現行高中物理教材示波管原理的疏忽及有關建議

黃福松

(武漢市新洲區第四中學 湖北 武漢 430404)

示波管的原理和示波器的操作，歷來被中學教學視為兩大難題，此前大綱版教材對此也是一籌莫展，于是題海戰術普遍存在，但卻幾乎沒有絲毫的收效．師生都花了大量的時間也無濟于事，于是怨聲、指責聲、批評聲一片．但都不外乎是對其內容的難度和合理性的質疑．可是,以筆者之見，問題不在于其內容的難度和合理性，而在于教材的安排邏輯順序和內容的呈現方式以及教師的教學掌控技巧上．

結合筆者的教學實踐和理解，談一點不成熟的看法、做法和建議與同行共商．

1 教材的陳述

現行普通高中課程標準實驗教科書《物理·選修3-1)》(以下簡稱“教材”)第一章靜電場第九節“帶電粒子在電場中的運動”，陳述“示波管原理”的方式是：在前述例1、例2基礎上，給出示波管原理圖(如圖1)講述示波管的簡單結構；電子槍發射電子的機理；在XX′、YY′之間都沒有加電壓，電子束打在熒光屏中心．接著通過“思考與討論”的方式，提出在XX′之間、在YY′之間一組不加電壓，另一組加不變電壓，電子束受到哪個方向的作用力？電子將打在什么位置？試著在圖1(b)中標出來；接著又提出：在XX′之間不加電壓，在YY′之間加按圖2(a)所示規律變化的電壓；在YY′之間仍然加圖2(a)所示電壓，而在XX′之間加不變電壓；在YY′之間仍然加圖2(a)所示電壓，而在XX′之間加圖2(b)所示電壓，分別在熒光屏上看到什么圖形？并試著作出在熒光屏上放大的圖形．這似乎也是在引導學生探究示波管原理．

圖1 示波管原理圖

圖2

但教材按上述方式呈現，無法讓學生理解示波管原理．

2 教材編寫者的疏忽

教材的落腳點還是最后在YY′之間加圖2(a)所示正弦波形電壓，而在XX′之間加圖2(b)所示電壓(實際上是圖3中的鋸齒形電壓)，不說學生分析不出正弦波形圖，就是用有關儀器(示波器)實驗得到正弦波形圖，他們也無法理解其緣由．在此之前的大綱版教材已經證實了這一點．

圖3 鋸齒形電壓

這里造成學生理解障礙有如下幾個方面的原因．

(1)教材設計前后邏輯體系顛倒造成障礙

學生要正確理解此正弦波形圖，在他們還沒學習振動和波的知識之前是難以做到的．而振動和波的知識要到對應《教材3-4》中才學到．

(2)教材的分析粗糙造成的障礙

教材最后只是說：“示波管的YY′偏轉電極上加的是待顯示的信號電壓．這個電壓是周期性的，XX′偏轉電極通常接入儀器自身的鋸齒形電壓(圖3)，叫做掃描電壓．如果信號電壓是周期性的，并且掃描電壓與信號電壓的周期相同，就可以在熒光屏上得到待測信號在一個周期內隨時間變化的穩定圖像了”

以上陳述，即使學生用示波器實驗做出了正弦波形圖，他們還是不能理解．學生不禁要問：為什么掃描電壓與信號電壓的周期相同，就可以在熒光屏上得到信號在一個周期內隨時間變化的穩定圖像？信號電壓和掃描電壓各起什么作用？為什么只在YY′之間加圖2(a)所示信號電壓，在XX′之間不加電壓得不到正弦波形圖呢？

其實，在此之前的大綱版教材正是這樣安排教學的，學生都難以理解，更何況教材邏輯體系有些顛倒，學生就更困難了．

3 教材章節邏輯順序調整建議

方案一：選修3重新按如下排列.

3-1動量守恒定律、機械振動、機械波

3-2靜電場、恒定電流、磁場

3-3電磁感應、交變電流、傳感器

3-4光、波粒二象性、電磁波、相對論簡介、原子結構、原子核

3-5分子動理論、氣體、固體、液體和物態變化、熱力學定律

這樣，學生的學習過程中必備的舊知識準備就較為充分，前后的邏輯較為連貫，有助于構建學生的知識體系和認知體系．

方案二：選修3部分調整

將“示波管(器)”單列一節并放入“傳感器”一章后面，而新的“傳感器”一章放在現行《教材3-4》“電磁波”一章之后．這樣，至少學生對示波管原理的理解也就有了基礎了．

4 教學處理建議

或許馬上有人說，方案一的體系就有點像前一版大綱教材了．可大綱教材教學中學生還是理解不了示波管(器)了，學生對示波管原理、示波器的操作，仍然是云里霧里．結合筆者的教學實踐和理解，談一談有關處理的做法和建議．

(1)教師靈活處理教材

在現有教材體系下，教師教學中可將“示波管”一段教材單列出專題放在《物理·選修3-4》電磁波一章之后．

(2)示波管原理的教學處理方案

先基本按《物理·選修3-1》方式呈現，但在“思考與討論”中可改成學生實驗(由于篇幅所限，有關學生實驗細節請參看以前人教大綱版對應高中物理教材有關部分)．

5 示波管原理

屏上正弦波形圖是示波管內電子槍發射出的電子在豎直放置的水平方向偏轉極板XX′和水平放置的豎直方向偏轉極板YY′(如圖1)共同作用下打在屏上發光的結果．

設開始調節時亮斑在屏上正中央．電子槍連續不斷地發射的電子，好比機槍里連續不斷地發射的子彈，電子(相當于“子彈”)在XX′和YY′兩組極板電壓作用下同時參與水平方向和豎直方向的運動：

水平方向：極板XX′所加電壓為圖2(b)所示電壓(實際上為圖3掃描電壓)；豎直方向：極板YY′所加電壓為圖2(b)所示電壓；此二圖中O，A，B，C，t1，D，E，F，t2各點(相鄰兩點之間的距離相等)對應的時刻分別記為t0，tA，tB，…，t2，以此二圖為例，作出各個時刻射入電場區的電子在屏上的波形圖(也即極板XX′所加電壓為圖3掃描電壓；極板YY′所加電壓為圖2(a)所示電壓，屏上得到的波形圖)如圖4所示．

圖4 屏上顯示的波形

以此類推，t0，tA，tB，tC，各時刻進入電場區的電子，x方向運動位移為負值，y方向上運動位移為正值；tD，tE，tF，t2各時刻進入電場區的電子，y方向運動位移為正值，y方向上運動位移為負值．t0，tA，tB，tC，t1，tD，tE，tF，t2各時刻進入電場區的電子分別打在圖4中的O，A′，B′，C′，t1′，D′，E′，F′，t2′各點上．其實，全過程中每個時刻進入電場區的電子都類似于他們分別參與水平與豎直兩個分方向的運動，都能打在屏上相應的點，組成屏上的正弦波形圖．

在圖2(b)中分別過A，B，C，D，E，F，t各點作t軸的垂線分別交電壓(斜)線于H，I，J，K，L，M，N，電壓線與Ux軸交點為G．對圖2(b)及圖4，由幾何關系可證：

t1G∶t1H∶t1I∶t1J=t1O∶t1A∶t1B∶t1C

而

所以圖4中A′，B′，C′，D′，E′，F′各點在x軸上投影(含交點)O，A″，B″，C″，t1′，D″，E″，F″，t2′等各點每相鄰兩點之間的距離是相等的．所以，此“波”為規則的正弦波形了，就像正弦波水平方向勻速傳播，豎直方向“質點”按正弦規律振動．

這樣，學生不但對示波管的原理有一個十分清晰的理解，而且對示波器的操作也能熟練掌握．

值得一提的是，此前人教大綱版教材示波器的操作曾經受到過一些指責和批評．當然，當時受教材、教學設備和師資等方面的限制，教學中的確有些困難，但該儀器的操作還是很有必要且實際教學也是可行的，那就要看教材如何安排和呈現，教師如何掌控了．只要能夠做到切合學生的認知實際就行，只是事在人為罷了．

參考文獻

1 人民教育出版社課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.高中物理課程標準實驗教科書《物理·選修3-1》.北京：人民教育出版社，2006