Observez par exemple ce vieil oscilloscope de démonstration...
 

remarquez le tube, et sa forme caractéristique. On retrouve ce type de tube à vide dans tous les oscilloscopes du lycée (mais sachez tout de même qu'il existe maintenant des oscilloscopes numériques, sans tube à vide, dont l'affichage se fait sur un écran à cristaux liquides).

Le tube à vide est l'élément essentiel de l'oscilloscope. Il est vide d'air, pour ne pas gêner le mouvement des électrons qui vont le traverser. Mais il est rempli de diverses pièces que nous allons énumérer...

À l'arrière du tube se trouve un "canon à électrons" : lorsqu'il est en fonctionnement, il émet un jet d'électrons (appelé aussi "pinceau" d'électrons) dirigé vers l'avant du tube (l'écran, à droite)...

Ce canon est du même type que ceux des téléviseurs : un filament métallique spécial chauffé au rouge laisse échapper des électrons (très agités à cause de la température), et une paire de plaques électrisées sous une forte tension (1000 V par exemple) les arrache au filament (l'anode positive, de signe contraire à celui des électrons est située vers l'écran, la cathode négative est vers l'arrière : l'une attire les électrons, l'autre les repousse. L'anode est percée d'un trou pour laisser passer des électrons.
Le canon des téléviseurs couleur est triple : il faut un pinceau pour chaque couleur de base.
Celui des oscilloscopes est simple, il n'émet qu'un seul pinceau électronique.
à gauche un canon de TV, cassé. Les trous de sortie des électrons.

On fait passer le jet d'électrons entre deux paires de plaques métalliques parallèlles. Lorsqu'on mettra ces plaques sous tension on pourra ainsi dévier le jet dans toutes les directions.

Les plaques verticales, lorsqu'elles sont soumises à une tension, provoquent une déviation horizontale du pinceau d'électrons. Pour obtenir un balayage du spot de gauche à droite de l'écran, on doit placer, aux bornes de ces plaques, une tension en forme de dents de scie, dite tension de balayage.

Si l'on applique une tension alternative sur les plaques horizontales, le faisceau d'électrons subit une déviation verticale qui dépend de l'amplitude de la tension et de son signe, toujours à cause des forces d'attraction et de répulsion électriques entre électrons négatifs et plaques :

Si maintenant on place une tension variable Uv (par exemple sinusoïdale) sur les plaques de déviation verticale en même temps qu'une tension de balayage sur les plaques de déviation horizontale, on obtient une représentation de Uv en fonction du temps.

Pour que la courbe reste en apparence fixe, il faut que le spot revienne au bord gauche de l'écran lorsque la tension Uv a repris la même valeur. Il y a des circuits électroniques dans l'oscilloscope qui sont chargés de réaliser cela ; on peut d'ailleurs agir sur leurs réglages au moyen de boutons externes (boutons marqués "source", "Level", "Holdoff").