现行高中物理教材示波管原理的疏忽及有关建议

黄福松

(武汉市新洲区第四中学 湖北 武汉 430404)

示波管的原理和示波器的操作，历来被中学教学视为两大难题，此前大纲版教材对此也是一筹莫展，于是题海战术普遍存在，但却几乎没有丝毫的收效．师生都花了大量的时间也无济于事，于是怨声、指责声、批评声一片．但都不外乎是对其内容的难度和合理性的质疑．可是,以笔者之见，问题不在于其内容的难度和合理性，而在于教材的安排逻辑顺序和内容的呈现方式以及教师的教学掌控技巧上．

结合笔者的教学实践和理解，谈一点不成熟的看法、做法和建议与同行共商．

1 教材的陈述

现行普通高中课程标准实验教科书《物理·选修3-1)》(以下简称“教材”)第一章静电场第九节“带电粒子在电场中的运动”，陈述“示波管原理”的方式是：在前述例1、例2基础上，给出示波管原理图(如图1)讲述示波管的简单结构；电子枪发射电子的机理；在XX′、YY′之间都没有加电压，电子束打在荧光屏中心．接着通过“思考与讨论”的方式，提出在XX′之间、在YY′之间一组不加电压，另一组加不变电压，电子束受到哪个方向的作用力？电子将打在什么位置？试着在图1(b)中标出来；接着又提出：在XX′之间不加电压，在YY′之间加按图2(a)所示规律变化的电压；在YY′之间仍然加图2(a)所示电压，而在XX′之间加不变电压；在YY′之间仍然加图2(a)所示电压，而在XX′之间加图2(b)所示电压，分别在荧光屏上看到什么图形？并试着作出在荧光屏上放大的图形．这似乎也是在引导学生探究示波管原理．

图1 示波管原理图

图2

但教材按上述方式呈现，无法让学生理解示波管原理．

2 教材编写者的疏忽

教材的落脚点还是最后在YY′之间加图2(a)所示正弦波形电压，而在XX′之间加图2(b)所示电压(实际上是图3中的锯齿形电压)，不说学生分析不出正弦波形图，就是用有关仪器(示波器)实验得到正弦波形图，他们也无法理解其缘由．在此之前的大纲版教材已经证实了这一点．

图3 锯齿形电压

这里造成学生理解障碍有如下几个方面的原因．

(1)教材设计前后逻辑体系颠倒造成障碍

学生要正确理解此正弦波形图，在他们还没学习振动和波的知识之前是难以做到的．而振动和波的知识要到对应《教材3-4》中才学到．

(2)教材的分析粗糙造成的障碍

教材最后只是说：“示波管的YY′偏转电极上加的是待显示的信号电压．这个电压是周期性的，XX′偏转电极通常接入仪器自身的锯齿形电压(图3)，叫做扫描电压．如果信号电压是周期性的，并且扫描电压与信号电压的周期相同，就可以在荧光屏上得到待测信号在一个周期内随时间变化的稳定图像了”

以上陈述，即使学生用示波器实验做出了正弦波形图，他们还是不能理解．学生不禁要问：为什么扫描电压与信号电压的周期相同，就可以在荧光屏上得到信号在一个周期内随时间变化的稳定图像？信号电压和扫描电压各起什么作用？为什么只在YY′之间加图2(a)所示信号电压，在XX′之间不加电压得不到正弦波形图呢？

其实，在此之前的大纲版教材正是这样安排教学的，学生都难以理解，更何况教材逻辑体系有些颠倒，学生就更困难了．

3 教材章节逻辑顺序调整建议

方案一：选修3重新按如下排列.

3-1动量守恒定律、机械振动、机械波

3-2静电场、恒定电流、磁场

3-3电磁感应、交变电流、传感器

3-4光、波粒二象性、电磁波、相对论简介、原子结构、原子核

3-5分子动理论、气体、固体、液体和物态变化、热力学定律

这样，学生的学习过程中必备的旧知识准备就较为充分，前后的逻辑较为连贯，有助于构建学生的知识体系和认知体系．

方案二：选修3部分调整

将“示波管(器)”单列一节并放入“传感器”一章后面，而新的“传感器”一章放在现行《教材3-4》“电磁波”一章之后．这样，至少学生对示波管原理的理解也就有了基础了．

4 教学处理建议

或许马上有人说，方案一的体系就有点像前一版大纲教材了．可大纲教材教学中学生还是理解不了示波管(器)了，学生对示波管原理、示波器的操作，仍然是云里雾里．结合笔者的教学实践和理解，谈一谈有关处理的做法和建议．

(1)教师灵活处理教材

在现有教材体系下，教师教学中可将“示波管”一段教材单列出专题放在《物理·选修3-4》电磁波一章之后．

(2)示波管原理的教学处理方案

先基本按《物理·选修3-1》方式呈现，但在“思考与讨论”中可改成学生实验(由于篇幅所限，有关学生实验细节请参看以前人教大纲版对应高中物理教材有关部分)．

5 示波管原理

屏上正弦波形图是示波管内电子枪发射出的电子在竖直放置的水平方向偏转极板XX′和水平放置的竖直方向偏转极板YY′(如图1)共同作用下打在屏上发光的结果．

设开始调节时亮斑在屏上正中央．电子枪连续不断地发射的电子，好比机枪里连续不断地发射的子弹，电子(相当于“子弹”)在XX′和YY′两组极板电压作用下同时参与水平方向和竖直方向的运动：

水平方向：极板XX′所加电压为图2(b)所示电压(实际上为图3扫描电压)；竖直方向：极板YY′所加电压为图2(b)所示电压；此二图中O，A，B，C，t1，D，E，F，t2各点(相邻两点之间的距离相等)对应的时刻分别记为t0，tA，tB，…，t2，以此二图为例，作出各个时刻射入电场区的电子在屏上的波形图(也即极板XX′所加电压为图3扫描电压；极板YY′所加电压为图2(a)所示电压，屏上得到的波形图)如图4所示．

图4 屏上显示的波形

以此类推，t0，tA，tB，tC，各时刻进入电场区的电子，x方向运动位移为负值，y方向上运动位移为正值；tD，tE，tF，t2各时刻进入电场区的电子，y方向运动位移为正值，y方向上运动位移为负值．t0，tA，tB，tC，t1，tD，tE，tF，t2各时刻进入电场区的电子分别打在图4中的O，A′，B′，C′，t1′，D′，E′，F′，t2′各点上．其实，全过程中每个时刻进入电场区的电子都类似于他们分别参与水平与竖直两个分方向的运动，都能打在屏上相应的点，组成屏上的正弦波形图．

在图2(b)中分别过A，B，C，D，E，F，t各点作t轴的垂线分别交电压(斜)线于H，I，J，K，L，M，N，电压线与Ux轴交点为G．对图2(b)及图4，由几何关系可证：

t1G∶t1H∶t1I∶t1J=t1O∶t1A∶t1B∶t1C

而

所以图4中A′，B′，C′，D′，E′，F′各点在x轴上投影(含交点)O，A″，B″，C″，t1′，D″，E″，F″，t2′等各点每相邻两点之间的距离是相等的．所以，此“波”为规则的正弦波形了，就像正弦波水平方向匀速传播，竖直方向“质点”按正弦规律振动．

这样，学生不但对示波管的原理有一个十分清晰的理解，而且对示波器的操作也能熟练掌握．

值得一提的是，此前人教大纲版教材示波器的操作曾经受到过一些指责和批评．当然，当时受教材、教学设备和师资等方面的限制，教学中的确有些困难，但该仪器的操作还是很有必要且实际教学也是可行的，那就要看教材如何安排和呈现，教师如何掌控了．只要能够做到切合学生的认知实际就行，只是事在人为罢了．

参考文献

1 人民教育出版社课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.高中物理课程标准实验教科书《物理·选修3-1》.北京：人民教育出版社，2006