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大学物理光学实验教学改革
摘要:光学仪器本身的精密性要求实验者理论水平高、操作细致,高质量完成光学实验对学生综合素质的培养有极大帮助。结合实际教学经验,对物理光学实验中最常用的分光计、迈克尔逊干涉仪、读数显微镜光学三大件的调节展开讨论,分析操作过程中遇到的难点和问题,以加深学生对调节技术的认识和理解。改进光学实验授课模式,重视仪器的原理和操作,而不是局限于特定的实验方法。回归实验物理的基本理念,探索研究型教学的授课模式,创建基础与创新协同发展的大学物理光学实验课程教学新体系,切实增强学生从事科学实验工作的能力。
关键词:大学物理;光学实验;分光计;迈克尔逊干涉仪;读数显微镜
0引言
在高校应用物理学专业的实践课程中,物理实验主要包括力学、热学、光学、电学四部分实验内容,其中光学实验不同于其他几部分,有仪器精密性高、结构复杂、调节难度大等特点[1-2]。光学仪器操作需要理论知识的密切指导,对学生理论结合实际的能力要求较高。高质量完成光学实验对学生综合素质的培养有极大帮助,尤其是自主学习的思维能力。随着社会科技的快速发展,对高素质人才的需求更加迫切。传统的物理实验课堂教学过程中,学生掌握的仅仅是固有的实验方法,缺乏对实验内容深层次的思考。尤其是光学实验仪器调节难度大,加之课堂时间有限,不利于学生实践能力的培养和课程目标的达成。本文结合光学实验中最常用的分光计、迈克尔逊干涉仪、读数显微镜光学三大件的调节,对仪器调节常见问题展开分析;提出授课模式的改进方式,促进学生实践能力的锻炼和创新思维的开拓;设计思政元素的融入,培养学生精益求精的大国工匠精神;完善课程评价体系,落实全过程育人的教育理念。
1光学实验中常见的光学仪器调节
1.1分光计调节及常见问题
分光计是一种能精确测量角度的典型光学仪器,在使用分光计测量角度前需要将仪器调至待测状态,即望远镜、平行光管的光轴在一条直线上,且垂直于载物平台的中心轴,平行光管射出平行光束,则可认为仪器调节完成[3]。学生在实际调节过程中经常出现一些问题。
1)未按规范步骤逐步调节。有的学生没有完成目镜调焦和望远镜调焦,直接在目镜中寻找十字叉丝,更有甚者,在望远镜明显不垂直于三棱镜光面的位置寻找叉丝像,说明对自准直原理和调焦的必要性没有清晰认识,导致盲目操作。
2)找不到叉丝像时随意调节螺钉,使仪器更加偏离待测状态。有的学生粗调未完成,在视野中看不到叉丝像就一味拧螺丝,载物台已明显倾斜还在寻找,说明没有理解仪器原理和每个调节步骤的目的。
3)调节过程中容易出现只能在一个反光面找到十字叉丝的情况。学生初次接触仪器缺乏经验,调节时没有指导性的方向,可以采取依次突破的方法,即在保持原反光面能看到十字叉丝的同时,向上或向下调节载物台下方与另一反光面对应的螺钉,直至两个反光面都能找到十字叉丝。
分光计的调节需要在掌握原理的基础上多次练习,只有理解了两向逼近的过程,明白为何要采用各半调节的方式,才能顺利完成调节,而不至于越调越偏。
1.2迈克尔逊干涉仪调节及常见问题
迈克尔逊干涉仪是一种典型的分振幅的双光束干涉装置[4]。通过调整仪器固定镜(M1)和可动镜(M2)的位置关系,可以产生等倾干涉条纹和等厚干涉条纹,从而实现波长等物理量的测量[5]。迈克尔逊干涉仪的调节主要是这两种干涉条纹的调节。学生在课堂调节过程中经常出现两个问题。
1)在调节M1方位时,视场中看不到任何条纹。出现该问题的原因可能是M1镜像和M2的夹角太大,条纹变得很密以至于观察不到条纹,此时需要校准M1的方位;也可能是M1镜像和M2距离过大或重合,导致观察不到干涉现象,需要转动干涉仪的粗调或微调手轮以改变M2的位置,使条纹清晰可见,方可进行下一步测量。
2)在操作练习中向一个方向转动微调手轮,等倾干涉条纹圆心有明显的涌出或淹没现象,但反方向转动手轮时,观察不到这一现象。这是由于螺纹存在间隙,回轮一段距离内M2实际上并没有发生移动。因此,在测量过程中,要求微调手轮必须沿同一方向转动,中途不可倒转,就是为了避免螺距差。迈克尔逊干涉仪的调节难点主要在于等倾干涉条纹需要调节M1和M2相互垂直。
1.3读数显微镜调节
读数显微镜是将测微螺旋和显微镜组合起来用于精确测量长度的仪器,在相关计量单位应用广泛。利用牛顿环测定透镜曲率半径和测定透明介质折射率是常见的使用读数显微镜的大学物理实验项目[6]。目前有研究对读数显微镜进行改进设计,如与图像采集系统联合使用,避免人眼观测的误差。
学生在实际操作仪器时遇到问题、解决问题,这一过程可以让思维能力得到实质性训练。学生通过探索学会仪器调节,在获得成就感、激发求知欲的同时,对仪器的应用产生深入思考,提出新的实验想法,这都需要建立在对仪器操作足够熟练的基础上,因此,掌握调节技术是第一步。
2基于光学三大件的探究
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