一個傳統驗證性實驗向設計性實驗的升華

汪 濤 李 田 葉大梧 陶純匡

(重慶大學物理學院,重慶 400044)

一個傳統驗證性實驗向設計性實驗的升華

汪 濤 李 田 葉大梧 陶純匡

(重慶大學物理學院,重慶 400044)

本文通過探討單縫夫瑯禾費衍射實驗的原理、特點、傳統實驗的排布方式,在深入領會《理工科非物理專業大學物理實驗課程教學基本要求》的基礎上,研發了“單縫衍射與現代傳感器的設計”實驗,實現了一個傳統的驗證性實驗向設計性實驗的升華.文中給出了該實驗的教學環節安排,提出了一些需要注意的技術細節,并給出了幾個設計實例,最后還給出了設計該實驗的一些體會.

單縫衍射;傳感器;設計性實驗

1 引言

21世紀初以來教學改革的春風吹遍了國內高校的每個角落,特別是《理工科非物理類專業大學物理實驗課程教學基本要求》正式頒布實施以來,有關大學物理實驗的教學改革在各校如火如荼地開展.但是,對部分同仁如何研發設計性實驗還存在不少困惑.有的認為我們的生源差,只要能順順當當地做完基礎實驗就很不錯了;有的認為設計性實驗須使用價格昂貴的大型設備開設現代高級物理實驗.筆者及同事在深入學習《非物理類專業大學物理實驗課程教學基本要求》文件,深刻領會其精神的基礎上研發了“單縫衍射與現代傳感器的設計”實驗,實現了由一個傳統的驗證性實驗向設計性實驗的升華,現將其主要精神介紹如下.

2 挖掘傳統實驗的潛力,實現傳統驗證性實驗向現代設計性實驗的升華

涉及單縫夫瑯禾費衍射現象研究的實驗項目大概有兩類.一類是單縫衍射光強分布測量(各校稱呼有所不同),這是一種正向思維的實驗方法,是在夫瑯禾費區的接收屏上對一維衍射光強逐點進行測量,得到相對光強分布曲線[1].這是一個典型的驗證性實驗,驗證光強實驗的光路圖如圖1所示.本實驗不作較大的改變很難激發學生的熱情和積極性.另一類是利用單縫衍射測單縫(或單絲)尺寸[2](各校稱呼有所不同),其光路圖如圖2、圖3所示.

圖1 單縫衍射光強分布測量

圖2、圖3實驗是一種逆向思維的測量,亦稱為反衍射測量,即根據接收屏上光強分布的信息(零點間距)獲取衍射縫(或絲)的信息(縫或絲的尺寸).

與圖1實驗相比較,圖2、圖3實驗和實際應用聯系起來了,有較大的進步.但實驗的思路僅停留在測量狹縫尺寸上,沒有和廣泛的物理量聯系,思路不開闊,仍然難激發學生的學習熱情.

我們的新實驗設計思路是以光波的單縫夫瑯禾費衍射為模型,在傳統圖2或圖3實驗的基礎上,引入多種物理量,通過物理量的變化引起縫寬的變化,影響接收屏光強分布曲線零點(暗紋)間距的變化,從而測量該物理量的變化量,實現傳感并設計多種物理量傳感器.

本實驗在本科低年級階段引入原理設計(即不涉及制造技術和生產工藝)對拓寬學生思路、激發創新能力、聯系實際都有極大的好處.

實驗分三個階段:

第一階段,課前查閱相關資料學習傳感技術的知識.

第二階段,課堂中3個實驗內容:

(1)定性觀察縫寬與衍射光強圖樣零點(暗紋)間距的變化關系;

(2)定量測量衍射光強分布圖樣暗紋間距和光路其他參數(達到間接測量縫寬目的);

(3)教師答疑(最好一對一).

第三階段,課后根據自己關心的物理量設計傳感器,寫一篇以單縫衍射為模型,字數在2000字左右的論文(選用的物理量最好能與自己的專業技術掛鉤).要求:

(1)畫出傳感器工作原理示意圖;

(2)敘述工作原理;

(3)可行性與可靠性討論;

(4)有關參考文獻;

(5)對本實驗的體會.

3 幾個在實驗中應注意的技術細節

1)做好傳統單縫衍射實驗向設計性實驗升華的關鍵因素之一是讓學生親自感受縫寬窄變化與衍射光強圖樣零點(暗紋)間距的變化關系,因此宜于在實驗中使用縫寬連續可調的單狹縫屏(采用幾片寬度不等的固定縫屏效果稍差).學生親手調動螺旋感受縫寬的變化引起圖樣寬度的變化,同時感受物理量的變化推動狹縫刀口移動(縫寬度的變化)并建立某種聯系,從而為設計傳感器打下良好的基礎.

2)實驗中單狹縫兩刀刃不平行而是楔形.這時衍射圖樣將變形成為一個扇形.教師應幫助學生進行分析并給出合理的解釋(這種狹縫屏應進行維修,使之兩刀刃平行).

3)兩刀刃到接收屏的距離不等(錯位),這時衍射圖樣將不再對稱.如圖4所示,有 x′k＞xk,進一步的分析見文獻[3].

圖4 衍射刀口有錯位,衍射圖樣將不再對稱

4)優秀的學生會提出為什么一定要采用單縫的衍射模型,其他形狀的衍射孔行嗎?如圓孔衍射模型.答案是:在常見的幾何孔衍射光強分布理論中,只有單縫衍射的相對光強分布曲線的相鄰零點(暗條紋)間距才是等間距的(即是的函數性質決定的),而圓孔衍射的相對光強分布曲線相鄰零點是不等間距的.另外,單縫的一個刀刃固定,另一個刀刃與物理量的變化級聯,很容易作到平穩移動.因此,選用單縫衍射模型的優勢是明顯的.

5)傳感器的定標.真正意義的傳感器在設計研發中還存在一個定標問題.即 xk→b→物理量三者關系、比例系數及參考點的問題.對于一般學生,教師可以只提出這個問題,但可不做要求.對特別優秀的學生教師則因材施教引導他較深入地探討這個問題.

4 幾則實例示意圖

以下是幾則教學中成功的以單縫衍射為模型的傳感器實例示意圖.

圖5 微小位移傳感器示意圖

5 結束語

通過設計性實驗我們有如下深刻體會:

1)實驗教師應根據自己的學校在當地的定位以及學校的教學儀器設備等條件因地制宜地制定設計性實驗項目及內容,切不可無所作為、濫竽充數,也不能不切實際、貪大求全.只要能充分地發揮學生在實驗中的主動性,在實驗原理、實驗內容及方法、實驗儀器改進中充分發揮主觀能動作用,他的實驗能力和分析問題的能力得到充分的訓練和培養,那么設計性實驗的初衷就算達到了.

2)教師的知識儲備與技術經驗積累是研發一個高質量設計性實驗的基礎,工作熱情是動力,學校學院的政策支持是大環境支撐,這三者一樣都不能少.

3)一個好的設計性實驗要充分發揮教師、學生及實驗技術人員的積極性、主動性,經長期錘煉才能成為精品實驗項目.

4)中國科技大學霍劍青教授精辟地指出,教師的實驗教學方法決定了實驗教學的質量,決定了學生的收益,在設計性實驗中更是如此,因此有關設計性實驗中的教學方法研究是擺放在我們大家面前的一大課題.

[1] 呂斯驊.新編基礎物理實驗[M].北京:高等教育出版社,2006

[2] 陶純匡等.大學物理實驗[M].北京:機械工業出版社,2007

[3] 葉聲華.激光在精密計量中的應用[M].北京:機械工業出版社,1980

THE CHANGINGOF A TRADITIONAL CONFIRMATORY EXPERIMENT TO DESIGNING EXPERIMENT

Wang Tao Li Tian Ye Dawu Tao Chunkuang
(Physical college of Chongqing University,Chongqing 400044)

In this paper,the principle,characteristics,and traditional experiment arrangement way of single-slit Fraunhofer diffraction are elaborated.After having a deep understanding of the“basic requirements”,the author designed an experiment on“single-slit diffraction and modern sensor design”which realizes a leap from a traditional test-type experiment to designoriented experiment.Then the arrangements of experimental teaching,raises some technical details we need to pay attention are presented,and some design examples are given.Finally,some understanding about design the experiment are given.

single-slit diffraction;sensor;designing experiment

2010-07-15)

汪濤(1973年出生)四川閬中人,博士,副教授.主要從事大學物理實驗教學及科研工作.