示波器在物理教學(xué)中的一物多用①

于 淼

(江蘇省高郵第一中學(xué)，江蘇 揚州 225600)

1 引言

為了充分發(fā)揮現(xiàn)有實驗器材的作用，很多教師都會一物多用，即利用同一個實驗器材設(shè)計不同的物理實驗，在減少實驗費用的同時，還可以更好地服務(wù)于教學(xué)。利用示波器可以很方便地讀出電壓的大小，如果將示波器運用到電學(xué)實驗中可以帶來很好的教學(xué)效果。筆者結(jié)合教學(xué)實際，設(shè)計了3個利用示波器的小實驗，供各位同行參考。

2 利用示波器的創(chuàng)新實驗

2.1 研究正弦交流電的峰值與有效值

實驗原理：利用電流的熱效應(yīng)研究交流電的峰值與有效值，讓交流電和直流電分別通過同一電阻(小燈泡)，如果在相同的時間內(nèi)兩者產(chǎn)生的熱量相等，則該直流電的電壓值就是交流電電壓的有效值。

實驗器材：示波器、光強計、小燈泡、低壓電源、數(shù)字電壓表、滑動變阻器等。

儀器簡介：如圖1所示，將小燈泡、示波器、光強計、滑動變阻器、數(shù)字電壓表、開關(guān)、導(dǎo)線固定在木板上，形成兩條電路，當(dāng)小燈泡接正弦交流電源時，用示波器可以顯示波形，還可以讀出交流電的峰值Um，當(dāng)小燈泡接直流電源時用數(shù)字電壓表讀出小燈泡上的電壓(有效值U)。當(dāng)小燈泡發(fā)光時，用光強計讀出小燈泡發(fā)光的光強值，若接兩種電源時光強值相同，就可以認(rèn)為小燈泡產(chǎn)生的熱效應(yīng)是相同的，就可以研究正弦交流電峰值與有效值的關(guān)系。

圖1

實驗過程：(1) 當(dāng)小燈泡接正弦交流電源時，調(diào)節(jié)滑動變阻器，選擇較小的電壓使小燈泡發(fā)光，用示波器讀出小燈泡兩端的電壓峰值Um，并讀出光強計的數(shù)值，再調(diào)節(jié)滑動變阻器，改變交流電的電壓，讀出對應(yīng)的電壓和光強計的數(shù)值，記錄在表1中；

(2) 當(dāng)小燈泡接直流電源時，調(diào)節(jié)滑動變阻器，使光強計的數(shù)值等于接正弦交流電源時的數(shù)值，用數(shù)字電壓表測出小燈泡兩端的電壓(有效值U)，記錄在表1中；

表1

(3) 以有效值U為橫坐標(biāo)，峰值Um為縱坐標(biāo)，利用Excel描點畫圖(如圖2)。

圖2

2.2 研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象

實驗器材：示波器、多匝矩形線圈、U型磁鐵、多匝圓形線圈、圓柱形強磁鐵。

實驗過程：(1) 如圖3所示，將示波器與多匝矩形線圈相連，把U型磁鐵放在桌面上，讓線圈的一部分切割磁感線。圖4是線圈由U型磁鐵外部向內(nèi)部運動時產(chǎn)生的波形圖。如果線圈在U型磁鐵內(nèi)部由N極向下運動到S極(即沿著磁感應(yīng)線運動)，發(fā)現(xiàn)不產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。

圖3

圖4

(2) 如圖5所示，將示波器與多匝圓形線圈相連，把多匝圓形線圈放在桌面上，讓強磁鐵的磁極快速地插入或拔出線圈，圖6是磁鐵插入線圈時產(chǎn)生的波形圖。

圖5

圖6

實驗結(jié)論：(1) 該實驗探究的是閉合回路中部分導(dǎo)體在切割磁感應(yīng)線時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，表明導(dǎo)體切割的方向不同或磁場方向不同時，感應(yīng)電動勢的方向是不同的。線圈沿著磁感應(yīng)線方向運動也就是不切割磁感應(yīng)線時，此時不產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。(2) 該實驗探究的是閉合線圈中磁通量發(fā)生改變時能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。實驗說明使磁鐵的同一磁極插入和拔出時感應(yīng)電動勢的方向是不同的，不同磁極插入(或拔出)時感應(yīng)電動勢的方向也是不同的。只有當(dāng)線圈中的磁通量發(fā)生改變時才能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這就是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的條件，閉合回路中部分導(dǎo)體切割磁感線是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的特例，其實質(zhì)也是閉合回路中的磁通量發(fā)生改變。

2.3 研究導(dǎo)體切割磁感線時的電動勢

實驗器材：旋轉(zhuǎn)平臺(所用電機是步進(jìn)電機，可以定速旋轉(zhuǎn))、示波器、多匝線圈(接不同的接線柱可以改變匝數(shù))、圓柱形強磁鐵。

儀器簡介：如圖7所示，將強磁鐵固定在旋轉(zhuǎn)平臺上，再將示波器與多匝圓形線圈相連，然后把線圈固定在靠近強磁鐵處。平臺旋轉(zhuǎn)后通過示波器可得到感應(yīng)電動勢的波形，可以讀出感應(yīng)電動勢的大小。改變轉(zhuǎn)速n可以改變切割速度v(v=2πnr)，改變接入線圈的匝數(shù)可以改變導(dǎo)線的長度，從而得到不同的感應(yīng)電動勢。

圖7

實驗過程：(1) 探究感應(yīng)電動勢E與切割速度v的關(guān)系。保持磁鐵和導(dǎo)線長度L(線圈匝數(shù)120匝)不變，讓旋轉(zhuǎn)平臺分別以150r/min、200r/min、250r/min、300r/min旋轉(zhuǎn)(切割速度之比為3∶4∶5∶6)，將示波器的讀數(shù)記錄在表2中。以轉(zhuǎn)速n為橫坐標(biāo)，E為縱坐標(biāo)通過Excel描點畫圖，可得到圖8。

表2

圖8

(2) 探究感應(yīng)電動勢E與導(dǎo)線長度L的關(guān)系。保持旋轉(zhuǎn)平臺的轉(zhuǎn)速不變(240r/min)即切割速度不變，改變接入線圈的匝數(shù)以改變導(dǎo)線長度，將示波器的讀數(shù)記錄在表3中。以線圈匝數(shù)N為橫坐標(biāo)、E為縱坐標(biāo)，通過Excel描點作圖，得到圖9。

表3

實驗結(jié)論：(1) 由圖8可得：保持磁鐵和線圈匝數(shù)(長度L)不變時，感應(yīng)電動勢E與切割速度v成正比。(2) 由圖9可得：保持磁鐵和切割速度不變，感應(yīng)電動勢E與匝數(shù)(導(dǎo)線長度L)成正比。由此可得E∝Lv，寫成等式E=BLv，B是系數(shù)，與磁場有關(guān)。

圖9

3 結(jié)語

將示波器設(shè)計的三個創(chuàng)新實驗應(yīng)用于教學(xué)，實驗效果明顯，取得了較好的教學(xué)效果，可幫助學(xué)生更好地理解相關(guān)知識點。