媒體演示在基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

林功偉，許 飛

(華東理工大學(xué) 理學(xué)院，上海 200237)

物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，物理學(xué)中概念規(guī)律的得出都有堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)出來(lái)。物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是讓學(xué)生理解和掌握物理規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生觀察能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的抽象內(nèi)容與操作難點(diǎn)，單憑語(yǔ)言和教具很難準(zhǔn)確地表達(dá)出來(lái)，學(xué)生短時(shí)間內(nèi)很難體會(huì)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步及教育改革的發(fā)展，PPT等多種媒體教學(xué)手段已經(jīng)進(jìn)入我們的課堂教學(xué)，恰當(dāng)利用媒體技術(shù)可以取得事半功倍的效果，能夠使得學(xué)生在最短的時(shí)間內(nèi)獲得更多的信息。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中媒體演示應(yīng)用舉例

1.1 數(shù)字示波器演示波的疊加

數(shù)字示波器是設(shè)計(jì)、制造和維修電子設(shè)備不可或缺的工具。隨著科技及市場(chǎng)需求的快速發(fā)展，工程師們需要最好的工具，迅速準(zhǔn)確地解決面臨的測(cè)量挑戰(zhàn)。作為工程師的眼睛，數(shù)字示波器在迎接當(dāng)前棘手的測(cè)量挑戰(zhàn)中至關(guān)重要。數(shù)字示波器因具有波形觸發(fā)、存儲(chǔ)、顯示、測(cè)量、波形數(shù)據(jù)分析處理等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，其使用日益普及。

在簡(jiǎn)諧振動(dòng)的教學(xué)過(guò)程中，利用數(shù)字任意波信號(hào)發(fā)生器和數(shù)字示波器的演示，把相對(duì)抽象、枯燥的物理概念和規(guī)律，通過(guò)數(shù)字示波器的演示，把要研究的物理現(xiàn)象具體、生動(dòng)、清楚地展示在學(xué)生面前。利用數(shù)字任意波信號(hào)發(fā)生器，可以產(chǎn)生任意頻率、振幅和初相位的簡(jiǎn)諧波形，而數(shù)字示波器則可以把這些簡(jiǎn)諧振動(dòng)波形直觀地展示出來(lái)[1]。

在大學(xué)物理及大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，李薩如圖形概念的講解是個(gè)難點(diǎn)。兩個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)軌跡也不穩(wěn)定。如果振動(dòng)頻率相同，則可形成穩(wěn)定的曲線。李薩如圖形[2,3]是兩個(gè)沿著互相垂直方向的正弦振動(dòng)的合成的軌跡。教學(xué)中，借助示波器以及信號(hào)發(fā)生器來(lái)講解李莎茹圖形的概念，便會(huì)生動(dòng)形象，課堂教學(xué)效果會(huì)大大提升。在示波器上的兩個(gè)通道，輸入同頻異相的不同正弦波信號(hào)，適當(dāng)調(diào)節(jié)，就能形成疊加后 的合成信號(hào)-李莎茹圖形，如圖1所示。通過(guò)李莎茹圖形，在已知一組波的相關(guān)數(shù)據(jù)的情況下可以得出另一組波的相關(guān)數(shù)據(jù)，應(yīng)用廣泛。

圖1 示波器直觀展示簡(jiǎn)諧振動(dòng)波形

結(jié)合數(shù)字示波器的數(shù)學(xué)相加功能和顯示模式中的垂直顯示功能，我們可以完美地演示同方向同頻率、同頻率相互垂直以及同方向不同頻率的兩個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成，如圖2所示。

圖2 示波器演示拍的合成

在教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)數(shù)字任意波信號(hào)發(fā)生器與數(shù)字示波器相結(jié)合的演示方法，相同振幅、不同頻率的同方向簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成情況，直觀地展示了拍的形成過(guò)程。利用演示，簡(jiǎn)諧振動(dòng)中的抽象枯燥的物理概念和規(guī)律形象、直觀、清楚地展示在學(xué)生面前，達(dá)到事半功倍的效果。

1.2 分光計(jì)測(cè)量汞燈光譜最小偏向角的演示

分光計(jì)是一種精確測(cè)量角度的光學(xué)儀器，可以用來(lái)測(cè)量三棱鏡的頂角、最小偏向角、光柵的衍射角等，并通過(guò)角度測(cè)量來(lái)測(cè)定其他一些光學(xué)量，如棱鏡玻璃的折射率、光柵常量、光波的波長(zhǎng)等。但分光計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用時(shí)必須嚴(yán)格按照一定的步驟進(jìn)行調(diào)整，才能得到較高精度的測(cè)量結(jié)果。特別是利用最小偏向角測(cè)三棱鏡玻璃折射率時(shí)，學(xué)生很難理解最小偏向角，課堂時(shí)間內(nèi)很難完成最小偏向角的測(cè)量。

圖3 分光計(jì)演示裝置示意圖

光通過(guò)三棱鏡時(shí)，在三棱鏡的兩個(gè)界面上發(fā)生偏折，出射光線相對(duì)于入射光線發(fā)生偏折的角度叫偏向角。偏向角的大小隨入射角改變而變化，有一個(gè)最小值，即最小偏向角。最小偏向角法測(cè)三棱鏡的折射率實(shí)驗(yàn)作為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，對(duì)提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力、加深學(xué)生對(duì)光學(xué)實(shí)驗(yàn)的理解有著重要作用。然而在三棱鏡折射率的測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，剛剛接觸分光計(jì)的同學(xué)難以尋找到最小偏向角的位置[4]。課堂教學(xué)中，借助CCD、電腦和投影裝置實(shí)現(xiàn)媒體演示教學(xué)，取得了不錯(cuò)的效果。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，在分光計(jì)望遠(yuǎn)鏡目鏡上安裝CCD，再通過(guò)電腦連接投影儀，如圖3所示，對(duì)于最小偏向角以及尋找最小偏向角的過(guò)程，可以很好地展示在投影儀上，對(duì)于課堂教學(xué)，至關(guān)重要；實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的抽象內(nèi)容與操作難點(diǎn)得以解決。圖4為分光計(jì)觀察的效果圖。

圖4 演示裝置觀察分光計(jì)效果圖

1.3 磁滯回線實(shí)驗(yàn)退磁過(guò)程的演示

磁性材料應(yīng)用廣泛，從常用的永久磁鐵、變壓器鐵芯到錄音、錄像、計(jì)算機(jī)存貯用的磁帶、磁盤等都采用磁性材料。磁滯回線和基本磁化曲線反映了磁性材料的主要特征[5]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究這些性質(zhì)不僅能掌握用示波器觀察磁滯回線以及基本磁化曲線的基本測(cè)繪方法，而且能從理論和實(shí)際應(yīng)用上加深對(duì)材料磁特性的認(rèn)識(shí)。

目前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中,對(duì)于鐵磁材料磁性的表征,主要有兩種方法,一種是利用示波器觀測(cè)動(dòng)態(tài)磁滯回線[6]，另一種是利用霍爾傳感器對(duì)鐵磁材料中的磁場(chǎng)進(jìn)行直接測(cè)量[7]。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,我們采用霍爾法對(duì)鐵磁材料的磁化曲線和磁滯回線進(jìn)行測(cè)量[8，9]。

當(dāng)材料磁化時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B不僅與當(dāng)時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H有關(guān)，而且與以前的磁化狀態(tài)有關(guān)。如圖5所示，當(dāng)H增加到某一值HS時(shí)，B的增加速度將極其緩慢。和前段曲線相比，可看成B不再增加，即達(dá)到磁飽和。當(dāng)磁性材料磁化后，如H減小，B將不沿原路返回，而是沿另外一條曲線ab下降。這樣，隨H變化形成的閉合曲線稱為磁滯回線。鐵磁材料被磁化后，當(dāng)外磁場(chǎng)強(qiáng)度H減為0后，鐵磁材料還保留磁感應(yīng)強(qiáng)度Br，稱其為鐵磁材料的剩磁。在實(shí)驗(yàn)中，在測(cè)量起始磁化曲線和磁滯回線前，需要進(jìn)行退磁，即磁化曲線測(cè)量前調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流為零,同時(shí)鐵磁材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度也為零。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生很難在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成退磁過(guò)程，對(duì)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)造成了很大的影響。

課堂教學(xué)中，利用電壓和電流傳感器，通過(guò)計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集裝置，把實(shí)驗(yàn)中的難點(diǎn)退磁以及磁滯回線的測(cè)量過(guò)程以圖像化的方式進(jìn)行演示，在幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)的重難點(diǎn)起到了很大的作用。磁滯回線實(shí)驗(yàn)退磁過(guò)程的演示，如圖5所示：將磁滯回線實(shí)驗(yàn)儀勵(lì)磁電流連接到電流傳感器，將霍爾探頭輸出電壓連接到電壓傳感器，再通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀連接到電腦。利用電流電壓傳感器，以及數(shù)據(jù)采集裝置和電腦，就可以將實(shí)驗(yàn)中的難點(diǎn)退磁過(guò)程以圖像化的方式進(jìn)行演示，演示裝置如圖6所示。

圖5 磁滯回線退磁原理

圖6 磁滯回線演示裝置

課堂教學(xué)中，利用電壓和電流傳感器，通過(guò)計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集裝置，把實(shí)驗(yàn)中的難點(diǎn)退磁以及磁滯回線的測(cè)量過(guò)程以圖像化的方式進(jìn)行演示，在幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)的重難點(diǎn)起到了很大的作用。磁滯回線實(shí)驗(yàn)退磁過(guò)程的演示，如圖所示：將磁滯回線實(shí)驗(yàn)儀勵(lì)磁電流連接到電流傳感器，將霍爾探頭輸出電壓連接到電壓傳感器，再通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀連接到電腦。利用電流電壓傳感器，以及數(shù)據(jù)采集裝置和電腦，就可以將實(shí)驗(yàn)中的難點(diǎn)退磁過(guò)程以圖像化的方式進(jìn)行演示，不僅有利于學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)重難點(diǎn)的理解，還大大地提高了教師課堂教學(xué)效果。

2 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的抽象內(nèi)容與操作難點(diǎn)，單憑語(yǔ)言和教具很難準(zhǔn)確地表達(dá)出來(lái)，學(xué)生短時(shí)間內(nèi)很難體會(huì)，恰當(dāng)利用媒體演示技術(shù)可以取得事半功倍的效果，能夠使得學(xué)生在最短的時(shí)間內(nèi)獲得更多的信息。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教學(xué)內(nèi)容的拓展與延伸，借助媒體技術(shù)及信息化系統(tǒng)，有助于拓展學(xué)生的視野，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，提高師生獲取信息的能力。媒體演示技術(shù)實(shí)現(xiàn)了文字、數(shù)字、聲音和圖像的有機(jī)結(jié)合，大大提高了課堂教學(xué)效果，為改進(jìn)課堂教學(xué)展示了光明的前景。