林功偉，許 飛

(華東理工大學(xué) 理學(xué)院，上海 200237)

物理學(xué)是一門實驗科學(xué)，物理學(xué)中概念規(guī)律的得出都有堅實的實驗基礎(chǔ)，在實驗的基礎(chǔ)上總結(jié)出來。物理實驗教學(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、實踐能力和創(chuàng)新能力。實驗教學(xué)中的抽象內(nèi)容與操作難點，單憑語言和教具很難準(zhǔn)確地表達(dá)出來，學(xué)生短時間內(nèi)很難體會，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)生在最短的時間內(nèi)獲得更多的信息。

1 實驗教學(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、制造和維修電子設(shè)備不可或缺的工具。隨著科技及市場需求的快速發(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、顯示、測量、波形數(shù)據(jù)分析處理等獨特優(yōu)點，其使用日益普及。

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

在大學(xué)物理及大學(xué)物理實驗教學(xué)中，李薩如圖形概念的講解是個難點。兩個簡諧振動的合成運(yùn)動比較復(fù)雜，運(yùn)動軌跡也不穩(wěn)定。如果振動頻率相同，則可形成穩(wěn)定的曲線。李薩如圖形[2,3]是兩個沿著互相垂直方向的正弦振動的合成的軌跡。教學(xué)中，借助示波器以及信號發(fā)生器來講解李莎茹圖形的概念，便會生動形象，課堂教學(xué)效果會大大提升。在示波器上的兩個通道，輸入同頻異相的不同正弦波信號，適當(dāng)調(diào)節(jié)，就能形成疊加后 的合成信號-李莎茹圖形，如圖1所示。通過李莎茹圖形，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 示波器直觀展示簡諧振動波形

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簡諧振動的合成，如圖2所示。

圖2 示波器演示拍的合成

在教學(xué)過程中，通過數(shù)字任意波信號發(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諧振動的合成情況，直觀地展示了拍的形成過程。利用演示，簡諧振動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 分光計測量汞燈光譜最小偏向角的演示

分光計是一種精確測量角度的光學(xué)儀器，可以用來測量三棱鏡的頂角、最小偏向角、光柵的衍射角等，并通過角度測量來測定其他一些光學(xué)量，如棱鏡玻璃的折射率、光柵常量、光波的波長等。但分光計結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用時必須嚴(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量結(jié)果。特別是利用最小偏向角測三棱鏡玻璃折射率時，學(xué)生很難理解最小偏向角，課堂時間內(nèi)很難完成最小偏向角的測量。

圖3 分光計演示裝置示意圖

光通過三棱鏡時，在三棱鏡的兩個界面上發(fā)生偏折，出射光線相對于入射光線發(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，有一個最小值，即最小偏向角。最小偏向角法測三棱鏡的折射率實驗作為大學(xué)物理實驗的重要組成部分，對提高學(xué)生的動手操作能力、加深學(xué)生對光學(xué)實驗的理解有著重要作用。然而在三棱鏡折射率的測量實驗教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，剛剛接觸分光計的同學(xué)難以尋找到最小偏向角的位置[4]。課堂教學(xué)中，借助CCD、電腦和投影裝置實現(xiàn)媒體演示教學(xué)，取得了不錯的效果。實驗教學(xué)中，在分光計望遠(yuǎn)鏡目鏡上安裝CCD，再通過電腦連接投影儀，如圖3所示，對于最小偏向角以及尋找最小偏向角的過程，可以很好地展示在投影儀上，對于課堂教學(xué)，至關(guān)重要；實驗教學(xué)中的抽象內(nèi)容與操作難點得以解決。圖4為分光計觀察的效果圖。

圖4 演示裝置觀察分光計效果圖

1.3 磁滯回線實驗退磁過程的演示

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]。通過實驗研究這些性質(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繪方法，而且能從理論和實際應(yīng)用上加深對材料磁特性的認(rèn)識。

目前大學(xué)物理實驗課程中,對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動態(tài)磁滯回線[6]，另一種是利用霍爾傳感器對鐵磁材料中的磁場進(jìn)行直接測量[7]。在大學(xué)物理實驗教學(xué)中,我們采用霍爾法對鐵磁材料的磁化曲線和磁滯回線進(jìn)行測量[8，9]。

當(dāng)材料磁化時，磁感應(yīng)強(qiáng)度B不僅與當(dāng)時的磁場強(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，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。在實驗中，在測量起始磁化曲線和磁滯回線前，需要進(jìn)行退磁，即磁化曲線測量前調(diào)節(jié)勵磁電流為零,同時鐵磁材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度也為零。在實際實驗教學(xué)中，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生很難在規(guī)定的時間內(nèi)完成退磁過程，對實驗課堂教學(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，通過計算機(jī)和數(shù)據(jù)采集裝置，把實驗中的難點退磁以及磁滯回線的測量過程以圖像化的方式進(jìn)行演示，在幫助學(xué)生理解實驗的重難點起到了很大的作用。磁滯回線實驗退磁過程的演示，如圖5所示：將磁滯回線實驗儀勵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，就可以將實驗中的難點退磁過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，通過計算機(jī)和數(shù)據(jù)采集裝置，把實驗中的難點退磁以及磁滯回線的測量過程以圖像化的方式進(jìn)行演示，在幫助學(xué)生理解實驗的重難點起到了很大的作用。磁滯回線實驗退磁過程的演示，如圖所示：將磁滯回線實驗儀勵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，就可以將實驗中的難點退磁過程以圖像化的方式進(jìn)行演示，不僅有利于學(xué)生對于實驗重難點的理解，還大大地提高了教師課堂教學(xué)效果。

2 結(jié) 語

實驗教學(xué)中的抽象內(nèi)容與操作難點，單憑語言和教具很難準(zhǔn)確地表達(dá)出來，學(xué)生短時間內(nèi)很難體會，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)生在最短的時間內(nèi)獲得更多的信息。實驗教學(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。