人教版 必修第三册 · 第十章 · 带电粒子在电场中的运动

示波管3D实验台

电子经加速电压 U₁ 加速后,先穿过 YY′ 板(Uy,上下偏转),再穿过 XX′ 板(Ux,左右偏转),最后打在荧光屏上。用下面两行按钮给两组极板加不同波形的电压,观察屏上的图形。

拖动画面旋转,滚轮缩放 F 投屏全屏 H 投屏时显示参数面板 L 辅助线开关 空格 暂停 图形对照表 ↓

偏转图形对照表

横向是加在 XX′ 上的 Ux,纵向是加在 YY′ 上的 Uy,“关”表示该组极板不加电压。每格画的是一个周期内光点走过的轨迹,亮度按光点停留的时间深浅不同。绿框那一格是教材中的标准用法:XX′ 加锯齿形扫描电压,YY′ 加正弦信号,屏上出现一个周期的正弦波形。

看图规律

只加一路电压:一条线或两个点

只有 Ux 时光点在水平线上运动,只有 Uy 时在竖直线上运动。正弦、三角、锯齿都连成一条亮线;方波只取 +A 和 −A 两个值,所以只剩两个亮点。

XX′ 加锯齿波:把 Uy 随时间的变化展开

锯齿电压让光点匀速从左扫到右,水平方向就成了时间轴。只要 Tx = Ty,屏上就是 Uy 一个周期的波形,这就是示波器显示信号波形的原理。

两路波形相同且同相:一条斜线

两路电压时刻成正比,光点满足 Y ∝ X,轨迹是过屏中心的直线。线比 45° 陡,因为同样的电压在竖直方向偏得更多。

方波只留下平台,看不到竖边

方波电压瞬间跳变,光点跳过去时几乎不停留,荧光粉来不及发光。屏上只看到亮点或一段段横线、竖线。

正弦波的两端更亮

正弦电压在峰值附近变化最慢,光点在亮线两端停留最久,所以两端更亮。三角波和锯齿波变化均匀,亮线亮度也均匀。

竖线为什么比横线长

屏上偏移 Y = UL(L/2 + L′)/(2dU₁)。YY′ 板离屏更远(L′ = cm),XX′ 板更近(L′ = cm),所以同样的电压竖直偏 cm,水平只偏 cm。

拓展:周期不相等时

在实验台的参数面板里改周期 Tx、Ty 就能看到这些情况(投屏时按 H 键调出面板)。