綜合性實驗的拓展與延伸

綜合性實驗的拓展與延伸

綜合實驗是指由多個實驗任務(wù)組成的實驗，這些任務(wù)最終通過一系列程序獲得特定結(jié)果。該類實驗體現(xiàn)多知識點或多學(xué)科的整合。驗證性實驗側(cè)重于驗證某一定律、某一結(jié)論的基本操作和訓(xùn)練。顯然綜合性實驗是相對于驗證性實驗而言的。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)動學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性,優(yōu)化實驗教學(xué)體系,改善實驗教學(xué)模式,進行實驗教學(xué)內(nèi)容的更新、凸顯自主探索,加強綜合性實驗的開設(shè)勢在必行。在教學(xué)實踐過程中,我們對原有基礎(chǔ)性、驗證性實驗進行拓展,改造成不同學(xué)科的綜合性實驗,從而使實驗具備以下特點:(1)豐富的實驗內(nèi)容和實驗現(xiàn)象,使學(xué)生對實驗課產(chǎn)生濃厚的興趣;(2)學(xué)生自由選擇實驗內(nèi)容,自己動手準(zhǔn)備實驗,鍛煉了學(xué)生綜合運用所學(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)動了學(xué)生的積極性,培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造能力和獨立工作能力。光學(xué)實驗中對等厚干涉現(xiàn)象的研究,通常是給定實驗儀器、原理、內(nèi)容、步驟,學(xué)生按步驟完成實驗,實驗單調(diào)、乏味、無創(chuàng)新是學(xué)生的普遍反映,教學(xué)實踐表明,如果對該實驗進行拓展和延伸,打造成綜合性實驗?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(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)向四周逐漸增厚的,而與中心等距離的點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)的實驗中,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,再計算平凸透鏡的曲率半徑。2實驗內(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,并計算透鏡的曲率半徑。此時對左右薄膜而言,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等厚干涉實驗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)。實驗測得12%NaCl溶液的平均折射率為1.37。實驗數(shù)據(jù)見表1和表2。根據(jù)折射率與濃度的經(jīng)驗公式c=(4.5348n-6.0936)×100%計算溶液的濃度,所得結(jié)果與用化學(xué)方法測量結(jié)果相比較。實驗表明,等厚干涉法測量溶液濃度與傳統(tǒng)的化學(xué)方法進行比較,相對誤差低于1%。實驗數(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,因此實際操作過程中,我們強調(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)。在實驗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???????√在該實驗中,若ω太小,干涉條紋半徑過大,條紋寬度也很大,移動讀數(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)實驗室中的儀器,一般測量的旋轉(zhuǎn)角速度為0.1～10rad/s為宜。3設(shè)計實驗過程的思想通過對等厚干涉實驗內(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;同時學(xué)生可按照自己的思想設(shè)計實驗過程,有的甚至還自己提出一些實驗思想,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、操作的綜合能力。由于增加了實驗難度,實驗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光干涉思想在實驗中的體現(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):實驗基本內(nèi)容統(tǒng)一,而實驗結(jié)果可以不完全一致,培養(yǎng)了學(xué)生分析問題的能力;實驗內(nèi)容原理明確,而實現(xiàn)方法可以有多樣性,培養(yǎng)了學(xué)生獨立思考的能力;實驗?zāi)繕?biāo)明確,而實驗進程允許學(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)生通過對不同實驗的設(shè)計和操作,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,理論與實際脫節(jié);而且,課堂上學(xué)生更專注聽老師的講解,并時