示波器的使用

一、实验目的

1．了解示波器显示波形的原理，了解示波器各主要组成部分及它们之间的联系和配合；

2．熟悉使用示波器的基本方法，学会用示波器测量波形的电压幅度和频率；

3．观察李萨如图形。

二、实验仪器

1、  双踪示波器       GOS-6021型   1台

2、  函数信号发生器   YB1602型     1台

3、  连接线           示波器专用    2根

示波器和信号发生器的使用说明请熟读常用仪器部分。

三、实验原理

示波器由示波管、扫描同步系统、Y轴和X轴放大系统和电源四部分组成，

四、实验内容

1． 示波器的调整

（1）不接外信号，进入非X-Y方式

（2）调整扫描信号的位置和清晰度

（3）设置示波器工作方式

2． 正弦波形的显示

（1）熟读示波器的使用说明，掌握示波器的性能及使用方法。

（2）把信号发生器输出接到示波器的Y轴输入上，接通电源开关，把示波器和信号发生器的各旋钮调到正常使用位置，使在荧光屏上显示便于观测的稳定波形。

3．示波器的定标和波形电压、周期的测量

（1）把Y轴偏转因数和扫描时间偏转因数旋钮都放在“校准”位置（指示灯“VAR”熄灭）。

（2）把校准信号输出端接到Y轴输入插座

（3）把信号发生器的正弦电压接到Y轴输入端，用示波器测量正弦电压的幅值和周期，并和信号发生器上显示的频率值比较。

（4）选择不同幅值和频率的5种正弦波，重复步骤（3），记下测量结果。

4．李莎如图形的观测

（1）把信号发生器后面50Hz输出信号接到X通道，而Y通道接入可调的正弦信号

（2）分别调节两个通道让他们能够正常显示波形

（3）切换到X-Y模式，调整两个通道的偏转因子，使图形正常显示

（4）调节Y信号的频率，观测不同频率比例下的李萨如图

五、数据记录

1、频率测量

示波器频率计数器的测频精度      0.01%

示波器测频仪器误差          3%

函数信号发生器测频仪器误差          1%+1字

2、电压测量

示波器测量电压仪器误差3%   

函数信号发生器仪器误差15%+1字 

光速的测量

一、实验目的

    1．根据波的基本概念，设计光波参数测量的方法。

2．熟悉和利用周期性光信号测定光速的实验方法。

二、实验原理

       为产生光拍频波，要求相叠加的两光波具有一定的频差，这可通过超声与光波的相互作用来实现。在声光介质与声源（压电换能器）相对的端面敷以吸声材料，防止声反射，以保证只有声行波通过介质。超声在介质中传播，引起折射率的周期性变化，使介质成为一个位相光栅，激光束通过介质时要发生衍射。衍射光的圆频率与超声波的圆频率有关，第级衍射光的圆频率 ，其中是入射光的圆频率， 为超声波的圆频率， 为衍射级，利用适当的光路使零级与+1级衍射光汇合起来，沿同一条路经传播，即可产生频差为的光拍频波。

三、实验仪器

CG—Ⅲ型光速测定仪

四、实验步骤

   

1． 熟悉实验装置；按上图连接线路（除示波器和频率计外，其余设备和器件都已安装在光速测定仪的机箱里。激光器、各种镜片、斩光器装在台面上。）

2．打开激光电源，调节激光电流至4.5mA左右。按照图1－8－5调节整个光路：激光束经过声光移频器射向小孔光阑，（此时声光移频器不加信号，也不开斩光器电源）。调整小孔光阑位置使激光束完全通过，并照射在450角放置的全反射镜片上。反射光再经一半反射镜片分成两束光（一束透射光、一束反射光），一束透射光直接经过另一个半反射镜反射后进入光电二极管接收器，这束光是近程光信号。另一束反射光经过台面上左右两排反射镜的几次反射，最后也经过同一个半反射镜进入信号接收器，这束光是远程光信号。调节斩光器的位置和高低，使两光束均能从斩光器的开槽中心通过。

3．依次调节各全反镜和半反镜的调整架螺丝，使远程和近程两光束在同一水平面内反射、传播，最后垂直入射到光电二极管接收器上。光电二极管接收器封装在左侧的小箱内，可以移开小天窗盖并调节光电二极管接收器位置。手动斩光器，使斩光器的喇叭口开槽置于遮断远程光而使近程光进入接收器位置。观察近程光信号是否照在了光电二极管接收器上（光电二极管的玻璃罩被照亮）。再手动斩光器遮断近程光而使远程光进入接收器位置。观察远程光信号是否照在了光电二极管接收器上（光电二极管的玻璃罩被照亮）。整个调节的目的是使近程和远程光信号以最大光强度照射到光电二极管接收器上。

4．接通12伏功率信号源直流稳压电源，调节功率信号源的输出频率，使衍射光最强。调节小孔光栏，使1级或零级衍射光通过。再次检查调节各全反镜和半反镜的调整架，使远程和近程两光束在同一水平面内反射、传播，最后垂直入射接收头。

5．打开斩光器电源，斩光器开始旋转，遮断（可用窄纸片）远程光而使近程光进入接收器，示波器上会有近程光的光拍信号波形出现，微调功率信号频率，使波形幅度最大。再遮断近程光使远程光照亮信号接收器，观察远程光的光拍信号波形是否与近程光的幅度相等，如不相等，可调节最后一个全反镜的俯仰，改变远程光进入接收器的光通量，使两波形的幅度相等（必要时还可在接受器外的光路上加一个会聚透镜，将远程光会聚起来入射接收器）。

6．按常规调节示波器：示波器上出现两个幅度大致相等但位相差不等于零的正弦波形。要测量相位相同时的光程差，必须找出两波形位相差为零的位置。可用两种方法：一种是观察两束拍频光波的波形，调整远程光距离，使两波形完全重合，此时两路光的程差即为拍频波长。另一种方法是在示波器上调出两束光波的李萨如图形，这需要调整远程光距离找出相位相同点，且调节两光束幅度相同才可实现。李萨如图形如下图所示：因为调节李萨如图形对两束光波的要求较高，一般不易调出来，所以常用调节两波形完全重合的方法。

 7．用手柄前后移动在轨道中段装有反射镜的滑动平板，改变两路光的程差，使示波器上两波形完全重合。此时，两路光的光程差即为拍频波长。

8．测量拍频波长，并用数字频率计精确测定功率信号源的输出频率。反复进行多次，记录测量数据。计算He—Ne激光在空气中的传播速度及其标准误差。

五、注意问题

1、电动旋转式斩光器斩光时，任一时刻只有一束光通过而另一束被斩断，使两光路交替由接收器接受并输入示波器显示波形。利用示波器的显示屏的余晖，我们在单通道示波器上可同时看到两路拍频光波的波形，以达到比较两路光拍频波相位的目的。因此，为正确比较相位，必须用统一的时基，示波器工作且不可用在触发同步，应用功率信号做示波器的外触发同步信号，避免引起较大测量误差。

2、数字频率计使用在KHZ档位上。

3、由于设备上未安装标度尺，使用钢卷尺测量远近光程时应注意尽可能减小误差。

光电效应和普朗克常数的测定

一、实验内容：

1.通过实验加深对光的量子性了解；

2.通过光电效应实验，测定普朗克常数；

3.测量光电管的伏安特性曲线。

二、实验仪器：

汞灯、干涉滤光片（365nm，405nm，436nm，546nm，577nm）、光电管、光电效应测试仪，示波器

三、实验原理：

1.光电效应

图1所示的是研究光电效应的一种简单的实验装置。在光电管的阴极K和阳极A之间加上直流电压U，当用单色光照射阴极K时，阴极上就会有光电子逸出，即为光电效应。

图1 光电效应实验装置

                          图2 截止电压与入射光频率的关系图

爱因斯坦方程：                      （1）

其中m和v_m是光电子的质量和最大速度，W为金属的逸出功，是光电子逸出表面后所具有的最大动能。

截至电压与最大动能的关系：

                  （2）

光电子的最大出动能与入射光光强无关。

当入射光频率υ逐渐增大时，截至电压U₀将随之线性增加。由（1）式和（2）式可知

                    （3）

对于每一种金属，只有当入射光频率υ大于一定的红限频率υ₀时，才会产生光电效应。

 光电效应是瞬时发生的。实验发现，只要入射光频率，无论光多么弱，从光照射阴极到光电子逸出这段时间不超过10^-9s。

2.普朗克常数测定

根据（3）式可知，测量不同频率的光截止电压，寻求频率v与截止电压U₀的线性关系h/e，见图2，从而求得普朗克常数h。

四、实验步骤：

1．测量准备

（1）将测试仪及汞灯电源打开，预热20分钟。——汞灯及光电管的暗箱用遮光罩罩住

（2）调整光电管与汞灯的距离，约为40厘米。并保持不变。

（3）用专用电缆将光电管暗箱电压输入端与测试仪电压输出端连接起来。

（4）将“电流量程”选择开关置于所选档位（截止电压测试为10^-13，伏安特性测试为10^-10）。

（5）调零：将光电管暗箱电流输出端k与测试仪微电流输入端断开，调节电压，使电流表指示为000.0。

（6）确认调零。按“调零确认/系统清零”按钮。

（7）选取“截至电压”测量，“手动”模式。

2．测量截至电压

（1）       撤去光电管入口遮光罩，将2mm的光阑放入光电管入口处；

（2）       撤去汞灯灯罩；

（3）       将波长为365nm的滤波片套在光电管入口处，此时仪表所显示的就是对应波长的光电管电压与电流值；

（4）       轻点“电压调整”周围的“<”和“>”以及“ ”和“ ”来改变电压，观察电流的变化，当电流指示约为“000.0”，此时的电压表指示就是该波长光所对应的截止电压。

（5）       将365nm滤光片依次换成405nm、436nm、546nm、577nm的滤光片，重复3~4步骤。分别记录各自的截止电压。

3．光电管伏安特性测试

（1）       按“系统清零/调零确认”按钮，重复1中步骤（4）~（6）；

（2）       选取“伏安特性”测量，“手动”模式（或“自动”模式）。

（3）       将某一波长的滤光片套在光电管入口处，改变电压，从-1v开始增加，最高电压为50v，分别记录各电压下所对应的光电流。

（4）       将电压为横坐标，光电流为纵坐标，在图中描绘出曲线，即为该波长伏安特性曲线。

注意：在“自动”模式下，系统默认电压范围为“-1.0V~35V”。

硅光电池特性研究

一、实验目的

1、掌握PN结形成原理及其单向导电性等工作机理。

2、了解LED发光二极管的驱动电流和输出光功率的关系。

3、掌握硅光电池的工作原理及负载特性。

二、实验仪器

THKGD-1型硅光电池特性实验仪，函数信号发生器，双踪示波器。

三、实验原理

1、PN结的形成及单向导电性

PN结具有单向导电性。在PN结上加正向电压时，PN结电阻很低，正向电流较大，PN结处于正向导通状态；加反向电压时，PN结电阻很高，反向电流很小，PN结处于截至状态。

2、LED的工作原理

当某些半导体材料形成的PN结加正向电压时,空穴与电子在PN结复合时将产生特定波长的光，发光的波长与半导体材料的能级间隙有关。发光波长可由下式确定：

 

其中为普朗克常数，为光速。在实际的半导体材料中能级间隙有一个宽度，因此发光二极管发出光的波长不是单一的，其发光波长宽度一般在25～40nm左右，随半导体材料的不同而有差别。发光二极管输出光功率与驱动电流的关系由下式确定：

其中中，为发光效率，为光子能量，为电子电荷常数。

3、硅光电池的工作原理

光电转换器件主要是利用物质的光电效应，即当物质在一定频率的照射下，释放出光电子的现象。当光照射金、金属氧化物或半导体材料的表面时，会被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能量足够大，吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而溢出材料表面，这种电子称为光电子，这种现象称为光电子发射，又称为外光电效应。有些物质受到光照射时，其内部原子释放电子，但电子仍留在物体内部，使物体的导电性增强，这种现象称为内光电效应。

4、硅光电池的负载特性

光电池作为电池使用如图4-30-6所示。在内电场作用下，入射光子由于内光电效应把处于介带中的束缚电子激发到导带，而产生光伏电压，在光电池两端加一个负载就会有电流流过，当负载很小时，电流较小而电压较大；当负载很大时，电流较大而电压较小。实验时可改变负载电阻R_L的值来测定硅光电池的伏安特性。

 

硅光电池伏安特性的测定

四、实验步骤

硅光电池特性实验仪框图如上图所示。超高亮度LED在可调电流和调制信号驱动下发出的光照射到光电池表面,功能转换开关可分别打到零偏﹑负偏或负载。

1、硅光电池零偏和负偏时光电流与输入光信号关系特性测定

打开仪器电源，调节发光二极管静态驱动电流，其调节范围为0～20mA（相应于发光强度指示0～2000），将功能转换开关分别打到零偏和负偏，将硅光电池输出端连接到I/V转换模块的输入端，将I/V转换模块的输出端连接到数显电压表头的输入端，分别测定光电池在零偏和负偏时光电流与输入光信号关系。记录数据并在同一张方格纸上作图，比较硅光电池在零偏和负偏时两条曲线关系，求出硅光电池的饱和电流I_s。

2、硅光电池输出接恒定负载时产生的光伏电压与输入光信号关系测定

将功能转换开关打到“负载”处，将硅光电池输出端连接恒定负载电阻（如取10K）和数显电压表，从0～20mA（指示为0～2000）调节发光二极管静态驱动电流，实验测定光电池输出电压随输入光强度变化的关系曲线。

3、硅光电池伏安特性测定

在硅光电池输入光强度不变时（取发光二极管静态驱动电流为15mA），测量当负载从0～100kΩ的范围内变化时，光电池的输出电压随负载电阻变化关系曲线。

4、硅光电池频率响应的测定

将功能转换开关分别打到“零偏”和“负偏”处，将硅光电池的输出连接到I/V转换模块的输入端。令LED偏置电流为10mA（指示为1000），在信号输入端加正弦调制信号，使LED发送调制的光信号，保持输入正弦信号的幅度不变，调节函数信号发生器频率，用示波器观测并记录发送光信号的频率变化时，光电池输出信号幅度的变化，测定光电池在零偏和负偏条件下的幅频特性，并测定其截止频率。将测量结果记录在自制的数据表格中。比较光电池在零偏和负偏条件下的实验结果，分析原因。

第二篇：物理实验报告7_分光计的调节与使用

实验名称：分光计的调节与使用

实验目的：

    a．了解分光计的结构，掌握调节和使用分光计的方法；

b．用分光计测定棱镜顶角及棱镜玻璃的折射率。

实验仪器：

    分光计、钠灯、水银灯及三棱镜等。

   

实验原理和方法：

    光学介质的折射率n可以通过很多方法来测量。本实验采用的是最小偏向角法。

    如下图所示，入射光束由空气中三棱镜的两个棱面AB，AC折射后，传播方向将发生改变。出射光束传播方向和入射光束方向之间的夹角称为偏向角。偏向角的大小随入射光束在AB面上的入射角的变化而变化。可以证明，当入射角和AC面上的出射角相等，即当入射光束和出射光束对称与棱镜顶角的平分面时，偏向角有极小值并有

    式中：n是棱镜材料的折射率；是棱镜主截面内的顶角；是最小偏向角。只要把待测的光学玻璃制成三棱镜，测出棱角和最小偏向角，便可算出折射率n。

    介质折射率n是波长的函数。现在，入射于棱面AB的是水银灯所发出的复色光，它是由波长为579.1nm，577.0nm，546.1nm，491.6nm，435.8nm，407.8nm，404.7nm的光组成的。各个波长的光虽然都有相同的入射角，但是他们的出射角各不相同，也就是说，棱镜只能对于某一波长处于最小偏向位置。测出此波长光束的最小偏向角，就可算出介质对此波长的折射率。续而，我们改变入射角，使得棱镜对另一波长处于最小偏向位置，从而求出对另一波长的折射率。照此下去，分别测出各个波长的最小偏向角，并经计算得出相应的折射率，便可画出折射率n对于波长的关系曲线，即棱镜材料的色散曲线。

    下图为望远镜物镜后焦面上的水银光谱图。每条谱线对应着一个波长，它们都是狭缝对于某一波长的像。

实验内容和步骤：

    a. 按调节分光计的要求调好分光计。

    b. 测三棱镜顶角。

    在分光计已调好，三棱镜主截面垂直于仪器转轴的情况下，可用以下两种方法测量棱镜顶角。

    自准法：如下图a所示点亮旁测小灯，转动刻度盘，先使由棱面AB反射回来的绿“十”字像在分划板准线上部的交叉点，记下两边游标读数、；保持望远镜不动，转动刻度盘连同载物台，使AC面反射绿“十”字像也落在分划板准线上部的交叉点上，记下两游标的读数为和。则顶角

这里，已经消除了偏心差。

    反射法：如上图b所示，自平行光管射出的平行光同时照射在三棱镜的两个棱面AB，AC上，转动望远镜，测定两反射线的传播方向，两个方向之间的夹角是，则

    c. 测定水银谱中波长为579.1nm， 546.1nm，491.6nm，435.8nm， 404.7nm的5条光谱线的最小偏向角。

    我们必须测量棱镜主截面内的最小偏向角，这要求棱角A的棱边与仪器转轴平行，即与已调好的望远镜光轴垂直，这样才能保证棱镜的主截面和刻度盘平行，为了便于调节，先使三棱镜的一个棱面AB垂直平台下面两个调节螺丝和的连线，如下图所示。转动刻度盘连同平台使AB面正对望远镜。调节和螺丝，使在望远镜中看到的由AB面反射回来的叉丝像与叉丝重合，也就是使AB面和望远镜光轴垂直。然后使AC面正对望远镜，单调节螺丝。使AC面反射的叉丝像也和叉丝重合。反复对AB面和AC面校验几次，直至两个面反射的叉丝像都与叉丝重合，这时，三棱镜的主截面已和仪器转轴垂直。在以后的操作中，就不要改变三棱镜的位置了。

    为了测量某一波长的最小偏向角，用水银灯照亮平行光管狭缝，转动刻度盘和载物台，使棱镜处于如下图所示的位置。先用眼沿出射光寻找折射后的狭缝像，找到后再将望远镜移到眼睛所在方位，此时在望远镜中就能看到水银光谱线。然后，稍稍转动刻度盘连同载物台以改变入射角，观察谱线是往偏向角大的方向移动还是往减小的方向移动，并且还要慢慢地转动望远镜，以保证某一波长的谱线不要移出视场。当棱镜转到某一位置时，某一谱线会达到一个转折位置，即棱镜不论向哪个方向转动，该谱线均往偏向角增大的方向移动，这一位置就是偏谱线的最小偏向角位置。将望远镜的叉丝交点定在这一最小偏向角位置上，并借助载物台微调螺旋使棱镜作微小转动以检查叉丝中心是否定在最小偏向角位置上。然后，从两个游标上分别读出描述望远镜位置的刻度，它们标志光束经棱镜偏转后的传播方向。这时，刻度盘不能再出现任何转动了。然后，转动望远镜使它对着直接由平行光管射出的光束，并让望远镜的叉丝中心对准复色广的狭缝像，读出两个游标所指示的刻度，它们标志着入射光束的传播方向。同一个游标上前后两刻度之差就是最小偏向角。从两游标上得到两个最小偏向角值。为消除偏心差，该谱线的最小偏向角应是这两个值的算术平均值。

    依照上述方法，相续测出5条指定谱线的最小偏向角。

参数及数据记录：见附表

思考题：

    1．分光计由哪几部分组成？

       答：分光计由三角底座、望远镜、平行光管、载物台、读数盘五部分组成。

    2．分光计调整的要求是什么？

答：使光管发出平行光，望远镜聚焦于无穷远，同时使平行光管和望远镜的光轴与转轴垂直。

    3．若刻度盘中心与载物台中心不重合，即存在着偏心差，假定载物台从转到，实际转过的角度为，而刻度盘上的读数是，，，，试证明：

证明:

    设: ；

    则由几何关系可知：……（1）

                      ……（2）

    因；

    故有（1）－（2）得：