綜合性實(shí)驗(yàn)的拓展與延伸

綜合性實(shí)驗(yàn)的拓展與延伸

綜合實(shí)驗(yàn)是指由多個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)組成的實(shí)驗(yàn)，這些任務(wù)最終通過一系列程序獲得特定結(jié)果。該類實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)多知識點(diǎn)或多學(xué)科的整合。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)側(cè)重于驗(yàn)證某一定律、某一結(jié)論的基本操作和訓(xùn)練。顯然綜合性實(shí)驗(yàn)是相對于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)而言的。為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì),充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性,優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的更新、凸顯自主探索,加強(qiáng)綜合性實(shí)驗(yàn)的開設(shè)勢在必行。在教學(xué)實(shí)踐過程中,我們對原有基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展,改造成不同學(xué)科的綜合性實(shí)驗(yàn),從而使實(shí)驗(yàn)具備以下特點(diǎn):(1)豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,使學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課產(chǎn)生濃厚的興趣;(2)學(xué)生自由選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,自己動(dòng)手準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn),鍛煉了學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識去分析和解決問題的能力;(3)通過課后的總結(jié)、答辯,進(jìn)一步加深對基礎(chǔ)理論知識的理解,拓寬了知識面,充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性,培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造能力和獨(dú)立工作能力。光學(xué)實(shí)驗(yàn)中對等厚干涉現(xiàn)象的研究,通常是給定實(shí)驗(yàn)儀器、原理、內(nèi)容、步驟,學(xué)生按步驟完成實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)單調(diào)、乏味、無創(chuàng)新是學(xué)生的普遍反映,教學(xué)實(shí)踐表明,如果對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展和延伸,打造成綜合性實(shí)驗(yàn)?zāi)苁盏胶芎玫慕虒W(xué)效果。1等厚干涉同心圓環(huán)當(dāng)曲率半徑很大的平凸透鏡的凸面與一平板玻璃相接觸時(shí)(見圖1),二者之間形成一空氣薄層。若以單色光投射在凸透鏡上,則空氣薄膜的上下兩緣面所反射的光便有光程差,滿足相干條件,形成干涉花樣。由于空氣薄膜是由中心(凸透鏡與平板玻璃的接觸點(diǎn))向四周逐漸增厚的,而與中心等距離的點(diǎn)處的空氣膜是等厚的,所以光程差相等的地方就形成以接觸點(diǎn)為中心的一族等厚干涉同心圓環(huán)——牛頓環(huán),這些圓環(huán)亮暗交替,且離接觸點(diǎn)越遠(yuǎn),環(huán)紋越密集。根據(jù)等厚干涉原理,若透鏡的曲率半徑為R,第k級暗紋和第k+m級暗紋的直徑分別為Dk和Dk+m,則透鏡的曲率半徑R=D2k+m?D2k4mλ。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中,用鈉光燈作單色光源,通過讀數(shù)顯微鏡觀察牛頓環(huán),并測出各級條紋的直徑,再計(jì)算平凸透鏡的曲率半徑。2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2.1克氏原螯蝦克氏光鏡(1)用2塊薄平凸透鏡,凸面相對放置,如圖2所示。在單色光垂直照射下觀察反射光的干涉條紋,測量相鄰亮環(huán)的半徑,求出組合透鏡的焦距。利用幾何關(guān)系和光的相干條件,可以求出組合透鏡的焦距f為f=Rn?1R=r2j+1?r2jλ式中,n為兩平凸透鏡的折射率,λ為入射光的波長,rj+1、rj分別為第j+1和第j級亮條紋的半徑。(2)平板玻璃換成由兩塊不同折射率的平板玻璃(見圖3)組成,平凸透鏡和平板玻璃之間充滿折射率n=1.62的二氧化硫。在單色光照射下,觀察等厚干涉條紋的變化,并計(jì)算透鏡的曲率半徑。此時(shí)對左右薄膜而言,折射率的變化規(guī)律發(fā)生了變化(n1<n2,n2>n3;n1<n2<n4),根據(jù)幾何關(guān)系和光的相干條件可知,此時(shí)條紋半徑不變,但左右條紋明暗反轉(zhuǎn)。(3)探索:將一平凹透鏡覆蓋在平板玻璃上,用單色光垂直照射,觀察干涉條紋的變化;如果在空氣隙中充滿折射率為n′的液體,干涉條紋的形狀和分布如何變化;確定最多能觀察到的暗條紋數(shù)目和零級暗條紋的位置。2.2等厚干涉實(shí)驗(yàn)在平板玻璃和平凸透鏡之間注滿液體,觀察空氣薄膜和液體薄膜的等厚干涉條紋,根據(jù)光的相干條件,可由測量第k級和第k+m級暗環(huán)直徑,計(jì)算待測液體的折射率n=D2k(液體)?D2k+m(空氣)D2k(液體)?D2k+m(液體)。實(shí)驗(yàn)測得12%NaCl溶液的平均折射率為1.37。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1和表2。根據(jù)折射率與濃度的經(jīng)驗(yàn)公式c=(4.5348n-6.0936)×100%計(jì)算溶液的濃度,所得結(jié)果與用化學(xué)方法測量結(jié)果相比較。實(shí)驗(yàn)表明,等厚干涉法測量溶液濃度與傳統(tǒng)的化學(xué)方法進(jìn)行比較,相對誤差低于1%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見見表1和表2。2.3光波長、約束條觀察與思考:若用白光代替鈉光燈作光源,情況如何?由于白光波長范圍390～760nm,是連續(xù)光譜,所以其干涉條紋是連續(xù)分布的彩帶,條紋分布界限不太明顯,因此實(shí)際操作過程中,我們強(qiáng)調(diào)觀察、討論,只做定性討論,不做定量測量。2.4水的旋轉(zhuǎn)角速度如圖4所示,盛于玻璃器皿中的水繞中心軸以角速度ω旋轉(zhuǎn),用單色光垂直照射,即可在反射光中形成等厚干涉條紋。水層上下表面反射光的光程差δ=2nh=2n?ω22gr2,當(dāng)δ=kλ時(shí)干涉相長,故水的旋轉(zhuǎn)角速度ω=1rkλn??√g(r為第k級條紋的半徑)。在實(shí)驗(yàn)中通常選擇測量不同級數(shù)(k1、k2)條紋的直徑,則:δ1=2nh1=2n?ω22gr21=k1λδ2=2nh2=2n?ω22gr22=k2λ水的旋轉(zhuǎn)角速度為ω=(k2?k1)λ(r22?r21)ng???????√在該實(shí)驗(yàn)中,若ω太小,干涉條紋半徑過大,條紋寬度也很大,移動(dòng)讀數(shù)顯微鏡,在視場范圍內(nèi)的條紋數(shù)目過少,將影響測量精度;若ω太大,則干涉條紋半徑過小,對讀數(shù)顯微鏡的要求相應(yīng)提高。根據(jù)光學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的儀器,一般測量的旋轉(zhuǎn)角速度為0.1～10rad/s為宜。3設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程的思想通過對等厚干涉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的拓展,學(xué)生能觀察到干涉條紋隨薄膜折射率、薄膜厚度、牛頓環(huán)的形狀、入射光波長等變化規(guī)律,加深了對等厚干涉的理解;同時(shí)學(xué)生可按照自己的思想設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程,有的甚至還自己提出一些實(shí)驗(yàn)思想,比如:利用等厚干涉測量頭發(fā)絲的直徑、紙屑的厚度等微小長度;精確測量由于機(jī)械張力、壓力等原因所引起物體長度的微小改變;利用空氣薄膜所形成的干涉條紋形狀來判斷光學(xué)元件表面的質(zhì)量;設(shè)計(jì)不同的鍍膜光學(xué)元件,提高光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量等。培養(yǎng)了學(xué)生分析、設(shè)計(jì)、操作的綜合能力。由于增加了實(shí)驗(yàn)難度,實(shí)驗(yàn)操作能力也能得以提高,激發(fā)了學(xué)生的興趣,活躍了課堂氣氛。4光干涉思想在實(shí)驗(yàn)中的體現(xiàn)通過教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容、方法的改革,我們發(fā)現(xiàn):實(shí)驗(yàn)基本內(nèi)容統(tǒng)一,而實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以不完全一致,培養(yǎng)了學(xué)生分析問題的能力;實(shí)驗(yàn)內(nèi)容原理明確,而實(shí)現(xiàn)方法可以有多樣性,培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考的能力;實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)明確,而實(shí)驗(yàn)進(jìn)程允許學(xué)生不同,培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維能力。學(xué)生通過對不同實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和操作,不僅熟練掌握了光的干涉基本理論,了解了光干涉的應(yīng)用,使學(xué)生不再認(rèn)為光學(xué)課程內(nèi)容抽象,難以聽懂,理論與實(shí)際脫節(jié);而且,課堂上學(xué)生更專注聽老師的講解,并時(shí)