科研成果轉化為實驗教學內容之探索

林躍強， 劉曉東， 李 建

(西南大學 物理科學與技術學院， 重慶 400715)

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·實驗教學與創新·

科研成果轉化為實驗教學內容之探索

林躍強， 劉曉東， 李 建

(西南大學 物理科學與技術學院， 重慶 400715)

根據進行科研工作的體會以及從事實驗教學的經驗，作者提出了將從事磁性液體的磁光效應研究中取得的一些成果(包括科研論文和專利)轉化為實驗教學內容的構想。進行了構建以綜合性、研究性實驗為目標的實驗教學模式探討。論文闡述了相關的科研背景、開設本實驗的指導思想、實驗的主要原理以基本要求。

科學研究； 實驗教學； 磁光效應； 磁性液體

0 引 言

物理學是以實驗為基礎的學科，實驗教學是培養物理工作者必不可少的教學組成部分。當代科學技術的發展呈高度分化和高度綜合的趨勢，作為科學技術發展成果的反映的高校課程和內容也不斷地加強課程間的有機聯系，以綜合性的內容代替傳統內容[1]。近代物理實驗是在普通物理實驗和電子學實驗基礎上的一門物理學類專業本科生的必修基礎實驗課程，在實驗教學中起著承上啟下的作用，具有綜合性、技術性和研究性的特點[2]，也是培養物理學科以及相關學科專門人才的重要基礎。將科研成果轉化為近代物理教學內容，有助于啟迪學生的創新思維，提高學生綜合應用知識的能力、掌握進行科學實驗的基本方法，可望在學生的培養上起到“繼往開來”的效果。為此，我們嘗試了將在磁性液體的磁光性質研究中取得的部分成果轉化為近代物理實驗的一個教學內容，以構建具有綜合物理知識、強化實驗技能訓練和將基礎知識運用于科技前沿研究特點的實驗教學模式。

1 科研背景

磁性液體，也稱為磁流體、磁性膠體，是粒徑在10 nm左右的磁性納米微粒分散于液態載體中形成的懸浮體，為具有磁(場)控特性的液態功能材料[3]。磁光效應——磁雙折射和磁二向色性是磁性液體的重要特性之一，不僅可作為反映磁性液體微觀特性的有用工具，在技術應用上也是極具價值的。例如，這些效應已被用于可調四分之一波片的制作[4]和生物分子相互作用的表征[5]等。

通常，磁雙折射和磁二向色性使用線偏振光進行研究，兩者只能分別測量，磁場方向也難以精確確定。根據圓偏振光可分解為偏振方向相互垂直的兩束線偏振光的原理，提出用圓偏振光進行磁光效應研究的方法。采用這個方法，不但磁雙折射和磁二向色性的信息可同時測得，而且磁場方向可精確測定。其測量裝置獲得了專利授權[6-7]，相關解析理論發表于Science China(中國科學)[8]。基于自行設計的裝置及發展的理論所得到的研究結果已在國際刊物上發表[9-10]。

磁光效應研究中，圓偏振光的直接使用還鮮見文獻述及。此外，有研究發現，自然界從分子、生物組織

到地外物體，許多物質表現出對左旋圓偏振光和右旋圓偏振光具有不同的敏感特性[11-13]。因此，圓偏振光不僅在用于磁光效應的研究中體現了新穎性，還可能在更廣范圍的物質性質的研究領域具有潛在的應用價值。

2 指導思想

光是自然界最重要而且最常見的現象之一。它可將信息從一處傳到另一處；也可用于激勵、調節和探測化學、生物和凝聚態物質中的許多過程[14]。20世紀60年代誕生的激光器不但使光通訊成為可能，也為磁光效應的研究提供了有力手段。隨著磁光效應研究的發展，已形成以描述光與各種磁性物質相互作用的現象和理論，以及磁光材料與器件的特性和應用為主要內容的物理學中一門新興分支學科——磁光學(Magneto-Optics)[15-16]。本實驗應作為現有近代物理實驗教學的后續提高性實驗，在實驗的設計中將貫穿如下理念：

(1) 體現物理基礎知識的綜合性。在所設計的實驗中將涉及光的偏振特性，磁學(磁場與物質磁性)，光與物質的作用，磁雙折射效應和磁二向色性與普通光學中的雙折射效應和二向色性的異同。

(2) 強化實驗技能。在本實驗中僅提供給學生分離的單元實驗器件，要求學生自行組裝搭建實驗系統進行相關實驗。其中包括磁場測量、將由激光源產生的激光調制成線、圓偏振光，并進行檢測；測量不同偏振特性的光束穿過磁性液體樣品后其強度、偏振特性的變化;并能根據這些變化解析出樣品的磁二向色性、磁雙折射效應。另外還要求學生熟練使用計算機進行實驗過程控制、實驗數據采集、實驗結果分析。

(3) 拓展知識的能力。知識的積累是一個基于已有知識、吸收新的知識的不斷拓展的過程。在本實驗中，除要求學生完成規定的實驗內容外，還推薦與本實驗相關的科技文獻，作為補充讀物，以促進、培養學生學習新知識的興趣和提高閱讀英文專業文獻的水平。

(4) 溶入研究屬性。本實驗源之于已有的科研基礎上并緊密聯系學生已掌握的物理學知識，因此，可充分體現將基礎知識運用于科研前沿的特色。所測試的磁性液體為磁性納米微粒的懸浮液，學生可直接接觸納米材料。有潛質、有興趣的學生在完成本實驗后，可以在老師的指導下，深入開展研究工作，也為后續的畢業論文選題奠定基礎。

3 實驗的主要原理[8]

在磁場作用下，磁性液體中的磁性納米微粒將沿場方向形成鏈狀團聚結構，以致其宏觀光學性質呈現平行場方向與垂直場方向不同的各向異性。磁光學中，磁場方向即為介質的“光軸”， 偏振方向平行于磁場方向的光稱為e光，偏振方向垂直于磁場方向的光稱為o光。當線偏振光沿垂直于磁場方向穿過介質時，e光與o光的相位不同的現象稱為磁雙折射效應；e光與o光的吸收不同的現象稱為磁二向色性。

當圓偏振光沿垂直于磁場方向(磁場方向設定為x方向)傳播(傳播方向設定為z方向)時，它可分解為振幅相等、位相差為±π/2的兩束線偏振光，其電矢量的表示為：

(1)

式中:A是振幅;ω是圓頻率;t是時間。正、負號分別對應著右旋和左旋圓偏振光，如圖1(a)、(c)所示。當光穿過磁光介質后，由于雙折射效應，兩束線偏振光的相位差會發生改變，這可通過偏振方向垂直于磁場方向的偏振光附加相位延遲Δτ來表示；由于二向色性，兩束線偏振光的振幅是不同的，即Ax≠Ay。因此穿過介質后的透射光可被描述為：

(2)

圖1(a)為右旋圓偏振光，圖1(b)為對應的右旋橢圓偏振光；圖1(c)為左旋圓偏振光，圖1(d)為對應的左旋橢圓偏振光。

對于磁性液體而言，偏振方向平行于磁場方向的e光通常比偏振方向垂直于磁場方向的o光具有較強的吸收和較大折射指數，以致Δτ>0，Ax

(a)(b)

(c)7(d)

圖1 圓偏振入射光成為橢圓偏振透射光示意圖

4 實驗的基本要求

4.1 實驗預習

本實驗應在學習了光學、電磁學等基礎課程，并完成了規定的近代物理實驗的學生中進行。實驗之前，學生應閱讀相關資料文獻；在現場熟悉實驗中所需使用的激光器、光電探頭、磁場產生及測量裝置、各光學元器件和計算機等的作用，并能比較熟練地掌握使用；擬定實驗方案，寫出預習報告。

4.2 實驗內容

(1) 熟悉圖2所示的實驗參考裝置示意圖，自行搭建實驗系統。

(2) 磁性液體薄膜樣品制備。

(3) 根據圖2所示的示意圖，調整光學功能器件，分別產生線性偏振光、圓偏振光，檢驗線偏振光、圓偏振光的光強分布特點。

(4) 磁場的產生與測量。

(5) 磁性液體的磁雙折現效應、磁二向色性測量。

(6) 作出圓偏振光透過磁場作用下的磁性液體樣品后的光強度角分布曲線，解析得出反映磁雙折射效應和磁二向色性的折射差率差值和吸收率差值[8]。

4.3 實驗報告

寫出全面總結實驗的實驗報告，特別要突出實驗結果的分析，可能造成結果誤差的環節。有興趣地同學可在此實驗的基礎上，提出進一步開展研究的課題申請報告，待審核批準后予以實施，并寫出科研論文。

5 結 語

學生素質的培養，關鍵是要培養學生具有創新精

(1) He-Ne激光器; (2) 分光鏡; (3) 起偏器; (4) 1/4波片; (5) 亥姆霍茲線圈; (6) 樣品; (7) 檢偏器; (8) 硅光電池; (9) 勵磁電源; (10) 起偏器; (11) 對照樣品; (12) 硅光電池; (13) 差分放大器; (14) 計算機

圖2 磁光效應測量示意圖

神。但科學上的創新必須是基于掌握必要科學基礎知識上的創新,否則，所謂創新將成為無源之水、無本之木。因此，本科層次的學生的任務應主要是學科專業基礎的學習。學習是伴隨人一生的過程，尤其是青年學生更需有本能地從已掌握的知識去積極追求更多知識的素養。 “千里之行，始于足下”。學生未來的發展，本科階段的學習是尤為重要的。在此階段所積累的知識、得以鍛煉的學習知識的能力及養成的良好實驗動手習慣和思維方式將使學生終生受益。從科學研究工作中提煉出能與學生已有的知識、能力緊密結合的實驗專題，對學生學習的主動性和積極性發揮是大有裨益的。這樣也許能更貼切地使學生獲得新的科學知識，培養科學興趣，為學生開啟一扇探望未來之路的窗口。基于以上認知，我們根據科研體會和教學經驗，探索從磁性液體的磁光效應研究取得的成果中總結出適當的內容轉化到實驗教學中去，嘗試進行了體現基礎性、綜合性和研究性的實驗教學模式的具體構建。

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A Research on Translating the Results of Scientific Investigation into Experimental Teaching

LINYue-qiang,LIUXiao-dong,LIJian

(School of Physical Science and Technology, Southwest University, Chongqing 400715, China)

Combing the experiences of scientific investigation with experimental teaching, we propose to translate the results on the investigation of magneto-optical effects, which involve the papers and patents, into an objective of experimental teaching. In this paper, we perform a research on constructing a model of experimental teaching which has synthetic and investigative characterizations. And, the background of the scientific investigation, the experimentally guiding ideology, major principal and special requirement are advanced.

scientific investigation; experimental teaching; magneto-optical effects; ferrofluids (magnetic liquids)

2014-06-12

國家自然科學基金資助項目(11074205); 西南大學教育教學改革研究項目(2014JY042)

林躍強 (1958-)，男，福建福州人，學士，高級實驗師，主要從事實驗教學及實驗研究等工作。

Tel.:13883387375； E-mail：linyq@swu.edu.cn

G 642.423

A

1006-7167(2015)05-0144-03