媒体演示在基础物理实验教学中的应用

林功伟，许 飞

(华东理工大学 理学院，上海 200237)

物理学是一门实验科学，物理学中概念规律的得出都有坚实的实验基础，在实验的基础上总结出来。物理实验教学的目的是让学生理解和掌握物理规律，培养学生观察能力、实践能力和创新能力。实验教学中的抽象内容与操作难点，单凭语言和教具很难准确地表达出来，学生短时间内很难体会，随着科学技术的进步及教育改革的发展，PPT等多种媒体教学手段已经进入我们的课堂教学，恰当利用媒体技术可以取得事半功倍的效果，能够使得学生在最短的时间内获得更多的信息。

1 实验教学中媒体演示应用举例

1.1 数字示波器演示波的叠加

数字示波器是设计、制造和维修电子设备不可或缺的工具。随着科技及市场需求的快速发展，工程师们需要最好的工具，迅速准确地解决面临的测量挑战。作为工程师的眼睛，数字示波器在迎接当前棘手的测量挑战中至关重要。数字示波器因具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析处理等独特优点，其使用日益普及。

在简谐振动的教学过程中，利用数字任意波信号发生器和数字示波器的演示，把相对抽象、枯燥的物理概念和规律，通过数字示波器的演示，把要研究的物理现象具体、生动、清楚地展示在学生面前。利用数字任意波信号发生器，可以产生任意频率、振幅和初相位的简谐波形，而数字示波器则可以把这些简谐振动波形直观地展示出来[1]。

在大学物理及大学物理实验教学中，李萨如图形概念的讲解是个难点。两个简谐振动的合成运动比较复杂，运动轨迹也不稳定。如果振动频率相同，则可形成稳定的曲线。李萨如图形[2,3]是两个沿着互相垂直方向的正弦振动的合成的轨迹。教学中，借助示波器以及信号发生器来讲解李莎茹图形的概念，便会生动形象，课堂教学效果会大大提升。在示波器上的两个通道，输入同频异相的不同正弦波信号，适当调节，就能形成叠加后 的合成信号-李莎茹图形，如图1所示。通过李莎茹图形，在已知一组波的相关数据的情况下可以得出另一组波的相关数据，应用广泛。

图1 示波器直观展示简谐振动波形

结合数字示波器的数学相加功能和显示模式中的垂直显示功能，我们可以完美地演示同方向同频率、同频率相互垂直以及同方向不同频率的两个简谐振动的合成，如图2所示。

图2 示波器演示拍的合成

在教学过程中，通过数字任意波信号发生器与数字示波器相结合的演示方法，相同振幅、不同频率的同方向简谐振动的合成情况，直观地展示了拍的形成过程。利用演示，简谐振动中的抽象枯燥的物理概念和规律形象、直观、清楚地展示在学生面前，达到事半功倍的效果。

1.2 分光计测量汞灯光谱最小偏向角的演示

分光计是一种精确测量角度的光学仪器，可以用来测量三棱镜的顶角、最小偏向角、光栅的衍射角等，并通过角度测量来测定其他一些光学量，如棱镜玻璃的折射率、光栅常量、光波的波长等。但分光计结构复杂，使用时必须严格按照一定的步骤进行调整，才能得到较高精度的测量结果。特别是利用最小偏向角测三棱镜玻璃折射率时，学生很难理解最小偏向角，课堂时间内很难完成最小偏向角的测量。

图3 分光计演示装置示意图

光通过三棱镜时，在三棱镜的两个界面上发生偏折，出射光线相对于入射光线发生偏折的角度叫偏向角。偏向角的大小随入射角改变而变化，有一个最小值，即最小偏向角。最小偏向角法测三棱镜的折射率实验作为大学物理实验的重要组成部分，对提高学生的动手操作能力、加深学生对光学实验的理解有着重要作用。然而在三棱镜折射率的测量实验教学中发现，刚刚接触分光计的同学难以寻找到最小偏向角的位置[4]。课堂教学中，借助CCD、电脑和投影装置实现媒体演示教学，取得了不错的效果。实验教学中，在分光计望远镜目镜上安装CCD，再通过电脑连接投影仪，如图3所示，对于最小偏向角以及寻找最小偏向角的过程，可以很好地展示在投影仪上，对于课堂教学，至关重要；实验教学中的抽象内容与操作难点得以解决。图4为分光计观察的效果图。

图4 演示装置观察分光计效果图

1.3 磁滞回线实验退磁过程的演示

磁性材料应用广泛，从常用的永久磁铁、变压器铁芯到录音、录像、计算机存贮用的磁带、磁盘等都采用磁性材料。磁滞回线和基本磁化曲线反映了磁性材料的主要特征[5]。通过实验研究这些性质不仅能掌握用示波器观察磁滞回线以及基本磁化曲线的基本测绘方法，而且能从理论和实际应用上加深对材料磁特性的认识。

目前大学物理实验课程中,对于铁磁材料磁性的表征,主要有两种方法,一种是利用示波器观测动态磁滞回线[6]，另一种是利用霍尔传感器对铁磁材料中的磁场进行直接测量[7]。在大学物理实验教学中,我们采用霍尔法对铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线进行测量[8，9]。

当材料磁化时，磁感应强度B不仅与当时的磁场强度H有关，而且与以前的磁化状态有关。如图5所示，当H增加到某一值HS时，B的增加速度将极其缓慢。和前段曲线相比，可看成B不再增加，即达到磁饱和。当磁性材料磁化后，如H减小，B将不沿原路返回，而是沿另外一条曲线ab下降。这样，随H变化形成的闭合曲线称为磁滞回线。铁磁材料被磁化后，当外磁场强度H减为0后，铁磁材料还保留磁感应强度Br，称其为铁磁材料的剩磁。在实验中，在测量起始磁化曲线和磁滞回线前，需要进行退磁，即磁化曲线测量前调节励磁电流为零,同时铁磁材料的磁感应强度也为零。在实际实验教学中，我们发现学生很难在规定的时间内完成退磁过程，对实验课堂教学造成了很大的影响。

课堂教学中，利用电压和电流传感器，通过计算机和数据采集装置，把实验中的难点退磁以及磁滞回线的测量过程以图像化的方式进行演示，在帮助学生理解实验的重难点起到了很大的作用。磁滞回线实验退磁过程的演示，如图5所示：将磁滞回线实验仪励磁电流连接到电流传感器，将霍尔探头输出电压连接到电压传感器，再通过数据采集仪连接到电脑。利用电流电压传感器，以及数据采集装置和电脑，就可以将实验中的难点退磁过程以图像化的方式进行演示，演示装置如图6所示。

图5 磁滞回线退磁原理

图6 磁滞回线演示装置

课堂教学中，利用电压和电流传感器，通过计算机和数据采集装置，把实验中的难点退磁以及磁滞回线的测量过程以图像化的方式进行演示，在帮助学生理解实验的重难点起到了很大的作用。磁滞回线实验退磁过程的演示，如图所示：将磁滞回线实验仪励磁电流连接到电流传感器，将霍尔探头输出电压连接到电压传感器，再通过数据采集仪连接到电脑。利用电流电压传感器，以及数据采集装置和电脑，就可以将实验中的难点退磁过程以图像化的方式进行演示，不仅有利于学生对于实验重难点的理解，还大大地提高了教师课堂教学效果。

2 结 语

实验教学中的抽象内容与操作难点，单凭语言和教具很难准确地表达出来，学生短时间内很难体会，恰当利用媒体演示技术可以取得事半功倍的效果，能够使得学生在最短的时间内获得更多的信息。实验教学中教学内容的拓展与延伸，借助媒体技术及信息化系统，有助于拓展学生的视野，提高学生发现问题的能力，培养学生的创造性思维，提高师生获取信息的能力。媒体演示技术实现了文字、数字、声音和图像的有机结合，大大提高了课堂教学效果，为改进课堂教学展示了光明的前景。