牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用拓展

　　牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用拓展【1】

　　摘 要：闡述如何利用牛頓環(huán)裝置，首先通過已知波長的單色光形成牛頓環(huán)干涉圖樣，進(jìn)行干涉環(huán)直徑測量;進(jìn)而以高壓汞燈作為光源，通過濾色片，得到不同波長單色光，再通過牛頓環(huán)干涉圖樣直徑測量及計算式，計算出該單色光波的波長，令牛頓環(huán)裝置有更大地應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：牛頓環(huán) 等厚干涉 波長 高壓汞燈 濾色片

　　應(yīng)用牛頓環(huán)現(xiàn)象可判斷透鏡表面凸凹、精確檢驗(yàn)光學(xué)元件表面質(zhì)量、測量透鏡表面曲率半徑和液體折射率。

　　用牛頓環(huán)測量球面的曲率半徑，也是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的一個典型光學(xué)實(shí)驗(yàn)。

　　實(shí)驗(yàn)裝置較簡單，但卻可以測量平凸、平凹透鏡球面的大曲率半徑，且測量精密度較高，實(shí)驗(yàn)中通常利用鈉光產(chǎn)生分振幅干涉形成環(huán)狀的等厚干涉圖樣――牛頓環(huán)，對牛頓環(huán)的級數(shù)和對應(yīng)直徑進(jìn)行測量，通過計算可以獲得被測球面透鏡的曲率半徑;而如果再將不同波長的入射光照射在牛頓環(huán)裝置上，也可以形成牛頓環(huán)干涉圖樣，本文將闡述如何利用牛頓環(huán)干涉圖樣，對可見光單色光波長進(jìn)行測量。

　　1 牛頓環(huán)測量波長原理

　　1.1 測量球面曲率半徑的原理

　　當(dāng)一個曲率半徑很大的平凸透鏡的凸面與平面玻璃接觸時，兩者間形成空氣間隙，如圖1，間隙由中心接觸點(diǎn)到邊緣逐漸增加。

　　當(dāng)單色光垂直照射時，由于經(jīng)空氣間隙的上下表面反射的兩束光存在光程差，它們在透鏡凸面附近相遇時會產(chǎn)生明暗相間、同心圓環(huán)狀的干涉圖樣。

　　由于接觸壓力會引起玻璃形變，使牛頓環(huán)中心呈圓斑形的接觸狀態(tài)，使實(shí)際干涉半徑與理想不等，造成系統(tǒng)誤差，故采用以下解決方法：在空氣間隙的邊緣做適當(dāng)墊高，使透鏡與平面玻璃在中心處剛好不接觸。

　　因此多了一段附加厚度則可導(dǎo)出：

　　1.2 牛頓環(huán)干涉法測量干涉光波長

　　2 待測光源選取及儀器裝置說明

　　2.1 光源選取

　　作為待測光源應(yīng)具有較大的輸出光強(qiáng)和較好的單色性，鈉光燈比較適宜作為牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)的單色光源，選擇鈉光光源作為 0;根據(jù)高壓汞燈的輸出光譜和發(fā)光特點(diǎn)選擇高壓汞燈中的579.0nm、546.1nm和435.8nm的光譜作為待測光源 1、 2和 3。

　　2.2 儀器調(diào)節(jié)和裝置說明

　　首先測量鈉光光源的牛頓環(huán)干涉圖樣直徑，其步驟按照牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行：光路調(diào)整、顯微鏡調(diào)焦、測量干涉環(huán)直徑等步驟進(jìn)行。

　　用高壓汞燈作干涉光光源時，筆者獲取單色光的方法是，在高壓汞燈前加濾色片。

　　通過濾色片獲取不同波長的單色光，以期能形成等厚干涉圓環(huán)。

　　但由于汞燈光源出射窗口溫度較高，濾色片不能直接放在汞燈出射口處，故制作了一個簡易的接口，使得光線既能通過濾色片出射，而且濾色片距離光源出射窗口有適當(dāng)?shù)木嚯x，又沒有散射的光線影響干涉環(huán)的對比度，其效果較好。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　3.1 以鈉光 0、待測光源 1、 2和 3為干涉光源的干涉環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見表1

　　3.2 不同波長下D2m與m線性關(guān)系圖線

　　用鈉光燈作為入射光形成的干涉的牛頓環(huán)干涉圖樣(見圖3)，對牛頓環(huán)直徑進(jìn)行測量，計算出干涉直徑D2m，D2m與m關(guān)系圖線，數(shù)據(jù)點(diǎn)排列顯示D2m與m呈現(xiàn)線性關(guān)系。

　　表1中以 0為入射光時D2m與m相關(guān)系數(shù)值也顯示出其線性相關(guān)性。

　　以高壓汞燈作為光源，用濾色片獲取不同波長的單色光 1、 2和 3為入射光形成的牛頓環(huán)干涉圖樣，對三個不同干涉波長形成的牛頓環(huán)直徑分別進(jìn)行測量，繪制D2m與m關(guān)系圖線，見圖4，各組數(shù)據(jù)點(diǎn)排列呈現(xiàn)線性關(guān)系。

　　表1中以 1、 2和 3入射光時D2m與m相關(guān)系數(shù)值也顯示出其線性相關(guān)性。

　　3.3 結(jié)果分析

　　從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果來看，通過濾色片有效地濾出了高壓汞燈里的單色光，在干涉級數(shù)相等情況下，干涉環(huán)的直徑隨著波長的減小而減小。

　　根據(jù)不同光波獲得的與關(guān)系之斜率因子計算，待測波長的測量結(jié)果見表2。

　　用牛頓環(huán)干涉法可以測量干涉光的波長，測量精度較高，與波長的公認(rèn)值相比有較高的正確度。

　　4 結(jié)語

　　牛頓環(huán)干涉實(shí)驗(yàn)中，若已知干涉光波長，不僅能測量出牛頓環(huán)裝置中透鏡的球面半徑，而且若將待測單色可見光照射在牛頓環(huán)裝置上，光強(qiáng)足以形成牛頓環(huán)干涉圖樣，利用已知干涉光波長可以計算出待測入射光的波長。

　　本文從實(shí)驗(yàn)的角度闡述了如何利用牛頓環(huán)裝置進(jìn)行光波波長的測量，基于筆者對實(shí)驗(yàn)理論和實(shí)驗(yàn)方法的思考和探索。

　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度以及與公認(rèn)值的符合程度來看，達(dá)到了預(yù)期的效果。

　　故實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以通過對牛頓環(huán)等實(shí)驗(yàn)的基本物理原理和實(shí)驗(yàn)的基本方法的掌握，對一些基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展，可以引導(dǎo)和培養(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。

　　(基金項(xiàng)目：上海工程技術(shù)大學(xué)教學(xué)建設(shè)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：y201121001))

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　　對牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究【2】

　　摘 要：牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)是利用分振幅法獲得可相干光束的典型實(shí)驗(yàn)，是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的一個基礎(chǔ)光學(xué)實(shí)驗(yàn)。

　　通過對牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究和思索，采用提出問題、探究問題和拓展實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式，融入探究式教學(xué)的理念和思想。

　　有助于學(xué)生理解和領(lǐng)悟滲透在物理學(xué)內(nèi)容中的物理思維、物理學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)的興趣，提升學(xué)生解決具體問題的能力，增強(qiáng)學(xué)生的自信，提高物理實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果。

　　關(guān)鍵詞：牛頓環(huán) 問題 能力

　　牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)是一個比較經(jīng)典的利用分振幅法獲得相干光束的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的做法是用鈉光燈做單色光源，通過讀數(shù)顯微鏡觀察牛頓環(huán)，并測出相應(yīng)級次的牛頓環(huán)直徑，利用已知光波波長采用逐差法來計算牛頓環(huán)平凸透鏡的曲率半徑。

　　該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡單、操作難度低、現(xiàn)象單一，學(xué)生能按照步驟很快地完成實(shí)驗(yàn)，但教學(xué)效果并不理想，對培養(yǎng)學(xué)生的解決分析問題能力和創(chuàng)新能力、實(shí)驗(yàn)操作技能作用并不明顯。

　　通過對牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不斷研究和思索，筆者在教學(xué)過程中采用提出問題、探究問題和拓展實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式，融入探究式教學(xué)的理念和思想。

　　實(shí)踐表明，這種教學(xué)方式極大地提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，發(fā)揮了學(xué)生的主導(dǎo)作用，最大限度地激發(fā)了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的思維能和動手能力，進(jìn)而更有效地培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技巧和操作能力。

　　1 提出問題

　　相比于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，筆者教學(xué)過程中在實(shí)驗(yàn)開始前先給學(xué)生提出一些問題，而這些問題盡可能提醒學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作過程中應(yīng)注意到的相關(guān)細(xì)節(jié)，促使學(xué)生養(yǎng)成仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的良好習(xí)慣，促使學(xué)生加深對實(shí)驗(yàn)有關(guān)物理理論的理解，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)有機(jī)地結(jié)合在一起。

　　提出的這些問題筆者可以舉例說明，如牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中為何取暗環(huán)來測量，而不取明環(huán)來測量?鑒于同學(xué)上學(xué)期已經(jīng)做過一些物理實(shí)驗(yàn)了，對這個問題有些同學(xué)稍加思索，就說出了理由：因?yàn)榘淡h(huán)人眼容易對準(zhǔn)，而明環(huán)不易對準(zhǔn)。

　　再如，實(shí)驗(yàn)中讀數(shù)顯微鏡下方45°反射鏡與光源不等高，會給實(shí)驗(yàn)帶來什么影響?因?yàn)檫@個問題的提出，實(shí)驗(yàn)操作結(jié)束后，同學(xué)們對45°反射鏡調(diào)節(jié)中與光源不等高時的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象仍頗為深刻，大家加以思索總結(jié)發(fā)現(xiàn)：如果45°鏡片與光源不等高，光線就不能按正常45°入射，單色光也就不能嚴(yán)格垂直入射到牛頓環(huán)上，這時讀數(shù)顯微鏡的視場變暗，亮紋和暗紋邊緣模糊不清，讀數(shù)條紋比較困難，增大了實(shí)驗(yàn)誤差。

　　再者，如果調(diào)節(jié)牛頓環(huán)儀中下方3個螺栓會出現(xiàn)什么現(xiàn)象，對實(shí)驗(yàn)的測量是否有影響?帶著疑問，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中對3個螺栓的用力程度、調(diào)節(jié)松緊比較用心，觀察非常仔細(xì)。

　　結(jié)果學(xué)生發(fā)現(xiàn)：若3個螺栓調(diào)節(jié)過緊，則施加的壓力太大，中心暗斑半徑變大，條紋也出現(xiàn)稍微的變形;3個螺栓調(diào)節(jié)得過松，小的擾動和干擾就會造成條紋晃動，不利于觀察，并影響了條紋數(shù)數(shù)的準(zhǔn)確度，從而增加實(shí)驗(yàn)的偶然誤差。

　　再如，操作中如果發(fā)現(xiàn)牛頓環(huán)中心出現(xiàn)的是亮斑，而不是暗斑，那又是什么情況造成中心出現(xiàn)了亮斑呢?實(shí)驗(yàn)過程中同學(xué)們興致盎然，對發(fā)現(xiàn)亮斑的情形，都爭相觀察，之后靜思其原因。

　　在教師的適度引導(dǎo)下，學(xué)生從光程差考慮發(fā)現(xiàn)了原因，中心出現(xiàn)亮斑可能是平凸透鏡曲面和平板玻璃之間并沒有緊密接觸，或者接觸處可能會有塵埃，從而產(chǎn)生了附加光程差。

　　通過上述問題的提出和引導(dǎo)，不僅有助于學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)操作，而且激發(fā)了學(xué)生的好奇心和實(shí)驗(yàn)興趣。

　　使學(xué)生切身感受到，物理實(shí)驗(yàn)課并不僅僅是數(shù)據(jù)測量，實(shí)驗(yàn)過程中不僅要測量，還要觀察、分析和思考。

　　這樣學(xué)生才能真正了解物理學(xué)原理，并利于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的觀察能力和分析能力，提高了牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。

　　2 探究問題

　　物理��驗(yàn)教學(xué)中，教師是課堂教學(xué)的組織者，是學(xué)生學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者。

　　學(xué)生思維的發(fā)展水平高低，很大一部分要靠教師的指導(dǎo)。

　　實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)測量結(jié)束后，教師可以積極引導(dǎo)，啟發(fā)學(xué)生逐步對牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的基本問題進(jìn)一步深入和拓展，提出一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和物理理論相結(jié)合的問題，引導(dǎo)學(xué)生層層深入、趁熱打鐵，繼續(xù)對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。

　　牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中筆者就引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)進(jìn)一步思考和探究更深層的問題，例如，從已知的等厚干涉物理學(xué)原理出發(fā)，結(jié)合牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)，理論上分析出牛頓環(huán)干涉條紋的典型特點(diǎn)。

　　再者，為什么使用鈉黃光垂直照射牛頓環(huán)時，只有經(jīng)過空氣薄膜上下表面反射的這兩束光是相干光，能產(chǎn)生干涉條紋?如果光源變了，在平凸透鏡上平面和下曲面的反射光線或平板玻璃上下表面的反射光線能否產(chǎn)生干涉條紋?若能產(chǎn)生干涉條紋，是否比鈉黃光更方便測量平凸透鏡曲率半徑呢?再有，如果把平凸透鏡翻過來，還會觀察到等厚干涉現(xiàn)象嗎? 類似問題很多，可以引導(dǎo)學(xué)生舉一反三，逐步去發(fā)現(xiàn)問題、探究問題、解決問題。

　　鼓勵學(xué)生將解決的實(shí)驗(yàn)問題以科技小論文的形式撰寫，選擇優(yōu)秀的論文將其發(fā)表在相應(yīng)的校報或?qū)W術(shù)刊物上。

　　3 拓展實(shí)驗(yàn)

　　隨著對牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)的探究，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容越來越豐富，針對這一現(xiàn)象，院校專門設(shè)置了開放實(shí)驗(yàn)中心和仿真物理實(shí)驗(yàn)室。

　　我們積極鼓勵學(xué)生按照自己的思想，提出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，設(shè)計實(shí)驗(yàn)過程，并到開放實(shí)驗(yàn)室完成自己設(shè)計的實(shí)驗(yàn)，開拓了學(xué)生的視野和思路，激發(fā)了學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生分析、設(shè)計和操作的綜合能力，收到良好的教學(xué)效果。

　　例如，有的學(xué)生馬上想到激光的相干性很好，于是嘗試用激光代替鈉光燈作為光源，觀察牛頓環(huán)的變化。

　　有的學(xué)生則將平板玻璃和平凸透鏡之間充滿了二氧化硫，觀測條紋變化。

　　有些仔細(xì)觀察生活而又充滿好奇的同學(xué)則直接將眼睛放在載物臺上，從而觀察條紋變化。

　　并且，還可以利用仿真軟件擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，充分發(fā)揮計算機(jī)三維動畫和實(shí)時仿真的特點(diǎn)，對儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和操作過程進(jìn)行形象化的展示，提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的興趣。

　　4 結(jié)語

　　轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計思想，以提問形式帶動學(xué)生實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生既要操作又要思考，促使學(xué)生留心和用心觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并加深對物理知識的理解，進(jìn)而激發(fā)了學(xué)生的好奇心和實(shí)驗(yàn)興趣。

　　通過探究問題的方式可以培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

　　通過對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的拓展，重新構(gòu)建實(shí)驗(yàn)設(shè)計思想、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)情景，培養(yǎng)了學(xué)生改進(jìn)原有實(shí)驗(yàn)和設(shè)計新實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新能力，開拓了學(xué)生的視野和思路。

　　參考文獻(xiàn)

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　　演示牛頓管實(shí)驗(yàn)的操作技巧【3】

　　“自由落體運(yùn)動”是高中物理力學(xué)教學(xué)中重要的演示實(shí)驗(yàn)，本節(jié)教學(xué)的重點(diǎn)和關(guān)鍵在于說明不同物體在真空中下落快慢都是一樣的。

　　但學(xué)生由于受日常經(jīng)驗(yàn)的影響，對重的物體落得快，輕的物體落得慢印象很深，所以教師做好該演示實(shí)驗(yàn)十分重要。

　　教師通常演示實(shí)驗(yàn)步驟如下：

　　實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，在一根長約1.5cm的玻璃管中，放入一些形狀和重力均不同的小物體，如羽毛、小鐵片等，演示實(shí)驗(yàn)步驟為：

　　(1)不抽出玻璃管中的空氣，首先豎直管身，使兩物體置于管底，將玻璃管在豎直平面內(nèi)迅速倒轉(zhuǎn)過來，使管身豎直，兩物體置于管內(nèi)頂部，這時觀察兩物體在大氣中下落情形;

　　(2)抽去玻璃管中部分空氣，重復(fù)步驟1中的操作，觀察兩物體在稀薄空氣中下落情形;

　　(3)繼續(xù)抽取玻璃管中空氣，使其逐漸接近真空，再重復(fù)步驟1操作，再觀察物體在接近真空時下落情形;

　　(4)接著教師讓學(xué)生討論：從該實(shí)驗(yàn)中，同學(xué)們看到什么現(xiàn)象，這些現(xiàn)象說明了什么問題?最后學(xué)生得出結(jié)論是在接近真空時，小鐵片(重)與羽毛(輕)下落快慢相同。

　　實(shí)驗(yàn)的這種操作法，存在兩個明顯的缺陷：一是，迅速使管身豎直，目的是使小鐵片與羽毛同時下落，由于這個過程變化太快，學(xué)生不易觀察，怎么能使學(xué)生相信，小鐵片和羽毛是同時下落的呢?二是，實(shí)驗(yàn)操作中需要逐步抽出管內(nèi)空氣，由于抽取空氣要耽誤時間，就會影響課堂的教學(xué)效率。

　　同時，停下來用一段時間抽取空氣，再讓學(xué)生來觀察兩物體在不同密度的空氣里下落情形，這樣觀察就不連續(xù)，不利于學(xué)生進(jìn)行差異比較，妨礙了學(xué)生正確得出結(jié)論。

　　針對這些不足，我在上課時的實(shí)驗(yàn)演示改進(jìn)為如下操作：

　　(1)在課前，事先將牛頓管內(nèi)的空氣抽取到接近真空，首先晃動玻璃管，使小鐵片壓住羽毛，再用一個小磁鐵吸住鐵片，再慢慢地倒立過來，如圖2所示，由于磁鐵的吸引作用，羽毛被小鐵片牢牢地壓在管頂，接著再讓學(xué)生倒數(shù)數(shù)“3、2、1”，這時，教師松開小磁鐵，羽毛和鐵片同時下落，學(xué)生觀察兩物體下落情形，如圖3所示;

　　(2)輕開閥門，放入少許空氣(提醒學(xué)生保持安靜注意聽，會聽到“嗤嗤”的空氣進(jìn)入管內(nèi)的聲音)，重復(fù)步驟1，觀察兩物體下落情形;

　　(3)打開閥門，使其與外部相通，這樣管內(nèi)充滿空氣，再重復(fù)上述步驟，再觀察兩物體下落情形;

　　(4)這時，教師引導(dǎo)學(xué)生分析所觀察到的現(xiàn)象，管內(nèi)空氣密度越大，兩物體下落差別就越大。

　　如果逆向思維，管內(nèi)空氣越來越少，結(jié)果肯定是兩物體下落的快慢越來越接近，最后，管內(nèi)如果為真空時，兩物體下落快慢自然就相同了，從而得出所期望的結(jié)論。

　　演示實(shí)驗(yàn)的功能是為了揭示現(xiàn)象的本質(zhì)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

　　我啟發(fā)學(xué)生采用逆向思維的方式，演示實(shí)驗(yàn)并不是不斷地抽出玻璃管中的空氣，而是首先就做“真空”情況下，再不斷地放入空氣，再來觀察物體下落的情況;這樣每次演示實(shí)驗(yàn)間隔時間不長，連續(xù)性好，也節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時間，提高了課堂教學(xué)效率。

　　同時，開始時利用磁鐵吸住壓住的羽毛的小鐵片，改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)效果。

　　教師演示時如果不拘小節(jié)，站在凳子或講臺桌上來演示，這樣能夠使全體學(xué)生都能輕易地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，演示效果更佳。

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