(3)X軸系統(tǒng)：其核心是鋸齒波電壓發(fā)生器，產(chǎn)生的周期性鋸齒波電壓(掃描信號)作用于示波管的水平偏轉(zhuǎn)電極上，使屏幕上的亮點以一定速度從左向右作水平運動，直到屏幕最右端時再極快地回到最左側(cè).這一周期性的水平運動與輸入信號造成的垂直運動疊加后，就能形成沿水平軸均勻展開的被測電壓波形.

(4)觸發(fā)及同步系統(tǒng)：使掃描信號的周期(或頻率)與被測電壓信號相等或成整數(shù)倍，從而穩(wěn)定地顯示波形.

(5)電源：為以上各部分供電.

3.3 功能介紹

經(jīng)過實驗現(xiàn)象和原理的講解后，下一環(huán)節(jié)即“功能介紹”是對示波器面板上各個旋鈕、按鈕和開關(guān)的功能進行介紹.我校物理實驗使用的是GOS-620型雙蹤示波器，其面板如圖2所示，除屏幕外可分為5大部分：

圖2 GOS-620型雙蹤示波器

第一部分位于顯示屏下方，包括輝度(INTEN)旋鈕和聚焦(FOCUS)旋鈕；

第二部分為垂直偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)區(qū)，又分左右兩半，分別對應(yīng)兩個輸入通道CH1 和CH2；

第三部分是水平偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)區(qū)；

第四部分是觸發(fā)和同步調(diào)節(jié)區(qū)；

第五部分是總電源開關(guān).

這5個區(qū)域分別對應(yīng)前述“實驗原理”所講的示波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的5個部分，因此學(xué)生可以迅速理清眾多按鈕、旋鈕的歸屬和作用.

3.4 常見問題

有了以上3個階段的講解，接下來可以引導(dǎo)學(xué)生自行處理一些簡單的操作問題：

(1)如果波形顯示的位置不合適、不便于觀察時，應(yīng)該怎樣調(diào)節(jié)？學(xué)生很容易在圖2所示面板上找到標(biāo)有“POSITION”以及箭頭符號的旋鈕，由此即可調(diào)節(jié)波形在屏幕上的水平和垂直位置.

(2)如果波形大小不合適，又該如何調(diào)節(jié)？既然波形的水平方向和垂直方向分別對應(yīng)著時間和電壓，而示波器屏幕上又已標(biāo)有均勻的刻度，那么波形圖像在水平/垂直兩個方向上進行縮放調(diào)節(jié)時，自然應(yīng)當(dāng)以每格刻度對應(yīng)多少時間/電壓來定量描述.由此學(xué)生不難明白，圖2中標(biāo)有“TIME/DIV”和“VOLTS/DIV”的旋鈕的功能就是分別用于調(diào)節(jié)波形的水平/垂直縮放.

(3)如果波形過暗或過亮，則可調(diào)節(jié)“INTEN”即輝度旋鈕；如波形過粗，則可調(diào)節(jié)“FOCUS”即聚焦旋鈕.

按照上述幾個步驟逐一講解，即可在較短時間內(nèi)使學(xué)生掌握示波器最基本的操作并成功觀察到波形，樹立起學(xué)生的信心和興趣.同時，學(xué)生能較好地記住每項功能的意義，從而能初步對示波器進行自主操作.

4 更多問題

以上對示波器的講解只是初步實現(xiàn)了示波器使用的入門.盡管上文所述的講解過程已經(jīng)讓學(xué)生了解了示波器的基本操作，但還有許多旋鈕、開關(guān)未曾涉及.一旦學(xué)生誤觸、誤調(diào)了這些旋鈕和開關(guān)，就有可能導(dǎo)致無法正常觀察波形.為此，實驗教師必須熟悉各種異常現(xiàn)象的應(yīng)對措施，如：

(1)示波器無任何顯示.此時應(yīng)注意輝度(INTEN)和聚焦(FOCUS)旋鈕的位置是否居中，掃描方式(SWEEP MODE)選擇開關(guān)是否在自動(AUTO)擋，X軸和Y軸的位移(POSITION)旋鈕是否居中.

(2)波形顯示與預(yù)期不符.此時應(yīng)檢查示波器的輸入通道(CH1或CH2)是否已正確選擇，與信號源的接線是否完好，耦合方式(AC/DC/GND)選擇是否正確.特別注意，耦合方式若在接地(GND)位置，將看不到任何波形.

(3)波形不穩(wěn)定.此時應(yīng)檢查觸發(fā)信號源(TRIGGER SOURCE)的選擇，通常應(yīng)當(dāng)與要觀察的輸入通道一致；接著再檢查觸發(fā)方式(TRIGGER MODE)以及觸發(fā)電平(TRIGGER LEVEL).

5 結(jié)束語

本文從工科學(xué)生物理實驗教學(xué)的實際出發(fā)，對“示波器的使用”教學(xué)思路及內(nèi)容組織進行了探討，希望能充分利用有限的實驗學(xué)時，讓學(xué)生真正掌握獨立使用示波器的能力，將實驗素養(yǎng)和動手能力的培養(yǎng)落到實處，為學(xué)生今后從事專業(yè)研究、生產(chǎn)工作奠定堅實的基礎(chǔ).